Wokół wież chłodniczych narosło dużo inżynierskich legend, które są powtarzane przez coraz to młodszych inżynierów bez próby zrozumienia istoty rzeczy, a wnioski oparte o niepełne informacje rozpalają wyobraźnię w znajdowaniu argumentów, najczęściej przeciwnych stosowaniu wież chłodniczych w instalacjach klimatyzacyjnych, a także często przemysłowych i chłodniczych.

Jednym z takich elementów jest także język, jakim posługujemy się w rozmowie z klientami. Zwykle rozróżniają oni wieże typu otwartego i typu zamkniętego, co nie oddaje de facto obrazu całości stosowanej technologii. Termin wieża chłodnicza (cooling tower) czasami używany jest wymiennie z terminem chłodnia, ale dla utrzymania jednolitej terminologii w dalszym tekście będę posługiwał się terminem wieża. Wieże chłodnicze, uwzględniając konstrukcyjne zastosowania, są dzielone ze względu na funkcję i zastosowaną technologię na wieże typu otwartego oraz schładzacze cieczy/fluid coolers (nazywane potocznie wieżami zamkniętymi).

Wieża typu „otwartego” wykorzystuje zjawisko wymiany ciepła pomiędzy opadającą wodą a przepływającym powietrzem i ze względu na bezpośrednią styczność pracujących mediów nazywany jest obiegiem otwartym – stąd wieża typu otwartego. Kierunek przepływu powietrza pozwala na podział wież chłodniczych na wieże z przepływem w przeciwprądzie (counterflow), przy czym woda opada w dół, a powietrze przemieszcza się od dołu do góry naprzeciw opadającej wodzie oraz na wieże z przepływem poziomym powietrza (crossflow) – w tym przypadku woda opada najczęściej pod wpływem grawitacyjnym w dół, a powietrze tłoczone jest w poprzek strumienia wody. Oczywiście występują jeszcze chłodnie kominowe, które wykorzystują zjawisko naturalnego ciągu spowodowanego różnicą ciśnień pomiędzy poziomem wlotu powietrza a wylotem z chłodni, ale ten typ urządzeń warty jest oddzielnego opisania ze względu nie tylko na rozmiary, ale także specyfikę funkcjonowania i miejsce zastosowań – raczej w energetyce i przemyśle ciężkim, a nie w klimatyzacji.

Drugi typ wież, nazywanych wieżami zamkniętymi, będącymi de facto schładzaczami cieczy. Jest to rozwiązanie, w którym zastosowano wymiennik rurowy (tube bundle), spełniający funkcję wymiennika pośredniego, który jest bądź ochładzany opadającą wodą schłodzoną uprzednio na złożu zraszalnika lub też odparowanie wody następuje bezpośrednio na jego powierzchni. Typ zastosowanego wymiennika może uwzględniać nie tylko różny materiał konstrukcyjny (stal galwanizowana, miedź, stal nierdzewna) odpowiedni dla ochładzanego czynnika (woda, roztwór wody i glikolu, olej itp.), ale także w zależności od opcji i oczekiwanej wydajności może być wykonany z lamelami zwiększającymi sprawność wymiany ciepła dla potrzeb chłodzenia bez zraszania wodą w okresie niskiej temperatury lub też bez takich lamel, zachowując w zależności od producenta i modelu wydajność od 15 do 35% sprawności wymiany ciepła (w porównaniu do nominalnej mocy).

Pomijany często, a istotny przy określonych zastosowaniach, jest także rodzaj napędu odpowiedzialnego za tłoczenie powietrza, a w tym przypadku podział wież i schładzaczy ze względu na rodzaj wentylatora stosowany jest na wieże z ciągiem wymuszonym ssącym – induced draft (najczęściej wentylatory osiowe/ axial) oraz z ciągiem wymuszonym tłoczącym – forced draft (zwykle wentylator promieniowy/centrifugal). Napęd wentylatora zwykle wykonany jest w postaci napędu pasowego, a także, co staje się standardem dla bardziej wymagających klientów, w postaci przekładni pośredniej napędzającej wentylator od silnika połączonego bezpośrednio wałem napędowym, w przypadku wyniesienia silnika poza obudowę wieży. Istotnym jest wspomnieć, iż wieże chłodnicze, a także niektóre schładzacze cieczy, mają systemy rozprowadzające wodę na złoże zraszalnika poprzez system ciśnieniowy rurociągów i tryskaczy lub też w sposób grawitacyjny, gdy woda swobodnie opada przez złoże zraszalnika. Typową konstrukcję wieży chłodniczej oraz schładzacza cieczy wraz z zachowaną oryginalną terminologią angielską pokazuje rysunek 1.

Rys. 1. Wieża otwarta i elementy składowe (źródło: SPX Cooling Technologies)

Zarówno wieże chłodnicze jak i schładzacze glikolu posiadają wiele możliwych opcji pozwalających na ich zastosowanie w systemach nieskomplikowanych, gdzie ich zadanie polega na prostym odprowadzeniu ciepła, oraz w systemach wymagających inżynierskiej optymalizacji zastosowanych urządzeń dla wypełnienia funkcji pracy jako free-cooling, sucha chłodnica (schładzacze cieczy) lub jako hybryda ukierunkowana do zmniejszenia efektu unosu wody, zwłaszcza w chłodnym klimacie. W konsekwencji, konstrukcja bazowa wież chłodniczych może być zmodyfikowana poprzez zastosowanie akcesoriów umożliwiających specjalne funkcje, takie jak chłodnica hybrydowa, tłumiki hałasu, różnorodne rodzaje złoża zraszalnika czy też materiał konstrukcji: stal galwanizowana, stal nierdzewna, FRP, GRP, drewno.

Oddzielnym aspektem jest certyfikacja wież i schładzaczy cieczy, która podobnie jak w przypadku pozostałych urządzeń wchodzących w skład instalacji klimatyzacyjnych powinna być standardem stosowanym przy wyborze producenta przez projektanta, inwestora czy też firmę konsultacyjną. Wielu producentów nie jest w stanie uzyskać certyfikatu CTI / Eurovent dla swoich produktów, gdyż nie spełniają one podstawowego wymogu zgodności rzeczywistej wydajności chłodniczej w deklarowanych warunkach. Innymi słowy, urządzenia niecertyfikowane powinny być szczególnie dokładnie rozważane przed podjęciem ostatecznej decyzji o zakupie, ze względu na niepewność związaną z deklarowaną wydajnością. Świadomość ryzyka związanego z tą niepewnością prowadzi do konieczności przewymiarowania urządzeń, a tym samym do zwiększenia kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych. Pomijając aspekt jakości urządzeń niecertyfikowanych, który jest związany pośrednio z wiarygodnością warunków gwarancyjnych jakie otrzymuje inwestor, to dodatkowo z urządzeniami niecertyfikowanymi wiąże się element braku bezpieczeństwa podczas eksploatacji i obsługi. Deklarowane często certyfikaty zgodności mogą nie odpowiadać rzeczywistym wymogom procesu certyfikacji, a urządzenia niekompletne w wymaganych przez certyfikat konfiguracjach podczas eksploatacji mogą wręcz stwarzać określone niebezpieczeństwo. Konsekwencje związane z błędnym wyborem obciążają inwestora jako właściciela instalacji, a modernizacja lub wymiana urządzeń jest często niemożliwa lub zbyt kosztowna po fakcie. Certyfikat wydajnościowy każdego urządzenia, a w tym wież chłodniczych projektant/inwestor może sprawdzić na stronie Eurovent (www.certification-eurovent.com) lub w przypadku wież chłodniczych i schładzaczy cieczy na stronie Cooling Technology Institute (www.cti.org). Należy zauważyć, iż na dzień dzisiejszy Eurovent posiada listę certyfikowanych wież chłodniczych, a schładzacze cieczy są kolejnymi urządzeniami, jakie pojawią się w związku z rozszerzeniem zakresu certyfikowanych przez Eurovent urządzeń pod względem wydajności. Przeglądając informacje na stronach Eurovent i CTI, należy pamiętać, iż tylko produkty wymienione na tych listach posiadają potwierdzoną wydajność i certyfikację, a nie dotyczy ona producentów jako dostawców urządzeń. Wspominam o tym warunku dlatego, iż niektórzy producenci posiadający wymienione produkty na listach certyfikowanych produktów CTI/Eurovent oferują często produkty niecertyfikowane na rynek Europejski, a w konsekwencji często o zaniżonych poniżej deklarowanych wartości parametrach wydajności.

Rys. 2. Schładzacz cieczy i elementy składowe (źródło: SPX Cooling Technologies)

Decydując się na zastosowanie określonego rozwiązania systemów chłodzenia, inżynier odpowiedzialny za projekt powinien rozważyć wiele elementów wchodzących w skład instalacji, a obejmujących swoim zakresem kompleksowość rozwiązania. Przez kompleksowość rozwiązania należy rozumieć elementy konstrukcji, przestrzeń techniczną, wpływ na otoczenie, energochłonność (rozumiana jako współczynnik efektywności, uwzględniająca wszystkie elementy instalacji), koszt inwestycyjny, specyfikę i koszty obsługi oraz funkcjonalność. Analizując poszczególne elementy decyzyjne przy wyborze najlepszej technologii należy zauważyć, że tylko niektóre z nich są determinujące, a pozostałe są względne. Do determinujących elementów należy zaliczyć elementy konstrukcji, przestrzeń techniczną i wpływ na otoczenie, gdyż są one decydujące co do wyboru zastosowanej technologii chłodzenia. Umiejscowienie maszynowni chłodu i przestrzeń techniczna decydują o możliwych wyborach pomiędzy systemem opartym o urządzenia z systemem wyrzutu ciepła pośrednim lub bezpośrednim. Do tego rodzaj urządzeń i ich opcjonalna konfiguracja określona jest wymogami otoczenia.

Wybierając określony system źródła chłodu, projektant i inwestor mają możliwość decyzji, co do systemu opartego o agregat chłodzony powietrzem lub agregat chłodzony wodą/roztworem niezamarzającym, przy czym system oparty o urządzenia z chłodzeniem pośrednim daje większe możliwości konfiguracji. W przypadku wyboru agregatu chłodzonego powietrzem, rozwiązanie pozornie proste może spowodować określone problemy związane ze stopniowym obniżaniem sprawności energetycznej w stosunku do deklarowanej w konsekwencji eksploatacji i zużycia elementów składowych urządzeń. Innymi słowy oprócz typowych elementów analizy opartych o koszt zakupu, koszt montażu, energochłonność początkową, rozmiary, poziom hałasu należy uwzględnić także wpływ eksploatacji, w tym środowiska na zużycie powierzchni skraplacza odpowiedzialnego za odprowadzenie ciepła, który z kolei odpowiada za sprawność układu chłodniczego.

O ile współczynnik ESEER uwzględnia parametry agregatu pracującego w określonym czasie eksploatacji z różną wydajnością, jako konsekwencją zmian temperaturowych otoczenia związaną z sezonowością eksploatacji, to dogłębna analiza czynników wpływających na wydajność wskazuje w praktyce, iż powyżej 900 kW mocy chłodniczej należy alternatywnie rozpatrywać zastosowanie wież chłodniczych, jako źródło odprowadzenia ciepła z instalacji klimatyzacyjnych. Prawdą jest, że instalacja agregatu chłodzonego powietrzem jest mniej skomplikowana niż instalacja wieży chłodniczej i elementów wspomagających jej pracę, ale z drugiej strony wieża chłodnicza nie tylko pozwala zmniejszyć rozmiary agregatu chłodniczego i zużycie energii elektrycznej, dzięki obniżeniu temperatury wody chłodzącej skraplacz do temperatury zbliżonej do wilgotnego termometru, ale pozwala także na planowe przewymiarowanie wydajności wieży chłodniczej bez negatywnych konsekwencji dla całej instalacji. Koszt takiego przewymiarowania jest dużo mniejszy i eksploatacyjnie prostszy do sterowania niż przewymiarowanie agregatu chłodniczego ze skraplaczem chłodzonym powietrzem. Jeżeli do tego uwzględnimy opcję prostej rozbudowy systemu o możliwość pracy jako free-cooling z zastosowaniem temperatury wody wyjściowej z wieży chłodniczej na poziomie około +7°C, uzyskamy instalację spełniającą warunek optymalizacji kosztów do oczekiwanej stopy zwrotu inwestycji, a przy tym zwiększymy bezpieczeństwo instalacji, stosując urządzenia z większym marginesem bezpieczeństwa i do tego o prostszej konstrukcji. Ten ostatni element pomaga także wpływać na koszt eksploatacji, który wiąże się z koniecznością przeglądów okresowych urządzeń. Wieże chłodnicze nie wymagają od obsługi dużej wiedzy specjalistycznej, a w sytuacjach awaryjnych inwestor nie jest tak uzależniony od serwisu jak w przypadku agregatów wody lodowej chłodzonych powietrzem. Jest to sprawa oczywiście dyskusyjna, gdyż w instalacji nadal występuje agregat chłodniczy ze skraplaczem wodnym, ale w jego przypadku koszty eksploatacyjne są także obniżone ze względu na stabilną pracę elementów agregatu zapewnioną przez optymalne warunki pracy, a powiązane także z odpowiednim dopasowaniem i zaprojektowaniem zładu instalacji chłodniczej do mocy i zapotrzebowania pracy agregatu chłodniczego.

(...)

Podsumowanie

Należy stwierdzić, że wieże chłodnicze oraz schładzacze glikolu stanowią rozwiązanie techniczne do zastosowania nie tylko w przypadku instalacji przemysłowych, ale także, przy spełnieniu określonych warunków, w instalacjach klimatyzacyjnych. Pomimo prostej budowy wymagają one kompleksowego podejścia projektanta do zastosowanego rozwiązania, a podejmowanie decyzji o ich zastosowaniu musi być poparte analizą opartą o podstawowe dane ekonomicznoeksploatacyjne, nie odbiegające specyfiką od zwykle stosowanych przy wyborze koncepcji. Rozwiązania oparte o wieże chłodnicze i schładzacze cieczy dają dużo możliwości w zakresie oszczędnej eksploatacji oraz uwzględniając prognozy wzrostu zapotrzebowania na obniżenie kosztów eksploatacji i ekologiczną pracę instalacji klimatyzacyjnych, powinny stanowić alternatywę dla tradycyjnych rozwiązań instalacji powyżej określonej wielkości, którą określam na 900 kW.

Jerzy KOT
SPX Cooling Technologies GmbH

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 10/2013