Когда супермаркеты начали появляться около тридцати лет назад, стандартной практикой было использование простейшей формы холодильной системы, состоящей из витрин с компрессором и конденсатором, которые находятся внутри основания корпуса. Adams и Trieb (1985) исследовали эволюцию от этого очень простого метода к случаям с удаленными конденсаторными установками. Основными причинами перехода от автономной установки к удаленной установке высокого давления, по-видимому, является необходимость повышения энергоэффективности, большей гибкости при проектировании системы и простоты обслуживания.
В 70-е годы большинство холодильных систем (торговое оборудование) в супермаркетах состояли из удаленно расположенных одного компрессора и конденсатора для каждой линейки витрин. Согласование нагрузки было достигнуто за счет разгрузки баллона, перепуска горячего газа или циклов работы компрессора, которые были неэффективными и сокращали срок службы компрессора. Однако в конце 1970-х и в течение 1980-х годов рост цен на ископаемое топливо и вытекающий из этого спрос на энергоэффективность привели к разработке новых стратегий в системах охлаждения. Хотя традиционные системы все еще существуют, большинство крупных сетей супермаркетов в настоящее время предпочитают использовать самые современные холодильные системы.
Центром этих современных систем является мультиплексная параллельная компрессорная установка. Это группа компрессоров одинакового или разного размера, работающих в унисон для охлаждения большей части холодильных шкафов супермаркета. Как правило, в супермаркете будет три компрессорных блока, в каждом из которых будет от четырех до шести компрессоров. Общая холодильная нагрузка магазина затем делится между упаковками, например:
• Низкотемпературные шкафы (например, замороженные продукты) с температурой испарителя -18 / – 200° С на упаковке А.
• Очень низкая температура (например, мороженое) с температурой испарителя -26 / -28° C, подаваемой спутниковым компрессором для упаковки A
• Средняя температура (например, деликатесы и молочные продукты) с температурой испарителя 0 / + 2° C, поставляемой упаковкой B.
• Высокая температура (например, продукт) с температурой испарителя + 3 / + 6° C, поставляемой упаковкой C.
• Мясной спутник с температурой испарителя -1 / + 1° C, подаваемый сателлитным компрессором в стойку C.
В компрессорной установке компрессоры работают в обычных условиях всасывания, которые удовлетворяют большинству случаев, поставляемых этой компрессорной установкой. Иногда случаи немного более высокой или более низкой температуры испарителя также связаны с той же самой упаковкой. В этой ситуации используются сателлитные компрессоры, как указано выше, которые имеют собственный всасывающий коллектор, но подключены к общему выпускному коллектору блока.
Общая мощность компрессорной установки может быть либо поровну разделена между машинами, либо могут использоваться компрессоры разных размеров. Эта последняя компоновка называется неравной параллельной системой и имеет то преимущество, что различные компрессоры могут включаться и выключаться с использованием последовательности цифровых шагов, чтобы более точно соответствовать требуемой нагрузке.
В холодильных системах с мультиплексными параллельными компрессорами почти всегда используются выносные конденсаторы с воздушным или водяным охлаждением для отвода тепла. В США набирают популярность испарительные конденсаторы. Они состоят из оголенных медных трубок, над которыми вода распыляется против направления воздушного потока. Это заставляет воду испаряться, таким образом охлаждая газ хладагента. Преимущество этой конструкции заключается в том, что змеевик может работать вблизи температуры мокрой колбы окружающей среды, снижая давление в конденсаторе и, следовательно, объем работы, который должен выполнять компрессор. Однако из-за возросших затрат на обслуживание этих систем и действующего в настоящее время строгого законодательства по предотвращению легионклона конденсатор с испарительным охлаждением не получил широкого распространения в Великобритании.
Методы размораживания вне цикла, с использованием электрического или горячего газа можно использовать с мультиплексной системой охлаждения. Оттаивание горячим газом включает в себя циркуляцию горячего газообразного хладагента при температуре около 60 ° C из выпускного коллектора компрессора через испаритель. Там хладагент сначала конденсируется, расплавляя лед, образовавшийся на змеевике, а затем возвращается в конденсатор для циркуляции в другие цепи витрины. Из-за термически вызванных напряжений, которые вызывает разморозка горячим газом для испарительных змеевиков, некоторые производители теперь предпочитают использовать размораживание холодным газом. При этом методе газ отбирается из верхней части приемника жидкости при температуре около 40 ° С и циркулирует вокруг корпусов, как при размораживании горячим газом.
Как было объяснено ранее, мультиплексные параллельные холодильные системы по своей природе более эффективны, чем одиночные компрессоры, благодаря их хорошим характеристикам согласования нагрузки. Кроме того, их централизованное расположение и гибкость позволяют использовать дополнительные функции для снижения эксплуатационных расходов.
Логично, что при уменьшении давления конденсации компрессору придется выполнять меньше работы, чтобы поддерживать это давление в нагнетательной линии. Следовательно, теоретически, давление в конденсаторе может быть уменьшено в соответствии с понижением температуры окружающей среды, при условии, что между хладагентом и наружным воздухом поддерживается подходящая разница температур, позволяющая отводить тепло. Aoating контроля давления головки позволяет эту опцию, хотя на самом деле, некоторые факторы ограничивают величину, на которую давление в конденсаторе может быть уменьшено. Одним из таких факторов является работа термостатического расширительного клапана, который сильно зависит от давления жидкости, поступающего вверх по потоку. Когда это давление снижается, способность клапана подавать хладагент к витрине ограничивается. Кроме того, во время работы при низком напоре переохлаждение окружающего хладагента ограничено, что может привести к возможному испарению хладагента в жидкостной линии.
Эти проблемы могут быть преодолены с помощью новых типов дросселирующего устройства. К ним относятся электронные расширительные клапаны и расширительные клапаны со сбалансированным отверстием, которые позволяют регулировать дроссель при низких скоростях потока.
При работе при пониженном давлении конденсации, мультиплексные компрессорные агрегаты также могут предложить лучшее согласование нагрузки, что обеспечивает более постоянную температуру витрины. В обычной системе, где компрессор будет работать при частичной нагрузке, длительные периоды выключения могут привести к недопустимым изменениям температуры в витрине.
Принимая во внимание все вышеперечисленные факторы, минимальная температура конденсации, обычно рекомендуемая изготовителями компрессоров, составляет 21° C.
Переохлаждение окружающей среды – это охлаждение жидкого хладагента ниже его температуры насыщения за счет отвода тепла в окружающую среду. Это можно сделать либо на последних проходах через катушку конденсатора, либо с помощью отдельной катушки, предназначенной для этой задачи. Переохлаждение особенно важно при использовании давления с плавающей головкой.
Количество переохлаждения окружающей среды, которое может быть достигнуто, во многом зависит от температуры окружающей среды. Во время работы при высоких температурах окружающей среды переохлаждение может быть ограничено до 5° C. В периоды низких температур окружающей среды температура конденсации может упасть ниже желаемого минимума, что приводит к типу проблем, описанных ранее. Чтобы предотвратить это, на выходе из конденсатора используется задерживающий клапан для жидкости, который затопляет последние проходы змеевика, повышает давление в конденсаторе и также производит дополнительное переохлаждение. Стандартным расчетным условием катушки переохлаждения окружающей среды является обеспечение примерно 10 ° C переохлаждения при проектных условиях окружающей среды.
Дальнейшее переохлаждение жидкого хладагента выше температуры окружающей среды может быть достигнуто с помощью механических методов. В этом случае жидкий хладагент покидает змеевик переохлаждения окружающей среды и поступает в дополнительный теплообменник. эта катушка также действует как испаритель для второй, меньшей системы охлаждения, таким образом охлаждая жидкий хладагент основной системы. Это дополнительное переохлаждение увеличивает эффект охлаждения испарителя витрины. Это означает, что меньше хладагента необходимо закачивать по контуру, что снижает потребление электроэнергии компрессором. Однако, чтобы эта экономия перевесила эксплуатационные расходы холодильной системы с переохлаждением, вторичный холодильный контур должен работать при более высоком давлении всасывания, чем основная система. По этой причине механическое переохлаждение обычно применяется только в низкотемпературных и очень низкотемпературных холодильных системах. Механический компрессор переохлаждения может быть либо частью высокотемпературного холодильного контура, либо предназначен только для переохлаждения. Выделенные блоки обычно работают как спутник на главном компрессорном блоке. Стандартная практика для систем с механическим переохлаждением заключается в подаче жидкого хладагента в расширительные клапаны при низких температурах при температуре около 5° C.
Другой метод повышения степени переохлаждения заключается в использовании отдельной катушки переохлаждения. Это имеет то преимущество, что не повышает давление в конденсаторе, а также обеспечивает большую гибкость в трубопроводе системы охлаждения.
Супермаркеты могут воспользоваться большим количеством тепла, отводимого из их холодильных систем, путем регенерации этого тепла и использования его для отопления помещений или нагрева воды. Во время нормальной работы хладагент направляется напрямую от компрессора к конденсатору. Однако, когда требуется обогрев помещения, горячий газообразный хладагент в линии нагнетания можно отвести с помощью трехпортового регулирующего клапана. Он проходит через змеевик в вентиляционной установке магазина, а затем возвращается обратно в конденсатор.
Управление регенерацией тепла обычно осуществляется через магазин или водяной термостат. Обычно это будет двухступенчатый контур, первый из которых будет отводить тепло от хладагента, а второй – от батареи вспомогательного нагревателя или погружного нагревателя, чтобы при необходимости подавать приточный воздух или горячую воду до проектной температуры.
Одним из недостатков регенерации тепла является его конфликт с контролем давления в плавающей головке. Для получения полезного тепла настройка температуры конденсатора обычно составляет порядка 35 ° C, что требует от компрессора дополнительной работы. Следовательно, существует тонкий баланс между снижением давления в конденсаторе, так что компрессор потребляет меньше энергии, но также и поддержанием достаточно высокого давления в конденсаторе, чтобы обеспечить эффективный возврат тепла.
Утечка хладагента – еще одна проблема с мультиплексными системами. Больший заряд, расширение и сжатие линии хладагента во время оттаивания горячим газом, а также большее количество паяных соединений и механических компонентов – все это делает утечку хладагента более вероятной в параллельных системах.
Какими бы ни были преимущества или недостатки любой из этих систем, одно остается определенным: большинство, если не все, новых супермаркетов теперь оснащены современными мультиплексными параллельными компрессорными системами.
Использованные источники
- Adams P. “Merchandising vs. energy consumption in the supermarket” Heating/ Piping/ Air Conditioning, April 1992, p. 53-58.
- Adams P. “The intereffect of supermarket refrigeration and air conditioning” ASHRAE Transactions, 1985, V. 91, Part 1, p.423-433.
- Adams P. “lntcreffects in supermarkets” ASHRAE Journal, October 1985,pp.38-40.
- Adams P. & Trieb S.E. ”Convenience store refrigeration: self contained or remote?” Heating I Piping I Air Conditioning, November 1985, pp. 103-107.
- Asker G. & Berner E. “Industrial air curtain units – Part I – for reduction of temperature and moisture exchange in open doorways to freezers and coolers” Berner Industries Inc., Bulletin 32265, 1965.
- Boinesq J. ”Theorie de l’ecoulement Tourbillant” Mem. Pre. Par Div. Sav., 23, Paris, 1877.
- Cox R.L., Haberl J.S. & Claridge D.E. “A stud y of energy use in grocery stores” ASHRAE Transactions: Symposia p.1301-1314.
- Evans J.A., Russell S.L. & Gigiel A.J. “Verification of CFO predicted reductions in energy consumption due to modifications of a multideck refrigerated display cabinet” University of Bristol, Food Refrigeration & Process Engineering Research Centre (FRPERC}, 1993.
- Gortler H. “Berechnung von auf gaben der freien turbulenz auf grund eines neuen nahcrungsansatzes”, ZAMM, 1942, V. 22, p. 244.
INVESTIGATION INTO THE DESIGN AND OPTIMISATION OF MULTIDECK REFRIGERATED DISPLAY CASES
David Stribling.