Reklama
 
 
 
Instalacje chłodnicze średniej i małej wydajności napełniane węglowodorami Wytyczne projektowania
Ocena użytkowników: / 1
SłabyŚwietny 
Data dodania: 04.03.2016

Po odkryciu niszczącego wpływu freonów na naszą atmosferę i podpisaniu Protokołu Montrealskiego i Protokołu z Kioto, zaczęto stopniowo eliminować czynniki chłodnicze zawierające chlor i fluor, wprowadzając w ich miejsce naturalne czynniki chłodnicze. Proces wprowadzania naturalnych czynników chłodniczych przebiegał bardzo wolno. Powodem tego były ich właściwości fizyko-chemiczne, głownie palność (czynniki z grupy HC – hydrocarbons-węglowodory) i wysokie ciśnienie (CO2).

 

 

Przez ponad 80 lat w handlowych i domowych instalacjach chłodniczych stosowaliśmy z powodzeniem freony (CFC i HCFC). Było to do czasu, kiedy odkryto w połowie lat 70-tych ubiegłego wieku, że fluor, chlor, brom i siarka niszczą warstwę ozonową, która osłania nasz glob przed zgubnym wpływem promieniowania słonecznego. Podstawową cząstką jaką użyto do zaprojektowania i wyprodukowania pierwszych freonów był metan. Cząstka metanu jest zbudowana z jednego atomu węgla i czterech atomów wodoru. Zastępując w cząstce metanu wodór cząstkami fluoru, chloru, bromu lub siarki wyprodukowano pierwszy i najpopularniejszy freon – R12, którego budowa chemiczna składa się z atomu węgla, dwóch atomów chloru i dwóch atomów fluoru (CCl2F2) i R22, na który składają się jeden atom węgla, jeden atom wodoru, jeden atom chloru i dwa atomy fl uoru (CHClF2). Listę atomów wchodzących w skład rożnego typu freonów i ich wpływ na naszą atmosferę przedstawia rys. 1.

  •  węgiel – C; podstawowy atom (baza) wszystkich CFC i HCFC czynników chłodniczych;
  • fluor – F; każdy atom fluoru podwyższa GWP czynnika, obniża jego punkt wrzenia i czyni go mniej stabilnym;
  •  chlor – Cl; podstawowa wada – niszczy warstwę ozonową (O3), czyni czynnik chłodniczy bardzo stabilnym i podwyższa jego punkt wrzenia;
  •  brom – Br; siarka – S – niszczą warstwę ozonową.

 

 

2016 3 76 1

Rys. 1. Wpływ polityki ochrony warstwy ozonowej na zmiany w stosowaniu czynników chłodniczych

 

 

Poniższa lista atomów, które praktycznie mogą być brane pod uwagę przy wyborze lub produkcji czynników nie niszczących warstwy ozonowej jest znana od wielu lat:

  •  węgiel – C,
  •  azot – N,
  •  tlen – O,
  •  wodór – H,

 

Czynniki naturalne bazujące na powyższej liście stosowane w początkach chłodnictwa domowego i handlowego zostały wyparte przez freony, których cena była bardzo niska z jednoczesną możliwością budowy w początku lat 30-tych ubiegłego wieku pierwszych hermetycznych układów chłodniczych. Hermetyczne układy chłodnicze po raz pierwszy były zastosowane w domowych urządzeniach chłodniczych i powoli zaczęły być wprowadzane w chłodnictwie handlowym.

 

Biorąc pod uwagę wyżej wymienione atomy, lista potencjalnych jak i obecnie stosowanych naturalnych czynników chłodniczych jest następująca (rys. 2.):

  •  NH3 – amoniak – R717;
  •  H2O – woda– R718;
  •  CO2 – dwutlenek węgla – R744;
  • powietrze – R729;
  •  HC – węglowodory:
    • R290 – propan;
    • R1270 – propylen;
    • R600a – izobutan.

 

 

2016 3 76 2

Rys. 2. Pełna lista potencjalnych naturalnych czynników chłodniczych

 

 

Po początkowych pracach badawczych nad zastosowaniem CO2 w chłodnictwie handlowym (było to w początkach 21 wieku), zaniechano stosowanie tego czynnika. Wynikało to z faktu, że R744 (CO2) charakteryzujący się wysokimi ciśnieniami parowania i skraplania, nie spełniał wymagań odnośnie efektywności energetycznej. Dotyczyło to szczególnie klimatów o wyższych temperaturach otoczenia. Z tego też powodu R744 zdaje świetnie egzamin w pompach ciepła. Z analizy rynku polskiego i zachodniego wynika, że w chłodnictwie średnim handlowym jak i w chłodnictwie małym domowym zaczynają dominować R290 (chłodnictwo średnie) i R600a (chłodnictwo małe). Jednocześnie pod wpływem ośrodków i agencji ochrony środowiska, czynniki palne zostały zaakceptowane i odpowiednie normy pozwalające na ich użycie zostały przygotowane i opublikowane.

 

Pierwsze trzy normy z powyższej listy mają zastosowanie do czynników chłodniczych, natomiast pozostałe mają zastosowanie do urządzeń chłodniczych i ich elementów.

 

Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA) zatwierdziła do zastosowania w instalacjach chłodniczych średnich i małych następujące czynniki: R290, R600a, R170, R32 i R441A.

 

Natomiast czynniki z grupy HFC muszą być wycofane z użycia w następujących terminach, bazując na zarządzeniach EPA (2 lipiec 2015):

  •  W układach klimatyzacji samochodów – 2021 (decyduje rok budowy);
  •  W układach chłodniczych dla supermarketów – 1 styczeń 2017;
  •  Wolnostojące układy chłodnicze na średnie temperatury o wydajności chłodniczej poniżej 645 W – 1 styczeń 2019;
  •  Wolnostojące układy chłodnicze na średnie temperatury o wydajności chłodniczej powyżej 645 W – 1 styczeń 2020.

 

Zaletami stosowania czynników chłodniczych z grupy HC są:

  •  zero ODP,
  •  blisko zera GWP,
  •  niskie naładowanie układu czynnikiem HC,
  •  niższe ciśnienie tłoczenia,
  •  niskie zużycie energii, co przekłada się na wyższą sprawność energetyczną,
  •  wyeliminowanie możliwości następnej wymiany czynnika w przyszłości,
  •  urządzenie chłodnicze o niższej głośności,
  •  łatwa dostępność czynników chłodniczych z grupy HC,
  •  sprężarki na czynniki HC budowane są na bazie niewielkich zmian sprężarek na czynniki HFC,
  •  wysoka niezawodność urządzeń pracujących na czynnikach HC (do 4 milionów godzin pracy dla domowych urządzeń chłodniczych),
  •  wymagana jest wysoka czystość czynnika z grupy HC – 99,5% i bardzo niska zawartość takich składników jak siarka
  •  dodatkowo, w czasie serwisu, EPA pozwala na wypuszczanie czynnika chłodniczego z grupy HC do powietrza, co jest dużym ułatwieniem, jednocześnie zwiększając bezpieczeństwo pracy z tym czynnikiem. Niemniej, trzeba rygorystycznie przestrzegać przepisów bezpieczeństwa obowiązujących przy pracy z palnymi czynnikami chłodniczymi.

 

Natomiast niedogodnościami stosowania czynników HC są:

  •  czynniki HC są palne – temperatura zapłonu około 460°C,
  •  palność czynników HC wymaga specjalnego podejścia do projektowania urządzeń na te czynniki,
  •  bardzo specyfi czny trening i certyfikacja dla personelu obsługującego urządzenia naładowane czynnikami HC,
  •  dodatkowy koszt związany z przygotowaniem produkcji urządzeń na czynniki HC – średni koszt to około $1 miliona i zależy on głównie od wielkości produkcji,
  •  średni wzrost kosztu urządzenia chłodniczego na HC czynniki jest około 7% wyższy od obecnego kosztu urządzenia na czynniki HFC, jednakowoż użytkownik urządzenia na czynniki HC oszczędzi na energii elektrycznej około $400 rocznie.

 

 

Ładowanie urządzenia chłodniczego czynnikiem chłodniczym z grupy HC

(...)

 

Podstawowe uwagi dotyczące projektowania urządzeń chłodniczych na czynniki chłodnicze z grupy HC:

(...)

 

Wybór czynnika chłodniczego

(...)

 

Potencjalne źródła zapłonu w urządzeniach chłodniczych

(...)

 

Konstrukcja

Wymienniki ciepła

(...)

 

  •  Skraplacz

(...)

 

  •  Parownik

(...)

 

  •  Uwagi odnoszące się do wymienników ciepła

(...)

 

Sprężarka

 

Producent sprężarek chłodniczych na czynniki z grupy HC wie o tym, że ze względu na ograniczone normami naładowanie układu chłodniczego, należy tak zaprojektować sprężarkę, aby jej wewnętrzna objętość była jak najmniejsza. Dobór sprężarki na czynniki HC jest taki sam, jak dobór sprężarki na czynniki HCFC i HFC i bazuje na danych katalogowych producenta. Dobierając sprężarkę, warto pamiętać, że czynnik chłodniczy R600a ma tylko około 55% R134a wydajności objętościowej. Z tego powodu objętość skokowa sprężarki R600a będzie około 2 razy większa od objętości skokowej sprężarki R134a. Wiąże się z tym większa średnica tłoka jak i jej głośność. Natomiast czynnik chłodniczy R290 ma około 90% R22 wydajności objętościowej. Stąd sprężarka na czynnik R290 ma zbliżoną objętość skokową do sprężarki R22 i około 15% większą objętość skokową od sprężarki R404A. Dobierając sprężarkę na R600a lub R290, pamiętajmy o jednym ważnym fakcie. Mianowicie czynnik R290 ma około 2,5 razy większą wydajność objętościową niż czynnik R600a, co w konsekwencji będzie się wiązało z różnicą w masowym natężeniu przepływu czynnika, czyli będzie miało wpływ na dobór elementów układu chłodniczego.

 

Obecnie coraz dostępniejsze są sprężarki o zmiennej ilości obrotów. Decydując się na jej wybór, moim zdaniem podejmiemy właściwą decyzję, gdyż sprężarki te są sprężarkami przyszłości, które w niedługim czasie wyprą sprężarki o stałych obrotach. Dodatkowo, wybór sprężarki o zmiennych obrotach na jeden z czynników HC, obniża zużycie energii o około 20÷30%, co każdy użytkownik łatwo zauważy, płacąc rachunek za energię elektryczną.

 

 

Materiały

 

Praktycznie wszystkie dotąd stosowane elastomery i plastyki są kompatybilne z czynnikami HC i stosowanymi olejami (olej mineralny, POE, AB). Również dotąd stosowane metale w urządzeniach chłodniczych, takie jak stal, miedz, aluminium, brąz są kompatybilne z czynnikami HC. Natomiast wszystkie gumy naturalne i silikonowe nie są kompatybilne z czynnikami HC i nie mogą być stosowane w układach chłodniczych na czynniki HC.

 

 

Elementy układu chłodniczego

  •  Filtroosuszacze

(...)

 

  •  Element rozprężny

(...)

 

  •  Przewody rurowe

(...)

 

  •  Głośność

(...)

 

Wymagania dotyczące produkcji urządzeń na czynniki HC

(...)

 

  •  Wentylacja

(...)

 

  •  Źródła zapłonu

(...)

 

  •  Wykrywacze czynnika HC

(...)

 

  •  Przestrzeń ładowania

(...)

 

  •  Gaśnice

(...)

 

  •  Warunki bezpieczeństwa

 

Podstawowe zasady bezpieczeństwa pracy z palnymi czynnikami chłodniczymi są następujące:

  •  Wymuszona i silna wentylacja zabezpieczającą przestrzeń, w której może wydzielać się palny czynnik chłodniczy. Jej celem jest zabezpieczenie tej przestrzeni przed akumulacją palnego czynnika.
  •  Dozwolone jest używanie standardowego wyposażenia elektrycznego z wyjątkiem wentylatorów i systemów bezpieczeństwa. 
  •  Wykrywacze nieszczelności i wycieku palnego czynnika chłodniczego powinny zapewnić włączenie systemu alarmowego i wentylacji wyciągowej oraz odłączyć wszystkie elementy elektryczne, które nie są dopuszczone do pracy z palnym czynnikiem chłodniczym.
  •  Wszystkie wentylatory wywiewne pracujące w przestrzeni, gdzie jest możliwość wycieku palnego czynnika chłodniczego muszą mieć certyfikacje, że mogą pracować w przestrzeni, gdzie wydziela się palny czynnik.
  •  Test na szczelność urządzenia musi być przeprowadzony przed stacją ładowania czynnikiem HC, a do tego celu nie może być użyte powietrze.
  •  Stacja ładowania palnym czynnikiem chłodniczym musi być specjalnie projektowana dla tego czynnika.
  •  Ryzyko możliwości akumulacji ładunków elektrostatycznych w urządzeniu chłodniczym podczas procesu ładowania czynnikiem HC musi być całkowicie wyeliminowane. 

 

 

Podsumowanie

 

Z powyższej analizy wynika, że projektowanie a szczególnie produkcja urządzeń na czynniki węglowodorowe jest różna od procesów, jakie znamy z praktyki z dotychczas stosowanymi czynnikami chłodniczymi. Zaletą dotychczas stosowanych czynników była ich niepalność, co ułatwiało projektowanie, dobór elementów układu chłodniczego jak i produkcję urządzeń chłodniczych. Na podstawie tego, co napisałem, można wnioskować, że praca nad urządzeniami na palne czynniki chłodnicze jest trudna i niebezpieczna. Nie jest to prawda. Pamiętajmy, że w latach 20-tych ubiegłego wieku stosowano węglowodory w małych instalacjach chłodniczych, a od początku lat 90-tych ubiegłego wieku wyprodukowano miliony domowych urządzeń chłodniczych i praktycznie nie słyszeliśmy o ich niebezpieczeństwie, tak w czasie produkcji jak i eksploatacji. Pamiętajmy o jednej bardzo ważnej podstawowej rzeczy – naładowanie 50 g domowych urządzeń chłodniczych zostało wybrane, bazując na średniej wielkości kuchni europejskiej, zakładając, że jeżeli cała ilość izobutanu ulegnie wyciekowi, jego zawartość w powietrzu będzie mniejsza od jego dolnego progu zapłonu. Natomiast w przypadku handlowych urządzeń chłodniczych wzięto pod uwagę „całkowite maksymalne naładowanie”, bazując na lokalizacji urządzenia i średniej ilości osób w pomieszczeniu, jak również określono „praktyczny limit naładowania”, bazując na normie EN378-1.

 

Moim zdaniem, przejście na węglowodory jako czynniki chłodnicze nie powinno nastręczać trudności praktycznych doświadczonym inżynierom i personelowi.

 

 

Literatura
[1] Materialy firmy Secop. Danfoss.
[2] Guide to flammable refrigerants. Issue 1. October 2012.
[3] www.coolconcerns.co.uk
[4] Materialy EPA.
[5] Normy Amerykanskie i Europejskie.
[6] Prace własne autora.

 


Andrzej WESOŁOWSKI
były pracownik Carrier,
York i Embraco, USA

 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2015

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2016

  • Pompy ciepła 2014

  • Pompy ciepła 2012

  • Pompy ciepła 2013

  • Termografia w podczerwieni 2009

  • Pompy ciepła 2010

  • Pompy ciepła 2011

 

 

  02 ss2  omii   kig 134x45 left  

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.