W artykule zaprezentowano metodę optymalizacji pracy chłodnic, poprzez regulację parametrów wody lodowej na odpływie i maksymalizację wykorzystania mocy chłodniczej źródła zimna, praktycznie w każdych warunkach i miejscach zabudowy chłodnic powietrza. Metoda oparta na recyrkulacji części strumienia wody odpływającej z chłodnicy umożliwia uzyskanie większego strumienia wody zasilającej o nieznacznie wyższej temperaturze, oraz zwiększenie mocy chłodniczej. Przedstawiono także charakterystyki przepływowe przykładowej chłodnicy przy różnym stopniu recyrkulacji wody lodowej. Porównano zależności deklarowane przez producenta oraz charakterystyki ruchowe, uzyskane w wyniku analizy korelacyjnej parametrów pracy chłodnic w trudnych warunkach środowiskowych – w warunkach dużego zapylenia powietrza. W analizie efektów rozwiązania uwzględniono zmiany wartości współczynników wymiany ciepła na trasie rurociągu zasilającego i powrotnego, oraz związane z tym zjawiskiem straty energii chłodniczej.

Wprowadzenie
Efektywność pracy systemów klimatyzacji dużej mocy jest złożoną funkcją techniczno-ekonomiczną obejmującą w swoim opisie wszystkie wchodzące w skład systemu elementy, zespoły i związane z nimi procesy, a w szczególności:
● wytwarzanie energii chłodniczej w centralnych agregatach wody lodowej,
● rozprowadzanie wody lodowej w rozległej sieci rurociągów izolowanych i nieizolowanych, do poszczególnych miejsc wymagających chłodzenia powietrza,
● ochładzanie powietrza w wentylatorowych chłodnicach powietrza, zasilanych zimną wodą lodową.

Pochłaniająca znaczące nakłady finansowe i rzeczowe instalacja centralnej klimatyzacji o działaniu pośrednim wymaga efektywnego ustawienia punktu pracy oraz takiej regulacji parametrów, aby optymalnie zostały wykorzystane możliwości produkcji zimna, wynikające z charakterystyki agregatów wody lodowej.
W szczególności dotyczy to systemów, w których poszczególne chłodnice powietrza, w rzeczywistych warunkach eksploatacji, będą lokalizowane w różnych warunkach środowiskowych. Przebieg charakterystyki przepływowo-wydajnościowej chłodnic powietrza, zabudowanych w różnych warunkach klimatycznych, może spowodować ustalenie się mocy chłodniczej oraz temperatury wody na odpływie z chłodnicy na zbyt niskim poziomie, z uwagi na nominalne parametry agregatów wody lodowej.
W przypadku rozległego systemu klimatyzacji centralnej o działaniu pośrednim wskazane będzie zastosowanie takiego rozwiązania technicznego, które umożliwi utrzymanie stabilnych parametrów działania chłodnic powietrza, zapewniających optymalne wykorzystanie potencjału agregatów chłodniczych. W artykule przedstawiono koncepcję techniczną takiego rozwiązania, a także zamieszczono wyniki analizy obliczeniowej, wykonanej dla przypadku współdziałania przykładowych konstrukcji – ożebrowanych stalowych chłodnic powietrza, z modelowym systemem klimatyzacji.

Warunki i wymagania dla efektywnej pracy chłodnic powietrza
Przyjęty do analizy system klimatyzacji z centralnym źródłem energii chłodniczej, zespołem wodnych chłodnic powietrza oraz zespołem redukcji ciśnienia hydrostatycznego przedstawiono na rysunku 1. Wyszczególniony na schemacie blok zespołu redukcji ciśnienia jest istotnym elementem systemu, szczególnie w rozwiązaniach technicznych klimatyzacji dla przemysłu wydobywczego – a zwłaszcza w kopalniach głębinowych, gdy występują znaczne różnice poziomów głębokości miejsc zabudowy poszczególnych elementów klimatyzacji.
Do analizy przyjęto następujące wartości podstawowych parametrów termicznych charakteryzujących działanie systemów klimatyzacji centralnej:
● temperatura wody lodowej ochłodzonej w agregatach chłodniczych w zakresie 1,5÷2,0°C,
● temperatura wody lodowej na dopływie do chłodnic powietrza około 5°C,
● przyrost temperatury wody w efektywnie działających chodnicach powietrza Δt = 15,5÷16,0°C,
● temperatura wody powracającej do agregatów chłodniczych 21÷22°C.

Przyjęte parametry uwzględniane są na etapie założeń technicznych i projektowania nowych instalacji. Wartości odpowiadają rzeczywistym warunkom optymalnej pracy podobnych instalacji, działających w obiektach w kraju, jak i w innych kopalniach na świecie.
Do analizy warunków współdziałania zespołu chłodnic powietrza z pozostałą infrastrukturą instalacyjną systemu klimatyzacji przyjęto wielkość strumienia cyrkulującej wody lodowej na poziomie około 240 m³/h. Dla takiej wartości przepływu określone są wielkości strat energii chłodniczej oraz opisane liczbowo procesy cieplne, następujące podczas przepływu wody lodowej długimi rurociągami klimatyzacji [1].
Załozono następujące wartości parametrów cieplnych charakteryzujących rozważany system klimatyzacji :
● wydajność chłodnicza centralnego źródła chłodu około 5,5 MW,
● stopień wykorzystania nominalnej wydajności centralnej stacji chłodniczej przez zespół chłodnic powietrza około 80%,
● wydajność chłodnicza zespołu chłodnic powietrza około 4,4 MW.

Analizowany system klimatyzacji może pracować z wykorzystaniem różnego rodzaju rozwiązań technicznych poszczególnych zespołów składowych, w tym także z różnymi wersjami konstrukcyjnymi chłodnic powietrza. Istotnym zagadnieniem jest w tym przypadku dostosowanie charakterystyki przepływowo-wydajnościowej chłodnic do pozostałych elementów systemu, w celu uzyskania optymalnego punku pracy stacji agregatów chłodniczych oraz całej instalacji systemu klimatyzacji.

Rzeczywiste charakterystyki pracy chłodnic i ich współdziałania z systemem klimatyzacji
W dotychczasowej praktyce przemysłowej podstawowym, typowym do zastosowania w systemach klimatyzacji kopalń, rozwiązaniem technicznym chłodnicy powietrza jest wymiennik wężownicowy, beż ożebrowania po stronie zewnętrznej. Taka konstrukcja okazała się skuteczna w trudnych warunkach środowiskowych, przy dużym zapyleniu oraz wysokiej wilgotności powietrza i przy silnym oddziaływaniu korozyjnym atmosfery kopalnianej (wężownice chłodnic dla klimatyzacji kopalń wykonane są z rur miedzianych) [2]. Brak rozwinięcia powierzchni wymiany ciepła na lamelach lub żebrach, powoduje jednak, że wymiary i masa wymienników wężownicowych są znaczne. To z kolei determinuje wysoki koszt urządzenia. Przykładowe rozwiązanie konstrukcyjne chłodnicy powietrza, wytwarzanej przez firmę GFW-WAT [2] przedstawiono na rysunku 2.
Alternatywnym, w stosunku do powyższego, rozwiązaniem technicznym jest chłodnica stalowa ożebrowana typu Z-3, zaprojektowana i wykonana specjalnie dla kopalń rud miedzi w Polsce przez Mostostal Wrocław S.A. [2]. Zastosowanie ożebrowania pozwoliło w tym przypadku na ograniczenie wymiarów wymiennika. Przykładowo, długość wymiennika wężownicowego, bez wentylatora, (jak na rys. 2) wynosi około 3200 mm, zaś długość wymiennika ożebrowanego wynosi około 1830 mm. (...)

Sposób oraz efekty regulowania i dostosowania punku pracy chłodnic powietrza do wymagań optymalnego działania agregatów wody lodowej
(...)

Wnioski końcowe
Przeprowadzone w warunkach rzeczywistych, podczas pracy, pomiary i obserwacje wykazały, że przykładowe chłodnice ożebrowane stalowe, w pewnych warunkach środowiskowych mogą uzyskiwać znacznie zaniżone parametry działania, przy których występuje niedociążenie agregatów wody lodowej. Należy spodziewać się również szerokiego przedziału zmienności temperatury wody na odpływie z chłodnic.
Zaproponowane nowatorskie rozwiązanie bazujące na recyrkulacji części strumienia wody odpływającej z chłodnicy umożliwiają uzyskanie optymalnego punktu pracy chłodnicy powietrza lub zespołu chłodnic, oraz maksymalizację wykorzystania mocy chłodniczej źródła zimna.