W jaki sposób obniżyć zużycie energii elektrycznej do celów chłodzenia procesowego w branży przetwórstwa tworzyw sztucznych?

Chłodzenie procesowe w branży przetwórstwa tworzyw sztucznych jest jednym z najbardziej energochłonnych systemów produkcyjnych, dlatego tak bardzo ważne jest zrozumienie, że ilość pobieranej energii elektrycznej do pracy źródła chłodu (np. chiller), nie zależy tylko od typu i wielkości zainstalowanego urządzenia chłodniczego, ale w znacznym stopniu jest uwarunkowana zastosowanymi rozwiązaniami po stronie instalacji chłodzenia procesowego. W niniejszym artykule skupimy się na analizie porównawczej dwóch systemów chłodzenia procesowego wtryskarek o równym zapotrzebowaniu na chłód oraz wyposażonych w identyczne urządzenia po stronie źródła chłodu.

Wzrost cen energii wymusza szybkie zmiany w przemyśle

W obliczu rosnących cen energii elektrycznej, celem nadrzędnym obecnie dla wielu firm stało się ograniczenie rocznego zużycia energii pobieranej od OSD, a tym samym kosztów eksploatacyjnych systemu chłodzenia procesowego. To jest kluczowym warunkiem uzyskania zadawalających wyników finansowych przedsiębiorstw. Istnieje co najmniej kilka sposobów osiągnięcia tego celu, ale do najistotniejszych możemy zaliczyć:

• zwiększenie efektywności energetycznej urządzeń chłodniczych poprzez ich wymianę na technologicznie bardziej zaawansowane urządzenia (wyposażone w sprężarki, wentylatory i pompy inwerterowe, zaawansowaną automatykę sterującą i pracujące na czynnikach ekologicznych np. R454B),

• zwiększenie udziału zielonej energii elektrycznej z OZE dla pokrycia całkowitego bilansu energetycznego przedsiębiorstwa (instalacje PV, turbiny wiatrowe, biogazownie),

• modyfikacja systemu rozliczania kosztów energii z dostawcą na bazie wykorzystania zmienności cen energii w ciągu doby oraz opcji magazynowania energii,

• modyfikacja instalacji chłodzenia procesowego bez znaczącej ingerencji w układ.

W niniejszej publikacji z uwagi na fakt, iż pierwsze trzy opcje wymagają większych nakładów inwestycyjnych, skupimy się tylko na ostatniej możliwości, czyli na optymalizacji istniejącego systemu chłodzenia procesowego. W praktyce zdecydowana większość istniejących instalacji w branży przetwórstwa tworzyw sztucznych posiada potencjał do ich usprawnienia, nie wymagając przy tym znacznych nakładów inwestycyjnych. Jest to najszersza i jednocześnie najłatwiejsza droga do uzyskania oszczędności energii. Optymalizacja powinna być kompleksowa, zarówno w zakresie źródła chłodu, systemu dystrybucyjnego oraz samych odbiorników końcowych.

Model instalacji chłodzenia procesowego

W branży przetwórstwa tworzyw sztucznych instalacja chłodzenia procesowego służy jak sama nazwa wskazuje do odbierania ciepła z procesów technologicznych w określonych miejscach takich jak: wtryskarki, wytłaczarki czy też inne maszyny np. do formowania arkuszy z tworzywa sztucznego przez rozdmuchiwanie. Bardzo często stosowane są urządzenia technologiczne, o szerokim zapotrzebowaniu na chłód i zróżnicowanych oporach hydraulicznych. Dodatkowo urządzenia te bardzo często eksploatowane są w określonych przedziałach czasowych w ciągu dnia. Analizowany model instalacji chłodzenia procesowego do celów odbierania ciepła z wtryskarek pracuje na następujących parametrach:

• moc chłodnicza instalacji: 120 kW,

• parametry pracy: 7/12°C,

• medium: woda

Jako źródło chłodu przewidziano chiller o nominalnej wydajności chłodniczej równej 120 kW. Jego deklarowany przez producenta współczynnik sezonowej efektywności SEPR wynosi 5.30.

Wariant I – instalacja chłodzenia procesowego bez zaworów równoważąco-regulacyjnych

Najprostszą opcją jest podłączenie wtryskarek siecią rurociągów o odpowiednich średnicach do chillera i zasilenie instalacji wodą lodową o wymaganych parametrach. Jest to rozwiązanie bardzo często spotykane w wielu zakładach przetwórstwa tworzyw sztucznych. Niestety nawet pomimo zastosowania właściwych średnic rurociągów wystąpią w takim przypadku problemy z zapewnieniem wydajności chłodniczej na niektórych urządzeniach, co może przyczynić się do spowolnienia procesów produkcyjnych bądź ich awaryjnego zatrzymania.

Głównym powodem takiej sytuacji będzie brak zrównoważenia hydraulicznego instalacji, który spowoduje okresowe występowanie nadprzepływów w określonych miejscach o obniżonym oporze hydraulicznym. Taka sytuacja z pewnością będzie występowała w przypadku maksymalnego obciążenia instalacji procesowej. W przypadku niejednoczesnej pracy wszystkich wtryskarek, problem z wydajnością chłodniczą poszczególnych obiegów nie wystąpi, co nie oznacza optymalnej eksploatacji systemu chłodzenia procesowego. Takim najlepszym wskaźnikiem, czy instalacja pracuje optymalnie jest rejestr pomiarów temperatury czynnika chłodniczego powracającego do chillera.

Po szybkiej analizie i wyznaczeniu średniej temperatury powrotu w ciągu roku okazuje się często, że pomimo obliczeniowych parametrów pracy chillera na poziomie 7/12°C, do agregatu wody lodowej dopływa czynnik o średnio-rocznej temperaturze równej 7.7°C. Opomiarowana instalacja wskazuje na roczną ilość wyprodukowanego chłodu na poziomie 150 MWh przy jednoczesnym zużyciu energii elektrycznej w ilości 40 MWh, co daje nam rzeczywistą sezonową sprawność chillera na poziomie 3.8. Roczny koszt eksploatacji takiego systemu wyniesie 24 tys. PLN, a emisja pośrednia CO₂ będzie na poziomie 26.3 ton. 

Wariant II – instalacja chłodzenia procesowego z zaworami równoważąco-regulacyjnymi i siłownikami

Wyposażenie instalacji chłodzenia procesowego we właściwe zawory równoważąco-regulacyjne wraz z króćcami pomiarowymi oraz przystosowane do montażu siłowników, umożliwia precyzyjne ustawienie wymaganych przepływów obliczeniowych w każdym z obiegów chłodniczych. Dzięki temu w sytuacji maksymalnego zapotrzebowania na chłód unikniemy sytuacji, w której określona część wtryskarek pracowałaby w sposób nieprawidłowy z uwagi na zbyt niski przepływ czynnika chłodniczego. Ponadto zastosowanie dedykowanych siłowników ON/OFF umożliwi odcięcie obiegów w momencie ich postoju tak, aby niepotrzebnie pompować medium chłodzące przez urządzenie wyłączone z pracy, co skutkowałoby obniżeniem temperatury powrotu czynnika do chillera. Jest to niezbędne rozwiązanie dla właściwego funkcjonowania instalacji chłodzenia wtryskarek, które pracują w określonych przedziałach czasowych doby.

Natomiast jeśli dodatkowo zmienia się również wydajność produkcyjna tych urządzeń w trakcie pracy, a co za tym idzie zapotrzebowanie na chłód, to konieczne jest zastosowanie zaworów równoważąco-regulacyjnych wraz z siłownikami przystosowanymi do regulacji płynnej. Nie mniej istotnym od zastosowania takich zaworów wraz z siłownikami jest samo ustawienie właściwych przepływów na zaworach w oparciu o rzeczywiste pomiary. W praktyce jeśli na obiekcie są jakieś zawory równoważące, to bardzo często nie mają króćców pomiarowych do weryfikacji rzeczywistego przepływu, a same wykonanie nastaw bez pomiarów kontrolnych na nich nie gwarantują optymalnej pracy instalacji. Dlatego właśnie wykonanie wszystkich omówionych powyżej czynności w sposób precyzyjny pozwoli osiągnąć optymalne parametry pracy instalacji oraz samego chillera.

W omawianym przykładzie wyprodukowanie chłodu w ilości 150 MWh wymagało zużycia energii elektrycznej na poziomie 30 MWh, co podnosi rzeczywistą, sezonową sprawność chillera do wartości 5.0. Roczny koszt eksploatacji takiego systemu wyniesie 18 tys. PLN, a emisja pośrednia CO₂ będzie na poziomie 19.7 ton. 

Podsumowanie – kompleksowa optymalizacja instalacji chłodzenia procesowego

Podstawowym elementem instalacji chłodzenia procesowego w branży przetwórstwa tworzyw sztucznych jest źródło chłodu, które odpowiada na największą część zużycia energii elektrycznej. Dlatego taki parametr deklarowany przez producenta jak jego sezonowa sprawność SEPR jest istotna z punktu widzenia przyszłych kosztów eksploatacyjnych. Natomiast należy podkreślić, iż wartość ta została określona na podstawie fabrycznych testów w określonych warunkach laboratoryjnych, co w przypadku pracy urządzenia w instalacji o innej charakterystyce, nie znajdzie pokrycia w zakresie poziomu energochłonności.

W niniejszym artykule omówiono tylko jeden z kluczowych czynników mający bardzo ważny wpływ na roczne koszty funkcjonowania instalacji chłodzenia procesowego – t.j. średnio-roczna temperatura powrotu, wynikająca z wielkości przepływu czynnika chłodniczego przez odbiorniki takie jak wtryskarki. Im wyższa wartość temperatury powrotu, tym urządzenie pracuje z większą efektywnością. Dlatego tak bardzo ważne jest, aby rejestrować i analizować w sposób ciągły zmianę tego parametru. W innym przypadku, podejmując decyzję o zakupie kosztownego urządzenia chłodniczego o wysokim współczynniku SEPR, możemy niestety uzyskać zdecydowanie wyższe niż oczekiwano zużycie energii elektrycznej dla potrzeb chłodzenia i nie będzie to wynikało z konstrukcji samego urządzenia, lecz ze specyfiki pracy instalacji.

W analizowanym przykładzie przy zastosowaniu identycznego chillera zauważamy, że jego roczne zużycie energii elektrycznej spadło o 25% z uwagi na prawidłowe ustawienie wartości przepływów we wszystkich obiegach wtryskarek oraz dzięki możliwości odcięcia przepływu w momencie wyłączenia poszczególnych urządzeń. Prawidłowe zrównoważenie hydrauliczne instalacji wymaga dużego doświadczenia i głębokiej wiedzy w tym zakresie, co jest główną barierą dla procesu inwestycyjnego. Należy pamiętać również o zapewnieniu rozwiązania gwarantującego uzyskanie minimalnych wartości przepływu przez chiller tak, aby uniknąć wystąpienia stanów alarmowych.

Podsumowując, tylko kompleksowa optymalizacja instalacji chłodzenia procesowego może zagwarantować obniżenie kosztów produkcji w branży przetwórstwa tworzyw sztucznych, a konkretne rozwiązania dedykowane dla określonych sektorów przemysłu prezentujemy na stronie www.chlodzenie-procesowe.pl.

<<< Powrót do strony głównej >>>