Efekt cieplarniany stanowi poważny problem współczesnego świata. Stosowane powszechnie syntetyczne czynniki chłodnicze są gazami cieplarnianymi, co wymusza powrót do stosowania naturalnych czynników chłodniczych. Wśród nich są węglowodory nasycone (propan, izobutan), które są neutralne wobec klimatu i posiadają korzystne własności termodynamiczne. Bezpieczne stosowanie tych substancji wymaga prawidłowo działających systemów monitoringu niekontrolowanych wycieków.

Kluczową rolę w detekcji emisji gazów odgrywają dobrze dobrane i skalibrowane sensory do warunków panujących w danej przestrzeni. Czujniki znajdują się w newralgicznych punktach obiektu, wykrywają zaistniały wyciek, a następnie przesyłają informację do jednostki centralnej (znajdującej się poza strefą zagrożoną). W obiektach chłodniczych często panują krytyczne warunki klimatyczne, dlatego czujniki pracujące w systemach monitoringu gazów niebezpiecznych, muszą prawidłowo działać niejednokrotnie w skrajnych warunkach temperaturowo-wilgotnościowych (temperatura do -40°C i wilgotność rzędu 100%).

Rys. 1. Modelowa reakcja czujnika na oznaczany gaz

Opis badań

Celem pracy było dobranie metody detekcji i wykonanie czujników do naturalnych czynników chłodniczych typu węglowodory (propan i izobutan), które będą prawidłowo pracować w krytycznych warunkach chłodniczych. W wyniku analizy dostępnych na rynku czujników i elementów detekcyjnych, do badań wytypowano:

• element detekcyjny rezystancyjny o symbolu EDR1,
• element detekcyjny katalityczny o symbolu EDK2,
• czujnik w podczerwieni IR o symbolu CIR1.

Na bazie elementów detekcyjnych zaprojektowano i skonstruowano czujniki EDK2 i EDR1. Dla czujnika CIR1 wyprowadzono moduł konfiguracyjny poza strefę niskiej temperatury, w celu zwiększenia jego możliwości detekcyjnych w temperaturze niższej niż dedykowana przez producenta. Czujniki zostały poddane badaniom na stanowisku laboratoryjnym, umożliwiającym utrzymanie modelowych warunków chłodniczych. Badania przeprowadzono w temperaturze: 20°C, 10°C, 0°C, -10°C, -20°C, -30°C i -40°C. Do badań sporządzano mieszanki wzorcowe węglowodorów w powietrzu o stężeniach odpowiednio dla propanu: 0,075%, 0,15%, 0,3%, 0,6%, 1,2% i dla izobutanu: 0,056%, 0,113%, 0,225%, 0,45%, 0,90%.

Analizie poddano stabilność wartości sygnałów zerowych i alarmowych czujników. W celu określenia optymalnego czasu dozowania, zbadano wpływ czasu dozowania propanu i izobutanu na reakcję czujnika. Wyznaczono charakterystyki reakcji czujników na mieszanki wzorcowe węglowodorowych czynników chłodniczych z powietrzem. Badania były prowadzone przez 12 miesięcy w celu określenia stabilności pracy czujników w funkcji czasu. Dokonano analizy charakterystyk przetwarzania badanych czujników węglowodorów nasyconych (HC), aby sprawdzić wpływ temperatury i wilgotności względnej na ich działanie.

Omówienie wyników badań

(...)

Podsumowanie

Skonstruowane czujniki na bazie elementów detekcyjnych (rezystancyjnego i katalitycznego) działają prawidłowo, w badanym zakresie stężeń propanu i izobutanu, w krytycznych warunkach chłodniczych (temperaturze poniżej -20°C). Charakteryzują się również satysfakcjonującą stabilnością długoterminową, co stwarza możliwość ich praktycznego zastosowania. Zaprojektowany układ pomiarowy do sensora katalitycznego i rezystancyjnego uwzględniający kompensacje temperatury sprawdził się w krytycznych warunkach chłodniczych.

Czujnik IR wykazuje długoterminowe stabilne działanie w badanym zakresie stężeń propanu i izobutanu, jedynie w temperaturze do -20°C. Modyfikacja czujnika IR, wyprowadzająca moduł konfiguracyjny poza strefę niskiej temperatury, zapewniła jego prawidłową pracę w temperaturze poniżej -20°C jedynie przez krótki okres badań.

Szybkość reakcji czujnika nie zależy od stężenia propanu i wynosi około 15 s. Najdłuższa odpowiedź każdego przebadanego czujnika pojawia się w temperaturze ujemnej, lecz nie przekracza 25 s. Czujniki wykazują satysfakcjonujący czas odtruwania (czyli powrotu do poziomu zerowego): dla IR nie dłuższy niż 30 s, dla rezystancyjnego – niż 60 s, natomiast dla katalitycznego nie dłuższy niż 100 s.

Wyznaczono charakterystyki czujników: dla IR jest to równanie prostej y=1,66x + 0,613, dla rezystancyjnego równanie wykładnicze y = 4,769 · x^0,647, natomiast w przypadku katalitycznego równanie prostej y = 5,477x + 0,102. Współczynnik regresji we wszystkich przypadkach wynosi R2 = 0,99.

W systemach detekcji emisji węglowodorów z instalacji chłodniczych możliwe jest zastosowanie przebadanych czujników. Prawidłowe działanie tych urządzeń zapewni bezpieczeństwo ludzi i przechowywanego towaru.

mgr inż. Urszula STĘPLEWSKA
dr inż. Magdalena WRÓBEL-JĘDRZEJEWSKA
mgr inż. Paweł KULETA

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 01-02/2014