Sucha chłodnica: kompletny przewodnik po przemysłowym chłodzeniu powietrzem

Artykuł poświęcony odkryciu prostej technologii chłodzenia, która cieszy się dużym zainteresowaniem klientów w przemyśle i klimatyzacji cywilnej: Sucha chłodnica, czyli dry coolery, czyli systemy chłodzenia na sucho. Mówimy o rozwiązaniach o niskich kosztach nabycia i niskich wymaganiach konserwacyjnych, ale wymagających określonych temperatur wyjściowych chłodzonego płynu i czasami dużych przestrzeni montażowych.

Przyjrzyjmy się szczegółowo, czym są suche chłodnice, jak działają i jak wyglądają.

1. Wprowadzenie do suchych chłodnic

Suche chłodnice opierają się na prostej, ale skutecznej zasadzie: chłodzeniu konwekcyjnym. Powietrze zewnętrzne jest transportowane i przepychane przez jeden lub więcej wentylatorów, przechodzi przez „ożebrowane wężownice” znajdujące się wewnątrz dry coolera, pochłaniając ciepło z płynu procesowego przepływającego wewnątrz. Powietrze jest następnie wydalane do otoczenia, kończąc cykl chłodzenia.

Zanim przejdziemy dalej, kilka uwag na temat terminologii. Suche chłodnice są również często określane jako chłodnice powietrza, ze względu na ich charakterystykę pracy wyłącznie z powietrzem jako nośnikiem, terminy te są zatem wymienne. Nierzadko można również spotkać się z określeniem system dry cooler.

2. Budowa i podzespoły suchych chłodnic

Suche chłodnice składają się ze stosunkowo prostych, ale skutecznych komponentów współpracujących ze sobą w celu rozpraszania ciepła.

1. Zamknięty obieg z żebrowanymi wężownicami. Sercem chłodnicy suchej jest zamknięty obieg, w którym znajduje się/przepływa chłodzony płyn procesowy. Płyn ten przepływa w zwojach rur połączonych ze sobą (za pomocą spawanych kolanek) i umieszczonych w szeregu „żeber”, tj. cienkich płyt, które tworzą „pakiet żebrowany” (zwoje żebrowane).
2. Metalowe żebra na powierzchni wężownicy zwiększają powierzchnię wymiany ciepła z powietrzem, maksymalizując chłodzenie, tj. przenoszenie ciepła z płynu do środowiska zewnętrznego. Materiały, grubości i geometrie wężownic żebrowanych są definiowane zgodnie z charakterystyką chłodzonego płynu i konkretnymi wymaganiami.
3. Wentylatory. Wydajne wentylatory zasysają powietrze z otoczenia i przepychają je przez wężownice żebrowane. Prędkość i natężenie przepływu powietrza przez wentylatory mają kluczowe znaczenie dla zapewnienia skutecznego chłodzenia cieczy.
4. Silnik. Jeden lub więcej silników elektrycznych napędza wentylatory. Nowoczesne dry coolery wykorzystują wysokowydajne silniki w celu zmniejszenia zużycia energii i utrzymania niskiego poziomu hałasu.
5. Rama i konstrukcja. Rama i konstrukcja dry coolera muszą być odporne na warunki atmosferyczne i zapewniać ochronę wewnętrznych komponentów. Mogą być wykonane z ocynkowanej lub malowanej stali, aby były odporne na korozję.

3. Zalety suchych chłodnic

Zastosowanie suchych chłodnic przynosi szereg korzyści.

• Prostota budowy, instalacji i uruchomienia. Z opisu jasno wynika, że są to maszyny, których montaż nie wymaga żadnych specjalnych prac pomocniczych (poza uziemieniem i niezbędnymi połączeniami elektrycznymi i hydraulicznymi).
• Niskie koszty utrzymania. Solidna, ale prosta konstrukcja chłodnic suchych wymaga bardzo niewielkiej konserwacji, gwarantując niskie koszty eksploatacji w dłuższej perspektywie.
• Tylko powietrze. Działanie tej technologii nie wymaga niczego poza powietrzem zewnętrznym, jak widzieliśmy, poruszanym przez jeden lub więcej wentylatorów. Oczywiście może to stanowić ograniczenie w przypadku zastosowań wymagających chłodzenia płynów o temperaturze niższej niż temperatura powietrza zewnętrznego.
• Niskie koszty operacyjne. Jest to oczywiście efekt poprzednich cech funkcjonalnych.
• Elastyczność instalacji. Suche chłodnice mogą być instalowane na zewnątrz lub wewnątrz, dostosowując się do różnych wymagań dotyczących układu instalacji. Ich modułowość sprawia, że nadają się również do modernizacji istniejących instalacji.
• Wszechstronność działania. Systemy z suchymi chłodnicami mogą pracować przez cały rok, bez problemów związanych z niskimi temperaturami otoczenia.

4. Temperatury wyjściowe i obliczanie potencjału suchej chłodnicy

Ponieważ dry cooler wykorzystuje tylko powietrze jako wektor chłodzenia, ten system przemysłowy może strukturalnie osiągnąć temperaturę wyjściową nie niższą niż temperatura termometru suchego powietrza (tj. temperatura powietrza zewnętrznego): jest to coś, co zawsze należy wziąć pod uwagę, aby wiedzieć, czy jest to rozwiązanie, którego potrzebujemy. Konsekwencją tego jest to, że sucha chłodnica staje się optymalnym rozwiązaniem, jeśli wystarczy uzyskać płyn wyjściowy o średnio-wysokiej temperaturze, zwłaszcza jeśli myślimy o cieplejszych porach roku i jeśli nie chcemy używać wody jako „narzędzia” chłodzącego.

Jak więc prawidłowo dobrać rozmiar dry coolera? Jak prawidłowo obliczyć wymaganą wydajność? W grę wchodzi kilka czynników.

Istotne jest, aby wybrać suchą chłodnicę o odpowiednim natężeniu przepływu powietrza i powierzchni wymiany ciepła dla ilości ciepła, które ma zostać rozproszone przez płyn. Czynniki takie jak temperatura i przepływ objętościowy płynu procesowego, temperatura otoczenia i pożądana różnica temperatur na wylocie odgrywają kluczową rolę w wymiarowaniu chłodnicy suchej.

Zauważyliśmy również, że suche chłodnice są w stanie obniżyć temperaturę płynu procesowego do poziomu zbliżonego do temperatury otoczenia.

Dobór chłodnicy suchej jest procesem, który wymaga starannej oceny kilku czynników, aby upewnić się, że wybrana jednostka jest w stanie spełnić określone wymagania aplikacji.

Oto główne kroki.

1. Obliczanie obciążenia cieplnego. Należy określić dokładną ilość ciepła, która ma zostać rozproszona przez suchą chłodnicę. Zależy to od takich czynników, jak rodzaj chłodzonego płynu, jego temperatura wlotowa i wylotowa oraz warunki środowiskowe.
2. Określenie natężenia przepływu powietrza. Gdy znane jest obciążenie cieplne, obliczana jest ilość powietrza wymagana do usunięcia tego ciepła. Wartość tę uzyskuje się za pomocą żądanej różnicy temperatur między powietrzem wchodzącym i wychodzącym z chłodnicy suchej.
3. Wybór chłodnicy suchej. Na podstawie obliczonego obciążenia cieplnego i natężenia przepływu powietrza wybierany jest najbardziej odpowiedni model chłodnicy suchej. Pod uwagę brane są takie czynniki, jak spadek ciśnienia powietrza, prędkość powietrza, szybkość wymiany ciepła oraz materiały, grubości i geometrie wężownic żebrowanych.

Oprócz tych elementów należy wziąć pod uwagę inne, aby prawidłowo dobrać i obliczyć wymaganą moc chłodnicy suchej: dostępną przestrzeń, poziom hałasu wymagany do prawidłowego działania (biorąc pod uwagę kontekst cywilny lub przemysłowy instalacji), potrzeby przyszłej konserwacji systemu…

Zmiennych, jak widać, jest wiele. Jak w każdym przypadku, dobry konsultant ds. chłodzenia jest w stanie zorientować klienta, zadając mu właściwe pytania dotyczące jego potrzeb. Istnieje również specjalne oprogramowanie, które, biorąc pod uwagę parametry aplikacji, pomaga profesjonalistom w symulacji wydajności pod względem temperatury wylotowej płynu i zdefiniowaniu najbardziej odpowiedniego modelu chłodnicy suchej.

5. Rodzaje suchych chłodnic

Istnieje kilka typów suchych chłodnic: ułożone poziomo, o typowym kształcie „stołu”, oraz ułożone pionowo lub w kształcie litery V. Ponadto, chłodnice powietrza mogą zwiększyć swoją wydajność poprzez zamontowanie adiabatycznych urządzeń do wstępnego chłodzenia.

Przyjrzyjmy się tym trzem typom bardziej szczegółowo.

6. Zrównoważony rozwój, efektywność energetyczna i redukcja hałasu dzięki suchym chłodnicom

Przyjmijmy niezbędne założenie: każdy rodzaj chłodnicy przemysłowej, w tym chłodnice powietrza, może przynieść wydajność (mniejsze zużycie zasobów i wpływ na środowisko), jeśli zostanie prawidłowo wybrany i skonfigurowany przez producenta i dostawcę. Jak można to osiągnąć? Znając dokładnie dane projektowe obsługiwanego zakładu oraz jego unikalne wymagania dotyczące wydajności i dostępnych zasobów. Obecnie zadanie to ułatwia zaawansowane oprogramowanie do doboru, konfiguracji i optymalizacji.

Mając to na uwadze, można zwrócić uwagę na kilka kwestii w celu uzyskania wydajnych suchych chłodnic.

• Energooszczędne komponenty: wysokowydajne silniki i wentylatory, często sterowane elektronicznie, mogą zminimalizować zużycie zasobów.
• Wybór materiałów: świadomość producenta dotycząca możliwości recyklingu użytych materiałów lub zarządzania nimi po zakończeniu eksploatacji pomaga zmniejszyć wpływ chłodnicy powietrza na środowisko.
• Wydajność operacyjna: właściwa konserwacja i czyszczenie suchych chłodnic zapewnia optymalny przepływ powietrza i wymianę ciepła, zmniejszając zużycie energii. Oczywiście za ten krok odpowiedzialny jest zarówno dobry producent i konsultant, który może najlepiej doradzić klientowi, jak i sam klient i dobra organizacja jego wewnętrznych operacji.

7. Sucha chłodnica a inne systemy chłodzenia

Suche chłodnice z pewnością nie są jedynymi systemami odprowadzania ciepła w procesach przemysłowych.

Pytanie, który system chłodzenia jest najlepszy do chłodzenia płynów (wody i glikolu lub innych płynów) w procesach produkcyjnych, jest wielkim klasykiem. Producenci i konsultanci zazwyczaj odpowiadają na nie inną klasyczną odpowiedzią: to zależy. Ponieważ najlepszy system chłodzenia nie istnieje, a zamiast tego należy poznać i porównać różne zalety konstrukcyjne agregatów chłodniczych, wież wyparnych, suchych chłodnic adiabatycznych i „standardowych” suchych chłodnic.

W tym miejscu ponownie porównajmy działanie suchych chłodnic z innymi systemami rozpraszania ciepła.

7.1. Sucha chłodnica lub agregat chłodniczy

Oto klasyczny przykład kontrastu między różnymi systemami chłodzenia: czy lepiej jest mieć suchą chłodnicę czy przemysłowy agregat chłodniczy?

Oczywiste jest, że musimy zacząć od temperatur wyjściowych dozwolonych przez oba systemy. W tym sensie chiller („chłodnica mechaniczna”) może osiągnąć temperaturę płynu wylotowego znacznie poniżej temperatury pokojowej, nawet poniżej 0°C. Z drugiej strony, sucha chłodnica jest bardziej odpowiednia, jak już widzieliśmy, dla średnio-wysokich temperatur wyjściowych (w cieplejszych porach roku) lub w każdym razie zbliżonych do temperatur powietrza zewnętrznego. W rzeczywistości jest to system, który strukturalnie nie może zejść poniżej temperatury termometru suchego otoczenia.

Ale co zrobić, jeśli zapotrzebowanie jest na pośrednie temperatury wylotowe, na przykład między 20 a 30°C? W takim przypadku należy zwrócić większą uwagę na inne czynniki projektowe i wymagania obsługiwanego systemu.

Kolejną kwestią, którą należy poruszyć, jest struktura i komponenty obu systemów. Chłodnica powietrza jest prostym urządzeniem, składającym się zasadniczo z wężownicy wymiennika ciepła i silnika wentylatora. Z drugiej strony, chiller lub agregat chłodniczy to znacznie bardziej złożony system, który w celu osiągnięcia wysokiej wydajności musi opierać się na całym obiegu chłodniczym: takie rozwiązanie generuje znacznie wyższe koszty zakupu i eksploatacji oraz wymaga większej konserwacji.

Aby zoptymalizować wykorzystanie energii i zapewnić elastyczność, nadal możliwe jest połączenie dry-coolera i agregatu wody lodowej, rozwiązanie, które w ostatnich latach odnotowało pewien wzrost. Na przykład, można używać dry-coolera w najzimniejszych okresach roku, a chillera w najgorętszych, lub używać dry-coolera jako chłodzenia wstępnego, aby zmniejszyć obciążenie chillera. Nie wspominając już o tym, że istnieją tak zwane free-cooling chillery, które działają jako dry-coolery w zimnych okresach, umożliwiając wyłączenie sprężarek i oszczędzając energię.

Dla wygody użytkowników przedstawiamy przydatny i z konieczności uproszczony podręcznik dotyczący najważniejszych czynników, które należy wziąć pod uwagę przy dokonywaniu świadomego wyboru: sucha chłodnica vs. agregat chłodniczy.

• Temperatura pracy. Jeśli wymagana jest bardzo zimna ciecz (np. 10 °C lub niższa), agregat chłodniczy jest jedyną opcją z tych dwóch. W przypadku wyższych temperatur (20-30 °C) można zastosować oba rozwiązania.
• Miejsce instalacji. Jeśli przestrzeń jest ograniczona, chiller może być optymalnym wyborem.
• Warunki środowiskowe. W gorącym i wilgotnym klimacie wydajność suchej chłodnicy może spaść. Z drugiej strony, chiller jest mniej podatny na wpływ warunków zewnętrznych.
• Suche chłodnice mają generalnie niższe koszty inwestycyjne i eksploatacyjne niż konkurencyjne rozwiązania.
• Efektywność energetyczna. Efektywność energetyczna zależy od kilku czynników, w tym temperatury otoczenia, temperatury wylotowej płynu i zastosowanej technologii.
• Suche chłodnice wymagają mniej konserwacji niż agregaty chłodnicze, które mają bardziej złożone komponenty.

7.2. Chłodnica sucha vs. wieża chłodnicza

Jeśli chodzi o wyniki operacyjne, główna różnica między chłodnicą suchą a wieżą wyparną polega na tym, że ta pierwsza ma temperaturę termometru suchego powietrza (temperatura powietrza zewnętrznego) jako minimalny limit temperatury wyjściowej chłodzonego płynu. Natomiast wieża wyparna może osiągnąć temperaturę zbliżoną do temperatury termometru mokrego (około 10°C poniżej temperatury powietrza zewnętrznego).

Istnieje dokładny wzór do obliczania temperatury termometru mokrego (Tw) na podstawie temperatury termometru suchego (Ta), a także kilka kalkulatorów online. Wystarczy powiedzieć, że wartość Tw jest zawsze niższa niż Ta przy wilgotności względnej poniżej 100%: podkreśla to większą wydajność wieży chłodniczej w porównaniu z chłodnicą suchą. Element, który należy wziąć pod uwagę przy wyborze najlepszej chłodnicy.

Z drugiej strony, pod względem wykorzystania zasobów, wieża chłodnicza wymaga wody do działania, podczas gdy sucha chłodnica z definicji nie wykorzystuje tego zasobu do działania.

Czy dla systemu, który ma być obsługiwany, ważniejsza jest wydajność (i skok termiczny do osiągnięcia), przestrzeń dostępna do instalacji, czy oszczędność wody? Odpowiedź na to pytanie zdecydowanie zaczyna wpływać na wybór: sucha chłodnica, jeśli nacisk kładziony jest na oszczędność wody, wieża chłodnicza, jeśli największa potrzeba leży w wydajności i mniejszej dostępnej przestrzeni instalacyjnej.

7.3. Sucha chłodnica „standardowa” vs sucha chłodnica adiabatyczna

Przypomnijmy sobie różnice strukturalne tych dwóch systemów. Standardowa sucha chłodnica działa na prostej zasadzie: płyn do schłodzenia (zwykle woda lub woda i glikol) jest pompowany przez szereg rur do jednostki. Powietrze zewnętrzne jest wtłaczane przez żebra przylegające do rur, pochłaniając ciepło z płynu i chłodząc go. Proces ten odbywa się bez użycia wody parującej. Sucha chłodnica z urządzeniem adiabatycznym to bardziej zaawansowany system, który łączy standardową technologię suchej chłodnicy z procesem chłodzenia adiabatycznego (który może być stosowany w określonych porach roku lub dnia): w tym przypadku powietrze zewnętrzne jest wstępnie chłodzone cyklami zwilżania wodą przed zetknięciem się z wężownicą żebrowaną.

Wydajność cieczy w suchej chłodnicy adiabatycznej może spaść poniżej temperatury termometru suchego powietrza (ale nie temperatury termometru mokrego). Standardowa sucha chłodnica nie jest w stanie tego osiągnąć. Różnica ta sama w sobie jest czynnikiem wyróżniającym, jeśli obsługiwany system musi rozpraszać ciepło na poziomach nieco powyżej lub nieco poniżej tego progu, lub jeśli wymagana jest pewna „gwarancja” wydajności nawet w najgorętsze dni lub godziny w roku.

Sucha chłodnica adiabatyczna może również działać w trybie standardowym, tj. tylko w powietrzu i bez urządzenia do wstępnego chłodzenia wodą, jeśli jest to wystarczające w niektórych porach roku: jest to oczywiście zaleta tego sprzętu.

8. Zastosowania suchych chłodnic

To samo dotyczy innych przemysłowych systemów chłodzenia: dry coolery mogą być instalowane w najróżniejszych typach instalacji cywilnych i przemysłowych, pod warunkiem, że znane są wymagania dotyczące temperatury i wydajności danego projektu.

Dla przykładu, oto kilka kontekstów instalacji.

• Processi industriali: raffreddamento di liquidi in impianti di produzione di energia, lavorazione chimica, produzione di plastica, lavorazione dei metalli, settore alimentare e delle bevande.
• Sistemi HVAC: smaltimento di calore negli edifici commerciali e industriali per mantenere l’aria condizionata.
• Datacenter: lo scopo è naturalmente quello di mantenere le temperature operative ottimali per i server.

9. Koncentracja: sucha chłodnica na centrum danych

Skupmy się przez chwilę na ostatnim punkcie poprzedniej listy: centra danych są jednym ze środowisk, w których technologie chłodzenia są wymagane i, jeśli to możliwe, wykorzystują ograniczoną ilość zasobów.

Mówimy w tym przypadku o chłodzeniu serwerowni za pomocą dry coolerów dla centrów danych, aplikacji, która również przeżywa rozkwit w związku z inwestycjami w sztuczną inteligencję. Są to również środowiska, w których ciągłość biznesowa, a tym samym niezawodność maszyn, mają kluczowe znaczenie.

Suche chłodnice mogą służyć do tego typu instalacji: wybór tych systemów spośród innych technologii chłodzenia zawsze zależy od specyfikacji indywidualnego projektu. Oczywiście, jak już zauważyliśmy, sucha chłodnica jest optymalnym rozwiązaniem w zimnym klimacie lub tam, gdzie temperatura chłodzonego płynu może być zbliżona lub wyższa od temperatury powietrza zewnętrznego.

Istnieją doskonałe studia przypadków zastosowania suchych chłodnic we wszystkich trzech wersjach: stołowej, w konfiguracji V i adiabatycznej.

Sucha chłodnica może nie być najbardziej odpowiednią technologią, jeśli znajdujemy się w bardzo gorącym klimacie i/lub istnieje możliwość wykorzystania wody jako źródła chłodzenia.

10. Producenci suchych chłodziarek: jak ich oceniać

To prowadzi nas do pytania, które zadaje sobie każdy klient w sektorze cywilnym lub przemysłowym, również w odniesieniu do innych technologii: jak wybrać odpowiedniego producenta chłodnic suchych?

Kryteria mogą być bardzo zróżnicowane i subiektywne. Warto jednak rozważyć kilka z nich.

• Szeroki zakres. Biorąc pod uwagę, że jak widzieliśmy, jedna technologia nie zawsze jest najlepsza w sensie absolutnym (i to samo dotyczy systemów chłodzenia powietrzem), możliwość liczenia na różnorodną gamę rozwiązań zwiększa możliwość wyboru tego, które najlepiej pasuje do naszego systemu.
• Zróżnicowanie produktów (w ramach tej samej kategorii). Zauważyliśmy, że istnieją różne rodzaje suchych chłodnic, z których każda ma swoje zalety funkcjonalne.
• Doradztwo i obsługa. W niektórych sytuacjach „niematerialna” część sprzedaży jest nawet ważniejsza niż część „materialna”: czy producenci, których wybraliśmy z naszej krótkiej listy, podążają za nami jako konsultanci? Czy wykonają dla nas spersonalizowany projekt? Czy będą nam towarzyszyć w fazach instalacji i czy będą dostępni w przyszłości w fazach konserwacji fizjologicznej?
• Historia i referencje firmy. Są one oczywiście wskaźnikiem doświadczenia i profesjonalizmu dostawcy: ponownie, należy to dokładnie ocenić.