Odzysk ciepła z instalacji ziębniczych do przygotowania ciepłej wody 1. WSTĘP Odzysk ciepła z urządzeń ziębniczych (chłodniczych) jest sprawą ogólnie znaną i akceptowaną. Niestety, w parze z akceptacją nie idzie powszechność jego stosowania. W wielu miejscach, gdzie opłacalność stosowania odzysku jest ewidentna, decyzja o jego zastosowaniu zapada z trudem i z obawą co do jej zasadności. Wiąże się to najczęściej z istnieniem podstawowego źródła ciepła, jakim jest kocioł lub podgrzewacz elektryczny i wprowadzenie nowego źródła wiąże się ze zmianą przyzwyczajeń obsługi, rozbudową systemu automatyki, itp., a w nowych obiektach z koniecznością zastosowania tak czy owak drugiego źródła ciepła. Poza ewidentnymi przypadkami, decyzja dotycząca wykonania instalacji odzysku powinna zapadać po dogłębnej analizie możliwości uzyskania ciepła o wymaganych parametrach oraz jego wykorzystania. W wielu przypadkach okresy wymaganej pracy urządzeń ziębniczych nie pokrywają się z okresami zapotrzebowania na ciepło, a stosowanie urządzeń aku-mulujących podraża instalację, stawiając opłacalność przedsięwzięcia pod znakiem zapytania. Podstawowe warunki opłacalności odzysku ciepła, to: priorytet chłodzenia i duży współczynnik czasu pracy urządzeń, niezmienność parametrów obiegu zięb-niczego podczas pracy bez odzysku i z odzyskiem ciepła, możliwie wysoka równomierność zapotrzebowania na ciepło oraz skuteczny system akumulacji, sprawny, nie angażujący obsługi system automatyki, sterujący pracą podzespołów i sprzęgający instalację odzysku z podstawowym lub rezerwowym systemem grzewczym. Instalacje odzysku ciepła znacznie częściej wykonuje się w powiązaniu z instalacjami ziębniczymi chłodzenia komór technologicznych lub magazynowych oraz urządzeń handlowych, niż z urządzeniami ziębniczymi kompaktowymi o budowie zwartej, wieloobwodowymi, służącymi do chłodzenia wody lub glikolu. Możliwość obniżenia kosztów eksploatacji urządzeń technologicznych, podniesienie ich niezawodności uzasadnia decyzje inwestowania w systemy odzysku ciepła. 2. TEORETYCZNE PODSTAWY ODZYSKU CIEPŁA Urządzenie ziębnicze realizujące lewobieżny obieg termodynamiczny z natury rzeczy" j est swoistąpompą ciepła lub transformatorem ciepła przenosząc ciepło z poziomu określonego niską temperaturą na poziom wyższy o temperaturze wyższej. Dzieje się tak na skutek doprowadzonej energii - najczęściej energii elektrycznej. Z bilansu energii wynika, iż pobrana od dolnego źródła energia w postaci ciepła, plus energia napędowa sprężarki musi być oddana w źródle górnym: Można wyróżnić trzy zasadnicze funkcje urządzenia realizującego obieg lewobieżny (rys. 1), a są to: 1. funkcja ziębienia, 2. funkcja grzania, 3. funkcja ziębienia i grzania - jednocześnie. Efektywności energetyczne tych obiegów
przedstawiają się następująco: Porównanie tych efektywności daje odpowiedź na podstawowe pytanie: czy warto zajmować się odzyskiem ciepła z instalacji ziębniczych?" Jeżeli urządzenie jest z założenia pompą ciepła, to całe ciepło oddawane przy wysokiej temperaturze służy do ogrzewania. Wartość temperatury skraplania uzależniona jest od wymagań stawianych pompie ciepła pod względem ogrzewania. Ma to wpływ na efektywność energetyczną. Im wyższa jest temperatura skraplania, tym niższa wartość COP. Gdy zaś urządzenie jest ziębiarką, której celem jest ochładzanie i utrzymywanie niskich temperatur, to ciepło oddawane jest przy możliwie najniższych temperaturach. Gwarantuje to uzyskanie możliwie wysokiej wartości COP ziębiarki. Fakt zastosowania odzysku ciepła, lub zamiar jego wprowadzenia nie powinien z reguły podwyższać temperatury skraplania i pogarszać COP ziębiarki, poza szczególnie uzasadnionymi przypadkami. Najniższa temperatura czynnika obiegowego oddającego ciepło w wymienniku skraplacza lub dochładzacza, zdeterminowana jest temperaturą czynnika odbierającego ciepło. Czynnikiem tym najczęściej jest powietrze lub woda. Ponieważ czynnik obiegowy - ziębniczy - oddający ciepło, dopływa do skraplacza w postaci pary przegrzanej, a odpływa w postaci cieczy, zachodzą trzy fazy oddawania ciepła: schładzanie gorącej pary, skraplanie i dochładzanie cieczy. Proporcje ilości ciepła oddawanych w poszczególnych fazach skraplania" oraz przedziały temperatur przedstawia przykład pokazany na rysunku 2. Jak wynika z przedstawionych na tym rysunku danych dla kilku obiegów, wpływ na temperaturę końca sprężania i wielkość ciepła przegrzania mają główne parametry obiegu. Za najistotniejsze należy przyjąć: temperaturę odparowania, temperaturę skraplania oraz sprawność izentropową sprężarki. Biorąc pod uwagę przedziały temperatur, najistotniejsze z punktu widzenia odzysku ciepła jest ciepło przegrzania, którego udział stanowi 17 do 35% całego ciepła oddawanego, przy czym realnie do odzysku jest mniej ze względu na rozpraszanie ciepła. W przypadku, gdy odzysk ciepła zachodzi bezpośrednio do powietrza ogrzewającego jakieś pomieszczenie, wówczas może być wykorzystane całe ciepło ze wszystkich trzech faz. Jeżeli odzysk ciepła służy do podgrzewania wody, wówczas zależnie od tego, gdzie jest usytuowany wymiennik i jaki jest charakter poboru ciepłej wody, do podgrzania wody wykorzystywane są wszystkie trzy fazy, lub tylko
faza schładzania gorącej pary i to nie zawsze w pełni. Aby skraplanie nie było zakłócane przez proces odzysku ciepła, np. przez jego okresowość, stosuje się odrębne wymienniki ciepła do jego odzysku usytuowane w schemacie instalacji w stosunku do skraplacza zasadniczego szeregowo lub równolegle (rys.3). 3. INSTALACJE DO ODZYSKU CIEPŁA Aby skutecznie, zgodnie z założeniami i bez wpływów negatywnych na proces chłodzenia realizować odzysk ciepła, należy odpowiednio zaprojektować i wykonać instalację. Odzysk ciepła zachodzić może w różnych warunkach, tzn. przy stałym obciążeniu cieplnym lub przy obciążeniu zmiennym. Drugi przypadek występuje zdecydowanie częściej, szczególnie gdy odzyskane ciepło służy do podgrzewania wody i ze względu na okresowość jej poboru stosowana jest akumulacja. Ogrzewanie wody z jednoczesną akumulacją ciepła, zachodzi w zasobnikach wody ogrzewanych bezpośrednio poprzez wymienniki umieszczone w tych zbiornikach, lub pośrednio w wymiennikach połączonych instalacją z zasobnikami, z wymuszoną, zazwyczaj przez pompę, cyrkulacją wody. Przy wykorzystaniu ciepła z odzysku do bezpośredniego ogrzewania pomieszczeń za pomocą odpowiednio do tego celu przystosowanych skraplaczy lub schładzaczy pary, proces odzysku zachodzi w warunkach bardziej stabilnych, pomijając okresy rozruchu. Jednakże i w tych przypadkach może wystąpić zmiana obciążenia spowodowana regulacją wydajności ogrzewania, przez modulacyjne lub impulsowe zasilanie wymiennika odzysku. Zmienne obciążenie wymienników odzysku, ma istotny wpływ na obciążenie cieplne skraplacza i powoduje konieczność stosowania skutecznego systemu regulacji jego wydajności, co zazwyczaj sprowadza się do regulacji ciśnienia skraplania. Systemy regulacyjne związane ze zmiennym obciążeniem wymiennika odzysku działają zarówno od strony czynnika ziębniczego, jak również po stronie medium odbierającego ciepło. Poniżej przedstawiono kilka przykładów, ilustrujących przypadki występujące w praktyce, lecz oczywiście ich nie wyczerpują. 4. NIEKÓRE ASPEKTY PRACY INSTALACJI DO PODGRZEWANIA WODY 4.1. Regulacja temperatury wody
Podgrzewanie wody w instalacji odzysku jest oczywiście możliwe jedynie wówczas kiedy pracuje instalacja ziębnicza. Przedział między minimalną a maksymalną temperaturą wody jest istotny w zależności od sposobu jej wykorzystania. Zbyt niska jej temperatura nie spełni wymagań użytkownika, natomiast zbyt wysoka musi zostać obniżona np. przez mieszanie lub może stwarzać zagrożenie poparzenia. Jak pokazano, w niektórych instalacjach odzysku ciepła, regulacja związana z utrzymaniem temperatury wody, a jednocześnie zabezpieczająca poprawną pracę urządzenia zięb-niczego, odbywa się po stronie czynnika ziębniczego poprzez zastosowanie odpowiednich elementów automatyki, czasami dosyć rozbudowanymi, co znacznie podnosi cenę instalacji (rys.5). Gdy woda z odzysku" stosowana jest w sieci powszechnie dostępnej, ograniczenie górnej wartości temperatury jest konieczne ze względów bezpieczeństwa. Najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest wykonanie obejścia wymiennika po stronie gorących par czynnika ziębniczego i skierowanie ich
bezpośrednio do skraplacza (rys.5 i 7). W instalacjach z kontrolowanym podgrzewem wody w wymiennikach pośrednich (rys.6 i 7) w okresie rozruchu instalacji ziębniczej, kiedy jeszcze zarówno strona freonowa, jak i wodna są wychłodzone, sterownik ustawia zawór trójdrogowy w położeniu uniemożliwiającym dopływ zimnej wody do pętli grzewczej. Podobna sytuacja powstaje wówczas, gdy następuje zbyt duży pobór wody ciepłej i temperatura wody w pętli spada poniżej wartości nastawionej na sterowniku. Dopiero po podgrzaniu wody krążącej w instalacji powyżej temperatury nastawionej, następuje kontrolowane otwarcie dopływu wody zimnej z dolnej części zbiornika i j ednoczesny przepływ wody podgrzanej z pętli do górnej części zbiornika. Takie działanie nie pozwala na zbytnie wychłodzenie wymienników, wykraplanie się czynnika ziębniczego i zasilanie górnej części zbiornika wodą zimną. W przypadku przedstawionym na rysunkach 4 i 6, brak jest możliwości regulacji temperatury wody od góry". Jest ona ograniczona tylko temperaturą pary czynnika ziębniczego. 4.2. Brak poboru wody - zagrożenia Gdy instalacja ziębnicza pracuje, a brak jest zapotrzebowania na CWU, następuje akumulacja
ciepła w zbiorniku przez stopniowy wzrost temperatury wody i wyrównanie jej w całym zbiorniku. Temperatura wody rośnie i zbliża się asymptotycznie do temperatury pary czynnika ziębniczego w wymienniku (instalacje z szeregowym usytuowaniem wymiennika i skraplacza). W urządzeniach ziębniczych niskotemperaturowych, przy skraplaczach chłodzonych powietrzem, temperatura pary dopływającej do wymiennika może znacznie przekraczać 100 C. Stąd też brak odbioru ciepła i wzrost temperatury wody może doprowadzić do jej wrzenia, lub podgrzania do temperatury powyżej 100 C przy podwyższonym ciśnieniu wynoszącym w instalacji wodnej zazwyczaj 2-4 bar. Pobór tak podgrzanej wody przez odkręcenie kurka powoduje jej raptowne wrzenie i możliwość poparzenia. Dlatego tak bardzo istotnym jest stosowanie zabezpieczeń przed nadmiernym wzrostem temperatury. Prędkość narastania temperatury wody wynika głównie z liczby pracujących jednocześnie sprężarek, i ich stopnia wydajności, a więc zmienności obciążenia ziębniczego. W sytuacji, gdy użytkownikowi zależy, aby temperatura wody była możliwie najwyższa, wówczas jedynym ograniczeniem powinno być zabezpieczenie przed wrzeniem wody. 5. SAMOISTNE OGRANICZENIE WZROSTU TEMPERATURY WODY W sytuacji gdy odzysk ciepła stosowany jest z instalacji ziębniczej o stosunkowo wysokiej temperaturze odparowania np. agregatu do chłodzenia wody (chillera), zabezpieczenie przed wzrostem temperatury wody jest samoistne. Wynika ono z parametrów obiegu ziębniczego, i w głównej mierze zależy od rodzaju czynnika ziębniczego krążącego w obiegu. Standardowe parametry obiegu ziębniczego realizowanego w agregatach zimnej wody ze skraplaczami chłodzonymi powietrzem wynoszą:
Przy realnej sprawności sprężarki mieszczącej się w przedziale T-. = 0,6-0,7 można wyznaczyć maksymalną temperaturę na tłoczeniu sprężarki, będącą graniczną temperaturą wody w układzie odzysku ciepła przy braku poboru wody. Dla obecnie najczęściej stosowanych syntetycznych czynników ziębniczych: R 407C i R 404A (R 507), obiegi ziębnicze przedstawione na wykresie log p - h" dają możliwość określenia temperatury tłoczenia (rys. 4 i 5). Wykresy sporządzono dla następujących parametrów obiegu: Na obniżenie temperatury tłoczeniaistotny wpływ ma ciśnienie skraplania, a więc stosowanie większych skraplaczy ma tu zasadnicze znaczenie. 6. INSTALACJA ZIĘBNICZA I ODZYSKU CIEPŁA - PRZYKŁAD 6.1. Rodzaj urządzenia i miejsce zainstalowania Instalację ziębniczą stanowi agregat do oziębiania wody o wydajności ponad 300 kw zainstalowany w zakładzie produkcyjnym o profi lu farmaceutycznym. Zadaniem agregatu jest utrzymywanie temperatury wody na poziomie 6-10 C w ilości koniecznej dla zapewnienia właściwego procesu technologicznego. Zimna woda wykorzystywana jest do utrzymywania właściwej temperatury w procesach ekstrakcji, chłodzenia reaktorów, uzdatniania wody i innych. Zakładane maksymalne obciążenie cieplne instalacji wynosiło ok. 200 kw. Z uwagi na dużą zmienność zapotrzebowania na zimną wodę, instalacja musiała cechować się dużą elastycznością wydajności ziębniczej. W celu zapobieżenia ewentualnym przerwom chłodzenia, co mogłoby doprowadzić do zniszczenia produkowanych preparatów, wymagana była podwyższona niezawodność instalacji, stąd nadwyżka mocy chłodniczej zainstalowanej, będącej w tzw. gorącej" rezerwie wynosiła minim m 40-45%. Instalacja odzysku ciepła zgodnie z założeniami, miała za zadanie odebrać ciepło przegrzania par czynnika R 407C i podgrzać wodę w przedziale 50-70 C. Podgrzana woda miała być wykorzystana do celów socjalnych, do mycia urządzeń technologicznych i innych. W celu pełnego wykorzystania ciepłej wody konieczne było przystosowanie instalacji rozprowadzającej ciepłą wodę i połączenie jej z instalacją odzysku. 6.2. Budowa agregatu Agregat zimnej wody spełniający założenia technologiczne został zaprojektowany i wykonany jako trzy obwodowy, z zastosowaniem sprężarek półhermetycznych, sześciocylindrowych z pełną regulacją wydajności, co zapewnia dużą niezawodność działania oraz możliwość regulacji wydajności w szerokim przedziale. W każdym obiegu ziębniczym pomiędzy odolejaczem a skraplaczem chłodzonym powietrzem, zainstalowany został wymiennik do odzysku ciepła. Po stronie wodnej wszystkie trzy wymienniki połączone są ze sobą szeregowo, co daje gwarancję podgrzewania wody bez względu na to, który obwód ziębniczy pracuje przy zastosowaniu jednej pompy cyrkulacyjnej. Rozwiązanie takie daje możliwość dużego podgrzewu wody przy jednym przepływie, jeżeli pracują dwa lub trzy obwody jednocześnie. Schemat instalacji ziębniczej agregatu przedstawia rysunek 11 a, natomiast jego widok pokazano na rysunku 12.
6.3. Instalacja odzysku ciepła Instalacja odzysku ciepła - schemat na rys.11b - zbudowana jest z trzech wymienników płytowych (1), połączonych ze sobą szeregowo, pompy cyrkulacyjnej (2), zbiornika wody podgrzanej (4), zaworu regulacyjnego trójdrogowego (3), rurociągów. Zbiornik wyposażony jest w naczynie przeponowe (5), zawór bezpieczeństwa (6) oraz niezbędną armaturę i przyrządy pomiarowe. Pracę instalacji nadzoruje sterownik (7), którego zadaniem jest utrzymanie odpowiednio wysokiej
temperatury wody w pętli odzysku. Rozmieszczenie wymienników w agregacie i łączące je rurociągi wodne i freonowe przedstawia rysunku 13. W instalacji odzysku ciepła tu przedstawionej uzyskano maksymalną temperaturę wody przy braku poboru wynoszącą ok. 87 C. Z danych eksploatacyjnych wynika, że pobór wody był mało rytmiczny, co powodowało wzrost jej temperatury do maksymalnej i zaprzestanie odzyskiwania ciepła od gorących par. Przy gwałtownym zapotrzebowaniu na ciepłą wodę, zmagazynowaną w zbiorniku, ilość jej wynosząca 1000 dm3 była niewystarczająca, stąd decyzja o potrzebie zainstalowania drugiego zbiornika. Prędkość narastania temperatury wody wynika głównie z liczby pracujących jednocześnie sprężarek, i ich stopnia wydajności, a więc zmienności obciążenia ziębniczego. 7. WNIOSKI 1. Odzysk ciepła z instalacji ziębni-czych, pod względem energetycznym jest zawsze korzystny, natomiast efekt ekonomiczny zależy od wielu czynników, takich jak: rodzaj instalacji ziębniczej, sposób wykorzystania ciepła, czas działania instalacji, wymagane parametry, łatwość obsługi. 2. Z przedstawionych wyników eksploatacji urządzenia oraz rozważań dotyczących parametrów obiegu ziębniczego wynika, że dla instalacji odzysku ciepła przegrzania wystarczającym zabezpieczeniem przed nadmiernym wzrostem temperatury są właściwie dobrane parametry obiegu. 3. Wyeliminowanie zaworów przełączających i regulacyjnych po stronie instalacji freonowej - szczególnie dla instalacji dużych - znacznie ogranicza koszty wykonania instalacji. 4. Zastosowanie w agregatach wieloobwodowych, wymienników do odzysku na każdym obwodzie zięb-niczym, połączonych szeregowo po stronie wodnej, daje możliwość uzyskania maksymalnego podgrzania wody przy rotacyjnej i częściowej pracy poszczególnych obwodów. 5. Wydaje się, że agregaty do chłodzenia wody, w szczególny sposób nadają się do zastosowania w nich odzysku ciepła do podgrzewania wody, z uwagi na własności obiegu, wysoką wydajność sprężarek, prosty układ odzysku i bezpieczeństwo. LITERATURA [1] Handbuch über Kälteanlagen mit Wärmerückgewinnung. Danfoss, 1981. [2] Materiały informacyjne fi rmy: DK-Kälteanlagen GmbH. [3 ] Rusak Z.: Wykorzystanie ciepła skraplania do grzania wody użytkowej. CHŁODNICTWO, 5/2002, str.16. [4] Żak M., Żółtaniecki A.: Odzysk ciepła do podgrzewania CWU w agregatach zimnej wody.
Materiały konferencji: XXXVIII DNI CHŁODNICTWA. Poznań-2006. dr inż. Marek ŻAK dr inż. Adam ŻÓŁTANIECKI Zakład Chłodnictwa i Systemów Klimatyzacyjnych Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechnika Wrocławska 12/06