Żadna instalacja chłodnicza nie działałaby bez wymienników ciepła. Są one konieczne do przeniesienia ciepła z pomieszczeń chodzonych do otoczenia. W każdej instalacji mamy co najmniej dwa wymienniki: skraplacz i parownik.

Oprócz tego spotkamy się z innymi, dodatkowymi wymiennikami ciepła, bezpośrednio potrzebnymi do przenoszenia ciepła z pomieszczeń chłodzonych do otoczenia, typu np. chłodnice międzystopniowe, jak i wymiennikami służącymi do odprowadzenia dodatkowego ciepła powstałego w trakcie pracy, np. chłodnice oleju.

Zasada działania wymiennika ciepła

Co takiego robi wymiennik ciepła? Jaka jest zasada jego działania? Każdy wymiennik ciepła przenosi ciepło między dwoma mediami. Ciepło przepływa zawsze z medium cieplejszego do medium zimniejszego. Wymiennik ciepła działa więc tylko wtedy, gdy mamy różnicę temperatury między mediami. Jeśli jej nie ma, a więc media mają dokładnie taką samą temperaturę, nie zachodzi proces przeniesienia ciepła, a wymiennik ciepła nie działa. Trzeba też zawsze pamiętać o kierunku działania – zawsze od cieplejszego medium do zimniejszego medium. Czy na tym się kończy zastosowanie wymienników? I tak, i nie. Tak, ponieważ taka jest funkcja każdego wymiennika ciepła. Nie, ponieważ w trakcie przekazywania ciepła w wymienniku ciepła może dochodzić, niejako przy okazji, do zmiany międzyfazowej jednego z mediów (lub nawet obu). Medium oddające ciepło może zostać skroplone, a medium przyjmujące może zostać odparowane. W wymiennikach ciepła przemiana międzyfazowa odbywa się właśnie w zakresie przemiany gazu w ciecz (skraplanie) lub odwrotnie, z cieczy w gaz (parowanie). Medium w stanie stałym jest co najmniej niewskazane. Przemiana medium oddającego ciepło w ciało stałe powoduje co najmniej pogorszenie pracy wymiennika, a w sytuacjach ekstremalnych jego poważne uszkodzenie, szczególnie, gdy medium tym jest woda lub jej roztwór. Medium pobierające ciepło w wymienniku ciepła powinno mieć konsystencje umożliwiającą jego transport, co powoduje, że jednolite ciało stałe nie daje nam takich możliwości. Wymienniki ciepła są stosowane w bardzo wielu dziedzinach przemysłu, my jednak skupmy się na chłodnictwie. Jak już wspomniano, w naszej branży głównymi wymiennikami ciepła są skraplacze i parowniki. Patrząc od sprężarki, skraplacz jest pierwszym wymiennikiem, jaki spotkamy w naszej instalacji, jednak to parownik jest tym wymiennikiem, w którym odczuwamy efekt chłodzenia. Dlatego też od tych wymienników zaczniemy naszą podróż przez świat przewodzenia ciepła.

Rozkład temperatury między medium chłodzonym a medium chłodzącym oraz kierunek przepływu ciepła

Parownik to potocznie źródło zimna w urządzeniu chłodniczym. Dlaczego? Bo jest najzimniejszym elementem w instalacji chłodniczej. To właśnie do parownika ciepło jest przenoszone z medium chłodzonego. Niezależnie od tego, czy mówimy o instalacji bezpośredniej czy też pośredniej, to właśnie w parowniku panuje ta najniższa temperatura. W parowniku też następuje jeszcze jeden proces – parowanie. Ciekły czynnik chłodniczy odparowuje pod wpływem ciepła dostarczonego z drugiego medium. Następuje przemiana międzyfazowa z cieczy w gaz. Często parownik nazywany jest też chłodnicą powietrza. Czy jest to właściwe nazewnictwo? Nie do końca. Parownik może być chłodnicą powietrza, jak i też chłodnica powietrza może być parownikiem. Ale nie każdy parownik jest chłodnicą powietrza, a nie każda chłodnica powietrza jest parownikiem. W parowniku zawsze zachodzi przemiana międzyfazowa. Czynnik chłodniczy pod wpływem dostarczonego ciepła z medium chłodzonego odparowuje, przechodząc ze stanu ciekłego w gazowy. Ten proces zachodzi w każdym parowniku. Ale nie w każdym parowniku źródłem ciepła jest schładzane powietrze. A tylko wtedy, gdy drugim medium jest powietrze, możemy mówić o chłodnicy powietrza. Medium schładzanym może być zamiast powietrza woda, roztwór glikolu czy też roztwór solankowy. Może być też dowolna inna ciecz, którą ze względów procesowych lub technologicznych musimy schłodzić. Do takich celów wykorzystujemy parowniki, które nie są chłodnicami powietrza. Są to najczęściej wymienniki płytowe, płaszczowo-rurowe lub rurowe, ale nie tylko. Ale to już temat na inny artykuł.

Wymiennik płytowy Alfa Laval

Czym jest w takim razie chłodnica powietrza, temat główny tego artykułu? Czy każdy wymiennik, w którym schładzamy powietrze jest chłodnicą powietrza? Nie do końca. Pierwszą kwestią jest kwestia samego nazewnictwa. Chłodnicą powietrza nazywany wymiennik lamelowy, przez który przepływa powietrze między otwartymi przestrzeniami między lamelami, oddając ciepło medium przepływającemu w rurkach, na których zamontowane są lamele. Jeśli w tych rurkach przepływa czynnik chłodniczy, to mamy do czynienia z chłodnicą powietrza będącą równocześnie parownikiem. Ale zamiast czynnika chłodniczego, który odparuje, ciepło może być odbierane od powietrza przez różnego rodzaju ciecze, od wody począwszy na roztworach niskokrzepnących kończąc. Również wtedy mamy do czynienia z chłodnicą po- wietrza, ale już nie będącą parownikiem. No dobrze, ale o co chodzi z kwestią nazewnictwa? Gdzie tkwi haczyk? W sposobie przepływu powietrza. W przypadku, gdy przepływ powietrza jest wymuszony wentylatorem, nikt nie ma wątpliwości, że mamy do czynienia z chłodnicą powietrza. Ale jeśli przepływ powietrza nie jest wymuszony, a jedynie wynika z grawitacji, to zaczynają się spory. Nie dla wszystkich wymienniki ciepła, w których ruch powietrza wynika tylko i wyłącznie z grawitacji (ciepłe powietrze unosi się do góry, gdzie oddaje ciepło lamelom bloku chłodzącego i, już jako zimne i cięższe powietrze, opada na dół), są chłodnicami powietrza. Wymiennik tego typu są nazywane po prostu parownikami lub parownikami grawitacyjnymi. Czy to jest właściwa nazwa? Jeśli czynnikiem odbierającym ciepło jest parujący czynnik chłodniczy, jak najbardziej tak. Ale nie zawsze tak jest, że to czynnik chłodniczy odbiera ciepło. Może tym medium być też woda lub roztwór wody z glikolem czy też solanką. Co wtedy? Przecież nie możemy mówić już o parowniku. Czy możemy mówić wtedy o chłodnicy powietrza, mimo tego, że nie ma wentylatorów? Tak. Na co dzień mówiąc chłodnica powietrza, mamy na myśli chłodnicę z wentylatorami. Ale pełna nazwa to wentylatorowa chłodnica powietrza. A gdy nie ma wentylatorów, to powinniśmy mówić grawitacyjna chłodnica powietrza. I już wtedy wiemy, czy przepływ powietrza jest wymuszony przez wentylatory, czy też jest on tylko grawitacyjny. Jeśli teraz jeszcze do nazwy dodamy słowo „glikolowa” to już wiemy, że jest to chłodnica do układów pośrednich, a brak tego słowa dla większości z nas będzie oznaczał, że mamy do czynienia z parownikiem.

Wymiennik płytowy Alfa Laval

To była pierwsza kwestia. A druga? Nie dla wszystkich wymienników schładzających powietrze zadanie to jest priorytetem. W niektórych przypadkach zależy nam na osuszeniu powietrza, a nie jego schłodzeniu. Dodatkowo, powietrze osuszane jest powietrzem sprężonym, a nie swobodnie przepływającym. Do tego celu używamy specjalnych wymienników płytowych, które nazywamy wymiennikami osuszającymi, a nie chłodnicami powietrza.

Jest jeszcze jedna, trzecia kwestia – nie zawsze w komorze mamy powietrze. Coraz częściej możemy spotkać komory chłodnicze z kontrolowaną atmosferą. Co wtedy z naszą chłodnicą powietrza? Ponieważ, poza kilkoma wyjątkami, w komorach z kontrolowaną atmosferą są stosowane dokładnie te same chłodnice, więc trudno było by zmieniać ich nazwę.

Wymiennik płytowy stosowany w lodówkach

Rodzaje chłodnic powietrza ze względu na przepływ powietrza

Pora przejść do właściwego tematu. W dalszej części artykułu dokładnie jeszcze zostanie omówiona różnica między chłodnicami powietrza będącymi parownikami a glikolowymi chłodnicami powietrza. Jednak zanim do tego dojdziemy, mówiąc o typach chłodnic powietrza, będziemy mieli na myśli obydwa rodzaje chłodnic powietrza.

Najprostszą w budowie jest chłodnica grawitacyjna. Jest ona stosowana zarówno w meblach chłodniczych, jak i małych komorach chłodniczych. Głównie jest stosowana jako wymiennik w urządzeniach schładzających przestrzeń chłodzoną powyżej temperatury 0°C, ale nie jest to reguła. Najprostszym i najczęściej spotykanym typem takiej chłodnicy jest zamrażalnik w lodówce. Jest to parownik złożony z dwóch zgrzanych płyt ze sobą, między którymi pozostawiono kanały do przepływu czynnika chłodniczego. Kolejnym przykładem grawitacyjnej chłodnicy powietrza jest blok lamelowy w meblach sklepowych, jak i w komorach chłodniczych. Najczęściej spotykane jest takie rozwiązanie w ladach chłodniczych, ale jak już wspomniałem, możemy się spotkać również z tego typu parownikami w komorach chłodniczych. Budową swoją blok taki nie różni się zbytnio od bloku chłodniczego w typowej wentylatorowej chłodnicy powietrza. Główną różnicą, widoczną gołym okiem, jest wielkość chłodnicy i rozstaw lamel. Wydajność każdego wymiennika ciepła jest uzależniona od trzech parametrów: różnicy temperatury między mediami, powierzchni wymiany ciepła i współczynnika przenikania ciepła. Wynika to z poniższego wzoru na wydajność cieplną wymienników:

Q = A · k · ΔT

gdzie:
Q – wydajność cieplna, W,
A – powierzchnia wymiany ciepła, m²,
ΔT – różnica temperatury między mediami, K,
k – współczynnik przenikania ciepła, W/m²K.

Wymiennik rurowy współosiowy WIELAND serii WKE i WKC

Współczynnik przenikania ciepła jest uzależniony od bardzo wielu elementów, m. in. typów mediów, budowy i rodzaju wymiennika, temperatury pracy, jak i od prędkości przepływu mediów względem siebie. Jak widać ze wzoru, im większe wartości poszczególnych parametrów, tym większa wydajność wymiennika. Ze względu na niewielką prędkość powietrza przy lamelach chłodnicy grawitacyjnej, przekazywanie ciepła z powietrza do medium chłodzącego następuje bardzo powoli. To powoduje, że współczynnik k ma dużo niższą wartość niż dla chłodnic z wymuszonym przepływem powietrza. Konieczna jest dużo większa powierzchnia wymiany ciepła w stosunku do chłodnic z wymuszonym przepływem ciepła, by uzyskać podobną wydajność. Dodatkowo, by zwiększyć wydajność chłodnicy grawitacyjnej, możemy obniżyć temperaturę medium chłodzącego, zwiększając jednocześnie różnice temperatury między mediami. A to powoduje, że zwiększy się nam oblodzenie bloku chłodzącego. I stąd chłodnice grawitacyjne mają większy rozstaw lamel. Większa powierzchnia wymiany ciepła i większy rozstaw lamel, a co za tym idzie, większe wymiary całej chłodnicy, to wzrost kosztów takiej chłodnicy. Szczególnie teraz, gdy koszty materiałów stanowią znaczącą część całkowitych kosztów produkcyjnych. Co otrzymujemy w zamian? Przede wszystkim prostą budowę, pozbawioną elementów ruchomych. A jak wiemy, elementy ruchome są najczęściej najsłabszym ogniwem w urządzeniach. Brak wentylatorów to nie tylko brak potencjalnych elementów mogących ulec uszkodzeniu, ale też brak potencjalnych elementów mogących powodować wibracje, a wibracje to już zagrożenie dla szczelności wymiennika. Kolejną zaletą tego typu chłodnic jest bardzo niewielki ruch powietrza w komorze czy meblu, wręcz można powiedzieć, że w pełni naturalny. A to wpływa na jakość produktów przechowywanych, szczególnie tych nie pakowanych i delikatnych, np. kwiaty cięte czy wędliny krojone. Dlatego tego typu chłodnice spotykamy w komorach do przechowywania kwiatów, jak i w ladach chłodniczych do przechowywania wędlin, serów i mięs sprzedawanych na wagę. Chłodnice grawitacyjne mają jeszcze jedną zaletę powodującą, że towar przechowywany w meblach i komorach w nie wyposażonych zachowuje dużo większą jakość. Jest to znacznie mniejszy efekt osuszki. Wynika on z dużej powierzchni wymiany ciepła chłodnicy i małej prędkości powietrza przy lamelach, czyli powolnego schładzania. A przy wolniejszym schładzaniu, nawet przy zwiększonej różnicy temperatury między medium chłodzącym a powietrzem, mniej wilgoci jest wytrącane z powietrza. A mniej wilgoci wytrącanej z powietrza, to mniej wilgoci odparowującej z produktu. Jednak ze względu na wysoką cenę chłodnic grawitacyjnych, coraz większą rzadkością są komory chłodnicze wyposażone w takie chłodnice. Wpływa na to fakt, że chłodnica jest jednym z kosztowniejszych elementów instalacji chłodniczej, a znaczny wzrost jej ceny wpływa w znaczący sposób na cenę całej instalacji. Trochę inaczej wygląda to w przypadku mebli chłodniczych. W meblach chłodniczych koszt chłodnicy nie jest aż tak znaczącym elementem, a co za tym idzie, inwestor często wybiera opcję z chłodzeniem grawitacyjnym. O czym należy pamiętać przy użyciu chłodnic grawitacyjnych? Najważniejszym elementem jest jej montaż. Chłodnica grawitacyjna, by prawidłowo działała, musi być umiejscowiona w najwyższym punkcie przestrzeni chłodzonej. Chodnice grawitacyjne mają zastosowanie w małych pomieszczeniach chłodzonych, gdzie zalecany jest niewielki ruch powietrza. Ze względu na fakt, że w większości przypadków chłodnice nie posiadają grzałek odszraniania, są one stosowane głównie w komorach chłodniczych z dodatnią temperaturą w komorze. Zakres wydajności zaczyna się od kilkuset watów, a kończy na około 5 kW. Wynika to głównie z bardzo dużych wymiarów tego typu chłodnic przy ich niewielkiej wydajności.

(...)

Komory produkcyjne

No właśnie – komory produkcyjne. Nie we wszystkich komorach tego typu chłodnice komercyjne są najlepszym rozwiązaniem. A kiedy nie są? Ano wtedy, gdy w komorach tych pracują ludzie, i to w trybie ciągłym. Dlaczego? Struga powietrza i hałas. Jak już wspominałem, w chłodnicach klasycznych struga powietrzna jest z założenia zwięzła i mocna. Nawet w przypadku chłodnic z wentylatorami tłocznymi struga ta, mimo rozproszenia, jest mocna. Praca w takiej strudze, nawet jak wieje ona nad naszymi głowami, nie jest niczym przyjemnym. Szczególnie przez kilka godzin dziennie. Efekt ten można zminimalizować, stosując wspomniane już rękawy tekstylne. Wyeliminują one efekt strugi powietrza nad naszymi głowami, a odpowiednia ich budowa pozwoli nam na pełną kontrolę, gdzie powietrze ma wypływać z rękawów i w jakiej ilości. Jest to realizowane przez zastosowanie różnych materiałów o różnej przepuszczalności powietrza w różnych fragmentach rękawów. Ale to wyeliminuje tylko jeden element – strugę zimnego powietrza. A hałas? Można zastosować chłodnice klasyczne z wentylatorami niskoobrotowymi. Tylko czy to jest najlepsze rozwiązanie? Nie. Lepiej zastosować specjalne chłodnice, skonstruowane specjalnie do takich pomieszczeń – chłodnice o dwustronnym wydmuchu. Są to chłodnice budową bardzo zbliżone do chłodnic podstropowych. Główną różnicą jest to, że mają one wydmuch z dwóch stron. Powietrze jest zasysane przez wentylatory zamontowane poziomo w środkowej części chłodnicy. Następnie powietrze rozchodzi się na dwie strony i przepływa przez dwa bloki lamelowe, umieszczone na dwóch symetrycznych stronach chłodnicy. Czym się takie chłodnice charakteryzują? Przede wszystkim bardzo rozproszoną strugą powietrza. Zastosowanie wentylatorów tłoczących i przepływu powietrza najpierw przez wentylator, następnie przez blok lamelowy, powoduje efekt jego rozproszenia, omówiony przy chłodnicach klasycznych. Tutaj efekt ten jest dodatkowo spotęgowany przez zmianę kierunku powietrza za wentylatorami o 90°. Ale to nie wszystko. W tego typu chłodnicach stosuje się wentylatory cichsze niż w przypadku chłodnic klasycznych. Mało tego – przy większości większych chłodnic stosowane są wentylatory z dwoma prędkościami obrotowymi. Dzięki temu w normalnych warunkach chłodnica pracuje na niższych obrotach, a dopiero w momencie znacznego zwiększenia obciążenia cieplnego załączają się wentylatory na wyższą prędkość obrotową, i to na krótki okres czasu. Dzięki temu praca w takim pomieszczeniu staje się znośna. A jest to ważne, biorąc pod uwagę, że ludzie pracują najczęściej w temperaturze od +8 do +12°C.

Komora mroźnicza chłodzona za pomocą wymienników spiralnych Faviera zamontowanych m.in. na ścianach

Chłodnice z dwustronnym wydmuchem, są często nazywane też chłodnicami klimatyzacyjnymi. Wynika to właśnie z ich głównego zastosowania – pomieszczeń produkcyjnych i ekspedycyjnych z temperaturą w zakresie od +8 do +12°C. Zakres pracy tych chłodnic jest jednak dużo większy i mogą one być wykorzystywane również w pomieszczeniach o temperaturze dochodzącej do -35°C. Chłodnice dwustronnego wydmuchu, podobnie jak chłodnice klasyczne, są produkowane w wersji komercyjnej i przemysłowej. Granica wydajności między nimi przebiega podobnie, jak to się ma w przypadku chłodnic klasycznych. Chłodnice dwustronnego wydmuchu mają, ze względu na zastosowanie i sposób montażu wentylatora, niższą wysokość niż chłodnice klasyczne. Niektóre modele mogą konkurować z chłodnicami podstropowymi, ponieważ ich wysokość zaczyna się od 200 mm. Chłodnice z dwustronnym wydmuchem są wyposażone w dwie tace okapowe (lub jedną dwukomorową), co wynika z ich budowy – dwóch bloków lamelowych. Ze względu na główne zastosowanie w pomieszczeniach o temperaturze znacznie przekraczającej 0°C, są one standardowo dostarczane najczęściej bez grzałek odszraniania, ale oczywiście mogą być w nie wyposażone. Zakres wydajności chłodnic powietrza o dwustronnym wydmuchu zaczyna się mniej więcej na poziomie 1 kW i są to oczywiście chłodnice komercyjne. Największe chłodnice przemysłowe mają po 100÷150 kW. Przy tego typu chłodnicach nie stosuje się raczej budowania potężnych egzemplarzy, ponieważ musimy pamiętać, że są to chłodnice przeznaczone gównie do pomieszczeń, gdzie pracują ludzie. Lepiej zastosować dwie małe chłodnice, które będą cichsze i nie będą musiały mieć mocnej strugi powietrza, niż jedną, ale za to głośniejszą i z na tyle mocna strugą, by bez problemów schłodzić całą halę produkcyjną. Im większa wysokość hali, a więc i większa odległość chłodnic od ludzi i ich stanowisk, tym większe chłodnice można zastosować, ale należy pamiętać, by nie przesadzić. Praca przez kilka godzin w pomieszczeniu o temperaturze nie przekraczającej +12°C już nie jest łatwa i komfortowa, więc starajmy się tego jeszcze bardziej nie pogarszać.

Komora mroźnicza chłodzona za pomocą wymienników spiralnych Faviera zamontowanych m.in. na ścianach i suficie

* * *

W następnym artykule omówimy wentylatorowe chłodnice przemysłowe oraz specjalne. Omówimy również różnice między glikolowymi chłodnicami powietrza a chłodnicami powietrza będącymi parownikami. Zajmiemy się też najważniejszą rzeczą – doborem urządzeń w zależności od przeznaczenia. Zapraszam do lektury.

Bartosz NOWACKI
Przedsiębiorstwo Produkcyjno-Handlowo-Usługowe ReBaNo

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 05/2014