Rashladni uređaji u industriji.pdf

RASHLADNI UREĐAJI U INDUSTRIJI

1

SADRŽAJ: 1. UVOD ...................................................................................................................................................... 3 2. RASHLADNI SISTEM INDUSTRIJSKIM PROCESIMA ................................................................. 4 3. TIPOVI RASHLADNIH SISTEMA I PRINCIP RADA....................................................................... 4 3.1. Kompresiono hlađenje ................................................................................................................ 6 3.2. Apsorpciono hlađenje ................................................................................................................. 7 3.3. Apsorpcioni rashladni ciklus i izmenjivač toplote ............................................................... 8 4. IZMENJIVAČI TOPLOTE ................................................................................................................... 10 4.1. Izmenjivač toplote u obliku ljuske i cevi .............................................................................. 10 4.2. Izmenjivači toplote u obliku ploče i okvira (rama) ............................................................. 10 4.3. Horizontalna i vertikalna izvedba razmenjivača toplote .................................................. 10 5. FAKTOR HLAĐENJA......................................................................................................................... 11 6. IZVORI TOPLOTE ............................................................................................................................... 12 7. EKOLOŠKI PROBLEMI IZMENJIVAČA ......................................................................................... 13 7.1. Potrošnja i emisija rashladne vode ....................................................................................... 13 7.1.1. Potrošnja vode - Unos i potreba za vodom.................................................................. 13 7.1.2. Toplotna emisija na površinske vode............................................................................ 15 7.1.3. Emisije iz rashladnog prečišćavanja voda ................................................................... 15 7.2. Tehnike koje se primenjuju za smanjenje potrošnje vode .............................................. 16 7.2.1. Korišćenje vazduha za hlađenje ..................................................................................... 17 7.2.2. Direktne i indirektne emisije ............................................................................................ 17 7.2.3. Optimizacija korišćenja aditiva kod hlađenja vode ................................................... 18 8. ZAKLJUČAK ........................................................................................................................................ 19 9. LITERATURA....................................................................................................................................... 20

2

1. UVOD Rashladni uređaji imaju zadatak da održavaju potrebnu i dovoljno nisku Temperature u nekom prostoru. Ta je Temperature gotovo uvek niža od temperature okoline. Zbog toga će toplota sa okoline prelaziti u prostor koji se hladi i zagrevati ga. Da bismo Temperature prostora kojeg hladimo održavali stalnom, neprekidno treba odvoditi toplotu koja iz okoline prelazi na hladan prostor i materiju u njemu. Najčešće nemamo na raspolaganju takav rezervoar, čija je Temperature niža od temperature prostora kojeg hladimo. Hladiti znači nekom telu smanjivati unutrašnju energiju odvođenjem energije, što se manifestuje sniženjem njegove temperature. Hlađenje je proces snižavanja temperature u nekom prostoru u svrhu, npr. rashlađivanja hrane, očuvanja neke supstance. Hladnjaci i mašine za hlađenje usporavaju razvoj bakterija koje uzrokuju kvarenje prehrambenih proizvoda kao i hemijskih reakcija koje se događaju u normalnoj atmosferi. Kada se procesom prenosi toplota od niže na višu ekološku Temperature, proces se naziva rashladnim procesom. Kada se kružnim procesom prenosi toplota s ekološke na neku višu Temperature, takav proces se naziva grejnim procesom. Rashladni sistem je kombinacija opreme, cevovoda i komponenti, spojene u sekvencijalnom redosledu sa ciljem da postignu efekat hlađenja. Efekat hlađenja predstavlja proces ekspanzije toplote iz nižeg temperaturnog izvora, supstance ili rashladnog medija i prenosa istog na viši temperaturni nivo, najčešće atmosferskog vazduha, u cilju održavanja temperature izvora toplote ispod temperature okoline. Kao što postoje brojni i raznovrsni industrijski procesi koji zahtevaju hlađenje, takođe postoje različiti načini povezivanja komponenti i opreme u rashladnom sistemu. Osnovni princip rada sistema za hlađenje opisan je ciklusom hlađenja, a osnovna pretpostavka tog ciklusa jesu same karakteristike radnog fluida u smislu specifičnih tačaka isparavanja i kondezovanja. Toplota se dovodi do fluida koji je na nižoj Temperature i pritisku stvarajući latentnu toplotu da bi fluid prešao u gasovito stanje. Ovaj gas se potom komprimuje na veće pritiske i u skladu sa tim Temperature na kojima latentna toplota može biti oslobođena a radni fluid se vraća u tečno stanje.

3

2. RASHLADNI SISTEM INDUSTRIJSKIM PROCESIMA Odvijanjem tehnoloških procesa u industriji okolni vazduh se zagreva i kao takav može ugroziti ili tehnološki proces ili remetiti radu opreme koja u tom tehnološkom procesu učestvuje. Kako bi se vazduh hladio primenjuju se različiti sistemi hlađenja, koji u suštini rashlađuju vazduh i kao takav ubacuju u prostor u kome se tehnološka operacija odvija. Rashladni sistem obezbeđuje hlađenje u industrijskim procesima uključujući i klimatizaciju vazduha. Rashladna tehnika i klimatizacija su među najvećim potrošačima energije. Prema izveštaju Međunarodog instituta za rashladnu tehniku (IIR), ova grana industrije učestvuje sa 15% u ukupnoj potrošnji energije u svetu. Takođe, procena je da se 80% emisija gasova, koji dovode do efekta staklene 4empe, iz rashladne i klimatizacijske industrije ispusti indirektno kroz potrošnju energije iz ovakvih sistema. Nesumnjivo da je povećanje energetske efikasnosti jedan od najbržih načina za smanjivanje emisije štetnih gasova (pritom se najčešće misli na emisije CO2), a upravo takvim pristupom šaljemo poruku da delimo zabrinutost za nesigrnu energetsku budućnost. Prema načinu oduzimanja toplote razlikuju se dva postupka:  Direktno hlađenje – isparivač rashladnog sredstva se direktno nalazi u struji materije koju treba hladiti.  Indirektno hlađenje – u isparivaču rashladnog sredstva hladi se tečnost, voda ili rasolina koji služe kao nosioci hladnoće, nosilac hladnoće koji cirkuliše preko daljih izmenjivača toplote služi za hladenje materija koje treba hladiti. Za dobro funkcionisanje rashladnog sistema svi potrebni sastavni elementi sistema moraju da budu povezani cevovodom kroz koji moze da cirkuliše rashladno sredstvo. Direktno hlađenje pri čemu se vazduh hladi direktno u isparivaču, u principu je ekonomičnije od indirektnog hlađenja, jer je za indirektno hlađenje, potrebna dodatna energija za cirkulacionu pumpu nosioca hladnoće. Osim toga, zbog potrebe dodatne temperaturne razlike 4emperature isparavanja mora da bude niža sa odgovarajuće manjim koeficijentom proizvodnosti. Temperatura rashladnih površina za dehidrataciju može da bude niža od one moguće sa hladnom vodom kao prenosiocem. Kompletno isporučeni rashladni sistemi sa svim potrebnim satavnim elementima nalaze se u klima konvektorima za ugradnju u prozor i u prostoriji sa ugrađenim kompresorom, kondenzatorom i isparivačem. Za kondenzatore sa vazdušnim hlađenjem potreban je izvod za ulaz u izlaz vazduha.

3. TIPOVI RASHLADNIH SISTEMA I PRINCIP RADA Generalno, sledeća podela sistema obično se primenjuje u industrijama širom Evrope, a koji se mogu izvesti iz gore datih principa:   

Jednosmerni sistemi za hlađenje (sa ili bez rashladne kule) Otvoreni kružni (recirkulacioni) sistemi hlađenja (sa rashladnim kulama) Zatvoreni kružni (recirkulacioni) sistemi o Sistemi hlađenja pomoću vazduha o Zatvoreni recirkulacioni sistem vodenog hlađenja 4



Kombinovani vodeno/suvi (hibridni) sistemi hlađenja o Kule sa otvorenim hibridnim hlađenjem o Kule sa zatvorenim recirkulacionim hibridnim hlađenjem.

Generalno, jednosmerni sistemi za hlađenje i otvoreni recirkulacioni sistemi hlađenja se primenjuju za veća postrojenja i fabrike i u (petro) hemijskoj industriji. Tabela 1: Primeri kapaciteta i hlađenje za primenu u elektroprivredi Sistemi za hlađenje Otvoreni jednosmerni sistemi Kula sa otvorenim rashladnim sistemom Kula sa otvorenim hibridnim rashladnim sistemom Kondenzator koji se hladi suvim vazduhom

termodinamičkih

karakteristike

različitih

sistema

Primenjeni pristupi

Proces stvaranja kapaciteta snage (MWth)

13-20

< 2700

7-15

< 2700

15-20

< 2500

15-25

< 900

za

Različite vrste rashladnih sistema se mogu klasifikovati po različitim kriterijumima. Standardna literatura koristi sledeće kriterijume: o o

o

hlađenje suvim vazduhom i hlađenjem vodenom parom, otvorene ili zatvorene sisteme - u otvorenom sistemu, rashladno sredstvo je u kontaktu sa okruženjem; u zatvorenom sistemu rashladno sredstvo cirkuliše unutar cevi, kalemu ili kanalima i nema kontakt sa okolinom, direktni ili indirektni sistemi - u direktnom sistemu postoji jedan izmenjivač toplote koji hladi; na posrednom (indirektnom) sistemu postoje najmanje dva izmenjivača toplote i zatvoreni krug, sekundarno hlađenje između procesa ili proizvoda koji se hlade. Zbog dodatnog razmenjivača toplote, indirektni sistemi imaju veći pristup. Direktni i indirektni sistemi su takođe poznati kao primarni i sekundarni sistemi. U principu, svaki direktni sistem hlađenja može da se transformiše u posredni sistem i ova opcija se razmatra u situacijama u kojima bi curenje ugrozilo životnu sredinu.

Rashladni sistemi koji obezbeđuju hlađenje u industrijskim procesima, uključujući i klimatizaciju svrstavaju se uglavnom u sledeće kategorije: 1. Kompresioni rashladni sistem. U ovim sistemima kompresori kompresuju rashlađivač na viši pritisak i temperaturu od pritiska i temperature isparavanja pare. Kompresovani rashlađivač se kondenzuje u tečni oblik otpuštanjem latentne toplote kondenzata u kondenzatoru vode ili prečistaču vazduha. Tečni refrigerant se zatim prigušuje do niskog pritiska. Formirana para-tečnost proizvodi efekat hlađenja tokom isparavanja. Kompresovanje pare se često naziva mehaničko hlađenje iz razloga šro se para kompresuje mehaničkim kompresorima. Kompresori se u većini slučajeva pokreću elektro-motorima, retko motorima SUS, gasnim i parnim turbinama. 2. Apsorpcioni rashladni sistem. U apsorpcionim sistemima, rashladni efekat se postiže unosom toplotne energije. Nakon što tečni rashlađivač ostvari rashladni efekat 5

tokom isparavanja na niskom pritisku, para absorbuje tečni absorbent. Rešenje je ostvareno grejanjem direktno-sagorevanjem gasa ili otpadne toplote, zatim rashlađivač ponovo isparava, ali pri znatno većem pritisku, a nakon toga kondenzuje i prelazi u tečni oblik. Tečni rashlađivač se zatim prigušuje do niskog pritiska i zati je spreman da proizvede rashladni efekat. Absorpcioni čiler koristi toplotu za kompresovanje rashladne pare na visoki pritisak, zbog čega ovaj “toplotni komporesor” nema pokretnih delova, osim same pumpe. Praktično, razlika između njih je način kompresije rashladne pare. Tradicionalno, isparivačko kompresioni rashladni sistem se češće primenjuje u industriji od absorpcionog rashladnog sistema. Prednost absorpcionog rashladnog sistema je mogućnost da se iskoristi otpadna toplota na relativno niskoj temperature koja je u industrijskim uslovima često dostupna.

3.1. Kompresiono hlađenje Prirodan tok toplote je samo iz pravca vrućeg ka hladnijem telu. U rashladnom sistemu se mora desiti supraton proces. Ovakav proces se ostvaruje primenom sredstva za hlađenje koje absorbuje toplotu i zatim ključa i isparava pri niskom pritisku da bi nakon toga prešao u gasno stanje. Ovako dobijeni gas se zatim kompresuje pri većem pritisku tako da se ostvaruje prenos toplote dobijene iz vazduha ili vode i pretvara u tečnost (kondenzuje). Na ovaj način, toplota se absorbuje, ili uklanja, iz izvora niske temperature i prebacuje ka višoj temperature.

Slika 1: Osnovna šema kompresorskog rashladnog uređaja

6

3.2. Apsorpciono hlađenje Pritisak pare u kondenzatoru treba da bude dovoljno visok kako bi postala tečnost pri odvajanju toplote pomoću rashladne vode. Nakon kondenzacije tečnom amonijaku se pomoću ekspanzionog ventila smanjuje pritisak. To znači da je temperatura ključanja tečnosti niža od one koja se nalazi u kondenzatoru. Time su stvoreni uslovi koji onemogućavaju da ova tečnost ispari na nižoj temperaturi u isparivaču dobijanjem toplote pri rashladnom efektu. Dakle uslovi koji vladaju u kondenzatoru i isparivaču absorpcionog rashladnog sistema poklapaju se sa onima u mehaničko kompresionom rashladnom sistemu, ali sa malom razlikom što se tiče temperature kondenzacije i isparavanja čistog amonijaka koje su konstantne i stabilnog pritiska. Hladna para uzeta iz absorbera gde se absorbovala pomoću hladne mešavine napušta isparivač. Ovaj proces otpušta toplotu. Upravo ova osobina binarnih mešavina omogućava toplije mešavine (rešenje) da absorbuje hladniju paru koja je odlučujuća za rad absorpcionog uređaja. Rešenje protokom je vrlo jednostavno. Lošije rešenje je kada isparavanje napušta generator. Ova mešavina se provlači kroz ekspanzioni ventil na pritisak u absorberu koji se hladi rashladnom vodom. U absorberu se para uvodi preko slabijeg rešenja koje absorbuje amonijak. Mešavina se dobija tako što se poveća pritisak na izlazu iz pumpe, kako bi ponovo isparavala.

Slika 2: Osnovna shema apsorpcionog rashladnog uređaja/toplotne pumpe

Kod velikih absorpcionih sistema, hlađenje se ostvaruje pomoću rashladne vode. Slično tome svi kondenzatori se hlade vodom, najčešće iz rashladnog tornja. Kod ovih absorpcionih mašina rashladna voda je na niskom pritisku. Absorber, obično soli litijum-bromida se primenjuju za kretanje kroz vodeno parni sistem. Kristalizacija soli je veliki problem koji operativni dizajneri absorpcionog čilera pokušavaju da izbegnu. Promena kondenzacije i temperature isparavanja će značajno promeniti kapacitet hlađenja, ali će takođe doći i do promene u slučaju isporuke toplotne energije generatoru.

7

3.3. Apsorpcioni rashladni ciklus i izmenjivač toplote Apsorpcioni rashladni uređaji kao pogonsko gorivo mogu koristiti prirodni gas, ili pak mogu biti pogonjeni vodenom parom/vrelom vodom čije je dobijanje određeno poznatim tehnološkim postupkom. Poseban slučaj upotrebe ovih medijuma je korišćenje vodene pare, ili vrele vode pripremljene u solarnim kolektorima. Ovakav ciklus dodatno pojačava pozitivne aspekte upotrebe ove tehnologije. U nastavku su prikazani apsorpcioni rashladni uređaji i toplotne pumpe koje koriste prirodni gas kao primarni energent. Potrošnja električne energije svedena je na minimum i ograničena na pogon hidraulčne pumpe za smešu, ventilatora kondenzatora i ventilatora komore za sagorevanje. U odnosu na radni medijum razlikujemo dve najzastupljenije smeše: amonijak-voda i litijumbromid-voda. Vezano za ovu podelu i termodinamička svojstva radnih medijuma, par amonijakvoda obavlja ciklus u oblasti nadpritiska, dok par litijum-bromid-voda obavlja ciklus u oblasti vakuma. Litijum-bromid uređaji najčešće imaju vodom hlađeni kondenzator, dok amonijačni mogu imati i kondenzator hlađen vazduhom. U nastavku je opisan rashladni uređaj na osnovi amonijak-voda. Rashladno sredstvo je smeša amonijak-voda, pri čemu je voda apsorpcijski, a amonijak rashladni fluid. Šematski prikaz apsorpcijskog rashladnog ciklusa prikazan je na sledećoj slici.

Slika 3: Šematski prikaz apsorpcionog rashladnog ciklusa

Sagorevanjem prirodnog ili tečnog naftnog gasa u gorioniku, u generatoru se zagreva smeša amonijaka i vode do tačke isparavanja amonijačne pare, sa jakom koncentracijom amonijaka, koja se na taj način odvaja od tečne smeše vode sa vrlo slabom koncentracijom amonijaka (tzv. slab rastvor). Pregrejana amonijačna para visokog pritiska prolazi kroz separator (odvajač vode), gde se iz nje izdvaja ostatak kapljica vode. Para se zatim uvodi u vazdušno hlađeni kondenzator gde se najpre hladi, a zatim kondenzuje predavajući toplotu okolini. Kondenzovani, tečni amonijak 8

prolazi kroz prvi prigušni ventil i nakon izvršene redukcije pritiska ulazi u izmenjivač toplote čija je uloga poboljšanje toplotnog koeficijenta uređaja smanjenjem količine toplote dovedene u generatoru. Unutrašnjom razmenom toplote između vlažne pare rashladnog fluida koji izlazi iz kondenzatora i suve pare rashladnog fluida koja izlazi iz isparivača obavlja se regenerativno zagrevanje. Tečni amonijak iz izmenjivača prigušuje se zatim u drugom prigušnom ventilu do konačne temperature isparavanja od -3°C. Vlažna para amonijaka oduzima toplotu vodi koja se hladi i vraća u instalaciju (ventilator-konvektor, klimakomora i sl.), i pritom isparava. Hladna amonijačna para niskog pritiska koja izlazi iz isparivača prolazi najpre kroz pomenuti izmenjivač toplote tipa “cev u cevi, gde se delimično pregreva. Dalje, amonijačna para uvodi se u apsorber gde se meša sa slabom smešom koja dolazi iz generatora i kojoj je prethodno smanjen pritisak reducir ventilom. U apsorberu počinje proces apsorpcije amonijačne pare u tečnoj, slaboj smeši vode sa vrlo malom koncentracijom amonijaka. Apsorpcija je proces koji oslobađa toplotu, pa je smešu potrebno dodatno hladiti kako bi se sav amonijak apsorbovao u vodi. Hlađenje je ostvareno vazduhom. Kada je proces apsorpcije završen dobija se tečna smeša sa visokom koncentracijom amonijaka (jak rastvor) koja se uz pomoć membranske pumpe (pogonjene hidrauličnom uljnom pumpom) dovodi na visoki pritisak, dodatno predgreva prolaskom kroz separator i vraća u generator. Membramska pumpa podiže pritisak tečnom rastvoru što umanjuje potreban mehanički rad u odnosu na sabijanje stišljive pare u klasičnom kompresoru. Rashladni krug je hermetičan (sve komponente su zavarene), a jedini pokretni element uređaja je jednostavna membranska pumpa. Apsorpcioni ciklus NH3-H2O opremljen je aksijalnim ventilatorom za hlađenje kondenzatora i apsorbera okolnim vazduhom, smanjujući pritom instalacijske probleme kod vodom hlađenih uređaja kojima je neophodan rashladni toranj. Zagrevanje vode za potrebe grejanja zimi, odnosno pripreme potrošne tople vode (PTV) tokom cele godine ostvaruje se kod apsorpcionih uređaja dogradnjom visokokorisnog kotla sa gasnim gorionikom u isto kućište. Gasni apsorpcioni uređaji na osnovi amonijak-voda sa vazduhom hlađenim kondenzatorom pojavljuju se u dva osnovna izvođenja:  

Uređaj za hlađenje, sa rashladnim kapacitetom osnovne jedinice od 17,5kW i modularnim jedinicama u rasponu od 35 do 87,5kW, (zadovoljava hlađenje prostora oko 200m2). Uređaj za hlađenje i grejanje (toplotna pumpa), sa rashladnim kapacitetom osnovne jedinice od 17,5kW i modularnim jedinicama u rasponu od 35 do 70kW, odnosno sa toplotnim kapacitetom osnovne jedinice od 32,5kW i modularnim jedinicama od 32,5 do 130 kW.

Izvođenje apsorpcionih uređaja sastavljanjem dva i više osnovnih modela daje veliku fleksibilnost regulacije rashladne snage, uvek prilagođene potrebi instalacije za hladnom/toplom vodom. Modularnost regulacije kapaciteta kao i nepostojanje potrebe za prostorom kotlarnice, sigurnosne su i ekonomske prednosti primene kompaktnih apsorpcionih uređaja za grejanje i klimatizaciju.

9

4. IZMENJIVAČI TOPLOTE Izmenjivači toplote su od ključnog značaja za elemente prenosa toplote, kao deo procesa sistema za hlađenje. Nakon izmenjivača toplote, različiti sistemi se koriste za pražnjenje toplote u okolinu. Dve vrste izmenjivača toplote su najčešće u upotrebi: izmenjivač u obliku ljuske (omotača) i cevi (najčešće spominjani) i izmenjivač u obliku ploče i rama (okvira).

4.1. Izmenjivač toplote u obliku ljuske i cevi Postoji mnogo iskustva sa ovom vrstom izmenjivača toplote u procesnoj industriji i ima dokazano je da je pouzdan. Postoje različiti dizajni, gde cevi idu ravno ili u obliku slova “U” ili gde se izmenjivač toplote posebno dizajnira za uslove pod visokim pritiskom, visokim temperaturama, radnjama sa parom ili termalnim fluidima. Obično izmenjivači u vidu cevi sadrže rashladnu vodu i sredstvo (medijum) se kreće oko cevi u ljusci (omotaču).

4.2. Izmenjivači toplote u obliku ploče i okvira (rama) Ovi izmenjivači se sve više koriste za niz zahteva u šećeranama (petro) hemijskoj industriji i elektranama. Posebno su pogodni za upotrebu na nižem stupnju kao i u hladnim uslovima (< 0ºC). Međutim, ovi izmenjivači su manje pogodni za hlađenje pomoću pare i gasa u visokim količinama i u situacijama gde postoji opasnost velikih naslaga i visoke razlike pritiska između fluida i samog hlađenja. Pojedini dizajni imaju dvostruku konstrukciju da bi garantovao rad bez curenja, ali to e veoma teško održivo. Ovi izmenjivači toplote su ekonomičniji, jer mogu biti mnogo kompaktniji.

4.3. Horizontalna i vertikalna izvedba razmenjivača toplote Horizontalna izvedba (izvršenje) razmenjivača toplote zahteva nešto niže investicione troškove, ali zbog nedostatka potrebne slobodne površine često nije primenljiva, osim u ruralnim područjima. Potrebna slobodna površina je otprilike dvostruko veća od grejane površine objekta. Najčešće se razmenjivač toplote polaže u tlo u obliku snopa vodoravnih cevi na dubini od 1,2 do 1,5 m, sa međusobnim razmakom cevi od 0,5 do 1 m, u zavisnosti od sastava i vrste tla. Približno na svaki m2 grejanog prostora treba u zemlju položiti 1,5 do 2 m cevi. Razmenjivačke sekcije koje se paralelno spajaju, treba da budu podjednake dužine radi lakšeg balansiranja razmenjivača. Dužina jedne razmenjivačke sekcije iznosi do 100 m. Prečnik polietilenske cevi uglavnom iznosi 25 ili 32 mm. Učinak razmenjivača, kreće se u granicama od 15 do 35 W/m2, pri čemu se najbolja efikasnost dobija za glineno tlo i tlo sa podzemnim vodama. Vertikalna izvedba (izvršenje) razmenjivača do dubina od 60 do 150 m (200 m) često je prihvatljiva u gusto naseljenim područjima, pogotovo na mestima gde je prostor uređen, pri čemu dolazi do minimalnih promena spoljnog izgleda okoline. Ovakvi su sistemi široko prihvaćeni u razvijenom svetu, u čemu prednjače Švedska, SAD, Austrija, Nemačka, Švajcarska, Francuska. Koliko se toplote može oduzeti tlu zavisi od njegovog sastava i vlažnosti, kao i od mesta polaganja cevi. Do sada sprovedena istraživanja, kao i u praksi instalirani sistemi pokazuju da je temperatura tla na dubini od 2 m otprilike 7 do 10°C, a na dubini do 100 m temperatura tla se kreće između 12 i 15°C. Razmenjivač (fabrički predmontiran) se u tlo polaže u dve osnovne izvedbe: kao dvostruka U cev ili kao koaksijalna cev pri čemu kroz unutrašnju PE cev struji hladni fluid (voda + glikol), dok se kroz spoljnu metalnu cev zagrejani fluid vraća na isparivač. 10

Slika 4: Šema toplotne pumpe sa tlom kao izvorom toplote

5. FAKTOR HLAĐENJA Za ekonomičnost svakog rashladnog uređaja merodavan je stepen iskorišćenja. Stepen iskorišćenja definišemo kao odnos korisne energije (energije koju možemo iskoristiti za neki koristan rad) i ukupne energije (utrošena energija). Ovaj odnos nikad ne može biti veći od 1. Iskorišćenje od 100% predstavlja idealan slučaj u kojem teoretski nemamo nikakvih gubitaka, te je sva uložena energija pretvorena u koristan rad. Naravno, ovakav slučaj nije moguć u nekom realnom postrojenju. Zadatak mašina za hlađenje jeste da ohlade izvesna tela ili predmete do temperature niže od temperature okoline i da ih na toj temperaturi održavaju. Hlađenjem se naziva proces pri kome se od nekog tela (hlađeni objekat) odvodi toplota i predaje nekom drugom telu (toplotni ponor). Ako se pri tome hlađenom objektu ne dovodi tehnički rad, njegova entalpija će opadati, a kada nema ni promene faze opadaće i njegova temperatura. Fizičke osnove hlađenja Odvođenje toplote od hlađenog objekta moguće je samo njegovim dovođenjem u termički kontakt sa nekom radnom materijom niže temperature. Najvažniji procesi koji su našli značajniju primenu za postizanje niskih temperatura u praksi su: 



Ekspanzija gasova i para (sa odvođenjem rada). Najveće snižavanje temperature pri ekspanziji od datog početnog do datog krajnjeg pritiska se postiže u slučaju kada je ta ekspanzija adijabatska i kvazistatička (tj. izentropska), Ekspanzija bez odvođenja rada (adijabatsko prigušivanje), 11

 

Termoelektrični efekat (propuštanjem električne struje kroz spoj dva različita provodnika u pogodnom smeru može se postići hlađenje tog spoja), Efekat rastvaranja rashladne smeše (pri adijabatskom mešanju dve materije, temperatura rastvora može biti i znatno niža od početne temperature komponenata).

Primene veštačkog hlađenja se razvrstavaju u tri grupe: o

o o

za održavanje kvaliteta materijala, tj. za usporavanje nepoželjnih promena hemijskih, biohemijskih strukturnih karakteristika raznih proizvoda, u prvom redu za konzervisanje namirnica; za stvaranje i održavanje karakteristika ambijenta, tj. da bi se ostvarila klimatizacija prostora u kojima se živi, radi i/ili obavljaju razne proizvodne aktivnosti, kada veštačko hlađenje predstavlja glavni ili sporedni proces pri ostvarivanju neke aktivnosti (proizvodnja, istraživanje, lečenje, sport itd.).

6. IZVORI TOPLOTE Da bi se osigurao ekonomičan rad toplotne pumpe, za izvor toplote se postavlja niz zahteva, među kojima su najvažniji sledeći:   

toplotni izvor treba da osigura potrebnu količinu toplote u svako doba i na što višoj temperaturi, troškovi za priključenje toplotnog izvora na toplotnu pumpu treba da budu što niži, energija za transport toplote od izvora do isparivača treba biti što manja.

- Vazduh kao izvor toplote toplotne pumpe je jako povoljan sa aspekta raspoloživosti i pristupačnosti. Orebreni razmenjivač toplote sa prinudnom cirkulacijom vazduha koristi se za razmenu toplote između vazduha i rashladnog fluida. Razlika temperature spoljnog vazduha, kao izvora toplote i rashladnog fluida kreće se od 6 do 10°C. Kod izbora ovakve izvedbe toplotne pumpe, potrebno je voditi računa o sledeće dve stvari: temperaturi spoljnog vazduha za posmatranu lokaciju i stvaranju inja i leda na orebrenim sekcijama isparivača. Loša strana vazduha kao izvora toplote su varijacije njegove temperature, što znatno utiče na koeficijent grejanja. Snižavanjem temperature okoline smanjuje se i grejni učinak toplotne pumpe. Ovi uređaji se ne dimenzionišu na puno opterećenje, odnosno za najnepovoljniju radnu tačku, jer bi u najvećem delu godine sistem bio predimenzionisan. U zavisnosti od temperature spoljnog vazduha, koeficijent grejanja se kreće od 2,5 do 3,5. Nedostatak toplotnih pumpi koje rade s spoljnim vazduhaom kao izvorom toplote su visoka buka i velika količina vazduha koja je potrebna zbog male vrednosti specifičnog toplotnog kapaciteta. Hlađenjem vazduha za 6 do 8°C dobijaju se optimalni odnosi između: količine vazduha, veličine ventilatora, veličine isparivača i koeficijenta grejanja. Važno je primetiti da ugradnjom četvorokrakog ventila uređaj u tokom leta može raditi u režimu hlađenja. - Nadzemne vode kao izvor toplote u mnogim slučajevima su pristupačne i jeftine za primenu. Takve vode se mogu uobičajeno koristiti pri temperaturama višim od +4°C. Na osnovu iskustva i proračuna, temperaturska razlika vode ohlađene u isparivaču ne bi trebala biti manja od 4°C (npr. od 4 do 6°C). Korišćenje toplotne pumpe sa ovakvim izvorima toplote ekonomski je opravdano kod spoljnih temperatura iznad granice od 0°C. Pri tome veliku ulogu imaju položaj i veličina reke ili jezera. Nedostatak ovog izvora je ograničenost njegove primene samo na mali broj potrošača 12

koji leže uz samo jezero. Za potrošače koji su udaljeni od jezera investicioni i pogonski troškovi za crpljenje i povratak vode u jezero su preveliki. - Podzemne vode kao izvor toplote su povoljne za primenu zbog visoke i relativno ujednačene temperature, koja u većini slučajeva iznosi između 8 i 12°C, što zavisi od dubine sa koje se crpi. Za crpljenje podzemne vode potrebna su dva bunara, crpni i povratni. Razmak između ovih bunara treba biti što je moguće veći, a po mogućnosti ne manji od 10 m. Crpni bunar treba da daje u svim vremenima pogona dovoljnu količinu vode, odnosno izdašnost crpnog bunara je najvažnija za projektovanje ove toplotne pumpe. Potopljena crpna pumpa se ugrađuje obično do dubine 15 m kako bi se smanjili pogonski troškovi pumpe. Ispod pumpe, ostavlja se slobodna visina bunara koja omogućuje nakupljanje peska i nečistoća. Prečnik bunara je obično 220 mm ili veći. Protok pumpe za vodu proračunava se na tempersturskoj razlici vode na isparivaču od 4 do 5°C. - Tlo kao izvor toplote predstavlja ogroman toplotni izvor koji se može koristiti kako za grejanje tako i za hlađenje prostora. Iako se hlađenje može ostvariti neposrednim korišćenjem razmenjivača toplote u tlu, u svrhu grejanja je po pravilu potrebno upotrebiti toplotnu pumpu. Ugradnjom četvorokrakog ventila, toplotna pumpa se načelno zimi može koristiti za grejanje, a leti za hlađenje. Glavna prednost zemlje kao izvora ili ponora toplote je u relativno konstantnoj temperaturi već na dubini od 2 m (od 7 do13°C), koja omogućuje rad u optimalnoj projektnoj tački, bez dnevnih i sezonskih varijacija.

7. EKOLOŠKI PROBLEMI IZMENJIVAČA Sa ekološke tačke gledišta, sledeća pitanja su važna za obe vrste izmenjivača toplote:    

Adekvatan dizajn za efikasnu razmenu toplote, Pravilna konstrukcija kako bi se sprečilo curenje fluida u uređaj za hlađenje, Izbor materijala za efikasniji prenos toplote, za otpornost na koroziju u vodi, Mogućnost korišćenja mehaničkih uređaja za čišćenje.

7.1. Potrošnja i emisija rashladne vode 7.1.1. Potrošnja vode - Unos i potreba za vodom Voda je važan medij za rashladne sisteme i posebno za velike jdnosmerne sisteme, dok za rashladne sisteme na suv vazduh i nije od značaja. Površinske vode, podzemne vode i pitke vode se koriste. U principu, slana voda i sveža voda se može koristiti za hlađenje. Slana voda je dostupna u velikim količinama na primorskim mestima, ali nedostatak slane vode je njena korozivnost. Upotreba podzemnih voda za svrhe hlađenja se očekuje da se smanji u narednim godinama. Primeri su spuštanje nivoa podzemnih voda za nesmetano korišćenje rudnika. Manja dostupnost podzemnih može dovesti do povećanja potrošnje vode koja se nalazi na površini zemlje, za hlađenje. Korišćenje vode znači da je ista količina zagrejane vode za hlađenje usmerena nazad na izvor iz koje je uzeta. Potrošnja vode znači da se samo deo vode za hlađenje vraća nazad, a ostatak nestane isparavanjem ili tokom procesa hlađenja. 13

Količina vode koja se koristi u velikoj je meri povezana sa tipom industrije koji je korsiti. Različiti izvori pokazuju da je upotreba rashladne vode u Evropi na značajno visokom nivou. Generalno, najveći udeo vode zahteva elektrana. Ostatak otpada na mali broj većih industrija, od kojih je hemijska industrija najveći korisnik. Obim potrebne vode varira između različitih sistema za hlađenje vode. Za jednosmerne sisteme (direktne i indirektne) upotreba vode zavisi od:  procesnih uslova (kondenzatora),  temperature vodozahvata,  maksimalne dozvoljene temperature vode za hlađenje. Tabela 2: Potrebe za vodom različitih sistema za hlađenje Sistem za hlađenje Jednosmerni sistemi – direktni Jednosmerni sistemi – indirektni Kula sa otvorenim vodenim hlađenjem - direktni Kula sa otvorenim vodenim hlađenjem indirektni Kula sa otvorenim hibridnim hlađenjem Kula sa zatvorenim recirkulacionim vodenim hlađenjem Kula sa zatvorenim recirkulacionim vazdušnim hlađenjem Kula sa recirkulacionim hibridnim hlađenjem

Prosečna upotreba vode (m³/h/MWth)

Relativna upotreba vode (%)

86

100

86

100

2

2,3

2

2,3

0,5

0,6

promenljiv

promenljiv

0

0

1,5

1,7

U otvorenim i zatvorenim recirkulacionim sistemima i rashladnim kulama, većina vode se reciklira, a toplota se ispušta u atmosferu uglavnom usled isparavanja. Kule sa indirektnim rashladnim sistemom mogu koristiti vodu kao sekundarnu rashladnu tečnost, ali upotreba je veoma niska. Normalno , popunjavanje vodom je potrebno samo kada je došlo do curenja ili kada se voda odvede kako bi se omogućila popravka sistema. U državama članicama različiti organi se bave vodom kao resursa od izuzetnog značaja. Korišćenje vode treba da bude deo integrisane dozvole životne sredine, naročito tamo gde su zalihe su ograničene. Očekuje se da u čitavoj Evropi pritisak na resurse vode dobrog kvaliteta bude povećan merama zaštite voda u rashladnim sistemima, ograničavajući količine vode koju je dozvoljeno izvući iz izvora. Na nacionalnom nivou neke države članice imaju poseban zakon za aspektima koji se tiču unosa i upotrebu površinskih voda. Pitanje ograničavanja upotrebe vode odnosi se na sledeće aspekte životne sredine: Toplota emisija na površinske vode, Primena hlađenja aditiva vode, 14

Potrošnja energije sistema za hlađenje i proizvodnog procesa, Indirektne emisije. Svaki od ovih faktora treba da proceni da li je smanjen unos vode za hlađenje i koje e najbolje rešenje.

7.1.2. Toplotna emisija na površinske vode Sve toplota koja se ispušta konačno će završiti u vazduh. Emisija toplote je usko povezana sa količinom vode za hlađenje koja se koristi i ispušta. Jednosmerni sistemi, kako direktni tako i indirektni, po definiciji čine najveći izvor toplote koji se ispušta u površinske vode, kao toplota koja se potpuno prazni preko vodenog hlađenja. Voda za hlađenje u recirkulacionim sistemima oslobađa većinu svoje toplote preko rashladne kule u vazduh. Ispuštanje rashladne vode u površinske vode utiče na ukupnuevodene sredine, posebno ribu. Temperatura ima direktan uticaj na sve oblike života i njihovu fiziologiju i indirektan efekat uticaja na balans kiseonika.

7.1.3. Emisije iz rashladnog prečišćavanja voda Emisije ovog tipa se smatraju jednim od najvažnijih pitanja rashladnih sistema. Imamo četiri izvora emisije koji proizilaze iz vlažnih rashladnih sistema u površinske vode. Proces hemikalije (proizvod) i njihovi reaktanti, zbog curenja, Proizvodi zbog korozije rashladnog sistema opreme, Primena hlađenja aditiva vode i njihove reaktante, Supstance u vazduhu. Za kontrolu ovih emisija koriste se razne tehnike. Rizik od curenja može da se smanji kao i mogućnost nekontrolisanih emisija nakon curenja i najadekvatniji materijal za opreme može biti odabran da smanjuje koroziju. Ekološki gledano, aditivi su važni. Kako se upotrebljavaju za poboljšanje efikasne razmene toplote, njihova primena se odnosi i na negativne uticaje koji proizilaze iz niže efikasnosti razmene. Industrijski proces koji se hladi može uticati kada je prenos toplote neefikasan, što doprinosi povećanju upotrebe energije (tj. do povećanja emisije u vazduhu) ili veće potražnje za sirovinama da se nadoknadi gubitak proizvodnje. Potrošnja energije rashladnog sistema može se povećati zbog veće potražnje na pumpi i time da se nadoknadi gubitak efikasnosti razmene toplote. Problemi koji nastaju kada je reč o kvalitetu vode su: Korozija opreme za hlađenje vode, što može dovesti do curenja toplote i prosipanja tečnosti u životnu sredinu ili gubitak vakuma u kondenzatorima, Skaliranje, pretežno taloženjem kalcijum karbonata, sulfata i fosfata, cinka i magnezijuma.

15

Slika 4: Grafički prikaz povezanosti između različitih problema kvaliteta vode

Rashladni problemi kod voda često su međusobno povezani. Skaliranje može dovesti do kako korozije i uklanjanja. Sledeće grupe hemikalija se koriste za proveru stanja i uslova vode: Inhibitori korozije – ranije su se metali uglavnom koristili, ali postoji trend u azolima, fosfonatima, polifosfatima i polimerima. To znači da se toksičnost smanjuje, dok se upornost raste. Nedavno su razvijeni neki bolje biorazgradivi polimeri. Tvrdoća stabilizatora ili inhibitori skala – to su uglavnom polifosfati, fosfonatima i određeni polimeri. Disperzija hemikalije - uglavnom kopolimeri, često u kombinaciji sa surfaktantima. Glavni efekat na životnu sredinu je slaba biorazgradivost. Oksidacioni biocidi - hlor (ili kombinacija hlora i broma) i monohloramin, uglavnom se koriste. Hlor (brom) je jak oksidant (akutno toksičan). Ostali oksidarajući biocidi su ozon, UV, vodonik peroksid ili persirćetna kiselina. Neoksidacioni biocidi - glutaraldehid i kvaternarna jedinjenja amonijaka. Ova jedinjenja su akutno toksična i često nisu lako biorazgradiva, mada ima i onih koji se degradiraju pomoću drugih mehanizama. Efekti za životnu sredinu su značajne.

7.2. Tehnike koje se primenjuju za smanjenje potrošnje vode Smanjenje potrošnje vode za hlađenje je od posebnog interesa kada je dostupnost vode niska iz fizičkih ili ekoloških razloga. Ovo može biti zbog suše, koja pogodi razna područja ili područja sa sezonskim niskim padavinama. Za velike sisteme potreban je kapacitet hlađenja koji može ograničiti mogućnost za suvo hlađenje vazduha, jer zahteva veliku razmenu toplote. Ako je to izvodljivo, treba obratiti pažnju na promenu ukupne efikasnosti, povećane troškove rada za rad ventilatora i troškove smanjenja buke. Primena na ovaj način će dovesti do smanjenja efikasnosti procesa. Shodno tome, sistemi sa vodenim hlađenjem su poželjniji. Zaključak je da sposobnost zavisi od mnogih hemijskih i fizičkih faktora (npr. temperatura, pH vrednost, brzina vode) i zahteva visok stepen stručnosti.

16

Za cirkulaciju sistema, korišćenjem relativno ograničene količine vode, ima za cilj poboljšanje kvaliteta vode za hlađenje. Kontrola vode hlađenja može smanjiti potrebe za vodom. Međutim, sama kontrola vode će dovesti do mulja koji će morati da se odlaže. Smanjenje potražnje za vodnim resursima se pokušavalo povezivanjem vodotokova različitih industrijskih jedinica na jednoj ili više lokacija. Ovaj metod očuvanje voda može biti prilično uspešan, ali treba pažljivo razmotriti sam ishod. U proceni alternativa za očuvanje vode za industrijske lokacije, važni razlozi su navedeni koje bi trebalo uzeti u obzir: 1. 2. 3. 4.

Istraživanje raspoloživih vodnih resursa, Procena količine ovih izvora i njihovo fluktuacija, Procena zagađivača u izvorima vode, Ekonomičnost alternativnih metoda za ponovnu upotrebu.

Najbolji način da se smanji emisija toplote je da se smanji potreba za pražnjenje ili da se pronađe kupac za višak toplote. U slučaju emisije toplote u životnu sredinu, fokus je na problem emisije same toplote na površinske vode. U razmatranju tehnike za redukciju važno je shvatiti da će na kraju sva toplota nestati u vazduhu. Izborom između različitih sistema za hlađenje, može se odlučili šta je bolje. Tako npr, uticaj toplote na životnu sredinu se može smanjiti ispuštanjem više toplote u atmosferu, a manje toplote u površinske vode, na račun gubitka vode usled isparavanja. Minimiziranje toplotnih ispuštanja na površinu vode vezuje se za minimizaciju korišćenja vode i za ukupnu energetsku efikasnost. Za ovo su generalno potrebna velika ulaganja i mnogo prostora za napredak.

7.2.1. Korišćenje vazduha za hlađenje Upotreba vazduha kao resurs nema direktne posledice po životnu sredinu i ne smatra se kao stvarna potrošnja. U mehaničkim rashladnim kulama, kapacitet vazduha je u vezi sa energijom koja je potrebna za rad ventilatora. Protok vazduha se povezuje sa odnosom između razumne i latentne toplote. Za suvo hlađenje je potrebno više vazduha nego za hlađenje vodom. U nekim specifičnim oblastima (npr. lokacije koje su gusto naseljene industrijskim objektima) kvalitet vazduha može da bude problem i po svom sastavu može dovesti do korozije na cevima ili koturovima ili samo prljanje površine. Na oba načina negativno utiče efikasna razmena toplote. Shodno tome, čišćenje površine izmenjivača toplote i/ili sanacija vode za hlađenje može biti neophodan uslov u zavisnosti od hemijskog sastava vazduha.

7.2.2. Direktne i indirektne emisije Emisija u vazduh usled rada industrijskih rashladnih sistema može biti direktna ili indirektna. Indirektne emisije se javljaju na nivou proizvodnog procesa zbog neefikasnog hlađenja. Ona nastaje zbog činjenice da neefikasno hlađenje zahteva viši unos resursa (kao što je energija), da nadoknadi gubitke proizvoda ili samog učinka. Značaj direktnih emisija u vazduhu iz vlažnih rashladnih kula je posebno važna u neposrednoj blizini gradskih naselja. Problemi koji se mogu javiti tokom rada su: 1. Kapljice mogu da sadrže neke hemikalije, 2. Bakterije (Legionarska bolest) može da se razvije u slučaju pogrešnog lečenja biocida i održavanje rashladne kule. 17

Kvalitet i količina direktnih emisija u vazduhu iz rashladnih kula će biti specifična u svakoj situaciji u zavisnosti od aditiva koji se koriste za prečišćavanje vode za hlađenje.  Smanjenje emisije u vazduhu iz rashladnih kula je u pozitivnoj korelaciji sa integrisanim merama za smanjenje unosa vode,  Smanjenje emisije u vazduhu je u pozitivnoj korelaciji sa smanjenjem potrebe za prečišćavanjem vode, i  Smanjenje emisije u vazduhu iz rashladnih kula je u pozitivnoj korelaciji sa optimizacijom hlađenja prečišćavanje vode (za optimizaciju rada sistema).

7.2.3. Optimizacija korišćenja aditiva kod hlađenja vode Optimizacija korišćenja aditiva kod hlađenja vode takođe znači izbor odgovarajućeg režima doziranja i praćenja efekata programa za prečišćavanje vode i na emisije koje utiču na površinu vode i na performanse sistema za hlađenje u pogledu prenosa i bezbednosti toplote. Očigledno je da su obe tehnike povezane i da je praćenje preduslov za odgovarajući režim doziranja. Odabir doziranja bi trebalo da teži da se postigne željena koncentracija u pravom trenutku, bez smanjenja performansi rashladnog sistema. Premalo doziranja može izazvati koroziju ili smanjene performanse sistema za hlađenje koji takođe dovodi do indirektnih efekata na životnu sredinu. Preveliko doziranje hemikalija može dovesti do prljanje površina pri razmeni toplote. Grafički se ovo može predstaviti na sledećoj slici. U nepropisno dizajniranom sistemu ne vodi se računa o minimalnoj obaveznoj koncentraciji biocida, kako bi sistem bio zaštićen od zaprljanosti. Istovremeno, predoziranje vodi do takvog nivoa koncentracije da je više od maksimalne zahtevane koncentracije štetno. U tom trenutku višak aditiva će biti otpušten u okolinu.

Slika 5: Koncentracija aditiva – rezultat uzorka za nepropisno doziranje i kontrolu

Ciljana doza na osnovu analize kvaliteta vode za hlađenje ima za cilj održavanje minimuma potrebnog nivoa koncentracije da daju stalne zaštite. Prevelike koncentracije treba izbegavati i na taj način ispuštanja u životnu sredinu će biti smanjena, što će takođe smanjiti troškove.

18

Slika 6: Koncentracija aditiva – rezultat uzorka za propisno doziranje i kontrolu

8. ZAKLJUČAK Uprkos tome što gasni uređaji za hlađenje i grejanje nisu novost na tržištu, njihov razvoj i povećana primena poslednjih godina pokazuju da za ovakvu tehnologiju svakako ima interesa.. Kod većih rashladnih kapaciteta razlika u ceni u odnosu na kompresorske uređaje naknadno se vraća kroz eksploataciju gasnih uređaja već kroz nekoliko godina. U većini država kompanije za distribuciju gasa imaju interes za povećanje potrošnje gasa u letnjim mesecima, dajući specijalne popuste korisnicima za klimatizaciju. U Italiji, hotelski objekti masovno su klimatizovani gasom i oslobođeni plaćanja poreza u ceni gasa, dok u Francuskoj i Španiji, distributeri gasa sponzorišu svaki ugrađeni apsorpcioni uređaj koji kao pogonsku energiju koristi prirodni gas. Neka ovi primeri bogatijih država budu jasan podsticaj i nama. Takođe, primena gasnih toplotnih pumpi i rashladnih uređaja predstavlja veliki korak prema ispunjenju obaveza koje proizlaze iz Kyoto protokola i zaštite okoline, u visoko korisnoj i ekonomičnoj upotrebi energije. Uz to, predstavljaju i bitno poboljšanje za korisnike, projektante, izvođače i državna tela koja su u potrazi za rešenjima za zaštitu okoline, odnosno, ukratko za celokupnu društvenu zajednicu. Savremena tehnologija, koja koristi obnovljive izvore energije, može se koristiti već danas i to masovno. Ona omogućava dalji skok iskorišćenja uređaja za 30 do 40% u poređenju sa uobičajenim uređajima za grejanje koji su trenutno raspoloživi na tržištu. Promene u načinu projektovanja ili primene instalacije grejanja i hlađenja minimalne su. Štaviše, omogućava potpunu upotrebu instalacijskih rešenja koja su razvijena u proteklih 10 do 15 godina. Potreba za kontrolom hemikalija za preradu vode za hlađenje je neophodna kako bi se smanjila upotreba aditiva i emisije u životnu sredinu. Može se posmatrati kao isplativ metod, jer je tretman pražnjenja vode generalno skuplji metod. Razlika se može napraviti između praćenja primene biocida i praćenja drugih hemikalija za prečišćavanje vode (inhibitora stvaranja kamenca, inhibitora korozije i disperzanta).

19

9. LITERATURA [1]

Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC) Reference Document on the application of Best Available Techniques to Industrial Cooling Systems, December 2001

[2]

Sava Vujić, Rashladni uređaji, Mašinski fakultet, Beograd, 2007

[3]

Aleksandar Dj. Dedić, Osnovi mašinstva, Beograd, 2009

20