Телефон +7 (499) 197 02-64
Льдогенераторы

Тепловая аккумуляция с использованием льдообразования

Запатентованная конструкция льдообразующего змеевика EVAPCO является результатом проведения комплексных проектно-конструкторских работ. Льдообразующий змеевик EXTRA-PAK®, основывающийся на запатентованном змеевике эллиптического сечения, представленном в охладителях замкнутого цикла, испарительных конденсаторах и испарителях EVAPCO, представляет собой новейшую разработку Evapco в технологии производства змеевиков. Змеевик Extra-Pak®, благодаря большей эффективности наполнения, способен намораживать бо́льшую массу льда на единицу длины трубки, чем любой другой льдообразующий змеевик, имеющийся на рынке сегодня. Данные змеевики изготавливаются на заказ, чтобы удовлетворять требованиям теплоемкости и габаритов резервуара для каждого отдельного проекта.

Технология изготовления льдообразующего змеевика Extra-Pak®, разработанная EVAPCO представляет собой первый значимый технологический прогресс в оборудовании для тепловой аккумуляции за многие годы. Змеевики EVAPCO изготавливаются из высококачественной стали, и после сборки подвергаются горячей оцинковке. Эти высокоэффективные змеевики подходят для всех типов больших, энергосберегающих теплоаккумулирующих систем с бетонными резервуарами, построенными на месте эксплуатации.

Льдообразующие змеевики Evapco Extra-Pak® предназначены для использования в больших теплоаккумулирующих системах с бетонными резервуарами, построенными на месте эксплуатации. Цель системы состоит в том, чтобы намораживать лед на трубках змеевика (тепловую энергию) в ночное время, когда тарифы на услуги ЖКХ ниже, и сохранять эту аккумулированную энергию для охлаждения в светлое время суток, когда тарифы на ЖКХ выше. Система тепловой аккумуляции позволяет снижать эксплуатационные и монтажные расходы, в то же время обеспечивая повышенную эффективность и надежность системы. Данные системы могут применяться в целом ряде областей, таких, как больницы, отели, спортивные сооружения, офисные здания, а также проекты централизованного холодоснабжения.

 

Тепловая аккумуляция с использованием льдообразования.

Теплоаккумуляционные системы существуют уже в течение многих лет. Первые системы применялись, в основном, в молочной промышленности, а современные уже повсеместно для создания непрерывного комфортного охлаждения. Целью теплоаккумуляционных систем является создание тепловой энергии и сохранение  ее для использования в другое время.

Существует несколько типов теплоаккумуляционных  систем , используемых сегодня. Это системы с полной или частичной аккумуляцией.  В полном типе, системы охлаждения (чиллеры) генерируют холод для намораживания льда ночью, когда коммунальные тарифы на электроэнергию, как правило, низкие. В течение дня, когда коммунальные тарифы выше, лед плавится, чтобы обеспечить накопленным холодом  потребителя. В частичных теплоаккумуляционных системах уменьшается размер резервуара, или системы охлаждения работают, в сочетании с хранением льда,  в пиковые нагрузки. Есть несколько типов частичных систем хранения , применение которых зависит от строительных параметров, оборудования системы и энергетических затрат. Однако,  многие частичные  системы хранения используются для сокращения расходов в пиковые нагрузки потребления электроэнергии.

Продукт  EVAPCO для аккумуляции тепловой энергии называется льдогенераторами. В этой системе, цилиндры льда намораживаются на трубки змеевика из оцинкованной стали. В большинстве систем, использующих эту технологию, несколько блоков змеевиков размещены под водой в построенных бетонных резервуарах.

 

Тепловая аккумуляция с использованием льдообразования

Для обеспечения охлаждения, необходимого для образования льда на трубках змеевика системы теплоаккумуляции используют гликолевые охладители либо системы непосредственного охлаждения. Однако в наиболее распространенной системе, используемой для комфортного охлаждения, используются гликолевые охладители, как показано на схеме. Система кондиционирования воздуха, включающая в себя технологию аккумуляции тепла, состоит из трех основных компонентов, — охладителей, градирен, теплообменников, насосов, теплоаккумулирующих змеевиков, а также оборудование для обработки воздуха, расположенное в здании. Полная система аккумуляции тепла имеет два режима эксплуатации: намораживание льда и растапливание льда.

Намораживание льда

Во внепиковый период работает гликолевый охладитель. Гликолевая система охлаждения образует низкотемпературный гликоль, который циркулирует по трубкам теплоаккумулирующих змеевиков. Циркулирующий гликоль отводит тепло от воды, находящейся в резервуаре, что приводит к ее намерзанию на внешнюю поверхность теплоаккумулирующих змеевиков.

Растапливание льда

В фазе плавления льда система охлаждения отключена. В зависимости от типа расплава, по трубкам змеевика циркулирует гликоль, либо змеевик омывается водой, поступающей из резервуара с целью извлечения изо льда энергии. Затем этот охлажденный гликоль, либо талая вода, циркулируется по стороне первого контура теплообменника, где происходит его охлаждение и подача в агрегаты обработки воздуха для охлаждения здания.

Тепловая аккумуляция с использованием льдообразования Изготовление змеевика

EVAPCO изготавливает змеевики, предназначенные для работы в условиях льдообразования из высококачественной стали. Змеевики промышленного качества состоят из циркуляционного контура из толстостенных эллиптических трубок. Каждый контур проходит проверку на качество материала, а затем испытание перед окончательной сборкой. После окончательной сборки змеевик испытывается на герметичность под водой воздухом под давлением 400 фунтов/кв. дюйм (2758 кПа). Наконец, весь змеевик в сборе подвергается горячей оцинковке для защиты от коррозии.
Каждый змеевик EVAPCO, предназначенный для работы в условиях льдообразования, снабжается ПВХ трубками сортамента 40 для перемешивания воздуха, устанавливаемыми под узлом змеевика. Перфорированные ПВХ трубы предназначены для надлежащего распределения воздуха под змеевиком, что является частью системы по перемешиванию воздуха. Следует обратить внимание на то, что на больших установках, в которых имеется несколько змеевиков, уложенных один на другой, трубопроводом для перемешивания воздуха снабжен только нижний змеевик.

Формирование контура змеевика

Вопрос формирования из змеевика контура должен рассматриваться при проектировании систем теплоаккумуляции. В качестве охлаждающей среды используются различные хладагенты; однако, в большинстве систем кондиционирования воздуха используется водный раствор этиленгликоля. В кондиционерных системах, в которых рабочие температуры не являются крайне низкими, как правило, используются 25-30-процентные  растворы гликоля.
При использовании раствора гликоля, температура гликоля повышается по мере его протекания по змеевику, покрытому льдом в цикле льдообразования. В результате лед более толстый у впускных отверстий в змеевик, и более тонкий у выпускных отверстий. Следовательно, образующиеся ледоформы, как правило, имеют конусообразную форму. Поскольку интервал между трубками задается проектной толщиной образующегося льда, это затрагивает также полезный объем, доступный для льдообразования. Если змеевик должен образовать параллельный контур, сужение цилиндра льда может привести к неэкономному использованию объема резервуара теплоаккумуляции (см. приведенный рисунок). При преобладающих температурах, сужение ледоформы в параллельных контурах может лишить змеевик примерно 20% общей теплоаккумуляционной емкости.

Решение описанной выше проблемы заключается в изменении метода законтуривания змеевика. Змеевики, EVAPCO предназначенные для работы в условиях льдообразования образуют контур для противоточного потока (см. иллюстрацию), что облегчает проблему. Конические цилиндры льда располагаются плотно друг к другу и эффективно используют объем змеевика/резервуара (см. иллюстрацию). Конечным результатом является то, что при использовании противоточной конфигурации с применением гликоля можно добиться образования того же количества льда, что и при использовании идеального хладагента прямого испарения, имеющего постоянную температуру, при которой сведение ледоформ на конус отсутствует.

Конструкция змеевика

Современная технология изготовления теплоаккумулирующих змеевиков показана на рисунке справа. В целом, конфигурация змеевика такова: трубки круглого сечения равномерно распределены в горизонтальном и в вертикальном направлениях. В конструкции с трубками круглого сечения, круглые цилиндры льда будут образовываться на них как показано на рисунке. Геометрия конфигурации змеевика позволяет льдоформам соединяться в вертикальной плоскости, но поддерживает зазоры между рядами в горизонтальной плоскости. Данный зазор необходим для циркуляции в резервуаре воды, а также для поддержания открытого извилистого прохода между цилиндрами льда, обеспечивающего эффективную теплопередачу между водой в резервуаре и льдом на трубках змеевика. Следовательно, для того, чтобы данная конфигурация змеевика обеспечивала максимальную теплопередачу, существует определенное значение количества льда (т.е. эффективность заполнения), который может образовываться  на трубках круглого сечения. Эффективность заполнения определяется как отношение объема фактически образовавшегося запаса льда к фактически имеющемуся вокруг узла змеевика объему для льдообразования за вычетом необходимых зазоров. Эффективность заполнения льдообразующего змеевика — область, на которой EVAPCO сконцентрировала свои исследовательские усилия. Причина проста: теплоаккумулирующая способность льдообразующего змеевика основана на количестве льда, способного образоваться в заданном объеме змеевика.
Проведя анализ и испытания современной технологии, использующей трубки круглого сечения, EVAPCO обнаружила, что данная конструкция имеет ограничения, и определила, что возможно создание лучшей конструкции. EVAPCO использовала опыт, накопленный компанией в проектировании змеевиков с трубками эллиптического сечения для разработки льдообразующего змеевика с более высокими характеристиками. Результатом усилий стала разработка современного льдообразующего змеевика с трубками эллиптического сечения, обладающего улучшенной производительностью по сравнению со змеевиками, использующими  трубки круглого сечения. Это положило начало технологии Extra-Pak®, использующейся в производстве теплоаккумулирующих змеевиков.

В льдообразующем змеевике EVAPCO используется технология Extra-Pak®, что показано на рисунке слева. В конфигурации змеевика EVAPCO расстояния по вертикали и горизонтали схожи с таковыми в змеевиках с трубками круглого сечения, но, в отличие от последних, в них используются трубки эллиптического сечения. Благодаря некруглому сечению льда, образующегося на трубках эллиптического сечения (как показано ниже) достигается увеличение в эффективности наполнения по сравнению со змеевиками с трубками круглого сечения. Так как сечение льда эллиптическое, может иметь место небольшое избыточное его образование (зоны избыточного намораживания видны на схеме, приведенной ниже); однако между цилиндрами льда по-прежнему имеется достаточный зазор. Следует помнить, что зазор достаточной величины необходим для обеспечения свободного контакта воды, находящейся в резервуаре, со льдом, образующимся на трубках, для получения эффективной теплопередачи. Поэтому эффективность наполнения конструкции EVAPCO, использующей трубки эллиптического сечения выше по сравнению с существующей технологией. Подытоживая все вышесказанное, можно сказать, что EVAPCO разработала льдообразующий змеевик, использующий новую технологию, позволяющую намораживать бо́льшую массу льда на единицу длины трубки (т.е. мощность более высокая), чем при использовании любого другого льдообразующего змеевика, имеющегося на рынке сегодня.

 

Тепловая аккумуляция с использованием льдообразования Плавление

Как уже упоминалось существует множество методов, используемых для выработки льда на трубках теплоаккумулирующих змеевиков. Аммиачные или фреоновые холодильные системы, либо (чаще в системах ОВКВ) гликолевые охладители, генерируют тепловую энергию для намораживания воды, поступающей из резервуара, на теплоаккумулирующие змеевики. Подобным же образом, существует несколько методов плавления льда, образовавшегося на трубках змеевика. Два самых распространенных метода плавления льда называют внутренним или внешним расплавами:

Внутреннее плавление

В системе, в которой применяется метод внутреннего расплава, лед, образующийся на трубках, плавится изнутри, что и обусловило название метода. В такой системе гликоль, охлаждающий здание, циркулирует по теплоаккумулирующему змеевику, плавя лед, образовавшийся во время формирования льда. В системе внутреннего расплава вода, содержащаяся в резервуаре, никогда не покидает его.

Система внутреннего расплава обладает отчетливыми характеристиками эффективности выплавления льда, отличающими ее от других методов. На раннем этапе цикла выплавления, температура выходящего гликоля повышается, а затем падает на более поздних этапах цикла. Как показано на рисунке, рост температуры происходит быстрее в системе быстрого расплава, чем в системе медленного расплава. Причина этого заключается в том, что на раннем этапе цикла выплавления площадь поверхности теплообменника ограничивается внутренней поверхностью тающего цилиндра льда. Между более теплым змеевиком и льдом, имеющим температуру 0 ºC имеется лишь небольшое кольцевое пространство из застоявшегося растаявшего льда. На более поздних этапах цикла, кольцевое пространство, в котором содержится лед, распадается на перемешиваемую секцию (талая вода) резервуара, а фрагменты ледяного цилиндра плавятся с внутренней и наружной сторонах. В результате, для метода внутреннего расплава лучше всего может подходить профиль нагрузки, в котором в начале цикла выплавления присутствуют меньшие нагрузки, а в его конце – бо́льшие.

Внешнее плавление

В системе, в которой применяется метод внешнего расплава, лед, образующийся на трубках, плавится снаружи вовнутрь. Вода, содержащаяся в резервуаре, прокачивается к источнику тепловой нагрузки либо через здание для обеспечения требуемого охлаждения. Из системы возвращается теплая вода, плавящая определенное количество льда.

Характеристики эффективности выплавления льда методами внешнего и внутреннего расплава существенно различаются. В начале цикла выплавления имеется большая поверхность, обеспечивающая перенос тепла от льда к воде в резервуаре. Поэтому на ранних стадиях цикла выплавления температура воды со льдом составляет около 0ºC. В процессе расплава лед расходуется, и поверхность уменьшается. По мере уменьшения площади доступной поверхности, количество термальной энергии, отдаваемой льдом резервуару с водой, уменьшается. Когда на трубках остается примерно 50 процентов льда, температура воды в резервуаре начинается повышаться. Как можно видеть на приведенном ниже рисунке, температура воды со льдом продолжает подниматься до растапливания всего количества льда. Как опять же показано на рисунке, в системах быстрого расплава температура выходящей талой воды как правило выше, чем в системах медленного расплава. Следовательно, метод внешнего расплава может найти наилучшее применение в случаях, когда в начале цикла выплавления присутствуют бо́льшие нагрузки, а в его конце – меньшие.

Измерение количества льда

Существует несколько способов измерения количества льда в резервуаре системы теплоаккумуляции. Один из методов заключается в измерении в резервуаре уровня воды. Поскольку лед имеет меньшую плотность по сравнению с водой, по мере превращения воды в лед во время цикла намораживания, уровень воды в резервуаре будет повышаться. Следовательно, количество льда в резервуаре можно определить по такому увеличению уровня воды в резервуаре. По мере таяния льда в цикле выплавления, уровень воды в резервуаре по-прежнему служит хорошим показателем количества в нем льда.

Однако, при использовании уровня воды для определения количества льда следует учитывать несколько моментов. Если используются большие, неглубокие емкости, уровень воды может подняться всего на несколько сантиметров. Измерение большого количества льда посредством настолько малого изменения уровня воды в резервуаре может не дать достаточно точных результатов. Кроме того, поскольку вода в резервуаре очень холодная, она будет постоянно конденсировать влагу из окружающего воздуха, и воздуха из системы перемешивания. На протяжении длительного периода эксплуатации дополнительная влага, сконденсировавшая в резервуаре, повлияет на уровень воды в нем, и ошибочно будет показывать количество хранимого льда, превышающее фактическое. Для недопущения подобной проблемы, в систему тепловой аккумуляции необходимо встроить сливное устройство резервуара либо устройство обнуления количества льда.

Еще один способ измерения количества льда в резервуаре состоит в измерении размеров цилиндров льда. Существуют контроллеры толщины льда, способные измерять толщину льда при помощи явления проводимости. Кроме того, можно разместить несколько контроллеров на трубках змеевика, чтобы измерять уровни толщины льда с целью определения этапов (процента от полного намораживания) цикла намораживания. Когда количество образовавшегося льда достигнет полного объема, контроллеры смогут перекрыть поток гликоля, поступающий на обледеневшие витки змеевика.

Несмотря на то, что лед образуется на трубках очень равномерно, процесс его плавления не является настолько равномерным. Лед тает быстрее в области барботеров, и отрывается от трубок кусками в цикле выплавления. Как следствие, контроль толщины льда не следует использовать в качестве метода измерения его количества в процессе выплавления.

Поскольку оба приведенные выше метода измерения количества льда имеют свои достоинства и недостатки, при проектировании элементов управления системы теплоаккумуляции, возможно, целесообразно рассмотреть несколько типов контроллеров. Проектировщик системы должен рассмотреть все эти варианты для того, чтобы обеспечить пригодность системы управления для применения.

Система перемешивания воздуха

Система перемешивания воздуха является неотъемлемой частью системы теплоаккумуляции. Важным компонентом системы воздушного перемешивания является барботер. В большинстве систем ОВКВ, при требовании к суммарному напору, составляющем менее 15 фунтов на кв. дюйм (103 кПа), барботер представляет собой ротационный нагнетательный воздушный насос, либо регенеративный нагнетатель. Кроме того, распределительный трубопровод, идущий от барботера, подключен к перфорированным трубкам из ПВХ, расположенным под обледеневшим змеевиком.
Для надлежащей работы системы теплоаккумуляции необходима воздушная система. Воздушная система необходима для перемешивания воды, находящейся в резервуаре в начальный период льдообразования и охлаждения резервуара. Заводские испытания показали, что после образования первой порции льда воздушную систему можно отключить. Однако, работа данной системы абсолютно необходима для удовлетворительного выплавления льда.

При проектировании системы воздушного перемешивания необходимо учитывать следующие данные. Скорость перемешивания воздуха должна составлять 0,1 станд. куба/мин на квадратный фут площади поверхности, занимаемой резервуаром. Воздухораспределительный трубопровод имеет перепад внутреннего давления 0,25 фунтов на кв. дюйм (1,7 кПа); для правильного определения размеров насоса, данную величину необходимо прибавлять к значению гидростатического напора.

Тепловая аккумуляция с использованием льдообразования

Каждое применение аккумулирования тепла уникально. Размер и количество льдообразующих змеевиков будут различаться, исходя из требований по мощности, компоновке и конструкции системы. Команда инженеров EVAPCO готова оказать персональный подход и техническую поддержку с целью индивидуальной адаптации самой эффективной технологии изготовления льдообразующих змеевиков к потребностям Вашей системы. EVAPCO также является мировым лидером в производстве градирен, испарительных конденсаторов, охладителей замкнутого цикла и сосудов под давлением.
 

Вводимые данные для выбранной конфигурации

Имея надлежащую информацию, специалисты EVAPCO по проектированию змеевиков могут осуществить подбор варианта, наилучшим  образом подходящего для использования в Ваших системах. Для выбора льдообразующего змеевика необходима следующая информация:

  • Размеры резервуара (Д×Ш×В)
  • Емкость аккумуляции в тонно-часах
  • Профиль тепловой нагрузки здания
  • Время льдообразования в часах
  • Время плавления в часах
  • Температура в подающем и обратном трубопроводах, требуемая для данной тепловой нагрузки
  • Тип расплава (внутренний/внешний)
  • Процентная концентрация гликолевого раствора
  • Расход гликоля в литрах в минуту
  • Данные по мощности компрессора

Выходные данные для выбранной конфигурации

Основываясь на приведенных выше вводимых данных, EVAPCO может произвести выбор количества и размера льдообразующих змеевиков, наилучшим образом соответствующих для  применения в конкретном случае. Выходные данные включают в себя:

  • Габариты змеевика (Д×Ш×В)
  • Теплоемкость змеевика в тонно-часах
  • Требуемое количество змеевиков
  • Средние температуры гликоля (подача/возврат)
  • Перепад давления гликолевой смеси
  • Тепловые характеристики льдообразующего змеевика.

 

Видеообзоры
Видео презентация компании и видеообзоры новой продукции Evapco (12 видео)
  • Энергосберегающий испарительный конденсатор eco-ATC компании EVAPCO
  • Энергоэффективные закрытые циркуляционные охладители серии eco-ATW компании EVAPCO