07 grudnia 2023

Jak skutecznie zredukować koszty pompowania w instalacji chłodzenia procesowego dla potrzeb branży spożywczej?

Koszty eksploatacyjne instalacji chłodzenia procesowego w branży spożywczej związane są głównie z ilością energii niezbędnej do pracy źródła chłodu (np. chillera) oraz pomp obiegowych wymuszających przepływ czynnika chłodniczego do odbiorników końcowych, którymi mogą być specjalne wymienniki ciepła. W niniejszej publikacji skupimy się wyłącznie na omówieniu zagadnienia energochłonności pomp obiegowych zależnie od rodzaju zastosowanej pompy oraz charakterystyki instalacji chłodzenia procesowego. Przedstawiona analiza porównawcza potwierdza bardzo duży potencjał dla redukcji kosztów eksploatacyjnych z uwagi na ograniczenie ilości zużywanej energii elektrycznej w wyniku zapewnienia warunków optymalnej pracy dla pompy obiegowej.

 

 

Od czego zależą koszty pompowania?

 

Na rynku mamy dosyć szeroką ofertę pomp obiegowych o różnej konstrukcji i przeznaczeniu. W treści tego artykułu skupimy się tylko i wyłącznie na pompach, których zadaniem jest tłoczenie czynnika chłodniczego w postaci najczęściej wody lub mieszanki wodno-glikolowej. Według różnych źródeł koszty pompowania stanowią od 15% do 20% sumarycznych kosztów eksploatacyjnych systemów chłodniczych, więc są istotną składową kosztów operacyjnych wielu przedsiębiorstw w branży spożywczej. Koszty pompowania zależą m.in. od:

 

  • wielkości przepływu czynnika, który jest wymuszony pracą pompy, 

  • wartości wysokości podnoszenia, wymaganej dla uzyskania właściwego przepływu,

  • sprawności pompy obiegowej w punkcie jej pracy.

 

Należy pamiętać, iż pierwsze dwa parametry są ściśle ze sobą powiązane, ponieważ wzrost przepływu czynnika w instalacji chłodzenia procesowego, powoduje automatycznie większe opory po stronie instalacji, co w praktyce wymaga wyższej wartości wysokości podnoszenia pompy. Jeszcze ważniejsze jest zrozumienie, że ta zależność nie jest liniowa, ale w funkcji kwadratowej i przykładowo wzrost przepływu o 25% wymaga zwiększenia wysokości podnoszenia pompy o 56%. Przy utrzymaniu sprawności pompy na tym samym poziomie, zwiększenie przepływu o 25% wpłynie na dwukrotny wzrost kosztów pompowania. Dlatego tak bardzo istotnym jest, aby pompy obiegowe wbudowane w moduł hydrauliczny chillera lub jako oddzielny element instalacji pracowały w optymalnym punkcie pracy gwarantującym uzyskanie właściwych wydajności instalacji chłodzenia procesowego przy jednoczesnym zminimalizowaniu ilości energii elektrycznej niezbędnej do ich pracy.

 

 

Model instalacji chłodzenia procesowego

 

W szeroko pojętej branży spożywczej instalacja chłodzenia procesowego służy do zapewnienia wymaganych warunków temperaturowych dla potrzeb produkcyjnych w określonych miejscach takich jak np. : pasteryzatory - stosowane w przetwórstwie mleczarskim, specjalne wanny do chłodzenia immersyjnego – stosowane w przemyśle mięsnym, drobiarskim i rybnym oraz inne wymienniki ciepła o specjalnej konstrukcji – stosowane w branży przetwórstwa owocowo-warzywnego oraz zakładach piekarniczo-cukierniczych.

 

Wymienione przykładowe urządzenia technologiczne, o szerokim zapotrzebowaniu na chłód i zróżnicowanych oporach hydraulicznych wymagają precyzyjnego przepływu czynnika chłodniczego w określonych przedziałach czasowych w ciągu doby. Analizowany model instalacji chłodzenia procesowego w branży spożywczej pracuje na następujących parametrach:

 

  • moc chłodnicza instalacji: 120 kW,

  • wymagany przepływ: 17 m3/h,

  • wymagana wysokość podnoszenia: 1.5 bara,

  • medium: woda

 

Jako źródło chłodu przewidziano chiller o nominalnej wydajności chłodniczej równej 120 kW, wyposażony w moduł hydrauliczny z pompą obiegową stałoobrotową w wariancie I oraz pompą zmiennoobrotową VSD (Variable Speed Drive) w wariancie II.

 

 

 

 

Wariant I – instalacja chłodzenia procesowego bez równoważenia hydraulicznego z pompą stałoobrotową

 

Często stosowanym rozwiązaniem jest zasilenie instalacji chłodzenia procesowego chillerem z modułem hydraulicznym w postaci pompy obiegowej stałoobrotowej i doprowadzenie czynnika chłodniczego o wymaganych parametrach siecią rurociągów do odbiorników chłodu. W tego typu instalacji występują najczęściej jeszcze ręczne zawory odcinające, umożliwiające wykonanie czynności serwisowych lub wymianę urządzeń w przypadku awarii. Jest to najprostsza opcja, niewymagająca znacznych nakładów inwestycyjnych oraz specjalistycznej wiedzy do wykonania takiej instalacji.

 

Niestety na tym kończą się jej zalety, a występujące niedoskonałości wpływają istotnie na zwiększenie kosztów eksploatacyjnych systemu chłodniczego. Cechą charakterystyczną dla pomp obiegowych o stałoobrotowej charakterystyce jest to, że punkt pracy pompy występuje w miejscu przecięcia się charakterystyk pompy oraz instalacji, w której będzie ona pracowała. W zdecydowanej większości przypadków rzeczywisty punkt pracy pompy występuje poza wymaganymi parametrami instalacji, a to powoduje pracę pompy ze zwiększonym przepływem i wysokością podnoszenia.

 

W analizowanym modelu nadwyżka przepływu będzie wynosiła 4 m3/h, ale będzie to związane z dwukrotnie wyższą wartością wysokości podnoszenia (3 bary zamiast 1.5 bara). Roczne zużycie energii przez pompę obiegową pracującą w takiej instalacji wyniesie 15.4 MWh, co przełoży się na roczne koszty eksploatacyjne na poziomie 9.2 tys PLN.

 

 

Wariant II – instalacja chłodzenia procesowego zrównoważona hydraulicznie z pompą obiegową VSD

 

Alternatywą dla najprostszej wersji chłodzenia procesowego jest instalacja wyposażona w bardziej zaawansowany technologicznie agregat wody lodowej również z modułem hydraulicznym, ale z pompą obiegową zmiennoobrotową. Takie rozwiązanie umożliwia ustawienie punktu pracy pompy dokładnie w miejscu zapotrzebowania naszej instalacji. Aby tak się stało, powinniśmy jeszcze doposażyć instalację w ręczne zawory równoważące z króćcami pomiarowymi, które umożliwią weryfikację rzeczywistych wartości przepływów przy samym chillerze oraz na poszczególnych obiegach technologicznych. Jest to bardzo istotne z punktu widzenia optymalizacji kosztów pompowania w instalacji chłodzenia procesowego.

 

Pompy obiegowe zmiennobrotowe najczęściej dają możliwość wyboru co najmniej kilku wariantów trybu pracy, ale najbezpieczniejszym i gwarantującym bezpieczeństwo funkcjonowania instalacji jest tryb dp-c, czyli tryb stałego ciśnienia różnicowego. W prezentowanym modelu pompa obiegowa została ustawiona na wartość wysokości podnoszenia na poziomie 1.5 bara, a zmierzony na głównym zaworze równoważącym przepływ wyniósł 17 m3/h. Roczne zapotrzebowanie na energię elektryczną do celów zasilania pompy obiegowej spadło do poziomu 6.3 MWh, co wpłynęło bezpośrednio na obniżenie kosztów eksploatacyjnych o prawie 60% do wartości 3.8 tys PLN.

 

To są wymierne oszczędności uzyskane tylko z tytułu obniżenia kosztów pompowania, a należy jeszcze pamiętać o tym, że w przypadku niepotrzebnie zwiększonego przepływu obniżamy jednocześnie temperaturę powrotu czynnika do źródła chłodu, co pogarsza jego sprawność. Koszt dodatkowych elementów instalacji to mniej niż 1% wartości całego systemu chłodniczego, co pozwala na uzyskanie bardzo krótkiego czasu zwrotu z inwestycji.

 

 

Podsumowanie – precyzyjna optymalizacja instalacji chłodzenia procesowego

 

Instalacje chłodzenia procesowego w branży spożywczej cechuje konieczność zapewnienia wysokiego poziomu niezawodności oraz wymaganej precyzji parametrów pracy różnych urządzeń technologicznych. Jest to najwyższy priorytet dla działu technicznego w każdym przedsiębiorstwie. Dotyczy to nie tylko branży spożywczej, ale również innych gdzie występują instalacje chłodzenia procesowego.

 

Ponadto w ostatnich latach obserwuje się zauważalny trend wzmożonej aktywności inwestorów w kierunku poszukiwania sprawdzonych rozwiązań gwarantujących wzrost efektywności energetycznej instalacji. Z jednej strony jest to proces naturalnie stymulowany wzrostem cen energii, a z drugiej strony jest to wielka szansa dla zbudowania przewagi konkurencyjnej dzięki wdrożeniu innowacyjnych rozwiązań inżynierskich. Dodatkowym bodźcem stymulującym jest niewątpliwie możliwość pozyskania znacznych środków z programów unijnych na dofinansowanie realizacji takich przedsięwzięć.

 

Zagadnienia związane z hydrauliką instalacji chłodzenia procesowego są ciągle kwestią niszową i bardzo często pomijaną w procesach modernizacyjnych przedsiębiorstw, co może wynikać ze znacznego stopnia skomplikowania tematu, wymagającego szerokiej wiedzy technicznej i wieloletniej praktyki inżynierskiej w tym zakresie. Niewątpliwie jest to kluczowy obszar dla optymalizacji kosztów eksploatacyjnych, co zostało wykazane w niniejszej publikacji. W trakcie procesu modernizacji systemu chłodniczego w przedsiębiorstwie warto swoją uwagę skupić nie tylko na głównym urządzeniu, którym jest źródło chłodu dla całego systemu, ale spojrzeć nieco szerzej na całą instalację chłodzenia procesowego. Takie elementy jak pompy obiegowe zawory równoważące i regulacyjne wraz z siłownikami, zbiorniki buforowe i inne, powinny być przedmiotem szczególnej uwagi. Ich brak lub nieprawidłowe zwymiarowanie, czy też brak optymalnych nastaw determinują warunki pracy samego chillera i wpływają na zwiększone koszty eksploatacyjne systemów chłodniczych oraz zwiększają znacząco ryzyko wystąpienia stanów awaryjnych, które przynoszą wymierne straty w przedsiębiorstwie.

 

Podsumowując, tylko precyzyjna optymalizacja instalacji chłodzenia procesowego może zagwarantować obniżenie kosztów produkcji w szeroko pojętej branży spożywczej, a konkretne rozwiązania dedykowane dla określonych sektorów przemysłu prezentujemy na stronie www.chlodzenie-procesowe.pl.

 

<<< Powrót do strony głównej >>>