Odzysk ciepła w chłodnictwie przemysłowym jako element pracy instalacji w kopalniach

W zakładach przemysłu ciężkiego oraz podziemnych kopalniach instalacje chłodnicze pracują często pod maksymalnym obciążeniem. Oddają przy tym do otoczenia ogromne ilości ciepła odpadowego. Energia ta pochodzi głównie ze skraplaczy, gdzie gorący czynnik chłodniczy ulega kondensacji i traci swoją temperaturę. W specyficznych warunkach podziemnych maszyny generują znaczące odpady termiczne. Można to zaobserwować na przykładzie systemów grupowego chłodzenia powietrza w KWK Wujek. Brak możliwości zagospodarowania tej energii sprawia, że koszty eksploatacyjne układu drastycznie rosną, a efektywność spada. Rozwiązaniem tego problemu są specjalistyczne wymienniki ciepła. Potrafią one przechwycić energię z obiegu i przekazać ją do użytecznych procesów. Najczęściej wykorzystuje się ją do podgrzewania wody technicznej czy użytkowej na terenie zakładu.

Mechanizm przechwycania i wykorzystania ciepła odpadowego

W zaawansowanych układach chłodniczych kluczową rolę w zarządzaniu energią odgrywają ekomizery. Funkcjonują one jako dodatkowy wymiennik umiejscowiony bezpośrednio między skraplaczem a ewaporatorem. Ich zadaniem jest przejęcie części czynnika chłodniczego, zazwyczaj od dziesięciu do dwudziestu procent całkowitej objętości. Następnie następuje jego odparowanie przy wyższej temperaturze niż w głównej chłodnicy międzystopniowej. Taki mechanizm skutecznie dochładza pozostały ciekły czynnik kierowany do parownika, co z kolei podnosi średnią temperaturę parowania. W rezultacie poprawia się ogólny współczynnik wydajności cieplnej układu, a sprężarki zużywają mniej prądu.

Ciepło odpadowe odebrane od gorącego czynnika nie trafia bezpośrednio do atmosfery. Jest ono przekazywane do medium pośredniczącego, najczęściej czystej wody technologicznej. Umożliwia to częściowy lub całkowity odzysk zakumulowanej energii. W amoniakalnych instalacjach przemysłowych zintegrowany z obiegiem wymiennik drastycznie minimalizuje straty termiczne. Rozwiązania te dominują w sektorze chłodnictwa ciężkiego. Zastąpienie standardowego skraplacza powietrznego układem wodno-chłodniczym z dodatkowym stopniem dochładzania pozwala na ciągłe pozyskiwanie ciepła skraplania. System ten rozwiązuje problem zakładów wymagających jednoczesnego chłodzenia wyrobisk i ogrzewania zaplecza.

Zależność efektów od obciążenia układu i środowiska pracy

Rzeczywista efektywność odzysku energii zależy bezpośrednio od obciążenia termicznego i temperatury otoczenia. Wynika to wprost z parametrów przepływu, a nie od samej obecności nowoczesnej aparatury w obiegu. Przy maksymalnym zapotrzebowaniu na chłód w głębokich wyrobiskach kopalnianych proces odzysku osiąga najwyższe wartości. Poprawia to ogólny bilans energetyczny zakładu o kilka procent. W warunkach pracy cyklicznej obciążenie spada, a obieg czynnika i różnica temperatur są znacznie mniejsze. W naturalny sposób obniża to możliwe do uzyskania zyski cieplne. Zmienne środowisko podziemne dodatkowo wymusza na inżynierach technologiczne kompromisy. Wyższa temperatura skraplania ułatwia przechwytywanie energii, ale zmusza sprężarki do cięższej pracy.

Górnictwo i ciężkie zakłady przetwórcze operują w specyficznym i wymagającym środowisku. Obecność niebezpiecznych gazów, takich jak metan, zmusza do stosowania rygorystycznych procedur bezpieczeństwa. Wszystkie wykorzystywane komponenty układu chłodniczego wymagają projektowania zgodnie z dyrektywą ATEX. Gwarantuje to pełną odporność na ewentualne iskrzenie, przyspieszoną korozję oraz nagłe naprężenia termiczne. Projektanci dobierają wyłącznie materiały nierdzewne i hermetyczne uszczelnienia pozbawione potencjalnych źródeł zapłonu. Dostarczaniem tego typu zaawansowanych rozwiązań zajmuje się firma HEXPRO - PIOTR BAJZERT. Projektuje ona i produkuje chłodnice przemysłowe ETEX oraz dedykowane wymienniki dla stref zagrożonych wybuchem. Dzięki własnemu zapleczu w Lubinie tworzy stalowe konstrukcje specjalne. Umożliwiają one bezpieczny montaż aparatury w wymagających strefach 1 i 2. Integracja bezpieczeństwa przeciwwybuchowego z optymalizacją termiczną staje się tam absolutnym wymogiem.

Znaczenie odzysku ciepła w ogólnym bilansie zakładu

Wdrożenie systemu odzysku ciepła całkowicie zmienia ocenę rentowności instalacji chłodniczej pracującej w górnictwie. Warunkiem koniecznym jest jednak ciągłe funkcjonowanie układu przy stabilnym i wysokim obciążeniu. W takich scenariuszach zmniejszenie całkowitych strat termicznych bezpośrednio obniża zużycie energii elektrycznej. Ułatwia to jednoczesne, tanie zasilanie obiegów grzewczych na terenie całego obiektu przemysłowego. Osiągnięcie zauważalnej poprawy wskaźnika COP w pełni uzasadnia poniesione wyższe koszty początkowe. Wynikają one z konieczności rozbudowy infrastruktury chłodniczej o dodatkowe sekcje dochładzania i wymiany ciepła.

Sytuacja wygląda zupełnie inaczej w instalacjach narażonych na ciągłe i bardzo gwałtowne zmiany obciążenia. W ekstremalnych warunkach podziemnych to ciągłość pracy aparatury i bezwzględna zgodność z normami przeciwwybuchowymi determinują ostateczny kształt projektu. Aspekty czysto energetyczne ustępują wtedy miejsca niezawodności komponentów oraz bezpieczeństwu pracującej załogi. Sam proces przechwytywania ciepła staje się wówczas jedynie wartością dodaną do głównej funkcji chłodzenia wyrobiska. Odpowiednie zbalansowanie tych technologicznych priorytetów decyduje o pełnym sukcesie wdrożonego systemu.