Природные хладагенты в Северной Америке. Продовольственное снабжение

• 25 Июня 2013

В Канаде, Мексике и США природные хладагенты распространены весьма широко. Используя «экосистемный» подход, можно выделить четыре ключевые области использования природных хладагентов: транспорт, города и здания, продовольственное снабжение, промышленность и особые сферы применения. Конечно, этот перечень не полон, однако он позволяет получить представление о технологиях, связанных с использованием аммиака, диоксида углерода, углеводородов и воды.

За последние два года в холодильной цепи (системе, обеспечивающей оптимальный температурный режим хранения и транспортировки пищевых продуктов) Северной Америки произошли существенные изменения, связанные с усовершенствованием и повышением эффективности оборудования. Вынужденный отказ от R22 привел к распространению техники, работающей на аммиаке или диоксиде углерода, а также каскадных аммиачно-углекислотных холодильных систем.

Переработка продуктов питания

NH₃

В сегменте переработки пищевых продуктов лидирующие позиции занял аммиак. Сегодня он встречается на рыбо-, мясо- и птицеперерабатывающих предприятиях, кондитерских фабриках, хлебопекарнях, винных и пивоваренных заводах, на заводах по производству молочных и молочнокислых продуктов. Широкое распространение этого вещества объясняется самой высокой нетто-холодопроизводительностью (БТЕ/фунт) и самой низкой потребляемой мощностью на холодильную тонну.

Рассмотрим пример компании Northeast Foods (Балтимор), которая является основным поставщиком булочек для гамбургеров компании «Макдоналдс». Завод Northeast Foods в городе Клейтон оснащен аммиачной холодильной установкой с морозильником площадью 1 254 м² и рабочей температурой -12°С. Аммиачная система морозильника охлаждает гликоль, который в свою очередь используется технологическим оборудованием. Такая конструкция позволяет обойтись без использования раздельных систем охлаждения.

Завод по производству молочных продуктов Kleinpeter Farms Dairy оснащен аммиачной холодильной системой, а ее тепло греет воду для мытья и пастеризации. Аммиачной холодильной системой оборудован завод по производству ветчины, сосисок и других видов мясной продукции, принадлежащий компании Sigma Alimentos (штат Оклахома). Помимо холодильных систем аммиак все шире используется в тепловых насосах. Пивоваренная компания Budweiser Anheuser-Busch Brewery (Сент-Луис) одной из первых стала использовать холодильные системы с механическим охлаждением, оборудованные аммиачными компрессорами большой производительности с паровым приводом. Сегодня здесь применяется аммиачная холодильная система производительностью 18 тыс. тонн охлаждения. На пивоваренном заводе компании MillerCoors (город Милуоки) установлен новый аммиачный компрессор, который к 2015 году позволит компании добиться запланированной экономии энергии в 15 %. Аммиачная холодильная система позволяет экономить 3,3 млн кВт•ч в год. Усовершенствованная аммиачная холодильная система, установленная на пивоваренном заводе MillerCoors в штате Техас, позволила избавиться от энергозатратных потерь давления и обеспечивает эффективность работы испарительного конденсатора. Годовая экономия энергии в данном случае достигает 3,6 %. В дополнение к имеющейся аммиачной системе на заводе по производству пищевых продуктов (город Дэвенпорт, штат Айова), принадлежащем американской компании Kraft Foods, применяется аммиачная система, использующая отводимое тепло для нагрева воды. Затраты на тепловую энергию уменьшились на 61 %, энергопотребление на отопление снизилось более чем на 79 %, потребление охлаждающей воды в конденсаторе сократилось на 57 млн литров в год, а компания получила возможность сэкономить на эксплуатационных и технических расходах.

H₂O

На автоматизированном заводе по производству пищевых продуктов The Plant (Чикаго) абсорбционный чиллер обслуживает нужды системы кондиционирования воздуха, питаясь бросовым теплом, получаемым при выработке электроэнергии.

CO₂

Несмотря на небольшую распространенность в прошлом, сегодня холодильные и отопительные системы на CO₂ укрепляют свои позиции в секторе переработки пищевых продуктов. Винодельческая компания Somerston Wine Co., чьи предприятия размещены во всемирно известной калифорнийской долине Напа, использует комплексную углекислотную систему теплохолодоснабжения для охлаждения гликоля и нагрева горячей воды. Система состоит из четырех элементов: углекислотного теплового насоса, гибридного адиабатического охладителя жидкости, заменяющего традиционную башенную градирню, системы подогрева гликоля для отопления зала цистерн и винных бочек и гликолевого чиллера с высоким КПД для дополнительного охлаждения того же зала. Окупаемость такой системы 3,5 года.

На одном из предприятий хлебопекарной компании Country Maid установлена углекислотная теплонасосная установка сверхкритического цикла, которая одновременно производит горячую воду для мытья хлебопекарного оборудования и холодный воздух для системы кондиционирования. По расчетам тепловой насос позволяет экономить до 30 % электроэнергии и окупится в течение 3,5 лет.

В Канаде теплонасосные установки на диоксиде углерода смонтированы на заводе по производству кисломолочных продуктов и сыра, расположенном в Квебеке. За счет их применения компания Fromagerie Polyethnique / Fromagerie Fritz Kaiser рассчитывает экономить 105 тыс. литров пропанового топлива в год. Одно из ключевых преимуществ тепловых насосов на CO₂ – способность обеспечить нагрев до температур, требующихся в технологическом процессе (до 90°С). Расчетный период окупаемости составляет 4-5 лет, но, благодаря мерам по повышению энергоэффективности, предусмотренным правительством Квебека, в данном случае он сократился до 2 лет.

Хранение и распределение продуктов питания

NH₃

Спрос на пищевые полуфабрикаты в Северной Америке привел к строительству миллионов квадратных метров холодильных складов, оборудованных, в основном, морозильниками и холодильниками на аммиаке.

В качестве примеров можно привести два крупнейших центра хранения и распределения продуктов питания США и Канады: Black Mountain (Северная Каролина), занимающий 78 000 м², и Sobey’s (Труа-Ривьер, провинция Квебек), занимающий 13 650 м². В 2010 году использование аммиачной централизованной чиллерной установки и рекуперация тепла на стороне высокого давления принесли центру Sobey’s награду Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха. Также хотелось бы упомянуть аммиачные системы, которыми оснащены распределительный центр компании Giant Food (штат Пенсильвания), принадлежащий концерну Ahold USA, и распределительный центр компании Fresh & Easy (штат Калифорния), занимающийся переработкой и распределением мяса и птицы. В Пенсильвании используется двухтемпературная одноступенчатая холодильная установка, а в Калифорнии — двухступенчатая рециркуляционная система, поддерживающая в нескольких технических зонах температуру минус 1–4°С, снабжающая холодом аппарат быстрой заморозки спирального типа и ряд других технологических установок.

За последние годы многие сооружения, оборудованные аммиачными холодильными системами, получили положительные отзывы в США. В США экспертом в вопросах оценки экологической безопасности зданий является Совет по экологическому строительству (Green Building Council, USGBC). Первым североамериканским холодильным распределительным центром, отмеченным USGBC и получившим золотой сертификат LEED, стал канадский центр, чьи подсобные помещения обслуживаются аммиачной холодильной системой. Золотыми и серебряными сертификатами LEED отмечены четыре распределительных центра компании United Natural Foods в Вашингтоне, Нью-Йорке, Провиденсе и Ланкастере.

NH₃/CO₂

Пионером новых холодильных технологий стала компания United States Cold Storage. На ее складах в Индиане, Калифорнии, Пенсильвании и Флориде сооружена каскадная аммиачно-углекислотная система, отличающаяся более низким рабочем давлением и использованием аммиака только в подсобных помещениях.

В рамках проекта расширения складов канадской компании Flanagan Foodservice, предусматривающего отказ от использования фторсодержащих газов, состоялся переход на аммиак и диоксид углерода. Сооружение площадью 18 500 м² оборудовано двухтемпературной рассольной аммиачно-углекислотной холодильной системой производительностью 200 холодильных тонн в диапазоне -15– -28 °С.

УГЛЕВОДОРОДЫ

Садоводческие компании Lake Breeze и Mansfield’s Fruit Farms сообщают об успешном применении холодильных систем с промежуточным холодоносителем, оборудованных чиллерами на R1270.

Супермаркеты

CO₂

В США насчитывается 36 500 супермаркетов ¹. В 2009 году Агентство по охране окружающей среды одобрило применение углекислого газа в холодильных системах на предприятиях продовольственной торговли и холодильных складах. Вскоре американские компании розничной торговли начали инвестировать существенные суммы в углекислотные холодильные системы. Одним из таких предприятий стал магазин компании Sprouts Farmers Market (город Вестлейк Вилидж, штат Калифорния), где была установлена углекислотная каскадная система, обслуживающая низко- и среднетемпературных потребителей. В магазине небольшой независимой компании розничной торговли ShopRite, расположенном в торговом центре Hatfield Pointe (город Хэтфилд, штат Пенсильвания), установлена среднетемпературная гликолевая система с промежуточным холодоносителем и низкотемпературная углекислотная каскадная система непосредственного испарения. Несколько магазинов компании Wegmans оборудованы системами с вторичным контуром, заполненным CO₂. В расположенном в городе Арлингтон (штат Вирджиния) магазине сети Giant, принадлежащей концерну Ahold USA, в качестве первичного хладагента используется CO₂, вторичного — пропиленгликоль.

В Канаде углекислотные холодильные системы сверхкритического цикла стремительно становятся стандартом коммерческого охлаждения. Так, компания Sobey’s развернула уже 36 таких систем. Крупнейшая компания розничной торговли Loblaw установила в центре Maple Leaf Gardens углекислотную холодильную систему, которая регенерирует энергию для отопления подземного гаража. Благодаря этой системе в 2011 году общий объем утечек хладагента сократился на 9,7 %. В США сети супермаркетов Hannaford Bros., Fresh & Easy Neighborhood Market и Whole Foods Market планируют оборудовать свои магазины углекислотными холодильными системами сверхкритического цикла в ближайшем будущем. В 5 магазинах Delhize US были установлены углекислотные холодильные системы с вторичным контуром и углекислотные каскадные системы. Два магазина получили золотые сертификаты альянса GreenChill (EPA).

В коммерческом охлаждении могут использоваться три основных типа систем на CO₂:

• Холодильные системы с вторичным контуром. Насосы таких установок подают на прилавки-витрины жидкий CO₂ требуемой температуры. Система может использоваться как для средне-, так и низкотемпературных областей применения.
• Углекислотные каскадные системы непосредственного испарения докритического цикла. Нужды среднетемпературных потребителей обслуживаются централизованной ГФУ-системой непосредственного испарения, а низкотемпературных — отдельным контуром, отдающим тепло на стороне низкого давления среднетемпературной системы.
• Углекислотные бустерные системы сверхкритического цикла. В средне- и низкотемпературных применениях работают на R744 (CO₂). В таких системах испарение и сжатие происходят как в системах непосредственного испарения за тем лишь исключением, что вместо конденсации в жидкость перегретый под сверхкритическим давлением пар подается в кулер. Помимо этого система непосредственного испарения сверхкритического цикла обеспечивает низкую температуру на стороне низкого давления среднетемпературной системы, повышая тем самым ее эффективность.

К преимуществам углекислотных систем можно отнести то, что трубопровод хладагента в них меньше магистралей стандартных систем непосредственного испарения, на изготовление труб идет минимум на 50% меньше меди, а, следовательно, снижается стоимость установки. Также следует отметить тенденцию применения в качестве второго хладагента в комбинированных углекислотных системах веществ с низким ПГП.

NH3/CO₂

Программа SNAP Агентства по охране окружающей среды предусматривает применение аммиака как альтернативного первичного хладагента в коммерческих установках с вторичным контуром.

Несмотря на то, что аммиак имеет репутацию токсичного и опасного вещества, аммиачные каскадные системы используются в нескольких крупных сетях розничной торговли Северной Америки. Это стало возможным благодаря существенным доработкам конструкции, уменьшению количества содержащегося хладагента и усовершенствованию систем безопасности. В магазине сетевой компании SuperValu (город Карпинтерия, штат Калифорния) установлена аммиачная система первичного охлаждения и углекислотная каскадная. Агентство по снабжению министерства обороны Соединенных Штатов рассматривает возможность применения на базе ВВС Lackland (штат Техас) аммиачно-углекислотной каскадной системы, которая позволит сэкономить 8% энергии, уменьшить утечки на 25% и отказаться от использования ГФУ.

Принято считать, что в условиях теплого климата аммиачно-углекислотные каскадные системы более стабильны, чем углекислотные системы сверкритического цикла. Такие каскадные системы содержат меньше ГФУ, позволяют снизить энергопотребление и сократить выбросы углерода.

УГЛЕВОДОРОДЫ

Использование углеводородов в Северной Америке и, в частности, США ограничено требованиями безопасности. Несмотря на то, что программа SNAP не относит углеводороды к числу приемлемых замен для использования в крупных холодильных системах предприятий розничной торговли, в некоторых супермаркетах эти вещества применяются. В экспериментальном супермаркете сети Wal-Mart (город Аврора, штат Колорадо) в среднетемпературной холодильной системе для мясомолочных и других продуктов в качестве теплопередающей жидкости используется пропиленгликоль. В отличие от традиционных систем, где для каждой холодной витрины необходим отдельный компрессор, применение в новой системе вторичного контура позволяет ограничиться одним компрессором. Благодаря уникальным характеристикам теплопередающей жидкости эта конструкция позволила снизить энергопотребление на 24 %.

Маломощные коммерческие системы: прилавки-витрины, холодильники для мороженого и торговые автоматы

УГЛЕВОДОРОДЫ

В 2008 г. федеральные органы власти разрешили канадской сети Ben & Jerry применение пропановых морозильников, которые успешно прошли испытания в США.

Рестораны быстрого питания и фабрики-кухни

УГЛЕВОДОРОДЫ

В одном из мексиканских ресторанов сеть Pizza Hut установила углеводородную систему кондиционирования воздуха.

Источник: User’s Guide To Natural Refrigerants In North America

1 – «Новый отчет EIA (без даты) освещает экологически безопасные холодильные технологии для супермаркетов, пришедшие на замену сверхпарниковым ГФУ», Агентство экологических расследований (EIA) [ONLINE]: http://www.eia-global.org/PDF/Supermarket_Report_Release.pdf (доступность файла проверена 14.01.2013 г.)