ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА ПОЛУЧЕНИЯ ЛЕДЯНОЙ ВОДЫ В ПРОТОЧНОМ ИСПАРИТЕЛЕ

Полезная модель относится к холодильной технике, конкретно, к устройствам получения ледяной воды в проточных испарителях с терморегулирующими вентилем и может быть использовано в различных отраслях промышленности.
Статистика российского и мирового холодильного рынка показывает, что потребность нашей пищевой промышленности в ледяной воде возрастает с каждым годом, поскольку она наиболее полно отвечает гигиеническим и теплофизическим требованиям, предъявляемым технологами к производственным процессам - максимальная скорость охлаждения продукта и биологическая инертность к нему. Поэтому для интенсивного охлаждения, например, молока после дойки или куриных тушек после забоя, температура ледяной воды должна быть максимально близкой к температуре ее замерзания. Однако с технической точки зрения получение ледяной воды с температурой +0,5°С÷1°C является сложной задачей, учитывая, что охладители воды разрабатывались традиционно для систем кондиционирования с температурой воды на выходе из испарителя не ниже +4÷5°C. Эти установки являются компактными и простыми по конструкции, однако получение в них ледяной воды связано с риском замерзания воды внутри испарителя и его разрушения. Поэтому компактные проточные герметичные кожухотрубные и пластинчатые теплообменники, применяющиеся в водоохлаждающих установках систем кондиционирования, при получении ледяной воды имеют очень ограниченное применение. Поэтому для получения ледяной воды разработаны иные схемы холодильных установок с открытыми теплообменниками.
Ледяную воду в настоящее время получают в основном на холодильных установках с льдоаккумуляторами, используя для охлаждения воды испарители открытого типа. Наиболее простой тип открытого теплообменника - испаритель с терморегулирующим вентилем, выполненный в виде конструкции из труб или плоских панелей, внутри которых кипит хладагент. Этот испаритель погружен в теплоизолированный бак, наполненный водой. Кипящий внутри трубок или панелей хладагент с температурой кипения -5÷-3°C охлаждает находящуюся в баке жидкость, при этом на наружной поверхности трубок и панелей образуется лед. Для интенсификации теплообмена жидкость в баке принудительно перемешивают либо с помощью механической мешалки, либо с помощью воздуха, подаваемого в нижнюю часть бака. Вода в этом баке контактирует с льдом и охлаждается до температур, близких к 0°C, после чего поступает к потребителю. Такое устройство для получения ледяной воды в виде льдоаккумулятора панельного типа описано на с. 120-123, рис. V-15 в книге «Различные области применения холода», изд. Агропромиздат, г. Москва, 1986. Оно позволяет также накапливать определенное количество «холода» в виде льда, который намерзает на поверхности испарителя. Известно также охлаждающее устройство для ферм (патент РФ №2081564, БИ №17, 1997). Это устройство содержит подзарядную холодильную машину, блок управления, резервуар-теплообменник для молока, теплоизолированный резервуар хладоносителя с расположенным в нем испарителем, аккумулирующий резервуар хладоносителя, установленный на открытом воздухе, насос для воды, отводную, подающую распылительную и сливную трубы с установленными на них вентилями, датчики температуры. В устройстве для охлаждения молока на фермах Севера (патент RU 2132521) ледяную воду получают в аккумуляторе-теплообменнике льда, где источником холода в теплое время служит лед, накопленный в зимний период, а в холодное время года - атмосферный воздух. Сам теплообменник-аккумулятор выполнен в виде двух полостей, разделенных перегородкой с отверстиями. Верхняя полость предназначена для загрузки льда, нижняя полость - для сбора охлажденной воды, из которой эта вода поступает потребителю. Недостатками этой системы является ее географическая привязанность к северным регионам, поскольку и лед и вода производятся за счет холодных климатических условий. Известна также аккумуляционная установка для охлаждения сельхозпродукции, в частности молока, содержащие холодильную установку, корпус, испаритель, молочную ванну, мешалку, резервуар хладоносителя (Резервуар-охладитель ТОМ-2А. Ковалев Ю.М. Молочное оборудование животноводческих ферм и комплексов. М.: Россельхозиздат, 1987, с. 225).
Аналогичные установки получения ледяной воды на льдоаккумуляторах получение широкое распространение вследствие простоты конструкции. Их недостатками является большое удельное энергопотребление на 1 кВт холода. Недостатками этого устройства являются низкая аккумулирующая способность и большой расход электроэнергии.
Известен устройство охлаждения жидкости, в частности, молока, по заявке ФРГ №4134277 МКИ 5 A01J 9/04, заявлено 17.10.1991 г., опубликовано 22.04.1993 г. Охладитель включает в себя холодильный агрегат, два пластинчатых теплообменника и рассольный контур. Молоко собирается в емкость и с помощью насоса подается в первый пластинчатый теплообменник, охлаждение производится рассольным раствором, который, в свою очередь, охлаждается хладагентом холодильного контура. Скорость подачи молока регулируют таким образом, чтобы оно охлаждалось до +2÷4°C.
Недостатком этого устройства является относительно высокая температура выходящей жидкости, вследствие опасности замерзания ее в проточном теплообменнике.
Также известны плоские пленочные или оросительные испарители, в которых охлаждение ледяной воды до температур, близких к 0°C, достигается в процессе стекания тонкого слоя воды, подаваемой сверху на этот испаритель с температурой +5÷6°C. Такие испарители описаны на с. 209 в книге Р.Д. Доссата «Основы холодильной техники», Москва, «Легкая и пищевая промышленность», 1984 г. Вода подается в распределительный бак, расположенный над батареей плоских или трубчатых пленочных испарителей. Из распределительного бака вода равномерно подается на вертикально расположенные панели, имеющие отрицательную температуру за счет кипения внутри панелей хладагента при температуре -3÷-5°C. Тонкий слой воды, стекающей по поверхности панели испарителя в виде водяной пленки, интенсивно охлаждается. Охлажденная вода стекает в бак-аккумулятор для последующей подачи к потребителям. Температура ледяной воды на выходе из пленочного испарителя колеблется в пределах 0,5C÷2,0°C. Наиболее часто пленочные испарители применяются в системах с постоянной нагрузкой в течение всего цикла работы оборудования.
Общим недостатком большинства приведенных выше способов получения ледяной с помощью открытых испарителей воды является их высокая металлоемкость и цикличность получения ледяной воды. Кроме того, эти резервуары являются довольно металлоемкими и объемными изделиями, занимая много места в машинном отделении.
В настоящее время при модернизации холодильного оборудования молочной и мясоперерабатывающей промышленности для получения ледяной воды начали применять холодильные установки с кожухотрубными затопленными испарителями (см. статью «Современные чиллеры для молочной промышленности» в журнале «Холодильный бизнес», №6, 2011 г. с. 14-15.). Схема кожухотрубного затопленного испарителя для получения ледяной воды представлена в книге авторов В. Мааке и др. «ПОЛЬМАН - учебник по холодильной технике», Изд. МГУ, 1998 г., с. 742, рис. 3.1.2-9. Такие испарители за счет более высокой температуры кипения хладагента (-1°С … -0,5°C) позволяют получать ледяную воду с температурой на выходе из испарителя +0,5°C÷1°C. В таких испарителях хладагент находится в межтрубном пространстве, а охлаждаемая жидкость течет внутри трубок.
Недостатками холодильных установок с затопленным испарителем являются возможность повреждения испарителя вследствие замерзания воды внутри трубок испарителя и сложность гидравлических схем холодильных установок, поскольку в них обязательно должны быть отделитель жидкости для защиты компрессора от попадания в него жидкого хладагента из испарителя. Кроме того, в схемах с затопленным испарителем в холодильном контуре наряду с компрессором обязательно должны быть циркуляционный ресивер и насос, подающий вместо терморегулирующего вентиля хладагент в испаритель, что ухудшает удельные характеристики по энергопотреблению таких установок.
Ввиду сложности эксплуатации и риска разрушения испарителя в установках ледяной воды с затопленным испарителем, в последнее время для производства ледяной воды начали использовать недорогие стандартные водоохлаждающие установки, использующие проточные испарители с терморегулирующим вентилем, разработанные, в основном, для систем кондиционирования с температурой воды на выходе +4÷5°C. Чтобы получить при этом нужную температуру ледяной воды (+0,5°C÷1°C) в нее добавляют лед, вырабатываемым отдельно стоящими льдогенегаторами. Такое решение существенно повышает стоимость производства ледяной воды. Поэтому задача расширения нижнего диапазона регулирования температуры воды на выходе из испарителей с терморегулирующим вентилем таких водоохлаждающих установок является актуальной.
В качестве прототипа полезной модели выбрана холодильная установка, представленная на рис. 3.1.2-2 с. 739 в книге авторов В. Мааке и др. «ПОЛЬ-МАН - учебник по холодильной технике», Изд. МГУ, 1998 г. Эта установка для охлаждения воды включает в себя контур хладагента с компрессором и терморегулирующим вентилем (ТРВ), а также водяной контур с насосом и датчиком температуры, связанные между собой двухконтурным испарителем, причем датчик температуры установлен в водяном контуре на входе в испаритель. Охлажденная вода водяного контура поступает затем к потребителю в охлаждающие батареи.
Наряду с простотой конструкции такой холодильной установки для охлаждения воды в испарителях с ТРВ, по сравнению с приведенными выше аналогами, она обладает недостаточным диапазоном регулирования температуры воды на выходе из испарителя (от +4°C до +12°C) в зоне низких температур, что не позволяет охлаждать воду до температуры +0,5°C÷1°C, а только до +4÷5°C.
Целью предлагаемого решения является расширение диапазона регулирования холодильной установки в зоне низких температур для получения ледяной воды с температурой +0,5÷1°C в проточном испарителе с терморегулирующим вентилем.
Техническая сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что в холодильной установке с проточным испарителем, включающей контур хладагента с компрессором и терморегулирующим вентилем, а также водяной контур с насосом и датчиком температуры, связанные двухконтурным испарителем, введены признаки полезной модели, отличительные от признаков прототипа.
Первый отличительный признак - в состав контура хладагента введен датчик давления, установленный на выходе из испарителя, второй отличительный признак - компрессор снабжен регулятором производительности, электрически связанным с датчиком давления, установленном на выходе из испарителя. Третий отличительный признак - в водяном контуре датчик температуры установлен на выходе из испарителя. Четвертый отличительный признак - насос снабжен регулятором производительности, электрически связанным с датчиком температуры, установленном в водяном контуре на выходе из испарителя. Пятый отличительный признак - производительность насоса выбирается выше максимальной производительности по ледяной воде. Шестой отличительный признак - в состав водяного контура введен теплоизолированный накопительный бак и регулятор давления типа «до себя», при этом вход регулятора гидравлически подключен к выходу из испарителя после датчика температуры, выход регулятора давления типа «до себя» гидравлически связан с входом теплоизолированного накопительного бака, а выход бака гидравлически связан с входом насоса.
Совокупность всех шести отличительных признаков позволяет достичь поставленного результата, а именно, расширить минимальную границу температуры на выходе из проточного испарителя до значения +0,5°C÷1°C, при этом исключается возможность замерзания воды внутри испарителя.
Испаритель и холодильный контур рассчитываются на максимальное потребление ледяной воды, поэтому компрессор в холодильном контуре в начальный момент работает на максимальной производительности. Насос в водяном контуре рассчитывается с производительностью, выше потребной максимальной производительности, например, на 25%. Регулятор давления «до себя» находится в закрытом положении. Если потребность в ледяной воде с максимального значения начинает уменьшаться, например, у потребителя ледяной воды отключается от водяного контура часть оборудования, то в водяном контуре на выходе из испарителя температура воды снижается, приближаясь к температуре замерзания. В полости испарителя, подключенной к холодильному контуру, в ответ на снижение тепловой нагрузки со стороны водяного контура, испаряется меньше хладагента, при этом компрессор, работающий с максимальной производительностью по всасываемому газу из испарителя, старается откачать больше, чем может испариться в испарителе, поэтому давление хладагента на выходе из него начинает падать. При этом вследствие уменьшения нагрузки на испаритель вместе с давлением хладагента падает температура его кипения (зависимость температуры кипения хладагента от давления для каждого хладагента указаны в термодинамических таблицах холодильных справочников). А при снижении температуры кипения хладагента, наряду со снижением температуры ледяной воды на выходе из испарителя, значительно возрастает вероятность замерзания воды внутри него, что может привести к его разрушению. Чтобы не допустить этого, начинают работать два канала регулирования - в холодильном контуре, при падении давления хладагента на выходе из испарителя датчик давления выдает сигнал через регулятор производительности компрессора на снижение его производительности. При этом холодопроизводительность холодильной установки уменьшается в пропорционально уменьшению тепловой нагрузки на испаритель, давление хладагента на выходе из испарителя достигает заданного значения, соответствующего температуре кипения хладагента (-3°C), гарантирующей отсутствие отрицательных температур на наружных стенках трубок с кипящим хладагентом.
В тоже самое время в водяном контуре, чтобы исключить замерзание воды на трубках с кипящим хладагентом в испарителе, и более точно поддерживать заданную температуру ледяной воды (+0,5÷1°C) на выходе из испарителя, при понижении этой температуры датчик температуры выдает сигнал на частотный привод, который увеличивает производительность насоса. При увеличении расхода воды через испаритель, ее температура на выходе из испарителя начинает возрастать за счет подвода к нему дополнительного тепла от потребителей ледяной воды, достигая заданного значения 0,5÷1°C. В результате этого холодильная установка за счет двух контуров регулирования выходит на стационарный режим получения ледяной воды при сниженной потребности в ледяной воде у потребителя. При этом избыток полученной ледяной воды начинает создавать повышенное давление в магистрали перед потребителем ледяной воды. Установленный на входе регулятор давления «до себя» открывается и избыток ледяной воды поступает в теплоизолированный накопительный бак, создавая ее запас на случай увеличения нагрузки.
Схема холодильной установки получения ледяной воды в проточном испарителе с терморегулирующим вентилем изображена на прилагаемом чертеже, где цифрами обозначено:
1 - холодильный контур
2 - компрессор
3 - регулятор производительности компрессора
4 - датчик давления
5 - конденсатор
6 - терморегулирующий вентиль (ТРВ)
7 - испаритель
8 - водяной контур
9 - насос
10 - частотный привод насоса
11 - датчик температуры
12 - потребитель ледяной воды
13 - теплоизолированный накопительный бак
14 - регулятор давления «до себя»
Холодильный контур 1 содержит компрессор 2 с регулятором производительности 3, электрически связанным с датчиком давления 4, конденсатор 5, терморегулирующий вентиль 6 и испаритель 7. Датчик давления 4 установлен в холодильном контуре 1 на выходе из испарителя 7. Испаритель 7 одной полостью связан с холодильным контуром 1, второй полостью с водяным контуром 8. В водяном контуре 8 установлен насос 9 с частотным приводом 10, при этом частотный привод электрически связан с датчиком температуры 11, установленном в водяном контуре на выходе из испарителя 7. Потребитель ледяной воды 12 гидравлически связан своим входом с выходом испарителя 7, а своим выходом - с входом насоса 9. К водяному контуру 8 параллельно потребителю ледяной воды 12 гидравлически подключен теплоизолированный накопительный бак 13, при этом вход теплоизолированного накопительного бака через регулятор давления типа «до себя» 14 связан с входом потребителя ледяной воды 12, а выход из теплоизолированного накопительного бака 13 подключен к водяному контуру 8 на входе в насос 9.
Работает холодильная установка получения ледяной воды в испарителе с терморегулирующим вентилем следующим образом.
Установленный в холодильном контуре 1 компрессор 2 сжимает пары хладагента, после чего в конденсаторе 5 они конденсируются, после прохождения терморегулирующего вентиля 6 жидкий хладагент дросселируется и превращается в парожидкостную смесь с низкой температурой кипения, например, для нашего случая температура кипения хладагента в полости холодильного контура испарителя 7 составлять -2÷-3°C. В зависимости от приходящей тепловой нагрузки на испаритель 7 со стороны водяного контура 2, температура и давление кипящего хладагента в полости испарителя 7 будет изменяться. В испаритель 7 насос 9 подает на охлаждение воду водяного контура 8 от потребителя ледяной воды 12. По сигналу датчика температуры 11 частотный привод 10 насоса 9 регулирует расход воды через испаритель 7, обеспечивая на выходе из испарителя температуру ледяной воды +0,5÷1°C. Холодильный контур 1 рассчитан на максимальную потребность в ледяной воде у потребителя ледяной воды 12. Насос 9 в водяном контуре 8 рассчитан на производительность, выше максимальной, например, на 25%. Регулятор давления «до себя» 14 находится в закрытом положении. Если потребность в ледяной воде начинает уменьшаться, т.е. у потребителя ледяной воды 12 отключаются от водяного контура 8 часть оборудования, то в водяном контуре 8 на выходе из испарителя 7 температура воды снижается, приближаясь к температуре замерзания. При этом в полости испарителя 7, подключенной к холодильному контуру 1, в ответ на снижение тепловой нагрузки со стороны водяного контура 8, испаряется меньше хладагента, при этом компрессор 2, работающий изначально с максимальной производительностью по всасываемому газу из испарителя 7, старается откачать больше, чем может испариться в испарителе 7, поэтому давление хладагента на выходе из него начинает падать. При этом из-за уменьшения нагрузки на испаритель 7 вместе с давлением хладагента падает температура его кипения (зависимость температуры кипения хладагента от давления для каждого хладагента указаны в термодинамических таблицах холодильных справочников). А при снижении температуры кипения хладагента, наряду со снижением температуры ледяной воды на выходе из испарителя 7, вероятность замерзания воды внутри него значительно возрастает. Чтобы не допустить этого, начинают работать два канала регулирования - в холодильном контуре 1 при падении давления хладагента на выходе из испарителя 7 датчик давления 4 выдает сигнал через регулятор производительности компрессора 3 на снижение производительности компрессора 2. При этом холодопроизводительность установки уменьшается в соответствии с уменьшением тепловой нагрузки на испаритель 7, давление хладагента на выходе из испарителя 7 достигает заданного значения, соответствующего температуре кипения хладагента (-3°C), гарантирующей отсутствие отрицательных температур на наружных стенках трубок с кипящим хладагентом.
В тоже самое время в водяном контуре 8, чтобы исключить замерзание воды на трубках с кипящим хладагентом внутри испарителя 7, и более точно поддерживать заданную температуру ледяной воды (+0,5÷1°C) на выходе из испарителя 7 при ее понижении датчик температуры 11 выдает сигнал на частотный привод 10, который увеличивает производительность насоса 9. При увеличении расхода через испаритель 7 в водяном контуре 8, температура ледяной воды на выходе из испарителя 7 начинает возрастать за счет увеличения ее расхода, фактически подвода к испарителю дополнительного тепла от потребителей ледяной воды, достигая заданного значения 1÷2°C, Однако поскольку часть оборудования потребителя ледяной воды 12 отключена после чего холодильная установка за счет двух контуров регулирования выходит на стационарный режим получения ледяной воды при сниженной потребности в ледяной воде у потребителя 12.
При снижении тепловой нагрузки у потребителя, например ледяной воды надо вдвое меньше, температура хладагента на выходе из теплообменника-испарителя 7 начинает снижаться, например, до -5°C. При этом давление хладагента на выходе из теплообменника-испарителя 7 начинает падать и управляющий датчик давления 4 выдает сигнал на снижение производительности компрессора 2. Холодопроизводительность холодильного контура 1 снижается и температура кипения хладагента в теплообменнике-испарителе 7 начинает повышаться до требуемого диапазона -2÷-3°C. В результате этого холодильная установка за счет двух контуров регулирования выходит на новый стационарный режим получения ледяной воды с температурой 0,5÷1°C при сниженной потребности в ледяной воде у потребителя.
Таким образом предлагаемая полезная модель позволяет получать ледяную воду с температурой 0,5÷1°C в проточных испарителях с терморегулирующим вентилем при изготовлении новых и модернизации существующих водоохлаждающих установок.