1
POLITECHNIKA GDAŃSKA
Wydział Mechaniczny
SEMINARIUM Z CHŁODNICTWA
Temat: Możliwości i ograniczenia stosowania węglowodorów
w sprężarkowych urządzeniach chłodniczych.
Alan Kaszyński
Sebastian Kasicz
wydz. Mechaniczny
sem. 8, SMiUE
2
Możliwości i ograniczenia stosowania węglowodorów w sprężarkowych
urządzeniach chłodniczych
Węglowodory są to organiczne związki chemiczne zawierające w swojej strukturze
tylko atomy węgla i wodoru. Wszystkie one składają się z podstawowego szkieletu
węglowego (powiązanych ze sobą atomów węgla) i przyłączonych do tego szkieletu atomów
wodoru.
Związki te zostały podzielone na nasycone i nienasycone.
Węglowodory, które są wykorzystywane jako czynniki chłodnicze to Propan R 290 (C
3
H
8
),
Izobutan R 600a, należą one do grupy węglowodorów nasyconych zwanych inaczej alkanami.
Czynnikiem chłodniczym(ziębniczym) nazywamy substancje, która pracując przy
niskich temperaturach i niskich ciśnieniach, pobiera ciepło od najbliższego otoczenia i w ten
sposób powoduje obniżenie jego temperatury, a oddaje przez skraplanie przy odpowiednio
wyższej temperaturze i wyższym ciśnieniu na zewnątrz urządzenia chłodniczego.
Teoretycznie każda ciecz mogłaby być wykorzystywana jako czynnik chłodniczy. W praktyce
jednak występuje cały szereg warunków, jakie musza być spełnione, aby dany płyn mógł
znaleźć zastosowanie w parowym urządzeniu chłodniczym, w którym poddawany jest kolejno
następującym po sobie przemianom termodynamicznym tworzącym obieg lewobieżny.
Na początek porównaliśmy niektóre własności czynników węglowodorowych
z czynnikami, które zostaną przez nie, zastąpione, co chociaż częściowo da nam obraz
możliwości i ograniczenia ich stosowania, jako czynników chłodniczych.
Izobutan R 600a
Izobutan to substancja, która jako jedna z pierwszych została wykorzystana jako
czynnik chłodniczy, głównie w urządzeniach pracujących w zakładach produkujących lub
przetwarzających węglowodory, a także w obiektach gdzie płyn ten był zużywany jako
paliwo. Jednak ze względu na właściwości palne został on wyparty przez czynniki
chlorowcopochodne.
Obecnie R 600a staje się dominującym czynnikiem chłodniczym w chłodziarkach
i chłodziarko-zamrażarkach domowych – w jednostopniowych układach sprężarkowych.
Izobutan jest nasyconym węglowodorem organicznym pochodzenia mineralnego.
Jest izomerem butanu (C
4
H
10
) o wzorze (CH
3
)
3
-CH. Jest bezbarwny i bezwonny.
3
Cechy tego czynnika są następujące:
1. Temperatura punktu krytycznego wynosi (135°C) i jest najwyższa spośród znanych
czynników chłodniczych.
2. Niski współczynnik lepkości dynamicznej oraz duże ciepło parowania, gwarantujące
dobrą wymianę ciepła w parownikach i skraplaczach, a także niskie opory
hydrauliczne.
3. Niskie wartości ciśnień, które pozwalają na stosowanie lekkich konstrukcji pewnych
elementów instalacji. Dzięki temu do budowy urządzeń pracujących z R 600a
potrzeba zużyć mniej materiałów, a to z kolei obniża cenę wytwarzania całej instalacji
chłodniczej. Niska wartość ciśnienia skraplania powoduje także, iż wyciek czynnika
po stronie tłocznej jest około 2-krotnie mniejszy niż w przypadku urządzeń
pracujących z czynnikami R 12 i R 134a, przy tej samej wartości nieszczelności
sprężarkowego urządzenia chłodniczego dla wyżej wymienionych czynników
ziębniczych.
4. Wartość teoretycznego współczynnika wydajności chłodniczej R 600a jest
nieznacznie mniejsza od COP (Coefficient of Performance) R 12, jednakże mniejsza
masa cząsteczkowa i lepkość izobutanu będące przyczynami intensywniejszej
wymiany ciepła w wymiennikach i mniejszych oporów przepływu przez przewody,
skutkują zmniejszeniem zużycia energii elektrycznej przez chłodziarkę domową
(nawet o ok. 20%) w porównaniu z urządzeniem na R 12.
5. Współczynnik wydajności chłodniczej izobutanu jest wyższy niż dla czynnika R 134a.
Jednakże ze względu na zoptymalizowaną konstrukcję i wysoką jakość współczesnych
chłodziarek domowych, następuje zanik różnic w zużyciu energii napędowej i
wartości wskaźnika TEWI dla urządzeń pracujących z R 600a i R 134a.
6. Jednostkowa wydajność chłodnicza izobutanu jest mniejsza niż dla R 12 i R 134a, co
powoduje, że urządzenia pracujące z R 600a muszą być wyposażone w sprężarki
skonstruowane specjalnie dla tego czynnika. Do tego koniecznością jest montaż
dłuższej rurki kapilarnej niż w przypadku wyżej wspomnianych płynów
syntetycznych. Zmiany, których trzeba dokonać w konstrukcji chłodziarek domowych
wiążą się oczywiście z pewnymi kosztami przestawienia się z wytwarzania urządzeń
pracujących z R 12, na produkcje lodówek, w których jako czynnik chłodniczy będzie
wykorzystywany R 600a, które to koszty są wyższe niż przestawienie się na produkcje
urządzeń napełnionych czynnikiem R 134a.
4
7. Dla czynnika R 600a występują niskie w stosunku do innych czynników temperatury
końca sprężania, prawie niezależne od temperatury parowania. Daje to możliwość
głębszego dochłodzenia czynnika w rurce kapilarnej połączonej z przewodem
ssawnym.
8. Gęstość R 600a jest znacznie mniejsza od gęstości R12. Stanowi zaledwie 1/3 gęstości
R 12, czego skutkiem jest małe wagowe napełnienie instalacji czynnikiem (=40%
napełnienia R 12), a także zmniejszone natężenie przepływu czynnika w instalacji, co
w efekcie daje wyższą efektywność energetyczną obiegu chłodniczego, a zatem niższe
koszty eksploatacyjne;
9. R 600a, tak jak R12 dobrze współpracuje z mineralnymi olejami smarnymi, tworząc
z nimi roztwory;
Propan R 290 (C
3
H
8
)
Propan jako czynnik chłodniczy ma dłuższą historię niż chłodnicze czynniki
syntetyczne.
Od początku XX wieku jest on wykorzystywany w dużych instalacjach chłodniczych
w przemyśle chemicznym, petrochemicznym oraz w zakładach skraplania i rozdzielania
gazów gdzie – jako czynnik palny – podlega rygorystycznemu reżimowi technologicznemu
i przeciwpożarowemu.
Propan i amoniak można uznać za najlepsze substytuty czynników R 22 i R 502 w dużych i
ś
rednich niskotemperaturowych urządzeniach chłodniczych oraz w pompach ciepła.
Propan należy do rodziny organicznych węglowodorów nasyconych, jest bezbarwny i
bezwonny. Związek ten występuje w złożach ropy naftowej i gazu ziemnego. Charakteryzują
go korzystne własności termodynamiczne zbliżone do amoniaku i R 22 w obszarze
zastosowań w chłodnictwie.
Własności termodynamiczne propanu:
Pewien wgląd w możliwości wykorzystania propanu jako czynnika roboczego w parowych
obiegach chłodniczych daje zestawienie go z czynnikiem o zbliżonych właściwościach
termodynamiczno eksploatacyjnych, czyli z czynnikiem R 22 i porównanie wyników tego
zestawienia.
Porównania dokonano opierając się na takich wielkościach charakteryzujących obieg
teoretyczny jak:
a. spręż p
k
/p
0
;
5
b. temperatura końca sprężania t
tł
;
c. jednostkowa wydajność chłodnicza objętościowa q
v
;
d. współczynnik wydajności chłodniczej ε
0
;
Ad a. spręż osiągany dla R 290 jest mniejszy niż dla czynnika R 22 co jest
niewątpliwą zaletą tego pierwszego, gdyż pozwala uzyskać niższe temperatury
parowania
przy
nie
zwiększonym
nakładzie
energetycznym.
Niższa wartość sprężu przekłada się na większą trwałość urządzenia chłodniczego,
dłuższy okres jego bezawaryjnej eksploatacji oraz możliwość uzyskiwania
niższych temperatur parowania (do -40˚C) w jednym stopniu sprężania. To z kolei
jest przyczyną poprawy warunków smarowania i czyni propan odpornym na
rozkład termochemiczny;
Ad b. temperatura końca sprężania ma znacznie niższą wartość dla propanu niż dla
R 22, co jest niewątpliwą zaletą propanu z eksploatacyjnego punktu widzenia gdyż
po pierwsze wysokie temperatury powodują zmniejszenie gęstości oleju
zmniejszenie jego lepkości, a co za tym idzie gorsze smarowanie no oraz szybsze
zużycie elementów sprężarki, a po drugie żadne urządzenie nie powinno pracować
w skrajnie wysokich lub skrajnie niskich temperaturach, gdyż to także prowadzi do
większego zużycia części. Niska temperatura końca sprężania umożliwia także
większe dochłodzenie czynnika;
Ad c. wartości objętościowej wydajności chłodniczej oraz współczynnika wydajności
chłodniczej dla czynnika R 290 są niewiele gorsze od wartości charakteryzujących
czynnik R 22 i to nam mówi, że propan jest czynnikiem, który umożliwia
uzyskanie zwartej oraz efektywnej energetycznie instalacji chłodniczej.
Współczynnik wydajności chłodniczej dla R 290 jest o 2 do 3% niższy niż dla R
22, a co się z tym wiąże, żeby osiągnąć ten sam efekt chłodniczy trzeba się liczyć z
większym nakładem energetycznym dla R 290. Wysoka bo aż od 1.5 do 2.5 razy
wyższa wartość jednostkowej wydajności chłodniczej propanu w porównaniu do
pozostałych czynników badanych, powoduje to, że napełnienie tym czynnikiem
urządzenia jest odpowiednio niższe niż dla takich czynników jak R 22 czy R 502.
W przypadku projektowania urządzenia dla czynnika R 290, zwłaszcza przy
właściwym doborze objętości wymienników ciepła, zbiornika, aparatów
pomocniczych i przewodów, można wybrać takie rozwiązanie, które spowoduje,
ż
e masowe napełnienie instalacji zostanie zredukowane do 30% wartości
6
przewidzianej dla R 22. W przypadku wymiany w urządzeniu R22 na R 290, jego
rzeczywista efektywność przedstawia się nieco korzystniej niż relacje teoretyczne
wynikające z danych zamieszczonych w tabeli 23.1.
R 290 charakteryzuje się także takimi własnościami jak:
1. prawie identyczna temperatura krytyczna dla R 290 i R 22 ale za to prawie
dwukrotnie większe ciepło parowania i znacznie mniejsza lepkość
dynamiczna propanu, powodujące lepszą wymianę ciepła w parownikach
i skraplaczach, a także niższe opory przepływu czynnika przez układ i
dzięki temu mniejsze spadki ciśnienia w układzie w porównaniu z
czynnikiem R 22;
2. R 290 tworzy z mineralnymi olejami smarnymi roztwory, ułatwiając obieg
i powrót oleju z instalacji do sprężarki;
3. R 290 to czynnik jednorodny, co jest niewątpliwie jego zaletą. Dzięki temu
stanowi on bardzo interesującą alternatywę dla takich czynników jak R 22
oraz R 502;
Nie istnieje jednak na świecie, żadna rzecz, która posiadałaby same zalety i żadnych
wad i tak samo jest i z czynnikiem chłodniczym R 290, dlatego też przy wymianie czynnika
R 22 na R 290 należy zwrócić szczególną uwagę na wzrost mocy potrzebnej do napędu
urządzenia (tabela 23.2), co zwykle wiąże się ze zmianą jednostki napędowej urządzenia (np.
silnika elektrycznego) a to z kolei pociąga za sobą zwiększenie kosztów takiej zamiany. Do
tego trzeba dodać, że dwukrotny wzrost objętości właściwej zasysanej pary czynnika R 290
(tabela 23.2), może spowodować duże zakłócenia w poprawnej pracy urządzenia.
Mieszaniny R 290/R 600a
Oprócz R 290 i R 600a stosowanych samodzielnie można także jako czynniki
chłodnicze wykorzystać mieszaniny wyżej wymienionych węglowodorów. Mieszaniny
propanu i izobutanu mogą stanowić ciekawą alternatywę jako zamienniki takich czynników,
jak R 12 (również „drop-in”), R 134a i w pewnym zakresie R 22 (rys. 26.1).
Czynniki chłodnicze złożone z propanu i izobutanu to mieszaniny zeotropowe (rys. 26.2),
posiadające następujące właściwości:
7
Różnica zakresu temperatur, w jakich pracują te czynniki, zależna od udziału
składników i ciśnienia, która sięga nawet kilkunastu Kelwinów.
Obszar stężeń w którym osiąga się najwyższe współczynniki wydajności chłodniczej
dla takich czynników mieści się w przedziale od 40/60 do 60/40. Najbardziej
optymalny skład mieszaniny propanu i izobutanu to 45/55.
Wydajność i energochłonność urządzenia chłodniczego pracującego z mieszaniną
R 290 i R 600a w dużym stopniu zależą, jak już wyżej napisałem od składu czynnika
oraz od jego ilości krążącej w obiegu. Porównując urządzenie pracujące z czynnikiem
R 290/R 600a i z urządzeniem napełnionym R 12, otrzymujemy w optymalnych
warunkach o ponad 10% niższe zużycie energii dla tego pierwszego, przy czym
współczynnik wydajności chłodniczej ma tendencję rosnącą wraz z powiększaniem
udziału propanu w mieszaninie.
Mieszanki R 290-R 600a, nie nadają się do stosowania w dwu temperaturowych
chłodziarko-zamrażarkach domowych, które są obsługiwane przez wspólny agregat
chłodniczy. To, że czynnik ten składa się z dwóch innych substancji, jest przyczyną
występowania zaburzeń w pracy urządzenia i utrudnia uzyskiwanie żądanych
temperatur. Dzieje się tak na skutek różnych zachowań obu czynników składowych
mieszaniny, przy ustalonych ale różnych wartościach ciśnień i temperatur.
Tego typu czynniki, charakteryzują się porównywalnym do płynów syntetycznych
strumieniem transportowanego ciepła, a także szerszym zakresem niezakłóconej
pracy, uzyskiwanym na skutek większej wartości krytycznego strumienia ciepła
i nieizotermiczności procesów parowania i skraplania.
Największą popularność spośród mieszanin propanu i izobutanu, zdobyły te o stosunku
masowym 1:1+-10%.
Zalety tego czynnika są następujące:
możliwość pełnego dostosowania tego czynnika do wymogów sprężarek z R 12;
normalna temperatura wrzenia tej mieszaniny wynosi -30°C i jest zbliżona do
temperatury wrzenia czynnika R 12;
duże ciepło utajone, duże ciepło parowania i mała gęstość stanowiąca około 40%
gęstości R 12, jest niewątpliwą zaletą tego czynnika, gdyż pozwala zminimalizować
zawartość tego płynu w instalacji do 40% zawartości R 12;
mieszanka ta dobrze współpracuje z olejami mineralnymi;
8
przy przezbrajaniu z czynnika R 12 na mieszaninę węglowodorów termostat,
przełączniki prądowe, przełączniki prądowe oświetlenia, w tym przyciski drzwiowe,
wymagają obudowy gazoszczelnej lub zmiany ich lokalizacji na zewnętrzną, jeżeli
któryś z tych warunków jest spełniony wtedy przeróbka urządzenia sprowadza się
tylko do wymiany rurki kapilarnej (mniejsza lepkość R 290-R 600a niż R 12
powoduje zmniejszenie oporów przepływu, a co za tym, żeby uzyskać w
odpowiednich miejscach odpowiednie wartości ciśnień, mając niższe opory przepływu
trzeba zastosować dłuższą rurkę kapilarną);
mieszanka ta charakteryzuje się własnościami termodynamicznymi, które są średnimi
własnościami termodynamicznymi dla obu składników tworzących ten czynnik.
Mieszanka taka okazała się szczególnie przydatna w zamrażarkach typu domowego i
handlowego.
Mieszaniny propanu i izobutanu o różnych składach, uwzględnia się także jako napełnienie
rurek ciepła.
Ważną kwestią dotyczącą czynników chłodniczych jest bezpieczeństwo ich
stosowania zarówno w aspekcie ekologicznym jak i ochrony zdrowia ludzkiego.
Aspekty bezpieczeństwa stosowania czynników węglowodorowych.
Palność czynników HC i środki zapobiegawcze
Własności palne czynników HC wymagają podejmowania odpowiednich środków
zabezpieczających podczas transportu, przechowywania, serwisu i eksploatacji urządzeń.
Zapłon każdego czynnika palnego następuje wtedy, gdy w powietrzu mieszanina osiągnie
stężenie w przedziale palności, w obecności źródła zapłonu o odpowiedniej wysokiej
temperaturze. Tak, więc pierwszym i najważniejszym wymogiem jest zapobieganie przed
wyciekiem czynnika oraz eliminowanie z wnętrza chłodziarek wszelkich możliwych
elektrycznych źródeł zapłonu - poprzez ich hermetyzację lub wyprowadzenie na zewnątrz
urządzenia. Zapłon każdego czynnika HC wymaga zbieżności w czasie i przestrzeni kilku
niekorzystnych okoliczności, takich jak:
wycieku czynnika, co nie zdarza się zbyt często lub nie ma miejsca w ogóle
w okresie ich eksploatacji
powstanie mieszaniny czynnika z powietrzem w granicach palności. Dla R
600a zawiera się ona w przedziale od 1,85 do 8,5%, a dla R 290 od 2,2 do
9,5%. Poniżej i powyżej tych granic czynnik jest niepalny z powodu niedoboru
tlenu
jednocześnie musi zaistnieć źródło zapłonu o temperaturze powyżej 450oC
9
Prawdopodobieństwo jednoczesnego zaistnienia wszystkich powyższych okoliczności
jest małe - tym bardziej, że są one podstawą przepisów bezpieczeństwa i rygorystycznych
odbiorów. Hermetyczność konstrukcji instalacji mechanicznej i elektrycznej wraz
z minimalizacją zawartości czynnika w instalacji stanowią wymogi podstawowe, w praktyce
łatwo wykonalne. Zgodnie z Europejską Normą EN 378 - przy zawartości czynnika
w instalacji do 150 g nie ma ograniczeń w instalowaniu urządzeń hermetycznych
z czynnikami HC w dowolnych pomieszczeniach zamkniętych bez wentylacji. W grupie tej
mieszczą się chłodziarki domowe, małej mocy chłodziarki handlowe, klimatyzatory i pompy
ciepła. W celu pogłębienia przekonania Czytelnika, co do bezpieczeństwa stosowania
chłodziarek z R 600a w kuchniach domowych, posłużmy się następującym przykładem
liczbowym. Bezpieczną przestrzeń powietrzną (netto) pomieszczenia, w którym ma być
ustawiona chłodziarka z czynnikiem HC opisuje zależność
Pb = Zc • Wb/Sdgz
gdzie:
Pb - bezpieczna przestrzeń powietrzna pomieszczenia (netto) [m3]
Zc - całkowita zawartość czynnika w instalacji [kg]
Wb - wskaźnik bezpieczeństwa określający ile razy stężenie rzeczywiste czynnika HC
w powietrzu pomieszczenia bez wentylacji jest niższe od dolnej granicy zapłonu, przy
wycieku całej zawartości czynnika z instalacji do pomieszczenia. Jego wartość przyjmuje się
w granicach 2-4 (średnio 3)
Sdgz - stężenie dolnej granicy zapłonu dla danego czynnika [kg/m3].
Jeżeli np. dla R 600a przyjmiemy:
ZC = 50 g = 0,05 kg (wartość maksymalna nawet w największych chłodziarkach
domowych)
Wb = 3
Sdgz = 0,035 kg/m3 (Dana z tabeli)
wówczas ze wzoru otrzymujemy:
Pb = 0,05 . 3/0,035 = 4,28 m3 =
1,65 m2 (powierzchnia kuchni) • 2,6 m (wysokość kuchni) Kuchnię o takich
wymiarach jest wprost sobie trudno wyobrazić. Jednak nawet w takim pomieszczeniu zapłon
R 600a byłby niemożliwy. Przyjęliśmy wskaźnik bezpieczeństwa Wb = 3 oraz najwyższą
zawartość czynnika Zc = 50 g, co stanowi wielokrotny zapas bezpieczeństwa. Należy również
wiedzieć, że prawie połowa masy czynnika rozpuszczona jest w oleju smarnym i nie wycieka.
10
W celu praktycznego sprawdzenia skutków ewentualnego wariantu wycieku i zapłonu
R 600a wewnątrz chłodziarki, w Niemczech i Szwecji przeprowadzono badania symulacyjne.
Próby te wykazały, że nawet w przypadku nieszczelnej instalacji elektrycznej i zaistnienia
wycieku, nie dochodzi do skutków w postaci zniszczeń, jakie normalnie wiążą się
z wybuchem gazu palnego. Już przy minimalnym wzroście ciśnienia w szafce uchylają się
drzwi chłodziarki i nie dochodzi do wzrostu niszczącego ciśnienia podmuchowego. Płomień
już w płaszczyźnie drzwi chłodziarki gaśnie. A zatem czynniki HC są równie bezpieczne jak
R 12 i R 134a i mają przewagę nad nimi, są bowiem przyjazne dla środowiska, a także
energooszczędne.
Podsumowując można stwierdzić, że technika oparta na czynnikach HC jest prosta i
wysoce przydatna w budowie chłodziarek i zamrażarek domowych. Nie wymaga ona
specjalnych zabiegów i zmian w technologii produkcji sprężarek, parowników,
skraplaczy itp. Jedynym wymaganiem przy przezbrajaniu jest adaptacja rurki kapilarnej o
optymalnej długości i jej przetestowanie ruchowe. Hermetyczna instalacja chłodnicza i
elektryczna czyni układ bezpieczny mimo palności czynnika HC. Wszystkie problemy
związane z bezpieczeństwem użytkowania chłodziarek i zamrażarek domowych dają się w
pełni rozwiązywać zgodnie z rygorystycznymi przepisami bezpieczeństwa.
Ponadto remont sprężarek instalacji, a zwłaszcza wymiana sprężarek hermetycznych
warunkach pozafabrycznych, nie wymaga stosowania technik szczególnych, poza
przeszkoleniem załogi w zakresie obsługi urządzeń z palnymi czynnikami. Urządzenia z
czynnikami HC odznaczają się większą trwałością i efektywnością energetyczną, a więc
są bezpośrednio i pośrednio bardziej ekologiczne i spełniają wszelkie współczesne
wymagania. Czynniki HC już zostały ostatecznie i niepodważalnie zaakceptowane
w świecie jako docelowe czynniki zastępcze dla CFC, HCFC oraz HFC. Aktualna światowa
produkcja zamrażarek domowych z czynnikami HC zbliża się szybko do poziomu pełnego
ś
wiatowego zapotrzebowania rynkowego na tego rodzaju urządzenia. Chłodziarki i
zamrażarki domowe z R 134a stały się niekonkurencyjne. Po wielu kłopotliwych latach z
czynnikami, rysuje się klarowna i ustabilizowana sytuacja w dziedzinie czynników
chłodniczych, wśród których dominować będą węglowodory w chłodnictwie
domowym i amoniak z niewielkimi wyjątkami w pozostałych ogniwach łańcucha
chłodniczego. A więc można, w nawiązywaniu do pozycji literaturowych, jeszcze raz
stwierdzić, że naturalne czynniki chłodnicze są przyszłością chłodnictwa, klimatyzacji i
pomp ciepła.
11
Literatura:
Zenon Bonca, Dariusz Butrymowicz, Waldemar Targański, Tomasz Hajduk „Poradnik:
Nowe Czynniki Chłodnicze i Nośniki Ciepła: własności cieplne, chemiczne i użytkowe.”
Aleksander Paliwoda, CHŁODNICTWO & klimatyzacja nr. 3/2003: „Technika i technologia
chłodnicza – cykl szkoleniowy dla mechaników-praktyków. część III”
Aleksander Paliwoda, CHŁODNICTWO & klimatyzacja nr. 6/2003: „Technika i technologia
chłodnicza – cykl szkoleniowy dla mechaników-praktyków. część IV”
Aleksander Paliwoda, CHŁODNICTWO & klimatyzacja nr. 10/2003: „Przezbrajanie
chłodziarek i zamrażarek domowych z R 12 i R 134a na czynniki węglowodorowe (cz. II)”
12
13
14
15
16