Energetska učinkovitost prostega hlajenja v industriji

04.09.2020

Poglejte si primer energetske učinkovitosti prostega hlajenja v industriji ter si preberite o različnih možnostih izvedbe.

Večina hladilnih aplikacij uporablja za svoje delovanje hladilno tekočino, običajno vodo ali mešanico vode in glikola. 

Naštejmo le nekaj področij uporabe takega hlajenja:

- hlajenje v procesu proizvodnje hrane in pijače,
- hlajenje v proizvodnji plastičnih izdelkov,
- hlajenje v livarski industriji,
- hlajenje v tiskarski panogi,
- hlajenje strežniških sob,...

Večina zgoraj omenjene industrije uporablja klasične hladilnike procesne vode da zadostijo temperaturnim zahtevam v procesu proizvodnje. V mnogih primerih ob inštalaciji prvotnega hladilnega sistema energetska učinkovitost ni imela tako izrazitega pomena. Z višanjem stroškov energije in spoznavanjem pomembnosti ogljičnega odtisa je postal energetski vidik hlajenja še kako pomemben. Z obnovitvijo ali nadgradnjo hladilnega sistema s prostim hlajenjem pa lahko dosežemo znatne prihranke. Višina teh prihrankov pa je odvisna predvsem od temperaturnega režima v procesu hlajenja, torej temperature hladilne tekočine na vstopu in izstopu iz proizvodnje ter ambientalne temperature.

Industrijski hladilnik vode z vgrajenim prostim hlajenjem

Princip delovanja prostega hlajenja: 

Prosto hlajenje predstavlja hlajenje s pomočjo ambientalnega medija (zunanjega zraka) brez uporabe kompresorjev.
Tak primer je denimo hranjenje kvarljive hrane pozimi, zunaj na prostem. Tako lahko izkoristimo naravne pogoje za hranjenje hrane brez uporabe gospodinjskega hladilnika.
Na podoben način lahko uporabljamo ta pojav v prostem hlajenju. Za zniževanje temperature hladilnega sredstva uporabimo hladen zunanji zrak.
Pri hlajenju z uporabo prostega hlajenja torej namesto kompresorjev delujejo ventilatorji, ki so bistveno manjši porabnik energije. To posledično zmanjša porabo energije. Ob dovolj nizki ambientalni temperaturi lahko hladilnik s pomočjo delovanja ventilatorjev, ki svež zrak pomika skozi izmenjevalec toplote, zniža temperaturo hladilnega sredstva (voda, glikol). Kompresorje pa po potrebi ugasne ali pa z njimi le delno dodatno hladi hladilno sredstvo, da doseže željeno temperaturo.

 Shema delovanja prostega hlajenja

Izvedbe prostega hlajenja:

Obstajata dve osnovni opciji namestitve prostega hlajenja. Prosto hlajenje je lahko vgrajeno v hladilnik vode ali pa deluje kot samostojna enota - suhi hladilec (dry cooler):

1. Izmenjevalec toplote za prosto hlajenje je lahko vgrajen v industrijski hladilnik vode. Mikrokrmilnik uravnava delovanje celotne enote.

Shema prostega hlajenje v hladilniku

2. Druga opcija pa je, da se toplotni izmenjevalec (suhi hladilec, dry cooler) namesti poleg hladilnika vode in oba poveže med sabo preko tripotnega ventila. 

Mikrokrmilnik nato za dosego optimalnega delovanja nadzoruje delovanje tripotnega ventila in komponente obeh enot.

Shema samostojno stoječega prostega hlajenja

Prednosti in slabosti opcij:

Prednosti opcije z izmenjevalcem toplote integriranim v hladilnik vode:
- Zavzema manj prostora, kot ločen hladilnik in suhi hladilec. Zaradi tega se ta izvedba priporoča za primere, ko smo omejeni s prostorom.
- Manjše število komponent. V primeru ločenega suhega hladilca je namreč potrebno inštalirati več dodatne opreme, ki predstavlja dodatni potencial za okvaro (črpalka, ventilator, mikrokrmilnik,...).
- Kompaktnost enote.

Prednosti ločenega suhega hladilca in hladilnika sta:
- S to varianto lahko nadgradimo že obstoječi sistem hlajenja.

Uporaba prostega hlajenja:

Poraba električne energije in optimalnost uporabe prostega hlajenja je odvisna od temperaturnih pogojev: ambientalne temperature zunanjega zraka ter temperature vode iz proizvodnje in v proizvodnjo.
Idealno bi bilo, da bi bila temperatura ambienta ves čas vsaj 5 °C nižja od željene temperature hladilnega sredstva, ki jo želimo na izhodu iz hladilnika. Takrat je možno vse hlajenje opravili s pomočjo prostega hlajenja.
Vendar lahko tudi v primeru, ko je temperatura zraka nekoliko višja, vendar še vedno nižja od temperature vode iz proizvodnje, vsaj delno ohladimo hladilno sredstvo, preden nadaljnje hlajenje prevzamejo kompresorji. V tem primeru torej še vedno lahko dosežemo delni prihranek energije v primerjavi s sistemom, ki prostega hlajenja sploh ne uporablja.
Kadar so temperature vode na vhodu v hladilnik še višje od prej omenjenih si lahko deloma pomagamo z vlaženjem zraka ob hladilcu ali reber na hladilcu (adiabatni sistem), vendar si s tem zagotovimo le nekaj stopinj razlike. Zaradi trdote vode v Sloveniji pa prinaša ta način s seboj problem poapnitve hladilnih reber.

Primer prostega hlajenja:

Preden se odločimo za uporabo prostega hlajenja je dobro narediti analizo izkoristka glede na želene temperature hladilnega sredstva in naravne pogoje na lokaciji (temperatura ambienta, postavitev hladilnika, zračnost lokacije). Grobo aproksimacijo temperatur lahko dobimo iz podatkov najbližje meteorološke postaje. Na podlagi teh podatkov kasneje naredimo presojo izkoristka prostega hlajenja, s tem pa tudi oceno v kakšnem času bo prvotna dodatna investicija na račun prostega hlajenja povrnjena.
Predstavili vam bomo primer 110 kW hladilnika z vgrajenim prostim hlajenjem in brez tega.
Temperaturni režim: Voda v hladilnik Tin=20 °C, Voda iz hladilnika Tout=15 °C, Lokacija: Ljubljana
Voda pride torej iz proizvodnje segreta na 20 °C. Dokler je temperatura ambienta višja ali enaka 19 °C se prostega hlajenja ne uporablja. Tripotni ventil usmeri vodo direktno na toplotni izmenjevalec hladilnega kroga kompresorskega dela.
Kadar pade temperatura zunanjega zraka pod 19 °C, se tripotni ventil odpre proti izmenjevalcu prostega hlajenja. Vodo se delno ohladi s sistemom prostega hlajenja preostalo pa z uporabo hladilnega plina, torej z delovanjem kompresorjev. Že v tem temperaturnem območju torej dosežemo delne prihranke energije.
Ko temperatura zraka pade pod 10 °C se lahko voda v celoti ohladi preko prostega hlajenja. Delujejo torej le še ventilatorji, kompresorji pa se pri teh temperaturah več ne zaganjajo.

Delovanje prostega hlajenja skozi leto

Dopolnjevanje delovanja kompresorjev na 110 kW hladilniku s prostim hlajenjem

Glede na letno število ur različnih temperatur na določeni lokaciji lahko ocenimo delovanje prostega hlajenja in s tem pa tudi letni prihranek na račun električne energije.

Primerjava stroškov elektrike z upoštevanjem letnih temperatur za enoto z in brez prostega hlajenja 

Analizo za oba hladilnika smo naredili ob predpostavki, da hladilnika delujeta 24 ur na dan, 7 dni v tednu. Predpostavljena cena električne energije pa je 0,15 €/kWh. Analiza pokaže, da je v tem primeru na letni ravni okvirno 10.000 € prihranka na račun privarčevane električne energije, kar predstavlja znaten delež celotnega hladilnika.

Prednosti prostega hlajenja:

Ker ventilatorji za svoje delovanje porabijo mnogo manj energije kot kompresorji je jasna prednost uporabe prostega hlajenja prihranek na porabi energije in s tem tudi prihranek na stroških obratovanja. Obremenitev ventilatorjev tudi ni ves čas maksimalna. Spreminja se namreč glede na potrebo, kar še dodatno zmanjša potrebo po električni energije. Ker lahko sistem prostega hlajenja deluje v povezavi s hladilnikom tudi tako, da delno ohladi vodo preden ta vstopi v hladilnik, lahko na ta način tudi delno zmanjšamo obremenitev hladilnika.
Z uporabo prostega hlajenja se zmanjša tudi obratovalni čas kompresorjev na hladilni enoti kar pomeni zmanjšanje stroškov vzdrževanja in podaljšanje življenjske dobe hladilnika.
Zmanjša se tudi število zagonov kompresorjev na letni ravni, kar ugodno vpliva na življenjsko dobo kompresorjev.

Koristi / prihranki:

- Zmanjšanje porabe elektrike,
- Manjši stroški energije,
- Podaljšanje življenjske dobe kompresorjev in ostalih komponent,
- Zmanjšan ogljični odtis.

Priporočila:

Na primeru ste videli analizo prihrankov na račun električne energije za specifični primer. Na grobo velja ocena, da se ob normalni rabi na našem področju razlika med investicijo v hladilnik z in brez prostega hlajenja povrne prej kot v dveh letih. Vsekakor pa ima vsaka stranka svoje unikatne potrebe po hlajenju in specifične pogoje obratovanja. Glede na vaše specifične potrebe pa vam bomo v Omega AIR d.o.o., Ljubljana z veseljem pomagali pri pravilni izbiri za vaše potrebe.

Industrijski hladilnik vode z ločenim suhim hladilcem

Vir: www.omega-air.si