Sprężarkowe agregaty wody ziębniczej ze skraplaczem chłodzonym cieczą. Budowa, przegląd, zastosowanie

Zasada działania agregatów wody ziębniczej

Agregat wody ziębniczej składa się z typowego układu chłodniczego, wyposażony jest więc w: wymienniki parowacza i skraplacza, sprężarki (lub zespół  sprężarek), zawór rozprężny oraz przewody freonowe. Czynnik chłodniczy (zwany również ziębnikiem), krążąc w zamkniętym obiegu układu chłodniczego, podlega ciągłym przemianom.

W parowaczu, przez który przepływa ochładzana woda, czynnik chłodniczy odbiera od niej ciepło (powodując jej schłodzenie) i odparowuje. Czynnik w formie pary jest sprężany w sprężarce, a następnie skrapla się w skraplaczu, oddając ciepło bezpośrednio do powietrza zewnętrznego lub pośrednio do wody chłodzącej skraplacz. Za skraplaczem czynnik obniża swoją temperaturę i ciśnienie na zaworze rozprężnym, a następnie trafia do parowacza, gdzie od początku rozpoczyna swój obieg.

Podział ze względu na medium chłodzące skraplacz

Istnieje wiele kryteriów podziału sprężarkowych wytwornic wody ziębniczej, m.in. ze względu na medium chłodzące skraplacz. Rozróżniamy:

• agregaty ze skraplaczem chłodzonym powietrzem,
• agregaty ze skraplaczem chłodzonym wodą,
• bezskraplaczowe agregaty przeznaczone do współpracy ze zdalnym skraplaczem.

Do najbardziej popularnych rozwiązań obok agregatów ze skraplaczem chłodzonym powietrzem należą urządzenia ze skraplaczem chłodzonym wodą. W dalszej części artykułu omówione zostaną rozwiązania, w których ciepło skraplania przekazywane jest do cieczy pośredniczącej.

Budowa agregatów wody ziębniczej

Nowoczesne konstrukcje agregatów wody ziębniczej ze skraplaczem chłodzonym cieczą zasadniczo nie różnią się od rozwiązań ze skraplaczem chłodzonym  powietrzem, poza tym na konstrukcję układów chłodniczych składają się te same elementy, a ich działanie opiera się na niezmienionej zasadzie pracy lewobieżnego układu parowego. Modyfikacje dotyczą dopasowania pracy takich urządzeń do potrzeb systemu klimatyzacyjnego, wiążą się także z ogólnym trendem uzyskiwania jak najwyższych wskaźników efektywności energetycznej.

Wymienniki parowacza i skraplacza to wymienniki płytowe i płaszczowo-rurowe, przy czym konstrukcje tych drugich odbiegają od typowych rozwiązań opartych na wymiennikach „U-rurowych”. Wadą rozwiązań „U-rurowych” jest niskasprawność, bo wymiana ciepła odbywa się w ich przypadku przeciwprądowo tylko w jedną stronę, a w drugą przebiega „współprądowo”. Przykładową konstrukcję nowoczesnych wymienników płaszczowo-rurowych pokazano na rys. 1.

W agregatach wody ziębniczej ze skraplaczem chłodzonym cieczą wykorzystywane są sprężarki typu spiralnego, śrubowe, a także nowe konstrukcje promieniowe, tzw. TURBOCOR. Bardzo wysokie efektywności energetyczne wiążą się z zastosowaniem tych ostatnich, gdyż wał wirnika wiruje w polu magnetycznym, a sprężarka nie wymaga smarowania olejem (obniża on efektywność pracującego układu chłodniczego).

Z uwagi na stosunkowo wysoką cenę rozwiązań opartych na tym rodzaju sprężarki rynek zweryfikuje, czy znajdą one powszechne zastosowanie w realizowanych inwestycjach. Jako elementy dławiące w układach chłodniczych coraz częściej wykorzystywane są elektroniczne zawory rozprężne.

Elementy te optymalizują stopień przegrzania w każdych warunkach obciążenia cieplnego, czego efektem jest wiele korzyści:

• szybka i precyzyjna reakcja dzięki mikroprocesorowemu sterownikowi opartemu na proporcjonalno-różniczkująco-całkującej charakterystyce regulacji (PID) oraz siłownikowi krokowemu,
• wysoka efektywność energetyczna w każdych warunkach dzięki ograniczaniu, zarówno pod względem amplitudy, jak i czasu trwania, nieustalonych wahań występujących po zmianie obciążenia,
• poszerzony zakres pracy agregatu pod względem minimalnego obciążenia cieplnego i minimalnej temperatury skraplania,
• lepsze warunki pracy dla sprężarki dzięki obniżeniu temperatury sprężonego gazu oraz zapobieganiu powrotowi cieczy i nieprawidłowemu smarowaniu,
• proste ustawianie agregatu przy rozruchu – nawet w przypadku zastosowań specjalnych widać elastyczność zaworu i jego parametrów sterowania,
• bardziej racjonalne wykorzystywanie czynnika chłodniczego, gdyż jego całkowita wymagana ilość jest mniejsza,
• podwyższona niezawodność pracy obiegu chłodniczego dzięki uproszczeniu jego elementów, kontroli maksymalnego ciśnienia pracy oraz sygnalizacji indywidualnych alarmów.

Czynnikami roboczymi krążącymi w nowoczesnych konstrukcjach agregatów wody ziębniczej ze skraplaczem chłodzonym cieczą są: R134A, R407C, R410A. Każdy z wymienionych czynników współpracuje z pozostałymi elementami układu chłodniczego i ich wybór zależy od przeznaczenia agregatu.

Zastosowanie agregatów

Agregaty ze skraplaczem chłodzonym cieczą znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie z uwagi na swoje wymiary i gabaryty rozwiązania monoblokowe ze skraplaczem chłodzonym powietrzem nie mogą być stosowane. Urządzenia ze skraplaczem chłodzonym cieczą współpracują często z dry coolerami („suchymi chłodnicami cieczy”). Przy takiej konfiguracji ciężar dry coolerów jest rozmieszczony na dużej powierzchni i można zaakceptować obciążenie punktowe powierzchni dachu, w przeciwieństwie do agregatów ze skraplaczem chłodzonym powietrzem.

Przy zastosowaniu wież chłodniczych jako urządzeń współpracujących z agregatami możliwe jest przyjęcie niższych parametrów wody chłodzącej skraplacz (niższych od temperatury mierzonej termometrem „suchym”), w związku z czym efektywności energetyczne tych agregatów mogą okazać się bardzo konkurencyjne w porównaniu z innymi konstrukcjami.

Ponadto agregaty takie dają większe możliwości wykorzystania ciepła na potrzeby ciepłej wody użytkowej. Ciepło to można odzyskiwać w dowolnej proporcji poprzez zamontowanie wymiennika pośredniczącego pomiędzy skraplaczem agregatu wody ziębniczej a dry coolerem (lub wieżą chłodniczą). Odzysk ciepła jest realizowany w prosty sposób bez ingerencji w układ chłodniczy agregatu i może znaleźć zastosowanie również w pracujących instalacjach (ze skraplaczem chłodzonym cieczą), w których odzysk ciepła nie jest wykorzystywany.

Jeżeli urządzenia rozprowadzające ciepło ze skraplaczy agregatów (dry coolery, wieże chłodnicze) montowane na dachu muszą mieć ograniczone wymiary, to z uwagi na przekazywanie ciepła do cieczy pośredniczącej może ono zostać w dużej części odprowadzone np. do wymienników zamontowanych na wyrzucie z central klimatyzacyjnych lub wykorzystane użytecznie w innych urządzeniach. Redukuje to znacząco zapotrzebowanie na moc chłodniczą dry coolerów lub wież chłodniczych. Na takie rozwiązanie nie pozwalają agregaty wody ziębniczej ze skraplaczem chłodzonym powietrzem.

Przeznaczenie agregatów

Jak wcześniej wspomniano, agregaty wody ziębniczej ze skraplaczem chłodzonym cieczą składają się z wielu komponentów. Każdy z wymienionych powyżej podzespołów można stosować w agregatach wody ziębniczej ze skraplaczem chłodzonym cieczą, tak by dane urządzenie dopasować do potrzeb instalacji, w której agregat ma pracować.

W zależności od przeznaczenia urządzeń można dokonać następującego ich podziału (identycznego jak dla innych konstrukcji sprężarkowych agregatów wody ziębniczej):

• urządzenia dla systemów cechujących się zmiennym obciążeniem chłodniczym: zastosowanie znajdują tu konstrukcje wyposażone w wymienniki płytowe, zespoły sprężarek typu spiralnego (scroll), elektroniczne zawory rozprężne oraz czynnik chłodniczy typu R410A. Wieloobiegowe układy chłodnicze wyposażone w wiele sprężarek typu scroll pozwalają na uzyskanie wysokich wskaźników efektywności energetycznej ESEER przy zachowaniu racjonalnych kosztów inwestycyjnych. Dużo droższe rozwiązania ze sprężarkami typu TURBOCOR również cechuje wysoka efektywność energetyczna, zarówno przy obciążeniu częściowym, jak i pełnym. Obok sprężarki TURBOCOR agregaty są wyposażone najczęściej w czynnik R134A oraz wymienniki płaszczowo-rurowe;
• urządzenia dla systemów pracujących z pełnym obciążeniem chłodniczym. Cechuje je wysoki wskaźnik efektywności energetycznej liczony dla warunków pełnego obciążenia cieplnego – EER. Wszystkie wskaźniki efektywności energetycznej uzyskiwane są często dzięki wykorzystaniu „ekonomizera”. Agregaty przeznaczone do tego typu rozwiązań zbudowane są w oparciu o sprężarki typu śrubowego, wymienniki płaszczowo-rurowe oraz czynnik chłodniczy R134A. Również tutaj zastosowanie znajdują konstrukcje ze sprężarkami promieniowymi typu TURBOCOR.

Agregaty umożliwiające jednoczesne grzanie i chłodzenie pomieszczeń

Tego typu konstrukcje są nowością w tym segmencie urządzeń. Przeznaczone są do budynków, w których występują długie okresy jednoczesnego zapotrzebowania na moc chłodniczą i grzewczą. Do takich obiektów należą np. biurowce o dużym przeszkleniu, szpitale czy mleczarnie. Agregaty są energooszczędne, gdyż moc cieplna, która powstaje przy pracy sprężarkowych agregatów chłodniczych i jest tracona bezpowrotnie do powietrza, jest w tych urządzeniach użytecznie wykorzystywana, a na zewnątrz usuwane są jedyne zbędne nadwyżki ciepła.

Tego typu agregaty ze skraplaczem chłodzonym cieczą różnią się od tradycyjnych agregatów z wymiennikiem odzysku ciepła skraplania tym, że zostały przystosowane do pracy z różnymi obciążeniami cieplnymi po stronie wymiennika parowacza i skraplacza.

Praca takiego agregatu może być rozpatrywana dla trzech skrajnych warunków pracy (rys. 2). Jeżeli zapotrzebowanie na moc grzewczą dla budynku bilansuje się z zapotrzebowaniem na moc chłodniczą (taki układ ma miejsce, gdy zapotrzebowanie na moc grzewczą stanowi ok. 130% zapotrzebowania na moc chłodniczą i wynika ono z bilansu cieplnego przeprowadzonego dla obiegu chłodniczego), do układu agregatu nie jest doprowadzona ani odprowadzana dodatkowa moc cieplna i chłodnicza. W innych wypadkach do agregatu konieczne będzie doprowadzenie niedoboru ciepła lub odprowadzenie z niego nadwyżki ciepła.

Podsumowanie

Możliwość elastycznego dopasowania do potrzeb instalacji oraz zastosowania wszędzie tam, gdzie inne konstrukcje agregatów nie mogą być z różnych względów stosowane, wpływa na dużą popularność agregatów ze skraplaczem chłodzonym cieczą. W szczególności elastyczna gospodarka odpadowym ciepłem skraplania powoduje, że ich zastosowanie jest ekonomicznie uzasadnione zarówno pod kątem eksploatacyjnym, jak i inwestycyjnym.