- własności cieplne - względy bezpieczeństwa ich użytkowania - wykorzystanie w technice chłodniczej, klimatyzacji i pompach ciepła. SEMINARIUM Z CHŁODNICTWA GDAŃSK 2010 PĄCZEK ROBERT PASZKOWSKI PAWEŁ SiUCHKL Rok: 2009/2010
Na wstępie należy sobie powiedzieć czym są węglowodory, jaki jest ich podział, gdzie je stosujemy i spotykamy. Następnie nie wolno zapomnieć o największej wadzie tegoż związku czyli o jego łatwopalności, co wiąże się z omówieniem bezpieczeństwa jego użytkowania. Węglowodory to organiczne związki chemiczne zawierające w swojej strukturze tylko atomy węgla i wodoru. Wszystkie one składają się z podstawowego szkieletu węglowego i przyłączonych do tego szkieletu atomów wodoru. Związki te możemy podzielić na wiele sposobów np. ze względu na rodzaj występowania wiązań czy z topologii łańcuchów węglowodorów. Węglowodory dzielą się : Węglowodory występują na całej Ziemi, znajdujemy je np. w ropie naftowej czy gazie ziemnym, co czyni z nich główne źródło pozyskiwania energii. Związek ten znaleźć można również w organizmach żywych np. karotenoidy.
Następnie należy wprowadzić definicje czynnika chłodniczego aby można było zrozumieć jakie właściwości powinien mieć związek węglowodorowy aby spełniał funkcje substancji ziębniczej. Czynniki chłodniczy to substancja, która pracując przy niskich temperaturach i niskich ciśnieniach, pobiera ciepło od najbliższego otoczenia i w ten sposób powoduje obniżenie jego temperatury, a następnie oddaje je poprzez skraplanie przy odpowiednio wyższej temperaturze i wyższym ciśnieniu na zewnątrz urządzenia chłodniczego. Możemy rozróżnić następujące węglowodorowe czynniki chłodnicze W lewej części tabeli (refrigerant = czynnik chłodniczy) widzimy węglowodory chłodnicze takie jak R600a (izobutan), R290 (propan), R1270 (propylen) i R170 (etan), ale również ich mieszaniny takie jak R600a/R290 i R290/R170.
W środkowej części znaleźć można zastosowanie naszych czynników np. w obiektach publicznych czy pomieszczeniach wykorzystywanych do celów komercyjnych, oraz informacje o wykorzystaniu w klimatyzacji, zamrażarkach czy pompach ciepła. W prawej części zauważyć można jakie czynniki syntetyczne (freony) mogą być zastąpione przez węglowodory chłodnicze. IZOBUTAN R600a Izobutan należy do rodziny węglowodorów nasyconych (alkan), jest organicznym związkiem bezzapachowym i bezbarwnym. Jest wykorzystywany i służy jako : - gaz pędny - wyrób benzyny syntetycznej - składnik gazu LPG - gaz zapalniczek - czynnik chłodniczy Substancja ta jako jedna z pierwszych (węglowodorów) była zastosowana w chłodnictwie zastępując syntetyczne czynniki chłodnicze takie jak freony, które wcześniej wyparły łatwopalne węglowodory. Zapis strukturalny Izobutanu R600a (C4H10)
Własności izobutanu R600a to: - Niskie wartości ciśnienia (skraplania), co umożliwia stosowanie lekkich konstrukcji, ze względu na brak potrzeby tworzenia elementów wytrzymujących duże naciski sił na powierzchnie wymienników. W rezultacie osiągamy niższe koszty konstrukcyjne. - Dobra wymiana ciepła (parownik, skraplacz) czyli wysoka wartość współczynnika przejmowania ciepła przy wymiennikach. - Niska lepkość dynamiczna oraz masa molowa, powodują zmniejszenie oporów hydraulicznych w przepływie. - Współczynnik wydajności chłodniczej (COP) porównywalny z czynnikami syntetycznymi takimi jak R12 i R134a. - Dzięki porównywalnym wartością współczynnika COP, oraz mniejszej lepkości dynamicznej i małej masie molowej izobutan charakteryzuje się mniejszym zużyciem energii elektrycznej, nawet do 20%, w porównaniu do czynnika R12. - Mała jednostkowa (objętościowa) wydajność chłodnicza izobutanu qv, co powoduje dodatkowe koszty urządzenia chłodniczego. Zmusza to do zastosowania specjalnej sprężarki, która może pracować przy R600a, oraz do zamontowania dłuższej rurki kapilarnej, w porównaniu do tej wykorzystywanej przy syntetycznych czynnikach chłodniczych. - Należy do substancji łatwopalnych (zapłon 460 C), jednak osiągnięcie warunków samozapłonu tego węglowodoru (temperatura i ciśnienie) w agregatach chłodniczych jest trudne do osiągnięcia, nie zapominając również o małej ilości tego związku w obiegu chłodniczym. Zwrócić należy jednak na to z jaką substancją mamy do czynienia, dlatego też powinno się zachować wszystkie względy bezpieczeństwa ich użytkowania. - Niskie temperatury sprężania pary izobutanu, umożliwiają polepszenie warunków smarowania oraz zapobiegają rozkładowi czynnika chłodniczego w trakcie pracy przy wysokich temperaturach (np. tropiki). - Najwyższa temperatura punktu krytycznego (135 C) w porównaniu z innymi czynnikami chłodniczymi. Dzięki czemu osiągamy dużą pewność, że skraplacz nie będzie musiał pracować w fazie nadkrytycznej, gdzie nie występuje pełna przemiana fazowa naszego czynnika (brak fazy pary mokrej). Negatywnym przykładem może być obieg wykorzystujący CO2. - Mała przenikliwość przez materiały konstrukcyjne i uszczelnieniowe.
- Bardzo mała wrażliwość na wilgoć, w porównaniu z R12 i R134a. Powodem tego jest,że izobutan nie jest rozpuszczalny w wodzie, lecz w alkoholach np. etanolu. PROPAN R290 Propan jest organicznym związkiem należącym do grupy węglowodorów nasyconych (alkan). Jest bezwonny i bezbarwny, charakteryzuje go łatwopalność oraz to, że jest cięższy od powietrza. Występuje w ropie naftowej i gazie ziemnym, jest składnikiem wielu stosowanych dziś paliw. Jako czynnik chłodniczy wykorzystywany jest głównie w przemyśle chemicznym czy petrochemicznym, występuje w dużych instalacjach chłodniczych, zastosowanie znajduje także w klimatyzacji i pompach ciepła. Zapis strukturalny Propanu R290 (C3H8) Własności propanu R290 to: - Niskie temperatury końca sprężania w porównaniu z czynnikiem R22, co umożliwia większe dochłodzenie czynnika, oraz powoduje mniejsze zużycie elementów sprężarki, która nie musi pracować w skrajnie wysokich temperaturach. - Porównywalna wartość współczynnika wydajności chłodniczej (COP) z R22 - Zdecydowanie większa jednostkowa (objętościowa) wydajność chłodnicza R290 niż R22. Oznacza to, że napełnienie tym czynnikiem instalacji jest zdecydowanie niższe niż w przypadku czynników takich jak np. R22.
W przypadku bardzo dobrze zaprojektowanej instalacji (odpowiednim doborze elementów), spowoduje, że ilość propanu może być nawet do 30% mniejsza niż przy czynniku R22, dzięki czemu osiągnąć możemy znaczne oszczędności i zmniejszenie ogólnych kosztów urządzenia chłodniczego. - Niska lepkość dynamiczna, dzięki czemu osiągamy małe opory przepływu czynnika w instalacji. - Dobra wymiana ciepła (parownik, skraplacz), czyli wysoka wartość współczynnika przejmowania ciepła przy wymiennikach. - Porównywalna temperatura punktu krytycznego R290 jak z jego zamiennikiem R22. - Propan tworzy w instalacji z olejami mineralnymi roztwory, które ułatwiają przechodzenie oleju między sprężarką, a układem chłodniczym. MIESZANINY R600a/R290 Podobnie jak wiele substancji tak i węglowodory mogą tworzyć mieszaniny. Wykorzystanie takiej substancji propanu i izobutanu jest ciekawą alternatywą dla czynników syntetycznych takich jak np. R12. Własności R600a/R290 to: - Niższe zużycie energii urządzenia chłodniczego wykorzystującego mieszaninę R600a/R290, o ponad 10% w stosunku do czynnika chłodniczego R12, choć nie można wówczas zapomnieć, że odpowiednie duże wydajności występują przy odpowiednim stężeniu obu węglowodorów w mieszaninie. - Porównywalny strumień transportowanego ciepła z czynnikami syntetycznymi, jak również występowanie większego obszaru stabilnej pracy urządzenia chłodniczego. - Temperatura wrzenia R600a/R290 (-30 C) porównywalna do temperatury wrzenia czynnika R12. - Duże ciepło utajone i duże ciepło parowania. Dzięki czemu uzyskujemy duże zyski ciepła przy zmianie fazowej naszego czynnika chłodniczego. - Mała gęstość stanowiąca 40% gęstości R12, co pozwala zmniejszyć zawartość czynnika (R600a/R290) w instalacji nawet o 40% zawartości R12. - Najwyższe wartości współczynnika wydajności chłodniczej uzyskujemy dla odpowiednich stężeń mieszaniny 40/60 i 60/40.
- R600a/R290 nie nadaje się do zastosowania w dwu temperaturowych chłodziarko-zamrażarkach (występowanie zaburzeń). Najważniejszą rzeczą o jakiej nie wolno zapomnieć przy wykorzystywaniu mieszaniny R600a/R290 jest to, że są to dwie zupełnie inne substancje. Związki te pracują przy innych ciśnieniach i temperaturach. - Mieszanina ta przyjmuje średnie własności termodynamiczne, obu składników wchodzących w jej skład. MIESZANINA R290/R170 (propan/etan) - Działa przy porównywalnym ciśnieniu jak R22 i R407c - Niższe zużycie energii R290/R170 po zastąpieniu takich czynników jak R22, R502 czy R407c - Wadą jest niska temp. punktu krytycznego R170 (32.3 C) PROPYLEN R1270 (propen) - Działa przy wyższym ciśnieniu jak R22, ale porównywalnym jak R07c - Posiada bardzo niską masę molową (42.1 kg/mol) w porównaniu z np. R12 (mniejsze opory hydrauliczne) Bezpieczeństwo w stosowaniu czynników węglowodorowych Właściwości palne węglowodorów stosowanych jako czynniki chłodnicze wymagają specjalnych środków ostrożności podczas transportu, przechowywania, serwisu i eksploatacji urządzeń. Zapłon każdego czynnika HC wymaga zbieżności w czasie i przestrzeni kilku niekorzystnych okoliczności, takich jak: wycieku czynnika, co nie zdarza się zbyt często lub nie ma miejsca w ogóle w okresie ich eksploatacji powstanie mieszaniny czynnika z powietrzem w granicach palności. Dla R600a zawiera się ona w przedziale od 1,85 do 8,5%, a dla R 290 od 2,2 do 9,5%. Poniżej i powyżej tych granic czynnik jest niepalny
jednocześnie musi zaistnieć źródło zapłonu o temperaturze powyżej 450 C Z powyższego wynika, że pierwszym i najważniejszym aspektem jest zabezpieczenie urządzenia przed wyciekiem czynnika roboczego. Wycieki jednak nie zdążają się zbyt często z powodu stosowania konstrukcji hermetycznych tj. sprężarki. Jednak aby zabezpieczyć duże instalacje chłodnicze przed niekontrolowaną utratą czynnika montuje się w niej czujniki gazu takie jak stosuje się w kopalniach węgla kamiennego do kontroli stężenia metanu tzw. czujniki metanu. Czujnik ten przekazuje sygnał elektryczny powstały w wyniku odpowiednich reakcji chemicznych, do sterownika który podejmuje decyzje jakie procedury bezpieczeństwa należy wdrożyć: czy wystarczy tylko unieruchomić agregat czy też należy jeszcze włączyć system wentylacji awaryjnej. Ze względu na możliwość awarii takiego czujnika, czynniki HC nawania się aby obsługujący instalacje pracownicy percepcyjnie mogli stwierdzić awarie i w miarę potrzeby niezwłocznie ewakuować osoby znajdujące się w bezpośrednim oddziaływaniu instalacji. Aby zapewnić bezpieczeństwo korzystania z instalacji chłodniczych opracowano przepisy BHP które obligatoryjnie i bezwzględnie należy spełnić aby instalacja ta mogła zostać oddana do użytku. Przepisy te mówią o tym, aby objętość pomieszczenia, w którym montowana jest instalacja napełniona HC, była na tyle duża, by w razie pęknięcia i wycieku czynnika z urządzenia, stężenie mieszaniny powstałej na skutek awarii było bezwzględnie niższe niż dolna granica wybuchowości. Przepisy te dopuszczają również sytuacje kiedy objętość pomieszczenia jest mniejsza, wówczas: Kiedy napełnienie instalacji czynnikiem HC jest poniżej 1 kg, a w pomieszczeniu znajduje się układ wentylacji naturalnej z otworami wentylacyjnymi o powierzchni 0,3 m 2 Kiedy napełnienie instalacji czynnikiem HC jest powyżej 1 kg, dopuszczalne są 3 warianty rozwiązań: 1. Ustawienie urządzenia na otwartej przestrzeni lub zapewnienie wentylacji naturalnej o przekroju A>0.148*M( M napełnienie w kg) 2. Zastosowanie wentylowanej obudowy instalacji
3. Zastosowanie wentylacji mechanicznej o wydajności V=14*M 2/3 [l/s] działającej w sposób ciągły lub uruchamianej czujnikiem stężenia czynnika w powietrzu Wyeliminowanie źródła zapłonu o temperaturze powyżej 450 C czyli potencjalnego zagrożenia, nie stanowi większego problemu ponieważ w instalacjach chłodniczych nie występują tak wysokie temperatury jak temperatura zapłonu HC. Jedyną realna możliwością zapłonu czynnika jest sytuacja podczas montażu, konserwacji lub usuwania awarii w urządzeniu, kiedy następuje trwałe połączenie przewodów instalacji metodami spawalniczymi. Wszelkie potencjalne źródła zapłonu związane z osprzętem
elektro-elektronicznym o możliwościach iskrzenia są zaizolowane w taki sposób by potencjalny przeskok iskry nie spowodował zapłonu Prawdopodobieństwo zaistnienia jednoczesne wszystkich powyższych zjawisk jest mało prawdopodobne, tym bardziej ze stanowią one podstawę opracowanych przepisów bezpieczeństwa Podsumowanie: Można stwierdzić że instalacje w których czynnikiem chłodniczym jest węglowodór lub mieszanina węglowodorowa są bardzo proste ponieważ niewiele różnią się od klasycznie napełnionych urządzeń chłodniczych. Nie wymagają one specjalnych materiałów czy technologii
związanych z produkcją parowników, sprężarek itd. a jedynym elementem który należy odpowiednio dopasować jest rurka kapilarna która musi mieć odpowiednia długość i być przetestowana ruchowo. Mimo iż w instalacji płynie łatwopalny czynnik to hermetyczność konstrukcji i odpowiednie zaizolowanie elementów elektro-elektronicznych, oraz odpowiednie przepisy bezpieczeństwa czynią z tej instalacji bezpieczny obiekt do użytku w każdym domu. Należy pamiętać o tym że serwis urządzenia polegający np. na wymianie sprężarki, w warunkach pozafabrycznych nie wymaga stosowania specjalnych metod - należy jedynie przeszkolić personel w zakresie obsługi i użytkowania materiałów łatwopalnych. Urządzenia napełnione HC odznaczają się większa sprawnością energetyczna oraz dłuższym czasem życia danej instalacji. W związku z tym w mniejszym stopniu przyczyniają się do degradacji środowiska naturalnego. Węglowodory jako czynniki chłodnicze zostały już bezapelacyjnie zaakceptowane jako zamienniki dla HFC, CFC oraz HCFC. Łatwość w przechowywaniu i brak trudności w montażu i eksploatacji urządzeń napełnionych czynnikami HC, sprawiła ze klasyczne napełnienia instalacji oraz napełnienia czynnikiem R134a przestały być już konkurencyjne. Wszelkie wątpliwości związane z produkcja, serwisowaniem i użytkowaniem instalacji wypełnionych węglowodorami powinien rozwiać fakt iż codziennie na całym świecie bezpiecznie miliony ludzi korzystają ze stacji paliw. LITERATURA: 1) Zenon Bonca, Dariusz Butrymowicz, Waldemar Targański, Tomasz Hajduk Poradnik: Nowe Czynniki Chłodnicze i Nośniki Ciepła: własności cieplne, chemiczne i użytkowe.
2) Aleksander Paliwoda, CHŁODNICTWO & klimatyzacja nr. 3/2003: Technika i technologia chłodnicza cykl szkoleniowy dla mechaników-praktyków. część III 3) Aleksander Paliwoda, CHŁODNICTWO & klimatyzacja nr. 6/2003: Technika i technologia chłodnicza cykl szkoleniowy dla mechaników-praktyków. część IV 4) Aleksander Paliwoda, CHŁODNICTWO & klimatyzacja nr. 10/2003: Przezbrajanie chłodziarek i zamraŝarek domowych z R 12 i R 134a na czynniki węglowodorowe (cz. II) 5) Technika chłodnicz i klimatyzacja 4/1997 6) Chłodnictwo & Klimatyzacja 3/2001 7) Kelvin House, Guidelines for the use of Hydrocarbon Refrigerants in Static Refrigeration and Air Conditioning Systems