Usprawnienie procesów chłodzenia, w przypadku organizmów żywych jest efektem wielu milionów lat przystosowania się do życia w określonych warunkach, a w przypadku ludzkości jest efektem ostatnich dwóch stuleci przełomów technologicznych oraz społecznych. W lecie 2015 roku byliśmy w stanie zauważyć zachowania zwierząt, które świadczyły o ich wzmożonej termoregulacji. Podobny test przeszły urządzenia wykorzystywane do chłodzenia procesów przemysłowych oraz budynków.

Lokalny klimat a dobór urządzenia chłodniczego

Praca urządzeń chłodniczych jest warunkowana aktualnymi parametrami pogodowymi, wśród których główną rolę pełni temperatura powietrza tzw. suchego termometru oraz wilgotność względna. Każde urządzenie chłodzące wodę jest projektowane dla parametrów opisujących klimat danej lokalizacji geograficznej – przykładowo urządzenie chłodnicze przeniesione z Kairu do Warszawy z całą pewnością pozwoli na dotrzymanie swoich parametrów nominalnych, w przypadku przeniesienia instalacji chłodniczej w odwrotną stronę pomysłodawcę takiej operacji czeka nieprzyjemna niespodzianka.

Czy jednak instalacja przeniesiona do Warszawy będzie w stanie zapewnić gwarancje bezawaryjnej pracy w ciągu całego roku? Załóżmy, że instalacja przeniesiona z Kairu pracuje w warunkach zimowych w Polsce. Urządzenia chłodnicze pracujące z wodą wymagają w okresie zimowym dodatkowego wyposażenia (np. grzałek zapobiegających oblodzeniu) lub procedur, które pozwolą na zminimalizowanie ryzyka wystąpienia uszkodzeń. Czy instalacja chłodnicza z Egiptu byłaby wyposażona w ten rodzaj dodatkowego sprzętu lub jej dokumentacja zawierałaby procedurę pozwalającą na przetrwanie w krajach, w których występuję zjawisko zamarzania wody?

Dlatego, dobór urządzeń chłodniczych musi zostać wykonany w sposób kompetentny, co jest możliwe dzięki współpracy z profesjonalną kadrą firm produkujących urządzenia chłodnicze. Jednak nawet najbardziej profesjonalny inżynier nie jest w stanie przewidzieć wszystkich możliwych problemów, które mogą wystąpić podczas realizacji projektów. Wiele firm strzeże informacji dotyczących swoich projektów, co jest zachowaniem jak najbardziej logicznym, jednak prosząc o „dobór” urządzeń chłodniczych, przy jednoczesnym nie podaniu nawet ogólnej lokalizacji geograficznej projektu może doprowadzić do nieprzyjemnych następstw, dlatego ważna jest odpowiednia komunikacja pomiędzy inżynierem dobierającym urządzenia a osobą odpowiedzialną za ich instalację.

Certyfikacja gwarancją wydajności

Sytuacja opisana powyżej wymaga zadania sobie ważnego pytania: w jaki sposób udowodnić, że firma, z którą współpracujemy produkuje urządzenia zgodne ze swoimi zapewnieniami? Pomocą w tym przypadku służą nam niezależne organizacje certyfikujące. W Europie jest to Eurovent Certita Certification (ECC), która prowadzi certyfi kacje wielu różnych produktów m.in. chłodni wentylatorowych wody, przy czym współpracuje ściśle z Cooling Technology Institute (CTI), międzynarodową organizacją certyfikującą chłodnie wentylatorowe na całym świecie. Certyfikacja produktów gwarantuje spełnianie przez nie parametrów nominalnych, zapisywanych w kartach charakterystyk produktów, które są następnie przedstawiane klientom.

Specyfika pracy chłodni wentylatorowych sprawia, że problemy wynikające z nieprawidłowego doboru urządzenia będą odczuwalne w trakcie miesięcy letnich, szczególnie podczas ciepłych i wilgotnych dni, co przełoży się bezpośrednio na ich osiągi. Chłodnia, która została dobrana w sposób nieprawidłowy nie osiągnie zakładanej temperatury wody wylotowej, co przełoży się na pracę całej instalacji. W przypadku urządzeń klimatyzacyjnych zbyt ciepła woda chłodząca nie pozwoli na odpowiednie ochłodzenie agregatu wody lodowej (chillera), co może doprowadzić do zwiększenia zużycia energii elektrycznej przez chiller kompensujący niewystarczające chłodzenie chłodni wentylatorowych lub może doprowadzić do zwiększenia temperatury medium opuszczającego urządzenie do instalacji klimatyzacyjnej, co przełoży się bezpośrednio na chłodzenie pomieszczeń, a przez to niższy komfort.

Problemy te nie są może tak istotne, jak w przypadku instalacji przemysłowych. Nieprawidłowe chłodzenie instalacji chemicznych może doprowadzić do następstw, które spowodują nieodwracalne szkody. Reakcje chemiczne wymagające chłodzenia mogą w skrajnych warunkach wymagać awaryjnego wyłączenia, co doprowadzi do straty substratów wynikających z nieprawidłowego przeprowadzenia reakcji. Projektanci instalacji zakładają rezerwy oraz procedury, pozwalające na bezpieczne odstawienie takich urządzeń, jednakże założeniem tych opracowań jest spełnianie przez urządzenia chłodnicze ich nominalnych parametrów. Formuła cenowa przetargu niejednokrotnie powoduje pokusę przyjęcia zbyt „optymistycznych” parametrów, co w przypadku urządzeń certyfi kowanych jest niemożliwe. Zależnie od rozmiarów instalacji „oszczędności” inwestycyjne mogą rzędu tysięcy złotych mogą przełożyć się na kilka rzędów większe straty w procesie eksploatacyjnym.

Innym przykładem są niewielkie, lokalne elektrociepłownie zasilane z reguły biopaliwami. Sprawność turbiny pracującej w takim układzie zależy bezpośrednio od temperatury wody ochłodzonej. Im niższa temperatura, tym wyższa sprawność turbiny. Wykorzystanie certyfi kowanej chłodni pozwala przewidzieć całoroczną charakterystykę pracy instalacji. Jeżeli w procesie inwe stycyjnym zainstalowane zostaną chłodnie o niższej wydajności, to spowoduje to nakładanie się niewielkich strat, które po pewnym czasie przekroczą zyski uzyskane na zmniejszeniu nakładów inwestycyjnych, co jest sytuacją analogiczna jak poprzednio. Wyjściem z sytuacji jest zastosowanie chłodni certyfi kowanych. 

Certyfikacja jest narzędziem umożliwiającym stosowanie tzw. dobrej praktyki rynkowej oraz uczciwej konkurencji. Producenci certyfikowanych urządzeń poprzez udział niezależnych ekspertów w procesie sprawdzania tworzą „większą przejrzystość rynku”, a przez to minimalizują ryzyko błędu oraz potwierdzają rzeczywistą wartość produktu. Wśród wymagań jakie stawiane są producentom certyfikowanych urządzeń są miedzy innymi testy wydajności cieplnej, które mogą zostać przeprowadzone zarówno w instalacjach testowych ośrodków, jak i na terenie instalacji przemysłowych, po wcześniejszych ustaleniach z Użytkownikiem. Instalacje testowe pozwalają na zachowanie stabilnych parametrów powietrza oraz wody podczas wykonywania pomiarów. Taki sposób badania w sposób pewny wyznacza rzeczywistą wydajność urządzenia. Ograniczeniem tej metody jest gabaryt urządzenia.

Dla całego typoszeregu chłodni, większe rozmiarowo urządzenia mogą przekraczać możliwości instalacji testowej zarówno w zakresie dostępnego miejsca, jak i możliwości aparatury pomocniczej. Taki przypadek wymaga testowania na zabudowanych układach przemysłowych. Jest to możliwe dzięki niezależnym audytorom zaopatrzonym w sprzęt spełniający standardy ECC/CTI, które są owocem przeprowadzania olbrzymiej ilości testów na przestrzeni kilkudziesięciu lat. Standardy te są rozpoznawalne oraz akceptowane na całym świecie, jako wyznacznik jakości przeprowadzania badań wydajności chłodni wody. Dodatkową zaletą przeprowadzania testów na instalacjach przemysłowych jest możliwość sprawdzenie przez audytora rozmiarów chłodni oraz wewnętrznych wymiarów urządzeń, a następnie porównanie ich z danymi dostarczonymi przez producenta w procesie certyfi kacji. Pozwala to na potwierdzenie, że wydajność cieplna testowanych jednostek jest bezsprzeczna. Powyższe procedury gwarantują odbiorcom zamawiającym urządzenia, że proces certyfikacji zawiera w sobie wymogi pozwalające na stwierdzenie przejrzystości całego procesu oraz pewność uzyskania parametrów wydajnościowych.

Ekonomiczne kryteria doboru

Podstawową kwestią przy doborze urządzeń chłodniczych jest porównanie opłacalności każdego opcjonalnego rozwiązania. Koszy instalacji chłodniczej możemy podzielić na koszty inwestycyjne oraz eksploatacyjne. Inwestycyjne zawierają w sobie koszty samego urządzenia chłodniczego, ale także dodatkowych elementów, które mogą znaleźć się w układzie: szafy sterujące, pompy, filtry, stacje kondycjonowania wody, czy innych mających zastosowane w celu zapewnienia zgodności układu z obowiązującym normami. Przykładem takim mogą być tłumiki, maty oraz ekrany dźwiękochłonne, które pozwalają na redukcję hałasu. Problem występuje przede wszystkim na terenie starych zakładów usytuowanych wewnątrz miast. Wynika to z faktu, że obecnie obowiązują restrykcyjne normy akustyki pracy. Renowacja bądź budowa nowego układu chłodzenia powinna uwzględniać takie obostrzenia.

Innym, i kto wie czy nie istotniejszym, rodzajem kosztów jest eksploatacja, czyli wydatki na energię elektryczną, wodę uzupełniającą, a także odtwarzanie i czyszczenie układu przy braku kondycjonowania wody.

Do procesów chłodzenia wody stosuje się głównie chłodnie mokre (tzw. układ otwarty), suche, a także chłodnie adiabatyczne. Chłodnie mokre bazują na odparowaniu jako głównym procesie odbioru ciepła. Woda rozprowadzana we wnętrzu chłodni znajduje się w bezpośrednim kontakcie z powietrzem, które jest zasysane lub wtłaczane przez wentylator. Technologia ta charakteryzuje się dużą skutecznością, pozwalając na schłodzenie wody powyżej temperatury mokrego termometru, która jest funkcją temperatury powietrza oraz wilgotności względnej. Podstawą działania chłodni suchych jest przeponowa wymiana ciepła – gorąca woda płynąca w rurach jest chłodzona powietrzem. Nie następuje w tym przypadku bezpośredni kontakt wody i powietrza, co z kolei powoduje, że technologia ta pozwala na ochłodzenie wody powyżej temperatury powietrza, przy jednoczesnym wyeliminowaniu strat wody. Z kolei urządzenia adiabatyczne pozwalają na zbliżenie się do temperatury osiąganej przez chłodnie mokre, przy zachowaniu konstrukcji chłodni suchej i wykorzystaniu wody z zewnętrznego źródła.

Współczesne technologie pozwalają wykorzystać wodę na dwa sposoby:

• pierwszy polega na bezpośrednim natrysku wody na rury chłodni suchej, przez co woda odparowuje, odbiera ciepło z otoczenia i pozwala osiągnąć niższą temperaturę w rurach.
• drugi to prekondycjonowanie powietrza zasysanego do chłodni suchej polegające na wstępnym schładzaniu powietrza wodą – woda rozprowadzona na specjalnych panelach odparowuje, przez co obniża temperaturę powietrza w wnętrzu chłodni, a to pozwala osiągnąć niższą temperaturę wody ochłodzonej. 

Dobór optymalnego rozwiązania chłodzącego wodę bez wyznaczenia priorytetów instalacji może spowodować duży problem. Wśród priorytetów, które można założyć przy doborze urządzeń znajdują się:

• jak najniższa temperatura wody, 
• niskie zużycie energii elektrycznej,
• minimalne straty wody,
• separacja wody oraz powietrza, zapobiegająca skażeniu wody,
• dostępność miejsca pod zabudowę i lokalizacja,
• przewidywane koszty inwestycyjne.

Dla pierwszego wyznacznika optymalnym rozwiązaniem będzie wykorzystanie chłodni mokrych lub adiabatycznych. Zużycie energii elektrycznej będzie minimalizowane poprzez wykorzystanie chłodni mokrych. Jeżeli instalacja będzie pracować na terenie z małą ilością wody uzupełniającej optymalnym rozwiązaniem będzie zastosowanie chłodni suchych. Separacja wody oraz powietrza jest wykorzystywana w chłodniach suchych oraz adiabatycznych. W ostatnich dwóch punktach przewagę wykazują ponownie chłodnie mokre. Atutem chłodni suchych jest też możliwość pracy z mniejszymi natężeniami przepływu wody, gdyż ich zasada działania bazuje na wymiennikach ciepła.

W przypadku chłodni mokrych zasada działania przypomina skruber, a przez to wymaga zapewnienia odpowiedniej ilości wody na określoną powierzchnię przekroju chłodni, która z kolei jest ograniczona rozmiarami urządzenia. Wyznaczenie optymalnego rozwiązania ze względu na dany priorytetowy parametr nie zawsze jest jednoznaczne. Dla przykładu przyjmijmy, że musimy ochłodzić 20 000 m3/h z temperatury 35°C do 25°C, a głównym wymogiem klienta jest redukcja zużycia energii elektrycznej przez urządzenia chłodzące. Takie natężenie przepływu wody pozwala na zastosowanie chłodni kominowej, która poprzez wytworzenie naturalnego ciągu powietrza spowoduje ochłodzenie wody do żądanej temperatury.

Alternatywą byłoby użycie kilku celek chłodni wentylatorowych, w których przepływ powietrza będzie wymuszony poprzez wentylatory napędzane silnikami elektrycznymi. Chłodnie wentylatorowe w tym wypadku mają wiele zalet:

• niski koszt inwestycyjny,
• szybki czas wykonania,
• w ciągu dalszej eksploatacji możliwość odstawienia oraz remontu poszczególnych celek, bez narażenia układu na duży spadek wydajności lub całkowite wyłączenie na czas remontu.

Jednakże klient wyznaczył jasno swój priorytet: minimalizacja zużycia energii elektrycznej – więc już na pierwszy rzut oka widać, że wybrane do projektu zostaną chłodnie kominowe, gdyż nie posiadają silników elektrycznych wymuszających przepływ powietrza poprzez chłodnie.

Czy jednak taka szybka analiza jest całkowicie poprawna? Przyjrzyjmy się konstrukcji chłodni wentylatorowej oraz kominowej. Wodorozdział chłodni wentylatorowej, z powodu różnicy w wysokości znajduje się znacznie niżej niż wodorozdział chłodni kominowej. Podążając tropem tej informacji należy się zastanowić w jaki sposób woda dostaje się na poprzednio wymienione wodorozdziały. Używane są do tego pompy, które są również zaopatrzone w silniki elektryczne, różnica w usytuowaniu wodordziałów powoduje różne wartości wysokości podnoszenia dla pomp, a co za tym idzie zwiększenie mocy zainstalowanej dla pomp zasilających chłodnie kominową.

Prosta na pierwszy rzut oka sytuacja zmieniła się w problem optymalizacyjny, który oprócz samych konstrukcji chłodni oraz parametrów pomp będzie wymagał dogłębnej analizy całego układu, włączając w to lokalizację poszczególnych elementów układu. Przykład ten pokazuje, że gdyby porównać same chłodnie, bezsprzeczna wyższość jednego rozwiązania nad drugim przy dodatkowych okolicznościach staje się dyskusyjna i problemowa. Intuicyjne rozwiązania, nie zawsze są rozwiązaniami optymalnymi, a przynajmniej dopóki nie zostaną potwierdzone obliczeniami.

Wysokojakościowe materiały i korzyści wynikające z ich wykorzystania

Chłodnie wody mogą zostać wykonane z różnych materiałów. Podczas gdy certyfi kacja gwarantuje parametry wydajnościowe chłodni, to materiały konstrukcyjne chłodni odpowiadają za jej trwałość i niezawodność w trakcie pracy. Istnieje wiele materiałów z których wykonuje się chłodnie wentylatorowe – FRP (kompozyt żywiczny), stał nierdzewna czy ocynkowana. Wymienione materiały mają zalety, jak np. wysoka odporność chemiczna (FRP), odporność na korozję (stal nierdzewna), czy niska cena (stal ocynkowana). Tu jednak należy zastanowić się nad źródłem pochodzenia materiałów wykorzystywanych przy produkcji urządzeń. Europejski odbiorca spodziewa się, że produkt którego używa będzie spełniał normy zarówno krajowe, jak i Unii Europejskiej, a pochodzenie materiału, z którego wykonane zostały urządzenia, powinno zostać prześledzone i sprawdzone pod kątem zgodności z normami.

Obecnie wielu producentów chłodni pochodzi z krajów azjatyckich, lub importuje części do swoich urządzeń. Otwartym więc pozostaje pytanie, czy elementy pochodzące z krajów o normach bardziej „pobłażliwych” mogą zostać uznane za równoważne dla sprawdzonych produktów europejskich. Niektórzy producenci, w działaniach marketingowych, promują stanowisko, że to nie chłodnie powinny służyć obiegowi wody, lecz obieg powinien być dostosowany do chłodni. Wynika to często z uzależnienia od jednego typu materiału, z którego wykonują swoje urządzenia. I to wyjaśnia, czemu wykonania niestandardowesą wielokrotnie droższe.

Odbiorca powinien zawsze upewnić się, że urządzenie, które zamierza zakupić, jest dostosowane do parametrów swojego układu. Szczególnie ważna jest jakość wody obiegowej. Ona z kolei zależy od parametrów wody uzupełniającej oraz stopni koncentracji. Parametry wody obiegowej lub parametry wody uzupełniającej, wraz ze stopniem koncentracji, powinny być konsultowane z dostawcą/producentem chłodni wentylatorowej. Użycie materiałów o niskiej jakości może spowodować wymuszenie zmniejszenia stopnia koncentracji, a przez to zwiększenie strat wody, co bezpośrednio zwiększa koszty eksploatacyjne całej instalacji. Dodatkowo, użycie materiałów podatnych na korozję może prowadzić do powstania uszkodzeń struktury chłodni, co przełoży się na zwiększenie strat wody wyciekającej poprzez uszkodzone poszycie, a także może doprowadzić do uszkodzenia wewnętrznych struktur nośnych, co może doprowadzić do kompletnego zniszczenia całego urządzenia.

W przypadku wykonania urządzenia z niskiej jakości materiałów, nawet w przypadku braku krytycznych uszkodzeń instalacji, można zaobserwować pogarszanie się walorów estetycznych urządzenia. Może estetyka wykonania urządzenia z punktu widzenia inżyniera prowadzącego ruch instalacji nie jest tak istotna jak proces produkcyjny, to stanowi nieobiektywną ocenę osób zewnętrznych.

Ponadto następstwem wykorzystania materiałów wątpliwej jakości jest prawdopodobieństwo zanieczyszczenia wody obiegowej lub środowiska chemikaliami pochodzącymi z obróbki tych materiałów. Jeżeli niemożliwe jest ustalenie bezpośredniego producenta, a przez to uzyskanie informacji, które pozwoliłyby na szybkie ograniczenie skutków problemu, to pozostaje powolne i kosztowne sprawdzenie wszystkich możliwych przyczyn i spóźniona reakcja. Inaczej to wygląda z certyfi kowanymi poddostawcami. Stosowanie produktów wyprodukowanych z materiałów o sprawdzonym pochodzeniu pozwala na bezpieczne założenie, że parametry podane przez projektanta urządzenia będą spełnione, a także pewność, że urządzenie nie stanowi zagrożenia dla zdrowia pracowników, ani środowiska naturalnego.

Podsumowanie

Istnieją różne technologie wykorzystywane w projektowaniu oraz produkcji urządzeń chłodzących wodę. Wybór jednego typu urządzeń jako optymalnego dla każdej instalacji jest niemożliwy, gdyż różne typy urządzeń pozwalają na osiągnięcie różnego rodzaju celów stawianych przy doborze urządzenia. Priorytety podczas doboru powinny zostać założone przez projektanta instalacji oraz przeanalizowane z użytkownikiem. Dobór optymalnego urządzenia będzie zależał w największym stopniu od specyfiki procesu, do którego wykorzystywane jest chłodzenie, specyfiki samej instalacji, a nawet od geografi cznej lokalizacji. 

Optymalizacja kosztów inwestycyjnych i kosztów eksploatacyjnych porównywanych urządzeń wymaga holistycznego podejścia do całego układu, co pozwoli na zbilansowanie zysków dla całej instalacji, a nie tylko porównania samych urządzeń, będących niewielką częścią układu.

Inwestor posiada wiele narzędzi, które mogą pomóc mu w wyborze urządzeń spełniających wymagania procesu. Certyfi kacja Eurovent Certita Certification (ECC) pozwala na zagwarantowanie parametrów cieplnych urządzenia, a przez to zapewnia użytkownika, że podczas pomiarów gwarancyjnych potwierdzone zostaną zadane parametry, co wykluczy konieczność modyfi kacji, a przyśpieszy proces inwestycyjny. Warto też zwrócić uwagę na materiał wykonania chłodni oraz źródło jego pochodzenia, gdyż tylko sprawdzone, certyfi kowane materiały gwarantują, że urządzenie zachowa swoje właściwości i nie spowoduje żadnego zagrożenia.

Więcej informacji o certyfikacji ECC/CTI można znaleźć w materiale na: http://www.proficool-fans.com/root/document/articles/13082015_eurovent-cti-article-pl.pdf 

Piotr STĘCHŁY
Starszy Doradca Techniczno-Handlowy,
Proficool FANS, Sp. z o.o.