Przyszłość czynników chłodniczych cz. 1
Ocena użytkowników: / 2
SłabyŚwietny 
Data dodania: 28.08.2010
W ostatnich kilkunastu latach, jednym z najczęściej dyskutowanych tematów wśród inżynierów chłodnictwa i ochrony środowiska są czynniki chłodnicze. Przez wiele lat R12, R22, R502 itp. były podstawowymi czynnikami w chłodnictwie domowym, handlowym, klimatyzacji i motoryzacji. Koniec lat 80-tych i początek lat 90-tych wprowadził ogromne zmiany w spojrzeniu na czynniki chłodnicze i ich oddziaływaniu na atmosferę i stratosferę. Ich niszczący wpływ na warstwę ozonu (O3) w stratosferze spowodował całkowite wyeliminowanie czynników CFC (Chloro-Fluoro-Wegle) – R12, R502 itp. i ograniczenie użycia czynników HCFC (Wodoro-Chloro-Fluoro-Wegle) – R22, R123 itp. Powodem wycofania tych czynników chłodniczych jest ich budowa chemiczna (zawierają atomy chloru i fluoru). W przypadku nieszczelności instalacji, czynnik chłodniczy, który jest lżejszy od powietrza, wędruje w górne warstwy stratosfery, gdzie znajduje się ochronna warstwa ozonu. Chlor z czynnika chłodniczego reaguje z ozonem rozkładając go. Jest to bardzo negatywny wpływ freonów na atmosferę. Stał się on głównym powodem wycofania z produkcji i użytku czynników chłodniczych typu CFC, a w drugiej kolejności tych z rodziny HCFC.

Zarys historyczny

Pod koniec lat 30-tych, w celu wyeliminowania toksycznych czynników chłodniczych, zespół pracowników Ethyl Gasoline Corp. z Detroit, USA, pod kierunkiem T. Midgley, bazując na Układzie Okresowym Pierwiastków doszedł do wniosku, że najprostszym i najtańszymi czynnikami chłodniczymi będą czynniki bazujące na węglowodorach (etan, metan, butan, itp.). W związkach tych, atomy wodoru zastąpiono atomami chloru, fluoru, bromu itp. Na rys. 1 pokazano budowę atomów R12 i R22, pochodnych metanu – CH4. W cząstkach czynnika chłodniczego atomy fluoru (F) zapewniają czynnikowi dużą jego stabilność jak i długą żywotność (również w atmosferze). Natomiast atomy chloru (Cl) zapewniają wymagane własności termodynamiczne. Dzięki takiej budowie otrzymano szeroką gamę czynników chłodniczych zwanych freonami. Na poniższych dwóch rysunkach (rys. 2 i rys. 3) przedstawione są czynniki chłodnicze bazujące na metanie (CH4) i etanie (C2H6). (...)

Rys. 1. Budowa atomu freonu R12 i atomu freonu R22
Rys. 2. Czynniki chłodnicze jako pochodne metanu
Rys. 3. Czynniki chłodnicze jako pochodne etanu


Protokół montrealski (...)

Socjalne i ekonomiczne korzyści chłodnictwa (...)

Redukcja emisji czynników chłodniczych

Jak wynika z badań ONZ – w latach od 1944÷2004 80% wyprodukowanego czynnika R22 zostało wyemitowane do atmosfery na skutek nieszczelności, złej obsługi i złego serwisu. Natomiast pomiędzy rokiem 1990 i 2005 około 50% produkcji R134a znalazło się w atmosferze. Widać z tego wyraźnie, że jednym z głównych naszych celów powinno być obniżenie emisji czynników chłodniczych. Można to osiągnąć przez obniżenie produkcji i konsumpcji CFC i HCFC czynników chłodniczych jak i też przez całkowitą ich eliminację z produkcji i użycia. Obniżenie emisji czynników chłodniczych jest możliwe poprzez projektowanie i budowę układów hermetycznych, które zapobiegną ucieczce czynnika, obniżeniu ilości czynnika w układzie poprzez zwartą konstrukcję i krótsze przewody czynnika chłodniczego. Natomiast na etapie montażu i serwisu ważne jest przestrzeganie procedur z tym związanych. Jest to możliwe poprzez właściwy instruktaż i szkolenie personelu.

Inną drastyczniejszą metodą redukcji emisji czynników z rodziny CFC i HCFC jest ich stopniowe eliminowanie i zastępowanie ich czynnikami chłodniczymi, które nie niszczą naszej atmosfery. Musza one jednak spełniać określone kryteria.

Zasadnicze restrykcje dotyczące nowych czynników chłodniczych

Nowy czynnik chłodniczy powinien posiadać następujące, istotne nie tylko dla ochrony środowiska, ale i dla urządzeń i instalacji chłodniczych, własności:

  • ODP=0,
  • GWP <150,
  • dobre własności termodynamiczne,
  • dobre właściwości przewodzenia ciepła w wymiennikach,
  • niski stosunek ciśnień,
  • wysoką objętościową wydajność chłodniczą,
  • nie powodujący korozji elementów układu chłodniczego,
  • stabilny,
  • nietoksyczny,
  • niepalny,
  • dobrze mieszający się z olejami,
  • łatwo osiągalny,
  • tani.


Jak dotąd, niewiele czynników chłodniczych spełnia powyższe warunki. Poniżej zostaną omówione substancje, które co najmniej w części spełniają wyżej wymienione wymagania. Analizę naszą zacznę od czynników najłatwiej dostępnych, czyli naturalnych.

Naturalne czynniki chłodnicze jako zamienniki freonów

Powietrze i woda
Z perspektywy ochrony środowiska, dostępności i ceny, powietrze (R729) i woda (R718) mogły być bardzo użyteczne. Są to jedne z niewielu zalet charakteryzujących powietrze i wodę jako czynniki chłodnicze, gdyż dostępność i cena nie są tak istotne jak własności termodynamiczne.

Powietrze (R729), które praktycznie jest dostępne w nieograniczonej ilości, nie posiada takich własności termodynamicznych, jakie oczekujemy od dobrego czynnika chłodniczego. Przede wszystkim gęstość powietrza jest tak niska, że układy powietrzne (głównie sprężarki) miałyby olbrzymie, trudne do zaakceptowania wymiary. Poza tym, bazując na układach doświadczalnych, sprawność układów na powietrze, jako czynnik chłodniczy jest bardzo niska (dużo poniżej 15%). W latach 90-tych były próby użycia powietrza w systemach ze sprężarkami dźwiękowymi i termoakustycznymi, jednak gazy obojętne (powietrze, hel, neon) nie zdały egzaminu ze względu na konieczność zastosowania zaworów wysokiej częstotliwości. Wysoka cena tych zaworów wstrzymała dalsze próby.

Woda (R718), w przeciwieństwie do powietrza była i jest stosowana w specyficznych warunkach. Poniżej kilka przykładów użycia wody jako czynnika chłodniczego:

  • najpopularniejszymi są układy absorpcyjne, w których woda (R718) pełni role nośnika (pochłaniacza) czynnika chłodniczego, jakim z reguły jest amoniak (R717). Systemy te są znane od wielu lat, jednak ze względu na bardzo niską ich sprawność (rzędu 20%) znalazły ograniczone zastosowanie;
  • układy strumieniowe znane są od 1900 roku. Rozwój tych urządzeń był bardzo powolny. Przede wszystkim wpływ na to miała niedoskonałość konstrukcji strumienic i armatury instalacyjnej. Podstawowym jednak czynnikiem hamującym rozwój tych urządzeń był i jest ograniczony zakres ich stosowania. Ponieważ czynnikiem chłodniczym jest woda, wiec urządzenia te nie są w stanie wytworzyć ujemnych temperatur. Obecnie zastosowanie układów strumieniowych ogranicza się do chłodzenia wody w zakresie temperatur dodatnich, zazwyczaj powyżej +2°C. Poza tym, układy te charakteryzuje bardzo niska sprawność (<20%).
  • chłodzenie wyparkowe (Evaporative cooling) jest dość powszechnie stosowane w suchym i gorącym klimacie. Polega ono na odbiorze ciepła z otoczenia przez parującą wodę. Sprawność energetyczna tych układów jest dość wysoka, gdyż zużycie energii z reguły jest o polowe niższe niż układów konwencjonalnych. Rynek na te układy jest dość duży, ale jak wspomniałem, głównie w suchym i gorącym klimacie.


Amoniak (R717)
Gaz ten był po raz pierwszy zastosowany około 130 lat temu i jest ciągle używany w wielu układach chłodniczych, a jego powszechniejsze użycie staje się coraz bardziej oczywiste. Jako czynnik chłodniczy, amoniak posiada jedne z najlepszych własności termodynamicznych. Głównymi jego wadami są toksyczność, palność (w małym stężeniu), nierozpuszczalność w olejach i wysokie ciśnienie tłoczenia. Na dodatek, bardzo wysoka jednostkowa wydajność chłodnicza amoniaku nie pozwala go powszechnie stosować w małych i średniej wielkości układach chłodniczych. Główne zastosowanie amoniaku to duże obiekty. Natomiast w handlowych urządzeniach chłodniczych można spotkać amoniak w układach kaskadowych z węglowodorami (HC) i dwutlenkiem węgla (R744). Niechęć w zastosowaniu amoniaku w średniej wielkości urządzeniach chłodniczych spowodowana jest złą opinią o jego wysokiej toksyczności. Aby umożliwić użycie amoniaku na większą skalę w chłodnictwie średnim należałoby:

  • zredukować ilość czynnika w układzie przez bardziej optymalne projektowanie,
  • opracować nowe normy odnośnie stosowania amoniaku w średniej wielkości instalacjach chłodniczych. (...)

Węglowodory (HC) (...)

Przykłady praktycznego zastosowania węglowodorów (HC) jako czynników chłodniczych. (...)

Oleje (...)

Oleje mineralne (...)

Oleje syntetyczne (...)

Dodatki do olejów (...)

Dwutlenek węgla – CO2 (R744)


Dwutlenek węgla jest jednym z klasycznych czynników, które uległy całkowitemu zapomnieniu po wprowadzeniu do użycia freonów. Ze względu na specyficzne własności dwutlenku węgla takie jak ODP=0, GWP=1, bardzo dobre własności termodynamiczne, nietoksyczność, dostępność, taniość, czynnik ten zaczyna być dostrzegalny i praktycznie w ciągu ostatnich około 10 lat powoli staje się jednym z głównych kandydatów do zastąpienia HCFC i HFC czynników chłodniczych.

Główną przeszkodą w szybszym wprowadzeniu do praktyki CO2 jako czynnika chłodniczego jest jego bardzo niski punkt krytyczny i związane z tym wysokie ciśnienia ssania i tłoczenia w porównaniu z obecnie stosowanymi czynnikami.

Jeżeli przeanalizujemy historię czynników chłodniczych i ich rozwój, łatwo zauważymy, że każdy nowy czynnik chłodniczy charakteryzował się wyższymi ciśnieniami niż jego poprzednik. Wyraźnie to widać na rysunku 4.

Rys. 4. Historia czynników chłodniczych – zmiana (wzrost) wartości ciśnienia z każdym nowym czynnikiem


Jedną z głównych zalet czynników wysokociśnieniowych jest ich większa gęstość, która pozwala na miniaturyzację sprężarek i układów chłodniczych. Dwutlenek węgla jako czynnik chłodniczy może być stosowany w następujących układach:

  • w układach transkrytycznych, w których parowanie odbywa się w obszarze podkrytycznym (pary mokre czynnika), a oddawanie ciepła w temperaturach ponadkrytycznych (powyżej punktu krytycznego) w chłodnicy gazu zamiast w skraplaczu. Są to idealne warunki dla pompy ciepła, gdzie R744 znajduje coraz powszechniejsze zastosowanie. Natomiast wysokie ciśnienia pracy (4÷6 razy wyższe niż dla R134a) wymagają całkowitego przeprojektowania układów chłodniczych i ich elementów składowych;
  • w pompach ciepła;
  • w układach kaskadowych jako czynnik niskiego stopnia. W stopniu wysokim może być użyty HFC, HC lub amoniak. Układy kaskadowe z CO2 są w praktycznym użyciu juz od 2000 roku ze szczególnie szybkim rozwojem po roku 2004. Szacuje się, że obecnie w supermarketach w Europie pracuje około 150 takich instalacji i ponad drugie tyle w przemyśle spożywczym (zamrażanie), jak i w instalacjach lodowiskowych.

Jednym z głównych promotorów eliminacji czynników HCFC i HFC stal się Komitet Organizacyjny Igrzysk Olimpijskich w Londynie w roku 2012. Komitet organizacyjny opublikował w roku 2009 Kod, w którym przedstawił podejście Komitetu Organizacyjnego do zakupu urządzeń i serwisu, jakie będą użyte i zastosowane w Londynie. W Dodatku A (Appendix A) Kodu (Sustainable Sourcing Code) przedstawiono listę substancji i materiałów jakie nie będą mogły być użyte w urządzeniach, serwisie i opakowaniach w czasie Londyńskich Igrzysk. Fluoroweglowodory (HFC) są wymienione jako te czynniki chłodnicze, które nie mogą być zastosowane. Ponadto w Kodzie jest zapis, że urządzenia chłodnicze zawierające czynnik chłodniczy z GWP>150 nie będą zakupione. Automatycznie wyłączone są więc następujące czynniki chłodnicze:

  • chloro-fluoro-weglany(CFC);
  • wodoro-fluoro-chloro-weglany (HCFC) takie jak R22, R123, R124, R141b, R142b. Niektóre z nich są stosowane do spieniania poliuretanu;
  • wodoro-fluoro-weglany (HFC) takie jak R23, R32, R43, R125, R134a, R143a, R152a, R227ea, R236fa, R245fa. Substancje te są użyte jako pojedynczy czynnik chłodniczy, w mieszaninach i do spieniania izolacji poliuretanowej.

Ciekawą rzeczą w Kodzie jest to, że nie rekomenduje on jaki czynnik powinien być użyty, stawia tyko określone wymagania czynnikowi chłodniczemu. Można z tego wyciągnąć dwa wnioski:

  • jest to otwarta droga dla naturalnych czynników chłodniczych takich jak HC i CO2;
  • nie zamknięto drogi dla czynnika pochodzenia chemicznego, pod warunkiem ze spełni on określone w Kodzie wymagania.

Otwarta jest więc droga dla każdego producenta urządzeń chłodniczych i klimatyzacyjnych, który zamierza ubiegać się o kontrakt na dostawę urządzeń, jeżeli spełni on wymagania stawiane w Kodzie. Uważam, że jest to bardzo zachęcający znak dla tych producentów, którzy maja opracowane i przebadane urządzenia chłodnicze z naturalnymi czynnikami chłodniczymi i nie obawiają się ryzyka. Z punktu widzenia marketingu, Igrzyska Olimpijskie są bardzo dobrym miejscem do promocji wyrobów.

Przemysł samochodowy (...)

Literatura zostanie dołączona do drugiej części artykułu, który ukaże się w jednym z kolejnych wydań.
 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Pompy ciepła 2023-2024

  • Pompy ciepła 2021-2022

  • Pompy ciepła 2022-2023

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2022

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2023

  • Pompy ciepła 2020-2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2020

  • Pompy ciepła 2019-2020

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2019

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.