W związku z wymogami ograniczenia zastosowań w technice chłodniczej płynów roboczych o wysokim potencjale tworzenia efektu cieplarnianego, jednym z alternatywnych rozwiązań jest wykorzystanie propanu (R290) jako naturalnego czynnika chłodniczego. Ponieważ propan jest węglowodorem, jego zastosowanie jako czynnika chłodniczego jest związane z przestrzeganiem odpowiednich przepisów bezpieczeństwa. 

Biorąc pod uwagę, że jak dotąd zastosowanie propanu jako czynnika roboczego w układach chłodniczych przemysłowych, bądź chłodnictwa technologicznego, nie jest rozpowszechnione w niniejszym, artykule przybliżone zostały kluczowe zagadnienia dotyczące wymagań bezpieczeństwa.

W Polsce zagadnienie bezpiecznego używania propanu regulują następujące akta prawne:

• Dyrektywy ATEX 100a i 137 obowiązujące w całej Unii Europejskiej [1], [2];
• Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 8.07.2010 w sprawie minimalnych wymagań dotyczących bezpieczeństwa i higieny pracy, związanych z możliwością wystąpienia w miejscu pracy atmosfery wybuchowej [3];
• Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7.06.2010 r.w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów [4];
• Normy PN-EN 378-1, 378-2 i 378-3 [5], [6], [7].

Przepisy te dotyczące stosowania propanu precyzują wymagania w zakresie bezpieczeństwa i ochrony zdrowia tak na etapie projektowania, wytwarzania urządzeń oraz systemów ochronnych, jak i użytkowania, a także czynności eksploatacyjnych.

Wybuchowość propanu

Propan tworzy z powietrzem o zawartości tlenu objętościowo powyżej 12% mieszaninę wybuchową. Przy naturalnej koncentracji objętościowej tlenu w powietrzu (20,9%) dolna granica wybuchowości występuje przy koncentracji 2,1% propanu w powietrzu, a górna przy 9,5%. Mieszanina powietrza z propanem o koncentracji od 2,1% do 9,5% jest więc mieszaniną palną o dużej szybkości rozprzestrzeniania się ognia, tworząc w wyniku zapłonu kulistą masę ognia. Gdy zostaje zapalona w pomieszczeniach zamkniętych, może doprowadzić do eksplozji. Powstanie mieszaniny wybuchowej nie zawsze wiąże się z jej zapaleniem czy wybuchem. Aby takie zjawisko zaistniało, obok powstania mieszaniny wybuchowej musi wystąpić czynnik inicjujący, który dostarczy niezbędnej energii do zapoczątkowania reakcji.

Do czynników takich zaliczają się:

• nagrzana powierzchnia (temperatura powyżej 470°C);
• iskra z obwodu elektrycznego;
• wyładowania atmosferyczne;
• wyładowania elektrostatyczne;
• iskra mechaniczna (minimalna energia iskry 0,22 mJ);
• otwarty płomień;

a nawet różne rodzaje promieniowania.

Rys. 1. Obszar wybuchowości propanu [16]

Zgodnie z §4 Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 8.07.2010 r. [3], aby zapobiegać wybuchom – należy stosować odpowiednie środki techniczne i organizacyjne, takie jak:

• zapobiegać tworzeniu się atmosfery wybuchowej; 
• zapobiegać wystąpieniu zapłonu atmosfery wybuchowej; 
• ograniczyć szkodliwe efekty wybuchu. Należy też systematycznie dokonywać przeglądu ww. środków ochronnych.

Zgodnie z §5 w/w Rozporządzenia, urządzenia chłodnicze z propanem powodują, że przestrzeń, w której się one znajdują, jest klasyfi kowana do 2-giej strefy zagrożenia wybuchem. Przestrzeń ta powinna być oznaczona znakiem ostrzegawczym (żółty trójkąt z czarnymi literami EX) i odpowiednim opisem. W trakcie normalnego działania nie występuje atmosfera wybuchowa, a w przypadku jej wystąpienia, utrzymuje się ona przez krótki czas.

W celu bezpiecznego przebywania ludzi w strefie wybuchowej powinni zostać oni zapoznani z odpowiednią dokumentacją „zabezpieczenia przed wybuchem”. Dokumentacja ta powinna zawierać wszelkie niezbędne informacje i procedury w celu zapewnienia bezpieczeństwa.

Uwarunkowania ograniczające ilość propanu w instalacji chłodniczej

Propan, ze względu na swoje właściwości palne (klasa 3) i toksyczne (klasa A), jest zaliczany do grupy bezpieczeństwa A3 (wyższa palność, niższa toksyczność). Z powyższego wynika, że ilość tego płynu, jaka może być użyta w urządzeniu chłodniczym, zależy od:

1. Klasy pomieszczenia

Norma PN-EN 378-1 [5] pod względem bezpieczeństwa osób, które mogą być narażone w przypadku niewłaściwego działania instalacji propanowej dzieli pomieszczenia na: 

• Klasa A – Pomieszczenia ogólnodostępne – obiekty użyteczności publicznej (szpitale, teatry, supermarkety), osoby przebywające nie są zaznajomione z warunkami ochrony osobistej); 
• Klasa B – Pomieszczenia nadzorowane. Pomieszczenia, w których może się gromadzić tylko ograniczona ilość osób, przy czym niektóre z nich są zobowiązane do zapoznania się z podstawowymi środkami ochrony osobistej (laboratoria, pomieszczenia produkcyjne, budynki biurowe); 
• Klasa C – Pomieszczenia o kontrolowanym dostępie. Pomieszczenie zamknięte dla ogółu. Dostęp mają jedynie osoby upoważnione. Osoby tam przebywające są zapoznane z podstawowymi środkami ochrony osobistej (maszynownie chłodnicze).

2. Usytuowania instalacji chłodniczej 

• w przestrzeni użytkowej (rys. 2A.);
• sprężarka, zbiornik propanu i skraplacz umieszczone są w maszynowni specjalnej lub przestrzeni otwartej (rys. 2B.); 
• wszystkie części zawierające propan są umieszczone w maszynowni lub na przestrzeni otwartej (rys. 2C.).

Rys. 2. Usytuowanie instalacji chłodniczej

3. Kategorii systemu chłodniczego

Systemy chłodnicze sklasyfi kowano według metody przejmowania ciepła z atmosfery lub substancji na: 

• system bezpośredni – gdy parownik znajduje się bezpośrednio w kontakcie z powietrzem (lub substancją), która ma być chłodzona; \
• system pośredni – gdy parownik ochładza czynnik pośredni, który przenosi ciepło w obiegu zamkniętym obejmującym wymiennik(i) ciepła pozostający(e) w bezpośrednim kontakcie z powietrzem (substancją), które ma być ochładzane.

Norma PN-EN 378-1 [5] przewiduje 18 ograniczeń napełnienia w zależności od klasy pomieszczeń, usytuowania urządzenia chłodniczego i kategorii systemu chłodzenia.

Oprócz spełnienia powyższego warunku, konieczne jest również spełnienie warunków zawartych w części 3 normy w zakresie usytuowania i ochrony osobistej dla obudów wentylowanych.

Biorąc pod uwagę przepisy bezpieczeństwa, wyjątek stanowią fabrycznie wykonane hermetyczne instalacje chłodnicze, trwale zamknięte, zawierające mniej niż 150 g propanu. Można je instalować bez ograniczeń nad poziomem terenu w pomieszczeniach z wentylacją naturalną przeciętnie występującą w pomieszczeniach mieszkalnych i podobnych. Przy instalowaniu tego typu urządzeń poniżej terenu, powinna być zapewniona wentylacja naturalna o większej wydajności, np. przez otwór wyciągowy o powierzchni co najmniej 0,1 m2 wykonanym tuż nad poziomem podłogi (ponieważ ciężar właściwy propanu jest większy od powietrza).

Tabela 1. Właściwości propanu niezbędne przy określaniu granicznego napełnienia instalacji chłodniczej, wg [5]

Propan i jego wymagania jako czynnika ziębniczego

Pomieszczenia zagrożone wybuchem

(...)

Praktyczna granica stężenia a usytuowanie instalacji

(...)

Wymagania, co do usytuowania i montażu instalacji zawierającej propan

(...)

Warunki usytuowania instalacji ziębniczej

Fot. pxhere.com

(...)

Wymagania dodatkowe

(...)

Wymagania budowlane zawarte w rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. (Dz. U. nr 75/2002) [9]

(...)

Systemy detekcji wycieku propanu 

(...)

Analiza zagadnień elektrycznych 

(...)

Stosowanie zaworów bezpieczeństwa

(...)

Podsumowanie

W chwili obecnej istnieją warunki do coraz szerszego używania propanu jako czynnika chłodniczego. Niektórzy producenci wyposażenia chłodniczego wprowadzili dedykowaną propanowi linię produkcyjną. Przeniesienie doświadczenia zdobytego przy budowie i eksploatacji urządzeń w przemyśle petrochemicznym i chemicznym, pozwala w pełni na bezpieczne eksploatowanie urządzeń chłodniczych z propanem jako czynnikiem chłodniczym.

W literaturze nie znaleziono wzmianek o zastosowaniu ekologicznych czynników chłodniczych w krajowych instalacjach chłodniczych obsługujących chłodnie składowe warzyw. W praktyce tylko na jednym obiekcie w Polsce (Chłodnia Carota koło Wrocławia) zastosowany został amoniak jako czynnik chłodniczy. Jest to jednak układ bardzo duży, jednostkowy i zastosowane tam rozwiązanie nie może odnosić się do układów chłodniczych średnich i małych.

Ostatnio w materiałach handlowych, niektórych zagranicznych fi rm chłodniczych, pojawiły się wzmianki o praktycznym zastosowaniu propylenu, jako czynnika chłodniczego (SRS – FRIGADON), ale jest on proponowany do układów niskotemperaturowych i nie nadaje się do aplikacji w przechowalnictwie warzyw. Inne firmy (ADVANSOR, Q-PLAN) preferują systemy z wykorzystaniem dwutlenku węgla. Ze względu na bardzo wysokie ciśnienia CO₂ oraz stosunkowo niską efektywność energetyczną ciągle są to rozwiązania stosowane jednostkowo i nie dotyczą układów chłodniczych dla komór przechowalniczych.

Jak dotąd, w Polsce w praktyce stosowano propan i izobutan jako czynnik chłodniczy jedynie w bardzo małych instalacjach chłodniczych – poniżej 150 g (lodówki i zamrażarki domowe). Stąd podejmowana praca ma innowacyjny charakter także w aspekcie zastosowania propanu jako czynnika roboczego w układach chłodniczych obsługujących komory przechowalnicze o małej i średniej pojemności składowej. Warto przy tym zwrócić uwagę, że jednym z kluczowych wymogów bezpieczeństwa jest ograniczenie ilości czynnika roboczego zawartego w układzie chłodniczym. Sprawia to, że układy pośrednie, pozwalające właśnie na uzyskanie tej minimalizacji – są również z tej racji wysoce pożądanym rozwiązaniem.

dr inż. Grzegorz MIZERA
– Instytut Maszyn Przepływowych
im. Roberta Szewalskiego PAN 

LITERATURA:

[1] Dyrektywa UE 99/92/WE, ATEX 137, z dnia 16 Grudnia 1999, Rozporządzenie MGPiPS z dnia 29 maja 2003, Dz.U. WE zał nr 1 NR 05/t.3 str 414-421.

[2] Dyrektywa UE 94/9/EC, ATEX 100 z dnia 23 Marca 1994 Rozporządzenie MGPiPS z dnia 28 lipca 2003 z póź. zm z dnia 08.07. 2010 (Dz. U. Nr 138 poz. 931) .

[3] Rozporządzenie Ministra Gospodarki, w sprawie minimalnych wymagań, dotyczących bezpieczeństwa i higieny pracy związanych z możliwością wystąpienia w miejscu pracy atmosfery wybuchowej, Dz.U. nr 138 poz. 931 z dnia 08.07.2010.

[4] Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7.06.2010. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów Dz. U. nr 109 poz. 719 z dnia 07.06.2010.

[5] PN-EN 378-1: 2002/A1:2004 Instalacje ziębnicze i pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Część 1: Wymagania podstawowe, definicje, klasyfi kacja i kryteria wyboru, Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 30 grudnia 2004 r., (Dz.U.2005.011.86).

[6] PN-EN 378-2: 2002/Ap1:2005 Instalacje ziębnicze i pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Część 2: Projektowanie, budowanie, sprawdzanie, znakowanie i dokumentowanie, Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 21 grudnia 2005 r., (Dz.U.2005.263.2200).

[7] PN-EN 378-3: 2002/A1:2004 Instalacje ziębnicze i pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Część 3: Usytuowanie instalacji i ochrona osobista, Ustawa z dnia 21 grudnia 2000 r. o dozorze technicznym, (Dz.U.2000.122.1321).

[8] PN-EN 1127-1 Atmosfery wybuchowe – Zapobieganie wybuchowi i ochrona przed wybuchem Dz.U UE (2014/C 76/04) z dnia 14-03-2014.

[9] Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r.(Dz. U. nr 75/2002).