W artykule pt. „Przemysłowe instalacje chłodnicze – warunki bezpiecznej pracy z amoniakiem” opublikowanym w „Chłodnictwo&Klimatyzacja”nr 8/2014 omówiłem jeden z najważniejszych aspektów pracy z przemysłowymi instalacjami chłodniczymi naładowanymi amoniakiem – bezpieczeństwo. Tym razem skoncentruję się i postaram się przedstawić w prosty sposób najnowsze trendy i kierunki w projektowaniu i budowie amoniakalnych instalacji chłodniczych.

Jak wiemy, naładowanie przemysłowej instalacji chłodniczej, to nie są to kilogramy, są to tony amoniaku w instalacji chłodniczej. Amoniak jest alkalicznym, bezbarwnym związkiem, który ma zastosowanie w wielu dziedzinach (środki czyszczące, nawozy sztuczne, przemysł itp.) i jest osiągalny w czterech kategoriach czystości.

Najczystszy amoniak (99,98%) stosowany jest w chłodnictwie i jest prawie pozbawiony wody (maksymalnie 150 ppm wody, 3 ppm oleju, 0,2 ml/g nieskraplających gazów). Czynnik ten jest łatwo dostępny, tani, z parametrami pracy (głównie ciśnienia) zbliżonymi do innych czynników chłodniczych i absorbuje duże ilości ciepła w parowniku. Jego światowa produkcja osiąga rocznie wartość około 100 milionów metrycznych ton. Warto wiedzieć, że tylko 2% całkowitej rocznej produkcji amoniaku trafi a do chłodnictwa. Pamiętajmy jednak zawsze o tym, że amoniak ma cechy, które są niebezpieczne, jeżeli nie przestrzegamy warunków bezpieczeństwa. Czynnik ten jest nie tylko wybuchowy (zakres wybuchowości zawiera się pomiędzy 108 000 a 240 000 mg/m³), ale i bardzo toksyczny, o charakterystycznym ostrym zapachu wyczuwalnym już w bardzo małym stężeniu (3,5 mg/m³). Wielką zaletą amoniaku jest jego ODP = 0, GWP = 0 i wysoka sprawność energetyczna. Parametry termodynamiczne amoniaku przewyższają parametry termodynamiczne powszechnie znanych czynników chłodniczych. Podstawową wadą eksploatacyjną amoniaku jest jego nie mieszanie się z olejami. Wpływ na zmianę naszego otoczenia i atmosfery mają głownie czynniki chemiczne z grup CFC, HCFC, HFC i ostatnio opornie wprowadzane czynniki z grupy HFO. Dla przypomnienia podam, że głównymi czynnikami z grupy HFO są R1234yf i R1234ze, które są nie tylko toksyczne, ale i chemicznie agresywne w temperaturze 405°C, która to temperatura jest ich temperaturą zapłonu.

Naturalne czynniki chłodnicze takie jak amoniak, dwutlenek węgla (CO2 – R744), węglowodory (HC – R290, R600a i R1270) nie wpływają negatywnie na strefę ozonową otaczającą naszą planetę. Jednakowoż ich palność i toksyczność wpływa na ich ograniczone (jak dotąd) użycie. Jeżeli porównamy przemysłowe instalacje chłodnicze do innych mniejszych instalacji chłodniczych, możemy powiedzieć, że instalacje amoniakalne nie uległy tak szybkim zmianom w ich projektowaniu i budowie jak mniejsze instalacje chłodnicze.

Jeżeli porównamy przemysłowe instalacje chłodnicze do innych mniejszych instalacji chłodniczych, możemy powiedzieć, że instalacje amoniakalne nie uległy tak szybkim zmianom w ich projektowaniu i budowie jak mniejsze instalacje chłodnicze. Jeżeli porównamy przemysłowe instalacje chłodnicze do innych, mniejszych, stwierdzimy, że ich rozwój i zmiany przebiegały dużo wolniej. Jednakowoż, w ostatnich kilku latach trend ten uległ zmianie i mamy obecnie do czynienia z coraz szybszym postępem w projektowaniu i budowie instalacji amoniakalnych. Z historycznego punktu widzenia możemy zanotować wiele pozytywnych zmian w projektowaniu i budowie instalacji amoniakalnych. Pozwolę je sobie krótko przedstawić:

• Poprawa wymagań bezpieczeństwa pracy z amoniakiem, które są ujęte w nowych i zmodernizowanych normach tak krajowych jak i międzynarodowych;
• Na przestrzeni lat nastąpiła globalizacja przedsiębiorstw stosujących instalacje amoniakalne. Aby sprostać globalizacji, przedsiębiorstwa specjalizujące się w produkcji elementów instalacji amoniakalnych musiały dostosować się do tych nowych warunków i poprawić jakość jak i obniżyć ceny;
• Poprawa sprawności energetycznej instalacji amoniakalnych poprzez zastosowanie zaworów o wysokiej sprawności, elektronicznej kontroli szczelności instalacji chłodniczej itp.;
• Obniżka kosztów, które są nie tylko kosztami urządzeń i produktów niezbędnych do wykonania instalacji chłodniczej, ale głównie obniżka kosztów całkowitych, do których bym zaliczył wszystkie koszty począwszy od kosztów pośrednich, związanych z projektowaniem, a kończąc na instalowaniu, pracy i obsłudze instalacji chłodniczej;
• Krótki czas dostawy elementów i budowy instalacji chłodniczej;
• Niski koszt pracy instalacji chłodniczej;
• Niski koszt obsługi instalacji chłodniczej;
• Nowe tańsze zastosowania i projekty;
• Wymagania ochrony środowiska.

Mając na uwadze wyżej wymienione wymagania, dotyczące projektowania amoniakalnych instalacji chłodniczych, w ostatnich kilku latach w wielu krajach, szczególnie w USA i Francji, opracowano wiele kompleksowych norm i regulacji dotyczących projektowania, planowania i pracy dużych instalacji amoniakalnych. W przypadku takich krajów, obniżenie naładowania amoniakiem jest atrakcyjne szczególnie w średniej wielkości instalacjach chłodniczych. Redukując naładowanie instalacji amoniakiem przy jednoczesnej stałej, niezawodnej i sprawnej wieloletniej pracy, zalecane jest stosowanie niskociśnieniowego zbiornika. Zapewnia to wczesne wykrycie nieszczelności, zanim system straci swoją projektowaną wydajność chłodniczą.

Przemysłowe instalacje chłodnicze uległy dużym zmianom w ostatnich latach, niemniej jest jeszcze wiele do zrobienia. W dalszej części nie będę omawiał elementów i urządzeń niezbędnych do utrzymania i przetworzenia żywności czy innych zastosowań przemysłowych, gdyż jest to ogólnie znane inżynierom pracującym w tych przemysłach. Poniżej skoncentruje się i postaram się przedstawić w prosty sposób najnowsze trendy i kierunki w projektowaniu i budowie amoniakalnych instalacji chłodniczych.

Redukcja naładowania instalacji chłodniczej amoniakiem

Ze względu na palność, toksyczność amoniaku, obniżkę kosztów instalacji chłodniczej jak również mając na uwadze coraz częstszą lokalizację dużych instalacji chłodniczych w pobliżu zabudowań publicznych, koniecznym stało się takie projektowanie instalacji, aby naładowanie amoniakiem było jak najmniejsze. Obecnie najpowszechniejsze są amoniakalne instalacje papowe charakteryzujące się bardzo dobrymi parametrami (osiągami) pracy parowników niezależnie od ich obciążenia cieplnego i temperatury. Są one również bardzo proste i łatwe w obsłudze. Wadą tych układów jest duża ilość amoniaku w parowniku, który z reguły znajduje się w pobliżu obsługi i schładzanego towaru. Celem usunięcia tych wad, w ostatnich latach coraz szerzej projektowane są instalacje z bezpośrednim zasilaniem parowników zaworami rozprężnymi. Zaletą tego systemu jest około 4-krotne zredukowanie całkowitego naładowania instalacji amoniakiem i około 40-krotne zmniejszenie naładowania amoniakiem parowników. Dla przykładu podam, że instalacja chłodnicza o wydajności około 7200 kW może być naładowana tylko 4500 kg amoniaku. Poza tym system z użyciem zaworów rozprężnych (DX – Direct Expension) obniża koszty eksploatacji, obniża zużycie energii i skraca zdecydowanie cykl odszraniania a także obniża koszty budowy poprzez zastosowanie mniejszych przekrojów rur i mniejszych zbiorników amoniaku. Przykład parownika z zaworem rozprężnym przedstawia rysunek 1. Nieco inne rozwiązanie obniżające naładowanie czynnika amoniakiem zaproponowała firma NEXTCOLD. Rozwiązanie to przedstawia rysunek 2. Rozwiązanie to polega na elektronicznej kontroli nie tylko wtrysku amoniaku do parownika, ale również na elektronicznej kontroli jakości amoniaku opuszczającego skraplacz. Aby to osiągnąć, firma wprowadziła szereg elementów kontrolnych, które kontrolują ilość i jakość amoniaku w parowniku. System ten przedstawia rysunek 3.

Rys. 1. Parownik firmy Colmac Coil (USA) zasilany zaworem rozprężnym

Rys. 2. Parownik z elektroniczną kontrolą wtrysku amoniaku firmy NXTCOLD

Rys. 3. System firmy NXTCOLD zainstalowany na dachu chłodni

Nieco inne rozwiązanie zapewniające zdecydowaną obniżkę naładowania instalacji amoniakiem proponuje firma Alfa Laval. W tym przypadku aby obniżyć naładowanie, Alfa Laval proponuje zastąpić obecnie stosowany separator przedstawiony na rysunku 4. separatorem o nowej konstrukcji pokazanym na rysunku 5. Separator firmy Alfa Laval w kształcie litery „U” zapewnia niskie naładowanie instalacji amoniakiem, wyższe COP, niższy koszt, zwartą konstrukcję, wyższą temperaturę parowania amoniaku, łatwość instalacji i niższy spadek ciśnienia. Największymi zaletami nowej konstrukcji separatora jest jego wysoka sprawność rozdzielania, niska waga i zwarta budowa. Natomiast do wad można zaliczyć małą objętość ciekłego czynnika, jaką ten separator jest w stanie utrzymać. Z kolei rysunek 6. przedstawia separator zainstalowany na lodowisku w Monntralu. Separator ten obniżył naładowanie instalacji amoniakiem do 1 kg NH3 / 3,6 kW wydajności chłodniczej instalacji. Jak z tego przykładu wynika, nowy separator rzeczywiście zdecydowanie obniżył naładowanie instalacji amoniakiem, o co projektantom instalacji amoniakalnych głównie chodzi. Jak wynika z doświadczeń, nowy separator zapewnia bardzo niskie naładowanie amoniakiem – około 0,05 kg/ 1kW wydajności chłodniczej. Tak niskie naładowanie odnosi się do średniej wielkości amoniakalnych instalacji chłodniczych.

Rys. 4. Tradycyjny oddzielacz amoniaku (Alfa Laval)

Rys. 5. Usprawniony oddzielacz amoniaku firmy Alfa Laval

Rys. 6. Przykład separatora firmy Alfa Laval zainstalowanego na lodowisku w Montrealu

(...)

Systemy amoniak – dwutlenek węgla

W Europie powierzchnia chłodni składowych rośnie średnio 3% rocznie z wyłączeniem Niemiec, gdzie wzrost ten sięga 11% rocznie. Większość krajów europejskich posiada przestarzałe amoniakalne instalacje chłodnicze i w większości krajów rynek chłodni składowych jest prawie w pełni nasycony, co ogranicza wzrost ilości chłodni. Z krajów europejskich Holandia posiada największe nasycenie, wynoszące 1,15 m³ powierzchni chłodni na jednego mieszkańca. Całkowita objętość chłodni składowych w Europie wynosi około 83 milionów m³ (2008 rok), co reprezentuje około 325% wzrost w porównaniu z rokiem 2006.

W większości europejskich chłodni składowych dominował pośredni system chłodzenia z glikolem, jako czynnikiem pośrednim. W takich przypadkach tylko glikol cyrkulował w pomieszczeniu o kontrolowanej temperaturze. Zaletą tych systemów jest mniejsze od tradycyjnego systemu naładowanie amoniakiem, większe bezpieczeństwo, mniejsze ryzyko wycieku amoniaku. Innym sposobem znaczącego obniżenia systemu amoniakiem do około 90% w porównaniu z system tylko amoniakalnym, jest zastosowanie systemów NH₃ – CO₂. W kombinacji tych dwóch czynników CO₂ może być użyty jako:

• czynnik niskiego stopnia w układach kaskadowych z amoniakiem;
• czynnik jako czynnik pośredni w instalacjach chłodniczych.

Układy chłodnicze z użyciem CO₂, gdzie amoniak jest podstawowym czynnikiem chłodniczym posiada kilka zalet:

• niski koszt;
• wysoka sprawność;
• doskonale rozwiązanie dla ochrony środowiska;
• może być użyty w tych przypadkach, gdzie system chłodniczy amoniakalny nie może być zastosowany.

CO₂ jako czynnik pośredni charakteryzuje się następującymi własnościami:

• ODP = 0;
• GWP = 1;
• nie toksyczny (bazując na EN378);
• niska lepkość, co pozwala na zastosowanie mniejszych pomp;
• wysoka objętościowa wydajność chłodnicza, co pozwala na użycie rur o mniejszej średnicy;
• Średnie ciśnienie rzędu 40 bar w większości zastosowań.

Amoniak jako główny czynnik chłodniczy z dwutlenkiem węgla jako czynnikiem pośrednim mają następujące zastosowania:

• w chłodniach z temperaturą pomiędzy -25 a -5°C zaleca się jednostopniowy system amoniakalny z dwutlenkiem węgla jako czynnikiem pośrednim;
• w zamarzalniach z temperaturą od -40 do -25°C zalecane jest stosowanie dwustopniowego systemu amoniakalnego z dwutlenkiem węgla jako czynnikiem pośrednim;
• w zamrażalniach z temperaturą od -40 do -52°C zalecane jest stosowanie systemów kaskadowych NH3/CO2;
• w chłodniach z kilkoma rożnymi poziomami temperatury zaleca się stosowanie systemów mieszanych.

Wydajności systemów chłodniczych amoniak / dwutlenek węgla zawierają się z reguły w granicach od 500 kW do 3 MW wydajności chłodniczej.

(...)

Rys. 9. Maszynownia układu kaskadowego NH3/CO2

Wymienniki ciepła

(...)

Materiały

Jeżeli mamy do czynienia z amoniakiem, podstawowym materiałem na wymienniki ciepła jest stal, której przewodność cieplna jest dużo mniejsza od przewodności cieplnej miedzi czy aluminium. Jednocześnie twardość stali utrudnia wykonanie wymienników ciepła i podwyższa ich koszt. Z drugiej strony, stal węglowa jest bardzo podatna na korozje w kontakcie z wodą. Materiałami, które mogą zastąpić stal są:

• stal nierdzewna, która ma podobne własności przewodności cieplnej do stali węglowej, ale nie ulega korozji;
• aluminium jest materiałem bardzo atrakcyjnym ze względu na jego dobrą przewodność cieplną, możliwość pracy z amoniakiem, łatwość w produkcji wymienników ciepła o bardzo dobrej charakterystyce cieplnej. Jednakowoż, aluminium jest również wrażliwe na korozje w obecności wody lub czynników pośrednich. Z tych też powodów nie znajduje powszechnego zastosowania. Jak wyżej wspomniałem, prowadzone są obecnie prace nad technologią zabezpieczającą aluminium przed korozją w obecności wilgoci. W związku z tym materiału tego nie należałoby eliminować;
• tytan jest materiałem, który może być użyty w instalacjach amoniakalnych, jednakowoż jest bardzo drogi. Jest głownie stosowany w skraplaczach, które są chłodzone wodą morską.

(...)

Rys. 12. Zestaw sprężarkowy firmy Bitzer

Rys. 13. GEA „BluAstrum” amoniakalny zestaw chłodniczy o wydajności od 592 do 1798 kW

Amoniakalne sprężarki chłodnicze

(...)

Zakończenie

Podsumowując, chciałbym podkreślić, że w ostatnich kilku latach postęp w chłodnictwie amoniakalnym był ogromny, głownie za sprawą nowych technologii, materiałów i wymagań ochrony środowiska. Główne zmiany nastąpiły w podejściu do projektowania dużych obiektów amoniakalnych. W wyniku tych zmian budowa chłodni amoniakalnych uległa skróceniu, gdyż podstawowe jej elementy są wykonane poza obiektem budowanej chłodni, dostarczane na plac budowy, celem podłączenia i napełnienia instalacji amoniakiem. Skraca to zdecydowania czas budowy chłodni. Proces ten będzie w dalszym ciągu udoskonalany a czas niezbędny do budowy dużego obiektu chłodniczego będzie skrócony, zaś niezawodność instalacji i jej bezpieczna praca wzrosną.

Andrzej WESOŁOWSKI

były pracownik Carrier, York i Embraco,

USA

LITERATURA:

[1] Informacje firm: Alfa Laval, Azane, Colmac Coils, Emerson/Roche, NXTCOL, Bitzer.

[2] A. ANDRUSENKO, M. BELLSTEDT, A. ARKAL: Ammonia and CO2 combine package systems for commercial and Industrial Applications. 9th G. Lorentz Conference in 2010. Sydney. Australia.