Naturalne czynniki chłodnicze pozwalają uzyskać wysoką efektywność energetyczną urządzeń, pozostając przy tym neutralnymi wobec ziemskiego klimatu. Amoniak, należący do tej grupy, wykazuje bardzo dobre właściwości termodynamiczne, dzięki czemu układy chłodnicze napełnione nim, charakteryzują się szczególnie wysoką efektywnością pracy. Trzeba jednak spełnić pewne szczególne wymagania dotyczące bezpieczeństwa. 

Chłodnicza instalacja amoniakalna w centrum dystrybucyjnym sieci supermarketów o powierzchni 20 000 m2 i łącznej mocy 1200 kW (J&E Hall) Fot: LNS Sp. z o.o.

Streszczenie

W artykule przedstawiono charakterystykę i historię amoniaku w chłodnictwie w perspektywie przeciwdziałania zmianom klimatycznym i braku jego wpływu na te procesy. Zaprezentowano wymagania stawiane systemom monitoringu wycieków czynników chłodniczych. Omówiono budowę i funkcję systemów detekcji zastosowanych w przemyśle w celu zapewnienia bezpieczeństwa w pomieszczeniach z amoniakalnymi układami chłodniczymi. Opisano przykładowe zadania i działanie oprogramowania obsługującego ten system uwzględniając funkcję uruchamia automatycznego czynności prewencyjnych oraz archiwizację alarmów. Podkreślono znaczenie odpowiedniego doboru systemu do obiektu oraz istotę właściwej obsługi. Zwrócono uwagę na problem lokalizacji czujników w pomieszczeniach potencjalnie zagrożonych, wymagający indywidualnego rozwiązania zależnego od wielu parametrów.

Wprowadzenie

Stosowanie amoniaku w instalacjach chłodniczych wymaga odpowiedniego zabezpieczenia systemami wykrywającymi ewentualne wycieki. Odpowiedni wybór systemów stosowanych sildo monitoringu pozwala na skuteczne zabezpieczenie obiektów przemysłowych, handlowych i pomieszczeń chłodniczych przed wystąpieniem niebezpiecznych stężeń czynnika chłodniczego w powietrzu. Poszczególne elementy systemu są dobierane dla konkretnego zastosowania.

Systemy pomiarowo-decyzyjne ostrzegające o wycieku opracowane, wykonane i wdrażane przez IBPRS Zakład Technologii i Techniki Chłodnictwa, Pracownię Chłodnictwa i Ochrony Środowiska w Łodzi były zrealizowane w ramach szeregu projektów naukowych i wdrożeniowych (np. UDA-POIG.01.03.01-20-137/09-00, R14 027 03).

W artykule omówiono zagrożenia bezpieczeństwa amoniakalnych instalacji chłodniczych oraz budowę i funkcjonowanie systemów monitoringu.

Historia czynników chłodniczych

Jednym z najczęściej poruszanych tematów w obszarze chłodnictwa i ochrony środowiska są czynniki chłodnicze. Brak jest idealnego czynnika chłodniczego, a wybór płynu roboczego jest zawsze kompromisem między jego zaletami i wadami. Inżynier chłodnictwa decyduje, jaki czynnik chłodniczy wybrać na podstawie m. in. wielkości urządzenia, jego typu czy temperatury parowania oraz jego wpływu na środowisko naturalne. W historii stosowania czynników chłodniczych można wyróżnić różne okresy. Początkowo szeroko stosowanym płynem ziębniczym był amoniak. Po raz pierwszy zastosowany został przez francuskiego wynalazcę Ferdinanda Carre w urządzeniu absorpcyjnym w 1859 roku. Podczas niekontrolowanego jego wycieku z instalacji chłodniczej stwarza zagrożenia zatrucia, oparzeń, a nawet utraty życia. Żywność po kontakcie z parami amoniaku nie nadawała się do spożycia. Z tych powodów od 1930 r. nastąpił okres wypierania amoniaku przez nowe czynniki chłodnicze – sztucznie wytworzone przez człowieka, substancje chlorowcopochodne (CFC). Scharakteryzowano je jako całkowicie bezpieczne i trwałe, niepalne i nietoksyczne, aż do czasu kiedy wykazano, że są odpowiedzialne za powstawanie w stratosferze tzw. dziury ozonowej z powodu gwałtownego niszczenia warstwy ozonowej.

Renesans amoniaku jest spowodowany faktem, że nie stwarza niebezpieczeństwa dla ekosystemu, posiada doskonałe właściwości termodynamiczne oraz zalety ekonomiczne i użytkowe

Następnie, czynniki chłodnicze z grupy CFC zaczęto zastępować wodorochlorofluorowęglowodorami (HCFC), które posiadają dużo mniejszy potencjał niszczenia ozonu. Związki CFC i HCFC, czyli substancje kontrolowane są wycofane z użycia. Zamiennikami dla nich są wodorofluorowęglowodory (HFC). Substancje te przyczyniają się do zwiększania efektu cieplarnianego. Obowiązujące prawo krajowe i unijne nakłada szereg regulacji związanych z ich stosowaniem. Syntetyczne czynniki chłodnicze, zwane freonami, są powszechnie stosowane w układach chłodniczych i klimatyzacyjnych. Ich negatywny wpływ na środowisko naturalne określa się za pomocą wskaźników ekologicznych: 

• potencjału niszczenia warstwy ozonowej ODP;
• potencjału tworzenia efektu cieplarnianego GWP;
• całkowitego (globalnego) równoważnika tworzenia efektu cieplarnianego TEWI.

Ze względu na obowiązującą legislację krajową i unijną obserwuje się tendencję odchodzenia od zastosowań syntetycznych czynników chłodniczych na korzyść czynników naturalnych, do których należą:

• R717 – amoniak (NH₃) – toksyczny i łatwopalny, posiada charakterystyczny, ostry zapach, który jest łatwo wyczuwalny w powietrzu przy jeszcze bezpiecznym stężeniu w atmosferze;
• R744 – dwutlenek węgla (CO₂) – wywiera działanie narkotyczne i duszące w wysokich stężeniach;
• węglowodory: R290 – propan (C₃H₈), R1270 – propen (C₃H₆), R600a – izobutan (C₄H₁₀), łatwopalne i wybuchowe.

Renesans amoniaku jest spowodowany faktem, że nie stwarza niebezpieczeństwa dla ekosystemu, posiada doskonałe właściwości termodynamiczne oraz zalety ekonomiczne i użytkowe. Międzynarodowy Instytut Chłodnictwa Amoniakalnego (IIAR) prężnie zajmuje się rozwojem techniki i doskonaleniem bezpieczeństwa chłodnictwa amoniakalnego, nie tylko w zastosowaniach tradycyjnych, ale także w dziedzinach zdominowanych dotychczas przez syntetyczne czynniki chłodnicze, np. klimatyzacji. Węglowodory posiadają korzystne właściwości termodynamiczne, dzięki którym układy chłodnicze napełnione tymi czynnikami charakteryzują się wysoką efektywnością pracy, a także niskimi wskaźnikami związanymi z globalną ochroną środowiska (tabela 1.).

Bezpieczne stosowanie naturalnych czynników chłodniczych wymaga, ze względu na ich wysoką palność i toksyczność, prawidłowo działających systemów monitoringu niekontrolowanych wycieków. Ich wpływ na zdrowie człowieka jest określony na podstawie dopuszczalnych poziomów stężenia. Propan nie wywołuje zatrucia chronicznego, ale może mieć wpływ na zdrowie człowieka – w przypadku niskich stężeń działa narkotycznie, natomiast w wysokich powoduje działanie drażniące. Jeśli propan wyprze tlen z powietrza, może nastąpić śmierć na skutek uduszenia. Kontakt ze skroplonym gazem może spowodować odmrożenia.

Amoniak – charakterystyka substancji

(...)

Amoniak jako płyn chłodniczy

(...)

Wymagania stawiane systemowi monitoringu wycieków

Systemy zabezpieczające przemysłowe obiekty chłodnicze powinny zapewniać ciągłą kontrolę warunków przechowalniczych, parametrów pracy obiegu chłodniczego oraz czynników określających bezpieczeństwo przechowywanych produktów i pracowników. Systemy te muszą mieć prewencyjny charakter działania, czyli w odpowiednim czasie identyfikować przekroczenie kontrolowanych parametrów, generować sygnały alarmowe, czy funkcje wykonawcze. Powinny zatem pełnić jednocześnie rolę urządzeń pomiarowych, jak również sterujących. Dzięki takiej konstrukcji będą zapobiegały m.in. tworzeniu się niebezpiecznych stężeń czynnika chłodniczego w powietrzu, informując i ostrzegając o jego przekroczeniach. W przypadku czynników chłodniczych będących substancjami palnymi i wybuchowymi ostrzeganie następuje przy stężeniach poniżej dolnej granicy wybuchowości (DGW), natomiast w przypadku czynników toksycznych, niebezpiecznych dla zdrowia, poniżej najwyższego dopuszczalnego stężenia (NDS).

Zgodnie z PN-EN 378 „Instalacje ziębnicze i pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska” [1] dla każdego czynnika chłodniczego zdefiniowana jest „praktyczna granica stężenia”. Określa ona poziom najwyższego stężenia danego czynnika w przestrzeni użytkowej, który nie powoduje jeszcze żadnych skutków utrudniających ewakuację czy ostrego zatrucia. Te trzy wielkości DGW, NDS i praktyczna granica stężenia powinny stanowić punkty odniesienia dla wartości progowych wykrywanych stężeń czynników chłodniczych przez system monitoringu. Dla każdego płynu chłodniczego są to inne wartości, dlatego konieczne jest indywidualne sprecyzowanie tych stężeń uwzględniając różne przepisy.

W przypadku każdego obiektu chłodniczego konieczne jest indywidualne podejście do opracowania konkretnych rozwiązań technicznych w systemie detekcji. Powinno ono uwzględniać szereg parametrów, między innymi:

• warunki pracy czujników (temperatura, wilgotność),
• zakresy pomiarowe,
• możliwość występowania gazów zakłócających,
• rodzaj instalacji,
• warunki przestrzenne,
• rodzaj i ilość czynnika chłodniczego,
• możliwości automatyki (wizualizację i archiwizację wyników,
• sterowania urządzeniami wykonawczymi,
• odpowiednie zasilanie awaryjne), oraz inne wymagania, potrzeby użytkowników.

Mimo, że nie zawsze przepisy nakładają obowiązek kontroli obecności w powietrzu czynników roboczych pochodzących z emisji z instalacji chłodniczych, działania te powinno się podejmować bez wyjątków. Montaż systemów wykrywających niepożądane emisje konkretnych substancji zapobiega nie tylko sytuacjom zagrażającym życiu i zdrowiu ludzkiemu, lecz pomaga również w zachowaniu urządzeń w odpowiednim stanie technicznym. Nawet niewielkie emisje (ubytki czynnika roboczego z instalacji) mogą zmieniać parametry pracy urządzeń, zwiększając ich energochłonność i zmniejszając wydajność obiegu. Zatem, zastosowanie odpowiednich środków technicznych i organizacyjnych może zdecydowanie zmniejszyć zagrożenia, z jakimi wiąże się praca w środowisku chłodniczym. Systemy kontroli mogą charakteryzować się różną jakością pracy. Dlatego też warto stosować wyłącznie te sprawdzone w działaniu, zautomatyzowane i odpowiednio skalibrowane. Jednym z podstawowych warunków prawidłowego ich działania jest przestrzeganie harmonogramów kalibracji i serwisowania, a także wykonywanie tych działań wyłącznie przez firmy posiadające odpowiednie kompetencje w tym zakresie. Nieodpowiednia konserwacja urządzeń może doprowadzić do sytuacji, w której system nie będzie w stanie prawidłowo reagować w przypadku wycieku.

Prawo w zakresie detekcji gazów

(...)

Lokalizacja czujników

W pomieszczeniach potencjalnie zagrożonych wyciekiem, rozmieszczenie czujników wymaga każdorazowo indywidualnego podejścia. Rozwiązania te mogą się zasadniczo różnić, w zależności od rodzaju obiektu (np. maszynownia czy komora chłodnicza), typu instalacji, rodzaju czynnika, warunków budowlanych itp.

Nieprawidłowe wybranie miejsc elementów instalacji to najczęstszy i najgroźniejszy z powodów niepełnej ochrony obiektu chłodniczego i ludzi. Przy odpowiednim umieszczeniu detektorów trzeba zastosować pewne zasady, które mają znaczenie uniwersalne. Czujnik mierzy stężenie gazu w swoim bezpośrednim otoczeniu. Powinien więc być instalowany w miejscu newralgicznym, o największym spodziewanym stężeniu nagromadzonego gazu. Czujniki powinny być tak zlokalizowane, aby nagromadzenia gazów wybuchowych lub toksycznych były wykryte zanim powstanie mieszanina wybuchowa lub mieszanina niebezpieczna dla zdrowia. Powinny reagować na stężenia mniejsze od dolnej granicy wybuchowości (DGW) lub od najwyższego dopuszczalnego stężenia (NDS). Ponadto, nie powinny być narażone na działania mechaniczne, cieplne lub zalania wodą itp. W przypadku amoniak (gazu lżejszego od powietrza) czujniki powinny być umieszczone w najwyższych punktach obiektów chronionych i możliwie blisko punków potencjalnych wycieków.

Koniec cz. 1.

* * *

W drugiej części kontynuacji powyższego artykułu przedstawione zostaną wymogi oraz przykładowe rozwiązanie cyfrowego systemu monitoringu instalacji chłodniczej.

dr inż. Magdalena WRÓBEL-JĘDRZEJEWSKA
– Instytut Biotechnologii Przemysłu Rolno-Spożywczego
im. prof. Wacława Dąbrowskiego w Warszawie,
Zakład Technologii i Techniki Chłodnictwa w Łodzi,
Pracownia Chłodnictwa i Ochrony Środowiska

mgr inż. Urszula Stęplewska
– Instytut Biotechnologii Przemysłu Rolno-Spożywczego
im. prof. Wacława Dąbrowskiego w Warszawie,
Zakład Technologii i Techniki Chłodnictwa w Łodzi,
Pracownia Chłodnictwa i Ochrony Środowiska