W niniejszej części publikacji opisano budowę i zasadę działania wymienników ciepła chłodzonych wyparnie: skraplaczy i chłodnic cieczy. Przedstawiono stosowane rozwiązania konstrukcyjne oraz zamieszczono uwagi dotyczące eksploatacji – regulacji wydajności cieplnej i zapewnienia odpowiednich warunków pracy. Wskazano zalety chłodzenia wyparnego w stosunku do powietrznych i wodnych systemów chłodzenia.

    Powietrze jest czynnikiem dostępnym bez żadnych ograniczeń, ale termodynamicznie znacznie gorszym od wody. Woda z kolei ma bardzo dobre właściwości termodynamiczne, ale jej dostępność jest ograniczona ze względu na występujący i nasilający się ciągle deficyt. Z tych względów najlepszym rozwiązaniem wydaje się być jednoczesne zastosowanie wody i powietrza jako czynników chłodzących. Doprowadzenie do bezpośredniego kontaktu powietrza z wodą przy równoczesnym dopływie ciepła powoduje wystąpienie procesu nieadiabatycznego odparowania wody do powietrza. W wyniku tego procesu następuje odprowadzenie przez powietrze ciepła utajonego nawilżającej je pary wodnej oraz w znacznie mniejszym stopniu, ciepła jawnego, przejmowanego od powierzchni wody przez strumień powietrza.
    Wymienniki ciepła, w których występuje wyżej opisany proces nazywa się wyparnymi (w Polsce częściej używa się nazwy „wymienniki natryskowo-wyparne”). Zależnie od tego, czy służą one do chłodzenia cieczy, czy skraplania pary, noszą nazwę odpowiednio chłodnic wyparnych cieczy lub skraplaczy wyparnych.
    Chłodzenie wyparne w stosunku do chłodzenia powietrzem jest bardziej efektywne i korzystniejsze termodynamicznie, ponieważ przebiega na niższym poziomie temperatury.
    W stosunku do wymienników chłodzonych wodą w obiegu otwartym, wymienniki wyparne charakteryzują się znacznie mniejszym zużyciem wody świeżej.

Budowa i zasada działania
    Na rysunku 1 przedstawiono schemat ideowy wymiennika natryskowo-wyparnego. Zasadniczą część urządzenia stanowią wężownice wykonane z rur gładkich, w których następuje przepływ czynnika chłodzonego (pary lub cieczy). Zastosowanie rur gładkich spowodowane jest koniecznością zapewnienia łatwego ich czyszczenia, ponieważ narażone są na osadzanie się na ich powierzchni zanieczyszczeń i kamienia kotłowego. W celu zminimalizowania oporów przepływu powietrza przy jednoczesnym zwiększeniu powierzchni wymiany ciepła niektórzy producenci stosują rury o przekroju eliptycznym.
    Dla umożliwienia opróżnienia wymiennika, rury wężownic mają stałe pochylenie w kierunku przepływu czynnika. Wężownice składa się w baterie tak, aby uzyskać przestawny układ rur. Połączone są one kolektorami rurowymi lub częściej – skrzynkowymi. W przypadku chłodnic cieczy pracujących w obiegach otwartych do atmosfery lub przeznaczonych do chłodzenia cieczy agresywnych stosuje się kolektory z otwieranymi pokrywami, umieszczonymi na obu końcach prostoosiowych odcinków rur, umożliwiającymi dostęp do wnętrza rur w celu ich mechanicznego oczyszczenia [17]. Powyżej wężownic znajduje się układ zraszający z dyszami rozpylającymi wodę oraz odkraplacz. Powierzchnia zewnętrzna baterii rur zraszana jest w sposób ciągły wodą podawaną za pomocą pompy ze zbiornika wody obiegowej do układu zraszającego. Woda spływając po rurach wężownicy kontaktuje się z przepływającym w przeciwprądzie powietrzem, którego przepływ wymuszony jest wentylatorami. Dysze zraszające, o dużych otworach i przez to niewrażliwe na zatykanie się, wykonane są z reguły z tworzywa sztucznego. Odkraplacze charakteryzują się wysoką efektywnością działania przy możliwie małym oporze hydraulicznym. Osiągane jest to przez co najmniej trzykrotną zmianę kierunku przepływu powietrza i odpowiednią głębokość, która wynosi od kilkudziesięciu milimetrów przy wentylatorach tłoczących powietrze przez wymiennik do ponad 300 mm w wymiennikach z wentylatorami wyciągowymi [17]. Dodatkową funkcję, jaką spełnia odkraplacz w wymiennikach z wentylatorami tłoczącymi powietrze od dołu jest odchylanie strugi powietrza opuszczającego urządzenie w kierunku przeciwnym do strony po której zamontowane są wentylatory, aby nie dopuścić do powrotu ciepłego, wilgotnego powietrza na wlot wentylatorów. Odkraplacze wykonane są z PCV lub ocynkowanej stali. Spływająca z wężownic woda zbierana jest w zbiorniku (wannie), który pełni także funkcję odstojnika oczyszczającego wodę będącą w obiegu. Oczyszczanie wody na wlocie do pompy realizowane jest dwoma sposobami: poprzez zastosowanie filtra siatkowego lub dna z blachy perforowanej, umieszczonego nad wlotem do rurociągu ssawnego pompy. Zbiornik z pompą wody jest najczęściej integralną częścią składową aparatu (rys. 1), ale może stanowić także element oddzielnego układu wody zraszającej (rys. 2). Obudowa wymienników wykonana jest zazwyczaj z blachy ocynkowanej, pokrytej dodatkowo specjalnym lakierem antykorozyjnym.
    W niektórych rozwiązaniach konstrukcyjnych skraplaczy wyparnych przewidziano specjalną sekcję wstępnego chłodzenia gorących par czynnika ziębniczego. W sekcji tej, wykonanej z rur ożebrowanych i umieszczonej powyżej układu zraszającego, para oddaje ciepło przegrzania, a następnie jest kierowana do części dolnej, zraszanej wodą, w której następuje jej skraplanie. Stosowanie tego typu konstrukcji jest szczególnie uzasadnione w przypadku skraplaczy amoniakalnych, pracujących w układzie ze sprężarką tłokową, gdyż temperatura pary przegrzanej dopływającej do skraplacza jest wówczas stosunkowo wysoka (zwykle powyżej 120°C). Spotyka się także skraplacze wyposażone w specjalne sekcje wężownic, przeznaczone do dochłodzenia ciekłego czynnika ziębniczego.
    Konstrukcje skraplaczy natryskowo-wyparnych i chłodnic cieczy różnią się głównie rodzajem i sposobem rozmieszczenia wentylatorów oraz kierunkiem przepływu powietrza.
    Jednym z możliwych rozwiązań jest umieszczenie wentylatorów na szczycie urządzenia (wymiennik ciepła po stronie ssawnej wentylatora). W rozwiązaniu tym stosuje się wyłącznie wentylatory osiowe (rys. 3a). Charakteryzuje się ono prostotą konstrukcji sekcji wentylatorowej, możliwością zastosowania klasycznych wolnoobrotowych wentylatorów o napędzie bezpośrednim oraz niższymi kosztami eksploatacyjnymi, związanymi z mniejszymi oporami przepływu powietrza. Istotną cechą tego rozwiązania jest stosowa nie z reguły silników dwubiegowych, co pozwala na dalsze zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych oraz na obniżenie poziomu hałasu przez długie okresy ich eksploatacji. Istnieje możliwość sterowania wydajnością cieplną urządzenia przez wyłączanie wentylatorów bez konieczności stosowania przegród dzielących wymiennik ciepła. Pionowy wyrzut powietrza z urządzenia eliminuje możliwość wystąpienia recyrkulacji „zużytego” powietrza. (...)

Eksploatacja
(...)

Przykładowe konstrukcje wymienników wyparnych
    Oprócz skraplaczy i chłodnic cieczy o konstrukcjach standardowych, przedstawionych na rysunku 3, niektórzy producenci oferują urządzenia o nietypowych rozwiązaniach konstrukcyjnych i szczególnym przeznaczeniu. Takimi urządzeniami są na przykład skraplacze typu CXV firmy Baltimore Aircoil (rys. 6) i chłodnice cieczy typu WDW produkcji EVAPCO (rys. 7) [19], [20].
    Konstrukcja skraplacza przedstawionego na rysunku 6 umożliwia schłodzenie, za pomocą powietrza, wody zraszającej wężownice przed jej ponownym użyciem. Proces ten zachodzi w specjalnym wkładzie (wet deck), umieszczonym pod wężownicą skraplacza. Dzięki współprądowemu przepływowi powietrza i wody chłodzącej w skraplaczu uzyskano mniejsze opory przepływu powietrza, co pozwoliło na zwiększenie gęstości zraszania bez zwiększenia mocy napędowej silników wentylatorów. W porównaniu z typowymi konstrukcjami skraplaczy, w skraplaczu CXV uzyskuje się czterdziestoprocentowy wzrost wydajności cieplnej [20].
    Chłodnice typu WDW (rys. 7) składają się z dwóch sekcji rur: jednej zbudowanej z baterii rur lamelowanych i drugiej, wykonanej z rur gładkich, zraszanej wodą obiegową. W zależności od warunków atmosferycznych (temperatury i wilgotności powietrza) chłodnice te mogą pracować „na sucho” (chłodzenie powietrzem – wykorzystywany jest wymiennik lamelowany), „na mokro” (chłodzenie wyparne – pracuje wymiennik zraszany) lub w systemie kombinowanym – wtedy chłodzona ciecz przepływa najpierw przez sekcję rur lamelowanych, a następnie przez sekcję rur zraszanych wodą. W tym trybie pracy działają wszystkie wentylatory, zarówno wymiennika chłodzonego powietrzem, jak i wymiennika wyparnego. Chłodnice typu WDW charakteryzują się zmniejszonym zużyciem wody chłodzącej (średnio przez 8 miesięcy w roku możliwa jest praca „na sucho”) i oszczędnością energii napędowej.
    Zasadniczo inną konstrukcję maja chłodnice wyparne wody stosowane w kopalniach (np. miedzi) do chłodzenia wody dla skraplaczy agregatów ziębniczych, chłodzących powietrze w przodkach wydobywczych [6]. Ich konstrukcja musi uwzględniać ograniczoną ilość miejsca w kierunku pionowym i porzecznym, a także bardzo trudne warunki eksploatacji związane z dużym zanieczyszczeniem powietrza (pył, zanieczyszczenia chemiczne). Schemat ideowy takiej chłodnicy wody zamieszczono na rysunku 8. Pionowy układ prostoosiowych odcinków rur wężownic oraz duże gęstości zraszania ułatwiają samoczynne oczyszczanie się powierzchni wymiennika ciepła z zanieczyszczeń pochodzących z powietrza chłodzącego. Mała ilość miejsca w chodnikach kopalnianych wymusza z kolei poziomy kierunek i wysokie prędkości przepływu powietrza.