Produkcja
Chłodzenie procesowe dla przemysłu kosmetycznego

O chłodnictwie mówimy zawsze, kiedy od przestrzeni, produktu, procesu odbieramy ciepło. Podczas zamrażania odbieramy ciepło w bardzo niskich temperaturach, np. -40oC, w chłodzeniu w okolicach 0oC, a w procesach produkcyjnych zdarza się, że chłodzimy do temperatur tak wysokich, jak +50oC.
Wiem, że technologia chłodnicza może być skomplikowana. Dlatego w niniejszym artykule postaram się opisać:
- co to jest chłodnictwo procesowe,
- najważniejsze elementy instalacji chłodu procesowego,
- jakie są najważniejsze cechy elementów instalacji,
- jak oszczędzać energię
- jak zmniejszyć emisję CO2 do otoczenia.
Chłodnictwo procesowe, jak sama nazwa wskazuje służy do odbierania ciepła od procesów wytwórczych; od konkretnych miejsc w maszynach, kotłach, mieszalnikach lub bezpośrednio od produktu. Nie służy ono do chłodzenia przestrzeni produkcyjnych lub magazynowych. Jako że źródłem ciepła jest produkcja, w niewielkim stopniu ma na nie wpływ temperatura zewnętrzna, zaś temperatury produkcji i jej intensywność mają już wpływ fundamentalny.
Powyżej umieszczono uproszczony schemat ideowy instalacji chłodu procesowego. Składa się on z dwóch głównych elementów: źródła chłodu i dystrybucji chłodu.
Źródło chłodu jest podporządkowane wymaganym temperaturom. Ogólna zasada mówi, że do chłodzenia do temperatur powyżej +30oC stosuje się drycoolery i wieże chłodnicze, czyli urządzenia chłodzące czynnik pośredni jedynie przy pomocy przepływu powietrza i czasem wody – bez sprężarek. Dla temperatur poniżej tych wartości, powiedzmy od 0oC do +30oC wymagane jest zastosowanie chillera, czyli sprężarkowego schładzacza cieczy. Chiller jest opisany dwoma podstawowymi parametrami. Wcześniej wymienioną wymaganą temperaturą i mocą chłodniczą określaną w kilowatach – kW.
Najmniejsze chillery o mocy paru kW mają gabaryty lodówki podblatowej. Na drugiej stronie skali są urządzenia o mocach wielu setek kilowatów lub nawet megawatów, które są wielkości przyczepy ciężarówki. Odpowiednie dopasowanie mocy chłodniczej do wymogów procesu jest jednocześnie kluczowe i skomplikowane. Chłodzony jest produkt, części Produkcja, a także dochodzi do strat. Niedoszacowanie bilansu chłodniczego będzie skutkowało niedostatecznym dochłodzeniem produktu lub spowolnieniem procesu produkcyjnego. Z drugiej strony, zbyt duży chiller będzie niepotrzebnie drogi w zakupie oraz może mieć trudności z utrzymaniem stabilnego parametru temperatury. Chiller, ciepło odebrane od produkcji, oddaje do otoczenia lub odzysku ciepła. Ze względów bezpieczeństwa ważne jest, aby szczególnie w urządzeniach o większej mocy, powiedzmy 60 kW była więcej niż jedna sprężarka. W przypadku uszkodzenia jednej z nich urządzenie może dalej pracować z częściową mocą. Optymalną sytuacją jest, kiedy skraplacz chillera (lub cały chiller) jest zamontowany na zewnątrz. Niższa temperatura zewnętrzna pozwala na znaczące zmniejszenie zużycia energii i nie ogrzewa niepotrzebnie wnętrza budynku.
Chillery dostępne są w dwóch podstawowych technologiach – F-gazowej i na CO2. Najważniejszą różnicą pomiędzy nimi jest zużycie energii, o którym będę pisał w dalszej części niniejszego artykułu, i ekologia, do której także jeszcze wrócimy.
Chłód wytworzony w chillerze jest transportowany czynnikiem pośrednim, najczęściej wodą lub glikolem do miejsc, gdzie jest on potrzebny. Wybór czynnika pośredniego – wody lub glikolu, zależy przede wszystkim od temperatur pracy i tego, czy rurociągi są prowadzone na zewnątrz. Gdy istnieje ryzyko zamrożenia najczęściej stosuje się glikol MPG35%. W tym miejscu chciałbym Aktualnościeć się na temat jego toksyczności, lub raczej jej braku, ale z racji pracy w branży kosmetycznej moi czytelnicy zapewne znają się na tym lepiej. Upraszczając, MPG może być stosowany tam, gdzie toksyczność jest niedopuszczalna, a MEG tam, gdzie toksyczność nie ma znaczenia. W branży kosmetycznej będziemy mówić zapewne tylko o MEG.
Układ dystrybucji chłodu jest projektowany w dwóch mocno różniących się od siebie architekturach – zamkniętej i otwartej. Sercem układu otwartego jest zbiornik, który jest jednocześnie buforem chłodu i zładu glikolu. Jego objętość i geometria mają duże znaczenie dla stabilnej pracy. W mojej działalności bardzo precyzyjnie projektujemy zbiorniki i wykonujemy je na zamówienie. Unikamy kupowania gotowych zbiorników – często przeznaczonych do innych celów.
Czynnik pośredni jest podawany do chillera oraz do procesu produkcyjnego za pomocą pomp. W swojej praktyce zawsze stosuję układy wielopompowe z pompą zapasową. Zawsze stosujemy także inteligentne falowniki ze sterowaniem. Pozwalają one na bardzo precyzyjną regulację, którą można spiąć w spójny system z maszyną produkcyjną. W pompach najwyższej klasy jest to bardzo łatwe. W tych gorszych – niemożliwe.
Glikol płynie w rurociągach. Najczęściej stosuje się rurociągi ze stali nierdzewnej st304, nieco rzadziej st316 lub z tworzyw sztucznych. Jeśli Klient nie naciska wyraźnie, unikam rurociągów zaciskanych. System zaciskowy jest bardzo niepraktyczny w montażu dla dużych średnic i bardzo utrudnia montaż zaworów odcinających, zaworów regulacyjnych itd. Najważniejszą cechą rurociągów jest ich średnica. Musi być ona dopasowana do przepływu, a więc mocy chłodniczej, którą transportuje rurociąg. Niestety, obserwuje się złą tendencję do zaniżania średnic, co skutkuje bardzo dużymi spadkami ciśnienia, dużym zużyciem energii przez pompy i zbyt małym przepływem na poziomie maszyn produkcyjnych. Prędkość przepływu czynnika pośredniego w rurach nigdy nie powinna przekraczać 2m/s, a prędkość 1m/s jest optymalna.
Przepływ czynnika w rurociągach jest regulowany zaworami. W swojej praktyce zawsze stosuję zawór obiegowy, który zapewnia obieg wody na bardzo podobnej zasadzie do tego stosowanego w domach lub blokach mieszkalnych. Na przyłączach do maszyn zawsze należy stosować zawory równoważące. Bez ich obecności odpowiedni przepływ glikolu przez maszynę produkcyjną jest kwestią przypadku.
W przemyśle, chłodnictwo jest jednym z pochłaniających najwięcej energii systemów produkcyjnych. Zmniejszanie zużycia energii przez chłód jest wiec kluczowe dla wyniku finansowego przedsiębiorstwa. Metod na to jest wiele. W swojej praktyce wyróżniam trzy metody optymalizacji energii:
- Bez ingerencji w układ – poprzez optymalizację parametrów. W swojej praktyce od 2008 roku spotkałem niewiele instalacji chłodniczych, które nie mają potencjału optymalizacji. Zmiana kilkunastaw może zmniejszyć zużycie o kilka do nawet kilkunastu procent, nie wpływając na parametry produkcyjne. Uważam, że jest to największy i jednocześnie najłatwiejszy do uzyskania potencjał oszczędności energii. Aby móc wykonać optymalizację, najpierw wykonujemy audyt instalacji.
- Z ingerencją w układ lub projekt instalacji. Stosujemy wtedy chillery na CO2. Dla temperatur najczęściej stosowanych w przemyśle produkcyjnym zmniejszają one zużycie energii nawet powyżej 40%. Ważne jest, aby nie porównywać między urządzeniami parametru COP. Jest to zbyt daleko uproszczona metoda, która często prowadzi do błędnych wniosków. W mojej praktyce porównujemy urządzenia w skali całego roku dla konkretnej lokalizacji geograficznej.
- Gdy poziom optymalizacji 1 i 2 został już zrealizowany, istnieje nadal potencjał łączenia instalacji między sobą tak, aby wykorzystać ciepło odpadowe z chłodnictwa. Chillery na CO2 posiadają znaczny potencjał odzysku ciepła w temperaturze nawet do 90oC. Gdy podsumujemy oszczędność wynikającą z lepszej produkcji chłodu i oszczędność gazu do ogrzewania, czas zwrotu tego typu inwestycji rzadko przekracza 2 lata, a zazwyczaj wynosi nawet poniżej 1 roku.
Wykres poniżej jest porównaniem zużycia energii standardowego chillera F-gazowego, F-gazowego po optymalizacji i chillera na CO2. Jak czytelnik widzi, różnica jest znaczna, a rozkład zysków nie jest taki sam na przestrzeni roku – dlatego nie wolno porównywać efektywności tylko parametrem COP.
Ostatecznie obiecywałem napisać o ekologii. Urządzenia chłodnicze powodują emisje CO2 do otocznia na dwa sposoby. Pierwszy to wycieki czynnika. Nie wszyscy wiedzą, że 1 kg popularnego czynnika chłodniczego r410 równa się emisji blisko 2100 kg CO2 do otoczenia. Chillery przemysłowe zawierają dziesiątki lub setki kilogramów tej substancji, a wycieki roczne często sięgają nawet 40% zładu. Innym strumieniem emisji (ekwiwalentu) CO2 do otoczenia jest zużycie energii elektrycznej. Każdy 1 kW energii elektrycznej wyprodukowany w naszym kraju to 760 g CO2 wyemitowanego do atmosfery w elektrowni. Zmniejszenie zużycia energii skutkuje więc znaczącym zmniejszeniem emisji pośredniej. Obydwa te strumienie emisji znacząco redukują urządzenia chłodnicze na CO2. Poniższy wykres przedstawia wyżej omawiane wartości. Co ciekawe, zmniejszenie emisji przez chiller na CO2 jest tak znaczne, że jest niemożliwe do osiągnięcia przez optymalizację innych technologii wliczając w to fotowoltaikę. Niestety, obecnie niewiele się o tym mówi.
Droga czytelniczko, czytelniku! Mam nadzieję, że choć odrobinę uporządkowałem Twoją wiedzę na temat chłodnictwa. Jest to instalacja droga w zakupie i utrzymaniu, a efekty jej działania pod względem ekologicznym wykraczają poza Twoje przedsiębiorstwo. Stąd myśl przewodnia mojej firmy: „Making the world a better place through efficient cooling”.
Artykuł został opublikowany w kwartalniku "Świat Przemysłu Kosmetycznego" 3/2023