Вы здесь

Семинар: "Молочная промышленность"

К вопросу повышения энергоэффективности молокоперерабатывающих производств

      Современной тенденцией развития технологии молокоперерабатывающих производств является снижение себестоимости продукции за счёт повышения энергоэффективности производства и  уменьшения потерь на энергопотребление оборудования.
      Основное потребление электроэнергии на молокоперерабатывающих предприятиях приходится на производство холода.
       Из курса термодинамики известно, что снизить энергопотребление при производстве холода возможно при повышении температуры кипения хладагента- Ткип и снижения температуры конденсации – Тконд. 
       Для парокомпрессионных холодильных машин (фреоновых и аммиачных) повышение температуры кипения Ткип или снижения температуры конденсации всего лишь на один градус DT=1C  позволяет увеличить холодопроизводительность установки на 1...2% или соответственно эквивалентно снизить энергопотребление на 1… 2%.
      Рассмотрим возможности снижения энергопотребления холодильного оборудования за счёт правильного выбора технологического оборудования переработки молока.
      1. Существенно снизить энергопотери позволяет переход на холодильные технологии без получения неоправданно низких промежуточных температур охлаждения хладагентов, т.е. применение холодильных агрегатов с высоким или наибольше  возможным  значением Ткип хладагента. Данный способ снижения энергопотребления тесно связан с появлением нового высокоэффективного теплообменного оборудования и развитием самого технологического оборудования переработки молока.    
Теоретически для требуемых по технологии температур охлаждения молока Т=+4С предельным значением является Ткип=-1…+0С.
      Поэтому современное молочное перерабатывающее оборудование, в том числе маслопреобразователи и охладители творога, в своём развитии из-за стремления снизить энергопотребление  имеет тенденцию перехода на более высокие температуры рабочих хладоносителей. Например, с солевого рассола, имеющего температуру Тр=-5…-10С (Ткип=-10…-15С) на охлаждение ледяной водой Тр=+1…2С (Ткип=-10…-1С). 
       При этом современное передовое оборудование имеет высокое значение КПД  порядка 90% и работает на ледяной воде с температурой Тр=+0,5 +2С, что обеспечивает наименьшее потребление электроэнергии. 
     В настоящее время по возрастанию рабочей температуры кипения хладагента можно расположить холодильное оборудование для получения ледяной воды:
1. Льдоаккумуляторы, Ткип=-10…-2С (Тр=+0,5..+2С);
2. Чиллеры с плёночными испарителями, Ткип=-4..-2С (Тр=+1,0…+2С);
3. Чиллеры с затопленными испарителями, Ткип=-2…-1С (Тр=+1,5...+2С).
     Наибольшей энергоэффективностью  обладают чиллеры с затопленными испарителями благодаря появлению современных высокоэффективных пластинчатых теплообменников полусварного (разборного) типа. При равных параметрах с своим предшественником  – пленочным испарителем, данный тип испарителей позволяет иметь температуру кипения на 1…2 градуса выше и обеспечивать экономию электроэнергии на 2…4%. При этом  чиллеры с полусварными пластинчатыми теплообменниками имеют меньшие габариты и стоимость и более удобны в эксплуатации.
Применение льдоаккумуляторов наиболее востребовано на предприятиях, имеющих большие пиковые тепловые нагрузки, а так же для предприятий с двойным (дневным и ночным) тарифом электроэнергии и  небольших по мощности переработки молока предприятий или молокоприёмных пунктов.
     2. Другим способом снижения энергопотребления холодильного оборудования за счёт применения  современного технологического оборудования является применение регенеративных  теплообменников с высоким значением КПД.
         Как отмечалось выше, современное передовое «молочное» технологическое оборудование  работает на ледяной воде с Тр =+1С  и имеет значение КПД регенерации порядка 90%.
         Использование старых образцов охладителей молока и пастеризаторов, имеющих значение КПД регенерации порядка от 50…65%,  требует для обеспечения приемлемого  охлаждения молочной продукции как правило температуру охлаждающей воды более низкую чем  +2С  и перерасход холода в виде потребляемой электроэнергии на 50…30% по сравнению с современным оборудованием.
        Физически это можно ощутить, замерив температуру молока после пастеризации на выходе из регенератора. Для образцов с КПД порядка 0,60…0,82 температура молока будет в районе Твых=+35…+25С, для передовых с КПД = 0,86…0,90 – порядка +22…+18С (значение температур зависит от температуры проведения  пастеризации и дано приближённо).
         Естественно, при подборе технологического оборудования необходимо заказывать оборудование с высоким значением КПД. Данное оборудование как правило имеет более высокую стоимость (большее количество пластин), однако с точки зрения энергоэффективности  затраты быстро окупаются как на этапе проектирования при расчёте требуемой холодопроизводительности оборудования, так и во время эксплуатации. При этом экономится не только холод, но и тепло на подогрев продукции перед  пастеризацией.
         
            К другим способам уменьшения энергопотребления холодильного оборудования (не связанными с технологическим оборудованием переработки молока) относится:
 
1. Уменьшение температуры конденсации Тконд. хладагента.
Как отмечалось выше, уменьшение температуры конденсации Тконд. хладагента на один градус позволяет увеличить холодопроизводительность агрегата или снизить энергопотребление приблизительно на 1..2%.
     Снижение температуры конденсации возможно за счёт подбора воздушных конденсаторов повышенной производительности (с учётом летней жары) с запасом порядка 50% от номинала   и её регулирования в зимнее время.
Обычно этот способ применяется для фреоновых холодильных агрегатов небольшой холодопроизводительности и позволяет снизить рабочую температуру конденсации с 
Тконд=+450С до Тконд=+40 0С (для средней полосы РФ, где среднесуточная температура не превышает Тн=+32 0С).
       Другим радикальным способом является применение конденсаторов оросительного типа, где  поверхность конденсаторов орошается водой. 
       Данный способ применяется для аммиачных холодильных агрегатов и фреоновых агрегатов большой мощности от 0,5 до 5 мВт и позволяет получить температуру конденсации в летнее время  не выше Тконд=+35 0С. 
       В среднем применение испарительных конденсаторов позволяет снизить энергопотребление в летнее время  в среднем на 20…30%.
               Для фреоновых агрегатов небольшой мощности и средней мощности широкое применение получают конденсаторы испарительного (адиабатического) типа, где перед конденсаторами производится мелкодисперсный распыл воды в виде тумана с охлаждением поступающего в конденсатор воздуха на 10…120С.
        Данное устройство позволяет снизить в летнее время энергопотребление в среднем на 20%, однако требует применение деминерализованной воды и теплообменников с противокоррозионной обработкой.
        Необходимо отметить, что снижение температуры конденсации возможно до определенного предела работы холодильной системы, который определяется типом компрессора и применяемым хладагентом. Обычно он ограничивается температурой Тконд =+30…+200С, а для поршневых и спиральных компрессоров Тконд =+150С.
 
2. Выбор оптимального хладагента – аммиака (R717) или фреонов: R134a, R407С, R22, R404a, R507a. 
 
    Наибольшее значение КПД холодильной установки обеспечивает применение аммиака в качестве хладагента.
    Однако применение аммиачного оборудование в настоящий момент целесообразно для производства холода не менее 2…5 мВт, так как аммиачное оборудование требует постоянный штат обслуживающего персонала и дополнительные расходы.
 Аммиак является пожароопасным и токсичным хладагентом, аммиачное оборудование является технадзорным объектом, требует дополнительные расходы на его безопасную эксплуатацию и содержание постоянного обслуживающего персонала.
    Аммиак имеет нулевые значения потенциалов разрушения озонового слоя и глобального потепления, что делает этот хладагент перспективным для дальнейшего использования.
    Появление высокоэффективных пластинчатых теплообменников, например, указанных выше полусварных затопленного типа для получения ледяной воды,  позволяет не только существенно уменьшить аммиакоёмкость оборудования, но и повысить эффективность его применения подняв температуру кипения до рекордных значений Ткип =-10С и холодильного коэффициента до рабочих значений COP =5…7.
     Необходимо отметить, что высокое значения СОР=5…7 относится к современному аммиачному оборудованию выполненному с применением высокоэффективных теплообменников и конденсаторов испарительного типа.
 
     Другим хладагентом, ненамного уступающему аммиаку (R717),  является фреон R134a.
Холодильное оборудование на R134a имеет несколько меньшее значения КПД на 10…15% (COP=4,0..5,0), однако при этом имеет и намного меньшие накладные расходы на его обслуживание и как фреон лишён недостатков аммиака (токсичности, пожароопасности,).
     Фреоновое оборудование может быть использовано как с испарительными конденсаторами, так и чисто воздушными (без воды).
     Холодильное оборудование на R134a   имеет наибольшее значение КПД по сравнению с другим фреонами, однако из-за малой объёмной эффективности оборудование, выполненное на R134a имеет большие размеры и, следовательно, стоимость, чем, например, оборудование, выполненное на R404a или R407C.
     И наоборот, оборудование, выполненное на R404a, имеет меньшие размеры и стоимость, но при этом  и меньшее значение КПД.
     Выбор того или иного типа хладагента определяется прежде всего соображениями  первоначальной стоимости оборудования и его окупаемостью. Окупаемость  зависит от объёма производства, режима и времени работы оборудования.
 
3. Выбор схемы и системы регулирования производительности холодильной системы.
     
    Холодильная система на современном молокоперерабатывающем предприятии работает в режиме переменной нагрузки, иногда от 10 до 100%.
    Известно, что современные винтовые промышленные компрессоры позволяют производить плавную регулировку производительности в данных пределах от 10 до 100%.
Однако, при уменьшении производительности уже менее 80% от номинальной загрузки КПД винтовых компрессоров начинает резко снижаться.
      По этой причине требуется применение многокомпрессорных агрегатов, которые по мере необходимости плавно включаются или отключаются постоянно сохраняя оптимальные  режимы работы с максимальным значением КПД остальных компрессоров.
     При этом система управления должна строго отслеживать значение кипения хладагента, например,  установленную Ткип=-10С, и поддерживать  наименьшее значение температуры конденсации Тконд для получения наивысшей энергоэффективности.  
     Выбор типа и количества компрессоров в центральном агрегате определяется возможностью плавной регулировки производительности холодильной установки и поддержанием высокого значения КПД на всех переменных режимах работы.
     В некоторых случаях холодильная установка выполненная на больших (одиночных) компрессорах работающих на высокоэффективном фреоне R134a или аммиаке (R717), но с недостаточным количеством их в централи и работающих с частичной загрузкой, может оказаться  менее энергоэффективной, чем установка выполненная на менее эффективном фреоне R407C или R404a, но с оптимальным числом компрессоров  работающих с полной загрузкой.
     
 4.  Энергоэффективность холодильной установки обеспечивает и наличие плавной частотной регулировки производительности насосной станции прокачки ледяной воды.
     Наибольшей эффективности энергосбережения достигается при применение многоконасосной станции (обычно не менее 3-х насосов, один – в резерве) настроенной на необходимое сетевое давление в системе для прокачки ледяной воды через теплообменные устройства. Принцип работы насосной станции как у холодильной –
для  обеспечения наивысшей энергоэффективности один или два насоса работают на режиме максимального КПД, а только один управляется частотным регулятором.
      Известно, что постоянно работающий водяной насос с байпасом не просто гоняет воду по кругу, а в двойне расходует электроэнергию (на работу электродвигателя и на работу холодильной установки для компенсации этого внесенного тепла).
 
   Итак сделаем выводы:
1. Необходимо помнить, что энергопотребление холодильного оборудования закладывается при приобретении технологического оборудования.
Современное технологическое оборудование работает на ледяной воде То=+0,5...+2 0С и   имеет КПД теплообменника не менее 90%.
2. Холодильная установка для производства ледяной воды должна иметь наиболее возможно высокую температуру кипения. 
Современные испарители затопленного типа (фреоновые и аммиачные) для получения ледяной воды имеют Ткип =-10С, что обеспечивает им высокую энергоэффективность.
3. Применяемый хладагент (аммиак или фреон), схема установки  и количество компрессоров должны  быть выбраны исходя из требуемой холодопроизводительности и заданных режимов переменной нагрузки, эксплуатационной и первоначальной  стоимости, окупаемости затрат.
4. При наличии больших пиковых нагрузок  (обычно при работе предприятия в одну и полторы смены) целесообразно применять льдоаккумуляторы, особенно при наличии ночного льготного тарифа электроэнергии.
5. Насосная станция подачи ледяной воды должна быть настроена на необходимое давление сети для обеспечения нормальной работы теплообменного оборудования и иметь регулировку расхода по потреблению.