Amoniak, jako czynnik chłodniczy jest w użyciu od ponad 130 lat. Właściwości termodynamiczne amoniaku zadecydowały o jego tak długim żywocie.

Charakterystyczne dane amoniaku przedstawia tabela 1., a jego budowę rysunek 1. Krótka analiza tej tabeli pozwala zrozumieć, dlaczego amoniak, jako czynnik chłodniczy, jest w użyciu przez tyle lat. Podstawowymi wadami amoniaku są jego toksyczność i wybuchowość w bardzo specyficznych warunkach. Warto zaznaczyć, że ze względu na swój charakterystyczny zapach, amoniak jest bardzo łatwo rozpoznawalny w powietrzu już w bardzo małym stężeniu, co pozwala ewakuować ludzi przed osiągnieciem stężenia niebezpiecznego. Poza tym, amoniak jest dużo lżejszy od powietrza i szybko się unosi w górę. To samo można powiedzieć o wybuchowości amoniaku. Mieszanina amoniaku z powietrzem staje się wybuchowa w określonych proporcjach (tabela 1.), ale tylko jeżeli wybuchowa mieszanina ma kontakt z otwartym ogniem i temperaturą ponad 650°C.

Obecnie panuje tendencja do jeszcze powszechniejszego stosowania amoniaku nie tylko w instalacjach przemysłowych, ale i w instalacjach średniej wielkości (chłodnictwo handlowe). To rosnące zainteresowanie amoniakiem jest wynikiem następujących czynników:

• konieczność redukcji śladu węglowego (oparational carbon footprint)
• koszt instalacji w całym okresie jej pracy (life cycle cost);
• przyszłościowe standardy i zalecenia prawne: – wyeliminowanie F – gazów,–  unikniecie w przyszłości pułapek związanych z nowymi czynnikami chłodniczymi i normami;
• wymagana wysoka efektywność energetyczna;
• użycie czynników naturalnych;
• optymalne projektowanie systemu i instalacji chłodniczej;
• nowe normy i zalecenia;
• nowa generacja inżynierów.

Technologia dużych instalacji amoniakalnych jest powszechnie znana, z wyjątkiem zastosowania amoniaku w instalacjach z odzyskiem ciepła. Obecnie eksploatowane jak i budowane duże instalacje amoniakalne używają z reguły systemów bezpośredniego chłodzenia i skraplaczy wodnych z wieżami chłodniczymi. W najnowszych rozwiązaniach odchodzi się od bezpośredniego chłodzenia, co prowadzi w kierunku systemów chłodniczych pośrednich. Dotyczy to nie tylko dużych instalacji przemysłowych, ale również mniejszych instalacji handlowych. Skoro wprowadzamy chłodzenie pośrednie, rodzi się pytanie, dlaczego nie stosować amoniaku na szerszą skalę. Jego własności termodynamiczne są tak dobre, że przemawiają za taką opcją. Odpowiedzmy sobie na pytanie, w jakich instalacjach chłodniczych można użyć amoniak:

• Duże instalacje chłodnicze, w których amoniak, jako czynnik chłodniczy dominuje od lat i będzie nadal dominował. Dzieje się tak, dzięki sprężarkom śrubowym, które łatwo sobie radzą z wysokim ciśnieniem tłoczenia amoniaku. Poza tym nowe podejście do projektowania instalacji amoniakalnych polegające na minimalizacji naładowania instalacji amoniakiem (rys. 2.) ułatwia przekonanie sceptyków do instalacji amoniakalnych. Nie zapominajmy również o dobrym rejestrze bezpieczeństwa w ciągu ostatnich lat. Jako ostatni argument można użyć systemy pośrednie z użyciem amoniaku, które są dobrze znane chociażby z lodowisk i dużych sal widowiskowych.

• Instalacje chłodnicze średniej wydajności (handlowe) mają duże szanse na zastosowanie amoniaku. Warunkiem jest jednak budowanie systemów pośrednich i kaskadowych dla niskich wartości temperatury. Jeżeli chodzi o układy kaskadowe, to bardzo dobre wyniki dają kaskady amoniak/dwutlenek węgla. Powoli zaczynają one dominować w nowo budowanych supermarketach i innych obiektach o wydajnościach chłodniczych dużo mniejszych od instalacji przemysłowych.

• Instalacje chłodnicze domowe – tutaj nie ma możliwości zastosowania amoniaku z dwóch powodów. Po pierwsze amoniak reaguje z miedzią i w hermetycznej sprężarce nie może być użyty, ze względu na uzwojenie silnika elektrycznego sprężarki. Po drugie, amoniak jest dobrym przewodnikiem prądu, wiec również nie może być użyty w sprężarce hermetycznej.

Rys. 2. Przykład nisko naładowanego amoniakiem systemu amoniakalnego

Dlaczego stosować amoniak w układach chłodniczych? (…)

Układ chłodniczy z bezpośrednim chłodzeniem i recyrkulacją(…)

Elementy amoniakalnego systemu chłodniczego (…)

Rys. 4. Sprężarka tłokowa SMC marki Sabroe produkcji Johnson Controls

Rys. 5. Przykład typowej sprężarki amoniakalnej tłokowej firmy GEA GRASSO seria 412

Materiały dopuszczalne do kontaktu z amoniakiem

W układach chłodniczych amoniakalnych, podstawowym materiałem jest stal węglowa lub nierdzewna, mimo tego że materiały te charakteryzują się gorszą od miedzi czy aluminium przewodnością cieplną. Z drugiej strony, twardość stali utrudnia wykonanie wymienników ciepła. Stal węglowa ulega łatwo korozji w obecności wody, w związku z czym nie zaleca się stosowania stali węglowej w skraplaczach chłodzonych wodą podłączonych do wież chłodniczych. Zalecane materiały to:

• ocynkowana stal węglowa – powszechnie stosowana, stal nierdzewna – wysoki koszt, odporna na korozję, cieńsze ścianki rur,
• tytan – bardzo drogi materiał, stosowany tylko w specjalnych układach amoniakalnych. Jest jednak jedynym materiałem, jaki można użyć w skraplaczach chłodzonych wodą morską (trawlery),
• aluminium – dobra przewodność, może mieć kontakt z amoniakiem, łatwy w produkcji wymienników ciepła, jest jednak nieodporny na korozję w przypadku kontaktu nie tylko z solanką czy glikolem, ale także z wodą. Z tych tez powodów jest rzadko stosowany w instalacjach amoniakalnych.

Sprężarki amoniakalne

W przemysłowych amoniakalnych układach chłodniczych stasowane są głownie dwa typy sprężarek: sprężarki tłokowe (rys. 4. i 5.) i sprężarki śrubowe (rys. 6. i 7.). W niektórych przypadkach, szczególnie w amoniakalnych instalacjach klimatyzacyjnych, można spotkać sprężarki rotacyjne użyte jako booster w układach dwustopniowych.

Rys. 6. Agregat ze sprężarką ś rubową SAB193 (Sabroe produkcji Johnson Controls)

Najbardziej rozpowszechnione w amoniakalnych instalacjach chłodniczych są sprężarki tłokowe, których wydajność chłodnicza nie przekracza z reguły 1000 kW. Typowa tłokowa sprężarka amoniakalna jest typu otwartego, w której wał korbowy sprężarki wyprowadzony jest poza jej obudowę (rys. 4.) i połączony z elektrycznym silnikiem napędowym. Spręż tych sprężarek zawiera się z reguły pomiędzy 8 i 9. Budowa tych sprężarek jest dobrze znana, więc skoncentruję się na zagadnieniach związanych z ich pracą w instalacji amoniakalnej. Najważniejszym elementem prawidłowej i sprawnej pracy amoniakalnej sprężarki chłodniczej jest jej właściwe smarowanie i rodzaj oleju. Z reguły, stosowane są oleje mineralne, ze względu na ich niską cenę. Dla bardzo niskich wartości temperatury parowania stosuje się oleje typu PAO. Oleje te nie mieszają się niestety z amoniakiem, co jest ich powszechną „wadą”. Natomiast ich zaletą, jeżeli tak można to określić, jest fakt, że są one cięższe od ciekłego amoniaku, co ułatwia oddzielenie oleju od amoniaku w odolejaczu. Ten typ olejów jest głownie stosowany w systemach z zalanym parownikiem i recyrkulacyjnych, w których powierzchnia wymienników ciepła jest omywana ciekłym amoniakiem. Oleje mineralne i PAO nie są zalecane w systemach z bezpośrednim zasilaniem parowników z tego powodu, że w parowniku nie ma wystarczającej ilości ciekłego amoniaku, aby wymyć olej z powierzchni wymiennika. Rozwiązaniem dla tego typu systemów są oleje z grupy PAG. Oleje te mieszają się z amoniakiem i są z powodzeniem stosowane w tych systemach do -20°C temperatury parowania. Wadą olejów mieszających się z czynnikiem chłodniczym (odnosi się to również do amoniaku) jest fakt, że olej zmieszany z czynnikiem wraca do karteru sprężarki, w którym ulega spienieniu w czasie startu sprężarki (obniżenie się ciśnienia w karterze powoduje gwałtowne pienienie się oleju zmieszanego z czynnikiem chłodniczym).

Rys. 7. Śrubowa sprężarka amoniakalna – przekrój

Skraplacze

Bardzo ważnym elementem amoniakalnego systemu chłodniczego, jest właściwe dobranie skraplacza. W zasadzie skraplacze dla przemysłowych instalacji chłodniczych, dobiera się na podstawie największego obciążenia cieplnego (pull down), gdyż odprowadzenie ciepła w skraplaczu jest w tym okresie największe. Często kilka razy większe, aniżeli w czasie normalnej pracy instalacji. Z kolei, aby układ pracował efektywnie, sprężarka musi być wyposażona w regulację wydajności. Najczęściej spotykane skraplacze to skraplacze chłodzone powietrzem, skraplacze płaszczowo-rurowe, skraplacze wyparne. W przypadku skraplaczy wodnych stosuje się wieże chłodnicze do chłodzenia wody chłodzącej skraplacz. (…)

Parowniki

Parownik jest tym elementem układu chłodniczego, który jest odpowiedzialny za wychłodzenie przestrzeni (towaru) poddanego obróbce chłodniczej lub mroźniczej. Wyjątek stanowią układy chłodnicze z chłodzeniem pośrednim. W układach z chłodzeniem bezpośrednim, wymiana ciepła odbywa się pomiędzy amoniakiem płynącym wewnątrz rur parownika, a jego ożebrowaną powierzchnią zewnętrzną omywaną przez otaczające powietrze. W amoniakalnych systemach chłodniczych używane są głownie trzy rodzaje parowników:

1.  Parowniki zasilane zaworem rozprężnym z kontrolą przegrzania par (rys. 3.). System ten nie jest zalecany dla temperatury parowania poniżej -20°C. Spowodowane to jest niskim masowym natężeniem przepływu amoniaku, co prowadzi do nierównomiernego zasilania parownika amoniakiem.

2.  Parowniki zalane zasilane są grawitacyjnie amoniakiem i charakteryzuje je całkowite zwilżenie powierzani wewnętrznej rur amoniakiem. Pary amoniaku w tego typu parowniku są gromadzone w zbiorniku i odprowadzane do rur ssących sprężarki. Zapewnia to równomierną wymianę ciepła na całej powierzchni parownika. Zaletą tych parowników jest:

• Lepsza wymiana ciepła spowodowana zwilżeniem całej powierzchni wewnętrznej rur ciekłym amoniakiem.

• Brak problemów z równomierną dystrybucją amoniaku w rurach parownika.

• Para nasycona a nie para przegrzana zostaje zassana przez  sprężarkę, co zwiększa jej wydajność chłodniczą.

Natomiast wadami tych parowników są:

• Wyższy koszt od parowników zasilanych zaworem rozprężnym.

• Większa ilość amoniaku wymagana do wypełnienia parownika i zbiornika.

• Duże prawdopodobieństwo, że olej może się akumulować w zbiorniku.

3.  Parowniki z recyrkulacją charakteryzuje większe masowe natężenie przepływu amoniaku, aniżeli w parownikach zasilanych zaworem rozprężnym i zalanych. Z tego względu, parowniki tego typu charakteryzuje bardzo dobra wymiana ciepła. W parownikach z recyrkulacją, olej nie gromadzi się w parowniku, lecz w odolejaczu znajdującym się w maszynowni, co jest bardzo pożądane.

Schemat typowej amoniakalnej instalacji chłodniczej z elementami kontroli i sterowaniaprzedstawia rysunek 10.

Ciąg dalszy artykułu w kolejnym wydaniu

Rys. 10. Schemat typowej amoniakalnej instalacji chłodniczej

Ciąg dalszy artykułu w kolejnym wydaniu

Autor: Andrzej Wesołowski