Wymiarowanie instalacji do odzysku ciepła przegrzania i skraplania ze sprężarkowych agregatów chłodniczych
Agregaty chłodnicze sprężarkowe
Wyposażenie agregatów chłodniczych sprężarkowych w instalacje do odzysku ciepła odpadowego ma istotne znaczenie dla charakterystyki energetycznej obiektu i kosztów jego eksploatacji. W artykule przedstawiono praktyczne uwagi dotyczące możliwości częściowego i całkowitego odzysku ciepła skraplania podczas pracy sprężarkowych agregatów wody ziębniczej.
Zobacz także
Mastervent Tomasz Miliński Skuteczność odpylania jako istotny aspekt bezpieczeństwa pracy
Emisja pyłów powstających w procesach technologicznych jest jednym z poważniejszych problemów stwarzających zagrożenie dla osób przebywających w ich otoczeniu. Głównymi źródłami pyłów są procesy cięcia...
Emisja pyłów powstających w procesach technologicznych jest jednym z poważniejszych problemów stwarzających zagrożenie dla osób przebywających w ich otoczeniu. Głównymi źródłami pyłów są procesy cięcia materiałów, transportowania, szlifowania i polerowania. Pyły są nie tylko zagrożeniem zdrowotnym, ale również mogą być przyczyną wybuchu.
Mastervent Tomasz Miliński Urządzenia do pochłaniania zanieczyszczeń i obliczanie ilości powietrza odciąganego
Skuteczny odciąg zanieczyszczonego powietrza to problem wielu zakładów produkcyjnych. Źle wykonana wentylacja miejscowa w miejscu obróbki materiałów może powodować gromadzenie się pyłu na stanowisku pracy...
Skuteczny odciąg zanieczyszczonego powietrza to problem wielu zakładów produkcyjnych. Źle wykonana wentylacja miejscowa w miejscu obróbki materiałów może powodować gromadzenie się pyłu na stanowisku pracy oraz w jego okolicach, co w konsekwencji może doprowadzić do powstania tzw. obłoku pyłowego, a niewielkie zaiskrzenie mechaniczne lub otwarty ogień mogą spowodować wybuch.
Panasonic Marketing Europe GmbH Sp. z o.o. Energooszczędne rozwiązania grzewcze i chłodnicze dla hoteli
Podczas projektowania obiektów hotelarskich coraz ważniejsze dla architektów oraz projektantów branżowych stają się kwestie związane z racjonalnym zużyciem energii. Efekt ten jest osiągany poprzez zastosowanie...
Podczas projektowania obiektów hotelarskich coraz ważniejsze dla architektów oraz projektantów branżowych stają się kwestie związane z racjonalnym zużyciem energii. Efekt ten jest osiągany poprzez zastosowanie rozwiązań architektoniczno-budowlanych, które zmniejszają potrzeby cieplne budynku oraz likwidują mostki termiczne. Stosuje się też systemy instalacyjne, które zapewniają odpowiedni komfort cieplny, zmniejszają koszty eksploatacyjne budynku oraz podnoszą prestiż ekologiczny obiektu. Jakie rozwiązania...
Do niedawana wyposażenie agregatów chłodniczych sprężarkowych w instalacje do odzysku ciepła było traktowane marginalnie, nawet jeśli inwestor dał się przekonać do ich montażu, to niestety w wielu przypadkach funkcja odzysku ciepła nie była wykorzystywana.
Zastosowanie funkcji odzysku ciepła w sprężarkowych agregatach chłodniczych wydaje się wręcz nieodzowne, zwłaszcza w kontekście konieczności poszanowania energii w obiekcie. Patrząc na charakterystykę obiektu, można bowiem zauważyć, że obok zapotrzebowania na moc chłodniczą w tym samym czasie współwystępuje zapotrzebowanie na moc grzewczą, choć w różnych proporcjach.
Obserwując przebieg lewobieżnego obiegu parowego realizowanego przez sprężarkowe agregaty chłodnicze lub inne sprężarkowe urządzenia chłodnicze, można zauważyć, że podniesienie poziomu temperaturowego czynnika chłodniczego po sprężaniu pozwala na osiągnięcie parametrów grzewczych satysfakcjonujących dla realizacji większości celów. Możliwe staje się zatem użyteczne wykorzystanie gorących par czynnika ziębniczego na potrzeby ogrzewcze.
Analizując wykres obiegu parowego realizowanego przez sprężarkowe agregaty chłodnicze oraz rozkład temperatury na długości wymiennika ciepła skraplania, można zauważyć, że w pierwszej kolejności parametry czynnika grzewczego za sprężarką i na wlocie do wymiennika skraplacza są dużo wyższe od temperatury skraplania czynnika ziębniczego. Czynnik ziębniczy o takiej temperaturze, przekazując ciepło na skraplaczu do cieczy (powietrze zewnętrzne, woda grzewcza), schładza się i po osiągnięciu ustalonych warunków skrapla się w przybliżeniu w stałej temperaturze (zależnie od rodzaju czynnika ziębniczego).
W pierwszym etapie, w którym czynnik ziębniczy ma wysoką temperaturę i jeszcze się nie skrapla, ale przekazuje ciepło do otoczenia, obniżając swoją temperaturę, mówimy o przekazywaniu ciepła przegrzania. W zależności od temperatury cieczy, do której przekazywane jest ciepło, ilość ciepła przekazywanego w skraplaczu tą drogą stanowi w przybliżeniu ok. 20–25% całkowitego ciepła możliwego do pozyskania ze skraplacza.
W drugim etapie ciepło przekazywane jest poprzez skraplanie czynnika ziębniczego i stanowi ok. 75–80% całkowitego ciepła możliwego do pozyskania z powierzchni skraplacza.
Całkowite możliwe do pozyskania ciepło z pracy agregatu chłodniczego jest równe sumie wydajności chłodniczej oraz poboru mocy elektrycznej przez układ sprężarkowy.
Zatem mówiąc o zastosowaniu odzysku ciepła, mamy na myśli odzysk ciepła przegrzania oraz ciepła skraplania gorących par czynnika ziębniczego. Odzysk ciepła skraplania jest realizowany z wykorzystaniem dodatkowych wymienników ciepła zamontowanych po stronie tłocznej sprężarki, w których dokonywana jest wymiana i przekazywanie ciepła od gorących par czynnika ziębniczego do cieczy pośredniczącej lub bezpośrednio do wody, która ma zostać ogrzana.
W dalszej części omówione zostaną zagadnienia dotyczące możliwości pozyskania tego ciepła w wymiennikach odzysku ciepła w sprężarkowych agregatach wody ziębniczej.
Częściowy odzysk ciepła skraplania
To opcjonalne wyposażenie w postaci dodatkowego wymiennika ciepła „freon” – woda, zamontowane szeregowo po stronie gorących par czynnika z właściwym skraplaczem.
W pierwszej kolejności ciepło przegrzania jest przekazywane w wymienniku częściowego odzysku ciepła, a następnie skroplenie czynnika ziębniczego odbywa się we właściwym skraplaczu. Taka konfiguracja agregatu pozwala na tanie podgrzanie wody poprzez wykorzystanie ciepła przegrzania, które w innym wypadku zostałoby rozproszone do powietrza atmosferycznego.
Warunkiem pracy wymiennika odzysku ciepła i możliwości pozyskania z niego ciepła jest uruchomiony sprężarkowy układ chłodniczy agregatu w trybie chłodzenia.
Dopóki występować będzie zapotrzebowanie na moc chłodniczą, dopóty pracować będzie obieg sprężarkowy i będzie on mógł przekazywać ciepło od gorących par czynnika do wody, która ma zostać podgrzana.
Rys. 1. Zasada działania i schemat koncepcyjny pracy wymiennika częściowego odzysku ciepła dla agregatu ze skraplaczem chłodzonym powietrzem (opis w tekście); D – częściowy odzysk ciepła, 1 – parowacz, 2 – sprężarki, 3 – wymiennik częściowego odzysku ciepła, 4 – skraplacz, 5 – elektroniczny zawór rozprężny, TWin – wlot wody ziębniczej, TWout – wylot wody ziębniczej, RWin – wlot wody grzewczej na wymiennik odzysku ciepła, RWout – wylot wody grzewczej z wymiennika odzysku ciepła, AE – powietrze zewnętrzne; rys. archiwum autora
Drugim bardzo ważnym aspektem prawidłowej pracy wymiennika jest jego zasilenie wodą grzewczą i zachowanie określonego przepływu wody grzewczej po drugiej stronie wymiennika. Zastosowanie w takim układzie wymiennika częściowego odzysku ciepła skraplania polepsza osiągi urządzenia, bo obniża temperaturę skraplania czynnika ziębniczego we właściwym skraplaczu. Dla znamionowych warunków pracy wydajność chłodnicza urządzenia wzrasta o ok. 3,2%, a pobór mocy elektrycznej przez sprężarki obniża się o ok. 3,6%.
Analizowany przez autora producent wykorzystuje w swoich rozwiązaniach wymienniki płytowe wykonane ze stali nierdzewnej. Jeśli temperatura wody grzewczej, która ma zostać podgrzana, jest zbyt niska, możliwe jest zastosowanie zaworu regulacyjnego w instalacji hydraulicznej, tak aby utrzymywać temperaturę wody grzewczej na wyjściu z wymiennika powyżej 35°C, tym samym unikając możliwości skroplenia się czynnika ziębniczego w wymienniku częściowego odzysku ciepła skraplania.
Zasadę działania wymiennika częściowego odzysku ciepła skraplania przedstawiono na rys. 1.
Całkowity odzysk ciepła skraplania
Podobnie jak wymiennik częściowego odzysku ciepła skraplania całkowity odzysk pozwala na produkcję darmowego ciepła na potrzeby ogrzewania lub przygotowania ciepłej wody użytkowej. Zastosowanie tego rozwiązania pozwala na zwiększenie całkowitej efektywności agregatu chłodniczego, bo kosztem poboru mocy przez ten sam układ sprężarkowy pracujący w trybie chłodzenia wykorzystujemy użytecznie ciepło pochodzące od gorących par czynnika ziębniczego.
Całkowita (łączna) efektywność energetyczna przy zastosowaniu i wykorzystaniu użytecznej mocy cieplnej skraplacza wynosi: Qch+Qg/Pel, gdzie Qch to wydajność chłodnicza, Qg – wydajność skraplacza, Pel – pobór mocy elektrycznej przez sprężarki układu chłodniczego.
Ciepło jest przekazywane w wymienniku wykonanym ze stali nierdzewnej. Wymiennik w analizowanym rozwiązaniu jest połączony szeregowo z właściwym skraplaczem. Praca układu odzysku ciepła jest sterowana po obu stronach czynników. Po stronie czynnika ziębniczego – z wykorzystaniem czujników temperatury oraz zaworów elektromagnetycznych. Po stronie wody grzewczej regulacja odbywa się z wykorzystaniem czujników temperatury wody grzewczej na wlocie i wylocie z wymiennika odzysku ciepła skraplania oraz poprzez zał./wył. lub płynne sterowanie prędkością obrotową wirnika pompy.
Istnieją również inne rozwiązania, w których wymiennik całkowitego odzysku ciepła skraplania jest umieszczony równolegle do właściwego skraplacza. Przy takich rozwiązaniach układy mogą mieć odpowiednie sterowanie, które w zależności od zadanej temperatury wody grzewczej na wyjściu z wymiennika odzysku przełącza zawory elektromagnetyczne, kierując czynnik chłodniczy raz na właściwy skraplacz, raz na wymiennik odzysku. W ten sposób możliwe staje się precyzyjne kontrolowanie zadanej temperatury wody grzewczej zasilającej układy ogrzewcze lub zbiorniki c.w.u.
Omówmy logikę sterowania analizowanego układu, tj. agregatu ze skraplaczem chłodzonym powietrzem z funkcją całkowitego odzysku ciepła (rys. 2a i rys. 2b).
- Parametry wody ziębniczej wynoszą 12/7°C, parametry wody grzewczej 40/45°C.
- Temperatura powietrza zewnętrznego to 35°C.
- Czujniki temperatury wody grzewczej na wymienniku odzysku ciepła kontrolują temperaturę wody przed i za wymiennikiem odzysku.
Jeśli występuje pełne wykorzystanie mocy cieplnej wymiennika odzysku ciepła, to przy zadanej temperaturze wody wyjściowej równej 45°C na powrocie z instalacji temperatura wody grzewczej będzie wynosić 40°C. Świadczy to o tym, że pełna moc grzewcza została wykorzystana i czynnik ziębniczy został skroplony. W takim wypadku skroplony czynnik ziębniczy poprzez zastosowane w układzie freonowym zawory elektromagnetyczne w całości kierowany jest do elektronicznego zaworu rozprężnego.
Jeśli jednak temperatura wody grzewczej na powrocie z instalacji różni się od zadanej temperatury wody wyjściowej 45°C i wynosi np. 44°C, świadczy to o tym, że wymiennik tylko częściowo może przekazać ciepło na potrzeby ogrzewania bądź c.w.u. Czynnik nie zostanie wtedy całkowicie skroplony i zawory elektromagnetyczne skierują czynnik ziębniczy będący w fazie gazowo-cieczowej na właściwy skraplacz w celu jego całkowitego skroplenia.
Praca wymiennika całkowitego odzysku ciepła wymaga załączenia układu chłodniczego w trybie chłodzenia (tzn. musi występować zapotrzebowanie na moc chłodniczą). Wiąże się z tym zasadnicza wada tego rozwiązania, a mianowicie: jeśli zapotrzebowanie na moc chłodniczą jest równe 100%, a zapotrzebowanie na moc grzewczą też jest pełne, agregat dostarcza pełną moc chłodniczą i pełną moc grzewczą.
Jako 100% mocy grzewczej autor ma na myśli przypadek, w którym 100% mocy grzewczej odpowiada sumie 100% zapotrzebowania na moc chłodniczą oraz poboru mocy elektrycznej przez układ sprężarkowy, tzn. odnosząc tę moc do mocy chłodniczej, ilość ciepła przekazywanego w skraplaczu wynosi 100% + 100/EER = 3,1 = 132% mocy chłodniczej.
Jeśli jednak zapotrzebowanie na moc chłodniczą wynosi 50%, a zapotrzebowanie na moc grzewczą 100%, to układ sprężarkowy na wymienniku odzysku ciepła będzie w stanie przekazać tylko ciepło w ilości 50% + 50/3,1 = 66,12% mocy chłodniczej.
Jest to zasadnicza wada rozwiązań agregatów z funkcją całkowitego lub częściowego odzysku ciepła skraplania.
Jeżeli zapotrzebowanie na moc chłodniczą jest dużo niższe od zapotrzebowania na moc grzewczą i są długie okresy, w których występuje jednoczesne zapotrzebowanie na moc chłodniczą i grzewczą, wówczas ciekawe i warte analizy jest rozwiązanie tzw. multifunkcyjnych agregatów wody ziębniczej [1, 2].
Tego typu rozwiązania w sprzyjających warunkach są w stanie pokryć większe zapotrzebowanie na moc grzewczą przy ograniczonym zapotrzebowaniu na moc chłodniczą, pobierając dodatkowe ciepło z „darmowych” źródeł zewnętrznych (powietrze zewnętrzne, ewentualnie ciepło odpadowe z układów technologicznych itp.).
Wymiarowanie instalacji odzysku ciepła
W celu zwymiarowania instalacji odzysku ciepła z agregatów konieczne jest określenie mocy przekazywanej przez wymiennik odzysku ciepła oraz parametrów wody grzewczej.
Ilość przekazywanego ciepła zależy przede wszystkim od konstrukcji agregatu, rodzaju zastosowanego wymiennika odzysku ciepła (częściowy, całkowity odzysk) oraz parametrów wody grzewczej.
Oczywiście mówiąc o wydajności wymiennika odzysku ciepła, należy rozpatrywać zarówno parametry obliczeniowe, jak i możliwe do wystąpienia inne niż projektowe warunki pracy, w szczególności te, które dotyczą zmniejszonego obciążenia wymiennika odzysku ciepła, jak też związane ze zmniejszonym zapotrzebowaniem na moc ziębniczą agregatu.
W wymienniku przekazywane jest ciepło od gorących par czynnika ziębniczego do wody grzewczej. Sprawność odzysku będzie zależeć od parametrów tych dwóch cieczy po obu stronach wymiennika.
Wydajność wymiennika całkowitego odzysku ciepła w warunkach pełnego zapotrzebowania na moc ziębniczą w budynku równa będzie sumie mocy chłodniczej oraz poboru mocy elektrycznej przez układ sprężarkowy dla obliczeniowych warunków pracy.
W przypadku agregatu ze skraplaczem chłodzonym cieczą można zauważyć, że w biuletynach technicznych producenci deklarują wartości mocy chłodniczej oraz poboru mocy elektrycznej przez sprężarki dla różnych warunków pracy. Zatem dla danych parametrów wody ziębniczej zakładanej Dt wody na parowaczu i parametrów cieczy chłodzącej skraplacz (temperatura na wlocie i wylocie ze skraplacza) można odczytać moc chłodniczą agregatu oraz pobór mocy elektrycznej przez układ sprężarkowy, zsumować te wartości i otrzymać ilość ciepła, jaką agregat jest w stanie przekazać na wymienniku całkowitego odzysku ciepła.
Jeżeli wymiennik całkowitego odzysku ciepła jest zamontowany w agregacie ze skraplaczem chłodzonym powietrzem, to o dane dotyczące jego rzeczywistej sprawności należy poprosić producenta bądź, jeżeli to konieczne, próbować te wartości oszacować. W katalogach agregatów ze skraplaczem chłodzonym powietrzem można odczytać dane dotyczące wydajności chłodniczej oraz poboru mocy elektrycznej dla danych parametrów wody ziębniczej oraz powietrza na skraplaczu. Sumą tych wartości jest ilość ciepła, jaką agregat jest w stanie przekazać.
Wymiennik całkowitego odzysku ciepła w układzie chłodniczym agregatu ze skraplaczem chłodzonym powietrzem to także skraplacz, tyle że chłodzony cieczą grzewczą.
Jeżeli oszacujemy, jakiej średniej temperaturze powietrza na skraplaczu odpowiada średnia temperatura wody grzewczej na wymienniku odzysku ciepła, dane uzyskane dla skraplacza powietrznego można potraktować jako zbliżone, możliwe do uzyskania na wymienniku całkowitego odzysku ciepła.
Precyzyjniej: producent nie zawsze podaje dane dotyczące osiągów wymiennika całkowitego odzysku ciepła skraplania dla agregatów ze skraplaczem chłodzonym powietrzem. Osiągi te jednak można próbować oszacować na podstawie danych ogólnie deklarowanych w biuletynach technicznych (moc chłodnicza, pobór mocy elektrycznej przez układ sprężarkowy) dla różnej temperatury wody ziębniczej i temperatury powietrza wlotowego na skraplacz.
Często projektant musi szybko oszacować osiągi takiego wymiennika i poniżej przedstawiony sposób pozwala na takie szybkie, przybliżone szacunki.
Przykładowo zakładając parametry cieczy wody grzewczej na wymienniku całkowitego odzysku ciepła w agregacie ze skraplaczem chłodzonym powietrzem równe 40/45°C, uśredniona temperatura cieczy na wymienniku będzie wynosić 42,5°C. Z kolei przyjmując temperaturę powietrza wlotowego na skraplacz równą 35°C, można obliczyć (znając przepływ powietrza chłodzącego skraplacz m – w kg/s, ciepło właściwe powietrza cp – w kJ/kgK oraz wydajność wymiennika skraplacza – w kW) przyrost temperatury powietrza na skraplaczu agregatu chłodzonego powietrzem.
Dla przykładowego agregatu wartość przyrostu wynosi 12,5 K. Oznacza to, że dla powietrza wlotowego o temperaturze 36°C na wyjściu ze skraplacza będziemy mieli temperaturę równą 48,5°C. Czyli średnia temperatura powietrza na skraplaczu powietrznym wynosi: 36 + (48,5 – 36/2) = 42,25°C.
Wiedząc, że temperatura wody grzewczej wynosi 40/45°C, możemy odczytać ilości ciepła odprowadzanego przez skraplacz dla agregatu chłodzonego powietrzem o temperaturze 36°C (obliczony przyrost 12,5 K). Uzyskana wartość może zostać przyjęta jako szacunkowa wydajność wymiennika całkowitego odzysku ciepła dla parametrów wody grzewczej 40/45°C.
Oczywiście przedstawiony sposób wyliczenia wydajności wymiennika pozwala jedynie na szacunkowe i orientacyjne przyjmowanie wydajności wymiennika całkowitego odzysku ciepła dla agregatów chłodzonych powietrzem, gdy producent nie deklaruje tej wartości w biuletynie technicznym.
Dla potrzeb obliczeniowych dane te producent powinien bezwzględnie potwierdzić. Powyższy sposób kalkulacji można stosować wyłącznie dla uproszczonych obliczeń dokonywanych przez projektantów.
W przypadku zastosowania wymienników częściowego odzysku ciepła skraplania jego wydajności zależą od temperatury wody grzewczej, jaka ma zostać ogrzana na wymienniku. Deklarowana przez producentów wydajność wymiennika częściowego odzysku ciepła skraplania dotyczy teoretycznej wartości wyliczonej na podstawie wykresu log p–h i dla zadanych parametrów wody chłodzącej wymiennik (grzewczej). Wydajność określona w ten sposób to ok. 20% wydajności ciepła skraplacza.
W praktyce rzeczywiste wartości wydajności wymiennika częściowego odzysku ciepła oscylują wokół 20% ciepła całkowitego skraplacza (ciepła skraplania i przegrzania), ale najczęściej są one takie przy założeniu temperatury wody grzewczej równej 40/45°C.
Jeżeli wymagana temperatura wody grzewczej dla takich samych pozostałych warunków pracy będzie wyższa, np. 60/65°C, ilość przekazywanego ciepła na skraplaczu spadnie, bo zmniejszy się średnia logarytmiczna różnica temperatury pomiędzy gorącymi parami czynnika ziębniczego za sprężarką (z jednej strony wymiennika odzysku) oraz temperaturą cieczy grzewczej po drugiej stronie wymiennika. Wartość ta zmaleje z „katalogowej wydajności” 20% do rzeczywistej, wynoszącej 5% całkowitego ciepła skraplania.
Nie jest to jedyny parametr mający wpływ na procentową wydajność wymiennika częściowego odzysku ciepła w stosunku do całkowitej możliwej do pozyskania wydajności ciepła skraplacza. Jeżeli mamy do czynienia z agregatem chłodzonym powietrzem, przy wyższej temperaturze powietrza zewnętrznego ilość ciepła przekazywanego na wymienniku częściowego odzysku ciepła i procentowa wydajność wymiennika również wzrastają.
W celu oszacowania procentowej wydajności możliwej do pozyskania na wymienniku częściowego odzysku ciepła można się posłużyć rys. 3. Ilustruje on zachowanie się wymiennika częściowego odzysku ciepła w zależności od temperatury wody grzewczej oraz temperatury powietrza zewnętrznego.
O szczegółowe informacje dotyczące wydajności wymiennika należy poprosić producenta urządzenia.
Rys. 3. Praca wymiennika częściowego odzysku ciepła w zależności od temperatury wody grzewczej;kWde/kWf – możliwa do pozyskania wydajność wymiennika częściowego odzysku ciepła, Tde – temperatura wody wyjściowej z wymiennika odzysku ciepła (po podgrzaniu Δt = 5 K); rys. archiwum autora
Należy pamiętać, że wszystkie przytoczone powyżej informacje dotyczą pewnych maksymalnych i ustalonych warunków pracy.
W przypadku zmniejszonego obciążenia, czy to po stronie układu grzewczego, czy po stronie odbioru z wymiennika odzysku ciepła, należy pamiętać, że zmiana któregokolwiek z parametrów po stronie zarówno czynnika ziębniczego, jak i wody grzewczej spowoduje wytrącenie układu z ustabilizowanych warunków pracy i osiągnięcie nowego stanu zależnie od dokonujących się zmian.
Zmienne parametry to m.in. zmiana przepływu wody grzewczej, zmiana temperatury wody grzewczej na wlocie do wymiennika, zmiana przepływu gorących par czynnika ziębniczego powstałego na wskutek występowania zmniejszonego zapotrzebowania na moc chłodniczą agregatu itp.
Czasami instalacje są tak zaprojektowane, że zmiany są dokonywane w tym samym czasie i dotyczą kilku parametrów.
Dla przykładu dla warunków zmniejszonego zapotrzebowania na moc chłodniczą w tym samym czasie może zmienić się przepływ w obiegu wody grzewczej itp. W takich wypadkach należy pamiętać, że tak naprawdę mamy do czynienia z typowym wymiennikiem freon–woda.
Dla warunków ustalonych zachowany jest stan równowagi wymiennika określony równaniami:
gdzie:
Qk – wydajność cieplna wymiennika odzysku ciepła, kW;
k – współczynnik przenikania ciepła, W/(m2·K);
mw – strumień wody grzewczej, kg/s;
cw – ciepło właściwe wody grzewczej, kJ/kgK;
dtw – przyrost temperatury wody na wymienniku, K;
mz – strumień czynnika ziębniczego, kg/s;
dh2–3 – zmiana entalpii czynnika ziębniczego na wymienniku odzysku ciepła, kJ/K;
Tk – temperatura skraplania czynnika, K.
Jeżeli po stronie czynnika ziębniczego układ pracuje z ustabilizowanymi warunkami pracy, a po stronie wody grzewczej zmniejszy się przepływ, musi wzrosnąć temperatura wody grzewczej na wymienniku. Takie przypadki można mnożyć, ale zawsze należy mieć na względzie powyższe równania bilansu ciepła dla wymiennika.
Na jedną rzecz trzeba zwrócić szczególną uwagę – jeżeli mamy do czynienia z agregatem chłodniczym wieloobiegowym i wielosprężarkowym, warto sprawdzić, czy pod wymiennik od strony czynnika ziębniczego są wpięte wszystkie obiegi chłodnicze.
Jeśli np. stosujemy wymiennik częściowego odzysku ciepła i agregat wyposażony jest w dwa niezależne obiegi chłodnicze, to przy częściowym zapotrzebowaniu na chłód przez agregat może pracować tylko jeden z obiegów.
Jeżeli do wymiennika odzysku ciepła wpięty jest tylko jeden obieg chłodniczy, to obieg ten może w określonych warunkach pracy pozostać wyłączony. Wówczas pomimo pracy układu sprężarkowego ze zmniejszonym obciążeniem układ nie będzie przekazywał ciepła do wymiennika.
Do takiej sytuacji może dojść przykładowo, gdy jeden z obiegów jest podłączony pod wymiennik odzysku, a układ automatyki agregatu realizuje np. algorytm wyrównania czasu pracy poszczególnych sprężarek.
Przykładowe instalacje odzysku ciepła skraplania
W większości systemów wykorzystujących agregat chłodniczy służący do produkcji wody ziębniczej w tym samym czasie występuje zapotrzebowanie na ciepłą wodę grzewczą. Odzysk ciepła skraplania jest efektywnym sposobem wytwarzania ciepłej wody podczas pracy agregatu chłodniczego. Korzyści są podwójne: redukcja obciążenia skraplacza i tym samym mniejsze koszty związane z odprowadzeniem ciepła do atmosfery oraz tania produkcja ciepłej wody i dzięki temu niższe koszty związane z produkcją ciepła przez źródło grzewcze.
Ciepła woda wyprodukowana przez odzysk ciepła odpadowego może zostać wykorzystana na wiele sposobów: do podgrzania c.w.u. lub wody do procesów przemysłowych, do podgrzania wody basenowej, pod prysznice i w spa, a także do podgrzania wody w pralniach oraz kuchniach przemysłowych. Poniżej scharakteryzowano przykładowe schematy instalacji hydraulicznych pozwalających na optymalne wykorzystanie ciepła z wymiennika częściowego odzysku ciepła (rys. 4, rys. 5 i rys. 6).
Rys. 4. Przykładowy schemat instalacji hydraulicznej wykorzystującej wymiennik odzysku ciepła skraplania napotrzeby podgrzania powietrza/wody grzewczej
Rys. 5. Przykładowy schemat instalacji hydraulicznej wykorzystującej wymiennik odzysku ciepła skraplania na potrzeby podgrzania powietrza/wody grzewczej
Rys. 6. Przykładowy schemat instalacji hydraulicznej wykorzystującej wymiennik odzysku ciepła skraplania na potrzeby podgrzania c.w.u.
Podgrzanie powietrza
Wymiennik odzysku ciepła może być wykorzystany do pokrycia wymaganego obciążenia cieplnego. Temperatura ciepłej wody na zasilaniu jest kontrolowana z wykorzystaniem zaworu regulacyjnego. W celu pokrycia zapotrzebowania na ciepło, kiedy agregat nie pracuje lub pracuje z częściowym obciążeniem, rekomendowane jest zastosowanie dodatkowego źródła grzewczego.
Podgrzanie wody
Wymiennik odzysku ciepła może zostać również wykorzystany do wstępnego podgrzewu wody na wlocie do głównego źródła grzewczego (np. kotła). Dzięki wykorzystaniu wstępnego podgrzania wody poziom zużycia ciepła jest mniejszy i główne źródło grzewcze pracuje z mniejszym zapotrzebowaniem na moc.
Produkcja ciepła na potrzeby c.w.u.
Wymiennik odzysku ciepła może zostać wykorzystany do podgrzewu c.w.u. W celu zapobiegnięcia zanieczyszczeniu wody użytkowej przepływającej przez agregat chłodniczy niezbędne jest zastosowanie wymiennika pośredniczącego.
Zastosowanie zbiornika buforowego pozwala na akumulację podgrzanej wody i powoduje wydajniejszą pracę wymiennika pośredniczącego.
Literatura
- Adamski B., Nowoczesne urządzenia i systemy klimatyzacyjne. Cz. 1. Agregaty wody ziębniczej jako pośrednie źródło chłodu w systemie klimatyzacyjnym, Grupa MEDIUM, Warszawa 2014.
- Adamski B., Nowoczesne urządzenia i systemy klimatyzacyjne. Cz. 2. Centrale klimatyzacyjne jako źródło świeżego powietrza w systemie klimatyzacyjnym, w opracowaniu.
- Biuletyn techniczny do agregatów wody ziębniczej typoszeregu WSAT-XSC3 90.4-240.4, materiał firmy Clivet.