05 grudnia 2023

Minimalna pojemność instalacji chłodzenia procesowego – od czego zależy i jaki ma wpływ na pracę chillera?

Systemy chłodzenia procesowego bazujące na źródle chłodu w postaci chillera wymagają transportu energii cieplnej za pomocą odpowiednio dobranego medium, którym najczęściej jest woda lub mieszanka wodno-glikolowa. Wybór rodzaju medium jest nierzadko podyktowany lokalizacją samego źródła chłodu oraz jego parametrami pracy i tak w przypadku posadowienia na zewnątrz budynku, należy zabezpieczyć instalację przed ryzykiem zamarznięcia. Właśnie z tego powodu stosujemy czynniki przystosowane do ujemnych temperatur w sezonie zimowym pomimo, że ciepło właściwe takiego medium jest najczęściej niższe niż dla wody, a sam czynnik jest droższy w zakupie. W niniejszej publikacji wyjaśnimy od czego zależy pojemność instalacji chłodzenia procesowego i jaki ma wpływ na pracę chillera ? 

 

 

Wybór medium – jakie to ma znaczenie?

 

Na rynku dostępnych jest wiele różnych płynów, które mogą transportować energię cieplną od źródła chłodu do jego odbiorników końcowych z określoną przewodnością cieplną. Na etapie wyboru właściwego czynnika poza zdolnością do przewodzenia ciepła, należy wziąć pod uwagę takie parametry jak:

 

  • punkt krzepnięcia,

  • gęstość

  • ciepło właściwe,

  • lepkość kinematyczna,

  • toksyczność,

  • koszt jednostkowy.

 

Tylko szczegółowa analiza wszystkich aspektów umożliwia wybór najbardziej optymalnego rozwiązania. Przeanalizujmy więc parametry fizyczne dla trzech, często stosowanych płynów w instalacjach chłodzenia procesowego.

Aby wyznaczyć szacunkową pojemność instalacji chłodzenia procesowego (pojemność rurociągów zasilających i powrotnych pomiędzy źródłem chłodu, a odbiornikiem końcowym) przyjmijmy następujące założenia:

 

  • moc chłodnicza źródła: 120 kW

  • parametry pracy: 6/12°C

  • odbiornik chłodu: wymiennik technologiczny

  • sumaryczna długość rurociągów: 100 m

 

 

Na podstawie dobranych optymalnie średnic rurociągów możemy wyznaczyć niezbędną ilość czynnika do napełnienia instalacji w każdym z wariantów:

 

  • woda: 514 litrów,

  • glikol etylenowy - 30% wag.: 871 litrów,

  • glikol propolenowy - 40% wag.: 871 litrów.

 

Woda posiada wiele zalet takich jak ciepło właściwe, dostępność i niski koszt jednostkowy, dzięki którym jest czynnikiem pierwszego wyboru w wodnych instalacjach chłodzenia procesowego, dla których parametr pracy nie wymaga ujemnych temperatur. Ponadto takie rozwiązanie wymaga posadowienia źródła chłodu wewnątrz budynku lub odpowiedniego zabezpieczenia rurociągów na zewnątrz.

 

W przypadku kiedy wymagana jest temperatura zasilania poniżej 0°C, jesteśmy zobligowani do zastąpienia wody innym medium o parametrach dopuszczających ujemne temperatury czynnika. Poza możliwością stosowania alternatywnych czynników w ujemnych temperaturach, takie rozwiązanie posiada również swoje wady takie jak:

 

  • niższe ciepło właściwe,

  • większa lepkość kinematyczna,

  • wyższy koszt jednostkowy,

  • toksyczność (glikol etylenowy).

 

Zamiana wody na glikol etylenowy o stężeniu wagowym równym 30% w instalacji chłodzenia procesowego o wydajności 120 kW i sumarycznej długości rurociągów 100 m spowoduje konieczność zwiększenia średnicy rurociągów z DN80 na DN100, a to zwiększy pojemność instalacji aż o 70%. Jest to spowodowane mniejszą o 13% wartością ciepła właściwego, co wymusza konieczność zwiększenia przepływu o 9%. Większy przepływ oraz większa wartość lepkości kinematycznej wpływają na zwiększone opory, co wymusza zastosowanie większej średnicy rurociągów.

 

Jeśli natomiast w instalacji chłodzenia procesowego występuje konieczność obniżenia temperatury medium poniżej 0°C, a jednocześnie wykluczone jest zastosowanie toksycznych czynników (np. branża spożywcza), to alternatywą może być zastosowanie glikolu propylenowego o odpowiednio dobranym stężeniu. W tym konkretnym przypadku taka zamiana spowoduje również konieczność zwiększenia średnicy rurociągów z DN80 na DN100, a zwiększenie objętości instalacji będzie na tym samym poziomie, co w przypadku glikolu etylenowego. Minusem takiego rozwiązania będą większe opory w porównaniu do glikolu etylenowego, co przełoży się z pewnością na wyższe koszty eksploatacyjne.

 

Pojemność minimalna instalacji – od czego zależy?

 

Jeśli potrafimy już poprawnie wyliczyć pojemność instalacji chłodzenia procesowego, to kolejnym krokiem powinna być weryfikacja, czy ta wartość jest odpowiednia dla poprawnej pracy chillera. W przypadku chillerów procesowych, bardzo częstym rozwiązaniem producentów jest wbudowanie zbiornika buforowego w agregat chłodniczy, co pozwala zwiększyć sumaryczną pojemność instalacji chłodzenia procesowego. Im większa wydajność chillera, tym większy jest stosowany zbiornik buforowy wewnątrz urządzenia. Zbiornik taki jest w pewnym sensie magazynem chłodu dla instalacji i zapewnia minimalną przerwę w pracy agregatu pomiędzy jego kolejnymi załączeniami. Jest to szczególnie istotne tam gdzie, mamy do czynienia ze znacznym stopniem cykliczności pracy urządzenia chłodniczego. Minimalne przerwy w pracy chillera są określane przez producenta i wynoszą najczęściej kilka minut. Jest to związane z koniecznością zapewnienia poprawnej pracy układu odolejania w agregacie chłodniczym. W poniższej tabeli znajdziemy przykładowe wyliczenia minimalnej pojemności instalacji chłodzenia procesowego dla różnych wydajności chillera oraz minimalnych czasów jego postoju:

 

 

Na podstawie zaprezentowanej tabeli, możemy zaobserwować dwie zależności. Pierwsza – im większa minimalna moc chłodnicza agregatu, tym większa jest wymagana pojemność sumaryczna instalacji chłodzenia procesowego, co znajduje potwierdzenie w wielkości stosowanych zbiorników buforowych, które są wbudowane w chiller. Druga – im dłuższy wymagany czas postoju chillera, tym również większa jest wymagana pojemność instalacji. O ile minimalna wydajność chłodnicza jest dosyć prosta do określenia na podstawie typu chillera (ON/OFF lub inwerterowy) oraz ilości sprężarek w urządzeniu, to minimalny czas postoju agregatu nie jest już wartością tak oczywistą.

 

Bardzo często nie znajdziemy takiej informacji w podstawowych danych technicznych nt. urządzenia. Dlatego bardzo istotnym jest, aby taką informację pozyskać od producenta na etapie projektowania instalacji chłodzenia procesowego lub przed wymianą urządzenia na nowe. Może się to wiązać z koniecznością dołożenia dodatkowego zbiornika buforowego po stronie instalacji o brakującej dla poprawnego funkcjonowania instalacji pojemności.

 

 

Podsumowanie – konsekwencje zbyt małej pojemności instalacji

 

Instalacje chłodzenia procesowego w każdej branży są kluczowym elementem funkcjonowania przedsiębiorstw, dlatego zrozumienie poszczególnych czynników determinujących niezawodną pracę systemu chłodniczego, powinno być najwyższym priorytetem. Agregaty wody lodowej są urządzeniami, które posiadają szereg określonych wymagań, które należy spełnić, aby urządzenie działało w sposób bezawaryjny. Jednym z takich aspektów jest minimalna pojemność instalacji gwarantująca określone przez producenta wymagane przerwy pomiędzy kolejnymi załączeniami chillera. W przypadku zbyt małej objętości instalacji chłodzenia procesowego wystąpią okresowe problemy w układzie odolejania, co będzie następnie skutkowało wymuszonymi przerwami w pracy agregatu wody lodowej. Takie często występujące stany awaryjne doprowadzą w konsekwencji do wymiernych strat wskutek zakłóceń procesów technologicznych w przedsiębiorstwie. Dlatego tak bardzo istotnym jest, aby już na etapie doboru chillera rozważyć konieczność zwiększenia pojemności instalacji chłodzenia procesowego poprzez dołożenie dodatkowego zbiornika buforowego.

 

Należy jednak pamiętać również, że zwiększenie pojemności instalacji zgodnie z wytycznymi producenta chillera może wiązać się również z koniecznością modernizacji układu stabilizacji ciśnienia, co zostanie szerzej omówione w osobnej publikacji. Istnieje również rozwiązanie, które będzie gwarantowało prawidłową pracę chillera, pomimo niewystarczającej pojemności instalacji chłodzenia procesowego. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu magazynów chłodu typu zmiennofazowego, jakimi są coraz powszechniej stosowane tzw. „ICE Banki”. W zależności od stopnia zmrożenia wody, pojemność banku lodu może być nawet kilkukrotnie mniejsza niż w przypadku zbiornika buforowego, co w przypadku bardziej rozbudowanych systemów może mieć kluczowe znaczenie z uwagi na wymaganą przestrzeń do instalacji. Takie rozwiązanie również, oprócz funkcji okresowego wsparcia wydajności źródła chłodu posiada sporo innych zalet, dlatego będzie również przedmiotem osobnej publikacji.  

 

Podsumowując, tylko precyzyjna analiza wymagań instalacji chłodzenia procesowego może zagwarantować niezawodność procesów technologicznych w przedsiębiorstwie, a konkretne rozwiązania dedykowane dla określonych sektorów przemysłu prezentujemy na stronie www.chlodzenie-procesowe.pl.

 

<<< Powrót do strony głównej >>>