Aspekt techniczny stosowania węglowodorów w sprężarkowych …

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
1 ODP
0
2 GWP
3
(horyzont czasowy ITH=100lat)
3 Temperatura punktu krytycznego
°C
134,54
4 Ciśnienie punktu krytycznego
bar
33,3
5 Objętość właściwa w punkcie krytycznym
m3/kg
6 Punkt wrzenia (przy 1,013 bar)
Objętościowa wydajność chłodnicza przy
7 0°C
8 Masa molowa
9 Lepkość dynamiczna cieczy (-20°C)
°C
10
11
12
13
14
Przedział palności w powietrzu
Temperatura zapłonu
Trwałość chemiczna
Łatwość wykrywania w powietrzu
Toksyczność
-3
%v/v,kg/m
°C
-
3
0,9
7300
101,1
40,58
112
41,57
1,792*10
-3
4,44*10
kJ/m3
kg/kmol
6
2
10 Ns/m
R12
0
1300
3
2,01*10
-11,6
-26,1
-29,8
1510
58,1
260,7
1,9-10,0,0340,189
460
trwały
zła
niewielka
2869
102
354,56
2740
120
316,8
*
*
trwały
b.zła
zerowa
syntetyczny
estrowy
b.zła
15 Wymagany olej smarny
mineralny
16 Kompatybilność
dobra
z materiałami konstrukcyjnymi
17 WraŜliwość na wilgoć
mała
b.duŜa
18 Cena rynkowa względna
a
(30-50)a
19 Wielkości charakterystyczne
odwracalnego obiegu
chłodniczego Rankina: -15/30°C
Ciśnienie skraplania
bar
4,036
Ciśnienie parowania
bar
0,89
Stosunek spręŜania
4,57
Współ. Wydajności chłodniczej(COP)
przy przegrzaniu ∆t=0°C
4,69
przy przegrzaniu ∆t=20°C
4,82
Końcowa temperatura spręŜania
°C
30
* Palne w mieszaninie z powietrzem przy bardzo wysokich temperaturach i ciśnieniach.
Trudne do zapalenia
*
*
trwały
dobra
zerowa
mineralny
dobra
średnia
10a
7,707
1,64
4,7
7,432
1,827
4,08
4,62
4,71
36,6
4,67
4,71
39,2
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