Sławomir Gajosiński ~
WARUNKI I PERSPEKTYWY ZASTOSOWANIA NOWYCH CZYNNIKÓW
CHŁODNICZYCH W GÓRNICZYCH URZĄDZENIACH
KLIMATYZACYJNYCH
CONDITIONS AND PERSPECTIVES OF NEW COOLING AGENTS UTIŁISATION
IN AIR-CONDITIONING MINING EQUIPMENT
Streszczenie
W referacie przedstawiono podział czynników chłodniczych w aspekcie istotnych obecnie własności ekologicznych. Scharakteryzowano oddziaływanie niektórych czynników na środowisko naturalne i omówiono przedsięwzięcia podejmowane dla ograniczenia zużycia czynników szkodliwych, także w technice górniczej. Przeanalizowano możliwości w zakresie stosowania nowych, ekologicznych - syntetycznych i naturalnych -czynników chłodniczych w górniczych powierzchniowych i podziemnych urządzeniach klimatyzacyjnych.
Abstract
Distribution of cooling agents emphasising their increasingly important ecological aspects is presented in the paper. The influence of some of the agents on the enyironment is characterised and efforts to limit their consumption are described. Possibilities ofusing new, ecological (synthetic and natural) cooling agent in the airconditioning mining equipment for open pits and underground mines are analysed.
Wprowadzenie
Wyczerpywanie się złóż kopalin w rejonach o średnio-trudnych warunkach geotermicznych spowoduje konieczność prowadzenia eksploatacji w obszarach o wysokiej temperaturze pierwotnej górotworu i położonych w dużej odległości od szybów wdechowych. Obecnie w większości rejonów robót górniczych klimatyczne warunki pracy można jeszcze skutecznie kształtować za pomocą odpowiednio intensywnego przewietrzania, a maszyny klimatyzacyjne stosowane są lokalnie, jako doraźny sposób obniżenia temperatury powietrza. Wraz z udostępnianiem nowych partii złoża nastąpi zdecydowane pogorszenie warunków termicznych w stosunku do stanu obserwowanego obecnie, a klimatyzacja stanie się niezbędna w skali całych kopalń, poziomów wydobywczych lub rejonów wentylacyjnych.
Wprowadzenie systemów klimatyzacji do kopalń będzie musiało zostać poprzedzone dogłębną analizą rozwiązań porównawczych, w aspekcie uwarunkowań technologiczno-górniczych, a także analizą ekonomiczną. W powyższych rozważaniach niezwykle istotne będzie zagadnienie doboru odpowiedniego czynnika chłodniczego do urządzeń klimatyzacyjnych, szczególnie w świetle uwarunkowań ekologicznych i ochrony środowiska.
Rodzaje czynników chłodniczych w różnych zastosowaniach gospodarczych
W niniejszym referacie pojęcie czynnika chłodniczego odnosi się do substancji chemicznej, która parując przy odpowiednio niskiej temperaturze pobiera ciepło od ochładzanego środowiska, np. od powietrza kopalnianego, i powoduje obniżenie jego temperatury. Aby proces ochładzania środowiska był ciągły, substancja pobierająca ciepło, czyli czynnik chłodniczy, realizuje obieg termodynamiczny, podlegając w sprężarkowym urządzeniu chłodniczym kolejno przemianom sprężania, kondensacji, rozprężania i parowania. Teoretycznie każda ciecz może być wykorzystana jako czynnik chłodniczy. W praktyce jednak istnieje cały szereg warunków fizycznych, chemicznych, fizjologicznych i eksploatacyjnych, kwalifikujących zastosowanie określonej substancji w sprężarkowym urządzeniu chłodniczym.
Obecnie stosowane, mniej lub bardziej powszechnie, w różnych dziedzinach
działalności człowieka, czynniki chłodnicze w zależności od pochodzenia i budowy
chemicznej można podzielić na następujące grupy:
. związki nieorganiczne, np. amoniak, woda, powietrze, dwutlenek węgla, dwutlenek siarki,
. węglowodory nasycone, np. metan, etan, propan,
. węglowodory nienasycone, np. etylen, propylen,
. pochodne węglowodorów nasyconych i nienasyconych, nazywane czynnikami chlorowcopochodnymi (popularnie freony), np. R 12, R li, R 22,
. mieszaniny azeotropowe dwóch lub więcej czynników, np. R 502,
. mieszaniny zeotropowe i bliskoazeotropowe.
Najczęściej stosowane dotychczas czynniki chłodnicze, związane z grupą węglowodorów, w ostatnim czasie w literaturze światowej oznacza się symbolami pełniej obrazującymi ich budowę chemiczną i w związku z tym wyróżnia się:
. czynniki CFC (niem. FCKW)- chlorofluorowęglowodory, gdzie wszystkie atomy wodoru zostały zastąpione atomami chloru i fluoru,
344
WYBIERANIE ZŁÓŻ NA DUŻYCH GŁĘBOKOŚCIACH ORAZ W TRUDNYCH WARUNKACH GEOTERMICZNYCH
. czynniki HCFC (niem. HFCKW)- wodorochlorofluorowęglowodory, gdzie nie wszystkie atomy wodoru zostały zastąpione atomami chloru i fluoru,
. czynniki HFC (niem. HFKW)- hydrofluorowęglowodory, gdzie część atomów wodoru została zastąpiona atomami fluoru,
. czynniki FC (niem. FKW), gdzie wszystkie atomy wodoru zostały zastąpione atomami fluoru,
. czynniki HC, czyli węglowodory nasycone.
Identyfikacyjny numer kodowy każdego czynnika chłodniczego poprzedzony jest literą „R”, względnie angielskim słowem „Refrigerant”. W praktyce dopuszcza się również stosowanie nazwy handlowej, która jednak wyraźnie wskazuje producenta danej substancji.
Wpływ czynników chłodniczych na środowisko naturalne i zasady ograniczenia ich zużycia
Pierwsze doniesienia literaturowe o możliwości niekorzystnego oddziaływania związków typu CFC 1 niszczenia przez nie ozonu atmosferycznego pochodzą z roku 1974. Jednakże doświadczalne odkrycie tzw. dziury ozonowej nastąpiło w latach 80-tych. Zanik ochronnej warstwy ozonowej w warstwie stratosfery spowodowany jest przez różnorodne czynniki, jednakże panuje obecnie pogląd, że jednym z głównych powodów tego zjawiska są związki CFC. Jako bardzo stabilne nie wchodzą one w reakcje chemiczne z innymi gazami w dolnych warstwach atmosfery. Dopiero w stratosferze wysokoenergetyczne promieniowanie ultrafioletowe powoduje oderwanie od związków CFC cząsteczki chloru, która kolejno rozbija cząsteczkę ozonu (wiążąc się z atomem tlenu) i następnie uwalnia się z cząsteczki powstałego tlenku chloru i niszczy następne cząsteczki ozonu. W ten sposób czynnik chłodniczy zawierający chlor, wyemitowany z Ziemi, stanowi zagrożenie dla systemu immunologicznego organizmów żywych oraz zagrożenie dla całych systemów ekologicznych, powodując degradację roślin i wymarcie wielu grup drobnoustrojów.
Dodatkowo, obecność w atmosferze Ziemi tzw. gazów szklarniowych, do których zaliczane są dwutlenek węgla, para wodna, metan i czynniki chłodnicze tzw. freony, powoduje powstanie efektu cieplarnianego. Polega on na ograniczeniu możliwości wypromieniowania ciepła, czyli promieniowania podczerwonego, z powierzchni Ziemi i w konsekwencji wzrost temperatury powietrza atmosferycznego.
Wysoki poziom produkcji i zużycia czynników freonowych oraz negatywne skutki powodowane przez nie w środowisku naturalnym, zmusiły społeczność światową do podjęcia stosownych działań, oddalających zagrożenie ekologiczne. Przedsięwzięcia w celu ograniczenia stosowania związków CFC i HCFC przebiegały dotychczas następująco:
. marzec 1985 - Konwencja Wiedeńska o ochronie stratosferycznej warstwie ozonowej,
. wrzesień 1987 - Protokół Montrealski. Zasadniczym celem tego dokumentu jest ustalenie harmonogramu stopniowej redukcji zużycia freonów i halonów,
. czerwiec 1990 - Londyn, wprowadzenie poprawek do Protokółu,
. czerwiec 1991 - Nairobi, ustalenie listy wyrobów zawierających tzw. substancje kontrolowane, których importjest zakazany,
. listopad 1992 - Kopenhaga, ustalenie aktualnie obowiązującego harmonogramu redukcji substancji kontrolowanych,
. grudzień 1995 - Wiedeń, zaostrzenie warunków redukcji związków HCFC i bromku
metylu, przy czym kraje Unii Europejskiej uzgodniły własny harmonogram redukcji związków HCFC.
Natomiast w Polsce w powyższym zakresie obowiązują:
. przepisy dotyczące przystąpienia do porozumień międzynarodowych związanych z ochroną warstwy ozonowej,
. regulacje prawne dotyczące obrotu towarowego z zagranicą substancjami zubażającymi warstwę ozonową i towarami zawierającymi te substancje,
. przepisy dotyczące wymagań wobec substancji stosowanych jako czynniki chłodnicze (Polska Norma PN),
. przepisy związane z ochroną środowiska naturalnego przed emisją do atmosfery substancji zubażających warstwę ozonową.
Obecnie istnieje wiele zamienników dla wycofywanych z produkcji i użytkowania syntetycznych czynników chłodniczych, zarówno dla nowo budowanych jak i juz eksploatowanych urządzeń. W tym ostatnim przypadku producenci proponują zarówno zamienniki w systemie „drop in” (zastąpienie) oraz „retrofit”- przezbrojenie wraz z wymianą oleju i niektórych elementów instalacji chłodniczej.
Możliwości zastosowania nowych czynników chłodniczych w podziemnych górniczych urządzeniach klimatyzacyjnych
Górnicze podziemne maszyny i urządzenia klimatyzacyjne można podzielić na następujące grupy:
. urządzenia małej mocy o wydajności chłodniczej do kilku kW,
. urządzenia średniej mocy o wydajności chłodniczej do 1 MW
. urządzenia dużej mocy o wydajności chłodniczej powyżej 1 MW.
W urządzeniach małej mocy, stosowanych w górnictwie np. przy kabinach operatorów stacjonarnych i mobilnych maszyn górniczych, do niedawna (przed 1 996r.) stosowany był freon CFC 12. W nowo budowanych małych klimatyzatorach dla górnictwa stosowany jest obecnie powszechnie wodorofluorokarbon HFC 134a. Stanowi on najpopularniejszy obecnie zamiennik czynnika CFC 12 w małych, domowych i handlowych urządzeniach chłodniczych i w urządzeniach klimatyzacyjnych. Czynnik ten jest substancją niepalną i niewybuchową w warunkach normalnych, jednak pod wysokim ciśnieniem i z udziałem 60% powietrza tworzy mieszaninę wybuchową. Charakteryzuje się większą przenikliwością niż R 1 2, przez co wymaga większej dokładności przy wykonywaniu połączeń w instalacji. Nie jest substancją trującą, chociaż działanie toksyczne wykazują niektóre produkty jego rozpadu. Właściwości termodynamiczno-wydajnościowe czynników R 12 i R 134a są zbliżone. Przy wymianie czynnika R 12 na R 134a niezbędne są pewne adaptacje układu chłodniczego - wymiana niektórych elementów oraz wymiana oleju.
Kolejnym czynnikiem chłodniczym, zamiennym z R 12, jest R 409A, mieszanina zeotropowa czynników R 22, R 124 i R 142b. Czynnik R 409A jest zamiennikiem typu „drop in~~ dla czynnika R 12, przeznaczonym do napełniania istniejących urządzeń klimatyzacyjnych bez konieczności modyfikacji instalacji i wymiany oleju. Może być stosowany w tych klimatyzatorach, gdzie wymiana oleju jest znacznie utrudniona (sprężarki hermetyczne), a przez to zastąpienie R 12 przez R 134a okazuje się zbyt drogie i kłopotliwe. Czynnik R 409A jest dopuszczony do użytkowania -jako czynnik przejściowy- do roku 2030, a w krajach Unii Europejskiej do 201 5r. Czynnik R 409A jest substancją niepalną i niewybuchową. Podobnie jak zastępowany czynnik R 12, płyn ten nie jest substancją trując~ jednak przy większych stężeniach powoduje uduszenie wskutek braku dostatecznej ilości tlenu.
W oparciu o doniesienia literatury światowej można przewidywać w najbliższej przyszłości próbne zastosowanie w urządzeniach klimatyzacyjnych, pracujących w szczególnie trudnych warunkach temperaturowych (a więc np. w klimatyzatorach zainstalowanych na samojezdnych maszynach górniczych) czynnika R 401 C. Czynnik ten jest mieszaniną zeotropową czynników: R 22, R 152a i R 124. Z uwagi na obecność w mieszaninie freonu R 22, czynnik R 401 C jest substancją przejściową.
Obecnie obserwuje się ogólnoświatową tendencję zmierzającą do wycofania R 22 ze
stosowania w nowych urządzeniach chłodniczych i klimatyzacyjnych, a więc również w
górniczych urządzeniach klimatyzacyjnych średniej i dużej mocy, w których był i jest jeszcze
stosowany. Wobec powyższego w ofercie handlowej licznych producentów pojawiło się wiele
substytutów R 22, wśród których wymienia się najczęściej:
. czynniki jednorodne- syntetyczny R 1 52a i naturalny R71 7 (amoniak),
. mieszaniny - R404A, R402A, R402B, R 507, R407C, R41OA, R41OB, R411A, R508,
. węglowodory - R 290 (propan).
Uwzględniając specyfikę warunków dołowych, konieczność spełnienia istotnych warunków dotyczących bezpieczeństwa użytkowania i własności fizjologiczne ww. substancji, można przewidzieć zastosowanie w górniczych urządzeniach klimatyzacyjnych czynników R 407C i R 410A oraz R 41DB.
Czynnik R 407C jest czynnikiem o zbliżonych właściwościach termodynamicznych do R 22 i dlatego typowany jest jako zamiennik tego czynnika, zarówno w już istniejących jak i nowo budowanych instalacjach: urządzeń klimatyzacyjnych domowych i przemysłowych, urządzeń okrętowych i urządzeń chłodniczych w handlu. Jest mieszaniną zeotropową czynników: R 32, R 125, R 134a. Czynnik R 407C jest stabilny termicznie w warunkach ciśnień panujących w instalacji chłodniczej, niepalny także przy zmianach koncentracji w powietrzu np. wskutek wycieku z instalacji. Jest niewybuchowy i wykazuje niską toksyczność.
Czynnik R 410 jest długoterminowym, bezchlorowym zamiennikiem R 22 w klimatyzacji, domowych i handlowych urządzeniach chłodniczych, pompach ciepła, a także w nowo projektowanych układach chłodniczych w przemyśle i handlu. Może również służyć jako substytut R 22 w systemie „retrofit” w istniejących już urządzeniach Czynnik R 410 jest substancją niepalnąnietoksyczną i niewybuchową. Stanowi bliskoazeotropową mieszaninę dwuskładnikową~ składającą się z substancji jednorodnych R 32 i R 125. W ocenie producentów posiada korzystne własności termodynamiczne.
Możliwość zastosowania ekologicznych czynników chłodniczych w górniczych systemach klimatyzacyjnych z powierzchniowymi urządzeniami chłodniczymi
W górnictwie światowym w kopalniach o szczególnie trudnych warunkach cieplnych w skali całych poziomów wydobywczych stosowane są systemy klimatyzacyjne o wydajnościach nawet powyżej 10 MW z ziębiarkami na powierzchni ziemi. Czynnikiem chłodniczym w tych urządzeniach jest najczęściej amoniak, charakteryzujący się wyjątkowo korzystnymi własnościami termodynamicznymi, przewyższającymi własności związków chlorowcopochodnych. Amoniak tworzy wprawdzie z powietrzem mieszaninę palną i wybuchową, jednakże zapłon mieszanki amoniakalno-powietrznej może nastąpić dopiero po przekroczeniu zawartości 15,5% obj. NH3 w powietrzu, co jest wartością 3 do 7 razy większą niż w porównaniu z gazami węglowodorowymi. Praktyka wykazuje, że przypadki zatruć lub wybuchów amoniaku są rzadkie przy zachowaniu elementarnych środków ostrożności.
Nieprzyjemny zapach czynnika umożliwia łatwe wykrywanie infiltracji już przy koncentracjach rzędu 5 ppm w powietrzu, podczas gdy dopiero 1000-krotnie większą zawartością można wywołać realne zagrożenie dla zdrowia.
Możliwością zastosowania w chłodniczych instalacjach do klimatyzacji odznacza się również następny czynnik naturalny - propan R 290. Jako czynnik chłodniczy ma on zdecydowanie dłuższą tradycję niż związki CFC. Z uwagi na swoje własności chemiczne jest optymalnym w dużych układach turbosprężarkowych do ochładzania cieczy. W literaturze przedmiotu często można znaleźć stwierdzenia, że spośród naturalnych czynników chłodniczych najszersze zastosowanie w przemysłowych dziedzinach techniki chłodniczej i klimatyzacyjnej będą miały amoniak, węglowodory z podstawowym wśród nich propanem i dwutlenek węgla.
Podsumowanie
Protokół Montrealski zdecydowanie określa zagadnienie eliminacji z zastosowań gospodarczych czynników chemicznych - związków grupy CFC, a w późniejszym horyzoncie czasowym także związków HCFC. Konieczność rezygnacji z dotychczas stosowanych związków syntetycznych, także w górniczych urządzeniach klimatyzacyjnych, stawia na pierwszym planie problem ich zamienników. Istniej kilka metod według których może odbywać się proces eliminowania związków zagrażających środowisku naturalnemu. Należą do nich:
. wprowadzanie nowych substancji syntetycznych,
. stosowanie substancji przejściowych typu HCFC lub mieszanin opartych na HCFC i HFC,
. wprowadzanie rozwiązań konstrukcyjnych instalacji klimatyzacyjnych, zdecydowanie ograniczających zawartość czynnika w układzie,
. rozwijanie nowych systemów klimatyzowania i chłodzenia, z wykorzystaniem naturalnych związków istniejących w przyrodzie.
Przedstawione powyżej nowe czynniki chłodnicze mogą zostać zastosowane w klimatyzacji w górnictwie, niektóre w urządzeniach dołowych, inne w jednostkach powierzchniowych, współdziałających z klimatyzacyjnym systemem podziemnym. Wobec następuj ącego aktualnie intensywnego postępu w opracowywaniu nowych substancji chemicznych, spełniających wartmki optymalnego czynnika chłodniczego, nie wyklucza się pojawienia w najbliższym czasie innych substancji dla górniczych urządzeń klimatyzacyjnych.
Literatura
1. Bonca Z.: Freony w urządzeniach chłodniczych i klimatyzacyjnych. Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna,2-3/1 993 4/1994
2. Telluk R.: Zagadnienia rozwoju techniki chłodniczej i pomp ciepła u schyłku ery freonowej. Klimatyzacja-Chłodnictwo, 2-3/1993
3. Gwóźdź A.: Przewodnik po nowych czynnikach chłodniczych. Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna, 7/1996
4. Materiały firm produkujących czynniki chłodnicze i ich dystrybutorów: Du Pont Fluorochemicals, Elf Atochem, Hoechst Chemicals, Solyay, Termo Products Ltd, Połgaz, Wigmors