Chlazení průmyslových kapalin

Zpracoval: Ing. Adrian Parajňák, Energoekonom spol. s r.o.

Stáhnout článek (pdf)

Chlazení je komplexní obor z oblastí chladící techniky, který zasahuje téměř do všech odvětví lidské činnosti. Z hlediska základních principů dosahování nízkých teplot je potřeba obor považovat za uzavřený. Dynamika tohoto oboru je přesto dosahována především:

1. Zvyšováním energetických parametrů vedoucím k úsporám energií
2. Zlepšováním spolehlivosti, prodlužováním životnosti
3. Snižováním hmotnosti a pracnosti při výrobě těchto zařízení, typizace
4. Hledání nových provozních materiálů jako jsou chladiva, teplonosné látky apod.

Speciální místo zaujímá teplotně nejnižší oblast kryogeniky, což je naopak obor velmi dynamický a otevřený, který si zasluhuje samostatnou disciplínu v oblasti chladící techniky a nebude tedy předmětem tohoto článku.

Způsoby dosahování nízkých teplot

1. Využívání citelného nebo latentního tepla látek volně se vyskytující v přírodě, jako je např. vzduch, voda a její odpařování (neboli adiabatické chlazení), tání ledu.
2. Využíváním směšovacího, popř. rozpouštěcího tepla respektive endotermní chemické reakce, jako opak exotermní chemické reakce, což. je např. hoření. Endotermně reaguje uhličitan vápenatý CaCO₃ za vzniku Oxidu vápenatého CaO a Oxidu uhličitého CO₂
   CaCO₃(s) → CaO (s) + CO₂ (g)
   Qr = 178 kJ mol-1(KJ/mol) – soustava látek teplo přijímá, reakční teplo má tedy kladnou hodnotu
3. Využitím zejména latentního tepla látek, do nichž byl strojním způsobem akumulován chlad např. vodní led, suchý led, tekutý led, vypařování zkapalněných plynů a podobně.
4. Použitím strojního chladícího zařízení fungujícího s odpařováním pracovní látky neboli chladiva. Jedná se o oběh parní, proudový a sorpční. Také je možné využít jevy spojené se škrcením či expanzí plynů
5. Využitím elektrických a magnetických jevů.

Odnímat teplo chlazené látce v našem případě kapalinám lze buď přímo chladivem (tzv. přímé chlazení), nebo při chlazení nepřímém, prostřednictvím nejméně jedné další cirkulující teplonosné látky.

Kompresorové chlazení

Dnes nejvíce využívaný způsob chlazení průmyslových kapalin je s pomocí uzavřených parních kompresorových oběhů, případně suchých chladičů okolním vzduchem, nebo kombinací obojího.

Uzavřený (hermetický) parní kompresorový oběh je vytvořen sledem jednotlivých termodynamických změn, po nichž se pracovní látka (chladivo) vrací do výchozího stavu. Využívá principu, že chladivo má různou teplotu varu či kondenzace při změně tlaku.

Všichni víme, že voda má při atmosférickém tlaku teplotu varu 100°C, pokud ji však uzavřeme do tlakového hrnce, teplota varu vody s rostoucím tlakem roste a tím se urychluje doba vaření. Naopak např. čpavek má teplotu varu při atmosférickém tlaku -33,7°C, při tlaku 10 bar (1 MPa) je to již 24°C. Podobné vlastnosti jako čpavek mají modernější chladiva a obecně je známe jako freony.

Obr. 1 - Schéma kompresorového chladícího okruhu

Kompresor odsává z výparníku páry chladiva (Obr. 1), které mají teplotu nižší než je 10°C. Zvýšením tlaku par chladiva v kompresoru dojde ke změně teploty pro změnu skupenství stlačených par, které se mění v kondenzátoru na kapalné skupenství pouze ochlazováním kondenzátoru okolním vzduchem o teplotě 25°C. Z kondenzátoru odtéká kapalné chladivo do škrticího (expanzního) ventilu, kde při prudkém snížení tlaku kapaliny nebo chladiva dojde k intenzívnímu varu chladiva ve výparníku za současného odebírání tepla z chlazené látky, např. kapaliny.

Chladící faktor

Obecným užitkem tohoto chladícího okruhu je odebírání tepelné energie z ochlazované látky. Například u domácí lednice tento kompresorový okruh odebírá teplo potravinám, které jsou v lednici uloženy. A protože nic není zadarmo, musíme kompresor pohánět elektrickou energií. Pro kvalitativní hodnocení chladících zařízení je používán chladící faktor, někdy označován jako EER nebo COP, což není nic jiného než podíl užitku, vyjádřeného v kWh, odvedeného tepla z ochlazované látky, lomeno dodaná energie v kWh potřebná pro pohon kompresoru.

Chladící faktor není žádná konstanta té nebo oné lednice, vyjádřená např. dnes známým energetickým štítkem. V následujícím grafu (Obr. 2) je chladící faktor vyjádřen jako závislost teploty ochlazované látky a teploty okolí, ve kterém chladící zařízení pracuje.

Obr. 2 - Graf závislosti chladícího faktoru na okolní teplotě při různých teplotních spádech

Chladící jednotky

Jako ve všech oblastech průmyslové výroby dochází i v chladící technice k typizaci strojních součástí i strojů s cílem snižování výrobních nákladů, potažmo cen. V oblasti chlazení průmyslových kapalin byla vyvinuta řada chillerů (chladících jednotek). Liší se od sebe zejména velikostí chladících výkonů. Princip je znázorněn na technologickém schématu Obr. 3.

Obr. 3 – Schéma kompresorové chladící jednotky

Na společném rámu je kromě parního kompresorového chladícího oběhu umístěn hydraulický okruh, který chladí vodu, případně jinou průmyslovou tekutinu. Je složen z čerpadla, akumulátoru chladu (vodní nádrž) s kapacitou nejméně 4 l vody/ 1 kW chladícího výkonu a by-pasu (obtokového potrubí) na ochranu čerpadla proti případnému přetížení.

Chladící jednotky (chillery) jsou navrženy pro standartní technické podmínky:

• Vstup/ výstup vody = 20/15°C
• Teplota okolí = 25°C

Chladící výkon udávaný v katalozích výrobců je obvykle platný právě pro výše uvedené podmínky. Často se mimo toho uvádí i chladící výkon pro teplotní spád vody 12/7°C a okolní teplotu 32°C nebo 35°C. Pro jiné teploty ledové vody a teplotu okolí je potřeba parametry chladícího výkonu přepočítat!

Zařízení chladící jednotky je kapotováno protihlukovým krytem, ve kterém je umístěn jak silový rozvaděč, tak mikroprocesor s automatickým řízením celého chladícího procesu (Obr. 4).

Obr. 4 – Kompresorová chladící jednotka Hyperchill

Tento kompaktní celek má velmi jednoduchou instalaci. Stačí ji umístit na vhodné místo uvnitř provozní budovy, nebo i vně, připojit potrubí studené a teplé kapaliny a zapojit silový, vhodně jištěný elektrický přívod. Po spuštění chladící jednotky si mikroprocesor automatický řídí potřebný chladící výkon, který odebírají výrobní či klimatizační technologie.

Chladící jednotky Hyperchill

Tyto jednotky od renomovaného výrobce Parker, divize Hirros, jsou kompaktní stroje pro široké použití v oblasti průmyslu i klimatizace. Zahrnují širokou škálu chladících výkonů od 2 kW až po 760 kW:

• Řada Hyperchill Plus: 2 – 24 kW
• Řada Hyperchill: 28 – 360 kW
• Řada Hyperchill Maxi: 440 – 760 kW

Pro zvláštní aplikace mohou být jednotky speciálně upraveny např. s vodou chlazeným kondenzátorem, s radiálními ventilátory, pro velmi nízké nebo vysoké teploty okolí, velmi přesné řízení teploty chlazené kapaliny, pro mínusové teploty chladící vody a podobně.

Obr. 5 – Modelová řada kompresorových chladících jednotek Hyperchill

K dispozici jsou i přímo specializovaná provedení Hyperchill Laser, speciálně upravené chillery pro vyšší požadavky na kvalitu vody a přesné řízení nutné u laserových aplikací (stroje pro řezání, svařování, značení), Hyperchill BioEnergy pro použití v agresivním prostředí jako jsou např. bioplynové stanice nebo Hyperchill Plus Oil pro přímé chlazení řezných nebo hydraulických olejů.