W artykule przedstawiono porównanie dwóch instalacji chłodniczych, pracujących w oparciu o parę wodną pobieraną z upustu turbiny parowej w układzie cieplnym siłowni parowej.

Rys. 1. Obieg absorpcyjny wykorzystywany do produkcji wody lodowej w siłowni parowej

Instalacje wody lodowej
Instalacje wody lodowej mogą być wykorzystywane w różnych procesach technologicznych: w instalacjach klimatyzacyjnych, inżynierii spożywczej oraz w inżynierii chemicznej i procesowej. Instalacje wody lodowej w dużej mierze są stosowane jako systemy rozprowadzające zimną wodę o temperaturze w granicach od 5 do 10°C.

Parownik pracujący w instalacji wody lodowej powinien pracować w temperaturze umożliwiającej utrzymanie tych parametrów termicznych wody dla warunków zasilania w granicach od 10 do 16°C. Parownik instalacji chłodniczej pracujący na potrzeby produkcji wody lodowej najczęściej może być zainstalowany w obiegu chłodniczym:
• sprężarkowym,
• absorpcyjnym amoniakalnym,
• absorpcyjnym LiBr,
• strumienicowym.

Przy czym powyższe instalacje chłodnicze posiadają pewne zalety i wady. Każda z nich pracuje na potrzeby produkcji wody lodowej i powinna być dobierana w zależności od dostępności odpowiednich nośników energii cieplnej lub elektrycznej.

W przypadku systemu chłodniczego wyposażonego w instalację wody lodowej istotny jest koszt budowy takiej instalacji. Dla małego zapotrzebowania na chłód nie powinno się inwestować w budowę takiej instalacji. Kluczową cechą instalacji chłodniczych pracujących w oparciu o wodę lodową jest wysoki koszt budowy instalacji oraz niski koszt jej eksploatacji. Z tego powodu instalacje wody lodowej instalowane są w dużych zakładach przetwórstwa spożywczego, elektrociepłowniach, czy nawet w budownictwie (klimatyzacja komfortu). Ponieważ są to z reguły instalacje odcięte od otoczenia, do celów kompensacji skoków ciśnienia wynikających z pracy zaworów i pomp stosowane są zbiorniki wyrównawcze. W układach opartych na wodzie lodowej rozprowadzanie zimnej wody do wymienników ciepła (np. klimakonwektory w układach klimatyzacji komfortu) odbywa się za pomocą pompy obiegowej i rurociągów połączonych z parownikiem urządzenia chłodniczego (agregatu wody lodowej).

Rys. 2. Obieg strumienicowy wykorzystywany do produkcji wody lodowej

Produkcja wody lodowej w obiegach siłowni cieplnych
W elektrociepłowniach istnieje możliwość produkcji wody lodowej, która może być wykorzystywana w blisko położonych obiektach przemysłowych ewentualnie na potrzeby własne. W obiektach tych z założenia mogą być realizowane procesy technologiczne, w których istnieje zapotrzebowanie na chłód [1, 2].

Systemy elektrociepłowni produkujące wodę lodową mogą pracować w oparciu o różne technologie. Do tych technologii można zaliczyć:
• systemy sprężarkowe, przy czym mogą być one napędzane silnikiem elektrycznym bądź turbiną parową. Są to systemy stosowane zamiennie z układami absorpcyjnymi. Charakteryzują się większą złożonością konstrukcji i w związku z tym mogą być bardziej awaryjne. W przypadku napędu sprężarki turbiną parową wykorzystywana jest para wodna o wysokich parametrach termicznych;
• systemy absorpcyjne – są zasilane cieplnie i umożliwiają pozyskiwanie wody lodowej przy względnie niewielkiej temperaturze zasilania. Systemy te mogą wykorzystywać ciepło odpadowe i nie muszą być napędzane parą wodną (można zasilać je również spalinami). Ich efektywność jest niższa niż obiegów sprężarkowych, tym niemniej są dość niezawodne z racji mniejszej ilości elementów narażonych na uszkodzenia;
• systemy strumienicowe – są zasilane cieplnie i również umożliwiają pozyskiwanie wody lodowej przy względnie niskich parametrach pary zasilającej. Systemy strumienicowe pracujące w oparciu o parę wodną pobieraną z upustu turbiny nie są najlepszym rozwiązaniem, gdyż charakteryzują się niewielką efektywnością.

Przedstawione na rysunku 1. i 2. obiegi są wyposażone w układ produkcji pary wodnej (kocioł z przegrzewaczem), turbinę parową, skraplacz obiegu energetycznego oraz główną pompę obiegową. Dodatkowo w obiegach tych występują zamiennie układ strumienicowy oraz absorpcyjny, które porównano ze sobą, gdyż oba te systemy mogą być zasilane ciepłem pobieranym z pary upustowej. Jednocześnie w obu tych instalacjach czynnikiem realizującym pozyskiwanie chłodu jest woda. W pierwszym układzie zastosowano jako obieg chłodniczy system absorpcyjny, w drugim układzie zastosowano system strumienicowy. Oba obiegi do celów ich porównania zasila się stałym wydatkiem pary upustowej na poziomie 0,0558 kg/s. W przypadku obiegu absorpcyjnego teoretyczne obliczenia wykazały, że przy temperaturze odparowania 1,331°C pozyskuje się 82,2 kW chłodu. Dla tej samej temperatury odparowania i masowym wydatku pary z upustu turbiny uzyskuje się tylko 12 kW chłodu w przypadku układu strumienicowego. Wartość COP dla obiegu z systemem absorpcyjnym i strumieniowym zdefiniowano jako efekt całkowity do poniesionego nakładu tzn:

COP = (W_th + Q_p) / Q_kotła (1)

Chłodniczy układ strumienicowy przedstawiony na rysunku 2. może pracować w zależności od charakterystyki strumienicy albo na wydajność masową albo na różnicę ciśnień. W przypadku obiegu strumienicowego istnieje zależność wiążąca spręż ze stosunkiem ejekcji w postaci krzywej (rys. 3.) co przekłada się na zależność między ciśnieniem odparowania a masowym wydatkiem czynnika roboczego zasysanego z parownika. Zależność ta uniemożliwia osiągnięcie dużej wydajności masowej, w przypadku gdy oczekiwana jest niska temperatura. Jednoczenie duża wydajność masowa czynnika roboczego może być uzyskana przy niewielkim sprężu (różnicy ciśnień między ciśnieniem tłoczenia a ssania), co przekłada się na temperaturę panującą w parowniku (im mniejszy spręż tym temperatura odparowania jest wyższa i większy jest masowy wydatek czynnika pobierany z parownika przez strumienicę). (...)

Rys. 3. Charakterystyka strumienic przyjęta w obliczeniach układu próżniowego systemu energetycznego

Podsumowanie
W pracy porównano dwa systemy produkujące wodę lodową. Porównano obieg absorpcyjny z obiegiem strumienicowym pracującym w układzie siłowni cieplnej. Z porównania obu obiegów wynika wniosek, że praca siłowni parowej z systemem absorpcyjnym jest efektywniejsza. Oba obiegi (absorbcyjny i strumieniocowy) posiadają wady związane z trudnościami projektowo-wykonawczymi, tym niemniej zastosowanie systemów sprężarkowych w instalacjach siłowni cieplnych produkujacych chłód na potrzeby własne wiąże się z ich większą awaryjnością.

LITERATURA
[1] SCHROEDER A., ŁACH J., POSKROBKO S.: Przegląd tendencji w zakresie wytwarzania wody lodowej w systemie trójgeneracji. Archives of Waste Management ISSN 1733- 4381, Vol. 11 (2009), Issue 3, pp. 63–74.
[2] www.trigeneration.eu
[3] Herold K.E., Radermacher R., KleinS.A.; Absorption Chillers and Heat Pumps,
[4] CRC 1996 Troskolański A.T., Goliński J. A.; STRUMIENICE. TEORIA I KONSTRUKCJA. WNT, 1979