Instalacje chłodnicze średniej i małej wydajności napełniane węglowodorami Wytyczne projektowania |
Data dodania: 04.03.2016 |
Po odkryciu niszczącego wpływu freonów na naszą atmosferę i podpisaniu Protokołu Montrealskiego i Protokołu z Kioto, zaczęto stopniowo eliminować czynniki chłodnicze zawierające chlor i fluor, wprowadzając w ich miejsce naturalne czynniki chłodnicze. Proces wprowadzania naturalnych czynników chłodniczych przebiegał bardzo wolno. Powodem tego były ich właściwości fizyko-chemiczne, głownie palność (czynniki z grupy HC – hydrocarbons-węglowodory) i wysokie ciśnienie (CO2).
Przez ponad 80 lat w handlowych i domowych instalacjach chłodniczych stosowaliśmy z powodzeniem freony (CFC i HCFC). Było to do czasu, kiedy odkryto w połowie lat 70-tych ubiegłego wieku, że fluor, chlor, brom i siarka niszczą warstwę ozonową, która osłania nasz glob przed zgubnym wpływem promieniowania słonecznego. Podstawową cząstką jaką użyto do zaprojektowania i wyprodukowania pierwszych freonów był metan. Cząstka metanu jest zbudowana z jednego atomu węgla i czterech atomów wodoru. Zastępując w cząstce metanu wodór cząstkami fluoru, chloru, bromu lub siarki wyprodukowano pierwszy i najpopularniejszy freon – R12, którego budowa chemiczna składa się z atomu węgla, dwóch atomów chloru i dwóch atomów fluoru (CCl2F2) i R22, na który składają się jeden atom węgla, jeden atom wodoru, jeden atom chloru i dwa atomy fl uoru (CHClF2). Listę atomów wchodzących w skład rożnego typu freonów i ich wpływ na naszą atmosferę przedstawia rys. 1.
Rys. 1. Wpływ polityki ochrony warstwy ozonowej na zmiany w stosowaniu czynników chłodniczych
Poniższa lista atomów, które praktycznie mogą być brane pod uwagę przy wyborze lub produkcji czynników nie niszczących warstwy ozonowej jest znana od wielu lat:
Czynniki naturalne bazujące na powyższej liście stosowane w początkach chłodnictwa domowego i handlowego zostały wyparte przez freony, których cena była bardzo niska z jednoczesną możliwością budowy w początku lat 30-tych ubiegłego wieku pierwszych hermetycznych układów chłodniczych. Hermetyczne układy chłodnicze po raz pierwszy były zastosowane w domowych urządzeniach chłodniczych i powoli zaczęły być wprowadzane w chłodnictwie handlowym.
Biorąc pod uwagę wyżej wymienione atomy, lista potencjalnych jak i obecnie stosowanych naturalnych czynników chłodniczych jest następująca (rys. 2.):
Rys. 2. Pełna lista potencjalnych naturalnych czynników chłodniczych
Po początkowych pracach badawczych nad zastosowaniem CO2 w chłodnictwie handlowym (było to w początkach 21 wieku), zaniechano stosowanie tego czynnika. Wynikało to z faktu, że R744 (CO2) charakteryzujący się wysokimi ciśnieniami parowania i skraplania, nie spełniał wymagań odnośnie efektywności energetycznej. Dotyczyło to szczególnie klimatów o wyższych temperaturach otoczenia. Z tego też powodu R744 zdaje świetnie egzamin w pompach ciepła. Z analizy rynku polskiego i zachodniego wynika, że w chłodnictwie średnim handlowym jak i w chłodnictwie małym domowym zaczynają dominować R290 (chłodnictwo średnie) i R600a (chłodnictwo małe). Jednocześnie pod wpływem ośrodków i agencji ochrony środowiska, czynniki palne zostały zaakceptowane i odpowiednie normy pozwalające na ich użycie zostały przygotowane i opublikowane.
Pierwsze trzy normy z powyższej listy mają zastosowanie do czynników chłodniczych, natomiast pozostałe mają zastosowanie do urządzeń chłodniczych i ich elementów.
Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA) zatwierdziła do zastosowania w instalacjach chłodniczych średnich i małych następujące czynniki: R290, R600a, R170, R32 i R441A.
Natomiast czynniki z grupy HFC muszą być wycofane z użycia w następujących terminach, bazując na zarządzeniach EPA (2 lipiec 2015):
Zaletami stosowania czynników chłodniczych z grupy HC są:
Natomiast niedogodnościami stosowania czynników HC są:
Ładowanie urządzenia chłodniczego czynnikiem chłodniczym z grupy HC (...)
Podstawowe uwagi dotyczące projektowania urządzeń chłodniczych na czynniki chłodnicze z grupy HC: (...)
Wybór czynnika chłodniczego (...)
Potencjalne źródła zapłonu w urządzeniach chłodniczych (...)
Konstrukcja Wymienniki ciepła (...)
(...)
(...)
(...)
Sprężarka
Producent sprężarek chłodniczych na czynniki z grupy HC wie o tym, że ze względu na ograniczone normami naładowanie układu chłodniczego, należy tak zaprojektować sprężarkę, aby jej wewnętrzna objętość była jak najmniejsza. Dobór sprężarki na czynniki HC jest taki sam, jak dobór sprężarki na czynniki HCFC i HFC i bazuje na danych katalogowych producenta. Dobierając sprężarkę, warto pamiętać, że czynnik chłodniczy R600a ma tylko około 55% R134a wydajności objętościowej. Z tego powodu objętość skokowa sprężarki R600a będzie około 2 razy większa od objętości skokowej sprężarki R134a. Wiąże się z tym większa średnica tłoka jak i jej głośność. Natomiast czynnik chłodniczy R290 ma około 90% R22 wydajności objętościowej. Stąd sprężarka na czynnik R290 ma zbliżoną objętość skokową do sprężarki R22 i około 15% większą objętość skokową od sprężarki R404A. Dobierając sprężarkę na R600a lub R290, pamiętajmy o jednym ważnym fakcie. Mianowicie czynnik R290 ma około 2,5 razy większą wydajność objętościową niż czynnik R600a, co w konsekwencji będzie się wiązało z różnicą w masowym natężeniu przepływu czynnika, czyli będzie miało wpływ na dobór elementów układu chłodniczego.
Obecnie coraz dostępniejsze są sprężarki o zmiennej ilości obrotów. Decydując się na jej wybór, moim zdaniem podejmiemy właściwą decyzję, gdyż sprężarki te są sprężarkami przyszłości, które w niedługim czasie wyprą sprężarki o stałych obrotach. Dodatkowo, wybór sprężarki o zmiennych obrotach na jeden z czynników HC, obniża zużycie energii o około 20÷30%, co każdy użytkownik łatwo zauważy, płacąc rachunek za energię elektryczną.
Materiały
Praktycznie wszystkie dotąd stosowane elastomery i plastyki są kompatybilne z czynnikami HC i stosowanymi olejami (olej mineralny, POE, AB). Również dotąd stosowane metale w urządzeniach chłodniczych, takie jak stal, miedz, aluminium, brąz są kompatybilne z czynnikami HC. Natomiast wszystkie gumy naturalne i silikonowe nie są kompatybilne z czynnikami HC i nie mogą być stosowane w układach chłodniczych na czynniki HC.
Elementy układu chłodniczego
(...)
(...)
(...)
(...)
Wymagania dotyczące produkcji urządzeń na czynniki HC (...)
(...)
(...)
(...)
(...)
(...)
Podstawowe zasady bezpieczeństwa pracy z palnymi czynnikami chłodniczymi są następujące:
Podsumowanie
Z powyższej analizy wynika, że projektowanie a szczególnie produkcja urządzeń na czynniki węglowodorowe jest różna od procesów, jakie znamy z praktyki z dotychczas stosowanymi czynnikami chłodniczymi. Zaletą dotychczas stosowanych czynników była ich niepalność, co ułatwiało projektowanie, dobór elementów układu chłodniczego jak i produkcję urządzeń chłodniczych. Na podstawie tego, co napisałem, można wnioskować, że praca nad urządzeniami na palne czynniki chłodnicze jest trudna i niebezpieczna. Nie jest to prawda. Pamiętajmy, że w latach 20-tych ubiegłego wieku stosowano węglowodory w małych instalacjach chłodniczych, a od początku lat 90-tych ubiegłego wieku wyprodukowano miliony domowych urządzeń chłodniczych i praktycznie nie słyszeliśmy o ich niebezpieczeństwie, tak w czasie produkcji jak i eksploatacji. Pamiętajmy o jednej bardzo ważnej podstawowej rzeczy – naładowanie 50 g domowych urządzeń chłodniczych zostało wybrane, bazując na średniej wielkości kuchni europejskiej, zakładając, że jeżeli cała ilość izobutanu ulegnie wyciekowi, jego zawartość w powietrzu będzie mniejsza od jego dolnego progu zapłonu. Natomiast w przypadku handlowych urządzeń chłodniczych wzięto pod uwagę „całkowite maksymalne naładowanie”, bazując na lokalizacji urządzenia i średniej ilości osób w pomieszczeniu, jak również określono „praktyczny limit naładowania”, bazując na normie EN378-1.
Moim zdaniem, przejście na węglowodory jako czynniki chłodnicze nie powinno nastręczać trudności praktycznych doświadczonym inżynierom i personelowi.
Literatura
|
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