POLITECHNIKA GDAŃSKA Referat z Chłodnictwa Temat: Aspekt techniczny stosowania węglowodorów w spręŝarkowych urządzeniach chłodniczych z uwagi na bezpieczeństwo ich uŝytkowania. Wykonała: Marta Gołębiewska Wydz. Mech. SUCHiK sem. VIII rok akad. 2006/2007 Gdańsk 2007
Węglowodory stosowane w urządzeniach chłodniczych to przede wszystkim propan, izobutan oraz mieszaniny węglowodorów i dwutlenek węgla. Skupiono się głownie na tych, ze względu na ich palność a takŝe wybuchowość, przez co w wielu badaniach wykorzystywano je wyłącznie jako domieszki do płynów typu HFC(fluoro-weglowodory) i HCF(chlorofluoro-weglowodory). Węglowodory odznaczają się duŝą ilością atomów wodoru w cząsteczce, dzięki czemu został obniŝony potencjał niszczenia ozonu a takŝe zwiększoną moŝliwość współpracy mieszaniny z olejami mineralnymi. Główny podział węglowodorów 2
IZOBUTAN R600a Izobutan jest węglowodorem nasyconym pochodzenia mineralnegobezbarwny, bezzapachowym związkiem organicznym. Historia IZOBUTANU jako czynnika chłodniczego, sięga pierwszych lat 90. W poszukiwaniu substytutu dla R12 i R134a wprowadzono do chłodziarek domowych właśnie izobutan. Wada tego czynnika jak dla kaŝdego węglowodoru jest palność, dlatego tak istotny jest aspekt bezpieczeństwa. Jednak aby do tego przejść naleŝy po krotce scharakteryzować istotne zalety tego czynnika stosowanego głownie w małych urządzeniach chłodniczych, klimatyzacyjnych i pomp ciepła z czynnikami HC. niska masa molowa oraz lepkość dynamiczna. Własności te decydują o wysokich współczynnikach wymiany ciepła w parownikach i skraplaczach oraz o niskich hydraulicznych oporach przepływu w wymiennikach ciepła niskie ciśnienie skraplania, które umoŝliwia stosowanie lekkich konstrukcji urządzeń spręŝarek, wymienników ciepła, rurociągów i armatury. W związku z tym urządzenia te charakteryzują się małym zuŝyciem materiałów konstrukcyjnych a takŝe niska cena. Niskie ciśnienie skraplania oznacza równieŝ, ze wyciek czynnika z instalacji przy tej samej wielkości nieszczelności jest około 2- krotnie mniejszy niŝ w przypadku R12 lub R134a współczynnik wydajności chłodniczej COP w odwracalnym obiegu Rankina- realizowany w zakresie temperatur -15 i 30( wg stopni Celsjusza) nie ustępuje czynnikom R12i R134a, a nawet jest nieco wyŝszy Niskie zuŝycie energii napędowej oznacza z jednej strony-> niŝszy koszt eksploatacji, a z drugiej dobrze słuŝy ekologii, bowiem na wytwarzanie 1kWh energii elektrycznej w siłowniach konwencjonalnych przypada średnio ok. 0.65 kg emitowanego do atmosfery dwutlenku węgla w przeciwieństwie do R12 i R134a, izobutan odznacza się niska przenikliwością przez materialny konstrukcyjne i uszczelnieniowe 3
niska temperatura spręŝania pary R600a umoŝliwia osiągnięcie znacznego dochładzania czynnika w rurce kapilarnej przylutowanej do przewodu ssawnego. Niska temperatura spręŝania poprawia warunki smarowania oraz zapobiega rozkładowi czynnika podczas pracy urządzenia w warunkach wysokiej temperatury Np. w klimacie tropikalnym Własności ekologiczne, termodynamiczne i uŝytkowe czynników R600a, R134a i R12 Lp. Jednostka Izobutan R600a R134a R12 1 ODP - 0 0 0,9 2 GWP 3 1300 7300 (horyzont czasowy ITH=100lat) 3 Temperatura punktu krytycznego C 134,54 101,1 112 4 Ciśnienie punktu krytycznego bar 33,3 40,58 41,57 5 Objętość właściwa w punkcie krytycznym m3/kg 4,44*10-3 2,01*10-3 3 1,792*10-6 Punkt wrzenia (przy 1,013 bar) C -11,6-26,1-29,8 Objętościowa wydajność chłodnicza przy 7 0 C kj/m3 1510 2869 2740 8 Masa molowa kg/kmol 58,1 102 120 10 Przedział palności w powietrzu %v/v,kg/m 3 9 Lepkość dynamiczna cieczy (-20 C) 10 6 Ns/m 2 260,7 354,56 316,8 0,189 * * 1,9-10,0,034-11 Temperatura zapłonu C 460 * * 12 Trwałość chemiczna - trwały trwały trwały 13 Łatwość wykrywania w powietrzu - zła b.zła dobra 14 Toksyczność - niewielka zerowa zerowa 15 Wymagany olej smarny - mineralny syntetyczny estrowy mineralny 16 Kompatybilność - dobra b.zła dobra z materiałami konstrukcyjnymi 17 WraŜliwość na wilgoć - mała b.duŝa średnia 18 Cena rynkowa względna - a (30-50)a 10a 19 Wielkości charakterystyczne odwracalnego obiegu chłodniczego Rankina: -15/30 C Ciśnienie skraplania bar 4,036 7,707 7,432 Ciśnienie parowania bar 0,89 1,64 1,827 Stosunek spręŝania - 4,57 4,7 4,08 Współ. Wydajności chłodniczej(cop) przy przegrzaniu t=0 C - 4,69 4,62 4,67 przy przegrzaniu t=20 C - 4,82 4,71 4,71 Końcowa temperatura spręŝania C 30 36,6 39,2 * Palne w mieszaninie z powietrzem przy bardzo wysokich temperaturach i ciśnieniach. Trudne do zapalenia 4
PROPAN R290 Propan jako czynnik chłodniczy jest stosowany w duŝych instalacjach chłodniczych w przemyśle chemicznym, petrochemicznym oraz w zakładach skraplania i rozdzielania gazów. Masa molowa propanu 44kg/kmol, predestynuje go do roli optymalnego czynnika chłodniczego w duŝych układach chłodzenia cieczy wyposaŝonych w turbospręŝarki. Propan naleŝy do rodziny węglowodorów nasyconych. Jest czynnikiem przyjaznym gdyŝ podobnie jak Izobutan w postaci czynnika jest przyjazny dla środowiska ODP=0 a takŝe GWP=0. Zmiany spręŝu w funkcji temperatury parowania dla propanu i czynnika R22 są bardzo istotne. NiŜsza wartość spręŝu osiągana dla R290 jest niewątpliwie waŝną zaletą, pozwalająca na uzyskanie niŝszych temperatur parowania przy nie zwiększonym nakładzie energetycznym w porównaniu z R22. NiŜszy spręŝ to, to równieŝ większa trwałość urządzenia chłodniczego i dłuŝszy okres jego bezawaryjnej eksploatacji oraz moŝliwość uzyskiwania niskich temperatur parowania (do -40 C) w jednym stopniu spręŝania. Ta cenna własność propanu poprawia nie tylko warunki smarowania ale takŝe czyni ten płyn odpornym na rozkład termochemiczny. Jeśli bowiem chodzi o warunki bezpieczeństwa to musi być spełniony warunek, Ŝe objętość pomieszczenia, w którym ustawione urządzenie jest tak duŝa, aby w przypadku pęknięcia np. przewodu i utleniania się całego napełnienia, stęŝenie wytworzonej w pomieszczeniu mieszaniny propanu i powietrza było bezwzględnie niŝsze niŝ połowa wartości dolnej granicy wybuchowości. 5
Dopuszcza się takŝe takie rozwiązania: przy napełnieniu do 1 kg: zapewnienie wentylacji naturalnej [ przekrój otwory went. 0,3m2] przy napełnieniu powyŝej 1 kg dopuszcza się trzy moŝliwości: 1. Ustawienie urządzenia na otwartej przestrzeni lub zapewnienie wentylacji naturalnej o przekroju [m2]>0.148*m( M napełnienie w kg) 2. zastosowanie wentylowanej obudowy urządzenia 3. Zastosowanie wentylacji mechanicznej o wydajności V= 14*M^2/3[1/s] działającej w sposób ciągły lub uruchomionej czujnikiem stęŝenia propanu w powietrzu Ze względu na palność tego czynnika, stosuje się czujniki instalacji wczesnego ostrzegania w wypadku wycieku, przy jego zawartości powyŝej 300g i urządzeniu ustawionym w zamkniętym pomieszczeniu. Instalacja taka moŝe automatycznie unieruchomić agregat a takŝe włączyć układ wentylacji awaryjnej. 6
Dlatego bardzo często wymaga się takŝe perfumowania czynników grupy HC siarko- pochodnymi gazami aromatycznymi. Problem bezpieczeństwa uŝytkowania urządzeń chłodniczych z palnymi czynnikami HC jest dość dyskusyjny, przede wszystkim w USA, ale jednoznacznie został rozwiązany w Europie. Zapłon kaŝdego czynnika HC wymaga zbieŝności w czasie i przestrzeni kilku niekorzystnych okolicznościach przede wszystkim musi zaistnieć wyciek czynnika musi powstać mieszanka czynnika HC z powietrzem w granicach palności, gdyŝ ani powyŝej ani poniŝej tych granic nie jest on palny jednocześnie musi zaistnieć źródło zapłonu o energii większej niŝ 0.25 milidŝula lub powierzchnia ciała stałego o temperaturze powyŝej 440(0C) Prawdopodobieństwo jednoczesnego zaistnienia wszystkich powyŝszych okoliczności jest małe- tym mniejsze ze stanowią one treść podstawowych przepisów bezpieczeństwa. Natomiast środki które się stosuje aby zapobiec niebezpieczeństwu wybuchu czy tez zapłonu HC są następujące: instalacja chłodnicza musi być przede wszystkim hermetyczna, pozbawiona jakichkolwiek połączeń rozbieralnych oraz powinna pracować bez drgań i wstrząsów zawartość czynnika w instalacji powinna być zminimalizowana na poziomie technicznej wykonalności zgodnie z projektem EN 378- przy zawartości czynnika do 150g nie ma ograniczeń w stosowaniu urządzeń hermetycznych z czynnikami HC w dowolnych pomieszczeniach zamkniętych bez wentylacji. W grupie tej mieszczą się urządzenia chłodnicze domowe, małe klimatyzatory przenośne czy tez pompy ciepła oraz małe urządzenia chłodnicze handlowe. JeŜeli zawartość czynnika przekracza 150g, wówczas przestrzeń powietrza netto pomieszczenia, w którym są one instalowane, powinna być wystarczająco duŝa, aby przy wycieku całej zawartości czynnika jego stęŝenie rzeczywiste w powietrzu tego pomieszczenia, było 7
co najmniej 2- krotnie mniejsze od stęŝenia odpowiadającego dolnej granicy zapłonu. JeŜeli wymaganie to nie moŝe być spełnione, wówczas stosuje się wentylacje awaryjna, włączona automatycznie za pośrednictwem czujnika wykrywającego w powietrzu powinny być wyeliminowane wszelkie potencjalne źródła zapłonu związane z układem elektrycznym urządzenia. Wszystkie elementy elektryczne o potencjalnych moŝliwościach iskrzenia powinny być wykonane gazoszczelnie Dobre czynniki chłodnicze to takie których współczynniki ODP=0 i GWP=0, a takŝe odznaczający się jednocześnie niskim zuŝyciem energii napędowej podczas eksploatacji urządzeń. Czynniki takie powinny takŝe zezwalać stosowanie lekkich konstrukcji urządzeń, gdyŝ niezaleŝnie od ceny materiałów na ich pozyskiwanie i przetworzenie zuŝywana jest energia elektryczna, co jest związane z emisją dwutlenku węgla do atmosfery. Węglowodory spełniają te wymagania, toteŝ są stosowane pomyślnie w chłodnictwie klimatyzacji i pompach ciepła. 8
Literatura: 1. Z. Bonca, D. Butrymowicz, W. Targańki, T. Hajuk Nowe czynniki chłodnicze i nośniki ciepła 2. Technika chłodnicz i klimatyzacja 4/1997 3. Chłodnictwo & Klimatyzacja 3/2001 9