Skraplacze chłodzone powietrzem winstalacjach amoniakalnych Alternatywa dlaskraplaczy natryskowo-wyparnych

W przeszłości amoniakalne urządzenia chłodnicze były przeważnie wyposażane w skraplaczenatryskowo-wyparne. Przy obecnym stanie techniki powstaje jednak pytanie: czy skraplaczechłodzone powietrzem są lepszą alternatywą? Jaki wpływ na koszty eksploatacji różnych systemówmają rosnące ceny wody, odprowadzania ścieków i energii? W poniższym opracowaniu pokazano,bazując na wynikach przeprowadzonych badań, w jakich regionach i dla jakich instalacjiamoniakalnych skraplacze chłodzone powietrzem stanowią ekonomiczną alternatywę.

W ciągu ostatnich 30 lat rosły koszty energii elektrycznej, wody i kanalizacji, jednak zmienił się takżestan techniki w chłodniczych instalacjach amoniakalnych.Co się zmieniło?

Budowa sprężarekW odróżnieniu od dawniejszych urządzeń amoniakalnych, obecnie stosuje się coraz więcej sprężarekśrubowych. System smarowania sprężarek śrubowych odprowadza ciepło i dzięki temu temperaturagorących gazów jest znacznie niższa niż w sprężarkach tłokowych. Sprężarki śrubowe w instalacjachamoniakalnych mogą być stosowane w temperaturze skraplania do 50÷55C.

RegulacjaDowolnie programowalna regulacja optymalizuje eksploatację urządzeń. Temperatura skraplaniacelu zaoszczędzenia energii została obniżona do minimalnej dopuszczalnej wartości 20÷25C. W tensposób powstały nowe perspektywy oceny ekonomiczności skraplacza chłodzonego powietrzem.

O ile w skraplaczach natryskowo-wyparnych temperatura skraplania spada proporcjonalnie dotemperatury wilgotnego termometru, o tyle w skraplaczach chłodzonych powietrzem temperaturaskraplania spada proporcjonalnie do temperatury otoczenia, a więc znacznie szybciej. Urządzeniachłodnicze ze skraplaczami chłodzonymi powietrzem osiągają w związku z tym przy temperaturzeotoczenia poniżej 20C niższą temperaturę skraplania niż ze skraplaczami natryskowo-wyparnymi.

Koszty substancji roboczychKoszty energii, wody i odprowadzania ścieków wzrosły i będą dalej wzrastać. W zależności odmiejsca zainstalowania, koszty eksploatacyjne skraplaczy natryskowo-wyparnych mogą być wyższeniż dla skraplaczy chłodzonych powietrzem.

Świadomość ekologicznaChemikalia do uzdatniania wody obciążają środowisko naturalne i nie mogą być odprowadzane dokanalizacji bez oczyszczenia. W wielu regionach występuje deficyt wody pitnej i jest ona kosztowna.

Różne konstrukcje skraplaczy amoniakalnych

Konstrukcje skraplaczy amoniakalnych można podzielić na trzy grupy.

Natryskowo-wyparne

Para czynnika chłodniczego przepływa w zamkniętym układzie gładkorurowego wymiennika ciepła,którego powierzchnia zewnętrzna jest stale zraszana wodą obiegową. Powietrze jest przeciągane lubprzetłaczane przez wymiennik, dzięki czemu następuje ochłodzenie powierzchni wymiennika iczęściowe odparowanie wody. RYS. 1Chłodzenie przez powietrze i odparowanie wody powoduje odprowadzenie ciepła z pary czynnikachłodniczego i prowadzi do skraplania pary tegoż czynnika. Dzięki efektowi odparowania wody zpowierzchni, nawet w wysokiej temperaturze otocze-nia osiąga się temperaturę skraplania czynnikachłodniczego niższą o ok. 10 K niż w skraplaczu chłodzonym powietrzem.Skraplacz natryskowo-wyparny składa się z elementów takich, jak: obudowa, wężownica dlaamoniaku, wentylator, odkraplacz, kolektor rurowy z dyszami do natrysku wody, wanna dla wodynatryskiwanej, tłumik dźwięku (opcjonalnie), wbudowane urządzenie do podgrzewania lub osobnyzbiornik wody z pompą wtórną (na wypadek mrozu).

Do zaopatrzenia skraplacza w wodę chłodzącą potrzebne są: system uzdatniania wody świeżej,chemikalia (biocydy, ochrona antykorozyjna, stabilizator twardości wody), miernik przewodnościelektrycznej, zawór z napędem siłownikowym dla odsalania i odszlamiania.Dostarczanie wody chłodzącej implikuje dodatkowe koszty świeżej wody, kanalizacji, chemikaliów iniezbędnego nadzoru instalacji. Wymagane media eksploatacyjne dla skraplaczanatryskowo-wyparnego to: powietrze, prąd elektryczny, świeża woda, chemikalia, (ścieki).Urządzenia te stanowią największą grupę skraplaczy amoniakalnych.

Hybrydowe

Skraplacz hybrydowy stanowi kombinację skraplacza natryskowo-wyparnego i skraplaczachłodzonego powietrzem.W klasycznym skraplaczu hybrydowym para czynnika chłodniczego przepływa w wymiennikużebrowym. Dzięki dużej powierzchni ożebrowania (podobnie jak w skraplaczu chłodzonympowietrzem), możliwa jest praca skraplacza do pewnej temperatury zewnętrznej (np. 15 st C) bezzraszania powierzchni wodą. Dopiero w wyższej temperaturze otoczenia powierzchnia ożebrowanabędzie zraszana wodą w celu wykorzystania efektu odparowania i uzyskania niskiej temperaturyskraplania. RYS. 2

Dzięki odpowiedniej podaży wody i regulacji obrotów wentylatora, powierzchnia żebrowa może byćtylko częściowo zwilżona i przez to odparowuje tylko tyle wody, ile jest konieczne dla osiągnięciazałożonej temperatury skraplania.

W klasycznym skraplaczu hybrydowym występują trzy stany robocze:

• stan roboczy 1 – przy niskiej temperaturze otoczenia – ochładzanie wymiennika żebrowego zapomocą powietrza suchego.Układ pracuje tak jak skraplacz chłodzony powietrzem;• stan roboczy 2 – przy średniej temperaturze otoczenia – część powierzchni ożebrowanej jestzraszana wodą. Układ pracuje częściowo jako skraplacz chłodzony powietrzem, a częściowo, jakoskraplacz natryskowo-wyparny.• stan roboczy 3 – przy wysokiej temperaturze otoczenia – powierzchnia żebrowa wymiennika jestzraszana w całości. Układ pracuje jako skraplacz natryskowo-wyparny.

Skraplacze hybrydowe zużywają tylko część wody chłodzącej, która jest niezbędna dla skraplaczanatryskowo-wyparnego. Dzięki temu skraplacze hybrydowe mimo wysokich kosztów inwestycyjnych irosnących kosztów zaopatrzenia w wodę oraz usuwania ścieków są coraz bardziej ekonomiczne.

W stanie roboczym 3 osiąga się taką samą temperaturę skraplania jak dla skraplaczanatryskowo-wyparnego.Skraplacz hybrydowy jest zbudowany z elementów takich, jak: wymiennik ciepła z rur ożebrowanych,wentylator, kolektor wodny wraz z rurociągiem wodnym, pompa obiegowa wody zraszającej, wannana wodę zraszającą.Dla uzdatnienia wody konieczny jest taki sam nakład, jak w skraplaczu natryskowo-wyparnym. Niejest potrzebna grzałka do podgrzewania wody podczas mrozów ani dodatkowy zbiornik wodny. Wskraplaczach hybrydowych jeśli wystąpi temperatura otoczenia w granicach od 5 do 10C niepotrzeba zraszania wodnego i woda jest odprowadzana poprzez zawór.Niezbędne media eksploatacyjne dla skraplaczy hybrydowych: powietrze, prąd elektryczny, świeżawoda, chemikalia, (kanalizacja).

Chłodzone powietrzem

Największa część spośród wszystkich instalacji chłodniczych, napełnionych czynnikiem HFC, jestwyposażona w skraplacze chłodzone powietrzem. W ciągu ostatnich 20 lat skraplacze chłodzonepowietrzem były coraz częściej stosowane także w amoniakalnych instalacjach chłodniczych. RYS. 3W skraplaczu chłodzonym powietrzem para czynnika chłodniczego przepływa przez wymiennik z rurżebrowych. Para ta jest tam schładzana i zostaje skroplona. Ciepło skraplania jest odprowadzaneprzez powietrze chłodzące wymiennik. Po ekonomicznym doborze skraplacza temperatura skraplaniamoże być o 10÷12 K wyższa niż temperatura otoczenia.

Skraplacz chłodzony powietrzem jest zbudowany z następujących elementów składowych: obudowa znogami do ustawienia, wymiennik z rur ożebrowanych, wentylatory osiowe. Niezbędne mediaeksploatacyjne to powietrze i prąd elektryczny.

Skraplacz chłodzony powietrzem jest najprostszą konstrukcją spośród wszystkich skraplaczy izawiera mało elementów składowych. Oprócz kosztów napędu wentylatorów, nie występują żadneinne koszty eksploatacyjne.Obok przedstawionych wyżej trzech rodzajów skraplaczy w agregatach amoniakalnych, istnieją takżeinne warianty, np.:

• natryskowo-wyparny z wbudowanym wymiennikiem z rur żebrowych, jako chłodnica wstępnaadiabatyczna,• chłodzone powietrzem z dyszami do natrysku wodnego.

Obecnie wielu wytwórców konstruuje nowe kombinacje mające na celu oszczędności energii, wody iodprowadzania ścieków. Wszystkie systemy z chłodzeniem natryskowo-wyparnym wymagają jednakzaopatrzenia w wodę i związanych z tym urządzeń oraz chemikaliów. Największe zalety posiadasystem, który nie wymaga wody chłodzącej i chemikaliów. Tabela 1

Granice stosowania sprężarek amoniakalnych chłodzonych powietrzem

Temperatura skraplania w ekonomicznie zaprojektowanych skraplaczach chłodzonych powietrzemdla instalacji amoniakalnych jest wyższa o ok. 10÷12C od temperatury otoczenia. Na skutek tego, wekstremalnie wysokiej temperaturze zewnętrznej temperatura skraplania może przekroczyć wartośćdopuszczalną. Podczas projektowania chłodniczych instalacji amoniakalnych ze skrapla-czamichłodzonymi powietrzem należy w związku z tym uwzględniać następujące kryteria:• granice stosowania sprężarek,• profil obciążeń instalacji chłodniczej• maksymalną temperaturę otoczenia w miejscu ustawienia agregatu.

W zależności od temperatury otoczeniaPrzeciętne maksymalne temperatury skraplania amoniaku to:• dla sprężarek tłokowych – 40C,• dla sprężarek tłokowych z chłodzeniem głowicy – 45C,• dla sprężarek śrubowych – 50÷55C.RYS.4

Sprężarki tłokowe są w instalacjach amoniakalnych z reguły stosowane w mniejszych urządzeniach.Dla takich urządzeń racjonalne jest stosowanie skraplaczy chłodzonych powietrzem przy

maksymalnej różnicy między temperaturą otoczenia i skraplania, wynoszącej 10 K.Sprężarki śrubowe są często stosowane w urządzeniach chłodniczych o większej mocy. Aby w takichinstalacjach zapewnić rozsądną liczbę skraplaczy i zająć mała powierzchnię, należy projektowaćskraplacze chłodzone powietrzem dla różnicy temperatury t1 = 10÷12 K.Dodatkowo uwzględnia się 1 K na osadnik oleju, rurociąg i armaturę oraz 1 K na zanieczyszczenieskraplacza. Dla różnych konstrukcji sprężarek zaleca się następujące granice stosowania, dlamaksymalnej temperatury otoczenia w miejscu ustawienia urządzenia:• sprężarki tłokowe – 27C,• sprężarki tłokowe z chłodzeniem głowicy – 32 st C,• sprężarki śrubowe – 35÷40 st C.

W zależności od profilu obciążenia chłodniczegoPodczas projektowania instalacji chłodniczych należy zwrócić uwagę czy urządzenia mają pracowaćze 100-procentową mocą dyspozycyjną przez cały czas moc ta jest zmienna w ciągu doby.Urządzenia dla potrzeb produkcyjnych muszą w każdym momencie być w stanie zapewnić 100%mocy chłodniczej. Stąd skraplacze chłodzone powietrzem mogą być stosowane tylko w regionach,gdzie spełnione są warunki pod względem wyżej podanej maksymalnej temperatury otoczenia. RYS.5Urządzenia chłodnicze mogą w razie potrzeby pracować z różną wydajnością. Przykładowo wzamrażalniach jest możliwa redukcja mocy chłodniczej podczas występowania wysokiej temperaturyotoczenia w ciągu dnia, aby utrzymać maksymalną dopuszczalną temperaturę skraplania. Wysokietemperatury otoczenia występują przez niewiele godzin w ciągu dnia, w związku z tym zamrażalniemogą pracować z wyższą mocą podczas nocy, aby wyrównać deficyt chłodu.Gdy jest możliwa taka praca instalacji chłodniczej, skraplacze chłodzone powietrzem mogą byćstosowane nawet w regionach o temperaturze zewnętrznej przekraczającej 35C. Ponadto silnikinapędzające sprężarki mogą być mniejsze, a na kosztach energii można zaoszczędzić podwójnie –zarówno dzięki produkcji chłodu podczas niskiej temperatury otoczenia i jak i dzięki niższym cenomenergii elektrycznej w godzinach nocnych.

W zależności od regionuW regionach o maksymalnej temperaturze otoczenia 35 st C można stosować bez ograniczeńskraplacze chłodzone powietrzem, we współpracy ze sprężarkami śrubowymi. Gdy temperaturaotoczenia na krótko przekracza 35 st C, konieczna jest na krótki czas redukcja mocy lub zraszaniepowierzchni skraplaczy wodą.Omawiane urządzenia mogą być stosowane w krajach przemysłowych Europy północnej i wschodniejoraz w Ameryce Północnej. Strefa klimatyczna 35 st C znajduje się między równo-leżnikami 45szerokości północnej i południowej. Warunki klimatyczne i temperatury otoczenia zależą jednak odpołożenia i od bliskości morza lub wysokości nad poziomem morza. Przy porównywaniu systemówwymagane jest uwzględnianie maksymalnych temperatur w danej strefie.

Porównanie zużycia energii i kosztów eksploatacji

W celu porównania zużycia energii i kosztów eksploatacyjnych przebadano instalację wzorcową oniżej podanych, często w praktyce występujących parametrach pracy.Założono temperaturę parowania -10C dla instalacji jedno- i dwustopniowej, ponieważ stopieńwysokiego ciśnienia w instalacji dwustopniowej często występuje w temperaturze parowania -10C,a temperatura skraplania wpływa tylko na stopień wysokiego ciśnienia.

Przyjęto maksymalną temperaturę otoczenia, równą +35 st C i różnicę między temperaturąskraplania i temperaturą otoczenia t1 = 12 K. Po uwzględnieniu strat ciśnienia w rurociągu izanieczyszczenia skraplacza, otrzymuje się na-stępujące maksymalne temperatury skraplania na

tłoczeniu sprężarki:

• 37 st C dla urządzenia ze skraplaczem natryskowo-wyparnym,• 49 st C dla urządzenia ze skraplaczem chłodzonym powietrzem.

Do chłodzenia oleju przewiduje się osobną chłodnicę z mieszaniną wody i glikolu. Możnaskompensować część kosztów energii potrzebnej do sprężarki, jeśli zastosuje się odzysk ciepła zobiegu chłodzenia skraplacza (70÷45 C).Podczas porównania kosztów eksploatacyjnych rozpatruje się po pierwsze koszty energetyczne pracysprężarki, a po drugie – koszty skraplacza. Tabela 2, RYS. 6, 7 8

Zużycie energii przez sprężarki chłodnicze

Jeśli występuje wysoka temperatura otoczenia, w skraplaczach natryskowo-wyparnych uzyskuje sięniższą temperaturę skraplania niż w skraplaczach chłodzonych powietrzem. Temperatura skraplaniaw skraplaczach natryskowo-wyparnych spada proporcjonalnie do temperatury wilgotnegotermometru.Temperatura skraplania w skraplaczach chłodzonych powietrzem spada proporcjonalnie dotemperatury otoczenia. Prowadzi to do tego, że w zależności od obc ążenia urządzenia, przytemperaturze otoczenia niższej od 18÷21C w skraplaczach chłodzonych powietrzem możnaosiągnąć niższe temperatury skraplania niż w skraplaczach natryskowo-wyparnych.Aby ocenić zużycie energii w sprężarkach chłodniczych, należy uwzględnić temperaturę skraplania iczas pracy dla różnych temperatur otoczenia.Na rys. 9 pokazano zależność temperatury od godzin pracy w ciągu roku dla miasta Essen (Niemcy).W celu określenia kosztów energii, naniesiono na wykres przebieg temperatury skraplania przy 80%obciążenia instalacji chłodniczej.

Przyjęta dopuszczalna minimalna temperatura skraplania wynosi 25C.

Przez 868 godzin w roku moc napędowa sprężarek ze skraplaczami chłodzonymi powietrzem jestwyższa niż ze skraplaczami natryskowo-wyparnymi.Przez 2557 godzin w roku moc napędowa sprężarek ze skraplaczami chłodzonymi powietrzem jestmniejsza niż ze skraplaczami natryskowo-wyparnymi.Moce napędowe sprężarek przy obydwu sposobach skraplania są przez 5335 godzin w rokujednakowe, gdyż wówczas zostaje osiągnięta minimalna temperatura skraplania.

Gdy pomnożymy moc napędową sprężarek przez odpowiednie godziny pracy, dojdziemy do wniosku,że skraplacz chłodzony powietrzem nie powoduje zwiększona kosztów eksploatacyjnych, wodniesie-niu do rocznego zużycia energii przez sprężarki.

Podczas optymalnej eksploatacji przy temperaturze skraplania tcmin = 20C można nawetzaoszczędzić na kosztach energii, stosując skraplacze chłodzone powietrzem.

Pozostaje tylko pytanie, jakie powstaną dodatkowe koszty przystosowania zasilenia elektrycznego doszczytów poboru mocy podczas gorących okresów roku albo, czy te szczyty poboru możnawyregulować.

Zużycie energii i koszty eksploatacyjne skraplaczy

Zużycie energii i roczne koszty eksploatacyjne określono, jak niżej.

Średnie obciążenia przyjęto, jako:

• 80% przy temperaturze otoczenia 20÷35C,• 70% przy temperaturze otoczenia 11÷19C,• 60 % przy temperaturze otoczenia poniżej 11C.

Po osiągnięciu minimalnej temperatury skraplania równej 25C, liczba obrotów wentylatora wobydwu systemach skraplania będzie regulowana za pomocą przetwornika częstotliwości.

Koszty wynoszą następująco:

• energii elektrycznej – 0,095 EUR//kWh,• wody świeżej – 1,50 EUR//m3,• odprowadzania ścieków – 2,10 EUR//m3,• chemikaliów – 1,00 EUR/m3 (odparowanej wody).

Na rys. 10 pokazano pobór mocy przez wen-tylatory w funkcji temperatury otoczenia w ciągu całego

roku.W górnej części rysunku zestawiono zużycie energii i koszty eksploatacyjne dla różnych temperatur istopni obciążenia. Tabela 3WynikiZużycie energii:• skraplacz natryskowo-wyparny – 284 700 kWh = 100%• skraplacz chłodzony powietrzem – 379 560 kWh = 133%• koszty energii przy skraplaczu chłodzonym powietrzem są o 33% wyższe.

Koszty eksploatacyjne:• skraplacz natryskowo-wyparny – 98 200 EUR,• skraplacz chłodzony powietrzem – 36 058 EUR.

Koszty eksploatacyjne skraplacza natryskowo-wyparnego są w tym przykładzie wyższe i sąokreślone w znacznej części przez koszty wody, odprowadzania ścieków i chemikaliów. W regionach,gdzie są wysokie ceny świeżej wody i odprowadzania ścieków, skraplacze natryskowo-wyparne mająwyższe koszty eksploatacyjne niż skraplacze chłodzone powietrzem. Tabela 4, Tabela 5

Podsumowanie

Skraplacze chłodzone powietrzem w wielu amoniakalnych urządzeniach chłodniczych w EuropiePółnocnej, Ameryce Północnej i częściowo w Azji stanowią interesującą alternatywę dla skraplaczynatryskowo-wyparnych. W związku z rosnącymi cenami wody i odprowadzania ścieków, skraplaczechłodzone powietrzem mają istotne zalety ekonomiczne dzięki niskim kosztom eksploatacyj-nym.Wbrew często występującej opinii, podczas odpowiedniej eksploatacji nie występują wyższe kosztypoboru energii przez sprężarki. Dalsze zalety, to prosty układ i mniejsze koszty obsługi i utrzyma-nia.

Tłumaczył: dr inż. Andrzej Girdwoyń – Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji, PolitechnikaWarszawska

Artykuł został pierwotnie opublikowany w „Die Kälte & Klimatechnik 1/2008”.

mgr inż. Heinz JACKMANN – Güntner AG & Co. KG, Fürstenfeldbruck, Niemcy Podpisy pod rysunkami:

Rys. 1. Skraplacz natryskowo-wyparnyRys. 2. Skraplacz hybrydowyRys. 3. Skraplacz chłodzony powietrzemRys. 4. Maksymalne temperatury otoczeniaRys. 5. Profil obciążeń różnych urządzeń chłodniczych (przykład)Rys. 6. Schemat instalacji amoniakalnej ze skraplaczami chłodzonymi powietrzemRys. 7. Schemat amoniakalnej instalacji chłodniczej ze skraplaczami natryskowo-wyparnymiRys. 8. Przebieg temperatury skraplania w obydwu systemach w zależności od temperaturyotoczenia, temperatury wilgotnego termometru i obciążenia urządzenia chłodniczegoRys. 9. Porównanie zużycia energii przez sprężarki (w ciągu roku, przy obciążeniu 80%)Rys. 10. Porównanie zużycia energii i kosztów eksploatacyjnych w skraplaczach

Źródło: www.chlodnictwoiklimatyzacja.pl

KONTAKT

Chłodnictwo & Klimatyzacja

Tel: +48 22 678 84 94Fax: +48 22 678 84 94Adres:al. Komisji Edukacji Narodowej 9502-777 Warszawa

http://www.klimatyzacja.pl/wizytowka-firmy/id/481http://www.klimatyzacja.pl/wizytowka-firmy/id/481