صرفه جویی انرژی در تبرید صنعتی

از: Richard H.Stamm

ماخذ: HPAC

 

مقدمه

بیش از 20 هزار سیستم تبرید صنعتی آمونیاکی در حال حاضر در کشور آمریکا وجود دارند که برای مقاصد ذخیره‌سازی، تولید و توزیع موادغذایی و نوشیدنی‌ها بکار برده می‌شوند. سیستم‌های تبرید در این کشور حدود ۴ درصد از کل مصرف انرژی الکتریکی را به خود اختصاص می‌دهند و به نظر نمی‌رسد که حتی دو تا از آنها هم به یکدیگر شبیه باشند. مدیریت شرکتهایی که از این سیستم‌ها استفاده می‌کنند معمولاً و متأسفانه سه هدف مدیریتی را در این زمینه بر پرسنل و
کارمندان خود دیکته می‌کنند:

1. سیستم‌ها در حال کار باشند.
2. سرما برقرار باشد.
3. هزینه‌ای صرف نگردد.

در نتیجه سیستم‌های موصوف با این شیوه مدیریتی معمولاً دو برابر بیشتر از حد معمول هزینه کارکرد و نگهداری در طول عمر مفید خود ایجاد خواهند کرد. در
حالی که اگر مدیران کمی بیشتر درباره دانش تبرید اطلاعات داشته باشند و با اپراتورها و تعمیرکاران سیستم‌های خود بحث و گفتگو کنند می‌توانند راه هایی برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی و بالا بردن عمر مفید تجهیزات، ایمنی و اتکاپذیری آنها بیابند. یک اپراتور یا تعمیرکار ماهر با داشتن تنها یک پیچ‌گوشتی و آچاری کوچک و البته صرف وقت در روز می‌تواند مصرف سالانه انرژی سیستم‌های تبرید موجود در صنایع را حداقل ۲۰ درصد کاهش دهد. مدیران نیز می‌توانند با کمک خواستن از آنها و پشتیبانی از فعالیت‌های انجام شده، و البته ارزش قائل شدن برای نتایج مثبت و موفقیت‌ها، کنترلی هوشمندانه بر اوضاع داشته باشند.

من در سی سال گذشته با صدها سیستم تبرید آمونیاکی بزرگ و کوچک سروکار داشته‌ام. یکی از این سیستم‌های بزرگ، به گمان من تنها واحد تبرید صنعتی در دنیاست که مقدار تناژ تبرید تولید شده را بر حسب کیلووات مصرف شده (تن بر مگاوات) در نمایشگری به اپراتورها و راهبران سیستم اعلام می‌کند.
این سیستم از لحاظ کنترل بسیار عالی بوده.

اوپراتور ها

اواپراتورها یکی از اجزایی هستند که می‌توان در آنها به ساده‌ترین و سریع‌ترین شیوه ممکن از مصرف انرژی و هزینه‌های آن کاست:

کنترل بادزن ها:

اولین گزینه و اقدام کنترل عملکرد بادزن‌های اواپراتورها می‌باشد بادزن‌های اواپراتورهای سیستم‌های تبرید معمول در صنایع بطور دائم و پیوسته کار می‌کنند – بجز سیکل‌های دیفراست یا یخ‌زدایی – در نتیجه میزان کارکرد سالانه آنها حدود ۷۵۰۰ ساعت خواهد بود میزان مصرف انرژی بادزن بسیاری از سیستم‌های تبرید در سال بر حسب کیلووات ساعت از مصرف کمپرسورهای همان سیستم‌ها بیشتر است یک شیوه برای کاستن از مصرف انرژی بادزن اواپراتورهای سیستم‌های تبرید سیم‌کشی مجدد آنها به گونه‌ای است که بطور موازی با شیرهای سلونوئید سیال قرار گرفته و همزمان با آنها به کار بیافتند بدین ترتیب می‌توان تا ۷۵ درصد از مصرف انرژی آنها در سال کاست اگر این سیم‌کشی را بر عهده تکنسین های مقیم سردخانه بگذارید هزینه آن برای هر اواپراتور کمتر از یکصد دلار خواهد بود قدم بعدی سیستم کنترل سرعت است نصب محرک‌های فرکانس متغیر (VFD) کنترل شونده با دمای واسطی که سرمایش دریافت می‌کند (هوا یا آب) راهکاری مفید است البته انجام این کار نیاز به هزینه قابل توجهی دارد ولی در صورت نصب باید آن را با سیستم فشار مکش شناور کمپرسور مجهز ساخت تا بهترین راندمان ممکن سیستم کسب گردد گزینه سوم اضافه کردن کنترلرهای دستی سرعت است که هزینه چندانی ندارند اگر سازنده ها دارای محرک تسمه ای هستند پولی های آن را تنظیم کنید و یا پولی ها را برای کاستن سرعت بادزن و رساندن آن به نوه درصد سرعت کامل تعویض کنید و بدین ترتیب انتقال حرارت ۹۳ درصد پرتاب بادزن ۸۱ درصد و مصرف انرژی الکتریکی آن بر حسب کیلووات ۷۳ درصد وضعیت سرعت کامل خواهد بود احتمالاً هیچکس متوجه این تغییر نخواهد شد مگر زمانی که صورتحساب برق مشاهده گردد.

بادزن ها:

بادزن های خوب محوری (پره ای) با لبه های ایروتویل در مقایسه با بادزن های سانتریفوژی (قفس سنجابی) در ظرفیت هوادهی (CFM) برابر، مصرف انرژی
را تا نصف کاهش میدهند. البته تغییر دادن نوع بادزن بدون عوض کردن اواپراتورها امکان پذیر نیست ولی امکان نصب سیستم های کنترل سرعت وجود دارد.

کانال گشی ها:

فضای داخلی کانال کشی ها به شدت غیربهداشتی است و باید در صورت امکان در کارخانجات غذایی حداقل هفته ای یکبار تمیز و ضدعفونی شوند. کانال کشی ها بار کاری و مصرف انرژی بادزن ها را افزایش میدهند. وجود کانال کشی در مقایسه با سیستم های ارائه هوای آزاد موجب میشود تا مصرف بادزن ها (کیلووات) در تا پنج برابر افزایش یابد. شاید باور نکنید ولی برداشتن کانال ها تأثیری اعجاب آور در کاستن از مصرف انرژی در سیستم های تبرید و سردخانه ها دارد.

کمپرسور ها

سریع ترین و آسان ترین روش برای کاستن از مصرف انرژی در کمپرسورها در هوای خنک و سرد کار بر روی فشار هد آنهاست انرژی الکتریکی در آن دوره بسیار ارزان به دست مصرف کننده می رسید و طراحی های معمول سیستم های تبرید آمونیاکی آن زمان بر اساس فشار تخلیه حداکثر ۱۸۵psig (۹۶/۳۴ SDT) و حداقل ۱۵۰ psig (حدود ۸۵۴ دمای چگالش) صورت می‌گرفت. تأثیر شناور شدن فشار هد کمپرسور در جدول ۱ نشان داده شده است. بعد از سی سال، تولیدکنندگان کندانسورهای تبخیری با در نظر گرفتن هزینه‌های سرسام آور الکتریسیته، کماکان طراحی‌های خود را بر اساس فشار هد حداکثر ۱۸۵psig و حداقل
۱۵۰psig انجام می‌دهند. سرانجام فشار هد سیستم تبرید فوق‌الذکر که دارای کمپرسور ۹۵۰۰ اسب بخاری بود پس از بیست و پنج سال کارکرد در حداکثر ۱۸۵psig و حداقل ۱۵۰psig به مقدار ۱۲۵psig افت کرد. همه چیز به همین ترتیب به خوبی کار می‌کرد و چند سال بدون بروز هیچ اشکالی سپری شد اما در زمستان گذشته، فشار هد به ۱۰۰psig افت کرد. پمپ روغن کمپرسورهای پیچی سیستم باید برای کارکرد با این فشار پایین هد تصحیح می‌شدند. در زمستان امسال، فشار هد حداقل بر ۸۰psig تنظیم شد و همه چیز به خوبی کار می‌کند. البته بالانس و متعادل ساختن کیلووات‌های مصرفی کمپرسورها و کیلووات‌های مصرفی کندانسور و پمپ‌های اسپری به منظور حصول بهترین نسبت تن بر مگاوات در زمستان به خصوص در بارهای کم نیازمند تدابیر خاصی است. این سردخانه دارای پمپ‌های آمونیاک مایع، سیستم برفراست گاز داغ و با شیرهای انبساط حرارتی (TXV) نبود، اگر در سیستم شما از یکی از این تجهیزات استفاده شده باشد، فشارهای هد پایین می‌توانند مشکل‌ساز شوند اما در هر حال این مشکلات قابل حل هستند.

فشارمکش:

دومین نقطه‌ای که برای کاستن از مصرف انرژی کمپرسورها باید مورد بررسی قرار گیرد، فشار مکش آنهاست. اگر از همان سیستم قبل برای محاسبات استفاده
کنیم با فشار هد ۱۵۵psig (۸۶/۲ F SDT) و فشارهای مکش مختلف، چه نتیجه‌ای بدست خواهد آمد؟ صرفه جویی در انرژی با بالا بردن فشار مکش به اندازه کاستن از فشار هد ساده نیست. کاستن از فشار مکش بیشتر مشکلی “انسانی” است تا مهندسی و عملکردی. آیا شما در منزل، شخصی را مسئول پایین بردن تنظیم ترموستات در تابستان و بالا بردن در زمستان می‌کنید؟ همین وضعیت در سردخانه‌ها نیز وجود دارد. شیوه‌ای که بطور معمول به مورد اجرا گذاشته می‌شود، کاستن از فشار مکش است چون از طرف باور عمومی، هر چه سردتر، بهتر؛ اما برای بالا بردن فشار مکش، ابتدا باید سوالی مطرح کنیم: آیا ما واقعاً به چنین فشار مکش پایینی احتیاج داریم؟ در سردخانه مذکور، هیچ محصول و یا بخشی وجود ندارد که دمای آن پایین‌تر از ۲۰ درجه فارنهایت باشد.
فشار مکش معمولاً حدود ۳۰psig (۱۶/۶ F SST) و یا معادل ۲۰ درجه فارنهایت اختلاف دما بین اواپراتور و محصول و یا دمای هوا بود. این بدان دلیل است که اواپراتورها همگی به رگولاتورهای فشار (EPR) و شیرهای تساویه مجهز بوده اند.

مبدل‌های حرارتی برای کارکرد خود به اختلاف دما احتیاج دارند. اگر مبرد های ثانویه (مخلوط‌های گلیکول) حذف شده و سردخانه مورد بحث در حالت انتقال حرارت مستقیم کار می‌کرد، راندمان و کیفیت کاری کمپرسور از 983 تن به ازاء هر مگاوات افزایش می یافت و یا به عبارتی 19 درصد صرفه جویی در مصرف الکتریسیته بدست می آمد. علاوه بر این بالا بردن فشار مکش ظرفیت کمپرسور را از 6995 تن به 8715 تن افزایش می داد که برابر 25 درصد افزایش ظرفیت بوده و فرسودگی و استهلاک کمپرسورها نیز کاهش می یافت.
سردخانه ای کوچکتر در منطقه غرب میانه آمریکا را به عنوان مثال مطرح می کنیم که اپراتورهای آن در حال حاضر با فشار مکش ۲۲psig (۲۲/۵۴ SST) فضایی را با ۵۰ درجه فارنهایت خنک می کنند و یک EPR برای ایجاد دمای ۲۳ درجه فارنهایت در اپراتور تعبیه کرده اند. اگر این بار به مکشی با فشار ۲۵psig (۲۳/۵۴ SST) متصل می گردید و EPR ها بطور کامل باز می بودند، اپراتورها باز هم می توانستند از این بار موجود برآیند و راندمان کاری آنها از ۹۷٪ تن به ازاء هر مگاوات به ۲۹۰۵ تن به ازاء هر مگاوات افزایش می یافت.

رگولاتورهای فشار اواپراتور:

آن اواپراتورهایی که با پایین ترین دما در فشار معین اصلاح می کنند، بیابید؛ آیا مجهز به شیرهای EPR هستند؟ اگر چنین است آنها را کاملا باز کرده و یا با پوشش های ابعاد کامل جایگزین نمایید. حال باز و بسته شدن شیرهای سلونوئیدی خط مایع حداقل در ۷۵ درصد از اوقات باز باشند. اگر بتوان فشار مکش را ۵F افزایش داد، میزان مصرف سالانه کمپرسورها (کیلووات ساعت در سال) به مقدار ۱۰ درصد کاهش خواهد یافت.

کمپرسورهای پیچی:

کمپرسورهای پیچی در حالت بار کامل بسیار عالی عمل می کنند ولی در بار جزئی عملکرد خیلی خوب و راندمان قابل قبولی ندارند. توصیه می شود که کمپرسورهای پیچی را برای تامین بار پایه بکار ببرید. اگر در سیستم از کمپرسورهای رفت و آمدی نیز استفاده می کنید، می توان آنها را برای تأمین نوسانات بار بکار برد. اگر چنین کمپرسورهایی در سیستم وجود ندارند، نصب یکی از آنها مفید خواهد بود. مصرف انرژی با این روش کاهش یافته و عمر مفید کمپرسورها طولانی تر خواهد شد.

کندانسور ها

تقریباً تمامی سیستم های تبرید آمونیاکی صنعتی از کندانسورهای تبخیری استفاده می کنند. آب برروی لوله ها پاشیده شده و هوای محیطی بر لوله های خیس دمیده می شود تا گرما از سیستم خارج گردد. دماسنج چگالش معمولاً ۲۰ درجه فارنهایت (یا بیشتر) پایین تر از کندانسورهای هوایی مناسب و یا ۱۰ درجه فارنهایت (یا بیشتر) پایین تر از سیستم های برج خنک کن با آب خنک هستند.

بادبزن های کندانسور:

کارکرد سالانه بازارهای کندانسور در حالت ظرفیت کامل هواشده شاید تنها به چند صد ساعت در هر تابستان برای ثبت و یا پایین نگه داشتن فشار هد از مقدار حداکثر طراحی محدود شود. بیادون یا پدها معمولاً به صورت سیکلی بکار برده می شوند تا فشار هد در محدوده فشار حداقل طراحی و یا بالای آن حفظ شود. با چنین آرایشی و در ظرفیتی کمتر از ظرفیت کامل پادون، بخشی از سطح انتقال حرارت حذف می شود. مصرف انرژی بادزن ها رابطه مستقیم با ظرفیت آنها دارد به عنوان مثال یک کندانسور تبخیری را در نظر بگیرید که نرخ تخلیه گرمای آن در حالت عادی ۱۲ میلیون BTU (۱۴۰۰۰MBH) بوده و از سه بادزن ۱۵ اسب بخاری بهره میبرد که در هر ۱۲/۵ کیلووات مصرف دارند. بنابراین کندانسور مذکور در ظرفیت کامل ۳۷/۵kw مصرف کرده و ۱۲۰۰۰MBH حرارت را از سیستم خارج میکند. کندانسور در دو سوم ظرفیت کامل یعنی ۸۰۰۰MBH تنها ۲۵kw مصرف میکند و در حالت یک سوم ظرفیت کامل (۴۰۰۰MBH) میزان مصرف کندانسور به ۱۲/۵kw خواهد رسید. اما اگر سرعت هر سه بادزن بطور موازی کنترل شود و کل سطوح انتقال حرارت در ظرفیت کامل بکار گرفته شوند، ۱۲۰۰۰MBH حرارت با صرف ۳۷/۵kw تخلیه خواهد شد البته مقدار ۱/۷kw را باید برای محرک VFD به این رقم اضافه نمود. در حالت دو سوم ظرفیت یعنی ۸۰۰۰MBH بادزنها هر یک تنها ۵/۹kw مصرف خواهند کرد و اگر ۱/۲kw مربوط به VFD را هم در نظر بگیریم به عدد ۷/۱kw خواهیم رسید که از مصرف سیستم دارای کنترل و کارکرد سیکلی (۲۵kw) کمتر است.
تجربه حکم میکند که هرگز نباید سرعت یک بادزن را از بیست درصد سرعت ظرفیت کامل آن پایین تر برد و علاوه بر آن بهتر خواهد بود که سرعت بادزن را به جای کنترل بر اساس نقطه تنظیم، به صورت شیب دار تغییر دهیم. ظرفیت گرمازدایی در بیست درصد سرعت کامل حدود ۴۲۰۰MBH و میزان مصرف ۲/۸kw برای سه بادزن و محرک VFD آنها خواهد بود. قیمت و هزینه نصب محرک VFD (در صورت وجود کندانسور) به تنهایی ۱۲۰۰۰ دلار می‌باشد؛ ولی با استفاده از آن می‌توان سالانه تا ۲۰۰۰۰۰ kWh صرفه جویی کرد. اما اگر کندانسور جدید باشد، هزینه سه راه انداز مغناطیسی و سه مدار کنترل برای روشن و خاموش کردن موتور، بخشی از هزینه‌های اولیه را پوشش خواهد داد.

پمپ های اسپری کندانسور:

تمامی سازندگان، پمپ های اسپری خود را همراه با نقشه مسیر فاضلاب و مکانیسم های ضدخیزدگی معمولاً بدون منطور طراحی می‌شوند که دمای تخلیه کندانسور را در حالی که بازنزها خاموش بوده و دمای هوای محیط در حد صفر درجه فارنهایت باشد، بالای ۴۰ درجه فارنهایت نگه دارند.

در چنین کندانسوری با مصرف ۹kW (هر پیک) وجود دارد. اگر کمپرسوری در حالی که بازنزها خاموش و پمپ ها مشغول به کار هستند، روشن باشد تقریباً هج یک از گرمکن ها حتی در دماییی به پایینی ۲۰- درجه فارنهایت وارد مدار نخواهند شد.

پیمانکاران و نصبان سیستم های تبرید معمولاً ترجیح می‌دهند که مخزن بزرگ برای آب اسپری (حداقل ۱۵۰۰ گالن) در زیرزمین ساختمانی گرم برای حفاظت در برابر یخ‌زدگی همراه با پمپ اسپری با ظرفیت آماده باش ۱۰۰ درصد قرار دهند و در مناطقی که دمای هوا در زمستان ها زیر صفر است، پمپ ها از مدار خارج می‌شوند. اگر فقط بازنزها روشن باشند، ظرفیت گرمادهی کندانسور تنها ۲۵ درصد زمانی خواهد بود که اسپریها فعال باشند. این کندانسور به ۱۰۵۰ gpm آب اسپری احتیاج خواهد داشت. توان پمپی که توسط سازندگان ارائه می‌شود ۵/۷ اسب بخار بوده و ۶/۶kW مصرف دارد. توان پمپهایی که پیمانکاران نصب می‌کنند ۲۵ اسب بخار بوده و مصرف آنها ۲۰kW خواهد بود.

جابه جا ساختن بار

اکثر شرکت های تأمین‌کننده، برق، تخفیه‌های مخصوصی برای زمانهای مختلف مصرف پیش‌بینی می‌کنند که ابزارهایی برای فروش الکتریسیته بوده و بسته به منطقه و شرکت متفاوت می‌باشند. اما اگر شما سردخانه بزرگ دارید می‌توانید از جرم حرارتی محصولات ذخیره شده در سردخانه برای جایگذاری بار الکتریکی از زمان نقطه اوج مصرف به زمان های خارج از پیک و اوج مصرف بهره‌ بیرید. این کار با زمان‌بندی دقیق قابل انجام است و نیاز به اقدامات پیچیده‌ای ندارد.

درزبندی درها را کنترل کنید و زمان های باز و بسته شدن آنها (ورود و خروج محصولات به سردخانه) را مانند معمول حفظ نمایید ولی سیستم تبرید را در زمان های اوج مصرف خاموش کنید و اواپراتورها، کندانسورها و کمپرسورها را از مدار خارج سازید.

تجربه نشان داده است که می‌توان سیستم تبرید سردخانه‌های بزرگ را در روز حتی تا ۱۴ ساعت (در ساعات خارج از اوج مصرف) از کار انداخت و دمای محصولات در کل روز بدون هیچ مشکلی در حد مطلوب باقی بماند. یک سردخانه در منطقه غرب سیاتل آمریکا که یک میلیون فوت مکعب گنجایش داشت با همین راهکار بین ۱۸۰۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰۰ دلار در مصرف برق سالانه خود صرفه جویی نمود.

خلاصه

دست‌یابی به حداقل ۲۰ درصد صرفه جویی در مصرف انرژی سردخانه و سیستم‌های تبرید تنها با اقداماتی ساده و بدون نیاز به سرمایه گذاری امکان پذیر است. کسب صرفه جویی بیشتر با آگاهی از تعرفه‌های برق منطقه‌ای و چگونگی تغییر آنها در ساعات مختلف ممکن خواهد بود. البته اگر بتوان برای این کار سرمایه‌گذاری کرد حتی نصف کردن مصرف بهره مصرف برق بدون هیچ افتی در تولید یا دما امکان پذیر بوده و علاوه بر آن می‌توان عمر مفید سیستم تبرید را به میزان قابل توجهی افزایش داد. نرخ برگشت چنین سرمایه‌گذاری‌هایی سالانه سی درصد محاسبه شده است.

توصیه می‌شود که همه شیوه‌ها را به یکباره بکار نبرید؛ راهکارهای مختلف صرفه جویی را یک به یک بیازمایید و پس از کسب موفقیت در یک شیوه به سراغ بعدی و کمپرسورها را از بروید. سابقه این فعالیت‌ها را نگه دارید. مصرف انرژی الکتریکی را با ظرفیت سیستم سردخانه مقایسه کنید. از محاسبه و ارزیابی پیشرفته‌ها غافل نشوید.

 

منبع: مجله صنعت تاسیسات شماره 61

 

اگر شما هم مشتاق یادگیری تخصصی و حرفه ای دوره های تاسیسات مکانیکی با اساتیدی مجرب هستید میتوانید در دوره های تاسیسات مکانیکی شرکت کنید.