Энергоэффективная система охлаждения продукции

Важнейший приоритет государственной энергетической политики в Республике Беларусь — снижение зависимости страны от импорта, тарифов на топливно-энергетические ресурсы. Это может быть достигнуто за счет повышения эффективности использования энергоносителей в результате утилизации вторичных энергетических ресурсов. Предприятия пищевой промышленности — одна из самых энергопотребляющих областей. Однако они являются и крупнейшими поставщиками вторичных энергетических ресурсов, поэтому повышению энергоэффективности таких предприятий следует уделить серьезное внимание. Значительная часть, а именно 60–70 % существующих в стране заводов, — типовые. В связи с этим предложенные мероприятия могут быть успешно реализованы на предприятиях всей республики.

С целью разработки энергоэффективной системы охлаждения продукции с использованием вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) ООО «Велдан» в филиале «Волковысский хлебозавод» ОАО «Гроднохлебпром» исследовало систему охлаждения продукции. Выпекающие печи Волковысского хлебозавода А2-ХПК и ГГР выбрасывают в окружающую среду отработанные промышленные газы. Высокая температура и большие объемы уходящих газов делают эффективной и экономически привлекательной организацию утилизации теплоты этих печей для обеспечения нужд производства. Использование утилизаторов сбросной теплоты — простой и проверенный способ повышения энергоэффективности. Фирма-производитель спирального конвейера предложила охлаждение изделий на спиральном конвейере, но с использованием стандартной холодильной машины, в состав которой входят компрессор, конденсатор и воздухоохладители. Альтернативой такому стандартному оборудованию служит совокупность аппаратов, которая использует для производства холода тепловой потенциал ВЭР в виде теплоты уходящих газов. Предложенная схема включает:

теплообменные аппараты-утилизаторы, предназначенные для нагрева технологической воды;
адсорбционную холодильную машину (АДХМ), состоящую из адсорбционного чиллера и установленных в воздуховодах спирального конвейера двух воздухоохладителей. В такой машине хладагент R718 (вода) выступает в качестве агента и является экологически безопасным природным хладагентом с нулевыми озоноразрушающим потенциалом ODP и потенциалом глобального потепления GWР.

Использование воды как рабочего вещества делает применение такой системы более привлекательным по сравнению с предложением поставщика охлаждающего кулера, который, в свою очередь, предлагает использовать фреон R407C, имеющий потенциал глобального потепления 1600. Применение АДХМ позволит поддерживать температуру 12–16 оС возле поверхности охлаждающего изделия, что является оптимальным. Еще один немаловажный фактор реализации данного проекта — необходимость отвода отработанной воды с температурой более 34 оС для обеспечения функционирования АДХМ. Утилизация теплоты воды для нужд производства позволит получить дополнительный экономический эффект.

Низкотемпературные технологии и шоковая заморозка — это мероприятия, которые позволяют минимизировать затраты на электроэнергию. В последнее время производители пищевых продуктов много внимания уделяют выпуску быстрозамороженных товаров. С физической точки зрения, процесс шоковой заморозки — это задача Стефана с граничными условиями третьего рода, которые решаются численными методами. На скорость заморозки влияют процессы теплопередачи, зависящие от физических характеристик продукта (коэффициент теплопроводности, теплоемкость, плотность, теплота фазового перехода, характерный размер). Данные параметры задаются технологами и определяются свойствами конкретного продукта. Поэтому на них повлиять нельзя. Остается только возможность управлять условиями теплообмена на поверхности продукта (коэффициент теплоотдачи), которые можно оптимизировать в процессе проектирования установки.

В общем случае для того чтобы заморозить конкретный продукт, от него нужно отвести определенное количество теплоты. Вследствие закона сохранения энергии необходимо получить безразмерный критерий (критерий Bio), характеризующий процесс передачи теплоты от продукта окружающей среде, связывающий условия теплообмена на поверхности и теплофизические свойства продукта:

Число Био представляет собой отношение термического сопротивления слоя продукта l/l к термическому сопротивлению передачи теплоты на поверхности 1/a. С точки зрения эффективности процесса заморозки, термические сопротивления должны быть равны, то есть Вio = 1, по крайней мере, не меньше. Если меньше, то имеются увеличение времени заморозки сверх оптимального и, соответственно, потеря качества. Если больше, то с продуктом все хорошо, но затраты не рациональны.

Параметры шоковой заморозки, в первую очередь — время заморозки, зависят не только от параметров в камере, но и от теплопроводности и размеров продукта. Для разных продуктов оптимальные коэффициенты теплоотдачи также различны, то есть не может быть универсальной холодильной системы. Если на одной и той же установке планируется замораживать различные продукты (например, булочку для хот-дога или буханку хлеба), то по отношению к хлебу система будет избыточной. Для хлеба размерами 100х80х190 мм (хлеб ржаной, теплопроводность 0,4) и с учетом характерного размера слоя 20 мм коэффициент теплоотдачи должен быть равен 20 Вт/(м2•К) (Bio = 1).

Повышения коэффициента теплоотдачи в этом случае можно добиться, только увеличивая скорость воздуха у поверхности продукта. То есть для того, чтобы получить значение коэффициента теплоотдачи 20 Вт/(м2•К), скорость должна быть прядка 3,3 м/с. Особо следует отметить, что данная скорость должна быть не на выходе из испарителя, а непосредственно у поверхности продукта.

На практике камерами шоковой заморозки часто называют обычные низкотемпературные камеры с пониженной до минус (25–30) оС температурой. В таких условиях заморозка происходит достаточно длительное время, так как не обеспечивается скорость движения воздуха у поверхности продукта. Перечисленные требования к скорости движения воздуха реализованы в спиральных скороморозильных аппаратах для полуфабрикатов, но, как правило, они имеют расчетную производительность по продукту не менее 500 кг/ч и рассчитаны на мелкие продукты типа пельменей или круассанов. Как альтернатива для меньших объемов производства и больших габаритов продукта может быть применена камерная конструкция с использованием тележек или стеллажей.

УП «Ламинар» за время своего существования оборудовало камеры заморозки продукции во многих организациях хлебпрома. В начале внедрения процессов заморозки, когда на предприятиях не было жестких требований по времени заморозки, компания «Ламинар» использовала камерное оборудование с подвесными воздухоохладителями с повышенными мощностью и расходом воздуха. На тот момент они полностью обеспечивали потребности производств. По такому принципу работают камеры заморозки на минском хлебозаводе № 6 (2002 г.), РУПП ХК «Гомельхлебпром» (2004 г.).

С повышением требований к качеству замороженного продукта УП «Ламинар» первым в Беларуси начало применять постаментные (напольные) воздухоохладители или шок-фростеры для обеспечения повышенной скорости движения воздуха у поверхности продукта и улучшения качества заморозки. С помощью постаментных воздухоохладителей организована заморозка продукции на минских хлебозаводах № 5 (2009), № 2 (2011) и № 4 (2012). С развитием техники в области холодильного оборудования на последних проектах компания применяет улучшенную компоновку камеры и «умные» электронные контроллеры. Так, в начале 2014 года реализован проект по заморозке хлебобулочных изделий на ХБЗ № 3 г. Минска. Для установки шести контейнеров с продуктом с помощью дополнительных стенок организовано пространство, обеспечивающее равномерный продув холодного воздуха через весь массив продукта. Причем за счет использования напорных вентиляторов (в данном случае — с напором до 100 Па), несмотря на то, что на срезе испарителя скорость составляет 3 м/с, возле продукта за счет сужения «живого» сечения скорость возрастает до 5–6 м/с. Для данной камеры применяли холодильный агрегат производства ЗАО «Остров» на базе двухступенчатого компрессора Bitzer. При требуемом по заданию времени заморозки не более 120 минут до температуры минус 12 оС в центре буханки бородинского хлеба заморозка реально производится за 100–110 минут, то есть с 10 %-ным запасом. Kроме того, после достижения в центре продукта температуры минус 12 оС уже после отключения шок-фростера температура в центре хлеба за счет теплоемкости наружных слоев понижается до минус (18–20) оС.

Отдельно стоит остановиться на автоматике. Для управления шок-фростером использовался специализированный контроллер Blast Chiller фирмы Сarel. Он работает по трем датчикам температуры: двум традиционным — в камере и на ламелях испарителя и по третьему датчику температуры продукта. Применение третьего датчика позволяет организовать цикл заморозки по продукту, то есть пока температура в центре продукта не достигнет заданной, установка работает в режиме заморозки при температуре в камере минус 35 оС. Как только температура достигнута, камера в автоматическом режиме переходит в режим хранения минус (18–20) оС по традиционному датчику. Данное решение позволяет минимизировать затраты на электроэнергию. Работающая по такому же принципу, но имеющая существенно большую емкость по продукту новая камера заморозки введена в эксплуатацию на ХБЗ № 6 Минска в конце 2014 года.

Надежным поставщиком холодильного и кондиционерного оборудования является ЗАО «Холодон», которое начинало свою деятельность с ремонта бытовых кондиционеров Бакинского завода. Со временем «Холодон» вырос в крупнейшего поставщика и производителя различного холодильного и кондиционерного оборудования на рынках Беларуси и России. Сейчас в группу компаний «Холодон» входят три предприятия:

ЗАО «Холодон», управляющая компания;
СООО «РефЮнитс», производственная компания;
ЗАО «НУНА-сервис», монтажная и сервисная.

СООО «РефЮнитс» образовано в 2002 году как совместное предприятие ЗАО «Холодон» и ООО «Остров» (Россия). В СООО «РефЮнитс» была организована конструкторская группа, которая начала разработку агрегатов собственного производства. Сейчас на предприятии «РефЮнитс» завершается внедрение системы PDM, обеспечивающей конструирование изделий на самом высоком мировом уровне.

Компания «РефЮнитс» участвовала в реализации ряда крупных проектов в Беларуси:

Белорусский государственный цирк (разработка, изготовление, поставка и монтаж чиллера для системы центрального кондиционирования зрительного зала, агрегаты для систем холодо-снабжения);
Музей Великой Отечественной войны (разработка, изготовление, поставка и монтаж чиллеров для системы центрального кондиционирования, поставка систем вентиляции и кондиционирования);
Дворец Республики (разработка, изготовление, поставка и монтаж системы чиллеров для системы центрального кондиционирования зрительного зала);
восемь ледовых дворцов по всей стране, в том числе «Чижовка-Арена» (разработка, изготовление, поставка и монтаж чиллеров для системы охлаждения ледовых полей и системы кондиционирования воздуха, поставка центральных кондиционеров для главной ледовой арены).

Кроме того, «РефЮнитс» для предприятий мясной и молочной промышленности, овощехранилищ поставляла различное оборудование с поддержанием температуры и влажности, с активной вентиляцией. В 2015 году поставлено оборудование для системы холодоснабжения ОАО «Берёзовский сыродельный комбинат», системы плиточных морозильных агрегатов и оборудование для холодоснабжения камер хранения мороженой рыбы по заказу Белкоопвнешторга. Уже в 2016-м предприятие изготовило и поставило агрегат холодо-снабжения ледового поля и СКВ для ледового дворца в Шклове. В СООО «РефЮнитс» выпускаются различные электрошкафы по заказам потребителей, в том числе и для автоматизации технических процессов.