W publikacji omówiono najważniejsze zalety i wady zawiesiny lodowej jako czynnika chłodniczego stosowanego w pośrednich systemach chłodzenia. Przedstawiono sposoby akumulacji i dystrybucji zawiesiny lodowej oraz przykłady jej zastosowań w instalacjach klimatyzacyjnych. 

Cechy układów chłodzenia z zawiesiną lodową
     Dążenie do zachowania równowagi pomiędzy zużyciem energii i ochroną środowiska implikuje wprowadzanie nowych czynników chłodniczych i technologii. Należy do nich technologia chłodzenia bazująca na zawiesinie lodowej (ZL). Charakteryzuje ją znaczny potencjał w zakresie ochrony środowiska jak również uzyskiwania wymiernych korzyści ekonomicznych. Zawiesina lodowa jest mieszaniną kryształków lodu wodnego i wody lub wody z dodatkiem środka obniżającego temperaturę krzepnięcia (np. soli, glikolu, alkoholu, itp.). Ciecze nośne zawiesiny lodowej to najczęściej wodne roztwory C₂H₅OH, LiCl, NaCl, CaCl₂, C₂H₄(OH)₂ (glikolu etylenowego), C₃H₈O₂ (glikolu propylenowego) o stężeniach głównie 10÷15% (max. 30%). Średnice drobinek lodu zawierają się najczęściej między 1,0˙10-4÷0,5 mm. Udziały masowe drobinek lodu w zawiesinie nie przekraczają zwykle 40%. Zawiesiny lodowe wytwarzane są przez tzw. generatory zawiesiny lodowej o różnorodnych rozwiązaniach konstrukcyjnych. Są to między innymi generatory mechaniczno-skrobakowe, przepływowo-wirowe, fluidyzacyjne, próżniowe, krystalizujące przechłodzoną wodę ultradźwiękami, poprzez zmianę momentu pędu strumienia lub poprzez pęcherzyki krystalizacji [1].
     Przewaga zawiesiny lodowej w stosunku do czynników chłodniczych oraz innych nośników ciepła wynika z dużej właściwej wydajności cieplnej, dużego efektywnego współczynnika przewodzenia ciepła, neutralności wobec środowiska naturalnego, zerowego potencjału niszczenia warstwy ozonowej, zerowego potencjału efektu cieplarnianego oraz możliwości wykorzystania zawiesiny lodowej nie tylko jako nośnika ciepła, ale także jako medium akumulującego ciepło. Wadami zawiesiny lodowej w stosunku do innych chłodziw są: większa lepkość, skłonność do zbrylania i aglomeracji cząstek oraz zmienność w czasie właściwości reologicznych, spowodowana efektem „starzenia się” kryształków lodu.
     Podstawową zaletą instalacji z zawiesiną lodową jest możliwość skojarzenia jej z systemem akumulacji ciepła. Pozwala to na ograniczenie szczytowej mocy urządzenia ziębniczego o 50÷80%, redukcję o 80% napełnienia instalacji czynnikiem chłodniczym oraz wykorzystanie taryf nocnych i zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych o 25÷50% [2]. Wykorzystując zawiesinę lodową można kilkakrotnie (od 2 do 10 razy) zmniejszyć pojemność akumulacyjnego zbiornika wodnego [3]. Porównanie możliwości chłodzenia za pomocą wody lodowej przy zmianie temperatury o Δt_w, oraz za pomocą zawiesiny lodowej o udziale masowym lodu x_s przedstawiono w tabeli 1.
     Średnio około ośmiokrotnie większa właściwa wydajność cieplna zawiesiny lodowej w stosunku do tradycyjnych czynników pośredniczących umożliwia zmniejszenie strumienia masy zawiesiny i redukcję, nawet o 50%, średnic rur i prędkości przepływu. Wpływa to na spadek kosztów instalacji oraz ograniczenie średnio do 12,5% zużycia energii związanej z transportem chłodziwa [1]. Na rysunku 1 przedstawiono porównanie mocy pomp pośrednich układów chłodzenia o wydajności 100 kW dla różnych nośników ciepła (wody lodowej, glikolu i z zawiesiny lodowej o różnych zawartościach lodu).

    W odróżnieniu od chłodziw konwencjonalnych, dzięki stałej temperaturze lodu zawiesinowego możliwe jest uzyskiwanie większych różnic temperatury czynników w wymiennikach ciepła i w związku z tym stosowanie wymienników o mniejszych powierzchniach wymiany ciepła. Dzięki prawie stałej temperaturze topnienia lodu osiągane są większe sprawności wymienników ciepła i można uzyskać niższą temperaturę medium chłodzonego. Zastosowanie zawiesiny lodowej w klimatyzacji pozwala na zmniejszenie temperatury powietrza powrotnego nawet o 5,5 K, co umożliwia redukcję strumienia o ponad 40%. Mniejsze przekroje kanałów wentylacyjnych zmniejszają koszty wykonania instalacji. Dodatkowym skutkiem związanym z niższą temperaturą powietrza pierwotnego (ok. 7^oC zamiast 13^oC) są lepsze warunki komfortu, dzięki obniżeniu wilgotności względnej z 60 do 35%. Opisane efekty mają wpływ na działanie układu regulacji, gdyż przy takim samym obciążeniu cieplnym obiektu możliwe są wyższe nastawy temperatury o około 1,5 K [5].
     Jedna z cech eksploatacyjnych instalacji z lodem zawiesinowym jest możliwość eliminacji odszraniania chłodnicy. Koleją cechą jest prosta regulacja – włączanie i wyłączanie pompy współpracującej z wymiennikiem ciepła. Pewnym niebezpieczeństwem w stosowaniu tego chłodziwa jest możliwość zatykania się instalacji i nierównomiernego rozdziału czynnika (należy unikać zaworów trójdrożnych). Instalacje z zawiesiną lodową są wyposażane w dodatkowe pompy czynnika pomiędzy generatorem lodu i zbiornikiem akumulacyjnym. Konieczność eliminacji segregacji lodu w zbiorniku akumulacyjnym za pomocą mieszadeł o mocy 25...70 W/m³ zwiększa zużycie energii elektrycznej. Uwzględniając ograniczenie mocy szczytowej urządzenia, zmniejszenie mocy pomp obiegowych oraz mocy wentylatorów uzyskuje się istotnie niższe koszty eksploatacyjne instalacji z zawiesiną lodową. Ważnym ograniczeniem w stosowaniu tego medium jest wysoka cena wytwornic zawiesiny. Typowy czas amortyzacji instalacji z zawiesiną lodową wynosi od 2÷4,5 roku [2], [6]. Dla dużych instalacji o mocy powyżej 1 MW czas amortyzacji wynosi około jednego roku [6].

Kiedy stosować systemy z ZL?
     Stosowanie systemów chłodzenia z zawiesiną lodową może być uzasadnione ekonomicznie w sytuacji:
● korzystania z akumulacji zimna,
● występowania znacznych różnic pomiędzy szczytowym (chwilowym) zapotrzebowaniem na „zimno” i średnim obciążeniem cieplnym,
● zróżnicowania czasowego cen energii elektrycznej (różne taryfy) oraz w przypadku stosowania upustów dla układów z akumulacją zimna, a także przy zmiennym dobowym zapotrzebowaniu na energię elektryczną,
● rozbudowywania układu chłodzenia lub konieczności jego modernizacji,
● wykonywania nowej instalacji chłodniczej,
● gdy oczekuje się korzyści dla układu dystrybucji powietrza chłodzącego.

     Podejmując decyzję o zastosowaniu zawiesiny lodowej należy dysponować:
● stosownymi możliwościami projektowymi (wykonanie wymaganych studiów projektowych, umożliwiających wybór optymalnego rozwiązania dla danej aplikacji),
● tanią lokalizacją o znacznej powierzchni dla zbiornika akumulacyjnego,
● wiedzą i doświadczeniem z zakresu strategii pracy i regulacji sytemu chłodzenia, pozwalającym minimalizować koszty eksploatacyjne systemu,
● doświadczeniem w zakresie obsługi i utrzymania instalacji z ZL. Dotyczy to szczególnie sytuacji, gdy system z ZL jest alternatywą w stosunku do chłodnic kompaktowych.

     Podjęcie decyzji związanej z wyborem układu chłodzenia z zawiesiną lodową powinno być poprzedzone analizą możliwości wykorzystania alternatywnych, pośrednich układów chłodzenia bazujących na akumulacji zimna. W tym względzie dostępne rozwiązania techniczne obejmują:
● zbiorniki akumulacyjne wody lodowej o temperaturze 4÷7oC (wykorzystanie ciepła jawnego związanego z pojemnością cieplną wody oraz różnicą temperatury wody zasilającej i powrotnej). Stosowanie tego rozwiązania jest celowe w przypadku modernizacji istniejących układów pośredniego chłodzenia bazujących na wytwornicach wody lodowej (nie ma konieczności zmiany wytwornic) oraz w przypadku układów o dużych wydajnościach cieplnych, w których dzięki wielkim urządzeniom można obniżyć jednostkowe koszty zbiorników akumulacyjnych;
● blok lodowy. Lód wytwarzany jest na powierzchni wężownicy, chłodzonej czynnikiem chłodniczym lub wodnym roztworem glikolu o temp. -10÷-4oC. Rozładowanie zbiornika akumulacyjnego odbywa się poprzez wytapianie lodu za pośrednictwem wody chłodzonej lub za pomocą strumienia ciepłego czynnika pośredniczącego (glikolu) płynącego wewnątrz wężownicy. Tego typu układy można stosować w modernizowanych lub nowych obiektach chłodniczych, o małych i średnich wydajnościach, w których dąży się do ograniczenia kosztów samej chłodnicy i zbiornika akumulacyjnego;
● kombajn lodowy. Na pionowych płytach parowacza tworzona jest przez około 20 minut warstwa lodu o grubości 8÷10 mm. Wzrost temperatury powierzchni parowacza (gorący gaz) o 5K powoduje jego „odlodzenie” i gromadzenie się lodu w zbiorniku akumulacyjnym. Zmagazynowana energia odzyskiwana jest poprzez wodę przepływającą przez zbiornik w normalnym cyklu pracy. Specyficzna konstrukcja powierzchni wymiany ciepła, ułatwiająca proces usuwania warstw lodu sprawia, że kombajny lodowe (o mniejszej wymaganej powierzchni wymiany ciepła niż w blokach lodowych) cechują o wysokie koszty jednostkowe w odniesieniu do wydajności chłodniczej. Zaleca się stosowanie kombajnów lodowych do akumulacji dużych ilości energii i przy relatywnie niskich wydajnościach chłodniczych urządzeń;
● systemy z kapsułami lodowymi. Woda wypełniająca kapsuły o średnicy np. 4 cale (umieszczone w zbiorniku akumulacyjnym) jest cyklicznie zamrażana i ogrzewana za pomocą czynnika pośredniczącego, schładzanego w urządzeniu chłodniczym. Na podobnej zasadzie działają również systemy wykorzystujące sole eutektyczne.

     Układy z zawiesiną lodową charakteryzują się wysokie koszty generatorów ZL przy relatywnie niskich kosztach zbiornika akumulacyjnego (nawet o 50% mniejsza objętość zbiornika niż w przypadku bloków lodowych). Z tych powodów zawiesinę lodową należy stosować w przypadku akumulacji dużych ilości energii (rys. 2), w układach chłodzenia o bardzo zróżnicowanych, w zakresie wartości i czasu trwania, obciążeniach cieplnych, gdy oczekuje się wysokich chwilowych strumieni ciepła odbieranych ze zbiornika akumulacyjnego.

Informacje o systemach
(...)

Sposoby akumulacji zawiesiny lodowej (...)
Sposoby dystrybucji zawiesiny lodowej (...)

Zastosowanie zawiesiny lodowej – przykłady systemów
     Obecnie zawiesina lodowa stosowana jest w systemach chłodzenia supermarketów, zakładów przemysłu spożywczego (browary, mleczarnie), w klimatyzacji kopalń oraz dużych kompleksów budowlanych (lotniska, zespoły handlowo-biurowo-hotelowe, itp.). Instalacje tego typu realizowane są głównie w Japonii, Korei, USA, RPA oraz w Europie Zachodniej.
     Obszary zastosowań zawiesin lodowych oraz ich przydatność w układach chłodzenia wraz ze stosowanymi temperaturami zestawiono w tabeli 2.
     Warianty wykonania układów chłodzenia z zawiesiną lodową to rozwiązania, w których ZL jest czynnikiem pośredniczącym lub pełni rolę medium akumulującego ciepło. Generator zawiesiny lodowej może pracować w sposób ciągły (głównie w trybie nocnym) lub jest skojarzony z wytwornicą wody lodowej, obniżając temperaturę tej wody na zasilaniu układu klimatyzacyjnego (rys. 6). Stosuje się również układy skojarzone generatora i wytwornicy wody lodowej, w których glikol powracający do zbiornika akumulacyjnego schładzany jest wstępnie w dodatkowym, płytowym wymienniku ciepła, włączonym w układ chłodniczy generatora. Układy skojarzone charakteryzują się o około 15% niższymi kosztami wytwarzania zimna w stosunku do innych rozwiązań z zawiesiną lodową [7].
     Możliwości aplikacyjne zawiesiny lodowej demonstruje przykład instalacji klimatyzacyjnej zespołu biurowo-handlowo-rekreacyjnego Techno-Mat w Seulu (powierzchnia 2,8 mlnft). Wspomniana instalacja obejmuje 8 jednostek o mocy 1,7 MW każda. Roczne obniżenie kosztów zużycia energii w porównaniu z tradycyjnymi układami wody lodowej wyniosły 523 tys. dolarów, przy o 482 tys. dolarów wyższych kosztach inwestycyjnych. Czas zwrotu nadwyżki kosztów inwestycyjnych wyniósł około 13 miesięcy [6]. Jednym z pierwszych przemysłowych zastosowań zawiesiny lodowej był układ chłodzenia kopalni złota w RPA. W chodnikach kopalni, znajdujących się na głębokości 3 km panuje temperatura przekraczająca 50^oC. Temperatura wody lodowej używanej tradycyjnie do chłodzenia powietrza, w wyniku strat ciepła do otoczenia oraz zamiany energii potencjalnej na ciepło, rośnie o 2,3 K na każdy kilometr głębokości. Natomiast temperatura zawiesiny lodowej zachowuje prawie stałą wartość. W tym przypadku zastosowano w systemie klimatyzacyjnym kopalni 4 generatory po 3 MW mocy każdy. Były one wyposażone w sprężarki o wydajnościach objętościowych 320 m³/s i stopniu sprężania równym 8,0 [2]. Dzięki zastosowaniu lodu zawiesinowego można było zredukować ilość chłodziwa, utrzymując na stałym poziomie parametry temperaturowe. Pozwoliło to ograniczyć koszty transportu czynnika pośredniczącego oraz umożliwiło (w pewnym zakresie) skuteczną klimatyzację kopalni w przypadku jej dalszej rozbudowy (bez konieczności zmiany instalacji).