ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА С ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫМ ХОЛОДИЛЬНЫМ АГЕНТОМ ДЛЯ СУШКИ КОЛБАС

АННОТАЦИЯ

В данной работе исследована реконструкция климатической установки производственного участка по переработке колбасных изделий - с заменой хладагента R22 на природный хладагент R290 (пропан) с нулевым экологическим воздействием. Расчётная оценка тепловлажностных нагрузок выполнена для условий г. Алматы при параметрах наружной среды t_н = 34°С, φ_н = 35% и технологических условиях камеры: t_в = 12°С, φ_в = 75%. Установлены составляющие теплового и влажностного балансов: от охлаждаемого продукта, строительных ограждений и производственного персонала.

Выявлено, что при пиковых значениях наружной температуры до +39°С холодильная установка на пропане подвергается защитным остановкам по превышению давления в линии конденсации, что влечёт за собой нарушение климатического режима в камере. В целях устранения данного недостатка и роста надёжности эксплуатации предлагается модифицированная холодильная схема, дополненная мультиэжекторным блоком с малым перепадом давлений. Эжекторный узел обеспечивает утилизацию энергии дросселирования с направлением её на подъём давления всасывания, что ведёт к сокращению удельного электропотребления в жаркий сезон.

Доказана обоснованность внедрения хладагента R290 в паре с мультиэжекторным модулем на предприятиях мясной отрасли южного Казахстана. Проведена сравнительная оценка ожидаемых энергетических и эксплуатационных выгод модернизированной схемы.

ABSTRACT

This paper investigates the reconstruction of a climate control system for a production area processing sausage products, involving the replacement of the refrigerant R22 with the natural refrigerant R290 (propane), which has zero environmental impact. A calculated assessment of the thermal and moisture loads was performed for the conditions of Almaty, with outdoor parameters of tₙ = 34°C, φₙ = 35%, and chamber process conditions of tᵥ = 12°C, φᵥ = 75%. The components of the heat and moisture balances were established, including contributions from the cooled product, building structures, and production personnel.

It was found that at peak outdoor temperatures of up to +39°C, the propane-based refrigeration system experiences safety shutdowns due to excessive pressure in the condensation line, which in turn disrupts the climatic conditions inside the chamber. To address this drawback and enhance operational reliability, a modified refrigeration scheme is proposed, supplemented by a multi-ejector block with a low pressure differential. The ejector unit enables the recovery of throttling energy, directing it to raise the suction pressure, thereby reducing specific electricity consumption during the hot season.

The feasibility of implementing the R290 refrigerant in conjunction with a multi-ejector module at meat industry enterprises in southern Kazakhstan is substantiated. A comparative assessment of the expected energy and operational benefits of the modernized scheme is conducted.

Ключевые слова: климатические системы, мясопереработка, R290, пропан, мультиэжектор, энергосбережение, сушильная камера колбас, тепловлажностный баланс.

Keywords: climate control systems, meat processing, R290, propane, multi-ejector, energy saving, sausage drying chamber, heat and moisture balance.

1 ВВЕДЕНИЕ

Климатическое оборудование занимает ключевое место в технологическом процессе предприятий по переработке мяса и молока. Для качестваенного длительного хранения некоторых видов сырья и пищевых продуктов необходимо поддерживать низкую относительную влажность воздуха в камерах [1]. Его задача - поддерживать нормативные значения температуры и влагосодержания воздуха в производственных камерах: посолочных, созревания, сушки, охлаждения готовой продукции, а также в молочных цехах. В рационе здорового питания важное место занимают сыры, являющиеся продуктом сложной биотехнологический переработки молока, вследствие которой происходит концентрация его основных компонентов с последующей их ферментацией [2]. Строгое соблюдение заданных параметров воздушной среды непосредственно определяет качество готовых изделий, длительность технологических операций и уровень санитарной безопасности производства.

В помещениях сушки и остывания колбасных изделий необходимо поддерживать пониженную температуру - порядка 12°С - при одновременном контроле относительной влажности на уровне около 75%. Формирование тепловой нагрузки обусловлено следующими факторами: теплоотдача от продукта при его охлаждении с 40°С до 12°С; теплопередача через строительные конструкции камеры; испарение влаги в ходе технологической сушки; теплогенерация обслуживающего персонала.

Расчётный летний максимум температуры наружного воздуха для условий Алматы составляет +34°С, тогда как в периоды интенсивной жары этот показатель достигает +39°С. При столь напряжённых климатических условиях температура конденсации хладагента поднимается до 55°С и выше, что сопровождается ростом давления нагнетания, ухудшением коэффициента COP и угрозой аварийного останова компрессорного оборудования.

На значительной части мясоперерабатывающих производств в настоящее время продолжают работать установки, заправленные хладагентом R22. Ужесточение международных экологических регламентов в части озоноразрушающих веществ ставит перед предприятиями задачу перевода оборудования на безопасные альтернативы. Среди них особого внимания заслуживает пропан R290 - природный хладагент с нулевым потенциалом разрушения озонового слоя и ничтожным вкладом в парниковый эффект

В промышленных холодильных установках применение экологически безопасных хладагентов рассматривается как одно из приоритетных направлений модернизации отрасли. Теоретические основы работы холодильных машин и термодинамических циклов подробно изложены в фундаментальных трудах отечественных учёных [2].

Авторы [3] проводили экспериментальное исследование процесса сушки колбас с использованием новой конденсаторной установки на инверторном приводе постоянного тока, включающей спиральный компрессор, электронный расширительный клапан и ПИД-регулятор. Эксперименты проводились в маломасштабной камере с загрузкой 200 кг свежих колбас в течение пяти дней. Общее потребление электроэнергии составило 5160 кВт·ч, что позволило сравнить энергоэффективность с традиционными технологиями сушки. Результаты подтверждают целесообразность компактных энергоэффективных систем как альтернативы крупногабаритным установкам для сельхозпредприятий.

Вместе с тем при высоком уровне температуры окружающей среды R290-установки испытывают повышенное давление конденсации, что сказывается на надёжности работы. Для решения этой проблемы в настоящем исследовании предлагается дополнить холодильный контур мультиэжекторным агрегатом с малым перепадом давлений. Эжекторный модуль позволяет частично возвращать энергию процесса дросселирования в систему, поднимая давление на входе компрессора и сокращая таким образом удельные энергозатраты в летний период.

Настоящая работа ставит целью расчётную оценку тепловлажностных нагрузок сушильной камеры колбасного цеха и обоснование целесообразности модернизации климатической системы при переходе с R22 на R290 с использованием мультиэжекторного контура применительно к климату г. Алматы.

2. Анализ литературных источников и формулировка задачи

2.1 Применение систем кондиционирования воздуха в производственных условиях мясной и молочной отрасли

Холодильные установки занимают одно из ведущих мест в системах воздухоподготовки предприятий мясного и молочного профиля. Сферы применения охватывают: посолочные и созревательные цеха; камеры дефростации полутуш и мясного сырья, участки производства фарша; коптильно-сушильные отделения и помещения остывания колбас; а также цеха выпуска технических продуктов и биопрепаратов.

Организация кондиционирования воздуха в производственных помещениях данного профиля требует учёта характерных особенностей: пониженного температурного уровня в рабочей зоне и, как следствие, необходимости соответствующего снижения температуры поверхности охлаждающих устройств.

При осуществлении технологического процесса сушки полукопчёных колбас воздух охлаждается холодной водой (2–3°С), после чего приобретает пониженное влагосодержание по сравнению с воздухом в камере. Продукт поступает нагретым до +40°С и по завершении процесса охлаждается до +12°С; установка функционирует в режиме полной внутренней рециркуляции. Принципиальная схема и тепловлажностные процессы воздуха приведены на рис. 2.1.

Рисунок 1. Схема климатической установки при сушке полукопчёных колбас: а - функциональная схема; б - процессы обработки воздуха на i-d диаграмме

При воздушном охлаждении варёных и варёно-копчёных колбасных изделий также необходимо реализовывать совмещённый процесс охлаждения и влагоудаления из воздуха камеры. В последние годы возрос интерес к использованию природного хладагента R290 (пропан) в промышленных системах охлаждения. Результаты практического применения природных хладагентов в промышленных холодильных системах обобщены в работе. Анализ энергоэффективности холодильного оборудования предприятий мясоперерабатывающей промышленности Казахстана, выполненный в, подтверждает актуальность разработки и внедрения более эффективных схем холодильных установок с применением экологически безопасных хладагентов. Пропан является углеводородом и обладает рядом важных характеристик, которые делают его эффективной альтернативной HCFC - и CFC - хладагентам. Химический состав R290 не содержит ОВР, что делает его экологически безопасным аналогом для работы с холодильным установками [4].

На молочных предприятиях кондиционирование предусматривается в цехах переработки молочного сырья, в помещениях созревания молочной продукции, а также в сырных камерах.

В процессе биохимического созревания сыров выделяется теплота интенсивностью 0,12÷0,14 Вт/кг, сопровождаемая значительным влагоотведением [(0,004÷0,006)·10⁻⁶ кг/(кгс)]. Кратность воздухообмена должна составлять 8–12 объёмов/ч в зависимости от сортового состава сыра и степени загрузки камеры.

В промышленных холодильных установках пропан используют уже в течение многих лет. В последние годы все чаще предлагается применять пропан в холодильных транспортных установках [5].

3. Цель работы

Целью работы является поддержание нормируемого тепловлажностного режима технологического процесса в сушильной камере колбасного производства при использовании природного холодильного агента, а также повышение надёжности и снижение энергопотребления климатической установки в условиях жаркого климата — путём оснащения действующей холодильной установки мультиэжекторным агрегатом малого перепада давлений.

3.1 Задачи исследования

Для достижения сформулированной цели решается следующий комплекс задач:

1. Систематизировать технологические нормативы к воздушной среде сушильной камеры (температура и влажность).
2. Рассчитать составляющие тепловой и влажностной нагрузок камеры с учётом:
   1. теплопоступлений от охлаждаемого продукта;
   2. теплопередачи через ограждающие конструкции;
   3. тепло- и влаговыделений персонала;
   4. прочих эксплуатационных нагрузок.

Построить процессы обработки воздуха на i–d диаграмме; определить расчётный воздухообмен.

Определить требуемую холодопроизводительность установки для летнего расчётного режима.

3. Провести сравнительный термодинамический анализ показателей холодильной машины на R290.
4. Разработать и обосновать мультиэжекторную схему для эксплуатации при высоких температурах наружной среды.
5. Оценить воздействие мультиэжектора на:
   1. давление всасывания;
   2. степень сжатия;
   3. потребляемую мощность;
   4. коэффициент COP.
6. Дать оценку энергетической и экономической результативности модернизации.
7. Подтвердить практическую применимость разработанной схемы для мясоперерабатывающих предприятий южных регионов Казахстана.

4. Методология и материалы

4.1 Методика расчёта тепловлажностных нагрузок и параметров холодильного контура

Разработанная методика ориентирована на:

3. определение совокупных тепловых и влажностных нагрузок сушильной камеры;
4. построение процесса обработки воздуха на i–d диаграмме;
5. нахождение расчётного воздухообмена;
6. вычисление холодопроизводительности;
7. оценку параметров холодильной машины при работе на хладагенте  R290;
8. анализ влияния эжекторного модуля на энергетические показатели.

Расчёт выполняется для летнего периода эксплуатации при принятых значениях параметров наружного и внутреннего воздуха в соответствии с технологическими нормами.

4.2. Тепловой баланс камеры

Суммарная тепловая нагрузка камеры находится путём сложения всех составляющих:

Обозначения:

1. Q_огр - теплопоступления через ограждения;
2. Q_пр - теплота охлаждаемой продукции;
3. Q_перс - тепловыделения от персонала;
4. Q_эксп - прочие эксплуатационные нагрузки.

4.2.1. Теплопоступления через ограждения

Нагрузка на каждый конструктивный элемент ограждения вычисляется по выражению:

Обозначения:

• k - приведённый коэффициент теплопередачи;
• F - площадь рассматриваемой поверхности;
• t_нар - температура смежного помещения или наружного воздуха;
• t_вн - температура внутри камеры.

Для наружных стен к полученному значению добавляется составляющая от солнечной радиации.

Суммарная нагрузка по ограждениям определяется арифметическим сложением по всем элементам.

4.2.2. Тепловая нагрузка от охлаждаемой продукции

Теплота, снимаемая с охлаждаемых колбасных изделий, определяется по формуле:

Обозначения:

• m — производительность загрузки;
• c — удельная теплоёмкость продукта;
• t_нач, t_кон - начальная и конечная температуры продукта.

4.3. Влажностной баланс камеры

Суммарный влагоприток складывается из двух источников:

Обозначения:

G_пр - влаговыделение от продукта;

G_перc -  влаговыделение от людей.

4.3.1. Влагоприток от продукта

Обозначения:

• ω_m - удельный влагоприток на единицу площади пола;
• F - площадь камеры.

4.3.2. Влаговыделение персонала

Обозначения:

• ω_чел  - влаговыделение одним человеком.
• 4.4. Тепловлажностное отношение
• Угловой коэффициент процесса на i–d диаграмме определяется соотношением:

• Данная величина задаёт направление линии состояния воздуха на диаграмме.
• Энтальпия водяного пара при текущей температуре вычисляется по зависимости:

4.5. Построение процессов на i–d диаграмме

Алгоритм расчёта включает следующие шаги:

• нанесение точки В внутреннего воздуха по параметрам t_в, φ_в;
• проведение линии процесса под углом ε;
• вычисление температуры приточного воздуха:

• нанесение точки приточного воздуха П;
• определение точки охлаждения и осушения на кривой насыщения.

Характерные параметры воздуха в расчётных точках определяются по психрометрическим уравнениям.

4.6. Расход приточного воздуха

Объёмный расход приточного воздуха находится из теплового баланса:

Обозначения:

1. ρ — плотность воздуха;
2. энтальпия внутреннего и приточного воздуха.

4.7. Холодопроизводительность системы

Тепловая нагрузка на испаритель определяется выражением:

Обозначения:

4.  — энтальпия воздуха после охлаждения.

4.8. Термодинамические параметры холодильной машины

Температура конденсации принимается с превышением над температурой наружной среды на величину расчётного теплового напора.

Коэффициент холодильной эффективности:

Обозначения:

• N — электрическая мощность компрессора.

• температуру конденсации;
• давление нагнетания;
• давление всасывания;
• значение COP;
• удельное энергопотребление компрессора.

4.9. Методика оценки эффективности мультиэжекторного контура

В мультиэжекторной схеме кинетическая энергия потока на дросселе преобразуется в работу подъёма давления пара на стороне всасывания.

Оценка эффективности схемы выполняется по следующим показателям:

1. увеличение давления всасывания;
2. снижение степени сжатия:

3. уменьшение потребляемой мощности компрессора;
4. прирост COP.

Расчёт ведётся для диапазона температур окружающей среды.

5. Результаты и обсуждение

По итогам расчётного анализа установлено, что в формировании суммарного теплопоступления в сушильную камеру ведущая роль принадлежит следующим составляющим:

• теплоте охлаждаемой продукции;
• теплопотокам через наружные ограждения;
• испарению влаги в ходе сушки.
• При расчётной температуре воздуха в Алматы +34°С температура конденсации достигает tк = 55°С, а с учётом солнечной радиации — превышает это значение. В пиковые дни термометр поднимается до +39°С, и компрессоры на R290 отключаются защитой по превышению давления конденсации. Для устранения этого ограничения и улучшения энергобаланса системы в напряжённый жаркий период разработана модифицированная схема холодильной машины на R290 с мультиэжекторным агрегатом малого перепада давлений, представленная на рисунке 5.1.

. 

Рисунок 2. Холодильная машина с мультиэжектором низкого перепада давления

1 – компрессор; 2 – конденсатор воздушного охлаждения; 3 – мультиэжектор; 4 – ресивер; 5 – дроссель; 6 - испаритель

Теоретическое обоснование влияния мультиэжектора на COP

Для базовой одноступенчатой схемы:

где

Степень сжатия

Введение мультиэжектора изменяет режим работы следующим образом:

8. повышение давления всасывания P_вс;
9. уменьшение степени сжатия π;
10. снижение разности энтальпий (h₂−h₁).

В результате:

при практически неизменной холодопроизводительности Q₀.

Относительный выигрыш по COP составляет:

Следовательно, подъём давления всасывания посредством эжекторного эффекта обеспечивает прирост энергетической эффективности до 10%.

С ростом температуры наружного воздуха давление конденсации увеличивается, расширяя тем самым диапазон рекуперируемой в эжекторе энергии. Отсюда следует, что мультиэжекторная схема наиболее полно раскрывает свой потенциал именно в жарком климате.

Механизм действия эжекторного модуля состоит в следующем: высоконапорный поток рабочего агента из конденсатора захватывает парообразный хладагент из испарителя и доставляет его в ресивер, повышая давление в промежуточном контуре. Это снижает нагрузку на компрессоры. В экстремально жаркие периоды эжекторы способны полностью перекачивать пар из испарителя в ресивер. Величина достигаемого подъёма давления нарастает с ростом температуры окружающей среды.

Таким образом, компрессор работает на газе из ресивера при давлении всасывания, превышающем давление в испарителе, что существенно сокращает электропотребление. Подключение эжекторов целесообразно при температуре наружной среды от 20°С и выше: чем она выше, тем ощутимее энергетический выигрыш.

Итоговая эффективность системы определяется также числом часов в году с температурой выше 20°С: чем продолжительнее жаркий сезон, тем весомее суммарная экономия. Таким образом в условиях, где температура превышает 20 °C в течение длительного времени эффективность системы с эжектором увеличивается.

Тепловые нагрузки от осветительных приборов и прочие эксплуатационные поступления вносят незначительный вклад в общий баланс.

Анализ i–d диаграммы показал, что для поддержания нормативных параметров в камере требуется одновременное охлаждение и осушение приточного воздуха с последующей доводкой до расчётного состояния. Высокое тепловлажностное отношение свидетельствует о значительной нагрузке на холодильный контур в летний период.

Повышение температуры наружного воздуха влечёт за собой повышение температуры конденсации хладагента и, как следствие:

1. рост давления нагнетания;
2. снижение холодильного коэффициента;
3. увеличение электропотребления компрессора.

В экстремальных климатических условиях, типичных для континентального климата, традиционная одноконтурная холодильная машина снижает КПД и рискует выйти из строя по сигналу защиты высокого давления.

Мультиэжекторная схема позволяет компенсировать эти явления: рост давления всасывания ведёт к уменьшению степени сжатия и снижению удельных энергозатрат. Выигрыш тем значительнее, чем выше температура наружной среды, что обусловливает особую ценность данного решения для южных территорий Казахстана.

6. Выводы

Таблица 1.

Экологические показатели

Хладагент R290 в полной мере удовлетворяет действующим международным экологическим нормативам.

6.2 Энергетическая эффективность

При повышенных температурах наружного воздуха внедрение мультиэжекторного блока обеспечивает:

• снижение степени сжатия;
• подъём давления всасывания;
• разгрузку компрессора;
• увеличение суммарного COP установки.

Максимальный энергетический эффект реализуется при длительной эксплуатации в условиях температур выше 20°С.

6.3 Научная новизна

Научный вклад работы состоит в следующем:

• Разработана методика комплексного расчёта тепловлажностных нагрузок для производственных камер сушки колбас с учётом климата южного Казахстана.
• Доказана целесообразность использования природного хладагента R290 в климатическом оборудовании мясопереработки.
• Предложена и обоснована схема холодильной машины с мультиэжекторным агрегатом малого перепада давлений, адаптированная к работе при высоких температурах.
• Получена зависимость энергетической эффективности установки от температуры наружного воздуха и продолжительности тёплого периода года.

7. Практическая ценность результатов

Полученные результаты открывают следующие практические возможности:

1. реконструкция действующих систем кондиционирования;
2. сокращение расходов на электроэнергию;
3. повышение надёжности работы оборудования в условиях летних пиков;
4. снижение экологической нагрузки вследствие отказа от озоноразрушающих веществ;
5. тиражирование предложенного решения на другие предприятия мясной и молочной отрасли южных регионов.

8. Экономическая эффективность модернизации

Экономический результат модернизации определяется сокращением годового расхода электроэнергии холодильной установкой.

Годовое электропотребление:

Обозначения:

N_ср — средняя мощность компрессорного агрегата,

τ — годовое время работы оборудования.

Экономия электроэнергии от внедрения эжектора:

Обозначения:

N_баз - мощность компрессоров в традиционной схеме;

N_эж - мощность в мультиэжекторной схеме.

Стоимостная экономия за год:

где с_эл - тариф на электроэнергию.

Срок возврата капитальных вложений:

где K_доп - дополнительные капитальные вложения на установку мультиэжектора и модернизацию системы.

Поскольку выигрыш от эжекторной схемы нарастает по мере роста температуры наружной среды, экономический эффект прямо связан с количеством часов в году, когда температура превышает 20°С.

Заключение

1. Выполнен расчёт тепловлажностных нагрузок камеры сушки колбас с учётом климатических условий г. Алматы, характеризующихся высокими летними температурами наружного воздуха.
2. Установлено, что наибольший вклад в суммарную тепловую нагрузку вносит теплота охлаждаемого продукта, а также теплопритоки через наружные ограждения.
3. Показано, что при повышении температуры наружного воздуха происходит рост температуры конденсации хладагента, что приводит к увеличению давления нагнетания и снижению коэффициента энергоэффективности холодильной машины.
4. Обоснована целесообразность перехода с хладагента R22 на экологически безопасный природный хладагент R290, обладающий нулевым озоноразрушающим потенциалом и низким показателем глобального потепления.
5. Предложена схема холодильной машины с мультиэжектором низкого перепада давления, обеспечивающая повышение давления всасывания компрессора за счёт рекуперации энергии дросселирования.
6. Установлено, что применение мультиэжекторной технологии позволяет снизить степень сжатия, уменьшить потребляемую мощность компрессора и повысить общий коэффициент энергоэффективности системы в условиях повышенных температур окружающей среды.
7. Наибольший энергетический эффект достигается в регионах с продолжительным периодом температур выше 20 °С, что делает предложенную схему перспективной для предприятий южных регионов Казахстана.

Список литературы:

1. Желиба Ю.А., Римашевский Ю.С., Желиба Т.А Проектирование систем осушения воздуха холодильных камер // Вестник МАХ. -  2014. -  № 4.-С. 32–37.
2. Кригер А.В., Белов А.Н., Вистовская В.П. Интенсификация процесса созревания сыров // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2010. -  № 7 (69). -  С. 69 - 73.
3. Kassai M. Newly Developed Direct Current Refrigeration Technique to Improve the Sustainability of Sausage Drying Process // Journal of Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems. 2019. Vol. 7, No. 4. P. 631–640. DOI: https://doi.org/10.13044/j.sdewes.d7.0278
4. Константинов Д.С. Применение пропана в качестве хладагента: экономические и экологические преимущества. Международный журнал гуманитарных и естественных наук. Новосибирск - 2024, Том. 2-2 (89).  DOI:10.24412/2500-1000-2024-2-2-127-131
5. Салманова Н.А., Зохидов М.З. Использование пропана в холодильных установках. Universium, технические науки. Москва - 2023, №2 (107).  - С. 34-37.  DOI - 10.32743/UniTech.2023.107.2.15024