Dr inż WIESŁAW WARCZAK Centralny Ośrodek Chłodnictwa COCH Kraków Wpływ ekspansji zastosowań w chłodnictwie na rozwój konstrukcji sprężarek Podjęte przed ponad dwudziestu laty decyzji o wyeliminowaniu w pilnym trybie wielu podstawowych w tym okresie ziębników z produkcji i zastosowań, wywołały wstrząs w produkcji przemysłowej urządzeń ziębniczych i klimatyzacyjnych, przyczyniając się bezpośrednio do zapoczątkowania szerokiego programu badań i rozwoju, którego celem było opracowanie nowych ziębników, jako substytutów eliminowanych substancji i w ślad za tym, nowych lub zmodernizowanych urządzeń, dostosowanych do tych substytutów Program ten obejmował problematykę konstrukcyjną, optymalizację działania i technologię wytwarzania urządzeń ziębniczych a w szczególności sprężarekw realizacji programu uczestniczyły, w skali międzynarodowej, wyższe uczelnie, instytuty i ośrodki badawcze oraz zainteresowani producenci Wdrożenia nowych wyrobów, które powstawały w wyniku realizacji programu zapewniały przedsiębiorstwom przemysłowym możliwości pokrywania bieżącego zapotrzebowania występującego w poszczególnych działach chłodnictwa i klimatyzacji Odbudowa niewykorzystywanego potencjału w chłodnictwie Powrót do ziębników naturalnych Ziębniki naturalne zawsze miały udział w chłodnictwie, zwłaszcza te, które charakteryzowały się wysoką efektywnością działania, mimo znacznego ograniczenia ich zastosowań, wskutek szerokiego rozpowszechnienia się tzw ziębników bezpiecznych (freonów) Utraciły one jednak status ziębników rozwojowych i w konsekwencji ograniczono środki na prace badawcze, które mogłyby doprowadzić do poprawienia oceny ich przydatności i konkurencyjności w środowiskach naukowych i technicznych Podpisanie Protokołu Montrealskiego i podjęcie poszukiwań nowych ziębników syntetycznych przyczyniło się do ożywienia zainteresowania również ziębnikami naturalnymi Uświadomiono sobie, że ziębniki te mają niskie wartości wskaźników ODP i GWP, natomiast przewidywane do zastosowań nowe czynniki syntetyczne (np HFC) mają wprawdzie niższe wartości wskaźnika ODP niż freony, ale ich wskaźniki GWP są wysokie i z tego powodu stosowanie ich będzie miało charakter przejściowy (co potwierdza ostatnio wydane Rozporządzenie UE w sprawie F-gazów) Zatem sprawa poszukiwań nowych ziębników syntetycznych nadal jest otwarta a ziębniki pochodzenia naturalnego mają, przy pewnych ograniczeniach, duże możliwości stać się ziębnikami docelowymi Ocena jako ziębnika do obiegów sprężarkowych Jak wiadomo, był w przeszłości dość rozpowszechniony w takich zastosowaniach, dzięki czemu jego podstawowe własności zostały już rozpoznane, niemniej jednak informacje na ten temat nie są zbyt powszechne i warto je w tym miejscu przytoczyć Wykorzystano w tym celu opinię opracowaną w 1995 roku, w momencie podjęcia dyskusji o szansach powrotu tego ziębnika do chłodnictwa [2] Zalety: w zasadzie przyjazny dla środowiska: * nie działa na warstwę ozonową, * ma ograniczony wpływ na efekt szklarniowy, wielokrotnie niższy niż ziębniki CFC, HCFC i HFC jako ziębnik bezpieczny: * niepalny, * nietoksyczny * w normie PN-EN 378-1 zakwalifikowany do grupy L1 łatwo dostępny bardzo niska cena kompatybilny z olejami stosowanymi w chłodnictwie, zwłaszcza mineralnymi kompatybilny z materiałami metalowymi i niemetalowymi stosowanymi zwykle w instalacjach ziębniczych postępowanie z proste, nie wymaga szczególnych zabiegów związanych z ochroną środowiska, jak w przypadku innych ziębników spręż w obiegach ziębniczych z zastosowaniem umiarkowany, umożliwia uzyskiwanie korzystnych wartości stopnia dostarczenia znacznie mniejsze wartości strumienia objętości gazowego w obiegu ziębniczym niż w przypadku innych ziębników, wobec wysokich ciśnień: * mniejsze wydajności objętościowe i gabaryty sprężarek * mniejsze średnice przewodów i gabaryty wymienników korzystne dla procesów wymiany ciepła w obiegu własności fizyczne i termodynamiczne: * wysoka objętość właściwa pary * wyższa niż w innych ziębnikach, wartość przyrostu entalpii właściwej parowania i przewodności cieplnej * niższa niż w innych ziębnikach lepkość cieczy Wady nieliczne, lecz istotne i w przeszłości przyczyniły się do wyeliminowania z chłodnictwa a obecnie utrudniają jego rozpowszechnienie: bardzo nisko usytuowany punkt krytyczny szczególna niedogodność dla klasycznych obiegów ziębniczych Parametry punktu krytycznego: temperatura 31,04 C 32 AGREGATY CHŁODNICZE ZESPOŁY SPRĘŻARKOWE Chłodnictwo tom XLII 2007 r nr 10
ciśnienie 73,77 bar objętość właściwa 2,174 dm 3 /kg brak jakiegokolwiek sprzętu chłodniczego, zwłaszcza sprężarek, przydatnych do zastosowania do, ze względu na nieporównywalnie wyższe ciśnienia, oraz na daleko zaawansowaną specjalizację i optymalizację konstrukcji istniejącego sprzętu, ukierunkowaną na zupełnie odmienne parametry eksploatacyjne Potencjalne możliwości Na podstawie porównania teoretycznego obiegu z innymi ziębnikami można stwierdzić, że osiąga niższą efektywność energetyczną Mimo to, instalacje z zastosowaniem, realizowane w praktyce, konkurują pod względem energetycznym z innymi ziębnikami, co w pewnym sensie podważa poprzednią opinię [13] Rozbieżność ocen wynika stąd, że przy przeprowadzaniu porównań w uproszczony sposób popełnia się zwykle proste błędy: Porównując instalację z innymi przyjmuje się z reguły, że przy określonych warunkach zewnętrznych końcowa temperatura w chłodnicy sprężonego gazu odpowiada temperaturze skraplania konwencjonalnego ziębnika Z badań porównawczych przekazywania ciepła w wymiennikach o jednakowej powierzchni wymiany i jednakowym strumieniu przekazywanego ciepła wynika, że w przypadku występuje znacznie większa średnia różnica temperatur Ma to duży wpływ na wartość COP obiegu odniesioną do warunków zewnętrznych (np temperatury powietrza chłodzącego) Zaniża się wartość wskaźnika izentropowej efektywności sprężarki Przy porównaniu zakłada się zbliżone wartości względne spadków ciśnienia w zaworach dla różnych ziębników W przypadku sprężania występuje nie tylko niższa wartość sprężu, lecz wobec małego strumienia masy również małe spadki względne ciśnienia, co w wielu zastosowaniach prowadzi do zwiększenia wskaźnika efektywności o 10 15 % Nie uwzględnia się szczególnych właściwości jako ziębnika przy projektowaniu instalacji Dla zilustrowania tej tezy podaje się tu tylko dwa przykłady: wysoki gradient temperatury gazu w chłodnicy można wykorzystać do rekuperacji ciepła o wysokim poziomie temperatury, przy konfiguracji wymiennika, zapewniającej wymianę ciepła w przeciwprądzie; wprowadzenie bezpośredniego oziębiania z użyciem, jako alternatywnego rozwiązania dla systemów z oziębianiem pośrednim, w przypadku gdy muszą one być stosowane ze względu na palność i/lub toksyczność ziębników lub skażenie środowiska powodowane przez nie Zakłada się jednakową efektywność działania wymienników ciepła niezależnie od rodzaju ziębnika, który współuczestniczy w przekazywaniu ciepła W praktyce stwierdzono, że najczęściej współdziałanie wymiennika z jest bardziej efektywne niż z innymi ziębnikami, zarówno w obszarze nadkrytycznym jak i podkrytycznym, dwufazowym W przypadku aparatów chłodzonych powietrzem i zastosowania w nich rurek o mniejszej średnicy, przy zachowaniu gabarytów aparatu, stwarza się możliwość zwiększenia powierzchni wymiany ciepła od strony powietrza a przy równoczesnej możliwości zmniejszenia oporów powietrza, prowadzi to do zmniejszenia różnicy temperatur w wymienniku, np w parowaczu Porównania są często przeprowadzane tylko dla warunków projektowych Przy rozpatrywaniu obiegów przeznaczonych do zastosowań w chłodnictwie lub w klimatyzacji często zakłada się wysokie temperatury otoczenia, przy których wypada niekorzystnie pod względem efektywności energetycznej Tymczasem, przy uwzględnieniu sezonowej zmienności temperatur otoczenia w roku, porównanie to ulega zmianie na korzyść a przy wyznaczaniu kosztów eksploatacji liczy się sumaryczne zużycie energii a nie nominalny wskaźnik efektywności uzyskiwany w warunkach projektowych Jednostopniowe obiegi wykazały w wielu zastosowaniach zdolność konkurowania z innymi ziębnikami W niektórych zastosowaniach korzystniejsze są rozwiązania dwustopniowe, np gdy chodzi o uzyskanie wyraźnego obniżenia końcowej temperatury sprężania lub o zwiększenie efektywności obiegu Na przykład stosując oziębianie międzystopniowe oraz doziębianie ziębnika przed zaworem rozprężnym parowacza, przy temperaturze parowania 35 C i temperaturze otoczenia +30 C można w takiej instalacji uzyskać wzrost efektywności ziębienia o 30 % i stopnia dostarczenia o 40 % Inne możliwości zwiększenia efektywności obiegu uzyskuje się przy wykorzystaniu jego energii rozprężania Obiegi modyfikowane 1 Schematy jednostopniowych obiegów ziębniczych: a) system Carnota z rozprężarką, b) system Lindego bez rozprężarki Przemiana rozprężania dokonywana w obiegu Carnota (rys 1a) za pośrednictwem rozprężarki, umożliwia przetwarzanie energii potencjalnej sprężonego ziębnika na mechaniczną moc napędową, nadającą się do wykorzystania Jest więc przemianą odwracalną Natomiast rozprężanie ziębnika w elemencie dławiącym obiegu Lindego (rys 1b) jest przemianą nieodwracalną, obniżającą efektywność ziębniczą tego obiegu w porównaniu z obiegiem Carnota W tabeli 1 podano wyniki obliczeń teoretycznych, określające procentowo możliwość zwiększenia wskaźnika efektywności ziębienia ε z i efektywności grzania (pompa ciepła) ε g przy zastosowaniu rozprężarki w obiegu na przykładzie kilku znanych ziębników i Chłodnictwo tom XLII 2007 r nr 10 33 tel +22 772 64 18, 772 64 83 fax +22 772 65 02 kom 602 725 266 wwwcoolpl e-mail: cool@coolpl
Z porównania danych w tabeli 1 wynika, że np amoniak uzyskuje 2 2,5 razy mniejszy przyrost wskaźników efektywności niż pozostałe ziębniki Natomiast osiąga 2 2,5 wyższe przyrosty wskaźników niż te ostatnie Nawet po uwzględnieniu efektywności rzeczywistych procesów są to wartości znaczące i według [8] szczególnie warte uwzględnienia w małych urządzeniach przeznaczonych dla chłodnictwa handlowego i pomp ciepła o wydajności chłodnicy gazu od 10 do 15 kw TABELA 1 Teoretyczny wzrost efektywności obiegu ziębienia i grzania przy zastosowaniu rozprężarki [8] ε Ziębnik εz g R 12 22,6% 18,6% R 134a 25,7% 20,9% R 290 (propan) 28,1% 22,8% R 410A 28,7% 23,1% R 600a (izobutan) 25,4% 20,7% R 717 (amoniak) 10,6% 8,7% R 744 ( ) 66,7% 47,4% 2 Schemat instalacji ziębniczej dla chłodziarki napojów [30] Powiązanie rozprężarek z obiegami dwustopniowymi umożliwia dalsze zwiększenie efektywności wykorzystania Z przeprowadzonych badań [26] wynika, że stosowanie takich obiegów jest korzystne w większości zastosowań w klimatyzacji W zakresie pomp ciepła również na ogół uzyskuje się podobne korzyści W instalacjach ziębniczych zastosowanie układu dwustopniowego z rozprężarką umożliwia uzyskanie zbliżonych wskaźników efektywności, jak np w przypadku dwustopniowej instalacji na R22 Aktualne kierunki rozwoju zastosowań Chłodnictwo komercyjne 1) Ten obszar zastosowań można już obecnie uznać za znaczący dla Szereg dużych producentów (OEM) i odbiorców mebli chłodniczych (Coca Cola, Unilever) już od kilku lat bada meble [23] obsługiwane przez instalacje (rys 2) wyposażone w sprężarki doświadczalne z serii próbnych przygotowanych przez różnych producentów 1) Instalacje i meble chłodnicze dla handlu (supermarkety, sieci handlowe, sklepy detaliczne) 3 Schemat instalacji ziębniczej kaskadowej /R404A dla supermarketów [12] Dzięki zmniejszonym gabarytom sprężarek, ich cichobieżności i mniejszym średnicom rurociągów uzyskuje się większą elastyczność w ustawianiu mebli i lepsze wykorzystanie powierzchni sprzedaży niż w przypadku innych czynników Dodatkowym aspektem stosowania jest również podniesienie poziomu szeroko rozumianego efektu ochrony środowiska, co jest coraz częściej wykorzystywane przez sieci handlowe przy budowie nowych supermarketów wyposażonych w instalacje na (rys 3), jako element konkurencyjności Chłodnictwo przemysłowe W tym obszarze zastosowania uzyskano już konkretne efekty, wielu producentów już wdrożyło do produkcji nowe odmiany sprężarek, zbudowano wiele pilotowych instalacji o dużej wydajności ma tutaj możliwość zastępowania dotychczas bardzo rozpowszechnionego NH 3, w dolnych stopniach instalacji dwustopniowych lub kaskadowych Jako uzasadnienie rozwoju tego kierunku zastosowań wymienia się na ogół następujące efekty techniczne i ekonomiczne: redukcję napełnienia dotychczas stosowanych dużych instalacji ziębniczych na NH 3 ; zmniejszenie nakładów na utrzymanie instalacji Zmniejszenie kosztów opłat obowiązkowych polis ubezpieczeniowych i ubezpieczenia ryzyka przechowywania produktów w komorach niskotemperaturowych; 34 AGREGATY CHŁODNICZE ZESPOŁY SPRĘŻARKOWE Chłodnictwo tom XLII 2007 r nr 10
zmniejszenie zużycia energii, dzięki korzystniejszej wartości wskaźnika efektywności w zakresie temperatur parowania t o < 45 C, w porównaniu z dwustopniowymi instalacjami amoniakalnymi; mniejsze koszty inwestycji przy budowie urządzeń ziębniczych dla zakresu parowania poniżej 35 C, wskutek stosowania mniejszych sprężarek, zbiorników, armatury i przewodów rurowych; optymalizację procesów oziębiania i zamrażania dzięki możliwości obniżenia temperatury parowania do 54 C Za racjonalny zakres zastosowania uważa się przedział temperatur parowania pomiędzy 35 a 54 C Powyżej tego zakresu dwustopniowe instalacje amoniakalne są pod względem zużycia energii korzystniejsze Jako optymalne do kojarzenia z w kaskadzie uznaje się NH 3, jako ziębnik pochodzenia naturalnego i R507, jako wypróbowany zamiennik dla NH 3 Natomiast w instalacjach dla chemii różne węglowodory, przy czym konieczne jest tu stosowanie zabezpieczeń przeciwwybuchowych Według aktualnego rozpoznania przewiduje się możliwości stosowania instalacji kaskadowych z użyciem, w obszarach przedstawionych przykładowo na rysunku 4 Zastosowania w tych obszarach zosta- ły już częściowo sprawdzone w eksploatacji, z pozytywnym wynikiem Transport chłodniczy Eksploatowanie urządzeń ziębniczych w transporcie drogowym, kolejowym i morskim jest związane z dużą emisją stosowanych w tych urządzeniach ziębników grupy HFC i stanowi potencjalny obszar dla zastosowań [3, 22] Inne ziębniki naturalne natrafiają na trudności z ich zaakceptowaniem bez zastosowania szczególnych środków zabezpieczających, ze względu na palność i toksyczność, względnie nie dysponują dostateczną efektywnością energetyczną W toku są min badania kilku różnych instalacji ziębniczych na dla kontenerów Uzyskano analogiczne wskaźniki efektywności jak dla ziębników HFC Badane są również instalacje niskotemperaturowe na dla pojazdów chłodniczych z płytami eutektycznymi Pompy ciepła Różne firmy w Europie, USA i Japonii (Frostmannn, Denso, Termoking) pracują nad rozwojem pomp do ogrzewania wody o wysokim potencjale temperaturowym, na Wskaźnik efektywności takiej pompy osiąga bardzo wysokie wartości w porównaniu z pompami konwencjonalnymi W Japonii firma Denso oferuje pierwsze pompy tego typu dla domów mieszkalnych 4 Typowe rozwiązania układów kaskadowych /NH 3 proponowane dla różnych zastosowań przemysłowych [14] 1 oziębianie powietrza / zamrażanie 2 oziębianie gazów / skraplanie 3 oziębianie czynników pośredniczących 4 suszenie sublimacyjne / liofilizacja Chłodnictwo tom XLII 2007 r nr 10
Stosowanie w niektórych rodzajach urządzeń jest już praktykowane w trybie standardowych dostaw Pompa ciepła przedstawiona na rysunku 5, o wydajności nominalnej 60 kw, działa w zakresie temperatur powietrza od 15 do +46 C produkując wodę o temperaturze od 50 do 80 C Wszystkie dotychczas znajdujące się w trakcie projekty badawcze i uzyskane wyniki wskazują na dalsze perspektywy rozwoju zastosowań, jako ziębnika przyszłościowego dla pomp ciepła [29, 31, 32, 34] Klimatyzacja Klimatyzacja stanowi poważny obszar potencjalnych zastosowań Na pierwszym miejscu należałoby postawić klimatyzację samochodów Ogromne zużycie (emisja) ziębników występujące w tej dziedzinie daje poważny atut Silny impuls został nadany tej sprawie przez prof Lorentzena, który już w 1993 r przedstawił, opatentowaną przez siebie, koncepcję uniwersalnego klimatyzatora pompy ciepła na z przeznaczeniem do samochodów osobowych (rys 6) 5 Schemat doświadczalnej pompy ciepła powietrze/woda do ogrzewania wody użytkowej dla szpitala [35] 6 Schemat i wykres transkrytycznego obiegu ziębniczego klimatyzatora samochodowego [1] 1 sprężarka, 2 chłodnica/skraplacz, 3 wymiennik rekuperacyjny, 4 zawór dławiący, 5 parowacz, 6 zbiornik cieczy Prace badawcze w tym zakresie są obecnie daleko zaawansowane [20] Między innymi opracowano i przebadano z powodzeniem prototypy sprężarek [22], wymienników i przewodów giętkich do tych celów Zaawansowane również są prace badawcze w zakresie stacjonarnych klimatyzatorów oraz urządzeń klimatyzacyjnych [33] Stopień zaawansowania prac badawczych i wdrożeń osiągnięty w chwili obecnej świadczy o tym, że w coraz większym wymiarze zdobywa pozycję ziębnika, który ma zapewnione miejsce w grupie ziębników przyszłościowych, długoterminowych, przewidzianych do stosowania w konkretnych obszarach klimatyzacji Ciąg dalszy artykułu zaprezentujemy w numerze 11/2007 informuje: Nowi członkowie KFCh Informujemy, że w dniu 4 października 2007 r Zarząd KFCh podjął uchwałę o przyjęciu kolejnych dwóch firm w poczet członków Krajowego Forum Chłodnictwa Nowi członkowie to: PW ABATEX Andrzej Pędziwiatr z Częstochowy oraz TeKlim sc P Janowski, P Młoźniak z Warszawy Wynika z tego, że po przyjęciu nowych członków Forum zrzesza obecnie już 95 firm z 43 miast Polski Jeszcze niższa składka KFCh Również w dniu 4 października Zarząd KFCh podjął uchwałę, zgodnie z którą firmy przyjęte do Krajowego Forum Chłodnictwa w czwartym kwartale br zapłacą jedynie 50% standardowej składki członkowskiej Oznacza to, że składka za 2007 rok dla małych firm może wynieść zaledwie 125 zł Ale to nie jedyna korzyść z przystąpienia do Forum Zgodnie z nadesłaną do redakcji informacją podajemy, że z kolejnych znaczących upustów nowi członkowie mogą skorzystać decydując się na uczestnictwo w szkoleniach w regionalnych Centrach Szkoleń i Certyfikacji KFCh Nowi członkowie mogą też skorzystać ze współpracy Forum z wywiadownią gospodarczą Creditreform, jedną z kluczowych tego typu firm działających w Polsce 36 AGREGATY CHŁODNICZE ZESPOŁY SPRĘŻARKOWE Chłodnictwo tom XLII 2007 r nr 10