Wprowadzenie

Chłodzenie powietrza na chłodnicy centrali wentylacyjnej poniżej 10°C, stosowane powszechnie w branży spożywczej wymaga innego podejścia niż ma to miejsce w wentylacji komfortu. W standardowej wentylacji stosuje się zazwyczaj wodę lodową lub mieszankę glikolu o parametrach 6/12°C albo 7/12°C. Nie są to jednak właściwe parametry wyjściowe do projektowania centrali, która ma intensywnie osuszać powietrze, lub chłodzić bardzo głęboko, gdyż wiąże się to z uzyskaniem za chłodnicą temperatur rzędu 4-9 °C.

W takim zastosowaniu temperatura czynnika musi znajdować się znacznie bliżej 0°C, a niekiedy także poniżej tej wartości. Dlatego stosowane mieszanki wody z glikolem mają znacznie niższą temperaturę.

Właściwa temperatura zasilania i powrotu powinna wynikać z wymaganej temperatury i wilgotności powietrza nawiewanego, mocy całkowitej chłodnicy, dopuszczalnych wymiarów wymiennika oraz ryzyka miejscowego zamarzania kondensatu.

Celem nie jest więc zastosowanie możliwie najzimniejszego glikolu. Chodzi o wybranie najwyższej temperatury czynnika, która pozwoli uzyskać wymagane parametry powietrza przy racjonalnej wielkości chłodnicy.

Kiedy chłodzić powietrze poniżej 12 °C?

W branży spożywczej procesy technologiczne przetwarzania żywności wymagają zapewnienia w pomieszczeniach powietrza nie tylko o niskiej temperaturze, ale także możliwie niskiej wilgotności. Powszechnie za bezpieczną dla produktu wilgotność uznaje się granicę 65-70%.

Wynika to z faktu, że poniżej tej granicy znacząco spada ryzyko kondensacji pary wodnej, a rozmnażanie bakterii mogących spowodować skażenie produktu jest bardzo ograniczone. Taka wilgotność zapobiega także tworzeniu się na powierzchniach ścian, sufitów, czy elementach linii produkcyjnych groźnego biofilmu mogącego być siedliskiem tych niekorzystnych zjawisk.

Jednak o ile osiągnięcie takiej wilgotności dla powietrza o temperaturze 12-20 °C nie jest zazwyczaj problemem, to chłodzenie powietrza do zakresu 8-12°C z jednoczesnym utrzymaniem wilgotności poniżej 70% wymaga uzyskania za chłodnicą temperatur rzędu 3-6°C, aby spowodować kontrolowaną kondensację pary wodnej w centrali wentylacyjnej i usunąć nadmiar pary wodnej z powietrza nie dopuszczając do jej dostarczenia wraz z powietrzem do pomieszczeń .

Osuszanie kondensacyjne – osiągnięcie wilgotnośći 65% przy 10°C wymaga przechłodzenia powietrza na chłoddnicy do 4°C

Podczas schładzania powietrza do tak niskich temperatur zawsze znacznie wcześnie osiągamy punkt rosy i dalszy proces odbywa się na mokrej powierzchni chłodnicy i obejmuje jednocześnie:

  • obniżanie temperatury powietrza,
  • kondensację zawartej w nim pary wodnej,
  • zmniejszanie wilgotności bezwzględnej,
  • odbieranie ciepła jawnego,
  • odbieranie ciepła utajonego.

Powietrze za mokrą chłodnicą jest zazwyczaj zbliżone do stanu nasycenia. Jego wilgotność względna może wynosić około 90–100%, mimo że zawartość wody w powietrzu została znacząco zmniejszona.

W omawianych instalacjach moc utajona nie jest niewielkim dodatkiem do mocy jawnej. Może stanowić bardzo znaczącą część mocy całkowitej chłodnicy.

Jeżeli przez centralę przepływa 10 000 m³/h powietrza, a jego zawartość wilgoci zostanie zmniejszona o 5 g/kg suchego powietrza, ilość kondensatu może wynosić około 60 kg/h. Samo skroplenie takiej ilości pary wodnej wymaga odebrania około 40 kW mocy. Do tego trzeba dodać energię potrzebną do obniżenia temperatury powietrza.

Dlatego chłodnica przygotowująca nawiew poniżej 12°C musi być dobierana na podstawie różnicy entalpii, a nie wyłącznie różnicy temperatur. Obliczenie samej mocy jawnej prowadziłoby do poważnego niedoszacowania zarówno wymiennika, jak i źródła chłodu.

Temperatura czynnika chłodniczego w chłodnicach osuszających

Jak wskazuje diagram Molliera przedstawiony w poprzednim punkcie osuszenie powietrza o temperaturze 10 stopni do wilgotności 65% wymaga najpierw jego ochłodzenia do temperatury 4°C. Jednak osiągnięcie takiej temperatury wiąże się z użyciem do chłodzenia czynnika o temperaturze zasilania bliskiej lub nawet nieznacznie niższej niż 0°C, co z kolei rodzi ryzyko zamarzania powstającego na powierzchni chłodnicy kondensatu, wzrostu oporów przepływu powietrza, lub nawet całkowitego zablokowania przepływu wskutek oblodzenia powierzchni chłodnicy.

Nasze doświadczenia pokazują, że w miarę bezpieczną temperaturą czynnika chłodniczego w takich zastosowaniach są parametry -1/3, -1/4, 0/4, 0-5°C.

Właściwy dobór chłodnicy dla takich warunków nie jest sprawą banalną i zazwyczaj wymaga dokonania conajmniej kilku doborów i porówniania parametrów chłodnic dla kilku wariantów.

Dla każdego wariantu należy przeanalizować: liczbę rzędów, powierzchnię czołową, rozstaw lamel, spadek ciśnienia powietrza, spadek ciśnienia glikolu, przepływ i prędkość czynnika, prędkość powietrza, ilość kondensatu, ryzyko porywania kropel, najniższą przewidywaną temperaturę powierzchni.

Właściwy jest nie ten wariant, który daje największą moc, lecz ten, który przy możliwie wysokiej temperaturze zasilania zapewnia wymagany stan powietrza, akceptowalną wielkość wymiennika i bezpieczny margines przed szronieniem.

Automatyka nie może podawać najzimniejszego glikolu bez względu na obciążenie

Parametry obliczeniowe –1/4°C, czy zbliżone, nie oznaczają, że chłodnica przez cały czas powinna otrzymywać glikol o temperaturze –1°C.

Przy mniejszym obciążeniu temperatura zasilania może być podnoszona poprzez odpowiednio sterowany układ mieszający z zaworem trójdrogowym i obiegiem pompowym chłodnicy. Regulacja powinna utrzymywać wymaganą temperaturę powietrza nawiewanego, a nie stale wymuszać najniższą możliwą temperaturę czynnika.

Układ powinien obejmować co najmniej:

  • pomiar temperatury powietrza za chłodnicą,
  • pomiar temperatury zasilania i powrotu glikolu,
  • potwierdzenie pracy wentylatora,
  • kontrolę minimalnego strumienia powietrza,
  • potwierdzenie przepływu glikolu,
  • zabezpieczenie przed zbyt niską temperaturą wymiennika,
  • zamknięcie dopływu chłodu po zatrzymaniu wentylatora.

Podnoszenie temperatury czynnika przy częściowym obciążeniu ogranicza ryzyko szronienia i zapobiega niepotrzebnemu przechładzaniu powietrza. Nie należy natomiast zakładać, że sama zmiana temperatury glikolu pozwala dowolnie regulować osuszanie przy niezmienionej temperaturze nawiewu. Dla mokrej chłodnicy wilgotność bezwzględna powietrza wylotowego jest silnie związana z jego temperaturą końcową.

Sekcja chłodnicy musi być przygotowana na duże ilości kondensatu

Ogromne ilości kondensaty wymuszają stosowanie specjalnej, dedykowanej do zakładów spożywczych konstrukcji centrali.

Nie sprawdzi się zastosowanie urządzeń typowych dla wentylacji komfortu.

Taca ociekowa, odpływ i syfon nie mogą być traktowane jako elementy drugorzędne.

Należy zapewnić:

  • tacę pod całą chłodnicą i obszarem ociekania,
  • odpowiedni spadek w kierunku odpływu,
  • prawidłowo dobrany syfon,
  • dostęp do czyszczenia i dezynfekcji,
  • materiały odporne na korozję,
  • miejsce na odrywanie i spływanie kropel – odkraplacz o specjalnej budowie,
  • odpowiednią głębokość tacy ociekowej pod chłodnicą i odkraplaczem.

Ryzyko porywania kondensatu zależy nie tylko od prędkości czołowej, ale także od konstrukcji lamel, ich zagęszczenia i materiału. Popularna granica około 2,5 m/s może być wartością orientacyjną, ale nie zastępuje sprawdzenia konkretnego wymiennika.

Dokumentacja centrali powinna również określać wymagania dotyczące odprowadzania kondensatu, przygotowania chłodnicy do rozruchu oraz jej późniejszego czyszczenia i konserwacji.

Najczęstsze błędy projektowe

Dobór urządzenia, które ma zapewnić nie tylko wentylację, ale także precyzyjnie kontrolować wilgotność i osuszać powietrze nie może być kwestią przypadku.

Bardzo często spotykamy się z sytuacją, gdy powstają błędne, nie uwzględniające specyfiki branży spożywczej projekty wentylacji, oparte na standardowych centralach wentylacyjnych o budowie charakterystycznej dla wentylacji komfortu.

Takie błędy jest bardzo trudno skorygować, a koszty jakie generuje ich naprawianie – korekta błędnych projektów i adaptacja niewłaściwych urządzeń są znacznie większe niż powierzenie od początku wykonania projektu i realizacji wykonania instalacji doświadczonym specjalistom i producentom.

Najczęściej występujące błędy to:

  • dostarczanie do pomieszczeń produkcyjnych w których konieczne jest utrzymanie niskiej temperatury i kontrola wilgotności powietrza nieosuszonego i założenie, że wewnętrzne chłodnice obiegowe spowodują usunięcie nadmiaru wilgoci,
  • stosowanie standardowych urządzeń i materiałów, nieprzystosowanych do pracy w zakładach spożywczych,
  • niewłaściwa konstrukcja central nie zapewniająca skutecznego odprowadzenie ogromnych ilości kondensatu generowanych w centralach wentylacyjnych z osuszaniem kondensacyjnym
  • brak odpowiedniej automatyki zapewniającej pełnej kontroli i wizualizacji pracy urządzeń i parametrów powietrza nawiewanego, wywiewanego oraz czynnika chłodniczego
  • nieprzystosowanie urządzeń do mycia i dezynfekcji w sposób szybki, bezpieczny i nie obniżający trwałości urządzenia.

Centrala z osuszaniem kondensacyjnym i chłodnicą -1/4 °C – przykład z omówieniem

Jak dobrać prawidłowo chłodnicę i całą centralę przeznaczoną do osuszania kondensacyjnego? Tutaj możesz pobrać dane przykładowej, prawidłowo dobranej centrali.

Najważniejszą uwagę powinniśmy zwrócić na 4 rzeczy:

  • Zastosowane materiały. Wszystkie elementy wewnętrzne muszą być wykonane conajmniej ze stali nierdzewnej, w wskazana jest stal kwasoodporna 304 lub 316 z uwagi na fakt, że blacha nierdzewna, chociaż będzie odporna na perforację, to przy dłuższym kontakcie w wilgocią także może pokryć się rdzawym nalotem.
  • Wykończenie odporne na wielokrotne mycie. Z uwagi na fakt, że centrala będzie często wewnątrz mokra, wymagana jest jej systematyczne mycie i dezynfekcja. Budowa urządzenia musi więc umożliwiać ocenę jej stanu wewnętrznego bez otwierania – co osiągamy stosując duże okna inspekcyjne, tzw. „bulaje”. Centrala powinna zawierać także puste sekcje pomiędzy wymiennikami, aby można było je umyć z obu stron
  • Sposób odprowadzenia skroplin. W centrali z osuszaniem kondensacyjnym generowane są ogromne ilości kondensatu. W przykładzie centrali której kartę doboru możesz pobrać poniżej, w okresie letnim może powstać nawet 150 l kondensatu w ciągu godziny. To duża ilość, która musi zostać skutecznie odprowadzona centrali. Nie chodzi tylko właściwie przekroje i drożność odpływów, ale także taką konstrukcję, która nie będzie wskutek podciśnienia wewnętrznego blokować odpływ skroplin. Alternatywą jest wprowadzenie takich ilości wody w postaci pary wodnej do zakładu, co natychmiast przełoży się na skropliny na ścianach, sufitach i ryzyko skażenia produktu.
  • Dobór chłodnicy. W omawianym przypadku chłodnica ma tylko 8 rzędów, a jest w stanie osiągnąć przy parametrach glikolu etylenowego -1/4 °C – temperaturę za chłodnicą 4 stopnie bez ryzyka zamarzania kondensatu, przy bardzo niskich oporach przepływu powietrza (opory chłodnicy z odkraplaczem to tylko 110 Pa), oraz akceptowalnych oporach hydraulicznych (92,5 kPa).

Warto zauważyć również, że całkowita moc chłodnicy wynosi w omawianym przykładzie niecałe 157 kW, ale tylko 59,64 kW z tej wartości to moc potrzebna do chłodzenia powietrza, a pozostałe blisko 90 kW to moc niezbędna do dokonania przemiany fazowej H2O zawartego w powietrzu ze stanu lotnego do ciekłego.

Podsumowanie

Parametry czynnika chłodniczej 6/12°C i 7/12°C nie są właściwe do projektowania central nawiewających powietrze o temperaturze poniżej 12°C. Do tak głębokiego chłodzenia potrzebny jest czynnik zasilający chłodnicę temperaturą często w pobliżu 0°C, a niekiedy także poniżej 0°C.

Dobór nie powinien jednak polegać na automatycznym przyjęciu jednej konkretnej temperatury czynnika, a uwzględniać jaka będzie najniższa temperatura za chłodnicą właściwa dla procesu osuszania kondensacyjnego i konkretnej temperatury którą chcemy osiągnąć.

Przy nawiewie poniżej 12°C chłodnica pracuje intensywnie na mokro. Duża ilość energii jest zużywana nie tylko na obniżenie temperatury powietrza, ale również na kondensację zawartej w nim pary wodnej. Moc utajona stanowi więc znaczną część mocy całkowitej, a ilość kondensatu musi być uwzględniona zarówno w doborze chłodnicy, jak i w konstrukcji całej sekcji całej centrali.

Właściwie dobrana temperatura glikolu powinna zapewnić możliwie dużą moc i rozsądną wielkość wymiennika, ale jednocześnie nie powodować miejscowego zamarzania kondensatu. Ostateczny dobór jest więc kompromisem pomiędzy temperaturą nawiewu, osuszaniem, oporem przepływu a także liczbą rzędów chłodnicy i jej wielkością mających wpływ na cenę wymiennika sposób jego sterowania.