Dry-coolery to elementy systemów klimatyzacyjnych, które odpowiadają za rozproszenie ciepła powstałego podczas pracy sprężarkowych układów chłodniczych. W klimatyzacji komfortu współpracują z tymi urządzeniami, w których skraplacz jest chłodzony cieczą. Do takich urządzeń należą agregaty wody ziębniczej, szafy klimatyzacyjne z chłodnicą bezpośredniego odparowania itp. Dry-coolery znajdują również zastosowanie w zakładach przemysłowych, gdzie odprowadzają ciepło z różnych procesów technologicznych.

Budowa

Dry-coolery zwane też są suchymi chłodnicami cieczy lub suchymi schładzaczami cieczy (ang. dry – suchy, pozbawiony wody), gdyż przekazywaniu ciepła nie towarzyszy wymiana wilgoci. Proces odbywa się na zasadzie wymiany ciepła tylko jawnego.

Konstrukcja schładzaczy cieczy zbudowana jest w oparciu o:

„„ - wymiennik woda-powietrze,
„„ - wentylatory (najczęściej osiowe, choć istnieją również wykonania specjalne z wentylatorami promieniowymi),
„„ - układ automatycznej regulacji (której zadaniem jest utrzymanie zadanej temperatury wody na wylocie),
„„ - obudowę z nóżkami.

Ciągłe dążenie producentów do uzyskania jak największej wydajności i jak najmniejszych wymiarów poskutkowało modyfikacją tradycyjnych rozwiązań o układy zraszania, których zadaniem jest zwiększenie intensywności wymiany ciepła poprzez odparowanie wody. Mamy zatem obecnie do czynienia z gotowymi produktami dostępnymi na rynku, zwanymi drycoolerami z funkcją „zraszania wodnego”. Na układ zraszania wodnego składają się:

„„ - dysze rozpylające,
„„ - zawory elektromagnetyczne sterujące pracą dysz (dwa zawory umożliwiają dwustopniową regulację ilości natryskiwanej wody),
„„ - przewody rozprowadzające wraz z manometrem na głównym kolektorze zasilającym,
„„ - ręczny zawór opróżniający lub automatyczny układ opróżniający, uruchamiany, gdy system ma zostać wyłączony,
„„ - presostat niskiego ciśnienia sygnalizujący zbyt niskie ciśnienie dopływającej wody.

Suche dry-coolery

Działanie standardowych urządzeń (suche dry-coolery) polega na wymianie ciepła pomiędzy wodą a powietrzem atmosferycznym. Wymiennik ciepła ukształtowany w formie ożebrowanej wężownicy przekazuje ciepło jawne do powietrza zewnętrznego. (...)

Rys. 1. Dry-cooler w układzie „V” z funkcją zraszania wodnego

Schładzacze cieczy z systemem zraszania wodnego

Większość systemów, jak również same urządzenia, są projektowane na maksymalne obciążenia cieplne. Takie warunki w przypadku większości systemów klimatyzacji komfortu występują jedynie przez krótki okres czasu pracy w ciągu roku, podczas gdy przez pozostały okres urządzenia pracują ze zmniejszoną wydajnością.

Urządzenia zatem przez dłuższy okres czasu pracują jako przewymiarowane. Z tego powodu producenci dopasowują swoje produkty do pracy ze zmniejszonym obciążeniem cieplnym, ale z uwzględnieniem występowania przez krótki przedział czasowy obciążeń maksymalnych.

W przypadku agregatów chłodniczych próby dopasowania się do takich warunków pracy polegają na zastosowaniu układów chłodniczych wielobiegowych i wielosprężarkowych lub ze sprężarkami o płynnej regulacji wydajności. Przez dłuższy czas urządzenia pracują z wyższą efektywnością, podczas gdy przy pracy z pełnym obciążeniem uzyskują gorsze wskaźniki efektywności energetycznej. W ujęciu całego sezonu efektywność energetyczna jest bardzo wysoka z uwagi na pomijalny czas pracy ze zmniejszoną efektywnością (przy pełnym obciążeniu cieplnym).

Z tego samego powodu producenci dry-coolerów do standardowych urządzeń montują systemy zraszania wodnego (water spray system) (rys. 1). Można tutaj rozróżnić dwie różne idee przyświecające ich zastosowaniu:

- „adiabatyczne” schłodzenie powietrza: rozwiązanie to polega na zastosowaniu układu zraszania, w którym dysze są ukierunkowane przeciwnie do kierunku przepływu powietrza. W ten sposób uzyskuje się schłodzenie powietrza wlotowego na wymiennik i tym samym wzrost wydajności wymiennika dry-coolera. W zasadzie idea jest zbliżona do komór zraszania, w których uzyskuje się nawilżenie powietrza. W przypadku komór zraszania celem jest nawilżenie powietrza, a efektem ubocznym jest jego schłodzenie, w tym wypadku celem jest samo schłodzenie powietrza.

To, czy proces będzie adiabatyczny, będzie zależeć od temperatury wody natryskiwanej - jeżeli proces ma być adiabatyczny woda zraszająca powinna posiadać temperaturę równą temperaturze termometru mokrego powietrza wlotowego. Zwykle w takim wypadku mówi się o procesie adiabatycznym, ale przebieg procesu na wykresie Molliera jest zgodny z linią stałej temperatury termometru mokrego, a nie stałej entalpii powietrza. Jednak z uwagi, iż przebieg ten jest praktycznie bardzo zbliżony do przebiegu wzdłuż stałej entalpii powietrza przyjęto nazywać ten proces adiabatycznym.Należy jednak pamiętać, iż w rzeczywistości przebiega on po linii stałej temperatury termometru mokrego i nie jest on całkowicie adiabatyczny.

Uzyskiwane w ten sposób schłodzenie powietrza przed wlotem do drycoolera powoduje wzrost wydajności wymiennika. Drycoolery mogą być wymiarowane dla niższej temperatury powietrza zewnętrznego (o około 5-6°C poniżej temperatury obliczeniowej temperatury powietrza z e w n ę t r z n e g o ) , uzyskując redukcję wymiarów przy takim samym poziomie hałasu lub niższy poziom hałasu przy takich samych wymiarach w odniesieniu do obliczeniowych warunków pracy.

Dla przykładu przy obliczeniowej temperaturze powietrza atmosferycznego 32°C przyjmuje się temperaturę do doboru urządzeń rzędu 27°C.

Oczywiście woda wykorzystywana do schłodzenia powietrza powinna posiadać parametry zgodne z wymogami Dyrektywy 98/83/EC. Ujemny logarytm ze stężenia jonów wodorowych pH powinien mieścić się pomiędzy 6,0÷8,0, zaś twardość wody pomiędzy 2 i 4°F. Maksymalne dopuszczalne stężenie chloru wynosi 200 ppm. Przy zastosowaniu wody natryskiwanej na wymiennik przez okres do 200 godzin w ciągu roku nie tworzy się kamień wapniowy na powierzchni wymiennika. Z tego powodu producenci sugerują zastosowanie licznika czasu godzin pracy układu zraszania, by przestrzegać tego warunku. Dysze powinny być czyszczone i kontrolowane co najmniej raz w roku.

Podobnie jak w przypadku standardowych dry-coolerów, istnieje konieczność opróżnienia wody z instalacji oraz wymiennika, gdy temperatura zewnętrzna jest niższa od 0°C lub zastosowanie domieszek monoetyloglikolu jako cieczy zapobiegającej zamrożeniu. W przypadku układów ze zraszaniem wodnym dodatkowo należy całkowicie opróżnić instalację zraszania, gdy temperatura zewnętrzna jest niższa od 5°C.

- odparowanie wody z powierzchni wymiennika: urządzenia tego typu pracują jako suche chłodnice do momentu, w którym temperatura powietrza zewnętrznego pozwala na uzyskanie odpowiedniej wydajności ziębienia i temperatury wody na wylocie z urządzenia. (...)

Rys. 2. Wykres obrazujący częstość występowania powietrza zewnętrznego o danej temperaturze dla centralnego regionu Europy (wg LU-VE). Polem niebieskim zakreślono ten udział w ciągu sezonu pracy, przy którym urządzenie pracuje „na mokro” (930 godzin). Kolorem żółtym oznaczono okres pracy „na sucho”, który występuje przez znacznie dłuższy czas pracy w ciągu sezonu. Podobny wykres można stworzyć dla polskich warunków klimatycznych w oparciu o dane uzyskane z Instytutu Meteorologii

Rys. 4. Elementy i podzespoły zraszania wodnego działającego w oparciu o metodę natrysku mgły wodnej na wymiennik

Nowe rozwiązania, nowe możliwości...

Autor chciałby zwrócić uwagę na fakt, że w dużej mierze możliwości, jakie daje powietrze zewnętrzne o niskiej temperaturze, nie są w systemach klimatyzacyjnych wykorzystywane. Podobnie jak w przypadku sprężarkowych agregatów wody ziębniczej, również dla dry-coolerów powinna zostać przewidziana funkcja kompensacji wartości zadanej od temperatury powietrza zewnętrznego. O ile w przypadku agregatów wody ziębniczej taka funkcja jest coraz bardziej popularna to większość producentów dry-coolerów takiej możliwości nie oferuje.

Zadaniem takiego układu regulacyjnego byłaby możliwość dynamicznej zmiany nastawy wartości zadanej z jaką ma pracować dry-cooler na inne parametry.

Rys. 9. Porównanie dwóch algorytmów regulacji tradycyjnego typu proporcjonalnego P oraz proporcjonalno-całkująco-różniczkującego PID w połączeniu z kompensacją wartości zadanej dry-coolera. Przy obniżającej się temperaturze powietrza zewnętrznego można obniżyć wartość nastawy jaka ma zostać dotrzymana na wyjściu z dry-coolera.

Podsumowanie

Zawarte w artykule informacje przedstawiają nowości z zakresu oferty producentów dry-coolerów ze szczególnym uwzględnieniem urządzeń z funkcją zraszania wodnego. Nowe rozwiązania pozwalają na nowe możliwości poszukiwania oszczędności energetycznych i poprawę efektywności energetycznej budynków w zakresie systemów klimatyzacyjnych.

Autor pragnie podziękować p. Sławomirowi Kalbarczykowi z firmy LU-VE za otrzymane materiały dotyczące nowych urządzeń.

LITERATURA

[1] Materiały firmy LU-VE oraz innych producentów