Węglowodory jako czynniki chłodnicze Cz. 2. Charakterystyki użytkowe wybranych węglowodorów i nowe kierunki badań
Ocena użytkowników: / 36
SłabyŚwietny 
Data dodania: 06.10.2015

W ramach studium badawczego realizowanego w Centralnym Ośrodku Chłodnictwa dla potrzeb własnych, poddano analizie zbiór materiałów źródłowych znajdujących się w dyspozycji Ośrodka Informacji COCH, pod kątem perspektyw i warunków potencjalnych zastosowań węglowodorów w chłodnictwie. Artykuł jest kontynuacją tematyki podjętej w lipcowym numerze.

 

 

Charakterystyki węglowodorów 

 

Propan – R290

 

R290 jest to czysty propan, węglowodór występujący w postaci naturalnej, będący wydajnym czynnikiem chłodniczym o właściwościach zbliżonych do R22 [5, 6, 8, 13, 39, 40]. Nie niszczy warstwy ozonowej (niski potencjał ODP) i posiada bardzo niski potencjał globalnego ocieplenia (GWP). Ponadto jest to substancja stanowiąca składnik gazu ziemnego, pochodzącego z naturalnych źródeł.

 

Dobrze miesza się z olejem mineralnym i umożliwia uzyskiwanie niższej temperatury tłoczenia i często lepszych o 10÷15% wskaźników efektywności chłodzenia niż czynniki R134a lub R404A [22]. Poza tym relacje i różnice ciśnień są korzystniejsze niż przy R404A, R407C i R410A, co prowadzi do obniżenia emisji hałasu. Natomiast przy jednakowej wydajności skokowej sprężarek – wydajność chłodnicza obniża się o 4÷10%. Propan jest stosowany w autonomicznych chłodziarkach do butelek oraz w zamrażarkach kilku producentów.

 

Propan jest najbardziej odpowiednim czynnikiem chłodniczym dla tych urządzeń, wymaga jednak uwzględnienia obowiązujących wymagań w zakresie bezpieczeństwa (m.in. wg ISO i IEC jn.). Może być stosowany przy użyciu większości standardowych podzespołów składowych, dostępnych w handlu.

 

Czynnik R290 może zastąpić zatem inne czynniki stosowane dotąd w małych hermetycznie zamkniętych instalacjach chłodniczych, o szkodliwym wpływie na środowisko, np. w produkcji handlowych mebli chłodniczych – chłodziarek czy zamrażarek.

 

Czynnik R290 był stosowny także w przemysłowych instalacjach chłodniczych już wcześniej i wciąż jest stosowany w niektórych z nich. W pompach ciepła i klimatyzatorach R290 był stosowany w Niemczech przez klika lat, jednakże z różnym powodzeniem. Ze względu na dostępność propanu na całym świecie był on przedmiotem szerokiej dyskusji pod kątem zastosowania go jako zamiennika czynników CFC. Ze względu na dobre właściwości energetyczne propan R290 można stosować jako zamiennik innych czynników chłodniczych, ale w związku z palnością propanu wymagane jest przy jego użyciu zachowanie szczególnej ostrożności.

 

W sektorze domowego wyposażenia chłodniczego, węglowodory zaczynają dominować na rynku RFN i obserwuje się pomyślny proces zastępowania nimi czynników grup HCFC i HFC.

 

Jednakże, w sektorze chłodniczych mebli handlowych (komercyjnym) węglowodory można stosować tylko w urządzeniach autonomicznych, o niewielkiej wydajności ze względu na ograniczenie do 150 g dopuszczalnej masy napełnienia instalacji, stosownie do przepisów bezpieczeństwa (ISO 5149:1993, IEC 60335-2-89).

 

W rzeczywistości meble handlowe posiadają na ogół dużo większą pojemność, wymagają większej wydajności chłodniczej i stosowania masy napełnienia czynnikiem, w ilości około 200÷250 g. Zatem obecne zastosowanie węglowodorów w urządzeniach handlowych jest bardzo ograniczone – do małych jednostek. 

 

Przy zastosowaniu propanu wydajność instalacji chłodniczej nie powoduje zwykle konieczności zmiany wielkości parowacza czy skraplacza, co oznacza, że ich zewnętrzna powierzchnia wymiany pozostaje na ogół taka sama, jak przy stosowaniu czynnika R22 lub R404A. Natomiast wewnętrzna konstrukcja parowacza może wymagać niewielkich zmian, ponieważ strumień przepływu czynnika jest inny, zgodny z pojemnością skokową dobranej sprężarki. Aby utrzymać prędkość przepływu czynnika w zlecanym zakresie 3÷5 m/s może również wystąpić konieczność zmiany przekrojów przewodów przepływowych.

 

Dotychczasowe parowacze nie mogą być jednak użyte bezpośrednio ze względu na podwyższone wymagania co do wartości ciśnienia hydraulicznej próby wytrzymałościowej. Szczególną uwagę należy także poświęcić projektowaniu zbiornika akumulacyjnego w instalacji. Przy zastosowaniu R22 lub R134a czynnik chłodniczy jest cięższy od oleju, natomiast R290 jest lżejszy od oleju. W przypadku propanu może to prowadzić do nadmiernego gromadzenia się oleju w dolnej części zbiornika i jeśli zbiornik jest zbyt duży a przewód odprowadzający ciekły czynnik nie zagwarantuje wystarczającego opróżnienia zbiornika z oleju, wówczas w fazie rozruchu instalacji może następować wyłączanie sprężarki z powodu braku oleju.

 

Podstawowe dane charakterystyczne propanu wg [39]: 

  • normalna temperatura parowania (przy 1 bar abs.): -42°C;
  • temperatura krytyczna: 97°C;
  • granice palności: 2,1÷9,5% obj. w powietrzu;
  • zgodność materiałowa: nie powoduje korozji.

 

W tabeli 1. zestawiono główne zalety i wady propanu, istotne przy zastosowaniu go w handlowych urządzeniach chłodniczych. 

 

 

2015 09 70 1

 

 

Niektórzy producenci mebli chłodniczych (szaf, witryn i automatów chłodzących) m.in. w RFN przestawiają się na produkcję urządzeń z zastosowaniem propanu jako czynnika chłodniczego. Kilku z nich już rozpoczęło działalność, np. firma AHT uruchomiła produkcję zamrażarek dla głębokiego mrożenia. Poza tym, w przypadku chłodniczych instalacji sklepowych zastosowanie propanu jako czynnika podstawowego jest możliwe tylko w instalacji o pośrednim chłodzeniu.

 

 

Izobutan R600a

 

Izobutan [5, 30] jest izomerem normalnego butanu. Działa przy wyższych ciśnieniach niż butan i wymaga sprężarek o mniejszej wydajności skokowej.

 

Izobutan jest standardowym czynnikiem w sektorze europejskiego, domowego wyposażenia chłodniczego i również mniejszych autonomicznych mebli chłodniczych handlowych np. zamrażarek do żywności [22].

 

Urządzenia na R600a pracują ciszej niż równorzędne meble na R134a, ze względu na niższe ciśnienia robocze w tym samym zakresie temperatury. Ze względu na mniejszą gęstość R600a wymagane jest stosowanie sprężarek o większej wydajności skokowej niż dla R134a. Przy większych wydajnościach brak w urządzeniu miejsca na większą sprężarkę i wtedy stosuje się R290.

 

Izobutan charakteryzuje się bardzo małym potencjałem efektu cieplarnianego (GWP), w porównaniu z substancjami z grupy HFC. Wskaźnik GWP dla tego węglowodoru jest bliski zeru, podczas gdy dla czynnika z grupy HFC – R134a osiąga on wartość 1300 (w okresie 100 lat, jako punkt odniesienia GWP dla CO2 = 1).

 

Problemy wynikające z wpływu izobutanu na oleje i materiały stykające się z nim są nieznaczne. Natomiast z uwagi na palność wymagane jest bezpieczne małe napełnianie instalacji oraz stosowanie specjalistycznych stacji serwisowych do napełniania i naprawy a także takie opracowanie konstrukcji urządzenia i instalacji chłodniczej, by były zgodne z wymaganiami dla palnych czynników chłodniczych.

 

Podstawowe dane charakterystyczne izobutanu wg [39]:

  • normalna temperatura parowania (przy 1 bar abs.): -11,7°C,
  • temperatura krytyczna: 135°C,
  • granice palności : 1,6÷8,4% obj. w powietrzu,
  • zgodność materiałowa: nie powoduje korozji.

 

Wady i zalety izobutanu w przypadku zastosowania dla handlowych urządzeń chłodniczych i zamrażarek są takie same jak propanu. Jak przedstawiono wcześniej, w niektórych zakładach produkujących handlowe wyposażenia chłodnicze uruchomiano aktualnie produkcję urządzeń stosujących izobutan jako czynnik chłodniczy.

 

W Danii, zostały zrealizowane dwa projekty rozwojowe dotowane przez Duńską Agencję Energetyczną. W ramach tych projektów zostały opracowane nowe modele sprężarek (przez fi rmę Danfoss Compressors), w których jest stosowany izobutan i które mogą pracować ze zmienną prędkością obrotową. W jednym z projektów fi rmy Coca-cola, Vestfrost i Danish Technological Institute opracowały nowy typ chłodziarki butelek, który na podstawie testu przeprowadzonego na próbie 40 chłodziarek, wykazał prawie 40% oszczędność energii w porównaniu z analogicznymi konwencjonalnymi chłodziarkami butelek.

 

Oszczędność tę uzyskano głównie dzięki możliwości dostosowania wydajności chłodzenia instalacji do wydajności wymaganej przez urządzenie, bardziej wydajnej pracy wentylatorów itp. Tak Danfoss jak i większość producentów sprężarek jednocześnie z wprowadzeniem nowych sprężarek opracowała pozostałe podzespoły składowe instalacji chłodniczych dla izobutanu (a także dla propanu). W drugim projekcie test przeprowadzony na 50 zamrażarkach do lodów z tymi samymi sprężarkami wykazał prawie 50% oszczędność energii. Ten projekt był realizowany w kooperacji pomiędzy Frisko Is (Unilever), Caravell  A/S i Danish Technological Institute.

 

Oszczędność energetyczna została osiągnięta dzięki dostosowaniu wydajności chłodniczej instalacji do wydajności wymaganej przez urządzenie, a także zastosowaniu udoskonalonych szklanych osłon. Niektórzy producenci chłodniczych automatów sprzedających uważają, że izobutan lepiej sprawdza się niż propan. Jednocześnie, w przypadku witryn i lad chłodniczych z zastosowaniem izobutanu uzyskuje się niższe temperatury parowania i niższy zakres ciśnień niż w przypadku propanu. Ten ostatni jest w większości używany a supermarketach jako podstawowy czynnik w instalacjach scentralizowanych o pośrednim systemie chłodzenia.

 

 

Propylen – R1270

 

Propylen (propen) jest nienasyconym związkiem węglowodorowym. Z tego powodu jest mniej stabilny niż np. R290. Był stosowany w supermarketach w połowie lat 1990-tych w scentralizowanych instalacjach chłodniczych działających w systemie pośrednim chłodzenia.

 

Firma Linde budowała w latach 1996 do 2002 siedemnaście instalacji z R1270 jako czynnikiem chłodniczym i z czynnikiem pośredniczącym, dla temperatur normalnych NT i niskich LT o wydajnościach do 190 kW (NT) i 50 kW (LT).

 

W tabeli 2. zestawiono porównanie wybranych właściwości propylenu z konkurencyjnymi dla niego, w zastosowaniach dla supermarketów, czynnikami [6].

 

 

2015 09 70 2

 

 

Przy zastosowaniu instalacji chłodniczych systemu pośredniego na propylen wystarczające są jednostopniowe obiegi normalno- i niskotemperaturowe.

 

Przykład zastosowania propylenu w okrętowej instalacji chłodniczej, przeznaczonej do skraplania propanu jest opisany w poz. [23]. 

 

Propylen nie uzyskał większej akceptacji jako czynnik chłodniczy, mimo nieco korzystniejszych właściwości niż propan, ponieważ jest droższy od propanu. Natomiast nie stwierdzono problemów z jego niestabilnością.

 

Obecnie czynnik ten jest badany w zastosowaniu do instalacji chłodniczych transportowych [67]. W dotychczasowych badaniach w dwustopniowym obiegu chłodniczym z ekonomizerem czynnik ten wyróżnił się z pośród innych osiągnięciem najlepszych wartości efektywności chłodzenia.

 

 

Mieszaniny węglowodorów

 

(...)

 

Inne węglowodory

 

(...)

 

Butan R600

 

(...)

 

Etan R170, Etylen R1150

 

(...)

 

Cyklopropan RC270

 

(...)

 

Pentany [10]

 

(...)

 

Informacje o nowych kierunkach badań i zastosowań węglowodorów

 

(...)

 

***

 

Koniec części drugiej. W trzeciej części zostaną omówione zastosowania węglowodorów i wymagania bezpieczeństwa.

 

 

dr inż. Wiesław WARCZAK
Konsultant d/s chłodnictwa,
Centralny Ośrodek Chłodnictwa „COCH”
Kraków

 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Pompy ciepła 2023-2024

  • Pompy ciepła 2021-2022

  • Pompy ciepła 2022-2023

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2022

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2023

  • Pompy ciepła 2020-2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2020

  • Pompy ciepła 2019-2020

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2019

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.