Amoniak jako czynnik chłodniczy.
Transkrypt
Amoniak jako czynnik chłodniczy.
POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Chłodnictwo Seminarium Prowadzący: Dr inż. Z. Bonca Wykonali: Patrycja Puzdrowska Dawid Szuliński SUChiKl WM sem. 1 Konspekt prezentacji: 1.Wstęp 1.1. Co to jest amoniak?? 1.2. Amoniak jako czynnik chłodniczy 1.3. Historia 1.4. Obszar zastosowania 2. Zalety 2.1. Własności termodynamiczne 2.2. Aspekt ekonomiczny 2.3. Oddziaływanie na środowisko 2.4. Aspekt bezpieczeństwa 3. Wady i ograniczenia 3.1. Źródła zagrożenia 3.2.Amoniak w ciele człowieka 3.3. Ograniczenia zastosowania R717 4. Podsumowanie 4.1.Bezpieczne urządzenie chłodnicze 4.2. Przykłady urządzeń amoniakalnych 5. Bibliografia 2 Co to jest amoniak?? Amoniak jest to nazwa zwyczajowa nieorganicznego związku chemicznego NH3,, czyli wodorku azotu(III) – znanego także pod nazwą systematyczną azan. azan. W normalnych warunkach atmosferycznych jest bezbarwnym gazem o silnie drażniącym zapachu, trującym, charakteryzujący charak się ostrym alkalicznym smakiem. Amoniak jako czynnik chłodniczy Jak wiemy dotychczas nie wynaleziono takiej substancji, która spełniałaby wszystkie wymagania stawiane idealnemu czynnikowi chłodniczemu, wobec tego wybór płynu roboczego jest zawsze kompromisem między jego zaletami i wadami. W związku z tym inżynier chłodnictwa musi zdecydować na podstawie wielkości urządzenia, jego typu czy temperatury temperatury parowania jaki czynnik chłodniczy wybrać. ć. Amoniak jest niewątpliwie jednym z najdłużej używanych czynników chłodniczych. Żaden inny czynnik nie może się pochwalić ponad 150-letnim, 150 nim, nieprzerywanym stosowaniem i poprzez przez to żaden czynnik chłodniczy chłodniczy nie został tak dogłębnie sprawdzony i poznany w praktyce jak amoniak. Nabyte w tak długim okresie doświadczenie obejmuje aspekty technicznotechniczno eksploatacyjne a także fizjologiczne i psychologiczne. Dzięki temu - uprzedzeń wobec tego czynnika nie mają inżynierowie, erowie, technicy oraz wykwalifikowane służby techniczno ruchowe. Niestety, obawy przed amoniakiem ciągle jeszcze przeważają w społeczeństwie. Nie zawsze dostrzega się konieczność umiejętnego współżycia z tym płynem roboczym, tak jak i z innymi – często większymi kszymi zagrożeniami z jakimi spotyka się współczesny człowiek jak np.: użytkowanie kuchni gazowych, zagrożenia komunikacyjne i wiele innych. Ponadto znajduje on – zwłaszcza w ostatnich latach – zastosowanie w coraz to innych działalnościach człowieka. Patrząc Patrząc z perspektywy czasu oraz biorąc pod uwagę uw obecny obszar zastosowania amoniaku, moniaku, można łatwo dojść do wniosku, że amoniak musi posiadać duże zalety, które przyczyniły się do tego faktu. Historia amoniaku w chłodnictwie Amoniak w chłodnictwie został po raz raz pierwszy zastosowany przez francuskiego wynalazcę Ferdinanda Carre w urządzeniu absorpcyjnym w roku 1859. W rozwoju amoniakalnych urządzeń chłodniczych możemy wyróżnić trzy okresy. Pierwszy okres został zapoczątkowany w latach 70 IX wieku, gdy David Boyle oraz raz Cal von Linde opatentowali prawie równocześnie, a następnie zbudowali pierwsze chłodnicze amoniakalne sprężarki tłokowe. W ten sposób amoniak stał się początkiem burzliwego rozwoju nowej wówczas dziedziny a mianowicie chłodnictwa. W małych instalacjach instalacjach chłodniczych amoniak nie zadał egzaminu, gdyż ze względu na wysoką jednostkową wydajność chłodniczą nie było możliwości wykonania odpowiednio małych sprężarek chłodniczych, więc w tym celu stosowano SO2 S i chlorek metylu. Zatem w tym okresie amoniak stał na czele wśród czynników chłodniczych, a jedynym jego konkurentem konkurentem do dużych instalacji był CO2. 3 Drugi okres, w którym nastąpił dynamiczny rozwój małych urządzeń chłodniczych związany jest niewątpliwie z wprowadzeniem na rynek w latach 30 XX-go wieku czynnika R12, a następnie R22. Na ich szybki rozwój miał przede wszystkim propagowany pogląd na bezpieczeństwo, gdyż czynniki chlorowcopochodne reklamowano przede wszystkim jaki czynniki całkowicie bezpieczne i trwałe, stawiając na pierwszy plan ich niepalność i nietoksyczność. W tym okresie amoniak stracił na sile właśnie ze względu na swoje właściwości palne i żrące. Nawet w latach 70-80 XX wieku coraz powszechniejsze były poglądy o całkowitym zaprzestaniu budowy amoniakalnych urządzeń chłodniczych. Po stwierdzeniu niszczącego oddziaływania niektórych substancji – w tym freonów – na warstwę ozonową oraz na wzmożenie efektu cieplarnianego, zasadniczo zmieniły się kryteria wobec stosowania czynników chłodniczych. Najpopularniejsze w chłodnictwie XX wieku bezpieczne czynniki roboczeR12 oraz R502 zostały uznane za niebezpieczne i szybko wycofane z produkcji a inne w tym R22 są w trakcie wycofywania. Zaczęto produkować nowe odmiany czynników chłodniczych, a równocześnie pojawiło się zielone światło dla naturalnych czynników chłodniczych w tym i dla amoniaku. W taki właśnie sposób można by powiedzieć amoniak wrócił do łask, ponieważ nie stwarzając niebezpieczeństwa dla ekosystemu, posiada doskonałe właściwości termodynamiczne, zalety ekonomiczne i użytkowe. O tym, że amoniak powrócił do roli najważniejszego czynnika chłodniczego może świadczyć fakt powstania w USA Międzynarodowego Instytutu Chłodnictwa Amoniakalnego (IIAR) z siedzibą w Waszyngtonie. Instytut ten zajmuje się rozwojem techniki i doskonaleniem bezpieczeństwa chłodnictwa amoniakalnego, nie tylko w zastosowaniach tradycyjnych, ale także w dziedzinach zdominowanych dotychczas przez syntetyczne czynniki chłodnicze np. klimatyzacji. Obszary stosowania amoniaku Zastosowania tradycyjne Do tradycyjnych dziedzin, w których nieprzerwanie od około 150 lat stosowane są amoniakalne urządzenia chłodnicze należą między innymi: - browarnictwo - ubojnie i przetwórstwo mięsa - rybołówstwo i przetwórstwo ryb - przechowalnictwo produktów chłodzonych i mrożonych - transport morski żywności chłodzonej i mrożonej - mleczarstwo i przetwórstwo nabiału, w tym produkcja tłuszczów roślinnych i lodów spożywczych Instalacje amoniakalne wykorzystywane są zarówno w chłodzeniu bezpośrednim a także pośrednim. Nowe dziedziny stosowania amoniaku Jako nowe dziedziny, w których amoniakalne urządzenia chłodnicze znajdują coraz większe zastosowanie można wymienić: - chłodzenie wody w procesach przemysłowych - handel hurtowy i detaliczny - klimatyzację przemysłową i komfortową Powrót amoniaku doprowadził w ostatnim okresie do znaczącego postępu technicznego w budowie, zastosowaniach i bezpieczeństwie eksploatacji, amoniakalnych urządzeń chłodniczych. Opracowano nowe, dostosowane do współczesnej techniki oraz potrzeb, przepisy bezpieczeństwa. W budowie urządzeń pojawiła się mnogość nowych rozwiązań. Wprowadzono sprężarki śrubowe, nowoczesne pompy i wentylatory oraz aparaturę o małym napełnieniu czynnikiem. Zastosowano 4 mikroprocesorową i komputerową automatykę sterującą, regulacyjną i zabezpieczającą, a także udoskonalono, znane z okresu przed freonowego, pośrednie układy chłodzenia, działające w oparciu o nowe, charakteryzujące się lepszymi własnościami odmiany chłodziw. Zalety Zalety amoniaku będziemy rozpatrywać w czterech płaszczyznach. A mianowicie pod kątem własności termodynamicznych, rozważymy aspekt ekonomiczny i aspekt bezpieczeństwa oraz omówię pokrótce jego wpływ na środowisko. Własności termodynamiczne - wysokie ciepło parowania powoduje, że ilość krążąca w instalacji, a niezbędna do odbioru określonego obciążenia cieplnego parownika, jest dużo mniejsza niż dla innych czynników chłodniczych w tym dla R22, dlatego też amoniak stosowany przede wszystkim w dużych urządzeniach chłodniczych - mała gęstość w porównaniu do czynników syntetycznych rzutuje na wymiary rurociągów i elementów konstrukcyjnych i występujące w nich straty ciśnienia. Można zatem stwierdzić, że przy tych samych wydajnościach i średnicach rurociągów, straty energii na przetłaczanie amoniaku w instalacji będą niższe - nie występują problemy z olejem, gdyż stosowane do współpracy z amoniakiem środki smarne pochodzenia mineralnego nie mieszają się z nim. W związku z tym w sprężarce praktycznie występuje olej bez amoniaku, a zatem znacznie mniejszy jest problem pienienia się w niej środka smarnego niż w sprężarkach freonowych. Ponieważ olej ma większą gęstość niż amoniak, w związku z tym powstaje poza odolejaczem możliwość odolejania instalacji, np. w dolnej części skraplacza i parownika. - współczynniki przejmowania i przewodzenia ciepła amoniaku zarówno dla jego fazy ciekłej jak i parowej są bardzo wysokie - wysoki COP – niezmiernie istotną wielkością dla energetycznej oceny zalet substancji, jako płynu roboczego jest współczynnik wydajności chłodniczej, instalacje amoniakalne charakteryzują się wysokim współczynnikiem wydajności chłodniczej, dzięki wysokiej jednostkowej wydajności chłodniczej Aspekt ekonomiczny - niska cena czynnika, dużo niższa niż czynników syntetycznych - niskie koszty eksploatacji, które powodują, że mimo dużych kosztów inwestycyjnych, przy większych urządzeniach dosyć szybko otrzymujemy zwrot kosztów inwestycji Oddziaływanie na środowisko Amoniak charakteryzuje się pełną obojętnością ekologiczną, ponieważ jego wskaźniki ODP i GWP są zerowe. Niskie koszty energii zużytej do napędu urządzenia chłodniczego, powoduje minimalizację TEWI. Jest on nie tylko nieszkodliwy dla środowiska naturalnego, ale odgrywa w tym środowisku pozytywną rolę. W postaci gazowej – dzięki swojej wysokiej dyfuzyjności – łatwo przenika do atmosfery i unosi się w niej ku górze. W kontakcie z wodą i obecnym w atmosferze dwutlenkiem węgla, rozkłada się na spłukiwany przez deszcze wodorowęglan amonu, powstający zgodnie z następującą reakcją chemiczną NH3+CO2+H2O-> NH4HCO3. W reakcji tej zawarty jest mechanizm przechwytywania i sprowadzania na ziemię wyemitowanego do atmosfery CO2, w postaci związku amonowego, użyźniającego gleby uprawne. Trudno sobie wyobrazić czynnik bardziej przyjazny dla środowiska naturalnego. Należy jednak pamiętać, że emisja amoniaku do atmosfery musi odbywać 5 się w odpowiedni sposób, gdyż bezpośrednie wypuszczanie amoniaku do atmosfery jest niebezpieczne dla organizmów żywych, dlatego należy jego pary odprowadzać przez wodę, aby rozpuścić amoniak w wodzie. Aspekt bezpieczeństwa - dobre działanie ostrzegawcze – nawet znikome nieszczelności prowadzące do koncentracji NH3 w powietrzu na poziomie około 0,01 g/m3, są wyczuwalne jako ostry zapach. Próg wykrywalności amoniaku jest dwudziestokrotnie niższy od stężenia szkodliwości. Takie nieszczelności można łatwo zlokalizować prostymi środkami np. za pomocą zwilżonego czerwonego papierku wskaźnikowego, który przy kontakcie z NH3 zabarwia się na niebiesko. Przy kontakcie palącego się płomieniem włókna siarkowego z miejscem wycieku NH3 pojawia się dobrze widoczny biały dym. - rosnące bezpieczeństwo instalacji amoniakalnych – mimo niebezpiecznych właściwości jakie posiada amoniak, pamiętajmy o tym, że współczesne instalacje amoniakalne są coraz bezpieczniejsze. Należy podkreślić, iż bezpieczne stosowanie amoniaku uwarunkowane jest właściwym zaprojektowaniem i prawidłowym wykonaniem instalacji lub urządzenia. Źródła zagrożenia (wspólne dla wszystkich czynników chłodniczych) Bezpieczeństwo urządzenia chłodniczego zależy od wielu okoliczności. Podstawową rolę odgrywają tzw. źródła zagrożenia czyli niektóre fizyczne i chemiczne właściwości czynnika chłodniczego. Do wspólnych dla wszystkich czynników chłodniczych należą: - wysokie ciśnienie i niska temperatura czynnika chłodniczego. Zagrożenia tymi wielkościami powstają w wyniku działania różnych czynników zewnętrznych, np. przez pożar lub uszkodzenia mechaniczne - agresywność środowiska naturalnego oraz płynów roboczych wobec materiałów konstrukcyjnych w wyniku złego wykonania i eksploatowania - szkodliwe oddziaływanie płynów roboczych wobec środowiska naturalnego (niszczenie warstwy ozonowej, powiększanie efektu cieplarnianego) - ilość zastosowanego czynnika chłodniczego, co stwarza niebezpieczeństwo w przypadku jego wycieku Właściwości specyficzne dla amoniaku: -palność i wybuchowość amoniaku w mieszaninie z powietrzem Granice wybuchowości: 15-34% obj. 108000-240000 mg/m3 Temperatura zapłonu: 650°C Energia zapłonu ( dla 20°C i 101 kPa): 14 mJ -toksyczność: amoniak jest związkiem chemicznym toksycznym i w niektórych okolicznościach może on być groźny dla zdrowia i życia człowieka. ~wylany w stanie ciekłym na skórę wywołuje silne stany zapalne i oparzenia ~ ze względu na niską temperaturę wrzenia (-33,35°C) może powodować odmrożenia ~ bardzo niebezpieczny jest amoniak dla naszych gałek ocznych, jego bryzgi powodują ich uszkodzenie prowadzące do ślepoty ~oddziaływanie amoniaku w postaci parowej zależy od jego stężenia Granica wyczucia powonieniem: 6 5 ppm Najwyższe dopuszczalne stężenie: 20 ppm Próg uciążliwości: 250 ppm Próg wytrzymania: 500-1000 ppm Objawy zatrucia: 2500 ppm Stężenie śmiertelne: >5000 ppm 3.5 mg/m3 14 mg/m3 175 mg/m3 350-700 mg/m3 1750 mg/m3 >3500 mg/m3 Amoniak w ciele człowieka • Zawartość we krwi człowieka: • 0,8-1,7 ppm Dzienna produkcja przez ciało człowieka: 17 g ~ 1 mol Ograniczenia zastosowania R717 Oddziaływanie na metale: - bezwodny amoniak i jego roztwory wodne nie działają na żelazo i stopy tego metalu, dlatego stal jest podstawowym materiałem konstrukcyjnym w urządzeniach pracujących z tym czynnikiem - zawilgocony amoniak atakuje cynk, miedź i jej stopy, dlatego materiałów tych nie stosuje się do budowy sprężarek i aparatów przeznaczonych dla tego czynnika - z rtęcią związek ten tworzy mieszaninę wybuchową, dlatego w urządzeniach amoniakalnych nie wolno stosować manometrów rtęciowych Oddziaływanie na tworzywa sztuczne: Amoniak nie jest agresywny w stosunku do większości tworzyw sztucznych, dlatego materiały te coraz częściej są stosowane w budowie podstawowych elementów instalacji amoniakalnych. Podsumowanie Bezpieczne urządzenie chłodnicze Nie ulega wątpliwości, że tak długo, jak amoniak znajduje się wewnątrz urządzenia chłodniczego tak długo nie jest on groźny. Jego negatywne cechy (np. toksyczność, palność) mogą się ujawnić dopiero po jego wypływie na zewnątrz. Konieczne więc jest takie wykonanie oraz eksploatowanie urządzenia chłodniczego, aby nie doszło do wycieku amoniaku. W tym kontekście należy rozumieć pojęcie bezpiecznego urządzenia chłodniczego. Służą temu celowi między innymi: odpowiednia konstrukcja wszystkich elementów urządzenia chłodniczego, uwzględniająca właściwe obciążenia mechaniczne i termiczne, wysoka jakość wykonania (dokładność, czystość, szczelność, suchość), próby ciśnieniowe (wytrzymałościowa i szczelności), stosowanie wyposażenia zabezpieczającego (przyrządy obniżające ciśnienie, przekaźniki nie dopuszczające do nadmiernego wzrostu ciśnienia, sygnalizacja alarmowa itp.), udoskonalanie przepisów bezpieczeństwa. 7 Przykłady urządzeń amoniakalnych: Jeden z najmniejszych amoniakalnych schładzaczy glikolu, stosowany np. w supermarketach, tzw. ''kostka''. W jego skład wchodzi semihermetyczna sprężarka tłokowa oraz płaszczowopłytowy wymiennik ciepła Widok na amoniakalną maszynownię chłodniczą. Na pierwszym planie widać agregat sprężarkowy śrubowy, wyżej, na drugim planie - centralny oddzielacz cieczy 8 Bibliografia: • K. Kalinowski, A. Paliwoda, Z. Bonca, D. Butrymowicz, W. Targański, „Amoniakalne urządzenia chłodnicze. Tom 1” • Z. Bonca, D. Butrymowicz, T. Hajduk, W. Targański, „Nowe czynniki chłodnicze i nośniki ciepła” • „Chłodnictwo & Klimatyzacja” nr 6/2006 • Strona internetowa www.chlodnictwoiklimatyzacja.pl • Strona internetowa www.eurammon.com 9