W chłodnictwie i klimatyzacji można spotkać się z cieczami takimi jak: woda, etanol, metanol, glikole etylenowe i propylenowe oraz solanki (chlorek wapnia i chlorek sodu). Solanki charakteryzują się dużą agresywnością i szybko przyczyniają się do korozji rurociągów. Alkohole, w porównaniu do glikoli, cechuje większe ciepło właściwe, mniejsza agresywność w stosunku do rurociągów oraz mniejsza lepkość. Mimo to, najczęściej w systemach HVAC&R spotkać można glikole: propylenowy i etylenowy.

Stosowane obecnie w systemach klimatyzacyjnych i chłodniczych rozwiązania techniczne opierają się na zamkniętych układach hydraulicznych z czynnikiem pośredniczącym przenoszącym energię pomiędzy poszczególnymi urządzeniami układu. Najczęściej czynnikiem tym jest woda. Z uwagi na największe ciepło właściwe, niską lepkość, dostępność i nietoksyczność stanowi najtańsze i najlepsze medium pośredniczące w przenoszeniu energii. Nie wszędzie jednak można zastosować „czystą” wodę. Układy chłodnicze lodowisk, czy mroźni z założenia pracują przy temperaturze poniżej 0°C. Również w wielu przypadkach w systemach klimatyzacyjnych istnieje ryzyko okresowego występowania temperatury poniżej 0°C, a tym samym ryzyko zamarznięcia wody i uszkodzenia instalacji.
Przejściowo występujące zagrożenie zamarznięcia czynnika wymaga zastosowania pewnych zabezpieczeń. W takich przypadkach stosuje się kable grzejne lub tzw. płyny niezamarzające, których temperatura krzepnięcia jest znacznie poniżej 0°C.
Kable grzejne układane są pod izolacją wzdłuż rurociągu bądź nawijane na niego spiralnie, w zależności od średnicy przewodu. Podczas przepływu prądu elektrycznego w żyle przewodu następuje jego nagrzewanie i ogrzewanie czynnika w pętli wodnej. Alternatywą dla przewodów elektrycznych jest zastosowanie odpowiedniego medium. Zastąpienie wody płynem, którego temperatura krzepnięcia jest niższa od przewidywanej temperatury otoczenia.

Rys. 1. Zależność temperatury krzepnięcia od stężenia glikolu w roztworze wodnym [1, 2]

Glikol etylenowy vs. propylenowy
Typowym rozwiązaniem w zamkniętych obiegach systemów klimatyzacyjnych narażonych na przemarzanie jest stosowanie wodnych roztworów glikolu, zarówno etylenowego jak i propylenowego. Od rodzaju zastosowanego glikolu oraz jego stężenia w roztworze wodnym zależy temperatura krzepnięcia oraz inne właściwości fizykochemiczne cieczy. Określając wymagane stężenie roztworu glikolu, warto pamiętać, aby temperatura krzepnięcia stosowanej mieszaniny była niższa o przynajmniej 3 K od mogącej wystąpić temperatury otoczenia.
Na rysunku 1 przedstawiono zmianę temperatury krzepnięcia w zależności od stężenia glikolu w roztworze wodnym.
Pomimo dużej popularności obu rodzajów glikolu, częściej spotyka się glikol etylenowy. Jest to spowodowane niższą wartością lepkości w porównaniu do glikolu propylenowego, niższymi kosztami, a zbliżonym ciepłem właściwym odpowiedzialnym za efektywność transportu energii. Jednak jest to substancja toksyczna. Glikol propylenowy w tym przypadku charakteryzuje się znacznie mniejszą toksycznością. Z tego względu stosowany jest w przemyśle spożywczym oraz w miejscach, gdzie potencjalny wyciek mógłby mieć kontakt z napojami lub żywnością. W tabeli 1 porównano oba rodzaje glikoli – etylenowy i propylenowy, biorąc pod uwagę między innymi ich lepkość, palność, temperaturę krzepnięcia oraz toksyczność.

Wodne roztwory glikoli mają silniejsze działanie korozyjne niż woda. Aby zabezpieczyć instalację przed uszkodzeniami oraz zabezpieczyć samą ciecz przed degradacją glikolu, stosuje się inhibitory.
Dozowanie inhibitorów może odbywać się bezpośrednio do instalacji i stanowić element rozbudowanej stacji uzdatniania wody. Można również skorzystać z gotowych mieszanin wody, glikolu i inhibitorów, gdzie inhibitory stanowią około 4÷6%. Stosując gotowe koncentraty z domieszką substancji zabezpieczających, należy pamiętać o wymaganym minimalnym stężeniu tych substancji. W przypadku znacznego rozcieńczenia, konieczne staje się uzupełnienie ilości inhibitorów w instalacji.

Przystosowanie rurociągu do współpracy z roztworem glikolu (...)

Korozyjność i degradacja glikoli (...)

Podsumowanie
Zastosowanie kabli grzejnych pozwala na wykorzystanie jako czynnika pośredniczącego wody, która posiada najlepsze właściwości cieplne (lepkość, ciepło właściwe) dzięki czemu zmniejsza się opór przepływu medium oraz wymagany strumień masowy niezbędny do przeniesienia określonej ilości energii. Jednak w przypadku wystąpienia awarii prądu i braku zasilania zabezpieczenie to staje się bezużyteczne. Wykorzystanie właściwości fizyko- chemicznych płynów niezamarzających m.in. glikoli, jest praktycznie niezawodne, o ile zastosowany zostanie roztwór o odpowiednim stężeniu, odporny na występujące okresowo bardzo niskie temperatury. Warto stosować rozwiązania niezawodne nie tylko podczas normalnej eksploatacji, ale również w sytuacjach awaryjnych. Wykorzystując roztwory glikoli, nie trzeba obawiać się awarii prądu, czy nocnego postoju instalacji, należy jednak pamiętać o odpowiednim przygotowaniu przewodów do współpracy z tą substancją.

*** Artykuł powstał na podstawie pracy współfinansowanej przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego, projekt „Program Rozwojowy Politechniki Warszawskiej”.

LITERATURA
[1] Guidelines for selection and maintaining glycol based heat transfer fluids, materiały firmy Chen-Aqua, Inc.
[2] Materiały informacyjne firmy Vestoil.
[3] Materiały informacyjne portalu The Engineering Toolbox.
[4] Materiały portalu naukowego myzlab.pl.
[5] Wyniki uzyskane za pomocą oprogramowania Audytor CO.
[6] ASTM Test D1384 Dow Chemical.
[7] Dane firmy Wilo.

AUTOR: Marta CHLUDZIŃSKA
– Zakład Klimatyzacji i Ogrzewnictwa, Wydział Inżynierii Środowiska Politechniki Warszawskiej