Powinniśmy sobie zdać sprawę, że amoniak jest jednym z głównych alternatywnych czynników chłodniczych po wyeliminowaniu czynników z grupy CFC i HCFC. Poza tym, nie ma zgubnego wpływu na warstwę ozonową, gdyż charakteryzuje się ODP = 0 i GWP = 0 i bardzo krótkim żywotem w atmosferze.

Wszystkie znane nam układy chłodnicze takie jak chłodnictwo domowe, chłodnictwo średnie, klimatyzacja czy chłodnictwo przemysłowe mają to samo zadanie, schłodzić wymaganą przestrzeń. Wszystkie wyżej wymienione systemy mają te same podstawowe elementy:

• sprężarkę,
• parownik,
• skraplacz,
• wentylatory,
• połączenia rurowe,
• elementy kontrolne,
• czynnik chłodniczy.

Rys. 2. Cysterny kolejowe do przewozu amoniaku

Wiele z wyżej wymienionych elementów jest podobna, niemniej istnieje wystarczająca ilość różnic pomiędzy tymi systemami, elementami układu i sposobem projektowania, że należy przemysłowe instalacje chłodnicze traktować całkowicie oddzielnie. Wystarczy zwrócić uwagę na zakres temperatury, metodę projektowania, ilość sprzedanych czy zainstalowanych układów, wartość sprzedaży jak i ilość inżynierów zatrudnionych przy poszczególnych systemach, aby zdać sobie sprawę z ważności odrębnego traktowania przemysłowych instalacji chłodniczych. Dodatkowo, przemysłowe instalacje chłodnicze spełniają wyjątkowo ważną rolę w wielu całkowicie niezwiązanych ze sobą przemysłach, takich jak spożywczy, farmaceutyczny, chemiczny, naftowo-gazowy itp. Z tego też względu, przemysłowe instalacje chłodnicze powinny być traktowane całkowicie odmiennie aniżeli inne instalacje chłodnicze. Do tego dodałbym, że przemysłowe instalacje chłodnicze pracują prawie wyłącznie na amoniaku jako czynniku chłodniczym. Czynnik ten z wielu względów, nie może być traktowany podobnie jak czynniki z grupy HFC, HC czy też CO₂. Dodatkowym elementem, który pozwala nam na oddzielne traktowanie przemysłowych instalacji chłodniczych w porównaniu z pozostałymi systemami jest zaangażowanie inżynierów tak na etapie projektowania, budowy jak i eksploatacji, który to zakres jest wielokrotnie wyższy w przypadku przemysłowych instalacji chłodniczych. Wiele problemów pojawia się z reguły w niskotemperaturowych przemysłowych instalacjach chłodniczych, z którymi to problemami nie mamy do czynienia w pozostałych wyżej wymienionych systemach. Wynika to z faktu, że systemy te są z reguły całkowicie zmontowane na linii produkcyjnej zakładu przemysłowego, natomiast przemysłowy układ chłodniczy jest montowany z elementów dostarczanych na plac budowy.

Ważną rzeczą jest praktyczne zidentyfikowanie przemysłowej instalacji chłodniczej (w dalszej części dla uproszczenia będę tę instalację nazywał „instalacją” lub „układem amoniakalnym”). Amoniakalne instalacje chłodnicze z reguły pracują w temperaturach tak wysokich, jak +15°C jak i tak niskich jak -70°C. Przy temperaturach niższych od -70°C możemy mówić o kriogenice.

Rys. 7. Zbiornik ciśnieniowy amoniaku w zakładzie chłodniczym

Dla przykładu podam podstawowe zastosowania amoniakalnych instalacji chłodniczych. Są to głownie:

• Przechowywanie niezamrożonych produktów spożywczych, celem wydłużenia możliwości ich spożycia. Proces ten przebiega zaraz po zbiorach.
• Zamrażanie produktów spożywczych. W tym przypadku mamy do czynienia z tzw. szybkim zamrażaniem, który to proces pozwala na jak najmniejsze starty jakości produktu spożywczego poprzez formowanie mikroskopijnych kryształów lodu, które to kryształy nie niszczą komórek zamrażanego produktu.
• Przetwórstwo żywności ma za zadanie utrzymanie niezmienionej temperatury w czasie procesów przetwórstwa spożywczego. W tym przypadku, temperatury zależą od przerabianego lub przygotowywanego produktu. I tak np. temperatura dla serów będzie się wahać w zakresie od 10 do 20°C i zależy od długości przechowywania sera. Z kolei w czasie procesu fermentacji piwa temperatury te wahają się od 7 do 13°C. Przy produkcji win, temperatura fermentacji wynosi około 10°C.
• Procesy przemysłowe wymagają w coraz większej ilości przypadków bardzo specyficznej temperatury, która zależy od procesu technologicznego i przetwarzanego materiału.
• Prace budowlane wbrew pozorom również wymagają obniżonej temperatury. Podam dla przykładu, że proces twardnienia betonu jest procesem egzotermicznym, który w wielu przypadkach wymaga odprowadzenia tego ciepła, aby przyśpieszyć proces twardnienia betonu. Nie zapominajmy tutaj również o wymrażaniu gruntów, który to proces jest bardzo ważny przy drążeniu tuneli i innych pracach ziemnych.
• Procesy chemiczne, petrochemiczne czy farmaceutyczne wymagają również chłodzenia. Dla przykładu podam, że bez chłodzenia nie mogłyby być prowadzone takie procesy jak: oddzielanie gazów,
  • – skraplanie gazów,
  • – utrzymanie niskiej temperatury skroplonego gazu,
  • – odprowadzenie ciepła reakcji chemicznej,
  • – oddzielanie jednej substancji od drugiej w mieszaninie przez wymrażanie.

 Jak widać z powyższej krótkiej analizy, chłodnictwo amoniakalne jest całkowicie rożne od pozostałych systemów i instalacji chłodniczych i wymaga ono odrębnego traktowania tak na etapie projektowania, budowy jak i eksploatacji.

Powody stosowania amoniaku w przemysłowych instalacjach chłodniczych

Amoniak NH₃ po raz pierwszy jako czynnik chłodniczy był zastosowany przez Carl Linde około 130 lat temu. W wyniku wprowadzenia do produkcji w latach 30-tych ubiegłego wieku czynników z grupy CFC (chlorofluorocarbons) i HCFC (hydrochlorofluorocarbons), które uważano za bardzo bezpieczne i stabilne chemicznie, amoniak jak i inne naturalne czynniki powoli traciły swoja dominującą dotąd pozycję w przemyśle chłodniczym. W wyniku badań wpływu czynników z grupy CFC i HCFC na atmosferę, stwierdzono ich zgubny wpływ na warstwę ozonową. W wyniku tych badań, podpisano umowy międzynarodowe zmierzające do eliminacji stosowania czynników chłodniczych z wyżej wymienionych grup w chłodnictwie i innych zastosowaniach. Podpisano następujące ważne umowy międzynarodowe:

• Protokół Montrealski w 1987 roku i jego poprawki w 1990 roku,
• Protokół Kopenhaski w 1992 roku,
• Protokół z Kioto w 1998 roku.

Te umowy międzynarodowe miały na celu przyspieszenie eliminacji czynników CFC i HCFC z użycia. Wiele krajów w Europie zaprzestało stosowania czynników z grup CFC i HCFC i zaczęło używać czynników naturalnych, takich jak amoniak, dwutlenek węgla czy węglowodory. Z naturalnych czynników chłodniczych, amoniak utrzymał swoją wiodącą pozycję w przemysłowych instalacjach chłodniczych. Powodem tego są jego doskonale własności termodynamiczne jak i fakt, że GWP jak i ODP są równe zeru. Poza tym, ponad stuletnie stosowanie amoniaku w instalacjach chłodniczych potwierdziło, że jest on praktycznie niezastąpiony.

Amoniak jest alkalicznym, bezbarwnym i bardzo znanym związkiem chemicznym stosowanym w domowych produktach czyszczących, w rolnictwie, przemyśle i zastosowaniach komercyjnych. Obecnie można go kupić w następujących podstawowych zastosowaniach: nawozy, chłodnictwo, metalurgia. Forma zastosowania amoniaku zależy głównie od jego czystości.

Amoniak stosowany w chłodnictwie charakteryzuje się najwyższą czystością – 99,98%, co powoduje, że jest praktycznie pozbawiony wody i innych zanieczyszczeń. Przeciętnie amoniak dla przemysłu chłodniczego zawiera 150 ppm wody, 3 ppm oleju i 0,2 ml/g nieskraplających się gazów. Dodatkowymi zaletami amoniaku jest jego łatwa i szeroka dostępność, taniość, praca w zakresie ciśnień zbliżonych do innych czynników chłodniczych no i najważniejsze, że jest w stanie zaabsorbować bardzo dużą ilość ciepła, kiedy odparowuje. Roczna produkcja amoniaku to około 100 milionów metrów sześciennych, z czego około 80% jest zużywane w produkcji nawozów. Tylko około 2% światowej produkcji amoniaku jest zużywana przez chłodnictwo.

Rys. 9. Instalacja amoniakalna w zakładzie chłodniczym

Zalety amoniaku jako czynnika chłodniczego:

1. Wysoka sprawność energetyczna: Amoniak jest jednym z najbardziej sprawnych energetycznie czynników chłodniczych. Dla przykładu podam, że 1 kg amoniaku jest w stanie zabsorbować w procesie parowania 1347 kJ, kiedy R22 zabsorbuje tylko 222 kJ. Jeżeli z kolei porównamy typowy zalany amoniakalny system chłodniczy do systemu bezpośredniego chłodzenia z czynnikiem R404A, to okazuje się, że system amoniakalny jest średnio około 20% bardziej sprawny energetycznie aniżeli system z R404A.
2. Środowisko: Jak wcześniej wspomniałem, amoniak ma najmniejszy wpływ na niszczenie warstwy ozonowej i środowisko ze wszystkich dotąd znanych czynników chłodniczych.
3. Bezpieczeństwo: Jest to bardzo ważny element w przypadku zastosowania amoniaku jako czynnika chłodniczego, gdyż jest on trujący i na dodatek palny w określonym stężeniu w powietrzu. Niemniej, charakterystyczny odór amoniaku jest łatwo wyczuwalny przez człowieka nawet w bardzo małym stężeniu. Obecne trendy w projektowaniu instalacji chłodniczych zmierzają w kierunku minimalizacji naładowania systemu chłodniczego amoniakiem, co zmniejsza ryzyko zatrucia.
4. Cena amoniaku: Cena jednego kilograma amoniaku jest dużo niższa od ceny jednego kilograma chemicznego czynnika chłodniczego (cena amoniaku jest poniżej $2,00 za kg). Dodatkową tutaj zaletą jest fakt, że amoniak w fazie ciekłej ma dużo mniejszą gęstość od czynników chłodniczych pochodzenia chemicznego. Warto również w tym momencie nadmienić, że w przypadku nieszczelności, odór amoniaku jest łatwo wyczuwalny i jego ubytki na skutek nieszczelności są dużo mniejsze od ubytków czynników chłodniczych bezwonnych, jakimi są czynniki chemiczne.
5. Mniejsza średnica rur: Amoniak wymaga mniejszej średnicy rur tłocznych i ssących w porównaniu z czynnikami chemicznymi.
6. Wymiana ciepła: Jest to jedna z najważniejszych zalet amoniaku. Amoniak charakteryzuje się dużo wyższym przejmowaniem ciepła w porównaniu z czynnikami chemicznymi. Powoduje to, że amoniakalne wymienniki ciepła charakteryzują się dużo mniejszą powierzchnią wymiany ciepła aniżeli wymienniki ciepła dla chemicznych czynników chłodniczych.

Podsumowując, możemy powiedzieć, że amoniak nie jest i nie będzie czynnikiem chłodniczym możliwym do zastosowania we wszystkich znanych systemach chłodniczych. Amoniak jest i będzie wiodącym czynnikiem w przemysłowych i dużych komercyjnych instalacjach chłodniczych (nie użyłem określenia dużych handlowych instalacjach chłodniczych tylko użyłem określenia „komercyjne instalacje chłodnicze”, gdyż nie chciałem zawężać stosowania amoniaku do bardzo wąskiej i wyspecjalizowanej branży chłodniczej).

Dostawa amoniaku i związane z tym bezpieczeństwo

(...)

Warunki bezpiecznej pracy z amoniakiem

Powinniśmy zdać sobie sprawę z faktu, że aby pracować bezpiecznie z amoniakiem musimy w pierwszej kolejności znać niebezpieczeństwo, na jakie możemy być wystawieni, jeżeli będziemy mieli bezpośredni kontakt z ciekłym czy też gazowym amoniakiem. Są to:

• ślepota,
• odwodnienie,
• chemiczne poparzenia,
• przemarznięcia na ciele.

Aby tego uniknąć powinniśmy znać i przestrzegać bezpiecznych warunków pracy z amoniakiem, a zakład chłodniczy powinien mieć plan ewakuacji. Specyficzna charakterystyka chemiczno- termodynamiczna amoniaku powoduje, że:

• Amoniak jest bardzo wrażliwy na zmiany ciśnienia i temperatury. Mała ilość ciekłego amoniaku jest w stanie wyprodukować dużą ilość amoniaku w stanie gazowym.
• Amoniak jest palny w specyficznym zakresie jego objętości w powietrzu, która zawiera się w granicach od 15 do 28%. Mieszanina amoniaku i oleju redukuje dolną granicę palności do 8%.
• Amoniak ma bardzo silne powinowactwo z wodą. 1 litr wody jest w stanie zaabsorbować objętościowo około 300 litrów gazowego amoniaku. Ta charakterystyczna cecha amoniaku pozwala na użycie wody jako środka pierwszej pomocy w przypadku kontaktu z amoniakiem gazowym. Pamiętajmy, że nigdy nie powinniśmy użyć wody, jeżeli mamy do czynienia z ciekłym amoniakiem. Kontakt wody z ciekłym amoniakiem powoduje gwałtowną reakcję, której wynikiem jest wydzielenie dużych ilości par amoniaku.

Najczęściej pierwszy kontakt i skażenie amoniakiem odbywa się poprzez drogi oddechowe. W przypadku tego rodzaju skażenia musimy skażoną osobę wyprowadzić z miejsca wypadku i doprowadzić do dróg oddechowych tlen. W przypadku zauważenia, że poszkodowana osoba nie oddycha, zastosować należy dodatkowo sztuczne oddychanie i wezwać pomoc lekarską.

Częstym objawem skażenia są wymioty. Nie starajmy się ich zatrzymać. Podajmy osobie skażonej 1 – 2 szklanek mleka lub wody. Wezwijmy pomoc lekarską.

Rys. 10. Stanowisko do przemywania oczu i sposób, w jaki to robić

W przypadku kontaktu z amoniakiem, najczęściej są to pary amoniaku, woda jest środkiem pierwszej pomocy. Miejsca ciała, które miały kontakt z amoniakiem powinny być przemywane wodą przez około 15 minut (rys. 10.). Dotyczy to również oczu, które powinny być cały czas otwarte w czasie przemywania a stanowisko to (rys. 11.) powinno znajdować się w miejscach dostępnych, widocznych i dobrze oznakowanych.

Dodatkowe zasady bezpieczeństwa pozwolą zdecydowanie zmniejszyć ryzyko wycieku ciekłego czy gazowego amoniaku. Zasadami tymi, które należy przestrzegać są:

• Każdy zbiornik z amoniakiem powinien być napełniony jego cieczą tylko do 87,5% całkowitej objętości zbiornika. W przypadku napełnienia zbiornika amoniakiem w 100%, nawet niewielki wzrost temperatury spowoduje gwałtowny wzrost ciśnienia i uszkodzenie zbiornika lub jego osprzętu.
• Proces przeładunku amoniaku z cysterny do zbiornika w zakładzie chłodniczym powinien być w sposób ciągły nadzorowany.
• Nigdy nie należy używać przy pracy z amoniakiem miedzi i stopów miedzi z cynkiem.
• Przewody elastyczne służące do przetłaczania amoniaku jak i zawory powinny być sprawdzane. Nie wolno ich używać, jeżeli minęła ich data ważności, mimo że są w dobrym stanie.
• Spawanie instalacji i zbiorników amoniaku może być prowadzone tylko przez przeszkolony personel. NIGDY nie wolno spawać instalacji amoniakalnych i zbiorników z nawet najmniejszą ilością amoniaku.

Wybuchowość Amoniaku

(...)

Rys. 13. Ubiór osoby udzielającej pierwszej pomocy

Wnioski i sugestie

1. Bardzo ważne jest pamiętać, ze istnieje bardzo duża różnica pomiędzy rożnymi środkami powodującymi zapłon czy wybuch amoniaku. Wyładowanie kondensatora elektrycznego wymaga około 300 mJ, kiedy z kolei wyładowanie indukcyjne wymaga tylko 30 mJ, aby zainicjować proces zapłonu czy wybuchu amoniaku. Można sobie zadąć tutaj pytanie, dlaczego wyładowanie kondensatora wymaga 10-krotnie wyższej energii od wyładowania indukcyjnego? Odpowiedź jest prosta. Wyładowanie kondensatora elektrycznego charakteryzuje się wysoką energią, ale krótkim czasem niewystarczającym do wywołania zapłonu. Natomiast wyładowanie indukcyjne charakteryzuje się małą ilością energii generowanej w długim czasie. Czas w tym przypadku odgrywa dużą rolę.
2. Pamiętajmy również, że na podstawie badań stwierdzono, że elektryczność statyczna nie inicjuje zapłonu czy wybuchu amoniaku.
3. Bardzo ważną rzeczą jest zapobieganie przypadkom zapłonu czy wybuchu amoniaku a nie przeciwdziałanie. Zapobieganie wypadkom jest dużo tańsze i efektywniejsze aniżeli przeciwdziałanie.
4. Każdy przemysłowy zakład chłodniczy z instalacją amoniakalną powinien być wyposażony w niezbędne środki ochrony ludzi i pomieszczeń.
5. Personel obsługujący amoniakalne instalacje chłodnicze musi być przeszkolony w zakresie obowiązujących przepisów bezpieczeństwa, a ich instrukcja powinna znajdować się w widocznym i odpowiednio oznakowanym miejscu.
6. Środki bezpieczeństwa powinny być dobrze oznakowane i łatwo dostępne.
7. Drogi ewakuacyjne powinny być oznakowane i nie zablokowane.

Najważniejszą jednak rzeczą powinna być świadomość, że amoniak, mimo wielu lat doświadczeń pracy z tym czynnikiem może być niebezpieczny. Nie ulegajmy rutynie, jest to zgubne.

Andrzej WESOŁOWSKI
były pracownik Carrier, York i Embraco, USA

LITERATURA:

[1] Materiały firmy AIRGAS.
[2] Materiały firmy Messer.
[3] CARLSSON T. O., LAMNEVIC S. R.: Determination of ignition and studies of flame propagation in ammonia-air mixture. Application for Natural Refrigerants. Aarhus. Denmark. September 1996.
[4] European Draft Standard prEN 378: Refrigerating systems and heat pumps – Safety and environmental requrements. CEN. Brussels, Belgium, 1995.
[5] Ammonia as a Refrigerant. ASHRAE. January 26, 2002.
[6] MACDERMOTT P. E., HARRIS G. F. P.: Flammability and Explosibility of Ammonia. I. Chem. E. Symposium Series 49. 1977.
[7] Miner Sydney. Ammonia as refrigerant of choise. ASHRAE Journal. December 1990.
[8] STARKMAN E. S., PRATT D. T.: High temperature kinetics of ammonia-air combustion. 14th Symposium on Combustion. 1969.
[9] VAN GERWEN: Ammonia as refrigerent. Application and risk. 19th Congress of Refrigeration. The Hague. The Netherland. August 1995.
[10] WESOŁOWSKI Andrzej: Przyszłość instalacji amoniakalnych. Cz. 1. Chłodnictwo i Klimatyzacja. 12-2012.
[11] WESOŁOWSKI Andrzej: Przyszłość instalacji amoniakalnych. Cz. 2. Chłodnictwo i Klimatyzacja. 1-2-2013.