własności cieplne, względy bezpieczeństwa użytkowania i

własności cieplne, względy bezpieczeństwa użytkowania i

- 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 m2
 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*M2/3
[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”