Использование чиллеров с фрикулингом в производствах экструзионного типа и термопластавтоматах

Введение

Охлаждение — один из ключевых факторов стабильной работы экструзионных линий и термопластавтоматов. В этих установках тепловая нагрузка формируется при пластикации, формовании и стабилизации полимера. От точности поддержания температуры зависит геометрия изделия, скорость цикла и качество поверхности.

Традиционно для отвода тепла применяются чиллеры, работающие по парокомпрессионному циклу с водно-гликолевым контуром 6–20 °C. Однако компрессор остаётся основным потребителем энергии, и затраты на охлаждение часто достигают 30–40 % энергобаланса предприятия. При круглогодичной эксплуатации это приводит к избыточному расходу электроэнергии в периоды, когда наружная температура уже позволяет использовать природный холод.

Технология фрикулинга (free cooling) позволяет использовать низкую температуру наружного воздуха для охлаждения теплоносителя без участия компрессора. При этом холод производится естественным образом — через теплообменник или драйкулер, что снижает энергопотребление до 70–80 % в зимне-осенний период.

Для предприятий, где процесс непрерывен и требует высокой надёжности, чиллеры с фрикулингом обеспечивают оптимальный баланс между стабильностью температурного режима и энергоэффективностью. Особенно ощутим эффект в регионах с умеренным климатом, где температура наружного воздуха от –5 до +10 °C держится значительную часть года.

Если вам нужна помощь с подбором чиллера для вашего объекта – обратитесь к инженерам EVROPROM — мы подберём оптимальное решение с учётом ваших пожеланий и особенностей эксплуатации.

Особенности охлаждения в производстве полимеров

В экструзии и литье под давлением система охлаждения отвечает за термостабильность пресс-форм, цилиндров и калибраторов. Отвод тепла должен быть непрерывным и равномерным, поскольку даже кратковременное отклонение температуры на ±0,5 °C вызывает дефекты формы, внутренние напряжения или колебания цикла.

Температурный диапазон большинства процессов — 8–20 °C, иногда до 5 °C при работе с тонкостенными или техническими пластиками. Система обычно строится двухконтурной:
низкотемпературный контур (6–10 °C) — для пресс-форм и ванн охлаждения;
высокотемпературный (15–25 °C) — для гидравлики и вторичных узлов.

Типовая схема включает агрегатированную холодильную машину, буферную ёмкость, насосную станцию и распределительный коллектор. Для надёжности применяются дублирующие насосы и автоматическое регулирование температуры в зависимости от нагрузки и наружных условий.

Так как температура воздуха большую часть года ниже, чем температура охлаждающей воды, открывается возможность перехода в режим естественного охлаждения. Для полимерных производств это особенно эффективно. Режим фрикулинга способен обеспечить до 50–70 % годовой холодопроизводительности без работы компрессоров, сохраняя стабильность технологических параметров и уменьшая энергозатраты предприятия.

Принцип действия систем фрикулинга

Фрикулинг (free cooling) — это режим естественного охлаждения, при котором холод производится без участия компрессора за счёт теплообмена между наружным воздухом и жидким теплоносителем. Основная идея состоит в том, что при снижении температуры наружного воздуха до уровня ниже температуры холодоносителя, часть или вся холодопроизводительность может обеспечиваться естественным путём.

Рабочая схема включает два контура: компрессорный и фрикулинговый. При высокой наружной температуре работает стандартный холодильный цикл. С понижением температуры автоматика постепенно открывает трёхходовой клапан, направляя поток гликоля через теплообменник-драйкулер. В режиме частичного фрикулинга компрессорная часть работает на пониженном уровне, а драйкулер обеспечивает предварительное охлаждение теплоносителя. При дальнейшем снижении температуры наружного воздуха компрессоры полностью отключаются, и установка переходит в режим полного фрикулинга, когда охлаждение осуществляется исключительно за счёт естественного теплообмена.

Производительность драйкулера определяется температурой и скоростью воздуха, площадью теплообмена и расходом теплоносителя. Для поддержания требуемой температуры контур оснащается вентиляторами с частотным управлением, что позволяет плавно регулировать интенсивность обдува и минимизировать энергопотребление.

В зависимости от конфигурации системы выделяют три основных варианта:

• прямой фрикулинг, когда процесс охлаждения осуществляется напрямую через теплообменник между внешним воздухом и технологическим контуром;
• непрямой (гликолевый) фрикулинг, где между технологическим контуром и драйкулером установлен промежуточный теплообменник;
• комбинированный режим, при котором оба источника холода работают параллельно, обеспечивая плавный переход между сезонами.

Для автоматического управления используется температурная логика переключения, где пороговые значения (например, +8…+10 °C для воды 12/7 °C) определяются расчётным балансом по теплообмену. Такой алгоритм позволяет исключить «мертвые зоны» в межсезонье и поддерживать стабильную температуру теплоносителя при минимальном энергопотреблении.

Конструктивные решения чиллеров с фрикулингом

Существует два подхода к реализации систем фрикулинга: интегрированный и раздельный.

Интегрированные чиллеры с фрикулингом представляют собой моноблок, в котором драйкулер, компрессорный контур и гидравлическая система объединены в одном корпусе. При снижении температуры наружного воздуха клапанная группа автоматически направляет поток гликоля через секцию воздушного теплообменника, минуя испаритель. Такие решения выпускаются многими производителями — Trane, Daikin, Johnson Controls, Climaveneta, BlueBox. Они удобны в эксплуатации, но требуют свободного доступа воздуха и тщательно подобранной поверхности теплообмена, чтобы обеспечить эффективную работу при низких температурах.

Рис. 1 – Сухая градирня интегрированная в конструкцию холодильного агрегата

Раздельные системы состоят из стандартного чиллера и внешнего драйкулера, подключённого параллельно через пластинчатый теплообменник. Такой вариант более гибок: он позволяет добавлять фрикулинг к существующим установкам, а также изменять соотношение потоков при реконструкции системы. Управление реализуется на уровне гидромодуля — трёхходовыми клапанами и датчиками температуры обратной линии.

В обоих случаях рабочая жидкость — водно-гликолевый раствор с концентрацией 30–35 %, предотвращающий замерзание при температурах до –10 °C. Для повышения эффективности используются EC-вентиляторы и частотные приводы, обеспечивающие плавное регулирование производительности.

Важной особенностью проектирования является расчёт температуры переключения между режимами. Например, для систем с температурой теплоносителя 12/7 °C фрикулинг становится экономически оправданным при наружной температуре ниже +8 °C. В более холодных регионах это позволяет получать до 2500–3500 часов работы в год без включения компрессоров, что соответствует экономии электроэнергии на уровне 50–60 %.

Современные контроллеры, такие как Carel pCO, Siemens Climatix или Johnson Controls Metasys, обеспечивают интегрированное управление компрессорным и фрикулинговым контурами, включая погодозависимую оптимизацию и защиту от переохлаждения. В результате система работает непрерывно, автоматически адаптируясь к сезонным изменениям и минимизируя энергопотребление без участия оператора.

Рис. 2 – Пара: холодильный агрегат + сухая градирня системы фрикулинга

Ознакомьтесь с нашим каталогом чиллеров —аппараты в различной комплектации, тщательно проверены на отсутствие дефектов, будут настроены на необходимые температурные режимы и отправлены вам в идеальном состоянии.

Энергетическая эффективность и расчёт экономии

Эффективность фрикулинга определяется прежде всего сокращением времени работы компрессоров. В стандартном парокомпрессионном цикле около 70–80 % всей потребляемой энергии приходится именно на компрессорную часть. В режиме естественного охлаждения компрессоры либо полностью выключены, либо работают на пониженной мощности, а теплоноситель охлаждается за счёт теплообмена с наружным воздухом, что снижает энергопотребление системы в 3–5 раз.

При расчётах энергетического эффекта исходят из годового температурного профиля региона. Для технологических контуров с параметрами вход/выход 12/7 °C экономия начинается при температуре наружного воздуха ниже +8 °C. В климате Украины это соответствует примерно 3000–4000 ч в год потенциального режима фрикулинга.
Для систем с более низким уровнем теплоносителя, например 8/5 °C, режим естественного охлаждения возможен около 2000–2500 ч в год, а оставшееся время — в смешанном режиме с частичной разгрузкой компрессора.

Если принять, что мощность чиллера составляет 300 кВт холода, а его средний коэффициент энергоэффективности (EER) = 3, то потребление электроэнергии без фрикулинга составляет около

W_без= 300 / 3 = 100 кВт.

В режиме фрикулинга потребление ограничивается работой вентиляторов драйкулера и насосов — порядка 15–20 кВт. Таким образом, при 3000 ч работы естественного охлаждения годовая экономия энергии составит:

ΔW = (100−20) × 3000 = 240 000 кВт × ч.

Даже при стоимости электроэнергии 8 грн/кВт·ч это более 1 920 000 грн в год для одного чиллера средней мощности.

Энергетическую эффективность часто выражают через сезонный коэффициент SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio). Для обычных чиллеров SEER ≈ 3–3,5, в то время как для систем с фрикулингом этот показатель возрастает до 5–6 за счёт длительных периодов естественного охлаждения.

Дополнительный эффект достигается снижением эксплуатационной нагрузки на компрессоры. При частичной работе или полном отключении срок службы компрессорных секций увеличивается в среднем на 20–30 %, а затраты на сервис и замену узлов уменьшаются.

Тепловая эффективность драйкулера зависит от разницы температур и расхода воздуха. При снижении температуры наружного воздуха до –5…0 °C мощность драйкулера может достигать 80–100 % номинальной холодопроизводительности. При этом энергопотребление вентиляторов (даже при частотном регулировании) не превышает 10–15 % от потребления компрессорного режима.

Рис. 3 – Изменение температуры атмосферного воздуха в г. Одесса, за период с 01.06.2021 по 01.06.2022

Рис. 4 – Накопленная сумма температур атмосферного воздуха в г. Одесса, за период с 01.06.2021 по 01.06.2022

Рис. 5 – Изменение температуры атмосферного воздуха в Киеве, за период с 01.06.2021 по 01.06.2022

Рис. 6 – Накопленная сумма температур атмосферного воздуха в г. Киев, за период с 01.06.2021 по 01.06.2022

Результаты климатического анализа, проведённого ранее для Одессы и Киева, можно напрямую перенести на диапазон температур, характерных для охлаждения полимерных производств. Для условий Киева при наружной температуре ниже +8 °C наблюдается около 3800 ч в год, а для Одессы — около 2700 ч. Это означает, что даже в южных регионах доля естественного охлаждения может достигать 40–45 %, а в центральных и северных — 60–70 % от общего времени работы системы.

Таким образом, применение фрикулинга позволяет:

• снизить годовое энергопотребление системы на 40–60 %;
• увеличить ресурс компрессоров и теплообменников;
• улучшить общую сезонную энергоэффективность установки.

В расчётном выражении интеграция фрикулинга в систему охлаждения экструзионных или литьевых линий окупается в среднем за 1,5–2 года, после чего эксплуатационные расходы сокращаются пропорционально доле времени естественного охлаждения.

Внедрение фрикулинга на производствах экструзионного типа и термопластавтоматах базируется на принципе интеграции естественного охлаждения в существующую систему циркуляции технологической воды. Схема строится таким образом, чтобы обеспечить автоматический переход между тремя режимами: компрессорным, смешанным и естественным.

Типовая компоновка включает холодильный агрегат с водно-гликолевым контуром, драйкулер и гидромодуль с трёхходовым клапаном. В тёплый период весь поток проходит через испаритель чиллера. Когда температура наружного воздуха снижается до расчётного порога (обычно +8…+10 °C), клапан частично направляет поток на драйкулер, обеспечивая предварительное охлаждение. При дальнейшем снижении температуры контур полностью переключается на фрикулинг, а компрессоры автоматически останавливаются.

В экструзионных линиях охлаждающая вода используется для стабилизации температуры калибраторов, вакуумных ванн и охлаждения шнека. Поток теплоносителя распределяется по коллекторам, где поддерживается постоянный расход и давление. Введение фрикулинга в такую схему выполняется на уровне буферной ёмкости — именно через неё происходит теплообмен между технологическим контуром и драйкулером, что предотвращает колебания температуры при переключениях режимов.

Для надёжности система оснащается двумя насосами (рабочим и резервным) и регулирующими клапанами с сервоприводами. Современные контроллеры (Carel, Siemens, Dixell, Danfoss) управляют вентиляторами драйкулера по частоте, а также регулируют положение трёхходовых клапанов в зависимости от температуры обратной линии. Это обеспечивает плавный переход между режимами без скачков давления и температуры.

Монтаж фрикулинга может выполняться как в составе нового оборудования, так и при модернизации существующих холодильных систем. В последнем случае наиболее рациональным решением является подключение внешнего драйкулера параллельно существующему контуру через дополнительный теплообменник. Такая модернизация не требует вмешательства в компрессорную часть и позволяет использовать фрикулинг большую часть года.

С точки зрения эксплуатации фрикулинг не требует постоянного обслуживания. Единственные критические узлы — фильтры теплоносителя и датчики температуры, от точности которых зависит корректность работы автоматики. Для систем с водно-гликолевыми смесями важно поддерживать концентрацию гликоля на уровне 30–35 % и контролировать его состояние не реже одного раза в год.

На практике внедрение фрикулинга на предприятиях полимерной переработки даёт комплексный эффект. Помимо снижения энергопотребления на 40–60 %, уменьшается тепловая нагрузка на компрессоры, продлевается срок службы оборудования и сокращается число сервисных вмешательств. Особенно выгоден фрикулинг в производственных циклах, работающих круглосуточно: система стабильно переходит в естественный режим при понижении температуры наружного воздуха, обеспечивая постоянную холодопроизводительность без участия персонала.

В климатических условиях Украины, где средняя продолжительность холодного периода составляет 5–6 месяцев, фрикулинг способен обеспечивать до 50 % годового времени охлаждения технологической воды в экструзионных и литьевых линиях. Это делает его не просто энергосберегающим дополнением, а стандартом для современных производственных систем, ориентированных на снижение эксплуатационных затрат и повышение надёжности технологического цикла.

Техническо-экономическое обоснование

Экономическая целесообразность внедрения фрикулинга в системах охлаждения экструзионных линий и термопластавтоматов определяется соотношением капитальных вложений и годовой экономии электроэнергии. При этом ключевую роль играет климатическая длительность периода, когда наружная температура позволяет использовать естественное охлаждение.

Для чиллера мощностью 300 кВт холода, оснащённого интегрированным фрикулингом, средняя дополнительная стоимость оборудования составляет 10–15 % от цены базового агрегата. В абсолютных цифрах это порядка 15–20 тыс. евро при общей стоимости установки около 120–150 тыс. евро.
Годовая экономия энергии, как показано в предыдущем разделе, достигает 200–250 МВт·ч, что при средней стоимости электроэнергии 0,2 €/кВт·ч соответствует 40–50 тыс. евро в год. Таким образом, срок окупаемости системы составляет менее одного года в северных и центральных регионах Украины и 1-1,5 года — в южных.

В климатическом разрезе использование фрикулинга особенно эффективно при среднемесячных температурах ниже +10 °C не менее пяти месяцев в году. Для Киева, Львова, Харкова или Днепра доля естественного охлаждения превышает 60 % годового времени, что позволяет достичь сезонного коэффициента энергоэффективности SEER ≈ 5,5–6,0. Для Одессы и Николаева, где зима мягче, показатель снижается до SEER ≈ 4,5, однако и здесь экономия электроэнергии превышает 40 %.

Дополнительным фактором экономической выгоды является снижение эксплуатационных затрат. За счёт сокращения часов работы компрессоров ресурс агрегатов возрастает на 20–30 %, что уменьшает частоту техобслуживания и отложенных ремонтов. При этом снижается также нагрузка на электрическую инфраструктуру предприятия — трансформаторы и распределительные щиты работают с меньшей пиковой мощностью, что повышает надёжность и уменьшает тепловые потери в сети.

Финансовая оценка эффективности может быть выражена через приведённую стоимость владения (ПСВ). Для установки без фрикулинга ПСВ за 5 лет эксплуатации включает:

C_ПСВбез = C_capex​ + 5 × C_energy​

Для чиллера с фрикулингом:

C_ПСВс = (C_capex​ × 1,15) + 5 × (C_energy​×0,6)

Даже при увеличении капитальных затрат на 10 % суммарные расходы за 5 лет снижаются примерно на 35–40 %, что подтверждает высокую инвестиционную эффективность.

На практике предприятия, использующие оборудование Climaveneta FX-FC, Trane Sintesis E-FC или Daikin EWAD-TZB FC, отмечают реальное снижение расхода электроэнергии на охлаждение технологической воды на 45–60 % при непрерывной эксплуатации. В производственных условиях это эквивалентно экономии 700–900 МВт·ч за 3 года и снижению углеродного следа на десятки тонн CO₂.

При проектировании новой системы рекомендуется закладывать фрикулинг с самого начала — интегрированное решение обходится дешевле и компактнее, чем последующая модернизация. Однако и для существующих линий модернизация с установкой внешнего драйкулера окупается в течение 2–2,5 лет, особенно если предприятие работает круглосуточно и потребляет охлаждающую воду в постоянном объёме.

Таким образом, фрикулинг в производственных системах полимерной переработки является не просто энергосберегающей опцией, а экономически обоснованным стандартом, обеспечивающим снижение эксплуатационных расходов, рост надёжности и сокращение воздействия на энергосистему предприятия.

Выводы

Применение фрикулинга в системах охлаждения экструзионных линий и термопластавтоматов представляет собой технологически зрелое и экономически оправданное направление повышения энергоэффективности производственных процессов. Анализ принципа работы, конструктивных решений и климатических условий эксплуатации показывает следующее.

1. Технологическая совместимость.
   Температурные уровни охлаждения в процессах переработки полимеров (6–20 °C) идеально соответствуют диапазону, при котором возможно использование естественного холода. Это делает фрикулинг максимально эффективным именно для таких производств, где требуется непрерывный и стабильный отвод тепла при умеренных температурах.
2. Энергетическая эффективность.
   В климатических условиях Украины системы с фрикулингом способны обеспечивать естественное охлаждение 40… 50 % годового времени, что приводит к снижению потребления электроэнергии на ~40% и повышению сезонного коэффициента энергоэффективности SEER до 5,5–6,0.
3. Экономический эффект.
   При средних капитальных затратах, увеличенных на 10–15 %, годовая экономия энергии полностью компенсирует инвестиции в течение 1–2 лет. Дополнительно снижаются эксплуатационные расходы за счёт продления ресурса компрессоров и уменьшения частоты сервисного обслуживания.
4. Конструктивная гибкость.
   Фрикулинг может быть реализован как в составе новых агрегатов (интегрированное решение), так и при модернизации существующих систем с установкой внешнего драйкулера и промежуточного теплообменника. Второй вариант особенно привлекателен для предприятий, где модернизация оборудования проводится поэтапно без остановки производства.
5. Надёжность и эксплуатация.
   Современные системы автоматизации (Carel, Siemens, Johnson Controls, Dixell) обеспечивают плавное переключение между режимами и точное поддержание температуры обратной линии, что исключает риски термоколебаний и гарантирует стабильную работу технологических процессов.
6. Экологический аспект.
   За счёт снижения потребления электроэнергии на сотни мегаватт-часов в год уменьшаются выбросы CO₂, что соответствует современным требованиям энергоменеджмента и стандартам ISO 50001.

В целом, внедрение холодильных систем с фрикулингом на производствах экструзионного и литьевого типа обеспечивает тройной эффект: энергетическую экономию, продление ресурса оборудования и повышение стабильности технологического режима. В условиях растущей стоимости электроэнергии и ужесточения норм энергоэффективности такие системы становятся не дополнительным вариантом, а оптимальным стандартом проектирования промышленных установок охлаждения.

Если у вас остались вопросы по подбору оборудования — обратитесь к специалистам Европром. Мы поможем выбрать подходящее решение и предложим надёжные чиллеры, представленные в нашем каталоге.

Что вы получаете с EVROPROM

Оптимальный подбор чиллера под ваши задачи — учитываем режимы работы, сезонные колебания нагрузки, требования к надёжности и энергоэффективности. Помогаем выбрать оптимальный тип компрессора в зависимости от специфики объекта.

Техническую экспертизу и расчёты — предоставляем сравнение энергоэффективности (COP, EER), прогнозируем эксплуатационные затраты, рассчитываем срок окупаемости при замене оборудования.

Актуальное и проверенное оборудование — широкий ассортимент чиллеров мировых брендов с различными типами компрессоров и теплообменников, адаптированных для промышленных, коммерческих и инфраструктурных объектов.

Снижение затрат на эксплуатацию — за счёт применения энергоэффективных решений (турбокомпрессоры, частотное регулирование, оптимизация схемы гидравлики) уменьшаем годовое энергопотребление и сокращаем расходы на сервис.

Сопровождение на всех этапах — от обследования действующих систем и проектирования до поставки, монтажа, пусконаладки и последующего технического обслуживания.

Автор статьи:
Дмитрий Лычак, CEO компании

28.11.2025