Mesteri megoldás folyadékhűtők extrém magas hőmérsékleten való üzemben tartására

2016. július 13. | támogatott cikk | | 0 |

Thermocold Domino Hybrid Smart Cooling

Az utóbbi időben egyre gyakoribbak a kiugróan magas külső hőmérsékletek a hűtési idényben. Ez nem csak az élőlényeket teszi próbára, hanem a hűtő és klímaberendezéseket is. Amióta léteznek időjárási statisztikák Magyarországon, májustól szeptemberig a havonkénti öt legmagasabb napi csúcshőmérsékletből 56% esett az utóbbi 35 évre. Júliusban és augusztusban ezek az értékek meghaladhatják a 41°C-os hőmérsékletet. De a tényleges mikroklímás léghőmérséklet pl. egy lapos tetőn - ahol a legtöbb léghűtéses folyadékhűtő áll - ennél jóval magasabb is lehet, mivel a napsugárzástól felforrósodott felületek még „ráfűtenek” a velük érintkezésbe lépő levegőre. Ez azt jelenti, hogy már a 35°C-os kiválasztási hőmérsékleten sem tud a berendezés a tervezettnek megfelelően működni.

Mindezen okok rákényszerítenek bennünket, hogy megoldást keressünk a komfort és technológiai célokat szolgáló hűtőberendezések extrém külső hőmérsékleten lévő üzemállapotainak problémájára.

A kiugróan magas külső hőmérséklet nem csak túlterheli a hűtőberendezések egyes elemeit illetve a villamos hálózatot, hanem igen gyakran gépleállásokhoz is vezet. Ennek több oka van. Egyrészt a berendezések nagy része már nem a tervezéskori munkaponton üzemel, köszönhetően annak, hogy az utóbbi időkben az épületek fajlagos hőterhelése komoly mértékben növekedett. Emiatt az eredetihez képest magasabb kondenzációs nyomáson kell a hűtőkör üzemeljen, amely teljesítménycsökkenést jelent. Az olló jelentősen nyílik mivel adott rendszeren egyszerre nő a terhelés és csökken a hűtőteljesítmény. Másrészt a berendezések elszennyeződése (fouling) az idő multával jelentős mértékű, így a beépített hőcserélőknek (vízoldali, ill. légoldali) és ezzel a hűtőberendezésnek az újkori állapotához képest csökken a teljesítménye. Tehát a teljesítménycsökkenés minimum két tényezőből adódik. A legfőbb üzemeltetési probléma, mégsem a teljesítménycsökkenés hanem, hogy a berendezés pont akkor áll le, amikor a legnagyobb szükség lenne rá, veszélyeztetve ez által az adott épületben lévő folyamatokat. Ez olyan mintha a kazánunk a leghidegebb téli napokon nem tudna üzemelni, valamilyen előre tudott műszaki jellemző vagy körülmény miatt. A nyári hűtési idényben ugyanis nagyjából előre tudjuk, hogy a terhelés növekedése mellett, milyen kondenzációs és elpárolgási (azaz közvetve a külső és a belső) hőmérsékletnél fogja a védelem leállítani a berendezést.

Természetesen a leleményes üzemeltetők rájöttek arra, hogy ilyen extrém melegben fel kell küldeni egy karbantartót vagy gondnokot a tetőre, hogy locsolja vízzel a kondenzátort, ezáltal növelve meg a hűtőberendezés hűtését. Ez a megoldás természetesen sok szempontból nem megfelelő. Pl. nincs vízvételi lehetőség a tetőn, a kemény víztől lerakódások keletkeznek a finom lamellázaton. Oda is spriccelődik víz ahova nem kellene, ezáltal veszélyeztetve a berendezés elektromos alkatrészeit és a locsolást végző ember életét egyszerre. De sokszor nincs is mindenhol felküldhető ember, vagy ha van, akkor egy ilyen műszak igen drága. Ezeken kívül legalább három-ötszörös a vízfelhasználás, a termodinamikailag minimálisan szükségeshez képest, köszönhetően a szabályozatlan „humán hűtőtorony üzemnek”. Láthatjuk, hogy ez a módszer egyáltalán nem nevezhető kulturált műszaki megoldásnak és nem utolsó sorban káros a munkát végző személy egészségére.

A problémát többféleképpen meg lehet oldani. Például ha nem a szokásos 35°C, hanem magasabb külső hőmérsékletre választjuk ki a folyadékhűtőt. Megjegyzendő, hogy az üzemidő nagy részében így is kihasználatlan a kapacitás és mind energetikailag, mind gazdaságilag, mind műszakilag erősen behatárolt egy adott épület esetében a berendezés növelésének lehetősége. Gondoljunk csak a beszerzési és üzemeltetési költségekre, az elektromos betáp igény növekedésre, illetve a hidraulikai és a statikai kérdésekre. A fennálló műszaki problémát tehát úgy kell orvosolni, hogy ezzel együtt ne szálljanak el a beruházási és az üzemeltetési költségek.

A Thermocold gyár, nemzetközi szabadalom által védett megoldást ajánl a problémára mely, a kondenzátorból kilépő, folyadék halmazállapotú hűtőközeg túlhűtésével (subcooling) növeli a hűtési teljesítményt, a betáplált elektromos teljesítmény növelése nélkül. Ez az u.n. HYBRID SMART COOLING (HSC) rendszer, azaz a HIBRID UTÓHÛTÉS

Amint az 1. ábrán is látható, egy adott hűtőkörön minél nagyobb az utóhűtés, annál nagyobb a hűtési teljesítmény úgy, hogy a kompressziós munka változatlan. Ez azért lehetséges, mert az utóhűtés megnöveli az elpárologtatón létrejövő entalpiakülönbséget.

Az 1. táblázatban, a szokásos kiválasztás van összehasonlítva másik három, HSC-t alkalmazó hűtőkörrel. Három hatás figyelhető meg. Az elsőnél a terhelést nem növelve a COP lesz sokkal jobb, mivel a szállított hűtőközeg fajtérfogata jóval kisebb, köszönhetően a jóval alacsonyabb gőztartalomnak (x5), ami az elpárologtató előtt jellemzi a hűtőközeget. Így kevesebb freon szállításával is tartható a teljesítmény. A másodiknál a külső hőmérséklet 10°C-os növekedése mellett nő a teljesítmény is, az eredetivel azonos kompresszor tömegáramnál, de szintén alacsonyabb gőztartalommal. A harmadik esetben a kompresszor ugyanannyi hűtőközeget szállít, ezért a terhelés növelhető kb. 40%-kal. A gőztartalom az elpárologtató előtt itt is mintegy harmada az eredeti állapot gőztartalmánál.

1. táblázat: A fajtérfogat-érték drasztikus csökkenése (gőztartalom csökkenés) az elpárologtatón, határozza meg a kompressziós munkát

Elpárolgás: 0 °C; kondenzáció 50 °C; utóhűtés: 1 °C Elpárolgás: 0°C; kondenzáció 60°C; utóhűtés: 31°C

A hatékonyság növelése függ:
- A hűtőközeg típusától
- Az elpárologási és kondenzációs hőmérsékletektől
- Az utóhűtési hőmérséklettől (TS2)

A 2. táblázat mutatja R134A és R410A hűtőközegek esetében kapott eredményeket. Mint látható 50°C és 55°C jellemző kondenzációs hőmérsékletek mellett, (névleges léghűtéses körülmények) megkapjuk, hogy a teljesítmény és a hatékonyság növekedése az utóhűtés hatására 30-tól 50% -ig terjedhet.

a hűtőteljesítmény növekedése a kondenzációs és az utóhűtési hőmérséklettől függően (ELPÁROLGÁSI HŐMÉRSÉKLET= 0°C)

2. táblázat: A kiugró hatásfok javulási értékek, indokolják az alapos vizsgálatot

Mivel a léghűtést nem tudjuk használni arra vonatkozólag, hogy növeljük az utóhűtést, ezért az utóhűtés előnyeinek kihasználásához, ideális lenne, egy kellően hideg hőforrás.
(Az elméleti túlhűtés alsó határa (TS2 hőmérséklet) nem lehet alacsonyabb, mint a külső levegő; ha ez 35°C, akkor nem tudjuk elérni a 15°C vagy 20°C-ot, amely biztosítaná az 1. és a 2. táblázatban látható előnyöket.)

Túlhűtés vízzel: hibrid utóhűtés

Ellenben pl. a 15 °C-os vezetékes víz hidegebb, mint a levegő. Okosan alkalmazva, utóhűtésre fel lehet használni. A 2. Ábrán egy hűtőkör látható HIBRID UTÓHÛTÉSSEL.

2. ábra: hűtőkör hibrid utóhűtéssel

A léghűtéses kondenzátor után a hűtőkörbe van helyezve egy további hűtőközeg-víz hőcserélő. A mikroprocesszor által vezérelt szabályozó szelepre van kötve a vízvezeték, amely a hűtőteljesítmény szinten tartása érdekében növeli az utóhűtést. A folyékony fázisú hűtőközeget 55°C-ról (körülbelül a 40 ° C-nak megfelelő kültéri levegő hőmérséklethez tartozó kondenzációs hőmérséklet) lehűtjük 20°C-ra. Ezzel egyidejűleg a vezetékes víz felmelegszik 15°C-ról 50°C-ra.

A hibrid utóhűtés előnyei

A fő előnye, hogy a HSC rendszer összhangban áll a folyadékhűtő kiválasztási kritériumaival. Egy léghűtéses hűtőegység kiválasztása mindig kompromisszumot jelent. A 3. ábrán látható, hogy amikor a külső levegő hőmérséklete emelkedik, a rendszer több hűtési energiát igényel(ne) - piros görbe - míg a hűtőgép csak kisebb teljesítményt tud biztosítani (kék görbe).

Kompromisszum: a hűtőberendezés szükséges teljesítménye egy adott külső hőmérséklet figyelembe vételével, (35°C) van kiválasztva. Alacsonyabb hőmérsékleteken, a rendelkezésre álló teljesítmény mindig több mint a tervezési állapotban. Míg ennél magasabb hőmérsékleten a teljesítmény elégtelen, a rendszer nem tudja kielégíteni az igényeket, és egy adott pont után „kiáll hibára”, azaz a védelem leállítja a berendezést.

3. ábra: A kiválasztás kritériumai hagyományos hűtőberendezés esetén

HIBRID UTÓHÛTÉSSEL, ahogy a neve is mutatja, drámaian megváltozhatnak a peremfeltételek. Léghűtéssel a hűtőközeg kondenzál, de egy adott hőmérsékleten túl, az utóhűtés csak egy vizes hőcserélőben tud megvalósulni. Ezért a kiválasztási logika megváltozhat. Kiválasztást lehet alacsonyabb hőmérsékletre is megejteni, például 30°C-ra. Ennél magasabb hőmérsékleten a HSC utóhűtés aktiválódik és a hűtőegység pontosan képes biztosítani a rendszer által megkövetelt teljesítményt, a hűtővíz pontos adagolásával, amint a 4. ábrán látható.

4. ábra: Megváltozott kiválasztási kritériumok HIBRID UTÓHÛTÉSNÉL

Nagy előnye a HSC-nek, hogy választhatunk kisebb berendezést: például, ha 240 kW-ra van szükség, 35°C külső levegő mellett, HSC-vel elég kiválasztani egy 180 kW-os hűtőegységet. Így a folyadékhűtő csendesebb, könnyebb, olcsóbb lesz, kisebb vízáramot, és kevesebb elektromos energiát igényel.

A HIBRID UTÓHÛTÉS az egyetlen rendszer a világon, amely képes csökkenteni energia-fogyasztást és a kezdeti beruházási költségeket egyszerre.

Vízfogyasztás hibrid utóhűtéses rendszerrel

A HSC, hűtés ugyan vizet használ, de a fogyasztás rendkívül korlátozott. A vízszükséglet összevethető egy hűtőtorony vízfogyasztásával (kb. 7 l/kWh), azzal a különbséggel, hogy itt csak akkor van vízfogyasztás, ha a levegő hőmérséklete magasabb mint 30°C.

A vízigény olyan kicsi, hogy még akkor is versenyképes ha a vizet elfolyatják.

Természetesen vezetékes víz helyett, lehetséges talajvizet is használni. Nyilvánvaló, hogy ha lehetséges felszín alatti vizeket használni a kondenzátor hűtésére, akkor jobb vízhűtéses folyadékhűtőt alkalmazni, de csak abban az esetben, ha a kút vízhozama elegendő ehhez. Ellenben ha kevesebb, HSC-hoz még akkor is elegendő lehet. Egy példa világossá teszi a különbséget. Ahhoz, hogy 100 kW teljesítményű vízhűtéses kondenzátor megfelelően működjék a hűtővíz oldali hőfoklépcső pl. 15/45°C kell legyen. A szükséges térfogatáram kb. 2900 liter/óra, míg a HSC csak 1000 liter/órát igényel. Az eredeti 34%-át.

A cikk második részéből megtudhatja, hogyan lehet akár 70°C-os használati melegvizet termelni HIBRID UTÓHÛTÉSES folyadékhűtőkkel. Hogyan tudja kihasználni a HSC előnyeit, ha nem áll rendelkezésre hálózati vagy egyéb alacsony hőmérsékletű hűtővíz. Miért előnyösebb minden szempontból a HSC rendszer, mint egy jégakkus energiatároló, és hogyan használhatjuk hővisszanyerésre a HSC-t frisslevegő előmelegítésre, úgy, hogy a kidobott levegőt nem központilag szívjuk el, mivel az WC vagy konyha, illetve egyéb nem keverhető szennyezett levegő. A teljes cikket ide kattintva olvashatja.

A HIBRID UTÓHÛTÉSSEL felszerelt gépeket a Thermocold Domino sorozatából lehet tervezni. Tanácsadással, információval a Regale Energy Zrt. szakemberei készséggel állnak rendelkezésre. www.regale.hu

Budapest, 2016. július 6.

Tóth Tamás
gépészmérnök
műszaki tanácsadó-értékesítő
ttoth@regale.hu
70-333-50-18