Chłodnictwo nie zabija!

O chłodnictwie można mówić bardzo surowym językiem. Nie wierzysz? Oto przykład.

Chłodzenie to proces odbioru ciepła, w którym zazwyczaj obniżana jest temperatura. Sprężarkowe układy chłodnicze opierają się o obieg Lindego, w którym zachodzi szereg zmian termodynamicznych; izentropowe sprężanie, izobaryczne skraplanie, izentalpowe rozprężanie i izotermiczne parowanie.

W podobnym tonie książki mówią o transporcie ciepła, wykresie Moliera czy prawach termodynamiki. Mam wrażenie, że nawet moja twarz blednie, kiedy czytam takie formułki. Tymczasem termodynamika jest fascynująca - to raz. I ważna - to dwa. Bez chłodu nie powstanie większość otaczającego nas nowoczesnego świata, w tym oczywiście produkty z tworzyw sztucznych.

W przeciwieństwie do tego co powyżej, zawsze staram się pisać w sposób przystępny treści, do których warto wracać. Dlatego dziś przeczytasz wszystkie najważniejsze informacje o chłodnictwie dla twojej branży. Od przyłącza maszyny, do miejsca gdzie chiller wyrzuca ciepło do otoczenia. Napiszę o bilansie chłodniczym, o rurociągach, o pompach, o architekturze systemów chłodniczych, o tym jakie temperatury w jaki sposób się wytwarza. 

Bilans chłodniczy

Bilans chłodniczy jest sumą ciepła, które musi być usunięte z układu. Składają się na niego: ciepło chłodzenia produktu, ciepło chłodzenia formy, straty na rurociągach, straty w zbiorniku, praca maszyn (praca mechaniczna ostatecznie musi być usunięta w formie ciepła) i inne - wszystkie strumienie energii, które należy usunąć z danego układu.

Uwzględniając bezpieczny zapas, całościowy bilans chłodniczy często jest dwukrotnością ciepła, które należy usunąć od samego produktu. Ciepło do usunięcia z produktu to masa półproduktu przerabiana w każdej godzinie, razy różnica temperatur wejścia/wyjścia, razy ciepło właściwe.

Bilans wyraża się w kilowatach (kW) i liczy się oddzielnie dla każdego poziomu temperatur; np. dla 10ºC - chłodzenie form, 30ºC - chłodzenie oleju, 40ºC - chłodzenie sprężarek. Wymagane moce chłodnicze w różnych temperaturach można teoretycznie dodać, ale wtedy chłód należy wytwarzać w najniższym wymaganym parametrze temperatury, co jest energetycznym barbarzyństwem. Jeśli masz wątpliwości co do tego, jaki jest bilans chłodniczy w twoim zakładzie, możesz napisać do mnie na LinkedIn.

Architektura systemu chłodzenia

W przetwórstwie tworzyw sztucznych stosuje się najczęściej wodne układy chłodnicze. Kiedy piszę wodne, mam na myśli, że chłód jest transportowany za pomocą czynnika pośredniego. Może to być woda, różnorodne mieszaniny glikoli, olej, itd. Najogólniej, schemat ideowy układu pośredniego przedstawiam poniżej. Dla prostoty, parę rurociągów oznaczyłem jedną linią. Składa się on ze źródła chłodu (chiller, drycooler, wieża chłodnicza, itd.); zbiornika buforowego/sprzęgła; zespołu pompowego pierwotnego - ładującego "chłodem" zbiornik buforowy; zespołu pompowego wtórnego - podającego "chłód" do twoich maszyn; rurociągów. Najczęściej stosuje się układy otwarte. Są one tańsze w wykonaniu i łatwiejsze w eksploatacji.

Wiem, że w poszukiwaniu oszczędności czasem próbuje się pominąć stosowanie zbiornika (i dodatkowej pompy). Jest to bardzo niepożądane, ponieważ tak ubogi układ będzie trudny w regulacji. Temperatura będzie niestabilna, skoki ciśnienia znaczne i w efekcie parametry eksploatacyjne będą znacznie gorsze. Co oczywiste, jeśli źródło chłodu znajduje się na zewnątrz, czynnikiem roboczym nie może być woda. Stosuje się wtedy glikole. Najczęściej MPG35%, który ma certyfikaty do pracy do temperatury -17ºC. W takich układach stosuje się dodatkowo wymiennik ciepła woda/glikol, lub cały układ pracuje na glikolu.

Glikol ma tendencję do zbierania wszelkich zanieczyszczeń z całego układu. Wielokrotnie widziałem instalacje, w których czynnik pośredni miał ciemnobrązowy kolor, dużo pyłów i oka oleju jak w rosole. Jest to oczywiście sygnał, że w układzie dzieje się coś złego. Zwykły filtr siatkowy nie poradzi sobie z usunięciem tego typu zanieczyszczeń. Dlatego w swojej praktyce stosuję dodatkowe, bardzo dokładne stacje filtrujące.

Rurociągi

Najczęściej stosuje się następujące technologie wykonania rurociągów:

• Tworzywa sztuczne klejone. Ich niewątpliwą zaletą jest wytrzymałość i łatwość montażu w niewielkich średnicach (do DN80). Dla większych średnic poprawne ułożenie kształtek podczas ich montażu jest kluczowe i staje się główną trudnością. Wadą jest także brak możliwości naprawy nieszczelności. Uszkodzone lub niepoprawnie wykonane połączenia należy wyciąć i wymienić cały odcinek. Podobno w niskich temperaturach stają się kruche; ja tego nie doświadczyłem. Nadal jest to jednak najlepszy system do wykonywania rurociągów.
• Rury stalowe zaciskane. Jest to system niekiedy stosowany w obiektach, gdzie wymagana jest wysoka czystość. Wbrew pozorom montaż nie jest szybki, a raz ułożony rurociąg nie może być przesuwany. Często także brakuje kształtek pod specyficzne rozmiary przyłączy, śrubunki lub akcesoria. Wykonywałem tego typu instalacje wiele razy i nadal nie jestem ich zwolennikiem.
• Rury zgrzewane. Jest to system stosowany najczęściej w budynkowych instalacjach wodnych. Wymaga on dużego doświadczenia w wykonywaniu. W innym wypadku podczas montażu może dojść do zaciśnięcia wewnątrz rury i w efekcie bardzo dużych oporów lub zupełnego braku przepływu.

Dla temperatur poniżej 20ºC wszystkie rurociągi powinny być izolowane kauczukiem 19 milimetrów.

Na zewnątrz czasem montuje się płaszcz mający zabezpieczyć izolację przed działaniem warunków zewnętrznych. Średnice rurociągów dobiera się do projektowego przepływu tak, aby sumaryczne spadki ciśnienia nie przekraczały założonych wartości. W praktyce oznacza to prędkość przepływu poniżej 2 m/s. Sumaryczny spadek ciśnienia instalacji oraz wymagane ciśnienie dyspozycyjne zasilanych urządzeń jest podstawą do doboru pomp.

Rurociągi należy podpierać zgodnie z dokumentacją producenta lub Polską Normą. Dla rurociągów powyżej DN40 wymagane jest podparcie nie rzadziej niż co 2 metry. Na rurociągach, w miejscach gdzie są podłączane pompy, chillery, drycoolery lub zbiorniki, stosuje się amortyzatory, które zapobiegają przenoszeniu drgań i w efekcie pęknięciom. Ponadto na szczególnie długich odcinkach prostych należy stosować kompensację podobną do tej realizowanej na ciepłociągach lub gazociągach.

Pompy

Najczęściej stosuje się pompy odśrodkowe. Aby poprawnie dobrać pompę, należy ustalić wymagany wydatek w m3/h i wymagane podnoszenie w metrach (9,81 m = 1 bar). W mojej firmie mamy zwyczaj dzielić przepływ przynajmniej na 2 pompy oraz dawać zawsze jedną zapasową. To zapewnia duże bezpieczeństwo komponentu, który najczęściej ulega usterkom i daje potencjał zwiększenia przepływu. Należy także stosować tylko pompy z falownikiem. Zużywają one znacznie mniej energii oraz pozwalają na dokładne doregulowanie wymaganego przepływu. Pompa pierwotna powinna być sterowana temperaturą w zbiorniku, a pompa wtórna ciśnieniem dyspozycyjnym.W niektórych zakładach wykonujemy przeglądy prewencyjne pomp. Wykonywane są wtedy pomiary elektryczne, pomiary zabezpieczeń oraz pomiary drgań. Te ostatnie pozwalają z wyprzedzeniem przewidzieć zużycie łożysk lub innych elementów mechanicznych.

Zbiornik

Jak wcześniej wspomniałem, należy stosować architekturę systemu z wykorzystaniem zbiornika. Materiał, z którego jest on wykonany, nie ma większego znaczenia pod warunkiem, że będzie odporny na korozję. Glikol, mimo iż teoretycznie posiada inhibitory korozji, będzie powodował korozję niezabezpieczonych elementów stalowych, a nawet z tworzywa sztucznego.

Zbiorniki dla przetwórstwa tworzyw sztucznych mają wewnątrz przegrody, które rozdzielają strumień ciepły od zimnego, jednocześnie umożliwiając kompensację przepływów. Widziałem w swojej praktyce instalacje ze zbiornikami, które w wyniku niepoprawnego podłączenia i braku przegród mimo dużej objętości niczemu nie służyły. Były de facto miejscem dodatkowej straty energii i ewentualnie uzupełniania zładu czynnika pośredniego. Zbiornik powinien mieć przynajmniej 4 przyłącza. Jeśli ma mniej – coś prawdopodobnie nie gra. Zazwyczaj pompy czerpią z dna zbiornika. To zabezpiecza przed suchobiegiem - czyli pracą bez wody lub glikolu.

Chiller

Chiller jest źródłem chłodu dla całego układu. Jest to jednocześnie najbardziej skomplikowany i drogi element instalacji. Dostępne na rynku urządzenia często bardzo się między sobą różnią, a główną cechą, która je dywersyfikuje, jest stosowany czynnik chłodniczy.

Chillery stosuje się do układów, w których wymagana temperatura medium pośredniego jest relatywnie niska - powiedzmy poniżej 25ºC. Stosowanie chillerów do chłodzenia np. sprężarek powietrza do 40ºC jest czystą stratą energii. W Polsce zakłada się temperaturę termometru mokrego na poziomie około 21ºC. Czyli temperatury powyżej tej wartości można osiągać za pomocą drycoolerów suchych lub adiabatycznych.

Obecnie najczęściej spotykane są urządzenia pracujące na tzw. F-gazach, potocznie nazywanych "freonami". Tutaj mogę wymienić r404a, r407c, r410a, itd. Zaletą tych urządzeń jest ich prostota, popularność i relatywnie niska cena zakupu. Technologia F-gazowa powstała pod koniec II wojny światowej i chillery o nią się opierające pod względem technicznym niewiele się w tym czasie zmieniły. Owszem, dysponują nowymi sterownikami, lepszymi sprężarkami i automatyką, ale efektywność energetyczna zasadniczo nie wzrosła. Z racji stosowania gazów cieplarnianych, urządzenia te podlegają pod rejestrację w CRO (Centralny Rejestr Operatorów). Chillery przenośne, często stosowane w układzie 1:1, zazwyczaj są okropnie prymitywne pod względem sterowania i zużywają zdecydowanie zbyt dużo energii. Zdarza się, że trafiam podczas audytów na tego typu chillery, które nawet w zimie pracują, jakby znajdowały się w lato w Dubaju. Często nie oznacza zawsze!

Na rynku pojawiają się chillery na propan - r290. Pracują one podobnie do urządzeń F-gazowych, ale posiadają bardziej nowoczesną konstrukcję i zużywają nieco mniej energii. Nie podlegają pod CRO. Palność propanu jest bardziej niedogodnością niż trudnością. Niekiedy widzę obiekty, w których rura z gazem o średnicy DN80 nie jest problemem, ale chiller z 20 kilogramami propanu już tak. Nie jest to racjonalne.

Najbardziej zaawansowane chillery pracują na dwutlenku węgla - r744 - CO2, a najlepsze z nich pracują w trybie zalanym – teraz nie będę wyjaśniał, co to oznacza. Oszczędność energii do osiągnięcia jest znaczna, bo pomiędzy 25%, a nawet powyżej 50% w stosunku do F-gazów i nawet powyżej 20% w stosunku do chillerów F-gazowych z freecoolingiem. W branży przetwórstwa tworzyw sztucznych są relatywną nowością, ale w przetwórstwie spożywczym i handlu od wielu lat są pierwszym wyborem. Jest to więc już bardzo sprawdzona innowacja. Uważam, że przyszłość należy właśnie do tej technologii i ci, którzy będą ją wdrażać, jako pierwsi zyskają najwięcej. Należy wspomnieć, że technologia r744 jest obecnie najdroższa z wyżej wymienionych, ale sumaryczne koszty życia są zawsze najniższe. Zwrot kosztów zazwyczaj oscyluje pomiędzy 2-4 latami.

Freecooling

Określenie to jest czapką zakładaną na bardzo wiele różnych urządzeń lub akcesoriów. Freecooling, tłumacząc nazwę w sposób dosłowny, oznacza „darmowy chłód”. Nie jest to oczywiście prawda, ponieważ nadal muszą pracować pompy i wentylatory - niekiedy zużywające bardzo dużo energii. Faktem jest jednak, że brak pracy sprężarki chillera jest oszczędnością. FC jest to de facto fabrycznie zamontowany na chillerze drycooler, czyli suchy schładzacz wody (lub glikolu). Z racji wymogu niewielkiego gabarytu, freecooling często osiąga maksymalną moc tylko przy dużej różnicy pomiędzy temperaturą powietrza i glikolu. Oznacza to, że aby osiągnąć pełną moc przy wymaganej temperaturze np. 10ºC, na zewnątrz będzie musiało być np. 0ºC lub mniej.

Jak już pisałem, freecooling i drycooler to zazwyczaj to samo. Drycooler z wykorzystaniem efektu chłodzenia wodą nazywany jest urządzeniem adiabatycznym. Dzięki ściśle umiejscowionemu i określonemu przepływowi wody możemy korzystać z efektu parowania. Jest to bardzo skuteczna metoda chłodzenia, szczególnie w polskim, suchym klimacie. Drycoolery adiabatyczne różnią się między sobą sposobem podania i ilością zużywanej wody. Różnica ta czasem może być ponad 10-krotna.

Ostatecznie urządzeniem wykorzystującym do chłodzenia tylko wodę i przepływ powietrza są wieże chłodnicze. Występują ich 2 główne rodzaje: otwarte i zamknięte. Wieże otwarte pozwalają na kontakt wody chłodzącej z otaczającym powietrzem – czyli ich wadą jest znaczne zanieczyszczenie medium chłodzącego. Ja tego typu urządzeń właśnie z tego powodu nie stosuję. Wieże chłodnicze zamknięte wykorzystują wodę, ale nie dopuszczają do kontaktu medium chłodzącego z powietrzem.

Sterowanie

Jest to jedno z najczęściej pomijanych zagadnień. Tymczasem ma znaczny wpływ na poziom zużycia energii i bezpieczeństwo produkcji. Jak pisałem wcześniej, pompy powinny być sterowane w zależności od wymaganego trybu pracy i ich lokalizacji w układzie. Należy też nadzorować ich alarmy w celu szybkiego wykrycia usterki. W większości branż, które wykorzystują chłodnictwo (handel, produkcja spożywcza, logistyka) stosuje się także systemy zdalnego nadzoru i sterowania. Komunikacja zdalna pozwala na ciągły nadzór nad bezawaryjną pracą oraz często na usuwanie usterek bez przyjazdu serwisu.

Na koniec powinienem dodać pozycję "dokumentacja". Zbyt często audytuję instalacje, które nie mają kompletnej lub aktualnej dokumentacji powykonawczej. Jest to szczególnie ważne, ponieważ większość fabryk jest w ciągłej przebudowie, więc żeby wykonywać je zgodnie ze sztuką, muszą być one planowane i projektowane na podstawie wiarygodnych danych. Brak dokumentacji jest częstą przyczyną błędnie wykonanych instalacji (szczególnie rurociągów wodnych), które po prostu nie działają od pierwszego dnia! Kompletna dokumentacja instalacji chłodu powinna zawierać przynajmniej: plan instalacji w architekturze, plan PID, bilans chłodu i elektryczny, listę kluczowych komponentów, warunki serwisowe, uprawnienia osób wykonujących, próby i pomiary, dane do zalogowania do CRO.

Wszystko co opisane wcześniej jest i proste, i skomplikowane. Technologia jest prosta dla inżyniera chłodnictwa, ale to na twoim biurku leży decyzja biznesowa. Kupić najtaniej, czy warto zainwestować w droższe rozwiązania? Ile powinny kosztować te droższe i po jakim czasie się zwrócą - czy na pewno? Takich łatwych pytań, na które trudno jest odpowiedzieć, jest sporo. Praca konsultanta i projektanta chłodnictwa to między 1 a 3% wartości inwestycji. Ja wiem, że warto.

Maurycy Szwajkajzer

SZE Sp. z o. o.