СПОСОБ ОТТАИВАНИЯ ВОЗДУХООХЛАДИТЕЛЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
METHOD TO DEFROST AIR COOLER OF REFRIGERATING PLANT

Изобретение относится к холодильной технике, конкретно к способам оттаивания воздухоохладителей холодильных установок от инея в холодильных камерах и предназначено для использования в различных системах холодоснабжения промышленного и коммерческого назначения.
На всех воздухоохладителях, предназначенных для охлаждения воздуха, на наружной поверхности, в том числе на ребрах и трубках, при температуре ниже 0°C образуется слой инея, который нужно периодически удалять, поскольку при наличии такого слоя падает холодопроизводительность воздухоохладителя. Падение холодопроизводительности происходит по двум причинам: во-первых, слой инея представляет собой термическое сопротивление, которое снижает коэффициент теплоотдачи между хладагентом и воздухом, и, во-вторых, поперечное проходное сечение воздушного потока в межреберном пространстве становится меньше, расход воздуха, проходящего через испаритель, падает, в результате коэффициент теплоотдачи также снижается. Это ведет к увеличению энергопотребления холодильной установки, поскольку при уменьшенной холодопроизводительности воздухоохладителя самой холодильной установке необходимо работать больше времени, чтобы обеспечить заданный температурный режим. Поэтому задача своевременного оттаивания инея в воздухоохладителе при эксплуатации холодильной установки всегда является актуальной.
Предварительно для конкретного типа воздухоохладителя расчетным путем или по рекомендациям в технической литературе определяют максимально допустимую толщину слоя инея, при достижении которой теплообмен между воздухом в камере и межтрубным пространством воздухоохладителя резко снижает свою эффективность. Например, в книге Л.Г.Каплана "Торговое холодильное оборудование. Справочник", М., 1995 г., с.158 указано, что в холодильных шкафах иней толщиной 3-4 мм увеличивает расход электроэнергии на 50-60%, а при толщине инея 2,5 мм на трубках и ребрах воздухоохладителя коэффициент теплопередачи снижается на 29%. На практике критической считают толщину инея не более 2 мм, после которой должно начаться оттаивание воздухоохладителя.
Конструктивно воздухоохладители холодильных установок представляют собой секцию тонкостенных алюминиевых или нержавеющих пластин (так называемых ребер), установленных и закрепленных параллельно друг другу с заданным шагом (расстоянием между пластинами - обычно от 4 до 12 мм). В этих пластинах при их изготовлении методом штамповки сделаны отверстия для прохождения через них медных или стальных трубок с хладагентом, а также трубок для электрических нагревателей системы оттаивания испарителя от инея. В процессе сборки воздухоохладителя через эти отверстия перпендикулярно пластинам прокладывают трубки, после чего специальным инструментом, называемым дорном, эти трубки расширяют изнутри, создавая надежный контакт между трубками и теплообменными пластинами-ребрами. Эта секция вместе с трубами устанавливается в корпус воздухоохладителя, на который затем крепят вентиляторы с защитными решетками.
Периодичность оттаивания зависит от типа воздухоохладителя, режима его работы, места установки, условий работы и способа оттаивания. Большие гладкотрубные испарители (без оребрения), применяемые, например, на пивоваренных заводах и крупных холодильниках, оттаивают один или два раза в месяц. Оребренные воздухоохладители иногда оттаивают один-два раза в час, иногда 2-3 раза в сутки.
Способы оттаивания испарителей бывают естественные, когда на время оттаивания останавливают холодильную машину, при этом испаритель в воздухоохладителе нагревается за счет более теплого воздуха в камере и иней оттаивает, так называемый способ оттаивания при помощи окружающего воздуха. Такой способ подробно описан в книге Рой Дж.Доссат «Основы холодильной техники», Москва, изд-во «Легкая и пищевая промышленность», 1984, с.448-449 (УДК 621.56.002.72.004.2; ББК 31.392, Д70), а также в справочнике автора Л.Г. Каплана «Торговое холодильное оборудование», М., изд-во “Колос”, 1995 г., с.159-160 (ББК 36.81-5, УДК 621.565:658.86/.87(035). Суть его в следующем. Когда количество инея на ребрах воздухоохладителя начинает существенно снижать его холодопроизводительность и температура воздуха на выходе из воздухоохладителя начинает увеличиваться, вручную выключают компрессор. При этом работающие вентиляторы начинают прогонять воздух внутри холодильной камеры с положительной температурой через теплообменную поверхность воздухоохладителя с инеем, при этом иней начинает таять и теплообменная поверхность (межреберное пространство для прохода воздуха) возвращается к первоначальному значению. При этом температура воздуха в камере снижается за счет передачи тепла на оттаивание инея, поэтому эффективность оттаивания постепенно снижается. По этим причинам такой способ оттаивания находит ограниченное применение. Он применялся раньше в морозильных установках периодичной заморозки, которые не работают непрерывно. В этих установках запуск и остановку вентиляторов на оттаивание производили вручную, а при необходимости выключение вентиляторов по окончании процесса оттаивания обеспечивалось по команде от термореле, размещенного на испарителе. При всех способах естественного оттаивания необходимо, чтобы температура воздуха в камере поднялась выше 4-5°C, лишь тогда иней начинает заметно оттаивать. Начало процесса оттаивания определяется визуально, а окончание - либо визуально, либо по датчику температуры, расположенному на поверхности воздухоохладителя. Недостатком этого способа является низкий темп таяния инея, вследствие этого большие колебания температуры в холодильной камере, что отрицательно сказывается на хранящихся в ней продуктах.
Но в большинстве случаев используют оттаивание воздухоохладителей с принудительной подачей тепла внутрь оребренной секции воздухоохладителя. Такие способы оттаивания воздухоохладителей от инея описаны в книге В.Мааке, Г.- Ю.Эккерт, Жан-Луи Кошпен. ПОЛЬМАНН. Учебник по холодильной технике, Москва, издательство Московского университета, 1998 г., с.752-765 (УДК 658.822; ББК 31.392; М 12), а также в справочнике автора Л.Г. Каплана «Торговое холодильное оборудование», М., изд-во "Колос", 1995 г., с.158-172.
Известны способы оттаивания воздухоохладителей с помощью орошения водой или рассолом, распыляемых по поверхности воздухоохладителя с помощью различных оросительных устройств, когда распыленная жидкость стекает равномерно по всей теплообменной поверхности испарителя. Способ описан, например, в упомянутом выше справочнике Л.Г.Каплана на страницах 171-172. Этот способ оттаивания испарителя очень интенсивен, но имеет и существенные недостатки - предохранение от замерзания трубопроводов подачи и слива воды, а также коррозия испарителя и поддона (если речь идет об орошении рассолом). Поэтому такой способ оттаивания воздухоохладителей в настоящее время используется довольно редко, в основном для воздухоохладителей из нержавеющей стали.
Известен также способ оттаивания горячими парами хладагента (справочник Л.Г.Каплана, стр.161-162), которые подаются в трубки испарителя от компрессора с использованием четырехходовых клапанов обратимости цикла, т.е. в этом случае холодильная установка периодически работает на нагрев испарителя. После оттаивания инея на испарителе четырехходовой кран приводится в исходное состояние и холодильная установки работает на охлаждение. Способ оттаивания горячими парами хладагента предполагает, что холодильная установка оснащена несколькими испарителями, одни из которых можно по отдельности или совместно оттаивать, в то время как другие продолжают работать.
Недостатком этого способа является существующая опасность слишком сильных перепадов температур по объему холодильной камеры в период оттаивания, поскольку часть воздухоохладителей имеет положительную температуру (те, которые находятся в режиме оттаивания) и часть воздухоохладителей имеет низкую температуру (те, которые работают). При этом во время оттаивания вся нагрузка в холодильной камере должна отбираться оставшимися в работе воздухоохладителями. Они при этом начинают работать с более низкими температурами кипения, что также увеличивает неравномерность распределения температур в камере.
Наиболее широкое применение в настоящее время во всем мире получил способ оттаивания воздухоохладителей с помощью электронагревателей. Этот способ используется в коммерческих холодильных установках малой и средней холодопроизводительности (справочник Л.Г.Каплана, с.160-161). Нагревательные элементы традиционно закрепляются на самом испарителе параллельно трубкам. Ограниченное число нагревательных элементов большой единичной мощности приводит к тому, что температура теплообменной поверхности нагревается неравномерно. И при запоздалом отключении тепловой нагрузки может наступить локальный перегрев теплообменной поверхности, что приводит к дополнительным энергетическим затратам при следующем цикле работы воздухоохладителя на охлаждение воздуха в камере, т.е. сначала нужно охладить нагреватели и зону вокруг них (иногда нагретую до 60-70°C), а затем охлаждать воздух.
Прототипом предлагаемого решения выбран способ оттаивания воздухоохладителей, описанный в справочнике автора Л.Г.Каплана «Торговое холодильное оборудование», М., изд-во "Колос", 1995 г., с.160-161. Оттаивание испарителя от инея по этому способу заключается в периодическом подведении тепла внутрь воздухоохладителя путем включения электронагревателей воздухоохладителя часовым механизмом, а прекращение подачи тепла - путем выключения электронагревателей по команде термореле испарителя. Термореле, датчик которого устанавливается между ребрами на входе воздушного потока в испаритель, отключает подогрев, как только температура ребер станет на несколько градусов выше 0°C.
Основным недостатком прототипа являются повышенные энергозатраты на оттаивание воздухоохладителя вследствие невозможности объективно оценить необходимость подвода тепла (включение нагревателей) для оттаивания и прекращение подачи тепла (выключения нагревателей воздухоохладителей). Нарастание инея на ребрах и трубках воздухоохладителя зависит от многих факторов, например, от того, какой вид продукции загружен в холодильную камеру (мясо в тушах или рыба в замороженных брикетах), хранится ли в камере товар в открытом или упакованном виде, от частоты открывания дверей в холодильную камеру и интенсивности погрузочно-разгрузочных работ в рабочей зоне камеры. Кроме того, на образование инея внутри воздухоохладителя влияет также влажность и температура окружающего воздуха, который при открывании широких дверей камеры во время погрузочно-разгрузочных работ при большой разнице температур вызывает интенсивные конвективные потоки теплого воздуха в холодный объем камеры, несмотря на различного типа тепловые завесы.
Вследствие этого время нарастания инея будет различным и зависеть от всех перечисленных выше условий, тогда как на программируемом контроллере периодичность и время работы нагревателей оттаивания всегда является постоянным. Поэтому режим оттаивания не всегда может быть энергетически оптимальным. Если к очередному запрограммированному заранее моменту включения нагревателей оттаивания инея на трубах и ребрах будет мало, то за время работы нагревателей, также предварительно запрограммированного в контроллер системы оттаивания, иней будет полностью удален, но нагреватели будут продолжать работать, излишне нагревая трубки и ребра испарителя, пока их не выключит термореле, которое отключает нагреватели, если температура ребер станет на несколько градусов выше 0°C, обычно 5°C. При включении воздушного испарителя в работу холодный воздух из камеры, обдувая избыточно нагретый испаритель, будет нагреваться сам и он поступает в холодильную камеру, повышая общую температуру воздуха в камере, что является нежелетельным фактором, поскольку холодильная машина должна будет работать больше времени, чтобы компенсировать это тепло. А это ведет к увеличению расходов электроэнергии.
С другой стороны, если к очередному запрограммированному моменту включения нагревателей системы оттаивания слой инея будет очень большим, то это означает, что испаритель работал в этот момент с низкой эффективностью, поскольку большой слой инея, являясь термическим сопротивлением, не позволяет охладить проходящий через воздушный испаритель воздух до расчетной температуры. Поэтому, чтобы поддерживать заданную низкую температуру в камере при работе с испарителем с большим слоем инея, холодильная машина должна работать более длительное время, что опять ведет к нерациональным энергетическим затратам.
Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно снижение энергозатрат и сокращение времени оттаивания воздухоохладителей при работе холодильной установки.
Указанная цель достигается тем, что в межреберном пространстве воздухоохладителя создают направленный сквозной световой поток, в процессе пусконаладочных работ измеряют и фиксируют начальное значение этого светового потока после установки испарителя в холодильной камере, контролируют изменение светового потока в процессе работы воздухоохладителя в холодильной камере во время выхода ее на заданный температурный режим, визуально контролируют толщину инея в межреберном пространстве воздухоохладителя и при достижении максимально допустимой толщины слоя инея замеряют и фиксируют критическое значение светового потока, при котором во время рабочей эксплуатации воздухоохладителя осуществляют подачу тепла во внутренний объем воздухоохладителя, контролируя при этом изменение указанного светового потока, и при достижении начального значения светового потока прекращают подачу тепла.
Технический результат при использовании предложенного способа оттаивания воздухоохладителей достигается за счет того, что в отличие от существующих в настоящее время способов оттаивания предложенный способ обладает следующими положительными свойствами:
- позволяет объективно контролировать реальную толщину слоя инея на теплообменной поверхности воздухоохладителя за счет создания и контроля направленного сквозного светового потока в межреберном пространстве воздухоохладителя, измеряя фактически сужение сквозного светового окна в межреберном пространстве испарителя по мере нарастания инея;
- измерение начального светового потока в процессе пусконаладочных работ позволяет зафиксировать и ввести в таймер контроллера системы оттаивания значение светового потока, полученное на воздухоохладителе без инея, т.е. получить параметр выключения нагревателей системы оттаивания;
- последовательность операций по контролю изменения светового потока в процессе работы воздухоохладителя при выходе камеры на заданный температурный режим, визуального определения максимально-допустимой толщины инея в межреберном пространстве испарителя позволяют объективно оценивать количество инея, а измерение и фиксация значения светового потока при максимально-допустимой толщине инея, позволяет получить и ввести в таймер контроллера системы оттаивания критическое значение светового потока, при котором нагреватели системы оттаивания должны включаться, т.е. получить объективный параметр включения нагревателей системы оттаивания.
Реализацию предложенного способа рассмотрим на примере оттаивания воздухоохладителей с теплообменным блоком из набора плоскопараллельных пластин, через которые перпендикулярно проходят трубы и нагревательные элементы. При этом расстояние между пластинами (ребрами) составляет 12 мм, что общепринято для низкотемпературных воздухоохладителей, работающих при температуре ниже минус 20°C.
Схематично реализация заявленного способа оттаивания может быть проиллюстрирована с помощью фиг.1, 1а, 2, 2а и 3. где цифрами обозначены:
1 - трубки для хладагента
2 - пластины оребрения
3 - нагревательные элементы
4 - источник светового потока
5 - датчик измерения интенсивности светового потока
6 - иней в межреберном пространстве
Для реализации данного способа в межреберном пространстве воздухоохладителя между трубками для хладагента 1, пластинами оребрения 2 и нагревательными элементами 3 в прямой видимости создается направленный сквозной световой поток от источника светового потока 4, например, светодиода, с одной стороны воздухоохладителя, до фотоприемника 5 с противоположной стороны. Пользуясь рекомендациями, изложенными в справочнике Л.Г.Каплана, выбираем критическую толщину инея на ребрах воздухоохладителя 2 мм, при которой необходимо включение нагревательных элементов системы оттаивания.
После монтажа воздухоохладителя в холодильной камере с установленными в межреберном пространстве источником светового потока 4 и датчиком измерения интенсивности светового потока 5 в процессе пусконаладочных работ включают источник светового потока 4 и измеряют интенсивность падающего на датчик 5 потока, принимая это значение за начальное Е нач. Это значение светового потока, при котором нужно выключать систему оттаивания воздухоохладителя. После чего включают холодильную установку и выводят камеру на заданный температурный режим. Допустим, в камере хранения замороженных продуктов требуется поддерживать температуру воздуха минус 24°C. При работе холодильной установки воздух в камере, периодически проходя через воздухоохладитель, постепенно охлаждается до этой температуры. Внутри трубок течет и кипит хладагент с температурой на 5-7°С ниже. В процессе работы воздухоохладителя при прохождении воздуха в межтрубном пространстве на трубках и пластинах оребрения постепенно начинает образовываться иней за счет конденсации и замерзания влаги из воздуха камеры. При работе воздухоохладителя на этапе пусконалодочных работ визуально контролируют толщину намерзания инея в межреберном пространстве воздухоохладителя и при достижении максимально допустимой толщины инея в межреберном пространстве измеряют и фиксируют датчиком 5 значение интенсивности светового потока Екрит. Фактически контролируют процесс зарастания инеем межреберного просвета в воздухоохладителе. После чего вводят в контроллер холодильной установки полученное значение Екрит., при котором контроллер выдает сигнал на выключение холодильной установки и начало процесса оттаивания, а также вводят начальное значение Енач., при котором процесс оттаивания должен закончиться, т.е. система оттаивания должна быть выключена, а в работу включается холодильная установка. После этого процесс пусконаладки можно считать завершенным и холодильная установка включается в режим рабочей эксплуатации.
1
o
2
о
3
На фиг.3. условно показаны график изменения интенсивности светового потока воздухоохладителя и циклограмма его оттаивания при работе холодильной установки с разной загруженной продукцией. Например, первый цикл работы холодильной установки включает загрузку продукции в камеру, при которой в камеру через открытые двери и с продукцией поступает много влаги и время работы характеризуется интервалом времени Δτ, при котором контролируемая интенсивность светового потока снижается с Енач. до Екрит., после чего включается система оттаивания воздухоохладителя. Оттаивание продолжается период Δτ, после чего продукция хранится в закрытой камере и поэтому процесс намораживания инея идет медленнее, о чем свидетельствует больший рабочий интервал Δτ, после чего снова автоматически идет цикл оттаивания Δτ. Следующий процесс - выгрузка продукции из камеры. В этом случае воздухообмен между камерой и окружающим пространством всегда большой, поэтому наморозка инея идет быстрее всего. При этом время работы холодильной установки Δτ между периодами оттаивания уменьшается. При таком способе время оттаивания будет практически всегда постоянным.
Основным преимуществом данного способа является снижение затрат энергии на процесс оттаивания воздухоохладителей, поскольку при реализации способа воздухоохладитель работает с высокой эффективностью (от 100% в начальный период цикла после оттаивания и до 75%, когда толщина инея на ребрах составит 2 мм).
Учитывая, что мощность нагревателей системы оттаивания составляет от киловатт для малых холодильных систем (прилавки, лари, маленькие холодильные камеры) до десятков киловатт для холодильных камер крупных супермаркетов и холодильных распределительных терминалов, экономия энергетических затрат может значительно снизить стоимость эксплуатационных затрат, связанных с работой холодильных установок с воздухоохладителями.
Кроме того, при таком способе оттаивания отпадает необходимость в термореле выключения системы оттаивания, поскольку выключение обеспечивает контроллер при достижении измеряемым световым потоком начального значения.