Eurovent: chłodzenie ewaporacyjne przyjazne dla środowiska

Wieże chłodnicze (chłodnie wentylatorowe) są przykładem przemysłowego chłodzenia ewaporacyjnego (wyparnego), czyli wykorzystującego efekt wymiany ciepła pomiędzy odparowywaną wodą a przepływającym powietrzem. Metoda chłodzenia wyparnego uważana jest za ekonomiczną i przyjazną środowisku ze względu na zużywanie stosunkowo niewielkich ilości wody i energii, niezbędnych do zachowania wysokiej skuteczności cieplnej całego procesu poprzez utrzymywanie niskiej temperatury chłodzenia.

Działanie wież chłodniczych

W wieżach otwartych (rys. 1) woda (kondensacyjna lub przemysłowa) schładza się przez bezpośredni kontakt z powietrzem atmosferycznym. Jest ona rozprowadzana na powierzchni wymiany ciepła z przepływem krzyżowym lub przeciwprądowym. Woda spływa pionowo po powierzchni wymiany ciepła (płycie mokrej), a powietrze zewnętrzne przepływa w poprzek płyty (przepływ krzyżowy) lub pionowo w górę wzdłuż płyty (przeciwprąd). Kontakt powietrza zewnętrznego z wodą powoduje odparowanie jej niewielkiej ilości, co zapewnia usunięcie ciepła z pozostałej wody (schłodzenie). Tak schłodzona woda odpływa z powrotem do źródła ciepła i proces się powtarza.

W wieżach z zamkniętym obiegiem chłodzenia (rys. 2) płyn chłodzony nie ma bezpośredniego kontaktu z powietrzem atmosferycznym – przepływa w rurkach wężownicy stanowiącej wymiennik ciepła. Z powietrzem kontaktuje się woda wtórna, rozprowadzana przez odrębną instalację po zewnętrznej części wymiennika. W wyniku kontaktu z przepływającym powietrzem woda wtórna odparowuje i tym samym z płynu przepływającego wewnątrz wymiennika odbierane jest ciepło. Woda wtórna odpływa i jest ponownie pompowana tak, by w procesie odparowania chłodzić rurki wymiennika, w którym znajduje się właściwy płyn chłodzony.

Powietrze kontaktujące się z wodą w wieży chłodniczej napływa do niej w wyniku ciągu naturalnego lub mechanicznego wytworzonego przez wentylatory. Ciąg mechaniczny stosuje się głównie w zakładach o małej i średniej wydajności, a naturalny w zakładach o dużej wydajności (np. w elektrowniach). Pozwala to optymalizować nakłady energetyczne na pracę instalacji chłodniczej.

Chłodzenie wyparne prośrodowiskowe?

Zastosowanie chłodzenia wyparnego w chłodzeniu przemysłowym uważane jest za rozwiązanie oszczędzające energię niezbędną do procesów chłodzenia. Tym samym stosowanie wież chłodniczych może się przyczyniać do zmniejszenia śladu węglowego sektora chłodniczego poprzez obniżenie emisji dwutlenku węgla. Jak duże są to korzyści? Próby oceny podjęło się stowarzyszenie Eurovent we współpracy z wiodącymi producentami: Baltimore Aircoil Company (Belgia), Decsa (Włochy), Evapco (Belgia), Gohl (Niemcy), Jacir (Francja), KTK (Niemcy) i Mita (Włochy). W ramach projektu „Evaporative Cooling 2030” [1] zasymulowano rok pracy instalacji chłodniczych dla różnych profili obciążenia cieplnego, warunków klimatycznych i sposobów sterowania. Porównano instalacje chłodzenia wyparnego (mokre wieże chłodnicze) i instalacje chłodzone powietrzem.

– Przy porównaniu pracy instalacji chłodzenia wyparnego i chłodzenia powietrzem widać wysoki potencjał obniżenia emisji CO₂ systemów chłodzenia wyparnego – podkreślił Rob Vandenboer, kierownik projektu „Evaporative Cooling 2030”. Oceniając potencjał obniżenia emisji CO₂, autorzy projektu odwołali się do opisu europejskiego (tj. obejmującego Unię Europejską wraz z Rosją i Turcją) rynku chłodnictwa ewaporacyjnego, opracowanego przez Eurovent Market Intelligence.

Europejski rynek wież chłodniczych w pigułce

Europejski rynek chłodnictwa ewaporacyjnego to przede wszystkim małe i średnie firmy, których jest ok. 45 i na terenie Europy dysponują one 50 zakładami produkcyjnymi. Całkowity obrót tych producentów wynosi ok. 265 mln euro, a zatrudnienie – ponad 1400 osób. Uwzględniając tylko wieże chłodnicze montowane fabrycznie, na terenie Europy rocznie instaluje się ok. 4000 gotowych wież chłodniczych o łącznej mocy chłodzenia 3,6 GW, na co zużywają (moc pobierana przez urządzenia pomocnicze, takie jak wentylatory) 66 MW. Dla porównania: rocznie w Europie instaluje się 530 agregatów sprężarkowych chłodzonych powietrzem o mocy chłodniczej > 1 MW.

Mniejsza emisja CO₂ dzięki wieżom chłodniczym

Porównując wieże chłodnicze i agregaty sprężarkowe chłodzone powietrzem w skali europejskiej, zespół Eurovent doszedł do wniosku, że dzięki stosowaniu wież chłodniczych można obniżyć emisję CO₂ o 56 tys. ton rocznie. Autorzy badania obrazowo porównują tę wartość do:

• emisji gazów cieplarnianych z 10,8 tys. samochodów pasażerskich rocznie,
• emisji CO₂ ze 118 tys. zużytych baryłek ropy rocznie,
• ilości węgla przechwyconego przez 24 tys. hektarów lasu (prawie tyle, co powierzchnia Poznania).

Daje to rocznie 15,5% redukcji emisji CO₂ dla zastosowań przemysłowych i 16% redukcji dla zastosowań HVAC.

Jak zużywać mniej wody na chłodzenie wyparne?

Drugim ważnym aspektem korzystania przez wieże chłodnicze z zasobów środowiska jest zużycie wody. Ponieważ panuje powszechne przekonanie, że zużycie to jest w przypadku wież chłodniczych wysokie, Eurovent przygotował również zalecenie (Recommendation) [2], dotyczące zarówno sposobów oszczędzania wody, jak i właściwego obliczania zapotrzebowania na nią.

Aby zmniejszyć zużycie wody, do budowy systemu chłodzenia należy wykorzystywać materiały odporne na korozję.

Zaleca się też stosowanie rozwiązań, w których rzeczywiste zużycie wody zależy od obciążenia cieplnego. W dużych systemach opartych na wieżach otwartych obieg wieży chłodniczej z wymiennikiem ciepła powinien być oddzielony od reszty rurociągu chłodniczego – ogranicza to ilość wody usuwanej z instalacji w procesach jej oczyszczania i wymiany.

Ile wody zużywają wieże chłodnicze?

Zasadniczym problemem jest nieprawidłowe oszacowanie zapotrzebowania na wodę dla wież chłodniczych. Zgodnie z zaleceniem Eurovent, nie należy dokonywać takiego szacowania w oparciu o proste wzory. Zużycie wody powinno być symulowane na podstawie profilu obciążenia cieplnego i statystycznych danych klimatycznych. Obliczone w ten sposób zapotrzebowanie na wodę nadal stanowi pewne przybliżenie, jednak bliższe rzeczywistości niż liczby wynikające z prostych wzorów. Przykładowo układ o zdolności przejmowania ciepła Q = 1,8 MW w Atenach według prostych wyliczeń ma zapotrzebowanie na wodę 37,8 tys. m³/rok, a z symulacji wynika, że wynosi ono 11,7 tys. m³/rok. Przy łagodniejszych warunkach klimatycznych (wydajność Q = 1,7 MW w Brukseli) różnice są jeszcze większe – zapotrzebowanie na wodę według prostych wyliczeń wynosi 35,7 tys. m³/rok, a z symulacji wynika zapotrzebowanie wynoszące zaledwie 7,6 tys. m³/rok.

Parametry wież potwierdzone

Warto przypomnieć, że wieże chłodnicze mogą mieć certyfikat Eurovent, który dzięki badaniom w niezależnych laboratoriach potwierdza prawdziwość deklarowanych przez producenta danych. Potwierdzane w ramach tej certyfikacji dane to charakterystyka cieplna, czyli zdolność odbierania odpowiedniej ilości ciepła – informacja o chłodzeniu danej ilości wody od określonej temperatury do określonej temperatury przy danej wartości projektowej temperatury termometru mokrego powietrza wlotowego. Drugą cechą potwierdzoną w certyfikacie jest wydajność cieplna wieży chłodniczej.

Literatura

1. The European Evaporative Cooling Industry in a Nutshell, Eurovent Industry Monograph 9/1 – 2019 Brussels, October 2019.
2. Evaporative cooling equipment: how to evaluate and minimise the water consumption, Eurovent Recommendation 9/13 – 2019, Brussels, October 2019.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!