Холодильная установка получения ледяной воды в пластинчатом испарителе
REFRIGERATING PLANT FOR PRODUCTION OF ICE WATER IN PLATE EVAPORATOR

Изобретение относится к холодильной технике, конкретно, к устройствам получения ледяной воды с температурой близкой к 0°С в пластинчатых испарителях и предназначено для использования в различных технологических процессах пищевой, химической и фармацевтической промышленности.
Статистика холодильного рынка показывает, что потребность 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. Для интенсивного охлаждения температура ледяной воды должна быть максимально близкой к температуре замерзания. Поэтому температура ледяной воды является важнейшей характеристикой таких холодильных установок. Для птицеперерабатывающих и пищевых производств, чем ниже температура ледяной воды, поступающей в линию охлаждения, тем выше качество продукции и выше производительность труда.
Ледяную воду получают в холодильных установках, используя для охлаждения воды теплообменники-испарители открытых и закрытых типов. Наиболее простой тип открытого теплообменника - испаритель, выполненный в виде конструкции из труб или плоских панелей, погруженный в теплоизолированный бак, наполненный водой. Кипящий внутри трубок или панелей хладагент с температурой -10÷-8°С 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, что вызывает перемешивание. Вода в баке, контактируя с льдом, охлаждается до температуры 1-2°С, после чего поступает к потребителю. Устройство для получения ледяной воды с льдоаккумуляторами панельного типа описано на с. 120-123, рис. V-15 в книге «Различные области применения холода», изд. Агропромиздат, г. Москва, 1986, а также в патенте SU 1794235 МКИ 5 F25D 3/00 под названием «Устройство для охлаждения молока», а.с. 1346923 МКИ 4 F25U 3/00, 7/00 1986, SU и многих других публикациях. Установки получения ледяной воды на льдоаккумуляторах получили распространение вследствие их простоты конструкции. Их недостатками является значительное удельное энергопотребление на 1кВт холода и очень большие габариты и металлоемкость.
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. Хотя при такой схеме удельное энергопотребление холодильной машины заметно уменьшается, главный ее недостаток - географическая привязанность к северным регионам, поскольку и лед и вода производятся за счет холодных климатических условий, поэтому она не получила широкого распространения.
Другим типом холодильных установок для получения ледяной воды являются установки с открытыми испарительными панелями, так называемыми, пленочными испарителями, в которых охлаждение воды до температур, близких к +1÷2°С, достигается в процессе стекания тонкого слоя воды с температурой +5÷6°С, подаваемой сверху на эти испарительные панели. Вода от потребителя подается в бак, расположенный над батареей плоских испарительных панелей. Из бака вода равномерно стекает по вертикально расположенным испарительным панелям, имеющим отрицательную температуру за счет кипения внутри панелей хладагента при температуре -3÷-5°С и поступает в бак ледяной воды для последующей подачи к потребителям. Температура ледяной воды на выходе из бака колеблется в пределах+1÷+2°С.
Недостатком таких холодильных установок получения ледяной воды является их высокая металлоемкость и низкая энергетическая эффективность, хотя она и выше, чем у холодильных установок с льдоаккумуляторами, поскольку у охладителей жидкости с пленочными испарителями температура кипения равна минус 4°С, тогда как у охладителей жидкости с аккумуляторами холода она составляет -8÷-10°С. В пересчете на потребляемую электроэнергию получаем, что у охладителя жидкости с пленочными испарителями на 1 кВт электроэнергии, затрачиваемый компрессором, вырабатывается примерно на 15-20% холода больше.
Известно 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 проточный пластинчатый теплообменник, охлаждение производится рассольным раствором, который, в свою очередь, охлаждается в другом теплообменнике хладагентом холодильного контура. Скорость подачи молока регулируют таким образом, чтобы оно охлаждалось до+2÷4°С. Пластинчатые теплообменники, представляющие конструктивно набор тонких профилированных особым образом пластин, собранных в единый пакет, образуют смежные каналы, по которым проходят охлаждаемая жидкость с одной стороны и хладагент с другой стороны, являются наиболее пригодными испарителями для получения ледяной воды, поскольку хладагент и охлаждаемая жидкость разделены очень тонкими пластинами, что снижает термическое сопротивление теплообмену, при этом скорость сред в образованных пакетом каналов намного выше, чем у испарителей других типов.
Недостатком этого устройства является относительно высокая температура выходящей ледяной воды, которая объясняется опасностью ее замерзания ее в проточном теплообменнике.
Наиболее близким решением, выбранным в качестве прототипа, является патент на полезную модель №148545, F25B 39/02 по заявке №2014125879 от 26.06.2014 г. под названием «Холодильная установка получения ледяной воды в проточном испарителе», авторов Велюханова В.И. и Коптелова К.А.
В данной установке компрессор снабжен регулятором производительности, электрически связанном с датчиком давления, установленном на входе в испаритель, насос снабжен регулятором производительности, электрически связанном с датчиком температуры, установленном в водяном контуре на выходе из испарителя, при этом производительность насоса выбирается выше расчетной производительности при максимальной потребности в ледяной воде. В состав водяного контура введен регулятор давления типа «до себя», вход регулятора подключен к выходу испарителя после датчика температуры, а выход регулятора соединен с входом накопительного бака, при этом выход накопительного бака гидравлически связан с входом насоса.
Основным недостатком схемы прототипа является повышение температуры ледяной воды на выходе испарителя выше заданной при резком увеличении тепловой нагрузки на испаритель, т.е. при одновременном увеличении температуры и расхода воды, поступающей от потребителя в испаритель на охлаждение. При значительном увеличении расхода воды у потребителя давление ледяной воды перед регулятором давления «до себя» снижается и он прекращает перепуск воды в бак. Это приводит к тому, что охлажденная вода из бака не поступает на вход насоса и не подмешивается к теплой воде, поступающей от потребителей. Если при этом температура воды у потребителей значительно увеличивается, то из-за прекращения подмешивания к ней холодной воды из бака температура на входе в проточный испаритель резко возрастает, что приводит к увеличению температуры воды на выходе испарителя выше заданной. Тем самым при резких колебаниях тепловой нагрузки у потребителя холодильная установка не сможет обеспечить потребителю ледяную воду необходимой температуры.
Задачей предлагаемого изобретения, является снижение температуры воды на выходе из пластинчатого испарителя и повышение надежности ее поддержания при любых условиях эксплуатации холодильной установки.
Техническая сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в холодильной установке с пластинчатым испарителем, в состав контура хладагента введен нормально открытый соленоидный вентиль, вход которого соединен трубопроводом с выходом компрессора, а выход соединен трубопроводом с входом хладагента в пластинчатый испаритель, в состав водяного контура введены реле давления, установленное на выходе насоса водяного контура, электрически связанное с нормально открытым соленоидным вентилем контура хладагента, управляющий датчик температуры, установленный в водяном контуре на выходе из пластинчатого испарителя, электрически связанный с регулятором производительности компрессора, теплоизолированный смесительный бак, установленный на одном уровне с теплоизолированным баком ледяной воды и дополнительный водяной насос, водяные полости теплоизолированного бака ледяной воды и теплоизолированного смесительного бака гидравлически связаны между собой теплоизолированным перепускным трубопроводом ниже уровня воды, при этом производительность насоса водяного контура выбирается выше расчетной производительности дополнительного водяного насоса, выход проточного испарителя по водяному контуру соединен с теплоизолированным баком ледяной воды, этот бак гидравлически соединен с входом дополнительного водяного насоса, выход этого насоса соединен с входом потребителя ледяной воды, выход потребителя ледяной воды соединен с теплоизолированным смесительным баком, этот бак гидравлически соединен с входом насоса водяного контура, а выход этого насоса соединен с входом пластинчатого испарителя по водяному контуру, при этом все трубопроводы водяного контура выполнены теплоизолированными.
Таким образом, в предлагаемое техническое решение введены признаки изобретения, отличительные от прототипа.
Первый отличительный признак - в состав контура хладагента введен нормально открытый соленоидный вентиль, вход которого соединен трубопроводом с выходом компрессора, а выход соединен трубопроводом с входом хладагента в пластинчатый испаритель, при этом нормально открытый соленоидный вентиль электрически связан с реле давления, установленным на выходе насоса водяного контура. Второй отличительный признак - управляющий датчик температуры, установленный в водяном контуре на выходе из пластинчатого испарителя, электрически связан с регулятором производительности компрессора. Третий отличительный признак - в состав водяного контура введен теплоизолированный смесительный бак, установленный на одном уровне с теплоизолированным баком ледяной воды и связанный с ним теплоизолированным перепускным трубопроводом ниже возможного уровня воды в любом из этих баков. Четвертый отличительный признак - в состав водяного контура введен дополнительный водяной насос, вход которого гидравлически связан с теплоизолированным баком ледяной воды, а выход соединен трубопроводом с входом потребителя ледяной воды, при этом производительность дополнительного водяного насоса при максимальном расходе ледяной воды выбирается ниже расчетной производительности основного насоса. Пятый отличительный признак - вход насоса водяного контура гидравлически связан с теплоизолированным смесительным баком, а выход этого насоса связан с входом в водяную полость пластинчатого испарителя.
Совокупность всех указанных отличительных признаков позволяет достичь поставленного результата, а именно, получить минимально возможную температуру на выходе из пластинчатого испарителя, а именно+0,1÷0,5°С, при этом исключается возможность замерзания воды внутри пластинчатого испарителя.
Так, введенный в состав контура хладагента трубопровод с нормально открытым соленоидным вентилем, соединяющий выход из компрессора и вход в полость хладагента пластинчатого испарителя, предназначен для периодического кратковременного перепуска горячего хладагента в газообразной фазе с целью снятия льда со стенок водяной полости пластинчатого испарителя. Нормально открытым соленоидным вентилем в технике приято считать вентиль, который в обесточенном состоянии находится в открытом положении, а при подаче на него напряжения вентиль закрывается. При работе холодильной установки этот электромагнитный вентиль находится под напряжением в закрытом положении. Если напряжение снять, то он автоматически откроется. Это условие нужно для того, чтобы при аварийном отключении компрессора (например, авария в электросетях) соленоид находился в открытом состоянии, и горячий хладагент из работающего по инерции обесточенного компрессора попадал в полость хладагента пластинчатого испарителя, в котором еще продолжают кипеть остатки хладагента, чтобы не допустить замерзания воды в водяной полости испарителя. При намерзании льда на пластинах водяной полости пластинчатого испарителя проходное сечение этой полости уменьшается и начинает расти давление воды на входе в пластинчатый испаритель. Реле давления при росте давления воды выдает управляющий импульс на снятие напряжения питания с находящегося под напряжением в закрытом состоянии соленоидного вентиля, после чего он открывается и горячие (около 90°С) пары сжатого хладагента из компрессора поступают в полость хладагента пластинчатого испарителя и обеспечивают сброс льда с пластин испарителя и унос его потоком воды. Как только давление на входе в водяную полость приходит в норму, реле давления подает напряжение питания на соленоидный вентиль и он закрывается. Управляющий датчик температуры, установленный на выходе ледяной воды из пластинчатого испарителя, электрически связанный с регулятором производительности компрессора обеспечивает регулирование производительности холодильного контура в зависимости от температуры воды на выходе из пластинчатого испарителя. Если температура ледяной воды на выходе из пластинчатого испарителя приближается к 0°С, чтобы избежать образования льда на пластинах испарителя, датчик температуры выдает управляющий сигнал на привод компрессора с целью снижения его производительности. Введение в состав водяного контура теплоизолированного смесительного бака, гидравлически связанного с насосом водяного контура позволяет выравнивать температуру воды, поступающей на вход проточного испарителя, за счет смешивания поступающей более теплой воды от потребителя с более холодной водой, находящейся в теплоизолированном накопительном баке. Теплоизолированный перепускной трубопровод между баками вместе с другим признаком, - объемная производительность водяного насоса, забирающего воду из теплоизолированного смесительного бака должна быть больше производительности дополнительного водяного насоса, подающего ледяную воду потребителю, нужен для того, чтобы в режиме минимальной тепловой нагрузки у потребителя пластинчатый испаритель работал на захолаживание воды в обоих баках, что позволяет накапливать ледяную воду в баках, и потом использовать ее для снятия пиковых тепловых нагрузок, не увеличивая холодопроизводительности установки, а также для подмешивания ледяной воды к воде, поступающей в теплоизолированный смесительный бак от потребителя.
Предлагаемая схема холодильной установки получения ледяной воды в пластинчатом испарителе изображена на чертеже, где цифрами обозначено:
1 - контур хладагента
2 - компрессор
3 - регулятор производительности
4 - управляющий датчик температуры водяного контура
5 - конденсатор
6 - терморегулирующий вентиль (ТРВ)
7 - пластинчатый испаритель
8 - нормально открытый соленоидный вентиль
9 - водяной контур
10 - насос водяного контура
11 - реле давления водяного контура
12 - теплоизолированный бак ледяной воды
13 - теплоизолированный перепускной трубопровод
14 - теплоизолированный смесительный бак
15 - дополнительный водяной насос
16 - потребитель ледяной воды
В контуре хладагента 1 установлен компрессор 2 с регулятором производительности 3, управляющий датчик температуры водяного контура 4, электрически связанный с регулятором производительности 3, конденсатор 5, терморегулирующий вентиль 6 и пластинчатый испаритель7. В состав контура хладагента 1 введен нормально открытый соленоидный вентиль 8, вход которого гидравлически связан с выходом компрессора 2, а выход этого соленоидного вентиля 8 гидравлически связан с входом в пластинчатый испаритель 7 по контуру хладагента 1. Этот пластинчатый испаритель 7 одной полостью связан с контуром хладагента 1, второй полостью с водяным контуром 9. В водяном контуре 9 установлен насос водяного контура 10, выход которого гидравлически связан с входом в пластинчатый испаритель7 по водяному контуру 9, при этом реле давления водяного контура 11 установлено в водяном контуре 9 на входе в пластинчатый испаритель 7 и электрически связано с нормально открытым соленоидным вентилем 8 контура хладагента 1. Теплоизолированный бак ледяной воды 12 гидравлически соединен теплоизолированным перепускным трубопроводом 13 с теплоизолированным смесительным баком 14, соединен трубопроводом с выходом водяной полости пластинчатого испарителя 7, а также с входом дополнительного водяного насоса 15. Выход этого насоса 15 соединен трубопроводом с входом потребителя ледяной воды 16, а выход потребителя ледяной воды 16 соединен трубопроводом с теплоизолированным смесительным баком 14. Теплоизолированный смесительный бак 14 гидравлически соединен с входом водяного насоса 10, а выход насоса 10 соединен с входом водяной полости пластинчатого испарителя 7, при этом все трубопроводы водяного контура выполнены теплоизолированными. Объемный расход насоса 10 водяного контура выбирается большим, чем объемный расход дополнительного водяного насоса 15 при максимальной тепловой нагрузке на потребителя.
Работает холодильная установка получения ледяной воды в пластинчатом испарителе следующим образом.
В контуре хладагента 1 холодильный компрессор 2 сжимает газообразный хладагент, при этом хладагент нагревается и под давлением поступает в конденсатор 5, где за счет охлаждения окружающим воздухом конденсируется, превращаясь в жидкий хладагент. После чего жидкий хладагента под высоким давлением поступает в терморегулирующий вентиль (ТРВ) 6, после которого хладагент превращается в парожидкостную смесь с низкой температурой кипения. Конкретная температура кипения хладагента подбирается расчетом в зависимости от необходимой температуры ледяной воды. Далее хладагент в виде парожидкостной смеси поступает в полость хладагента пластинчатого испарителя 7, где при кипении он отбирает тепло от воды, поступающей в полость водяного контура пластинчатого испарителя 7. Испарившийся хладагент поступает из испарителя 7 на вход компрессора 2 и холодильный цикл повторяется. На нормально открытый соленоидный вентиль 8 при запуске компрессора 2 поступает напряжение питания и он закрывается. В случае, когда давление воды на входе в водяную полость пластинчатого испарителя 7 будет превышать предварительно заданное значение, реле давления 11, отключит электропитание от соленоидного вентиля 8, он автоматически откроется, после чего горячий газообразный хладагент с температурой 90°С поступит в полость хладагента пластинчатого испарителя 7. Эксперименты показали, что исчезновение льда с пластин водяной полости пластинчатого испарителя 7 происходит за несколько десятков секунд (20-30 сек), после этого проходное сечение каналов водяной полости восстанавливается до начального значения и реле-давления 11 подает электропитание на соленоидный вентиля 8. Он закрывается и газообразный горячий хладагент из компрессора 2 поступает в конденсатор 5. Кратковременность процесса оттаивания за счет поступления горячего газа в полость хладагента пластинчатого испарителя 7 и наличие теплоизолированного бака с запасом ледяной воды 12 практически не влияет на температуру ледяной воды в этом баке. Из теплоизолированного бака ледяной воды 12 дополнительным водяным насосом 15 вода с температурой +0,1°÷0,5°С подается к потребителю ледяной воды 16, где она отбирает тепло от охлаждаемой продукции и выходит от этого потребителя 16 с температурой, например, 4°С. Вода с такой температурой поступает в теплоизолированный смесительный бак 14 и из этого бака водяным насосом 10 подается в водяную полость пластинчатого испарителя 7. В нем вода охлаждается до заданной температуры +0,1°÷0,5°С и снова поступает в теплоизолированный бак ледяной воды 12.
Если у потребителя ледяной воды 16 резко возрастает тепловая нагрузка, то температура ледяной воды на выходе от потребителя может увеличиться до +7°С и с этой температурой вода поступает в теплоизолированный смесительный бак 14, где смешивается с водой в этом баке, имеющей более низкую температуру, например, 4°С. Предположим, температура в баке 14 станет на 1°С выше, т.е. 5°С. Из теории теплообмена известно, что в пластинчатом испарителе жидкость, в том числе и воду, оптимально можно охладить не более чем на 5°С и этот перепад Δt для испарителя будет постоянным при разных температурах входа жидкости в пластинчатый испаритель. Таким образом, при температуре воды 5°С на входе в водяную полость пластинчатого испарителя 7 ледяная вода на выходе из этого теплообменника будет +0,1°÷0,5°С. Эту температуру контролирует управляющий датчик температуры 4 и если температура воды начнет и дальше понижаться, то от этого датчика 4 пойдет сигнал приводу 3 компрессора 2 на снижение производительности компрессора. При снижении холодопроизводительности компрессора 2 расход хладагента через соответствующую полость теплообменника-испарителя 7 снижается, температура кипения хладагента повышается и дальнейшее охлаждение воды в смежной полости проточного испарителя 7 прекращается, при этом температура ледяной воды на выходе из проточного испарителя близка к 0°С. Если вдруг, по какой то причине, этот канал регулирования температуры ледяной воды дал сбой, то замерзания воды внутри проточного испарителя 7 не допустит реле давления 11, установленное на входе водяного контура в пластинчатый испаритель 7. При возможном пиковом росте тепловой нагрузки температура воды на выходе от потребителя ледяной воды 16 может достигать значений +7÷+8°С. В этом случае вода с такой температурой смешивается в теплоизолированном смесительном баке 14 с ледяной водой с температурой +0,1°÷0,5°С, поступающей в него по теплоизолированному перепускному трубопроводу 13 из теплоизолированного бака ледяной воды 12 за счет разницы расходов дополнительного водяного насоса 15 (Gmax) и насоса водяного контура 10 (G). Если расход насоса водяного контура 10 больше расхода дополнительного водяного насоса 15, то ледяная вода будет всегда перетекать по теплоизолированному перепускному трубопроводу 13 из теплоизолированного бака ледяной воды 12 в теплоизолированный смесительный бак 14 и за счет этого температура в теплоизолированном смесительном баке 14 будет снижаться на 2-4°С. В этом случае вода, подаваемая насосом водяного контура 10 на охлаждение в водяную полость проточного испарителя 7, будет иметь температуру 4÷5°С, что позволяет гарантированно охладить ее до температуры ледяной воды +0,1÷0,5°С.
Если тепловая нагрузка у потребителя снижается, то температура ледяной воды на выходе от потребителя будет повышаться незначительно относительно температуры на входе и за счет разницы расходов (расход насоса водяного контура больше расхода дополнительного водяного насоса) будет происходить захолаживание воды в теплоизолированном смесительном баке 14, за счет поступления ледяной воды из бака 12 по теплоизолированному перепускному трубопроводу 13. Тем самым аккумулируется ледяная вода в двух баках. Поэтому в случае превышения номинальной тепловой нагрузки у потребителя, вода, выходящая от потребителя 16 с температурой, превышающей номинальную, будет смешиваться в баке 14 с ледяной водой, поступающей из теплоизолированного бака ледяной воды, и работа холодильной установки будет осуществляться в номинальном режиме, без увеличения производительности компрессора 1.
Использование данного изобретения позволяет надежно и безопасно для конструкции пластинчатого испарителя получать ледяную воду с температурой +0,1÷0,5°С в пластинчатых испарителях холодильных установок. Это снижает энергетические затраты на получение ледяной воды, поскольку ледяная вода производится при температурах кипения хладагента существенно выше, чем температура кипения хладагента в пленочных испарителях или панельных аккумуляторах. Меньшее энергопотребление данной холодильной установки складываются за счет работы ее пластинчатого испарителя при температуре кипения -2°÷-3°С, что на 2 градуса выше, чем у испарительных панелях и на 8 градусов выше, чем у аккумуляторов холода. Поэтому на 1 кВт электроэнергии, затрачиваемой компрессором холодильной установки, вырабатывается примерно на 5% больше холода, чем у испарительных панелей и на 24-25% больше холода, чем у аккумуляторов холода.