Охлаждение ледяной водой ниже 2 °C

Пластинчатые теплообменники (ПТЭ) стали стандартным решением для охлаждения в промышленных процессах. Причина в основном экономическая: они охлаждают технологическую воду при сравнительно низких капитальных затратах, занимают мало места и имеют хорошо развитый рынок поставщиков. Однако как только технологический процесс требует температуры воды на выходе 1 °C или 0,5 °C, они выходят за пределы этой «зоны комфорта». В этот момент ПТЭ превращается в технологию, требующую интенсивного контроля и сопряженную с рисками, а в случае сбоя – в дорогостоящую технологию. Именно здесь на помощь приходит компания HTT AG с системами, разработанными с нуля специально для этого температурного диапазона, а не дооснащенными средствами защиты.

Пластинчатый теплообменник – неплохая система. Это система, оптимизированная для определенного диапазона температур, и за пределами этого диапазона она достигает пределов своих конструктивных возможностей. Его популярность объясняется в основном ценой: при температуре воды на выходе от 2 до 3 °C он обеспечивает приемлемые коэффициенты теплопередачи при стоимости приобретения, с которой специализированные системы в этом сегменте изначально не могут сравниться. Еще одним преимуществом является хорошо развитая сервисная сеть и доступность стандартизированных запасных частей.

Поэтому для технологических процессов, в которых допускается температура на выходе 2–3 °C, пластинчатый теплообменник является экономически обоснованным выбором. Вопрос заключается в том, является ли решение, которое на бумаге выглядит дешевле, действительно более экономичным в течение всего срока службы системы, и сохраняется ли это преимущество, когда требуемые температуры технологического процесса опускаются ниже отметки в 2 °C.

Это утверждение кажется очевидным. Однако его последствия для работы установки таковыми не являются. Когда требуемая температура воды на выходе опускается до 1 °C или 0,5 °C, хладагент на другой стороне теплообменных пластин неизбежно должен циркулировать при температуре ниже 0 °C. Локальное образование льда на поверхности пластин в этом случае – не крайний случай, а физическая неизбежность.

Что это означает на практике?

• Слой льда на поверхности теплообмена значительно снижает общий коэффициент теплопередачи. Система теряет эффективность, хотя это не сразу бросается в глаза.
• Замерзающая вода расширяется. Возникающие в результате механические напряжения оказывают нагрузку на форму пластин и прокладки.
• В случае аварии пластины растрескиваются. Хладагент и технологическая среда смешиваются. Система становится экономически неремонтопригодной.

Именно поэтому в технических условиях производителей пластинчатых теплообменников (PHE) строго оговаривается, что температура воды на стороне пластин ни в коем случае не должна опускаться ниже 0,5 °C. Расчетная температура обычно устанавливается на уровне 1 °C, а регулирование давления на всасывании должно обеспечиваться с точностью до 0,25 °C. Это требует полного контура регулирования: регулирования температуры, размораживания горячим газом, регулирования расхода на стороне воды, регулирующих клапанов, пилотных клапанов, электромагнитных клапанов и дополнительных запорных клапанов в зависимости от производительности. К этому добавляются затраты на проектирование, монтаж, электромонтаж и программирование, которые никогда не фигурируют в прейскурантных ценах.

То, что изначально планировалось как экономичное решение, в ходе проектирования превращается в систему со сложными требованиями к управлению. Преимущество в стоимости по сравнению со специализированной технологией тает с каждым дополнительным компонентом системы управления.

Прямое сравнение цен между пластинчатым теплообменником (PHE) и пленочным охладителем BUCOdelot обычно ограничивается ценой покупки, и в этом случае PHE выглядит дешевле. Однако полный учет затрат показывает совсем другую картину.

Системы управления и инвестиции. Для ПТМ, включающего полную систему управления, совокупные затраты распределяются следующим образом в зависимости от холодопроизводительности:

В каждом из этих случаев система управления составляет значительную долю от общей стоимости, а в некоторых классах мощности – почти столько же, сколько и сам испаритель. Стоимость пленочного охладителя BUCOdelot заметно ниже во всех классах мощности от 100 кВт до 1 800 кВт, поскольку для него, по сути, требуются только запорные клапаны на линии всасывания и подачи жидкости.

Мощность насоса и эксплуатационные расходы. Для теплообменника с пластинчатыми элементами требуется водяной насос с напором более 5 м. Охладителю BUCOdelot требуется напор менее 2,5 м. Это позволяет использовать значительно меньшие насосы, снижает потребление энергии при непрерывной работе и заметно упрощает конструкцию системы. Кроме того, следует учитывать перепад давления на стороне воды: в PHE он достигает 0,5–1,0 бар, тогда как в BUCOdelot – всего около 0,3 бар.

Прокладки и их слабые места. Прокладки для крупных теплообменников стоят около 7 500 евро и требуют регулярной замены. Менее известно, что резиновые прокладки чувствительны к озону, который образуется при работе электродвигателей и дуговой сварке. Органические растворители, кислоты, высокая температура и ультрафиолетовое излучение разрушают материал и приводят к появлению трещин. В производственных условиях, где полностью исключить эти воздействия невозможно, это представляет собой неотъемлемый риск, который редко учитывается в общей картине затрат на этапе планирования. Система BUCOdelot работает без прокладок.

Техническое обслуживание. ПЛА требуют регулярной очистки. BUCOdelot представляет собой открытую систему без давления, доступ к которой возможен с обеих сторон в любое время без сброса давления и сложного демонтажа. Затраты на осмотр и очистку значительно ниже. Каждый внеплановый осмотр ПЛА означает остановку производства.

По запросу компания HTT AG разрабатывает оба варианта – теплообменник с полной системой защиты и специализированную альтернативу – и сравнивает их технико-экономические показатели. Решение принимает заказчик, а не тот, у кого случайно ниже прейскурантная цена.

HTT AG разрабатывает системы теплообмена, которые конструктивно рассчитаны на работу вблизи точки замерзания, а не дооснащаются средствами управления в целях безопасности.

Пленочный охладитель BUCOdelot

BUCOdelot был разработан для температур на выходе воды в диапазоне от 0,5 °C до 1 °C. Технологическая вода течет тонкой, равномерной пленкой по охлажденным поверхностям из нержавеющей стали. Контролируемый тонкий слой льда – который в пластинчатом теплообменнике (PHE) поставил бы под угрозу работу – в данном случае не препятствует теплообмену, а, напротив, улучшает его. Система работает в согласии с законами физики, а не вопреки им.

Вот сравнение, наглядно иллюстрирующее это: при работе BUCOdelot образуется слой льда толщиной около 6 мм. В традиционных системах с змеевиком в баке толщина льда достигает 30 мм и более, что сокращает эффективную площадь теплообмена до одной пятой и постоянно ухудшает эффективность размораживания, особенно при неравномерном обратном потоке со стороны технологического процесса. В системе BUCOdelot площадь поверхности льда остается примерно в пять раз больше, что позволяет поддерживать стабильную производительность.

При этом температура испарения составляет всего −3 °C вместо −10 °C в традиционном процессе с использованием льдоаккумулятора — разница в 7 К, которая напрямую приводит к снижению затрат на энергию в течение всего периода эксплуатации.

Важно уточнить: коэффициент теплопередачи – коэффициент U – у пластинчатого теплообменника и системы BUCOdelot сопоставим. Обе системы обеспечивают высокую эффективность теплопередачи. Различия заключаются не в тепловых характеристиках, а в эксплуатационных расходах, сложности управления, удобстве технического обслуживания и совокупной стоимости. Те, кто выбирает BUCOdelot, не жертвуют эффективностью теплообмена ради получения этих преимуществ.

Система полностью изготовлена из нержавеющей стали, работает без давления, доступна с обеих сторон в любое время и не требует разборки для очистки или осмотра. Общий заправленный объем хладагента составляет всего 25 % от объема в сопоставимой системе с змеевиком в резервуаре, что снижает затраты, потенциальную опасность и эксплуатационный риск.

Льдоаккумулятор / Накопитель льда

Система хранения льда аккумулирует энергию охлаждения в виде льда и высвобождает её в виде ледяной воды при температуре от 0 до 1 °C в периоды пикового спроса. Это стандартная проектная спецификация, а не исключительный случай. Типичные области применения: охлаждение теста на крупных хлебозаводах, охлаждение сырого молока на молокозаводах, технологическое охлаждение в фармацевтической промышленности и покрытие пиковых нагрузок в системах кондиционирования воздуха.

Экономическое преимущество, которое часто недооценивают при прямом сравнении с теплообменником (PHE): система накопления льда развязывает процесс генерации холода от потребности в охлаждении. Холодильная установка заряжает систему накопления в часы вне пиковых нагрузок, когда спрос на электроэнергию ниже, а тарифы на электроэнергию более выгодны. Пиковые нагрузки покрываются системой аккумулирования без необходимости завышения мощности чиллера. На практике это означает: меньший чиллер, более низкие эксплуатационные расходы и более стабильные технологические температуры даже при колебаниях профиля нагрузки.

Системы теплообмена с теплообменными панелями

Теплообменные панели представляют собой конструкционные двойные пластины со встроенными каналами для хладагента, устанавливаемые в качестве рубашек резервуаров, встроенных потолков или подвесных теплообменников непосредственно внутри резервуара. Они точно охлаждают продукты и технологические среды до температур, близких к 0 °C, без риска замерзания, которое потребовало бы технического обслуживания пластинчатого теплообменника в этом температурном диапазоне.

В компании HTT AG теплообменные панели проектируются индивидуально с учётом геометрии резервуара заказчика и технологических требований. Размеры, толщина стенок, траектория потока хладагента и перепад давления рассчитываются, а не оцениваются приблизительно. Это обеспечивает регулирование температуры, значительно более точное, чем у стандартизированных решений с пластинчатыми теплообменниками, что имеет решающее значение везде, где жесткие допуски по температуре напрямую влияют на качество продукции и срок её хранения.

Потребность в технологической воде с температурой ниже 2 °C – это не нишевая проблема. Она актуальна для целого ряда отраслей, где качество продукции и безопасность технологического процесса напрямую зависят от температуры охлаждения.

Производство хлебобулочных изделий: тесто нагревается за счет трения во время замеса. Чтобы сохранить структуру клейковины и предотвратить преждевременную активацию дрожжей, необходимо строго контролировать температуру теста. Это возможно только при использовании технологической воды с температурой около 0 °C.

Молочная промышленность и переработка молока: после приема сырое молоко необходимо охладить до температуры ниже 4 °C, а в некоторых процессах – ниже 2 °C, в течение определённого временного интервала, чтобы предотвратить рост бактерий и обеспечить срок хранения. Охлаждение ледяной водой в данном случае – не дополнительная функция, а технологическое требование. Системы BUCOdelot уже десятилетиями используются на молочных фермах и на перерабатывающих предприятиях.

Переработка рыбы и морепродуктов: свежая продукция быстро портится. На многих этапах процесса температура охлаждения вблизи 0 °C требуется по закону или в соответствии со стандартами качества. Системы хранения льда, непрерывно подающие ледяную воду с температурой от 0 до 1 °C, хорошо зарекомендовали себя в этой отрасли. Важный момент: в традиционных системах с змеевиком в резервуаре часто используется оцинкованный материал, что не допускается европейскими нормами безопасности пищевых продуктов. Системы BUCOdelot полностью изготовлены из нержавеющей стали.

Фармацевтическая промышленность: охлаждение реакционных смесей, процессы кристаллизации и контроль температуры чувствительных активных ингредиентов требуют точной температуры технологической воды, которую стандартный пластинчатый теплообменник (PHE) не может надежно обеспечить в долгосрочной перспективе без значительных затрат на систему управления.

Выбор технологии начинается не со сравнения систем. Он начинается с одного вопроса: какая температура воды на выходе действительно требуется для вашего технологического процесса?

Если вам нужны 3 °C, и пластинчатый теплообменник (PHE) уже хорошо справляется с этой задачей с экономической точки зрения, то в ходе откровенного разговора с HTT AG вы именно это и узнаете. Если вам требуется 1 °C или 0,5 °C, вам следует проанализировать полную картину затрат: капитальные затраты плюс система управления плюс обслуживание прокладок плюс энергозатраты на насос плюс эксплуатационные риски – в течение всего срока службы системы. Технология, разработанная именно для этого диапазона температур и обеспечивающая эквивалентные тепловые характеристики при значительно меньших затратах, является более экономичным и надежным выбором на протяжении всего срока службы системы.

Расскажите нам о требованиях вашего технологического процесса. Мы подскажем, какая система предлагает доказательно более эффективную конструкцию для вашего диапазона температур.