Amoniak, jako czynnik chłodniczy, jest w użyciu od ponad 130 lat. Parametry termodynamiczne amoniaku zadecydowały o jego tak długim żywocie i coraz częstszym wykorzystaniu w obecnych instalacjach przemysłowych. Artykuł jest kontynuacją tematyki poruszonej przez autora w wydaniu 12/2012 (str. 57).

Nowości w instalacjach amoniakalnych

W ostatnich kilku latach, wiele się zmieniło w podejściu do projektowania i eksploatacji amoniakalnych układów chłodniczych. Jak w poprzedniej części stwierdziłem, amoniak, jako czynnik chłodniczy, nie będzie miał zastosowania we wszystkich instalacjach chłodniczych. Z pewnością jego zastosowanie znacznie się zwiększy, dzięki bardziej racjonalnemu podejściu do projektowania instalacji chłodniczych. Z drugiej strony, normy i standardy zmuszają projektantów do zmiany poglądów na projektowanie instalacji z tym czynnikiem. To nowe podejście do projektowania nowych instalacji, wymusza na producentach urządzeń i osprzętu dla amoniaku podążanie za trendamim. Zmiany te nie są oczywiście radykalne, ale bardzo widoczne. Oto, moim zdaniem, przyszłe kierunki w projektowaniu i budowie instalacji amoniakalnych.

Rys. 11. Zwarta konstrukcja systemu amoniakalnego dla trawlera przetwórni (Chile)

Rys. 12. Sprężarka amoniakalna ze skraplaczem powietrznym zainstalowana w zakładzie uboju owiec i bydła w Australii

Po pierwsze, będzie to miniaturyzacja instalacji, jak i jej poszczególnych elementów. Przykładem są tutaj instalacje wykonane i pracujące na trawlerach (rys. 11.). Jak widać na rysunku, jest to instalacja bardzo zwarta, osadzona na jednej ramie. Faktem jest, że jest to pierwsza tego typu instalacja przebadana w laboratorium i zainstalowana na trawlerze (Chile). Wydajność chłodnicza tej instalacji wynosi 385 kW, przy naładowaniu amoniakiem 18 kg. Tak, jest to 385 kW i tylko 18 kg amoniaku. Muszę dodać, że jest to instalacja z chłodzeniem pośrednim. Innym ważnym parametrem jest chłodzenie skraplacza wodą morską o masowym natężeniu przepływu 180 m3/h. Temperatura parowania amoniaku: -4,5°C, temperatura wody opuszczającej parownik: 0,7°C, temperatura wody wpływającej do parownika: 3,5°C. Innym przykładem miniaturyzacji jest instalacja amoniakalna dla małej ubojni owiec i bydła w Australii (rys. 12.). Projekt ten był sponsorowany przez Rząd Federalny i koszt tej instalacji wyniósł około 200 tys. dolarów. Ubojnia ta dokonuje uboju 3500 sztuk owiec i 200 sztuk bydła dziennie. Zminiaturyzowana instalacja amoniakalna została wykonana dla zamrażalni, której temperatura wynosi -40°C. Jest to system chłodzenia bezpośredniego. Zaletą tego systemu jest znacząca oszczędność energii.

W drugiej kolejności będą to instalacje amoniakalne ze zminimalizowanym naładowaniem amoniakiem. Będzie to wynik nie tylko miniaturyzacji instalacji amoniakalnych, ale zmienionego podejścia do projektowania tych systemów. Jako przykład podam schemat z rysunku 13. Jest to niskotemperaturowa instalacja amoniakalna z temperaturą parowania -40°C. Instalację charakteryzuje skraplacz wyparny z chłodnicami powietrznymi. Sprężarka jest typu śrubowego. Minimalizację naładowania osiągnięto głównie drogą zaprojektowania kompaktowych elementów układu. Aby to osiągnąć w wymiennikach niskociśnieniowych, rury stalowe zastąpiono rurami aluminiowymi, co zwiększyło wskaźnik przejmowania ciepła o około 100%. Do odszraniania parowników użyto metodę układu odwracalnego, który zdaniem autorów jest idealnym system dla zamrażarek spiralnych.

W trzeciej kolejności coraz powszechniej będziemy mieli do czynienia z układami kaskadowymi NH3/CO2. Instalacje te połączą w sobie obie wyżej wymienione zalety zmodernizowanych instalacji amoniakalnych. Taka Instalacja kaskadowa została z wielkim powodzeniem zainstalowana w supermarkecie „SUPERVAL”, USA. Celem projektu było wyeliminowanie R404A, jako czynnika chłodniczego i obniżenie zużycia energii przez nową instalację chłodniczą, w porównaniu z instalacją istniejącą. Charakterystyka systemu jest następująca:

1. Pojedynczy system kaskadowy NH3/CO2 został zastosowany w niskotemperaturowej części instalacji chłodniczej, z bezpośrednim zasilaniem parowników czynnikiem CO2. Średniotemperaturowe urządzenia są również zasilane CO2 z parownikami w systemie pompowym. Naładowanie amoniakiem tej instalacji wynosi 4,5 kg.

2. Maszynownia chłodnicza dla całego supermarketu z systemem amoniakalnym zlokalizowana jest poza budynkiem supermarketu. Całkowite naładowanie amoniakiem – 110 kg.

3. Do chłodzenia skraplaczy użyto układ wodny, który pozwolił na zredukowanie naładowania amoniakiem.

4. System amoniakalny służy wyłącznie do skroplenia CO2.

Do następnej grupy zaliczyłbym amoniakalne systemy absorpcyjne (rys. 14.). Nie należy o nich zapominać, gdyż zainteresowanie nimi stale rośnie. Przy wykorzystaniu ciepła odpadowego stają się one bardzo atrakcyjne z energetycznego punktu widzenia. Definiując system absorpcyjny, możemy powiedzieć, że jest to wprowadzanie jednej substancji do drugiej, której ilość jest dużo większa od ilości substancji pierwszej. Jednocześnie musimy być pewni, że te dwie substancje mieszają się z sobą, a nie rozpuszczają jedna w drugiej. Absorpcyjny system chłodniczy wytwarza efekt chłodniczy poprzez użycie dwóch cieczy, w naszym przypadku będzie to amoniak i woda. Do prawidłowej pracy tego układu jest niezbędne doprowadzenie ciepła, które można porównać z energią, jaką doprowadzamy do sprężarki chłodniczej. W systemie absorpcyjnym, sprężarka jest zastąpiona absorberem, pompą i generatorem.

Rys. 13. Amoniakalna maszynownia chłodnicza w Mlekopolu

Rys. 14. Zasada pracy systemu absorpcyjnego

Energia cieplna ze źródła ciepła jest dostarczana do chłodnej wody poprzez absorbujący płyn z czynnikiem chłodniczym. Absorpcyjna chłodnica absorbuje i wydala parę wodną do roztworu amoniaku. Innym czynnikiem od amoniaku może być bromek litu. Prace systemu absorpcyjnego określają następujące elementy systemu:

1. Generator, do którego pompowany jest roztwór amoniaku i wody. W generatorze roztwór ten jest podgrzewany. Rosnąca temperatura roztworu powoduje odparowanie amoniaku, który płynie do skraplacza.

2. W skraplaczu następuje skroplenie par amoniaku w wyniku odprowadzenia ciepła do otoczenia.

3. Ciekły amoniak jest pompowany do parownika, w którym, w wyniku pobrania ciepła z komory, odparowuje.

4. Wytworzone pary amoniaku płyną do absorbera, gdzie są pochłaniane przez wodę. Powstała mieszanina wody i amoniaku jest pompowana do generatora i cykl się powtarza.

Jest to bardzo prosty system chłodniczy, który poza pompą nie posiada części ruchomych. Wadą tego systemu jest jego niskie COP, niewiele powyżej 1. Zalety tego systemu to:

•  na mieszaninę w systemie absorpcyjnym składają się wyłącznie czynniki naturalne – amoniak i woda,

• zużycie energii jest bardzo niskie,

• wysoka niezawodność i niskie koszty utrzymania w ruchu,

• bardzo niska głośność,

• niskie ciśnienia pracy urządzenia.

Ostatnią grupą urządzeń amoniakalnych będą moim zdaniem urządzenia adsorpcyjne. Adsorpcję można by zdefiniować jako proces osadzania się (w postaci cienkiej warstwy) gazu lub cieczy na powierzchni ciała stałego. Z reguły jest to ciecz. Adsorbenty to w większości praktycznych przypadków związki węgla i tlenu. W przypadku systemu chłodniczego na powierzchni adsorbentu osadza się woda lub amoniak, które są czynnikami chłodniczymi. Proces adsorpcji można zdefiniować jako proces egzotermiczny, w którym osądzający się na powierzchni gaz powoduje wydzielenie ciepła. Aby wydzielić gaz, musimy do systemu doprowadzić ciepło. Jest to proces odwracalny, który powtarza się cyklicznie. Układ adsorpcyjny wyposażony jest w parownik, skraplacz i dwa zbiorniki adsorpcyjne. Wszystkie wymienione elementy pracują na podciśnieniu. Układ jest równie prosty jak układ absorpcyjny. Jego zalety to:

• jako czynniki stosowane są tylko czynniki naturalne, woda  lub amoniak,

• niska temperatura źródła ciepła, rzędu 50°C,

• temperatura wychłodzonej wody rzędu 3÷5°C,

• duża niezawodność pracy i długa żywotność urządzenia,

• bardzo prosta budowa,

• bardzo niska głośność.

Systemy amoniakalne w supermarketach (…)

System amoniakalny w kombinacie MLEKPOL (…)

Wnioski

Amoniak jest bardzo dobrym czynnikiem chłodniczym, z uwagi na jego wyjątkowo dobre własności termodynamiczne i ekologiczne. Większość wyprodukowanego amoniaku jest zużywana przez przemysł produkcji nawozów. Ze względu na swoje bardzo dobre własności termodynamiczne, amoniak będzie z pewnością w coraz powszechniejszym użyciu, jednakże projektowanie systemów ulegnie zmianie, głównie ze względu na wymagania dotyczące coraz mniejszego naładowania systemów amoniakiem. Jest to spore wyzwanie dla projektantów instalacji chłodniczych i producentów elementów układu chłodniczego.

Sądzę, że amoniak będzie nie tylko powszechnie używany w instalacjach chłodniczych przemysłowych, ale także w instalacjach chłodniczych średniej wielkości, takich jak instalacje w placówkach handlowych. W tym jednak przypadku stosowane będą układy kaskadowe NH3/CO2, które już zdały egzamin w praktyce.

Innym ważnym zastosowaniem amoniaku będą duże instalacje klimatyzacyjne z niskim naładowaniem amoniaku. W układach tych możemy oczekiwać zastosowania układów pośrednich, z wykorzystaniem CO2 jako czynnika pośredniego.

Podsumowując, mogę powiedzieć, ze amoniak jako czynnik chłodniczy będzie coraz szerzej stosowany i starajmy się być przygotowani na niewątpliwe zmiany w podejściu do projektowania układów amoniakalnych, jak również nowych rozwiązań technicznych.

LITERATURA

[1] ASHRAE handbook. Equipment. 1983

.[2] ASHRAE hanbook. Refrigeration. 2002.

[3] COLE R. A.: Low Head Pressure Operation in Ammonia Systems. Ashrae Annual meeting. June 1984.

[4] NOWACKI B.: Regulacja wydajności układów sprężarkowych. Cz. 1. Sprężarki śrubowe. Chłodnictwo i Klimatyzacja. 3/2012.

[5] NOWACKI B.: Regulacja wydajności układów sprężarkowych. Cz. 2. Sprężarki śrubowe ciąg dalszy. Chłodnictwo i Klimatyzacja. 4/2012.

[6] PILLIS J. W.: Expending ammonia usage to air conditioning. ASHRAE – NIST refrigeration Conference. 1993.

[7] PRESOTTO A. Jr., SUFFERT C. G.: Amonia refrigeration in supermarkets. ASHRAE Journal. 10/2001.

[8] STARNER K. E.: Heat exchangers for ammonia water chillers. ASHRAE – NIST refrigeration Conference. 1993.

[9] STOECKER W. F.: Industrial Refrigeration. Business News Publishing Company. Troy. Michigan 1988.

[10] STOECKER W. F.: How to Design and Operate Flooded Evaporators for Cooling Air and Liquids. Heating, Piping, Air Conditioning. vol. 32, No. 12. December 1960.

[11] WESOŁOWSKI A.: Sprężarkowe układy chłodnicze. Cz. 2. Układy jednostopniowe. Chłodnictwo i Klimatyzacja. 4/2012.

[12] WESOŁOWSKI A.: Sprężarkowe układy chłodnicze. Układy dwustopniowe. Chłodnictwo i Klimatyzacja. 7/2012.

[13] WESOŁOWSKI A.: Urządzenia chłodnicze i kriogeniczne oraz ich pomiary cieplne. WNT. Warszawa 1980.

[14] www.eurammon.com

[15] Informacje fi rmy GEA GRASSO.