Koszulański Piotr

Klasyfikacja wyparnych chłodni wody

Chłodnie wyparne są wymiennikami ciepła przeznaczonymi do chłodzenia wody przez wymianę ciepła i masy. Skraplacze i inne aparaty ziębiarek, z których odprowadzane jest ciepło, zwykle chłodzone są wodą. W klimatyzacji chłodnie wyparne są wykorzystywane do odbioru ciepła transportowanego przez wodę  chłodzącą skraplacz, która jest czynnikiem pośredniczącym w transporcie ciepła od ziębiarki do otoczenia, co przedstawia rys.1.

Rys.1. Schemat przepływowy chłodziarki powietrza.

Z reguły wymaga to zbudowania zamkniętego systemu z chłodziwem krążącym w obiegu między skraplaczem a chłodnią. W przypadku, gdy chłodnia wyparna wody znajduje się na powierzchni, otoczeniem jest powietrze atmosferyczne, co przedstawia rys.2.

Rys.2. Schemat działania centralnego systemu klimatyzacji kopalni.

W przypadku chłodni znajdującej się  na dole kopalni, ciepło wymieniane jest między wodą i prądem zużytego powietrza. Podziemne chłodnie wody na ogół stosuje się w systemach klimatyzacji z ziębiarkami rozmieszczonymi na dole, na poziomie eksploatacji złoża. W warunkach panujących w kopalni ciepło odbierane od skraplacza przekazywane jest do powietrza o wysokiej temperaturze i wilgotności. Stwarza to niekorzystne warunki do wymiany ciepła między wodą a powietrzem. Moce cieplne wyparnych chłodni wody w przybliżeniu równe są mocy chłodniczej ziębiarek powiększonej o moce ich sprężarek.

Przy projektowaniu wież chłodniczych poszukuje się takiego rozwiązania, przy którym woda opuszczająca chłodnię wyparną ma możliwie niską temperaturę. Analizy wykazały, że zmniejszenie temperatury skraplania czynnika chłodniczego o 1OC pociąga za sobą obniżenie kosztów chłodzenia o 2,5–3%.

Podziemne wyparne chłodnie wody zlokalizowane są w grupowych prądach powietrza w wyrobiskach poziomych, w szybach wydechowych oraz w specjalnie wydrążonych wyrobiskach. Mogą być stosowane w przypadku podziemnych stacji klimatyzacji o dużej mocy chłodniczej i wtedy ich wydajność cieplna wynosi kilka megawatów. W przypadku małych, lokalnych układów chłodniczych moc wyparnych chłodnic wody wynosi kilkaset kilowatów. W praktyce budowane są wyparne chłodnie wody z przepływem przeciwprądowym, współprądowym lub krzyżowym. W górnictwie najczęściej stosuje się przeciwprądowe pionowe wieże chłodnicze. Schematy ideowe górniczych chłodnic wody przedstawione są na rys.3 i rys.4.

Rys.3. Ideowy schemat wyparnej chłodnicy       Rys.4. Schemat ideowy wyparnej chłodnicy

wody:                                                                  wody

a – dysze zraszające z ochładzaną wodą,

b – dopływ wody,

c – komora wyparna,

d – wylot powietrza,

e – spływ wody

Na skutek wymiany ciepła między opadającą wodą a przepływającym powietrzem następuje spadek temperatury wody oraz wzrost temperatury i wilgotności powietrza. W przypadku pionowych przeciwprądowych wież chłodniczych wybudowanych w specjalne wydrążonych wyrobiskach (rys.3) gorąca woda doprowadzona jest do wierzchołka części stanowiącej komorę rozbryzgową, do dysz zraszających. Wysokość wyparnej części wieży, w której opadają krople wody, wynosi zwykle 4–6 średnic wyrobiska, co najmniej 12 m i maksymalnie 25 m. Prędkość przepływu powietrza powinna wynosić od 3 do 8 m/s i nie powinna przekraczać 9 m/s. Nad linią dysz zraszających, wyrzucających wodę zwykle do góry, znajduje się górna część wieży chłodniczej. W celu uzyskania zmniejszonej prędkości przepływu powietrza i zapobiegania w ten sposób unoszeniu kropel wody z prądem powietrza, średnica tej części wieży powinna być co najmniej o 40% większa od średnicy części wyparnej.

Do chłodzenia skraplaczy należy zapewnić wydatek wody równy 24-40 kg/s na 1MW mocy chłodniczej. Dolna granica tego przedziału odpowiada obniżeniu temperatury o 10 OC, zaś górna o 6 OC.

Podane ochłodzenia wody stanowią graniczne wartości – odpowiednio największy i najmniejszy spadek temperatury przyjmowany przy projektowaniu wież wyparnych w klimatyzacji kopalń.

Gęstość strumienia wody opadającej w przekroju wieży nie powinna być zbyt wysoka, w szczególności nie powinna przekraczać 10 kg/(m2s). Strumienie spotykane w pracujących obecnie chłodniach wody wynoszą przeciętnie 1/3 tej wartości.

Rozmieszczenie dysz rozpylających powinno sprzyjać jednorodnemu rozkładowi kropel. Utrzymanie wody w stanie rozproszenia wspomagają sita  wykonane zwykle z drutu z nierdzewnej stali o grubości 3 mm i o kwadratowych oczkach o 20 mm boku. Górne sito montuje się ok. 2 m poniżej poziomu dysz i może być wykorzystywane  jako platforma robocza. Dolne sito powinno znajdować się 3–4 m nad wlotem powietrza do części wyparnej. Pozostałe rozmieszczenia są w równych odstępach.

W celu lepszego wykorzystania wysokości obiektu wlot powietrza do wieży powinien znajdować się bezpośrednio nad poziomem lustra wychłodzonej wody w dolnym zbiorniku. Wyrównaniu i utrzymaniu  jednorodnego rozkładu prędkości powietrza sprzyja odpowiednie wyprofilowany wlot do komory zraszania.

Zasada działania oraz konstrukcja chłodni wyparnych wody

Zasadę działania oraz konstrukcję przedstawię na podstawie wyparnej chłodnicy wody RK 450, które stosowane są w kopalni ZG „Rudna”.

Wyparna chłodnica wody przeznaczona jest do pracy w układzie zamkniętego obiegu wody chłodzącej skraplacz chłodziarki DV 290, co przedstawia rys.1. Chłodnica odbiera ciepło skraplania i przekazuje je do prądu zużyte powietrza. Chłodnicę stanowią następujące elementy, przedstawione na rys.5.

Ø      dwuczęściowy korpus służący do umieszczenia w nim dwudzielnego wyposażenia chłodniczego. Korpus z blach stalowych o grubości 8 mm jest od wewnątrz i z zewnątrz wypiaskowany, pokryty cynkową farbą proszkową oraz utwardzonym lakierem,

Ø      wanna podłogowa nad którą umieszczone są pakiety chłodnicze. Zadaniem wanny jest gromadzenie wody, która spływa z pakietów i zwracanie jej do obiegu wody zraszania,

Ø      dwa pakiety chłodnicze, pakiet chłodniczy tworzą płyty rurowe, które od strony wlotu połączone są komorą rozdzielczą a po stronie wylotu komorą zbiorczą (kolektor). Tarcza rurowa wykonana jest z trój lub czteroodcinkowych wężownic z rur o kształtach łukowych i prostych usytuowanych w płaszczyźnie wzdłużnej. W zależności od mocy (wydajności) chłodniczej pakietowi przyporządkowana jest odpowiednia ilość tarcz rurowych, usytuowanych w płaszczyźnie równoległej. Każdy z pakietów zawieszony jest w jednej części korpusu,

Ø      urządzenie do zraszania wodą pakietów chłodniczych, urządzenie to znajduje się w górnej części chłodnicy i składa się z dwóch rzędów symetrycznie rozmieszczonych ukośnie do pakietów dysz,

Ø      urządzenie natrysku wodnego stanowi rozdzielacz słupowy z dyszami ustawionymi poziomo od strony wlotu powietrza do chłodnicy,

Zadaniem urządzenia do zraszania i natrysku jest utrzymanie wilgoci oraz czystości rurek miedzianych pakietu chłodniczego.

Ø      oddzielacz wody, oddzielacz wykonany jest z lamelek twardego PCV z powłoką antystatyczną dopuszczona do pracy dołowej. Oddzielacz wody znajduje się po stronie wylotowej powietrza z chłodnicy. Zadaniem oddzielacza jest wytrącenie kropel wody z przepływającego powietrza i skierowanie ich do wanny podłogowej.

Woda chłodząca przepływa wewnątrz pakietu rurowego wymiennika ciepła, przez który przedmuchiwane jest powietrze za pomocą wentylatora. Podczas tego procesu ciepło jest przejmowane z wody na drodze odparowania wody zraszającej. Instalacja zraszająca zapewnia dobre przejście dla wymiany ciepła poprzez utrzymywanie wilgoci rur miedzianych. Zraszanie jest osiągnięte za pomocą pompy wodnej natryskowej, która zasysa wodę zraszającą z wanny podłogowej poprzez wyłapywacz zanieczyszczeń i doprowadza do powierzchni wymiany poprzez instalację zraszającą. Odparowana woda jest uzupełniana w wymaganej ilości poprzez instalację uzupełniającą.

Jakakolwiek chłodnica jest wykonana w sposób prosty należy zważać, aby utrzymać jej pełne funkcjonowanie poprzez utrzymywanie w czystości zewnętrznej powierzchni wymiany ciepła. Zraszanie zapobiega w dużym stopniu odkładaniu się zanieczyszczeń (kurzu) na zewnętrznych powierzchniach wymiany. Jednakże bez środków zapobiegawczych i w zależności od jakości wody świeżej prowadzi do odkładania się w większym lub mniejszym stopniu nalotów wapniowych i gipsowych. Tym złogom można zapobiec poprzez użycie środków wszczepiających, polskim zamiennikiem środka wszczepiającego może być sześciometafosforan sodowy wg. BN-80/6191-169 firmy P.P.H.U „Tarchem” – Tarnowskie Góry, stosowany w obiegu wody chłodzącej skraplacz w ilości 1 kg/miesiąc a w obiegu zraszania chłodnicy wyparnej 0,5 kg/miesiąc. Środki te są za pomocą specjalnego urządzenia domieszane do wody świeżej i utrzymują substancje tworzące twardość w zawiesinie. Jest to jednak możliwe przy ściśle określonej ich koncentracji. Dla zapobieżenia przekroczenia granicy koncentracji wymagane jest oprócz wyrównywania ubytków wyparnych dalsze doprowadzenie świeżej wody. Z tego względu woda zraszająca z wysoką koncentracją wapnia jest odszlamowana. Zawartość środków tworzących twardość nie powinna przekraczać stosunku 1:2. Zbyt wysoka koncentracja jest zmniejszana poprzez przelew obiegu wody od 0,5 do 0,6 m3/h. Wymagana uzupełniająca ilość wody wyparnej wynosi od 0,5 do 0,6 m3/h co daje wydajność całkowitą wody świeżej od 1,0 do 1,2 m3/h.

W celu umożliwienia czyszczenia i kontroli poszczególnych pakietów wymiennika ciepła, w tylnej i przedniej części chłodnicy, zostały przewidziane otwory rewizyjne w postaci klap. Aby zapewnić optymalną wydajność chłodnicy wyparnej, ilość przepływająca przez nią powietrza nie powinna być za mała – z powodu niewielkiej możliwości odprowadzenia ciepła, ale też nie może być za duża – z powodu porywania ze sobą kropel wody zraszającej pakiet chłodniczy. Często dla budowy obiegu wody chłodzącej łączącej skraplacz z chłodnią wyparną, korzysta się z używanych rurociągów, we wnętrzu których mogą znajdować się odkłady rdzy lub innych zanieczyszczeń. Zanieczyszczenia te mogą spowodować niedrożność rurek miedzianych chłodnicy lub skraplacza. Zatem przed uruchomieniem chłodnicy wyparnej powinno się wyposażyć rurociąg w podwójny filtr lub osadnik zanieczyszczeń i przepłukiwać tak długo, aż osadnik względnie filtr nie wykażą zanieczyszczeń. Zasadniczo obieg wody chłodzącej powinien być na stałe wyposażony w podwójny filtr przy skraplaczu, przed chłodnicą winien znajdować się osadnik zanieczyszczeń. Dłuższy ciąg rur powinien być wyposażony w dalsze podwójne filtry.

Charakterystyka techniczna chłodnicy wody RK 450