Porównanie układów hydraulicznych instalacji wody lodowej

FOTOREPORTAZE

ON-LINE

Naszą witrynę przegląda teraz 298 gości

Facebook

Chłodnictwo & Klimatyzacja

Miesięcznik indeksowany
jest w bazie czasopsim
technicznych

Porównanie układów hydraulicznych instalacji wody lodowej

Data dodania: 16.06.2013

Wpływ konfiguracji centralnej maszynowni wody lodowej na pobór energii elektrycznej układu klimatyzacyjnego

W czasach, gdy koszty energii stale rosną, użytkownicy i projektanci systemów chłodniczych muszą poddawać analizie zużycie energii generowane przez praktycznie każdy element składowy stosowanych rozwiązań, w tym także instalacji wody lodowej.

W niniejszym artykule zaprezentowano modele zużycia energii w trzech podstawowych, najczęściej stosowanych rodzajach instalacji wody lodowej:

CPF (z ang. constant primary flow) – stały przepływ w obiegu pierwotnym wody lodowej,
P/S (z ang. constant primary flow/variable secondary flow) – stały przepływ w obiegu pierwotnym wody lodowej /zmienny przepływ w obiegu wtórnym wody lodowej,
VPF (z ang. variable primary flow) – zmienny przepływ w obiegu pierwotnym wody lodowej.

Układy zostaną porównane pod względem zapotrzebowania na przestrzeń w maszynowni, koszty instalacyjne oraz rodzaje systemów sterowania. Dla ułatwienia opisów, w dalszym tekście użyte zostaną skróty wyjaśnione powyżej.

Układ ze stałym przepływem w obiegu pierwotnym CPF

Działanie

Na rysunku 1 przedstawiono układ CPF przy 100-procentowym obciążeniu systemu. Jest to najprostszy rodzaj instalacji, z którego korzysta wiele mniejszych obiektów. Jak sama nazwa wskazuje, pompy wody lodowej (CHW) pracują ze stałą prędkością, a sam przepływ wody zmienia się wyłącznie wtedy, gdy dany agregat chłodniczy i jego pompa zostają wyłączone z obiegu w celu dostosowania wydajności systemu do potrzeb obiektu.

W treści artykułu stosowany będzie poniższy wzór, którym będziemy posługiwać się do obliczeń charakterystyk pracy omawianych układów:

Obciążenie cieplne = Przepływ masowy wody lodowej
x ciepło właściwe wody x Δ-T

gdzie:
– przepływ masowy wody lodowej [kg/s],
– ciepło właściwe wody= 4.19 [kJ/kg/°C],
– Δ-T = zakres zmian temperatury wody lodowej [°C].

W układzie CPF, ponieważ przepływ jest stały, to zmiany obciążenia chłodniczego widoczne są poprzez zmianę temperatury powrotnej (zmianę różnicy temperatury Δ-T). Zazwyczaj w tego typu rozwiązaniu stosuje się zawory trójdrożne umieszczane na wyjściach z wężownic odbierających chłód. Każdy taki zawór sterowany jest w funkcji utrzymania nastawy temperatury nawiewu powietrza w obsługiwanej strefie. Jeśli temperatura powietrza wykracza powyżej lub poniżej poziomu nastawy, zawór koryguje odpowiednio ilość wody lodowej przepływającej przez wężownicę, a nadmiar wody omija wężownicę by-passem. W ten sposób modyfikowana jest różnica temperatur wody lodowej przepływającej przez wężownicę, zgodnie z powyższym wzorem. Wydajność wężownicy regulowana jest do momentu, gdy temperatura powietrza wychodzącego z wężownicy ponownie osiągnie wartość nastawy. W trakcie trwania tego procesu, przepływ wody lodowej przez agregaty chłodnicze utrzymany jest na stałym poziomie.

ChiK-13-05-43-1

Rys. 1. W instalacji typu CPF, przepływ wody lodowej utrzymuje się na poziomie stałym, zaś obciążenie regulowane jest za pomocą zaworów trójdrożnych, co powoduje zmianę różnicy temperatury Delta-T

Charakterystyka

Układy CPF (rys. 1.) posiadają następujące zalety:

przestrzeń zajmowana przez wyposażenie w maszynowni jest zminimalizowana dzięki zastosowaniu tylko jednego zestawu pomp wody lodowej;
niskie koszty inwestycyjne z uwagi na wykorzystanie pomp stałoprędkościowych, bez konieczności użycia drogich napędów zmiennoprędkościowych (VSD). Co więcej, stosowane są zawory trójdrożne, których siłowniki nie są narażone na pokonanie dużych różnic ciśnień, więc są tańsze od siłowników stosowanych w dwudrożnych zaworach, które muszą pokonywać wysoką różnicę ciśnień w momencie pełnego zamknięcia;
sterowanie i eksploatacja systemu są stosunkowo proste i łatwe do przeprowadzenia.

Główną wadą systemów CPF jest wysoki pobór energii przez pompy. Zawsze, gdy agregaty chłodnicze znajdują się w trybie pracy, odpowiadające im pompy pracują z maksymalną wydajnością, niezależnie od aktualnej wydajności chłodniczej agregatów.

Układ ze stałym przepływem w obiegu pierwotnym i zmiennym przepływem w obiegu wtórnym P/S

(...)

Układ ze zmiennym przepływem w obiegu pierwotnym wody lodowej VPF

(...)

Syndrom Niskiego Poziomu Delta-T

Wszystkie instalacje wody lodowej działające w oparciu o zawory dwudrożne narażone są na występowanie syndromu niskiego poziomu Delta-T. Syndrom ten polega na spadku zakresu różnicy temperatury wody lodowej niezależnie od zmiany obciążenia. W sytuacji występowania tego syndromu zwiększa się pobór mocy w pompach o napędzie zmiennoprędkościowym oraz pozostałych elementach maszynowni chłodniczych. Źródeł występowania tej sytuacji jest wiele, np. brudne lub zapchane wężownice, źle skonfigurowany system sterowania, przepuszczające zawory dwudrożne, niepoprawne podłączenie wężownic, zastosowanie zaworów dwu- i trójdrożnych w jednym układzie, czy też zastosowanie ekonomizerów [1].

Agregaty wody lodowej pracujące w systemie, który poddany jest działaniu syndromu niskiego poziomu Delta-T, nie mogą być obciążane powyżej aktualnej różnicy Delta-T do wysokości projektowej wskaźnika (tzn. jeśli aktualna Delta-T wynosi np. 4, a powinna wynosić 6, to faktycznie możliwa do osiągnięcia wydajność agregatu chłodniczego wynosi 4/6, czyli tylko 67% mocy nominalnej). W efekcie zwiększa się pobór mocy maszynowni chłodniczej, ponieważ kolejne agregaty chłodnicze wraz z dedykowanymi im pompami i wieżami muszą być uruchamiane wcześniej (chyba, że podjęte zostały środki zaradcze).

Jednym ze sposobów zwiększania wydajności wężownicy i jednoczesnej redukcji skutków działania syndromu niskiego poziomu Delta-T jest zmniejszenie temperatury wody lodowej na wejściu do wężownicy (reset nastawy temperatury wyjściowej z agregatu wody lodowej). Gdy temperatura wody spadnie o 1,5°C, nastąpi wzrost wydajności wężownicy, co spowoduje zwiększenie różnicy temperatury Delta-T o dodatkowy 1°C. Obniżenie temperatury wody lodowej zwiększa pobór energii elektrycznej agregatów stałoprędkościowych o 1,0 do 1,5% na każde pół stopnia zmniejszenia temperatury nastawy (2÷3% na każde pół stopnia zmniejszenia temperatury w przypadku agregatów zmiennoprędkościowych). Warto jednak pamiętać, że reset wysokości temperatury wody lodowej wymaga mniej energii, niż uruchomienie dodatkowego agregatu wody lodowej, pompy i wieży. Na Rysunku 8 przedstawiono zastosowanie mechanizmu resetu temperatury wody lodowej w celu poprawy charakterystyki wskaźnika Delta-T z 4°C na 5°C w systemie P/S przy obciążeniu 50%.

Działanie syndromu niskiego poziomu Delta-T można zniwelować również w inny sposób – zwiększając przepływ wody lodowej (nadpompowywanie). W przypadku rozwiązania typu P/S, jedyną metodą zwiększenia przepływu wody jest uruchomienie dodatkowej pompy z jej maksymalną wydajnością, a wynika to z zastosowania pomp stałoprędkościowych. Z kolei w przypadku układu VPF – gdzie mamy pompy zmiennoprędkościowe połączone równolegle i posiadające wspólny kolektor tłoczny – by zwiększyć przepływ wody można zwiększyć prędkość (wydajność) pracujących pomp, a także uruchomić pompę dodatkową, dzięki czemu nie ma konieczności uruchamiania kolejnego agregatu chłodniczego (rysunek 9).

ChiK-13-05-46-1

Podsumowanie

Spośród trzech opisanych tu konfiguracji maszynowni w instalacjach wody lodowej, układ VPF charakteryzuje się największą energooszczędnością, głównie z uwagi na wykorzystanie zalet zmiennoprędkościowego sterowania układem pompowym. Jak widać, VPF umożliwia również najefektywniejsze wykorzystanie mechanizmu nadpompowywania, przydatnego w przypadku wystąpienia syndromu niskiego poziomu Delta-T. Jednakże należy pamiętać, że eksploatacja układów VPF nie należy do najprostszych i wymaga odbycia specjalistycznego szkolenia. Mimo to, zastosowanie rozwiązania VPF pozwala uzyskać znacznie większą oszczędność energii niż w przypadku wykorzystania systemów P/S czy CPF. W tabeli 1 podsumowane zostały charakterystyki każdego z trzech systemów.

Roy S. HUBBARD

LITERATURA:
[1] TAYLOR S.T. (2002). Degrading chilled water plant delta-t: Causes and mitigation. ASHARE Transactions, 108 (1). Tekst źródłowy dostępny pod adresem: http://bit.ly/Taylor_delta-T