Kaip sumažinti elektros energijos sąnaudas šalčio gamybai?

Autoriai:
Energy Advice vadovas, KTU docentas dr. Vytautas Šiožinys
Energy Advice Projektų vadovas Mantas Kaminickas

Pramonėje šalčio gamyba sudaro reikšmingą suvartojamos elektros energijos dalį. Pavyzdžiui, maisto pramonės įmonėse, šaldymo mašinų sunaudojamas elektros energijos kiekis siekia 30%-50% nuo visos elektros energijos, todėl neefektyviai esploatuojant šalčio gamybos sistemą, patiriamos didžiulės papildomos išlaidos elektros energijai. Prakštiškai sumažinti šalčio gamybos sistemos elektros energijos sąnaudas įmanoma dviem būdais: mažinant šilumos ir drėgmės pritekėjimus į šaldomas patalpas arba efektyvinant šalčio gamybą. Šiame straipsnyje aprašysime pagrindinius būdus šaldymo sistemų efektyvumo didinimui, kurie gali būti pritaikyti amoniako ar kitų šaldymo agentų sistemose.

Garavimo temperatūros didinimas ir kondensacijos slėgio mažinimas

Šaldymo sistemos efektyvumas prastėja, mažėjant šaldymo agento garavimo temperatūrai. Šaldymo agento garavimo temperatūra įprastai parenkama 10K žemesnė už šaldomos patalpos temperatūrą. Tačiau siekiant sumažinti energijos suvartojimą, optimali garavimo temperatūra turi būti nustatoma pagal įrengto garintuvo galią taip, kad būtų pakankama palaikyti šaldomos patalpos užduotą temperatūrą ir kaip įmanoma aukštesnė. Projektavimo stadijoje turėtų būti nustatomas priimtinas įmonei investicijų atsipirkimo laikas ir pagal tai parenkamas didžiausios įmanomos galios garintuvas ir aukščiausia garavimo temperatūra.

Tačiau dažnai tinkamai neįvertinamas šaldymo mašinos efektyvumas prie skirtingų garavimo temperatūrų įmonei gali papildomai kainuoti dešimtis tūkstančių eurų kasmet. Pagrindinė problema, jog siekiant sumažinti projekto pradinę kainą, projektavimo metu parenkami nepakankamos galios garintuvai.

Didelę įtaką šaldymo sistemos efektyvumui turi ir garų kondensacijos slėgis. Kondensacijos slėgis kinta priklausomai nuo aplinkos oro temperatūros ir drėgmės, o išgarinimo tipo kondensatoriuose ir nuo pasiekiamos šlapio termometro temperatūros. Dažniausiai pasitaikanti problema, yra nepagrįstai aukštas minimalus kondensacijos slėgis, dėl ko papildomai apkraunami kompresoriai ir mažėja sistemos energetinis efektyvumas. Minimalų kondensacijos slėgį nustato sistemos projektavimo arba įrengimo metu. Kaip taisyklė parenkamas 9 bar – 10 bar minimalus kondensacijos slėgis. Vasaros metu šis slėgis dažniausiai būna viršijamas, tačiau įrengus efektyvų kondensatorių ir esant Lietuvos oro sąlygoms, didžiąją metų dalį būtų galima dirbti palaikant mažesnį kondensacijos slėgį.
Kondensacijos slėgio ir garavimo temperatūros įtaka sistemos efektyvumui (vienpakopė sistema su stūmoklinio tipo kompresoriumi ir R404A agentu) pateikiama Pav 1.

Pavyzdžiui, išaugus garavimo temperatūrai vienu laipsniu, sistemos efektyvumas pagerėja iki 4%. Tarkime, jog kompresoriaus elektrinė galia vidutiniškai 80 kW, tai sumažinus garavimo temperatūrą tik vienu laipsniu, metinis sutaupymas elektros energijai siektų 28 MWe už beveik 2800 Eur. O sumažinus kondensacijos slėgį 1 bar, galima tikėtis ir iki 6,5 % elektros energijos sutaupymo.

garavimas_kondensatas_pav

Pav 1 Kondensacijos slėgio ir garavimo temperatūros įtaka šaldymo sistemos efektyvumui

Kompresorių našumo reguliavimas

Energetiškai imliausias procesas šalčio gamyboje yra šaldymo agento garų kompresija, todėl neefektyvus kompresorių darbas tiesiogiai įtakoja elektros energijos suvartojimo išaugimą. Šaldymo mašinos projektuojamos užtikrinti pakankamą galią didžiausių apkrovų metu, tačiau didžiąją laiko dalį šiluminė apkrova bus mažesnė, todėl šiluminės apkrovos ir šaldymo mašinos galios suderinimui naudojamas kompresorių našumo reguliavimas. Pavyzdžiui, dažnai šaldymo mašinose naudojamų sraigtinių kompresorių našumas reguliuojamas keičiant išmetimo angos padėtį ir plotą. Taip reguliuojant kompresoriaus našumą, ženkliai sumažėja jo efektyvumas prie dalinių apkrovų. Pav 2 pateikiama našumo ir elektros galios kitimas sraigtiniams kompresoriams.

grafikas1

Pav 2 Rotorinio kompresoriaus elektros galios kitimas, kaip funkcija nuo našumo. Punktyrinės linijos gautos įvertinant, kad mažėjant našumui, gali mažėti ir kondensacijos temperatūra bei didėti garavimo temperatūra. Ištisinės linijos gautos neįvertinant kondensacijos ir garavimo temperatūrų kitimo.

Stūmoklinių kompresorių našumas dažniausiai reguliuojamas keičiant dirbančių cilindrų skaičių. Kompresoriaus našumo kitimas priklauso nuo to, kokiu būdu nukraunami kompresoriaus cilindrai. Idealiu atveju, našumo sumažėjimas turėtų būti lygus vartojamos elektros energijos sumažėjimui, tačiau praktikoje kompresoriaus elektros energijos suvartojimas kinta mažiau, negu našumas, tai reiškia, jog kompresoriaus efektyvumas mažėja prie dalinių apkrovų. Pav 3 pateikiamas našumo ir elektros galios kitimas.

grafikas2

Pav 3 70kW stūmoklinio kompresoriaus elektros galios kitimas, kaip funkcija nuo našumo

Energetiškai ir ekonomiškai efektyvesnis kompresorių našumo reguliavimo būdas yra naudojant dažnines pavaras. Teisingai pritaikius dažnio pavaras kompresorių našumo reguliavimui, galima ženkliai sumažinti elektros energijos suvartojimą, kompresoriui dirbant prie dalinių apkrovų.