Використання чилерів із фрікулінгом у виробництвах екструзійного типу та термопластавтоматах

Вступ

Охолодження – один із ключових чинників стабільної роботи екструзійних ліній і термопластавтоматів. У цих установках теплове навантаження формується під час пластикації, формування і стабілізації полімеру. Від точності підтримки температури залежить геометрія виробу, швидкість циклу і якість поверхні.

Традиційно для відведення тепла застосовуються чиллери, що працюють за парокомпресійним циклом з водно-гліколевим контуром 6-20 °C. Однак компресор залишається основним споживачем енергії, і витрати на охолодження часто досягають 30-40 % енергобалансу підприємства. За цілорічної експлуатації це призводить до надмірної витрати електроенергії в періоди, коли зовнішня температура вже дає змогу використовувати природний холод.

Технологія фрикулінгу (free cooling) дає змогу використовувати низьку температуру зовнішнього повітря для охолодження теплоносія без участі компресора. При цьому холод виробляється природним чином – через теплообмінник або драйкулер, що знижує енергоспоживання до 70-80 % у зимово-осінній період.

Для підприємств, де процес безперервний і вимагає високої надійності, чиллери з фрикулінгом забезпечують оптимальний баланс між стабільністю температурного режиму та енергоефективністю. Особливо відчутний ефект у регіонах із помірним кліматом, де температура зовнішнього повітря від -5 до 10 °C тримається значну частину року.

Якщо вам потрібна допомога з підбором чилера для вашого об’єкта – зверніться до інженерів EVROPROM – ми підберемо оптимальне рішення з урахуванням ваших побажань і особливостей експлуатації.

Особливості охолодження у виробництві полімерів

В екструзії та литті під тиском система охолодження відповідає за термостабільність прес-форм, циліндрів і калібраторів. Відведення тепла має бути безперервним і рівномірним, оскільки навіть короткочасне відхилення температури на ±0,5 °C спричиняє дефекти форми, внутрішню напругу або коливання циклу.

Температурний діапазон більшості процесів – 8-20 °C, іноді до 5 °C під час роботи з тонкостінними або технічними пластиками. Система зазвичай будується двоконтурною:
низькотемпературний контур (6-10 °C) – для прес-форм і ванн охолодження;
високотемпературний (15-25 °C) – для гідравліки і вторинних вузлів.

Типова схема охоплює агрегатовану холодильну машину, буферну ємність, насосну станцію і розподільний колектор. Для надійності застосовуються дублювальні насоси та автоматичне регулювання температури залежно від навантаження і зовнішніх умов.

Оскільки температура повітря більшу частину року нижча, ніж температура охолоджувальної води, відкривається можливість переходу в режим природного охолодження. Для полімерних виробництв це особливо ефективно. Режим фрикулінгу здатний забезпечити до 50-70 % річної холодопродуктивності без роботи компресорів, зберігаючи стабільність технологічних параметрів і зменшуючи енерговитрати підприємства.

Принцип дії систем фрикулінгу

Фрикулінг (free cooling) – це режим природного охолодження, за якого холод виробляється без участі компресора за рахунок теплообміну між зовнішнім повітрям і рідким теплоносієм. Основна ідея полягає в тому, що в разі зниження температури зовнішнього повітря до рівня, нижчого за температуру холодоносія, частина або вся холодопродуктивність може забезпечуватися природним шляхом.

Робоча схема включає два контури: компресорний і фрікулінговий. За високої зовнішньої температури працює стандартний холодильний цикл. Зі зниженням температури автоматика поступово відкриває триходовий клапан, направляючи потік гліколю через теплообмінник-драйкулер. У режимі часткового фрикулінгу компресорна частина працює на зниженому рівні, а драйкулер забезпечує попереднє охолодження теплоносія. У разі подальшого зниження температури зовнішнього повітря компресори повністю вимикаються, і установка переходить у режим повного фрикулінгу, коли охолодження здійснюється виключно за рахунок природного теплообміну.

Продуктивність драйкулера визначається температурою і швидкістю повітря, площею теплообміну і витратою теплоносія. Для підтримки необхідної температури контур оснащується вентиляторами з частотним керуванням, що дає змогу плавно регулювати інтенсивність обдування та мінімізувати енергоспоживання.

Залежно від конфігурації системи виділяють три основні варіанти:

• прямий фрікулінг, коли процес охолодження здійснюється безпосередньо через теплообмінник між зовнішнім повітрям і технологічним контуром;
• непрямий (гліколевий) фрикулінг, де між технологічним контуром і драйкулером встановлено проміжний теплообмінник;
• комбінований режим, за якого обидва джерела холоду працюють паралельно, забезпечуючи плавний перехід між сезонами.

Для автоматичного управління використовується температурна логіка перемикання, де порогові значення (наприклад, 8… 10 °C для води 12/7 °C) визначаються розрахунковим балансом з теплообміну. Такий алгоритм дає змогу виключити “мертві зони” в міжсезоння і підтримувати стабільну температуру теплоносія за мінімального енергоспоживання.

Конструктивні рішення чиллерів із фрикулінгом

Існує два підходи до реалізації систем фрикулінгу: інтегрований і роздільний.

Інтегровані чиллери з фрикулінгом являють собою моноблок, у якому драйкулер, компресорний контур і гідравлічна система об’єднані в одному корпусі. У разі зниження температури зовнішнього повітря клапанна група автоматично спрямовує потік гліколю через секцію повітряного теплообмінника, минаючи випарник. Такі рішення випускаються багатьма виробниками – Trane, Daikin, Johnson Controls, Climaveneta, BlueBox. Вони зручні в експлуатації, але вимагають вільного доступу повітря і ретельно підібраної поверхні теплообміну, щоб забезпечити ефективну роботу за низьких температур.

Рис. 1 – Суха градирня інтегрована в конструкцію холодильного агрегату

Роздільні системи складаються зі стандартного чилера і зовнішнього драйкулера, підключеного паралельно через пластинчастий теплообмінник. Такий варіант більш гнучкий: він дає змогу додавати фрикулінг до наявних установок, а також змінювати співвідношення потоків під час реконструкції системи. Управління реалізується на рівні гідромодуля – триходовими клапанами і датчиками температури зворотної лінії.

В обох випадках робоча рідина – водно-гліколевий розчин із концентрацією 30-35 %, що запобігає замерзанню за температур до -10 °C. Для підвищення ефективності використовуються EC-вентилятори і частотні приводи, що забезпечують плавне регулювання продуктивності.

Важливою особливістю проєктування є розрахунок температури перемикання між режимами. Наприклад, для систем із температурою теплоносія 12/7 °C фрикулінг стає економічно виправданим за зовнішньої температури нижче 8 °C. У холодніших регіонах це дає змогу отримувати до 2500-3500 годин роботи на рік без увімкнення компресорів, що відповідає економії електроенергії на рівні 50-60 %.

Сучасні контролери, як-от Carel pCO, Siemens Climatix або Johnson Controls Metasys, забезпечують інтегроване управління компресорним і фрикулінговим контурами, включно з погодозалежною оптимізацією та захистом від переохолодження. У результаті система працює безперервно, автоматично адаптуючись до сезонних змін і мінімізуючи енергоспоживання без участі оператора.

Рис. 2 – Пара: холодильний агрегат суха градирня системи фрикулінгу

Ознайомтеся з нашим каталогом чиллерів – апарати в різній комплектації, ретельно перевірені на відсутність дефектів, будуть налаштовані на потрібні температурні режими і відправлені вам в ідеальному стані.

Енергетична ефективність і розрахунок економії

Ефективність фрикулінгу визначається насамперед скороченням часу роботи компресорів. У стандартному парокомпресійному циклі близько 70-80 % всієї споживаної енергії припадає саме на компресорну частину. У режимі природного охолодження компресори або повністю вимкнені, або працюють на зниженій потужності, а теплоносій охолоджується за рахунок теплообміну із зовнішнім повітрям, що знижує енергоспоживання системи в 3-5 разів.

Під час розрахунків енергетичного ефекту виходять із річного температурного профілю регіону. Для технологічних контурів із параметрами вхід/вихід 12/7 °C економія починається за температури зовнішнього повітря нижче 8 °C. У кліматі України це відповідає приблизно 3000-4000 год на рік потенційного режиму фрикулінгу.
Для систем із нижчим рівнем теплоносія, наприклад 8/5 °C, режим природного охолодження можливий приблизно 2000-2500 год на рік, а час, що залишився, – у змішаному режимі з частковим розвантаженням компресора.

Якщо прийняти, що потужність чилера становить 300 кВт холоду, а його середній коефіцієнт енергоефективності (EER) = 3, то споживання електроенергії без фрикулінгу становить близько

_Wбез= 300 / 3 = 100 кВт.

У режимі фрикулінгу споживання обмежується роботою вентиляторів драйкулера і насосів – близько 15-20 кВт. Таким чином, при 3000 год роботи природного охолодження річна економія енергії складе:

ΔW = (100-20) × 3000 = 240 000 кВт × год.

Навіть за вартості електроенергії 8 грн/кВт-год це понад 1 920 000 грн на рік для одного чилера середньої потужності.

Енергетичну ефективність часто виражають через сезонний коефіцієнт SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio). Для звичайних чилерів SEER ≈ 3-3,5, тоді як для систем із фрикулінгом цей показник зростає до 5-6 за рахунок тривалих періодів природного охолодження.

Додатковий ефект досягається зниженням експлуатаційного навантаження на компресори. У разі часткової роботи або повного вимкнення термін служби компресорних секцій збільшується в середньому на 20-30 %, а витрати на сервіс і заміну вузлів зменшуються.

Теплова ефективність драйкулера залежить від різниці температур і витрати повітря. При зниженні температури зовнішнього повітря до -5…0 °C потужність драйкулера може досягати 80-100 % номінальної холодопродуктивності. При цьому енергоспоживання вентиляторів (навіть при частотному регулюванні) не перевищує 10-15 % від споживання компресорного режиму.

Рис. 3 – Зміна температури атмосферного повітря в м. Одеса, за період з 01.06.2021 по 01.06.2022

Рис. 4 – Накопичена сума температур атмосферного повітря в м. Одеса, за період з 01.06.2021 по 01.06.2022

Рис. 5 – Зміна температури атмосферного повітря в м. Києві, за період з 01.06.2021 по 01.06.2022

Рис. 6 – Накопичена сума температур атмосферного повітря в м. Київ, за період з 01.06.2021 по 01.06.2022

Результати кліматичного аналізу, проведеного раніше для Одеси та Києва, можна безпосередньо перенести на діапазон температур, характерних для охолодження полімерних виробництв. Для умов Києва за зовнішньої температури нижче 8 °C спостерігається близько 3800 год на рік, а для Одеси – близько 2700 год. Це означає, що навіть у південних регіонах частка природного охолодження може досягати 40-45 %, а в центральних і північних – 60-70 % від загального часу роботи системи.

Таким чином, застосування фрикулінгу дає змогу:

• знизити річне енергоспоживання системи на 40-60 %;
• збільшити ресурс компресорів і теплообмінників;
• поліпшити загальну сезонну енергоефективність установки.

У розрахунковому вираженні інтеграція фрикулінгу в систему охолодження екструзійних або ливарних ліній окупається в середньому за 1,5-2 роки, після чого експлуатаційні витрати скорочуються пропорційно частці часу природного охолодження.

Впровадження фрикулінгу на виробництвах екструзійного типу і термопластавтоматах базується на принципі інтеграції природного охолодження в наявну систему циркуляції технологічної води. Схема будується таким чином, щоб забезпечити автоматичний перехід між трьома режимами: компресорним, змішаним і природним.

Типове компонування включає холодильний агрегат із водно-гліколевим контуром, драйкулер і гідромодуль із триходовим клапаном. У теплий період весь потік проходить через випарник чилера. Коли температура зовнішнього повітря знижується до розрахункового порога (зазвичай 8… 10 °C), клапан частково направляє потік на драйкулер, забезпечуючи попереднє охолодження. У разі подальшого зниження температури контур повністю перемикається на фрикулінг, а компресори автоматично зупиняються.

В екструзійних лініях охолоджувальна вода використовується для стабілізації температури калібраторів, вакуумних ванн і охолодження шнека. Потік теплоносія розподіляється по колекторах, де підтримується постійна витрата і тиск. Введення фрикулінгу в таку схему виконується на рівні буферної ємності – саме через неї відбувається теплообмін між технологічним контуром і драйкулером, що запобігає коливанню температури під час перемикання режимів.

Для надійності система оснащується двома насосами (робочим і резервним) і регулювальними клапанами із сервоприводами. Сучасні контролери(Carel, Siemens, Dixell, Danfoss) керують вентиляторами драйкулера за частотою, а також регулюють положення триходових клапанів залежно від температури зворотної лінії. Це забезпечує плавний перехід між режимами без стрибків тиску і температури.

Монтаж фрикулінгу може виконуватися як у складі нового обладнання, так і під час модернізації наявних холодильних систем. В останньому випадку найбільш раціональним рішенням є підключення зовнішнього драйкулера паралельно до наявного контуру через додатковий теплообмінник. Така модернізація не потребує втручання в компресорну частину і дає змогу використовувати фрикулінг більшу частину року.

З погляду експлуатації фрикулінг не потребує постійного обслуговування. Єдині критичні вузли – фільтри теплоносія і датчики температури, від точності яких залежить коректність роботи автоматики. Для систем з водно-гліколевими сумішами важливо підтримувати концентрацію гліколю на рівні 30-35 % і контролювати його стан не рідше ніж один раз на рік.

На практиці впровадження фрикулінгу на підприємствах полімерної переробки дає комплексний ефект. Крім зниження енергоспоживання на 40-60 %, зменшується теплове навантаження на компресори, подовжується термін служби обладнання і скорочується кількість сервісних втручань. Особливо вигідний фрікулінг у виробничих циклах, що працюють цілодобово: система стабільно переходить у природний режим у разі зниження температури зовнішнього повітря, забезпечуючи постійну холодопродуктивність без участі персоналу.

У кліматичних умовах України, де середня тривалість холодного періоду становить 5-6 місяців, фрикулінг здатний забезпечувати до 50 % річного часу охолодження технологічної води в екструзійних і ливарних лініях. Це робить його не просто енергоощадним доповненням, а стандартом для сучасних виробничих систем, орієнтованих на зниження експлуатаційних витрат і підвищення надійності технологічного циклу.

Технічно-економічне обґрунтування

Економічна доцільність впровадження фрикулінгу в системах охолодження екструзійних ліній і термопластавтоматів визначається співвідношенням капітальних вкладень і річної економії електроенергії. При цьому ключову роль відіграє кліматична тривалість періоду, коли зовнішня температура дозволяє використовувати природне охолодження.

Для чилера потужністю 300 кВт холоду, оснащеного інтегрованим фрикулінгом, середня додаткова вартість обладнання становить 10-15 % від ціни базового агрегату. В абсолютних цифрах це близько 15-20 тис. євро за загальної вартості установки близько 120-150 тис. євро.
Річна економія енергії, як показано в попередньому розділі, досягає 200-250 МВт-год, що за середньої вартості електроенергії 0,2 €/кВт-год відповідає 40-50 тис. євро на рік. Таким чином, термін окупності системи становить менше ніж один рік у північних і центральних регіонах України та 1-1,5 року – у південних.

У кліматичному розрізі використання фрикулінгу особливо ефективне за середньомісячних температур, нижчих за 10 °C, не менше ніж п’ять місяців на рік. Для Києва, Львова, Харкова чи Дніпра частка природного охолодження перевищує 60 % річного часу, що дає змогу досягти сезонного коефіцієнта енергоефективності SEER ≈ 5,5-6,0. Для Одеси та Миколаєва, де зима м’якша, показник знижується до SEER ≈ 4,5, однак і тут економія електроенергії перевищує 40 %.

Додатковим фактором економічної вигоди є зниження експлуатаційних витрат. За рахунок скорочення годин роботи компресорів ресурс агрегатів зростає на 20-30 %, що зменшує частоту техобслуговування і відкладених ремонтів. При цьому знижується також навантаження на електричну інфраструктуру підприємства – трансформатори і розподільні щити працюють з меншою піковою потужністю, що підвищує надійність і зменшує теплові втрати в мережі.

Фінансова оцінка ефективності може бути виражена через приведену вартість володіння (ПВВ). Для установки без фрикулінгу ПШВ за 5 років експлуатації включає:

_{СПСВВбез} = _Ccapex5 × _Cenergy

Для чилера з фрикулінгом:

_СПСВс = (_Ccapex× 1,15) 5 × (_Cenergy×0,6)

Навіть при збільшенні капітальних витрат на 10 % сумарні витрати за 5 років знижуються приблизно на 35-40 %, що підтверджує високу інвестиційну ефективність.

На практиці підприємства, що використовують обладнання Climaveneta FX-FC, Trane Sintesis E-FC або Daikin EWAD-TZB FC, відзначають реальне зниження витрат електроенергії на охолодження технологічної води на 45-60 % за безперервної експлуатації. У виробничих умовах це еквівалентно економії 700-900 МВт-год за 3 роки та зниженню вуглецевого сліду на десятки тонн CO₂.

Під час проєктування нової системи рекомендується закладати фрикулінг від самого початку – інтегроване рішення обходиться дешевше і компактніше, ніж подальша модернізація. Однак і для наявних ліній модернізація зі встановленням зовнішнього драйкулера окуповується протягом 2-2,5 років, особливо якщо підприємство працює цілодобово і споживає охолоджувальну воду в постійному обсязі.

Таким чином, фрікулінг у виробничих системах полімерної переробки є не просто енергоощадною опцією, а економічно обґрунтованим стандартом, що забезпечує зниження експлуатаційних витрат, зростання надійності та скорочення впливу на енергосистему підприємства.

Висновки

Застосування фрикулінгу в системах охолодження екструзійних ліній і термопластавтоматів являє собою технологічно зрілий і економічно виправданий напрямок підвищення енергоефективності виробничих процесів. Аналіз принципу роботи, конструктивних рішень і кліматичних умов експлуатації показує таке.

1. Технологічна сумісність.
   Температурні рівні охолодження в процесах переробки полімерів (6-20 °C) ідеально відповідають діапазону, за якого можливе використання природного холоду. Це робить фрікулінг максимально ефективним саме для таких виробництв, де потрібне безперервне і стабільне відведення тепла за помірних температур.
2. Енергетична ефективність.
   У кліматичних умовах України системи з фрикулінгом здатні забезпечувати природне охолодження 40… 50 % річного часу, що призводить до зниження споживання електроенергії на ~40 % і підвищення сезонного коефіцієнта енергоефективності SEER до 5,5-6,0.
3. Економічний ефект.
   За середніх капітальних витрат, збільшених на 10-15 %, річна економія енергії повністю компенсує інвестиції протягом 1-2 років. Додатково знижуються експлуатаційні витрати за рахунок подовження ресурсу компресорів і зменшення частоти сервісного обслуговування.
4. Конструктивна гнучкість.
   Фрикулінг може бути реалізовано як у складі нових агрегатів (інтегроване рішення), так і під час модернізації наявних систем зі встановленням зовнішнього драйкулера і проміжного теплообмінника. Другий варіант особливо привабливий для підприємств, де модернізацію обладнання проводять поетапно без зупинки виробництва.
5. Надійність і експлуатація.
   Сучасні системи автоматизації(Carel, Siemens, Johnson Controls, Dixell) забезпечують плавне перемикання між режимами і точну підтримку температури зворотної лінії, що виключає ризики термоколивань і гарантує стабільну роботу технологічних процесів.
6. Екологічний аспект.
   За рахунок зниження споживання електроенергії на сотні мегават-годин на рік зменшуються викиди CO₂, що відповідає сучасним вимогам енергоменеджменту та стандартам ISO 50001.

Загалом, впровадження холодильних систем із фрикулінгом на виробництвах екструзійного та ливарного типу забезпечує потрійний ефект: енергетичну економію, подовження ресурсу обладнання та підвищення стабільності технологічного режиму. В умовах зростаючої вартості електроенергії та посилення норм енергоефективності такі системи стають не додатковим варіантом, а оптимальним стандартом проєктування промислових установок охолодження.

Якщо у вас залишилися питання щодо підбору обладнання – зверніться до фахівців Європром. Ми допоможемо вибрати відповідне рішення і запропонуємо надійні чиллери, представлені в нашому каталозі.

Що ви отримуєте з EVROPROM

Оптимальний підбір чилера під ваші завдання – враховуємо режими роботи, сезонні коливання навантаження, вимоги до надійності та енергоефективності. Допомагаємо вибрати оптимальний тип компресора залежно від специфіки об’єкта.

Технічну експертизу та розрахунки – надаємо порівняння енергоефективності (COP, EER), прогнозуємо експлуатаційні витрати, розраховуємо термін окупності при заміні обладнання.

Актуальне та перевірене обладнання – широкий асортимент чиллерів світових брендів з різними типами компресорів і теплообмінників, адаптованих для промислових, комерційних та інфраструктурних об’єктів.

Зниження витрат на експлуатацію – за рахунок застосування енергоефективних рішень (турбокомпресори, частотне регулювання, оптимізація схеми гідравліки) зменшуємо річне енергоспоживання і скорочуємо витрати на сервіс.

Супровід на всіх етапах – від обстеження діючих систем і проєктування до постачання, монтажу, пусконалагодження та подальшого технічного обслуговування.

Автор статті:
Дмитро Личак, CEO компанії

28.11.2025