Politechnika Wrocławska Wrocław 2000.02.02

Wydział górniczy

Specjalność EOP

KLIMATYZACJA KOPALŃ - Referat

Temat: CZYNNIKI CHŁODNICZE-WŁASNOŚCI. MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA W GÓRNICZYCH INSTALACJACH CHŁODNICZYCH.

Prowadzący:

Dr.F.Rosiek

Wykonał:

Wierzbicki Mirosław

Rok akademicki 1999/2000

Czynnikiem chłodzącym nazywa się w chłodnictwie ciało, które dzięki przemianom cieplnym, tworzącym obieg zamknięty, pośredniczy w wymianie ciepła pomiędzy obu źródłami ciepła.

Dobór odpowiedniego czynnika chłodzącego decyduje w dużej mierze o wydajności chłodniczej całego urządzenia i o jego wymiarach. Czynnikom chłodzącym, używanym w maszynach klimatyzacyjnych górniczych, stawia się szczególnie wysokie wymagania pod względem bezpieczeństwa i własności termodynamicznych.

Czynnik chłodniczy, pracujący przy niskim ciśnieniu i w związku z tym w niskiej temperaturze, pobiera ciepło z otoczenia, a następnie po sprężeniu przekazuje je wodzie chłodzącej lub powietrzu, ulegając skropleniu przy wyższym ciśnieniu i w wyższej temperaturze

Konstruktorzy maszyn klimatyzacyjnych wymagają od czynników chłodzących następujących własności fizycznych i chemicznych:

• całkowitej niepalności, niewybuchowości i nieszkodliwości dla zdrowia;

• odpowiedniego nadciśnienia przy najniższej temperaturze parowania w parowniku, które utrudniałoby przenikanie doń powietrza oraz ułatwiało wykrywanie nieszczelnosci;

• dostatecznie wysokiej temperatury krytycznej, leżącej ponad temperatura skraplania w normalnych warunkach pracy;

• chemicznej obojętności czynnika względem materiałów konstrukcyjnych;

• obojętności chemicznej czynnika względem olejów;

• możliwie dużej przewodności cieplnej czynnika w stanie zarówno gazowym, jak i ciekłym, dzięki czemu powierzchnie wymienników cieplnych w maszynie chłodzącej mogą być mniejsze;

• możliwie małego ciepła właściwego ciekłego czynnika, przez co zmniejszy się straty przy rozprężaniu w zaworze regulacyjnym.

Podstawowymi właściwościami fizycznymi czynników chłodniczych są ciśnienie w stanie nasycenia p_k i p_o , odpowiadające temperaturom skraplania T_k i parowania T_o, ciepło właściwe pary suchej nasyconej, ciepło właściwe pary przegrzanej, lepkość i przewodnictwo cieplne w fazie ciekłej.

Niektóre własności termodynamiczne czynników chłodniczych

( T_o = -15°C, T_k = 30°C )

Czynnik chłodniczy i jego symbol	Wzór chemiczny	Temperatura wrzenia przy ciśnieniu 101325 Pa ^0C	Ciśnienie parowania i skraplania 10^5 Pa		Objętościowa wydajność chłodnicza qw kJ/kg	Właściwa wydajność chłodnicza qo kJ/kg	Właściwa praca obiegu l kJ/kg	Teoretyczny współczynnik wydajności chłodniczej	Stopień doskonałości obiegu	Rodzaj sprężarki
Amoniak	NH3	-33.4	2.41	11.89	2167.1	1078.5	231.11	4.77	0.83	tłokowa,odśrodkowa
Freon 11^* (R11)	CFCl3	23.7	0.21	1.29	204.7	158.1	31.61	5.00	0.87	rotacyjna,odśrodkowa
Freon 12^* (R12)	CF2Cl2	-29.8	1.86	7.58	1297.5	118.1	25.25	4.70	0.82	tłokowa,rotacyjna
Freon 21^* (R21)	CHFCl2	8.9	0.37	2.20	364.3	190.9	37.72	5.07	0.99	rotacyjna
Freon 22 (R22)	CHF2Cl	-40.8	3.03	12.30	2068.3	161.1	34.54	4.65	0.81	tłokowa,śrubowa
Freon 114^* (R114)	C2F4Cl2	3.5	0.47	2.60	377.7	99.4	21.06	4.73	0.83	rotacyjna

^* Od 01.01.1996 r. obowiązuje w Polsce zakaz stosowania w nowych urządzeniach.

^**
- teoretyczny współczynnik wydajności chłodniczej obiegu Carnota.

Fizjologiczne własności czynników chłodniczych

Rodzaj czynnika	Stężenie objętościowe w powietrzu, %			Ostrzeżenie dodatkowe
		śmiertelne lub wywołujące poważne zatrucie w ciągu kilku minut	niebezpieczne, jeśli oddziałuje w ciągu 50-60 minut		niebezpieczne w ciągu 1-2 godzin
R11 (a) R12 (b) R21 (a) R22 (b) CO2 (c)	8	10 5-6	10 20-30 5 20 2-4	w obecności otwartego płomienia mogą powstać produkty toksyczne
Amoniak (d), (e)	0.5-1.0	0.2-0.3	0.01-0.03

1. - większe stężenia są lekko narkotyczne,

2. - większe stężenia powodują brak dostatecznej ilości tlenu w powietrzu, co może spowodować uduszenie,

3. - bez żadnego zapachu ostrzegawczego, przy bardzo małej różnicy między warunkami nietoksycznymi a śmiertelnymi,

4. - zapach ostrzegawczy przy bardzo małych stężeniach,

5. - działanie drażniące przy bardzo małych stężeniach.

Czynnikami chłodzącymi napełnia się ziębiarki sprężarkowe.

Na przydatność i bezpieczeństwo pracy ziębiarek mają wpływ niektóre własności czynników chłodniczych:

• trwałość chemiczna,

• obojętność lub aktywność w odniesieniu do materiałów konstrukcyjnych,

• palność i wybuchowość,

• rozpuszczalność czynnika w olejach smarowych,

• rozpuszczalność w wodzie,

• ciśnienie w stanie nasycenia w zakresie temperatur występujących w chłodnictwie.

Niezawodność pracy ziębiarek i całych układów klimatyzacyjnych (lub chłodniczych) w dużym stopniu uzależniona jest od własności fizycznych i chemicznych czynników chłodniczych. Powinny one charakteryzować się trwałością chemiczną w zakresie ciśnień i temperatur występujących w ziębiarkach. Czynnik chłodniczy nie powinien podlegać rozkładowi chemicznemu ani też jego własności nie powinny ulegać zmianie w stopniu szkodliwym dla pracy urządzenia lub stwarzającym zagrożenie dla otoczenia.

Czynniki chłodnicze powinny być obojętne chemicznie w stosunku do wszystkich materiałów konstrukcyjnych używanych do budowy urządzeń chłodniczych (metali, niemetali). Na wiele metali korodująco działa woda, która może być rozpuszczona w czynniku chłodniczym.

Ponadto czynnik chłodniczy nie powinien wpływać na własności olejów stosowanych w sprężarkach ani tworzyć szkodliwych związków chemicznych z powietrzem, parą wodną lub wodą

Ze względu na bezpieczeństwo osób oraz majątku nagromadzonego w pomieszczeniach, w których znajdują się urządzenia klimatyzacyjne, czynniki chłodnicze nie powinny być łatwo palne ani też wybuchowe.

Rodzaj czynnika	Graniczne stężenie objętościowe par w powietrzu %	Temperatura zapłonu K
Amoniak R 717	16÷26	903
R 40^*	8.3÷18.7	898
R 11, R 12, R 21, R 22, R 114	nie wybuchowe

^* Chlorometan (chlorek metylu) CH₃Cl.

Ze względów eksploatacyjnych i konstrukcyjnych ciśnienia w ziębiarkach nie powinny być ani zbyt wysokie, ani zbyt niskie. Z wysokimi wartościami ciśnień wiąże się potrzeba budowy grubościennych konstrukcji.. Czynnik znajdujący się pod wyższym ciśnieniem łatwiej przenika („ucieka”) na zewnątrz.

Czynnik chłodniczy powinien rozpuszczać w sobie wodę, która w śladowych stężeniach może pojawić się w urządzeniu. Te ilości wody mogłyby okazać się groźne w przypadku nierozpuszczalności, gdyż woda zamarzając może powodować zatykanie wąskich przekrojów.

Z uwagi na bezpieczeństwo osób stykających się z ziębiarkami czynniki chłodnicze nie powinny być toksyczne ani działać drażniąco na drogi oddechowe.

Czynniki o łatwo wyczuwalnym zapachu są w zasadzie korzystne, gdyż ułatwiają znalezienie miejsca nie­szczelności. W zależności od stopnia szkodliwości na organizm człowieka oraz od palności i wybuchowości ich mieszanin z powietrzem, czynniki chłodnicze dzieli się na trzy grupy:

grupa 1 — niepalne, nietoksyczne lub o słabym działaniu toksycznym,

dopuszczone do pracy w różnorodnych warunkach,
grupa 2 — toksyczne lub drażniące i nie wybuchowe przy stężeniu niższym

od 3.5% objętościowo w powietrzu, dopuszczone przy pewnych
ograniczeniach,
grupa 3 — na ogół nietoksyczne, lecz tworzące z powietrzem mieszaninę
wybuchową o dolnej granicy wybuchowości poniżej 3.5%
zawartości objętościowej w powietrzu. Dopuszczone są do
stosowania pod warunkiem przestrzegania specjalnych środków
ostrożności.

Freon R 11 (CFC1₃, jednofluorotrójchlorometan) stosowany jest w urzą­dzeniach wyposażonych w sprężarkę wirnikową (odśrodkową lub rotacyjną), o paru stopniach sprężania, przy temperaturach parowania wyższych od -20⁰C. W ziębiarkach urządzeń klimatyzacyjnych temperatura parowania wynosi zwykle 0—10⁰C. Czynnik R 11 charakteryzuje się stosunkowo niskimi ciśnieniami roboczymi. „Jest najmniej trwały z całej grupy freonów.

Freon R 12 (CF₂C1₂, dwufluorodwuchlorometan) jest najbardziej rozpo­wszechnionym czynnikiem chłodniczym z grupy freonów. Był pierwszym spośród freonów. zastosowanym w latach dwudziestych w chłodziarkach domowych oraz handlowych. Używany jest w ziębiarkach zarówno małych i średnich, jak również w dużych, ze sprężarkami tłokowymi, przepływowymi, a niekiedy ro­tacyjnymi. Wartość temperatury parowania wynosi od 0 ⁰C do -40⁰C, a temperatura skraplania jest mniejsza od +50~C. W normalnych warunkach pracy freon R 12 jest substancją chemiczną trwałą. Ulega jednak rozkładowi w wy­sokich temperaturach (przy rozżarzonych powierzchniach lub otwartym płomieniu), tworząc kwas solny i silnie toksyczny fosgen. W temperaturach spotykanych w urządzeniach chłodniczych freon N 12 nie reaguje z metalami (za wyjątkiem magnezu i cynku) rozpuszcza oleje, gumę naturalną, substancje organiczne, niektóre gumy syntetyczne. W obecności wody atakuje szkło.

Udział oleju W czynniku powoduje znaczny wzrost temperatury parowania przy

danym ciśnieniu (zwłaszcza w niskich temperaturach), a także pogarsza wy­mianę ciepła. W związku z tym rozwiązania konstrukcyjne muszą uwzględniać konieczność skutecznego usuwania i odprowadzania oleju z freonu R 12 z pa­rownika do sprężarki. Rozpuszczalność wody we freonie R 12 jest bardzo mała.

Niewielkie przekroczenie stanu nasycenia powoduje zamarzanie zaworów dła­wiących. W celu osuszania czynnika w obiegu instaluje się odwadniacze na­pełnione substancją pochłaniającą ślady wilgoci (np. żel krzemionkowy).

Freon R 22 (Cl-IF₂CI, dwuf1uorojednochlorometan) stosowany jest w urzą­dzeniach z jedno- lub dwustopniowymi sprężarkami tłokowymi w małych, śred­nich i dużych układach chłodniczych. W ziębiarkach jednostopniowych tem­peratura parowania jest wyższa od -25 ⁰C (w agregatach klimatyzatorów tem­peratura ta może wynosić 5 do 10⁰C). W urządzeniach dwustopniowych tempe­ratura parowania jest wyższa od -80⁰C. Freon R 22 stosowany jest zarówno przy niskich, jak i przy wysokich temperaturach parowania. Najwyższe tem­peratury kondensacji noszą 40 do 50 ⁰C.

Przy wyższych ciśnieniach freon R 22 miesza się z olejem w każdym sto­sunku, a przy niskich ciśnieniach w nieznacznym stopniu. Freon R 22 pod względem obojętności w stosunku do metali jest podobny do freonu R 12. Działa szkodliwie na gumę. Freon R 22 ma korzystniejsze własności termody­namiczne od freonu R 12. głównie ze względu na znacznie niższą objętość pary zasysanej przez sprężarkę. W związku z tym urządzenia o takiej samej mocy w przypadku freonu R 22 są znacznie mniejsze niż w przypadku R 12. Pewną cechą stosunku wymiarów jest mniejsza o ok. 40% wydajność skokowa oraz mniejszy od 10 do 15% ciężar wymienników cieplnych. Objętościowa wydajność chłodnicza amoniaku jest o ok. 70% wyższa od wydajności freonu R 12 i tylko minimalnie przewyższa wydajność freonu R 22.

Natężenie promieniowania nadfioletowego typu A I B zależy od ilości ozonu 03 w stratosferze. Maksymalne stężenie ozonu panuje na wysokości 20 do 25 km nad poziomem morza. Całkowita ilość ozonu w atmosferze odpowiada warstwie 2—4 mm czystego 0₃ na poziomie morza. W wysokich warstwach atmosfery zachodzą procesy rozpadu i tworzenia ozonu, Uważa się, że do rozpadu ozonu przyczynia się chlor, który dostaje się do atmosfery w postaci różnych związków chemicznych. Związki te, głównie pod wpływem promieniowania słonecznego, podlegają rozkładowi i uwalniają wolny chlor. Do substancji tych należą niektóre freony (a szczególnie R li, R 12 i R 113), czterochlorek węgla, chloroform metylowy oraz niektóre halogeny stosowane w pożarnictwie. Freon R 22 ma znacznie niższy potencjał niszczenia ozonu. Efektem działania chloru są okresowe zmiany stężenia ozonu, zmniejszenie jego stężenia, także nad obszarem Polski. Zwiększenie natężenia promieniowania nadfioletowego powoduje wzrost zacho­rowalności na raka skóry. W celu ochrony warstwy ozonowej przewiduje się redukcję, a nawet eliminację substancji uwalniających chlor. Protokół montre­alski (1987), a także późniejsze konferencje w Londynie (1990), Pretorii (1990) i Kopenhadze (1992), zalecają wstrzymanie produkcji i użycia szkodliwych freo­nów w chłodnictwie i w urządzeniach gaśniczych. Podjęto prace nad zastoso­waniem nowych, mniej szkodliwych czynników chłodniczych. Należą do nich freon R 134a CF₃-CH₂F (tetrafluoroetan), o własnościach zbliżonych do R 12 i R 23, czyli CHF₃ (tetrafluorometari) oraz mieszaniny pewnych substancji chemicznych.

W najbliższym czasie należy oczekiwać wycofania najczęściej stosowanych obecnie czynników chłodniczych i wprowadzenia nowych. Wiąże się to z dużymi zmianami w stanie prawnym regulującym te sprawy, w normach, a także w technice chłodniczej.

LITERATURA

Frycz A. Klimatyzacja kopalń

Wacławik J. Warunki klimatyczne w kopalniach głębokich

---