Dylematy związane z wyborem technologii odprowadzenia ciepła w instalacjach chłodniczych i klimatyzacyjnych powiązane są często ze specyfiką doboru urządzeń i aspektami analizy porównawczej pomiędzy wieżami chłodniczymi a schładzaczami cieczy. W obydwu przypadkach wybór urządzenia oparty powinien być o karty doboru urządzeń, zawierające podstawowe parametry techniczne oraz inne informacje, które następnie posłużą projektantowi do wyspecyfikowania określonego modelu i niezbędnego wyposażenia opartego o optymalizację współpracy z innymi elementami instalacji.

Gdy wybór zostanie technicznie podjęty w kierunku schładzaczy cieczy, wtedy projektant musi dokonać podobnie, jak przy wieżach chłodniczych wyboru dostawcy i odpowiedniej konfiguracji urządzenia spełniającego wymogi ustalone z inwestorem. Schładzacz cieczy kojarzony jest zwykle, jako połączenie wieży chłodniczej otwartej z układem zamkniętym w postaci wymiennika ciepła, który obmywany jest strumieniem wody schłodzonej lub zraszany wodą rozbryzgiwaną przez zraszacze na powierzchni wymiennika (schładzacz cieczy często nazywany jest skraplaczem wyparnym). Przez wymiennik ciepła przepływa woda układu pierwotnego, który odpowiedzialny jest za odprowadzenie ciepła procesowego. Wymiana ciepła z otoczeniem odbywa się poprzez odparowanie wody na powierzchni wymiennika lub jak wspomniano poprzez obmywanie jego powierzchni schłodzoną wodą.

Rys. 1. Schładzacz cieczy z wymiennikiem obmywanym schłodzona wodą

Rys. 2. Schładzacz cieczy z rozbryzgiem wody na powierzchni wymiennika

Nie wnikając w szczegóły konstrukcyjne i ocenę zalet lub wad rozwiązań i kombinacji możliwych konfiguracji, przyjmuje się ogólnie, iż schładzacze cieczy z obmywanym wymiennikiem schłodzoną wodą, mogą osiągać większe wartości wydajności w porównaniu do schładzaczy z wymiennikami pracującymi „pod rozbryzgiem”. Program doborowy po zaznaczeniu modelu urządzenia z reguły dobierze najbardziej optymalny wariant, a decyzja projektanta opierać się będzie na wyborze kosztowo-eksploatacyjnym. Dobierając schładzacz cieczy, projektant musi zdecydować, podobnie jak dla wieży chłodniczej, przy jakich parametrach urządzenie musi pracować, uwzględniając fakt, iż temperatura wyjściowa z wymiennika ciepła zbliży się do temperatury wilgotnego termometru, ale nie na tyle, na ile pozwoli wieża chłodnicza otwarta. To zbliżenie do temperatury wilgotnego termometru zostanie automatycznie określone przez program doborowy i projektant decydując o wyborze urządzenia, musi podać dane wyjściowe do doboru, takie jak: temperatura wejściowa na wymiennik ciepła, temperatura wyjściowa z wymiennika ciepła, przepływ przez wymiennik ciepła lub oczekiwana moc chłodnicza, temperatura wilgotnego termometru (lub temperatura suchego termometru i wartość wilgotności względnej Rh) oraz rodzaj medium. Tylko podanie wszystkich parametrów wyjściowych pozwoli na prawidłowe dobranie schładzacza cieczy, a zignorowanie jednej z wartości podobnie, jak przy wieżach chłodniczych może spowodować zakłamanie przy doborze, skutkując niedowymiarowaniem lub przewymiarowaniem urządzenia. Niedowymiarowanie schładzacza cieczy oznacza, iż wymiennik ciepła urządzenia lub część odpowiedzialna za zraszanie zostanie skonfigurowana dla parametrów zaniżonych, co skutkować będzie nie osiąganiem zakładanej wydajności przy nominalnych wartościach dla instalacji. Innymi słowy temperatura wyjściowa z wymiennika ciepła schładzacza będzie powyżej zakładanej. W przypadku przewymiarowania schładzacza cieczy oznaczać to będzie nieekonomiczne zwiększenie wielkości urządzenia, co w praktyce pozwoli na odprowadzenie większej ilości ciepła, ale w przypadku zastosowania optymalnych warunków doborowych nie wpłynie na obniżenie temperatury wyjściowej z wymiennika. Granica termodynamiczna osiągnięta przy maksymalnym zbliżeniu temperatury wody odparowującej do temperatury wilgotnego termometru nie pozwoli na dalsze obniżanie temperatury wyjściowej (procesowej) z wymiennika ciepła ze względu na uzyskanie granicy odparowania dla danej temperatury i ciśnienia pary nasyconej dla odparowywanej wody. To ograniczenie decyduje o możliwościach zastosowania schładzaczy cieczy i projektant musi je uwzględniać przy konstruowaniu założeń wyjściowych dla instalacji. Innymi słowy niemożliwe jest estymowanie w kierunku osiągania temperatury wyjściowej z wymiennika ciepła ze schładzaczy cieczy poniżej temperatury wilgotnego termometru, a w praktyce ograniczenie to zakłada kombinację temperatury wilgotnego termometru + zbliżenie (approach), jako wielkość określająca wielkość urządzenia i jego składowych. 

Wracając do przewymiarowania schładzacza cieczy, należy zadać sobie pytanie, jaki wpływ będzie to miało na instalację oraz czy jest to pozytywne z punktu widzenia inwestycji i eksploatacji. Przewymiarowanie schładzacza cieczy przy jego doborze powinno uwzględnić element prognostyczny w odniesieniu czasowym, co w praktyce oznacza przewidywanie zwiększenia mocy chłodniczej instalacji w określonym czasie. Projektant powinien przewidzieć nie tylko, o jaką wartość moc chłodnicza instalacji wzrośnie, ale powinien zdecydować także w jakim czasookresie to nastąpi. Przewymiarowanie schładzacza może stanowić zagrożenie dla instalacji, gdyż zwiększona moc chłodnicza wymiennika przy niedoborze ciepła procesowego w okresie zimowym może prowadzić do znacznego obniżenia temperatury wyjściowej z wymiennika ciepła, skutkującego zamrożeniem jego powierzchni przez obmywającą/odparowującą wodę odpowiedzialną za odprowadzenie ciepła. Jest to zjawisko niekorzystne ze względu na zwiększenie zjawisk korozji na powierzchni wymiennika, a z drugiej strony na stopniowe ograniczenie powierzchni wymiany ciepła, co w konsekwencji przy dłuższym użytkowaniu w takich warunkach może doprowadzić paradoksalnie do wzrostu temperatury wyjściowej z wymiennika ciepła. Podobnie, jak przy wieży otwartej przewymiarowanie schładzacza cieczy wpływa na wielkość stacji uzdatniania wody (większe urządzenie = większa powierzchnia odparowania = większe zużycie wody), a co za tym idzie w konsekwencji na koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Schładzacze cieczy podobnie jak i wieże chłodnicze podlegają certyfikacji przez CTI – Cooling Technology Institute, a lista certyfikowanych produktów znajduje się na stronie organizacji. Trwają prace wdrożeniowe programu certyfikacji schładzaczy także dla organizacji Eurovent, co powinno nastąpić w najbliższym czasie. Podobnie, jak w przypadku wież chłodniczych niecertyfikowane schładzacze cieczy nie gwarantują osiągnięcia deklarowanych wydajności, czego dowodem są podejmowane próby certyfikowania urządzeń przez niektórych producentów wciąż nieskuteczne i odrzucane przez instytucje certyfikujące ze względu na nieosiąganie parametrów pracy, jakie są wskazywane w dokumentacji technicznej. Projektant w przypadku zetknięcia się z ofertą urządzeń niecertyfikowanych powinien zachować szczególną ostrożność, a według autora wręcz unikać stosowania niesprawdzonych urządzeń według tych samych wymogów certyfikacyjnych i norm jakościowych. 

Istotnym elementem każdej instalacji opartej o zastosowane schładzacze cieczy stają się możliwości pracy „na sucho”, czyli bez zraszania wodą wymienników ciepła, w celu uzyskania odprowadzenia ciepła do otoczenia z wykorzystaniem pracy samych wentylatorów, podobnie jak przy suchych chłodnicach. Oczekiwania ze strony projektantów w tym zakresie koncentrują się na możliwości wyłączenia zraszania, w celu oszczędności wody w okresach przejściowych i w zimie. Żądanie to jest w swojej wymowie logiczne, aczkolwiek nielogicznym jest oczekiwanie uzyskiwania żądanych sprawności od schładzaczy cieczy przy wykorzystaniu pracy samych wentylatorów. Generalnie można przyjąć stwierdzenie za prawdziwe, iż nie ma takich schładzaczy cieczy na rynku, które gwarantowałaby wymianę ciepła na poziomie większym niż 20÷40% dla temperatury otoczenia powyżej zera stopni Celsjusza bez istotnych zmian konstrukcji wymienników ciepła. W zależności od wielkości wymiennika ciepła i jego ożebrowania (lamele zwiększające powierzchnię wymiany) schładzacze mogą zapewnić odprowadzenie ciepła w temperaturze dodatniej z reguły na poziomie do 70% wydajności nominalnej w warunkach temperatury nominalnej. Takie rozwiązania implikują jednak dodatkowe trudności, które zamykają się w potrzebie zapewnienia odpowiedniej sprawności działania stacji uzdatniana wody. To z reguły zwiększa koszty eksploatacyjne przekładające się na koszt użytkowania schładzacza kompensujący oszczędności w zużyciu wody w okresach przejściowych i zimie versus koszt środków chemicznych i zwiększony koszt zakupu ożebrowanego wymiennika. Dodatkowym elementem ryzyka jest uzyskanie wiarygodnych danych dotyczących sprawności wymiany ciepła i wydajności takich wymienników, co dla projektanta zamyka się w konieczności uzyskania przynajmniej hipotetycznie temperatury pracy, czyli wyłączenia zraszania. Owszem, argument nie odparowania wody w okresie niskiej temperatury ma sens ze względu na wyeliminowanie ewentualnych zamrożeń złoża zraszalnika schładzacza (wymiennik ciepła omywany wodą) lub zamrożeń tryskaczy i rozprowadzenia wody (wymiennik z odparowaniem wody na jego powierzchni), ale jednak o wiele sensowniejsze jest rozwiązanie zastosowania instalacji hybrydowej. Przez instalację hybrydową należy rozumieć nie tyle schładzacz z zastosowaną dodatkową suchą chłodnicą, ale raczej instalację opartą o kombinację systemu połączonych urządzeń schładzacza cieczy i suchej chłodnicy. W takim przypadku praca instalacji gwarantuje uzyskiwanie parametrów dla okresu letniego i dla okresu zimowego, co czyni tego rodzaju instalację bezpieczną dla projektanta i jego koncepcji oszczędności wody. Pozytywnym elementem takiego rozwiązania jest optymalizacja zużycia energii elektrycznej dla okresów eksploatacji opartej o różny zakres temperatury otoczenia. Schładzacz cieczy przy pracy „na sucho” wymaga pracy wentylatorów z pełną mocą, co nie stanowi pozytywnego aspektu instalacji, a co za tym idzie projektant nie ma możliwości regulacji w danym zakresie temperaturowym wydajności schładzacza – chyba, że jest on znacznie przewymiarowany. Praca wentylatorów z pełną mocą w okresie przejściowym i w okresie zimowym wpływa także na poziom propagacji hałasu, którego regulacji nie można uzależnić od temperatury zewnętrznej, tak jak może to mieć miejsce w przypadku schładzaczy pracujących ze zraszaniem (praca nocna, praca dzienna).

Kolejnym elementem rodzącym dylemat projektanta jest materiał konstrukcyjny dla schładzacza i jego wymiennika ciepła. Podobnie jak dla wież chłodniczych, o rodzaju materiału zastosowanego do budowy urządzenia decyduje jakość medium procesowego, jakość wody krążącej w obiegu zraszania oraz wpływ otoczenia – korozyjność atmosfery. Decyzje o zastosowaniu materiału dla konstrukcji schładzacza i wymiennika podejmuje się w oparciu o decyzję producenta lub w oparciu o dotychczasowe doświadczenia i wymagania użytkownika. Jednym z często spotykanych błędów podczas analizy karty doboru urządzeń jest analiza materiału konstrukcyjnego wymiennika ciepła schładzacza, przy którego budowie w zasadzie wykorzystuje się albo stal galwanizowaną albo stal nierdzewną. Istotą błędu jest ocena wydajności wymiennika przy zastosowaniu stali galwanizowanej, a pominięcie straty na wydajności przy zamianie materiału konstrukcyjnego na stal nierdzewną. Różnice w wydajności schładzacza mogą być od około 7, do nawet 10%, w zależności od zastosowanej koncepcji, a tym samym można się znowu spotkać ze zjawiskiem niedowymiarowania schładzacza cieczy. Ważnym elementem jest także rodzaj użytego medium do współpracy z wymiennikiem ciepła schładzacza. Bardzo często, jako medium do doboru stosowana jest woda procesowa, a roztwór wody i glikolu etylenowego, propylenowego lub inne medium wpływające na współczynnik wymiany ciepła pomiędzy ścianami wymiennika a odparowująca (lub obmywającą) wodą jest pomijany. W tym przypadku różnica 3÷5% w wydajności jest następnym błędem, który należy jeszcze uzupełnić informacją o zmianie oporów przepływu przez wymiennik ciepła, a tym samym oddziaływanie tego faktu na inne elementy instalacji (rurociągi, pompy obiegowe).

Zupełnym nieporozumieniem jest także próba zwiększania wydajności schładzaczy poprzez zastosowanie większej mocy silnika wentylatora bez samej zmiany wentylatora. Może to rodzić konsekwencje w postaci niedopasowania elementów napędu i łopat wentylatora do nowych obciążeń, związanych z zastosowaniem zwiększonej mocy wentylatora. Przeciążenie wentylatora skutkować będzie kosztownymi w naprawie awariami ułożyskowania lub destrukcją przekładni reduktora zastosowanego w systemie napędu pomiędzy wentylatorem a silnikiem. W tym przypadku „gwarancja” nowej wydajności pozostanie tylko w dokumentacji, jako chęć zadeklarowania zwiększonej mocy wydajności schładzacza. Każda zmiana konstrukcyjna w modelu urządzenia, a wpływająca na zmianę parametrów wydajności zgodnie z procesem certyfikacji wymaga przeprowadzenia odpowiednich sprawdzeń, a dany model schładzacza (lub wieży chłodniczej) uzyskuje nie tylko zmianę w swoim oznaczeniu, ale także odpowiednią adnotację o przejściu procesu certyfikacji.

Opisując dylematy i pytania związane z pracą projektanta przy doborze wież chłodniczych lub schładzaczy cieczy celowo pominąłem aspekt instalacji wielomodułowych oraz sposobu posadowienia urządzeń, które wymagają odrębnej i bardziej szczegółowej analizy. Mam nadzieję, iż przynajmniej w części udało mi się przybliżyć i wskazać główne czynniki porażek przy projektowaniu, które zamykają się jak zwykle w zwiększonych kosztach zakupu lub pozornych oszczędnościach, za które (też jak zwykle) zmuszony zostanie do zapłacenia użytkownik w trakcie eksploatacji instalacji.

Jerzy KOT
Dyrektor Sprzedaży EEU & CIS,
SPX Cooling Technologies