Jak uspořit na průmyslovém chlazení
Klimatická změna spojená s růstem průměrné roční teploty a extrémními vedry vyvolává stále větší potřebu průmyslové klimatizace a chlazení. Příčinu lze, podle dokumentu Vliv změny klimatu na zdraví lidí, zvířat a rostlin vypracovaného v roce 2009 pro Evropskou komisi, hledat ve zvyšujících se obavách Evropanů z úmrtnosti a nemocnosti související se zvyšující se průměrnou roční teplotou.
Dokladem pro to mohou být letní vlny veder v roce 2003, které údajně způsobily více než 70 000 úmrtí na našem kontinentě. Očekává se i růst počtu infekčních nemocí citlivých na teplotu, jako jsou infekce z potravin a další negativní dopady. Se stále širším využíváním chlazení a klimatizace souvisí i to, že objem spotřeby elektrické energie v letních měsících v posledních letech převyšuje její poptávku ve srovnání se zimou. Ne náhodou proto bývá chlazení označováno za žrouta elektřiny. Vzhledem k předcházejícímu je proto nejvyšší čas začít přemýšlet o řešení, které i za extrémních situací zajistí bezproblémový provoz firmy a umožní minimalizovat rizika spojená s výpadky výroby za extrémních podmínek a ohrožením lidského zdraví. Pro většinu firem a rezidenčních uživatelů to bude znamenat zvážit instalaci odpovídajícího systému chlazení či klimatizace nebo jeho výměnu za nové, energeticky méně náročné.
Druhy chlazení a možnosti jejich využití
Zde je třeba zdůraznit, že není chlazení jako chlazení a volba nevhodného systému situaci příliš nezlepší. Naopak může vést ke zklamání a problémům, kterým je lépe se vyhnout hned od počátku. Typů chlazení, chladicích systémů a klimatizací (pozor, není to jedno a totéž, jak přetrvává jeden z častých omylů) je řada, a pro neodborníky může být orientace v nich poměrně komplikovanou záležitostí. Proto doporučujeme už od počátku spolupracovat s odborníky, kteří dokážou identifikovat problémy zákazníka, navrhnou mu dokonalefunkční řešení, převedou teorii do praxe a dlouhodobě mu poskytnou potřebný servis. V takovém případě se pojmy ekologicky a ekonomicky v reálné praxi nevylučují, ale naopak jdou takříkajíc ruku v ruce. Výhodou komplexních systémových řešení je rychlá finanční návratnost a minimální dopad na životní prostředí.
Obr. 1 Vzduchem chlazené kompresorové chladicí jednotky firmy M.T.A.
Kompresorové chladicí jednotky
V segmentu pro průmyslové chlazení se uplatňují hlavně kompresorové chladicí jednotky, které slouží jako zdroj chladu v sestavných chladicích a klimatizačních jednotkách, fan-coily (moderní designové jednotky vhodné jak pro vytápění, tak i pro chlazení), nebo pro chlazení technologií v průmyslu. Jsou vybaveny kompresorovým chladicím okruhem, který pracuje s ekologickým chladivem. Kompresorové chladicí jednotky se dále dělí na kompaktní jednotky s vodou nebo vzduchem chlazeným kondenzátorem (kondenzační teplo se odvádí do chladicí vody nebo do okolního vzduchu – obr. 1), nebo s odděleným kondenzátorem popř. výparníkem. Mezi jednotky s kompresorovým okruhem patří i tepelná čerpadla systému vzduch/voda nebo systému voda/voda.
Suché chladiče
Tato zařízení pracují na principu prostupu tepla z kapalin popř. jiných médii do okolního prostředí. Zpravidla se jedná o samonosný rám s výměníkem (potrubí se žebry) a ventilátor (obr. 2). Médium protéká výměníkem se žebry, která jsou ochlazována proudem vzduchu nasávaným ventilátorem. Teplo odebrané kapalině je vyfukováno do okolí. Jedná se o velice efektivní a levné řešení, jak ochladit kapaliny. Nevýhodou je min. dosažená teplota výstupní kapaliny, která je o cca 2 K vyšší než teplota okolí.
Obr. 2 Suché chladiče Alfa Laval – stolové provedení.
Chladicí věže
Dalším zdrojem chladu v průmyslových aplikacích jsou chladicí věže (obr. 3). Jejich provedení je pro venkovní instalace s možností tlakově otevřeného nebo uzavřeného okruhu. Jsou schopny chladit vodu až na 23 °C (léto). Pokud je požadavek na teploty nižší, tak je doporučováno kompresorové chlazení. Výhody chlazení pomocí chladicí věže jsou v nižší energetické náročnosti a nižší pořizovací ceně. Je ale nutné dbát na hlídání kvality vody a zabezpečení ochrany proti mrazu.
Obr. 3 Tlakově otevřená chladicí věž firmy Baltimore.
Free-cooling
Řadu chladicích systémů doplňuje ještě tzv. Free-cooling (volné chlazení) – tato technologie využívá nízkých venkovních teplot pro výrobu chladu (chladicí vody) bez nutnosti používání kompresorového chlazení. Provoz free-coolingových jednotek je z energetického hlediska velice nenáročný, protože při tomto druhu chlazení rotují pouze ventilátory, které nasávají vzduch skrz lamelový výměník s nemrznoucí kapalinou, která své teplo odevzdává do vzduchu a tím se ochlazuje, přičemž elektrický příkon ventilátorů bývá v porovnání s příkonem kompresorů desetinový. Samostatnou kapitolou je chlazení průmyslových prostorů, ve kterých se nevyskytují lidé, kde je funkce ochlazování nezbytná pro udržování provozní teploty.
Například v potravinářském průmyslu, v nemocnicích, farmaceutickém průmyslu, laboratořích a podobně. Tam se uplatňují např. chladicí místnosti, kde chlazení probíhá v teplotním rozmezí přibližně 2 °C až 10 °C, nebo chladicí (příp. mrazicí) boxy, kde se teplota pohybuje přibližně mezi –2 °C až 4 °C (v mrazicích boxech kolem –18 °C až -20 °C). V převážně míře lze využít kompresorová chladicí zařízení. Funkci ochlazování pracovních prostor zajišťuje i klimatizace, která je však primárně určena hlavně pro pracoviště kancelářského typu, nikoli pro výrobní prostory a areály, které jsou doménou průmyslového chlazení. Tvoří samostatnou kapitolu, která není předmětem tohoto článku.
Obr. 4 Ultrazvukové měření průtoku kapalin pro určení chladícího výkonu.
Klíč k výběru chladicího zařízení
Pro průmyslové aplikace je obvykle standardně nejlepším řešením kompaktní průmyslová chladicí jednotka s integrovanou tlakovou akumulační nádobou a čerpadlem s co možno nejmenší zastavěnou plochou, (což splňuje například řada TAEevo TECH od Veskom). Její univerzálnost umožňuje nasadit ji do jakéhokoliv oboru, kde je potřeba chladit. Obecně se většinou navrhuje technologie free-coolingu (volné chlazení) pro snížení energetické náročnosti díky deskovým výměníkům a vzduchovým chladičům. Další nutností je korektně a technicky správně navržené vodní hospodářství, jako jsou čerpadla, dimenze potrubí, uzavírací a servisní armatury, velikosti akumulačních nádob až po parotěsné tepelné izolace. V tepelném zpracování se mohou použít pro chlazení atmosférické chladiče nebo chladicí věže. Kompresorové chlazení se zde používá jen zřídka, podle druhu tepelného zpracování.
Obr. 5 Kompaktní free-coolingová jednotka firmy M.T.A.
Úskalí nesprávně zvoleného systému
Základním problémem je nevšímavý přístup zákazníků k chladicímu systému coby nutné součásti výrobních linek. Obecně chladicí technologie samy o sobě nepřinášejí žádný zisk a tak je na ně také pohlíženo. Bohužel, řada firem začne řešit problém s nefunkčním chlazením, až když takový problém nastane. Doporučujeme tyto problémy řešit skrze půjčovnu chladicích jednotek, která dokáže nabídnout pomoc v urgentních případech a zároveň do budoucna vyřešit i problém s chlazením vůbec.
Obr. 6 Vnitřní instalace kompresorové jednotky M.T.A. s využitím odpadního tepla
Klimatizace není chlazení
Další chybou je, že zákazníci často nerozlišují mezi jednotkami pro klimatizace a pro průmyslové chlazení a s tím souvisejícími pořizovacími cenami. Obecně, klimatizace je používána v průběhu roku jen pár měsíců a s tím také počítají výrobci. Zařízení je tedy levnější, jeho konstrukce je jednoduchá a interní komponenty jsou voleny s ohledem na provoz např. 5 měsíců v roce. Pro klimatizační jednotku tohoto určení, která se používá v průmyslové výrobě 24 hodin/365 dní v roce, znamená pak kontinuální provoz extrémní, a často neúnosné zatížení, zatímco chladicí jednotky pro průmyslové aplikace jsou právě na toto navrženy. Úměrně k tomu je pořizovací cena průmyslových chladičů mnohem vyšší, jejich návratnost je ale překvapivě rychlá. Vlastní návrh chladicího zařízení se navrhuje tak, aby výrobní linky byly v provozu trvale a s patřičnou přesností. Pořizovací cena, která je úmyslně snižována na úkor technického vybavení a konstrukce zařízení, často představuje jediné kritérium.
Obr. 7 Strojovna chlazení – technologie free-cooling
Případová studie: Výroba stlačeného vzduchu – audit a doporučená opatření pro snížení nákladů na energie
Ušetřit na nákladech lze i při výrobě stlačeného vzduchu, což je další velký spotřebitel elektrické energie. Některé prameny uvádějí, že až 10 % energie v průmyslu je spotřebováno na jeho výrobu. Typické náklady na provoz kompresoru za 10 let jsou tvořeny následovně: 12 % činí pořizovací cena, 12 % náklady na údržbu a zbytek 76 % jsou výdaje na energii. Mezinárodní studie přitom dokládají, že kompresory nabízejí vysoký potenciál pro snižování nákladů, ve většině případů se jedná o 20% až 40% úsporu spotřeby elektřiny. Kompresor s nom. výkonem motoru 132 kW a ročním provozem 6 800 hodin. Plné zatížení kompresoru 85 % času (účinnost motoru 0.95), v odlehčení 25 % plného zatížení výkonu. Cena za kWh: 2 Kč Pro snížení nákladů za elektrickou energii u tohoto procesu navrhujeme následující postup.
2. Týdenní sběr dat o systému stlačeného vzduchu, na základě zařízení, které zaznamenává týdenní profil skutečných hodnot následujících položek stlačeného vzduchu:
3. Měření úniků stlačeného vzduchu včetně lokalizace úniků (úniky představují v mnoha případech významnou ekonomickou ztrátu, která se navíc v čase prohlubuje). Měření zahrnuje:
(Zdroj:www.druckluft.ch) 4. Komplexní zprávu s doporučeními (zákazník obdrží záznam naměřených hodnot spolu s doporučeními a vyčíslením úspor, kterých je možno dosáhnout). Obsahem závěrečné zprávy auditu je:
Komplexním auditem lze získat přehled o vybavení a stavu jeho systému stlačeného vzduchu, návrh na úsporu energetických nákladů a řešení na snížení nákladů na údržbu. Jejich realizací dosáhne ve výrobě poklesu doby prostojů, zmenšení množství vadných výrobků a zvýšení produktivity práce. |
Obr. 8 Nastěhování jednotky na střechu výrobní haly
Úspory na prvním místě
Možností, jak dosáhnout úspor v průmyslovém chlazení, je řada. V průmyslu se mimo jiných médií (plyny, stlačený vzduch apod.) používá chladicí voda. V aplikacích, kde je požadovaná teplota kapaliny nižší, než je teplota okolí, se uplatňují např. kompresorové chladicí jednotky pracující na principu obraceného Carnotova cyklu, kdy se chlad z prostředí (např. kapalin) odebírá pomocí plynu, který se lehce odpařuje a tím bere teplo jiné látce (materiálu). Srdcem takové cyklu je kompresor, který pro svůj chod potřebuje elektrickou energii. V praxi se uvádí, že jednotky s chladivovým okruhem pracují s účinnosti EER = 3 až 4 (tzn. jednotka s chladicím výkonem 100 kW má elektrický příkon cca 30 kW). Snižování provozních nákladů u některých technologií je možné dosáhnout tím, že se chladí pouze vzduchem bez nutnosti chodu kompresoru, tzv. free-cooling neboli volné chlazení. V tomto případě se využívá nízkých venkovních teplot pro výrobu chladu (chladicí vody) bez nutnosti používání kompresorového chlazení. Provoz free-coolingu je energeticky velice nenáročný. Při chlazení se otočí pouze ventilátory, které nasávají vzduch skrz lamelový výměník s nemrznoucí kapalinou, ta své teplo odevzdává do vzduchu a tím se ochlazuje. Elektrický příkon ventilátorů bývá v porovnání s příkonem kompresorů třetinový až čtvrtinový (účinnost EER = 10). Zde je třeba zdůraznit, že návratnost (obvykle se uvádí 3 roky) free-coolingových instalací je velmi závislá na požadované výstupní teplotě ochlazované kapaliny, lokalitě a vytíženosti výroby. Každou aplikaci je třeba posoudit individuálně a teprve poté lze s jistotou říci, za jaký čas se vložené prostředky vrátí.
Foto: archiv Veskom
Text: Ing. Jiří Freund – autor je vedoucím obchodního oddělen Divize chlazení společnosti Veskom
Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.
