Фрикулинг - система естественного охлаждения

При охлаждении происходит обмен тепловой энергией: от объекта, который охлаждается, она переходит в окружающую среду. При этом сам процесс может идти как естественно, без участия каких-либо устройств, так и искусственным путем. Во втором случае тепло перераспределяется между объектом, который нагрет сильнее, к объекту с более низкой температурой. Чтобы достичь такого результата, требуется дополнительная энергия.

В парокомпрессионной машине она необходима для работы компрессора, задачей которого становится формирование в гидравлическом контуре охлаждающего устройства зон с разным давлением – более низким и более высоким. Это позволяет создать условия, при которых хладагент может перейти из жидкой фазы в газообразную и наоборот. При этом один из участков контура становится местом, где тепловая энергия поглощается, а другой – где она тратится на конденсацию хладагента.

В процессе естественного охлаждения тепловая энергия переносится без дополнительных затрат. Однако, чтобы это стало возможным, температурные параметры окружающего пространства должны быть ниже, чем объекта, подвергаемого охлаждению.

Когда при естественном теплообмене в охлаждающей системе используется холодный наружный воздух, процесс носит название фрикулинга, что в переводе с английского языка означает «свободное охлаждение» (от «Free Cooling»). Самой простой из таких систем является открытое окно или форточка.

Фрикулинг как система охлаждения является оптимальным для регионов с холодным климатом. Он позволяет существенно уменьшить период действия компрессора охлаждающей машины и снизить затраты электрической энергии. Именно из-за высокого коэффициента энергосбережения этот тип охлаждения является наиболее предпочтительным.

Различаются две разновидности фрикулинга: прямого и непрямого типов.
Прямым называется процесс, когда теплообмен происходит непосредственно от охлаждаемого объекта к наружному воздуху.

При непрямом в системе имеются промежуточные контуры. Это вид подразделяется на фрикулинг, где используется или не используется адибатика.

Прямой фрикулинг

Идея фрикулинга может по-разному применяться в системах разных типов.

В системах, оснащенных градирнями, конденсатор охлаждается с помощью воды. Чаще всего для этих целей используется конденсатор кожухо-трубного типа. Охлаждающий пар, проходящий снаружи труб, охлаждается и конденсируется с помощью воды, циркулирующей внутри труб. На данном этапе охлаждение воды осуществляется с помощью градирен. Это происходит, когда чиллер работает в условиях высоких температур окружающего воздуха. Однако, при понижении температуры окружающего воздуха ниже температуры воды, используемой в системах охлаждения, нет необходимости в эксплуатации оборудования охлаждающей группы. В этом случае, в системах прямого охлаждения, вода направляется из градирни в обход чиллера напрямую в систему охлаждения. Основным преимуществом данной системы при работе градирен в открытом цикле является то, что требуемая температура охлаждающей воды близка к температуре окружающего воздуха. При этом максимальная выгода может быть получена от использования технологии естественного охлаждения. Однако, серьезным недостатком является загрязнение контура холодной воды, вызванное сравнительно грязной водой конденсатора. Несмотря на попытки использовать различные технологии для ее очистки, такие как, например, фильтрование, применение данных систем в последнее время становится все более непопулярным. Данная проблема может быть устранена путем использования градирен, работающих в закрытом цикле, в составе системы непрямого охлаждения или драйкулеров (сухих градирен).

Применением режима прямого фрикулинга обеспечивается очень высокая энергоэффективность работы оборудования. Однако важно предусмотреть следующий момент: температура воздуха, который поступает в помещение напрямую, должна быть определенной. От также должен быть достаточно чистым. Это ведет к необходимости установки дополнительных устройств, очищающих воздух.

Фрикулинг в системах охлаждения с чиллерами

Сфера применения непрямого фрикулинга – системы с чиллерами. Когда оборудование работает как компрессор, охлаждение жидкости в потребляющем контуре происходит в испарителе, как показано на рисунке 3а. Однако в межсезонье и зимой можно охлаждать помещение, забирая воздух с улицы. Это требует дополнения в виде контура, оборудованного драйкулером (рисунок 3,б).

В системах, где используются чиллеры, применяются три основных варианта фрикулинга.

Фрикулинг с применением градирен замкнутого цикла

Применение градирен замкнутого цикла характерно для систем естественного охлаждения. Как было указано выше, это устраняет риск загрязнения в отличие от систем открытого цикла. В летнее время, когда эксплуатируется оборудование главной охлаждающей группы, конденсаторная вода, подаваемая из градирен, циркулирует в замкнутом цикле. В зимний период, когда работают только системы естественного охлаждения, вода, подаваемая из градирен, циркулирует в контуре холодной воды в замкнутом цикле.

На рисунке 2б показана схема системы естественного охлаждения замкнутого цикла с распределением нагрузки. В данной системе возвратная охлаждающая вода предварительно охлаждается перед подачей в испаритель. При этом снижается нагрузка на чиллер и повышается эффективность всей системы при работе в промежуточные сезоны.

В градирнях, в зависимости от конструкции, вода может охлаждаться до температуры на 3-6 оС выше температуры по влажному термометру. В градирнях замкнутого цикла температура воды обеспечивается на уровне 2-3 оС выше температуры, которая может быть достигнута в градирнях открытого цикла. В идеальных условиях может быть обеспечена температура воды практически равная температуре по влажному термометру путем увеличения размеров градирни, однако, в этом случае значительно увеличиваются капитальные затраты. Хотя, использование градирен привлекательно с точки зрения капитальных затрат, они могут вызывать проблемы с эксплуатацией оборудования. Это связано с тем, что вода из градирен напрямую подается в систему охлаждения, а это в свою очередь может вызывать загрязнение и известковый налет на поверхностях теплообменников. Более того, та, часть воды, которая испаряется в градирнях, должна постоянно восполняться. И, наконец, вода должна периодически очищаться или заменяться для того, чтобы избежать отложения осадков в емкости градирни. Вода в градирне может достигать очень высоких уровней жесткости. При этом при ее испарении образуется большое количество отложений на стенках емкости. При принятии решения об использовании данной системы необходимо учитывать проблемы, связанные с потерями и загрязнением воды.

Системы с использованием вспомогательных теплообменников.

В данных системах используются отдельные дополнительные теплообменники. Чаще всего при этом используются теплообменники пластинчатого типа. В зимнее время необходимая тепловая нагрузка в контуре холодной воды обеспечивается водой из градирен, подаваемой через вспомогательные теплообменники без применения чиллеров.

Системы фрикулинга с использованием газообразного хладагента

Данные системы используются крайне редко. В случаях, когда может быть достигнута температура конденсаторной воды ниже требуемой температуры холодной воды, чиллер работает как термосифон. Низкотемпературная конденсаторная вода конденсирует газообразный хладагент в конденсаторе. Затем он направляется в испаритель силой гравитации или с помощью вспомогательного насоса. Охлаждающая вода с высокой температурой вызывает испарение хладагента в испарителе. Перепад давления между испарителем и конденсатором обеспечивает возврат газа в конденсатор. В данной системе потоки между испарителем и конденсатором обеспечиваются через байпасные каналы. В данной системе нет необходимости в эксплуатации компрессора. Блоки с использованием охлаждающего газа могут применяться в составе не всех систем охлаждения. А в тех системах, в которых они применяются, мощность блоков естественного охлаждения ограничивается показателем 10-30 % от расчетной мощности чиллера. Мощность блоков естественного охлаждения зависит от расчетной мощности чиллера и разницы между требуемой температурой воды и температурой конденсаторной воды.

Принципиальную схему функционирования чиллера, работающего по типу фрикулинга, можно увидеть на рисунке 4. Летом, если наружный воздух теплее теплоносителя, он поступает в контур испарителя, не попадая в драйкулер, где и происходит охлаждение.

В межсезонье при понижении температуры воздуха снаружи помещения может применяться смешанный режим работы чиллера. Это позволяет уменьшить затраты электроэнергии на работу компрессора. Теплоноситель частично охлаждается в испарителе, остаток – в драйкулере, как показано на рисунке 5.

Зимой работа чиллера ведется в режиме фрикулинга. Теплоноситель охлаждается драйкулером (рисунок 6). Компрессор включать нет необходимости, благодаря чему экономится электричество.

Рисунок 6

В системах с фрикулингом теплоносителем являются водо-гликолевые смеси, которые не подвержены замерзанию. Когда в техзадании и проекте невозможно применение антифриза, в системе создается дополнительный контур, в который встраивается промежуточный теплообменник. Это показано на рисунке 7.

Рисунок 7

Такая схема фрикулинга летом, зимой и в межсезонье действует подобно схемам, которые рассматривались выше. Это означает, что летом охлаждение в основном контуре идет только в испарителе чиллера, а контур, где находится антифриз, не используется.

Зимой компрессор выключен, для охлаждения теплоносителя применяется пластинчатый теплообменник контура, где находится антифриз.

Если используется промежуточный контур, происходит небольшое
уменьшение энергоэффективности, но это дает существенные плюсы.

Перепад температур теплоносителя может достигать 7◦С и более.
Благодаря разделению контуров устройство безопаснее.
Зимой не нужно сливать теплоноситель из системы.
Чтобы заправить системы, антифриза нужно меньше.
Обслуживать и ремонтировать холодильное оборудование проще и удобнее.
Риск утечки теплоносителя сведен к минимуму.

В чиллерах, где применяется воздушный конденсатор, может присутствовать встроенная система фрикулинга, однако она может и отсутствовать. По сути, любой из чиллеров на воздушном охлажденим может обладать контуром «свободного» охлаждения – сухой градирней (драйкулером). Однако целесообразнее выбирать в этом случае чиллер со встроенной системой фрикулинга: это дает возможность пользоваться заводской системой управления, регулирующей работу оборудования путем изменения мощности компрессора, запуска вентиляторов и изменения их скорости.

Свободное охлаждения используется и в чиллерах, где применяется водяной вариант охлаждения (рисунок 8).

Рисунок 8

Чиллера, имеющие водяное охлаждение, в теплое время года действуют при работающих компрессорах, задачей драйкулера становится снижение температуры конденсатора чиллера. В холодное время компрессоры выключены, происходит переключение драйкулера на контур, охлаждающий основной контур, чтобы снижать температуру теплоносителя, который идет от потребителя.

Фрикулинг в вентиляционных системах

Вентиляционные системы использует фрикулинг за счет воздухо-воздушного теплообменника, например, роторного рекуператора, как показано на рисунке 9. Ротора соприкасается с потоками воздуха разной температуры, идущими в разных направлениях, по очереди.

Рисунок 9

К достоинствам рекуператоров этого типа относят экономию электроэнергии (параметры эффективности достигают 75-85 процентов), а также возможность пользоваться ими весь год, ведь показатели температуры внутри помещения и снаружи могут быть почти одинаковыми.

Эффективность использования фрикулинга

Главной целью применения этой системы охлаждения становится снижение энергозатрат. С этой точки зрения максимально эффективен прямой фрикулинг, хотя он нуждается в затратах на очищение поступающего с улицы воздуха.

Непрямой фрикулинг эффективен, когда наружный воздух имеет температуру не менее 7◦С.

Чтобы рассчитать, насколько эффективным будет фрикулинг, применяется СНиП 23-01-99, согласно которому параметры среднесуточной температуры уличного воздуха ниже 7◦С должны сохраняться в течение определенного времени и не дольше. При расчетах стоит обратиться к статистическим данным по разным городам России за период последних пятнадцати лет.

Расчет окупаемости фрикулинга

Приведем пример подсчета и сравнения затрат на электрическую энергию при применении чиллера без фрикулинга и с ним. Мощность устройства -520кВт.

Капитальные затраты на оборудование:

Таблица 1

существующая система (чиллер + сухой охладитель)
охлаждение форм и масла	летний период, 4 месяца	5.612,52 €
	зимний период, 8 месяцев	3.498,08 €
	ежегодное потребление	9.110,60 €
сценарий чиллер + чиллер (без сухого охладителя)
охлаждение форм и масла	летний период, 4 месяца	10.761,14 €
	зимний период, 8 месяцев	14.348,19 €
	ежегодное потребление	25.109,33 €
экономическая выгода (евро в год)		15.998,73 €
экономическая выгода (%)		63,72%

Окупаемость чиллеров приведена для регионов с разным климатом – Краснодара, Архангельска и Москвы. В соответствии со СНиП 23-01-99 подготовлена таблица 2 с примерной годовой длительностью промежутков показатели среднесуточной температуры были менее +7 °C, чтобы вычислить примерное время, которое оборудование может работать в режиме фрикулинга.

Таблица 2

Далее следует расчет, сколько чистого времени может работать фрикулинг. При этом время работы компрессора не принимается в расчет.

Таблица 3

Следующим шагом рассчитываются расходы на электроэнергию в течение года для чиллеров двух разных видов. При этом принимаются такие условия:

170 кВт номинальной потребляемой мощностью оборудования, где отсутствует фрикулинг;
20 кВт потребляемой мощности при режиме фрикулинга;
3.8 рублей за 1 кВт*;
круглосуточное использование чиллера в течение всего года.

Результаты расчетов приведены в таблице 4.

Таблица 4

Для расчета окупаемости затрат на систему фрикулинга, равных ?? рублей, разница между ценами расходов на приобретения чиллера делится на разницу сумм, которые удалось сэкономить. Результат приведен в месяцах.

Сроки окупаемости указаны в таблице 6.