Chłodziwa stosowane w

klimatyzacji

(właściwości, rodzaje, przenoszony

strumień cieplny, przykłady)

Wykonała:

Prowadzący:

Magdalena Pasek

dr inż. F. Rosiek

1. Wstęp

Chłodziwa są to substancje płynne pośredniczące w przepływie
ciepła między czynnikiem chłodniczym wrzącym w parowniku
ziębiarki, a obszarem chłodzonym. W charakterze chłodziw
najczęściej stosuje się powietrze, wodę, solanki (wodne roztwory
soli) oraz roztwory wodne związków organicznych. Chłodziwa służą
do odprowadzania ciepła i pełnią rolę cieczy pośredniczącej [1].

Systemy wykorzystujące chłodziwa stosuje się przede

wszystkim w przypadkach, gdy znajdujący się w urządzeniu
chłodniczym czynnik nie gwarantuje pełnego bezpieczeństwa
obsługiwanego obiektu, a także w celu zapewnienia wysokiego
stopnia pewności działania urządzeń chłodniczych oraz w celu
dokładnej regulacji temperatury w przestrzeni chłodzonej.

Pośredni układ klimatyczny składa się z dwóch obiegów

(rys.1). Jeden z nich jest obiegiem chłodniczym ziębiarki
sprężarkowej, drugi składa się z wymienników cieplnych,
przewodów rurowych oraz pomp przetłaczających chłodziwo. Z
obszaru klimatyzowanego ciepło odbierane jest w chłodnicy
powietrza, dalej transportowane rurociągiem przez chłodziwo i
oddawane parującemu czynnikowi chłodniczemu.

Rys.1. Schemat ideowy obiegów

ziębiarki i chłodziwa

Urządzenia odprowadzające

ciepło ze skraplacza

(np. chłodnia wyparna wody)

Skraplacz

Parownik

Urządzenia odbierające ciepło

powietrzu

(np. chłodnice powietrza)

Zawór

regulacyjny

Sprężarka

Zalety i wady chłodzenia w układach

Zalety i wady chłodzenia w układach

pośrednich

pośrednich

z użyciem pośredniego nośnika ciepła

z użyciem pośredniego nośnika ciepła



możliwość dokładnej regulacji temperatury,

 uzyskiwanie małych różnic temperatury w chłodnicy powietrza i wynikające stąd niewielkie

osuszenie ochładzanego powietrza,
 uniknięcie możliwości kontaktu chłodzonego towaru ze szkodliwym dla zdrowia czynnikiem

chłodniczym, takim jak np. amoniak przy ewentualnych nieszczelnościach instalacji,
  akumulowanie „zimna” w zbiorniku dla wyrównywania wahań zmiennych obciążeń cieplnych

obiektu ,
 dobre przenoszenie ciepła od schładzanych towarów, np. przy zamrażaniu zanurzeniowym

(immersyjnym) artykułów spożywczych,
 możliwość poprowadzenia bardzo długich przewodów solankowych przy znacznie od siebie

oddalonych obiektów chłodniczych,
 mniejsza ilość czynnika chłodniczego i związane z tym zmniejszenie ryzyka jego dużych

wycieków oraz obniżenie kosztów dodatkowej kontroli szczelności instalacji,
  niska cena solanki w porównaniu z syntetycznymi czynnikami chłodniczymi.
Wady pośredniego układu chłodzenia:
 dwukrotne przekazywanie ciepła powodujące mniejsze wydajności oraz większe zużycie energii
niż przy bezpośrednim odparowaniu,
 dodatkowe pobór energii przez urządzenie na pompowanie chłodziwa.

2. Właściwości chłodziw

Chłodziwa

powinny

charakteryzować

się

następującymi

właściwościami:

 

    punktem krzepnięcia poniżej temperatury parowania czynnika

chłodniczego (min. 5K),
    dobrym przewodnictwem cieplnym dla zapewnienia dobrego

przenoszenia ciepła w wymiennikach,
   wysoką właściwą pojemnością cieplną, aby przy zadanej

wydajności chłodniczej krążąca masa chłodziwa i wynikająca stąd
wydajność pompy były małe,
  małą lepkością, również w niskich temperaturach, dla osiągnięcia

niewielkich strat ciśnienia, a zatem minimalizacji zapotrzebowania
na wydajność pompy i wielkość przewodów rurowych,
    wysokim punktem wrzenia, aby chłodziwo nie odparowywało

podczas postoju urządzenia chłodniczego,
    możliwie niskim działaniem korodującym.
   płyny te nie powinny być palne,
    nie powinny być substancjami toksycznymi i cuchnącymi,
    pożądana jest niska cena i łatwa dostępność.

3. Rodzaje chłodziw

Ponieważ nie istnieją związki lub roztwory związków chemicznych spełniające
wszystkie wyżej wymienione wymagania, w praktyce zachodzi konieczność
stosowania różnych chłodziw w odniesieniu do konkretnych układów chłodzenia,
np. gdy w instalacji panuje temperatura poniżej +4C nie można używać czystej

wody jako płynu pośredniczącego w procesie wymiany ciepła.

Z praktycznego punktu widzenia ważnymi chłodziwami są:
   woda
   roztwory wodne soli – solanki (najczęściej używanymi solankami są wodne

roztwory chlorku sodu NaCl, chlorku wapnia CaCl

2

, chlorku magnezu MgCl

2

),

  roztwory wodne alkoholi – chłodziwa pochodzenia organicznego (np. glikolu

etylowego lub propylenowego, alkoholu etylowego, alkoholu metylowego i
dwuchlorometanu).

Badania zmierzające do zastosowania nowych chłodziw zmierzają do

znalezienia alternatywy dla wodnego roztworu chlorku wapnia w postaci płynów
syntetycznych przeznaczonych na chłodziwa. Charakteryzują się one wciąż zbyt
małą wartością cieplna właściwego, a przede wszystkim bardzo wysoką ceną
wielokrotnie przewyższającą cenę zwykłej solanki.

Powszechne zastosowanie w dużym chłodnictwie znalazły jedynie

roztwory wodne chlorku wapnia i chlorku sodu, przede wszystkim z uwagi na
swoje korzystne własności cieplne, niską cenę i łatwą dostępność. Najczęściej
jednak stosowana jest solanka w postaci wodnego roztworu chlorku wapnia.
Do transportu mocy chłodniczej z powierzchni do wyrobisk dołowych niekiedy
stosuje się lód.

3.1. Woda (R718)

3.1.1. Zastosowanie
 

Ważnym obszarem zastosowania wody jako chłodziwa są

zespoły przeznaczone do schładzania wody w połączeniu z
konwektorami klimatyzacyjnymi, a także zraszacze powietrza w
centralach klimatyzacyjnych. W chłodzonych wodą zespołach
skraplających jest ona w połączeniu z chłodniami wieżowymi
wykorzystywana do odprowadzania ciepła skraplania. W komorach
przeznaczonych do przechowywania kwiatów z chłodzeniem wodnym
zachodzi jednoczesne ochładzanie i nawilżanie zawartego w nich
powietrza przez rozpylanie „zimnej” wody. Szerokie zastosowanie
znajduje woda również jako chłodziwo w mleczarniach i browarach, w
których mleko lub brzeczka piwna chłodzone są w wymiennikach
płytowych. Chłodna woda uzyskiwana jest często w akumulacyjnych
chłodnicach wody. W okresach mniejszego zapotrzebowania na
wydajność chłodniczą jest ona zamrażana w postaci lodu na
powierzchni parownika, np. wężownicowego. Przy wzroście tego
zapotrzebowania, dla jego pokrycia wykorzystywane jest ciepło
topnienia lodu, dzięki temu urządzenie nie musi być projektowane na
szczytowe obciążenie cieplne układu. Zaletą wody jako chłodziwa jest
również to, że przy nieszczelnościach wymienników ciepła nie dochodzi
do skażenia żywności.

Zupełnie nowe perspektywy jej zastosowania otwierają się wraz z

zastosowaniem lodu binarnego jako chłodziwa. Lód binarny jest ciekłą, dającą
się pompować papką lodową (rozdrobnione kryształki lodu w wodzie), łączącą w
sobie zarówno własności solanek jak i czynników chłodniczych. Do jego
wytworzenia wykorzystuje się albo punkt potrójny wody (0

o

C/ok. 6 mbar), w

którym podczas odparowywania powstaje lód, albo mechaniczne rozdrabnianie
lodu w cylindrze.

Woda (R 718) może być stosowana jako czynnik chłodniczy do uzyskania

temperatur powyżej 0C (ze względu na jej zamarzanie). Jest doskonałym

nośnikiem ciepła dla układów z temperaturą nieujemną. Jest substancją tanią,
dostępną, nietoksyczną i nieagresywną chemicznie. Znalazła szerokie
zastosowanie jako czynnik pośredniczący w klimatyzacji, przemyśle
spożywczym, przemyśle chemicznym, itd. Zalety wody jako czynnika
chłodniczego,

to przede wszystkim:

 

 duże ciepło parowania,

 nieszkodliwość dla środowiska naturalnego,

 niski koszt.
 
Pośród wad można wymienić:

brak możliwości osiągnięcia temperatur niższych niż 0C,

bardzo dużą objętość właściwą pary (co wymaga stosowania sprężarek
przepływowych lub strumienicowych),

konieczność utrzymywania niskiego ciśnienia dla uzyskania niskich temperatur

• w temperaturze 100C, p = 0,0123 bar, v = 106,382 m

3

/kg,

• w temperaturze 300C, p = 0,0424 bar, v = 32,894 m

3

/kg.

3.1.2. Ogólna charakterystyka

Parametr

Wartość

Jednostka

Wzór chemiczny

H

2

O

Masa cząsteczkowa

18,016

kg/kmol

Temperatura krytyczna

374,15

0C

Ciśnienie krytyczne

221,2

bar

Gęstość krytyczna

400

kg/m

3

Normalna temperatura
wrzenia

100

0C

Temperatura krzepnięcia

0

0C

Inne wielkości podano dla temperatury 20C

Gęstość

998,2

kg/m

3

Współczynnik przewodności
cieplnej

0,597

W/mK

Lepkość dynamiczna

1004

Pas

Ciepło właściwe

4,183

kJ/kgK

Wykładnik izentropy

1,33

kJ/kgK

Napięcie powierzchniowe

0,0727

Nm

Ciepło topnienia przy 1,013
bar

333,7

kJ/kg

Ciepło parowania

2257,9

kJ/kg

3.2. Lód

Wykorzystanie lodu jako chłodziwa wynika ze stosunku ciepła
topnienia lodu równego 333,5 kJ/kg do ciepła właściwego wody,
które wynosi 4,18 kJ/kgK. Ciepło topnienia lodu jest równe
ciepłu potrzebnemu do podgrzania wody o 79,78°C. W obiegach
stosowanych w klimatyzacji kopalń zimna woda zostaje ogrzana
o 10 do 20C. Przyjmując górną wartość (20°C) można za

pośrednictwem 1 kg zimnej wody przenieść moc chłodniczą
równą 80 kJ/kg, natomiast taka sama masa lodu transportuje
moc chłodniczą 333,5 + 80 = 413,5 kJ. Do przeniesienia takiej
samej mocy chłodniczej potrzebna jest więc 5 do 8 razy większa
masa wody niż lodu. Możliwość kilkakrotnego zmniejszenia
transportowanej masy stanowiła zachętę do prac nad produkcją,
transportem lodu o pożądanej granulacji oraz wymianą ciepła w
urządzeniach układu klimatyzacyjnego. Układy chłodnicze, w
których stosuje się lód charakteryzują się dużą mocą i
potrzebne ilości lodu sięgają kilkuset kg/s. Do tej pory
opanowane zostały dwie metody produkcji lodu: w postaci tzw.
„pokruszonych rurek” i w postaci zawiesiny (kryształki w
roztworze solanki w punkcie potrójnym). Lód w postaci
pokruszonej

można

transportować

na

powierzchni

przenośnikiem taśmowym lub pneumatycznym, a w szybie
grawitacyjnie

w

rurociągu

z

PCV.

Lód

zawiesinowy

transportowany jest metodą hydrauliczną.

 

3.2.1. Własności cieplno-fizyczne
lodu

  

      

Gęstość

 

lód lity

-

900

[kg/m

3

]

lód łuskowy

-

400-500

[kg/m

3

]

 

 

       

Ciepło właściwe

 

t = - 40C

c = 1,817

[kJ/kg K]

t = - 20C

c = 1,947

[kJ/kg K]

t = 0C

c = 2,039

[kJ/kg K]

 

3.3. Wodne roztwory soli –
solanki

Roztwór eutektyczny o stężeniu odpowiadającym punktowi A, zaczyna zamarzać
dopiero w temperaturze odpowiadającej punktowi eutektycznemu. Zestalony
roztwór o takim stężeniu nazywa się

kriohydratem.

Jeżeli ochładzany jest roztwór o stężeniu mniejszym niż eutektyczne,
odpowiadającym na przykład punktowi C, jego temperatura obniży się aż do
osiągnięcia punktu D.
Gdy chłodzenie tego roztworu trwa nadal, jego temperatura nadal spada, jednak
zaczynają wytrącać się z takiego roztworu czyste kryształy lodu. Oznacza to, że
stężenie soli w roztworze ciekłym musi wzrastać.

Charakterystyczną

właściwością

Charakterystyczną

właściwością

wodnych

roztworów

soli,

czyli

wodnych

roztworów

soli,

czyli

solanek, jest obniżanie temperatury

solanek, jest obniżanie temperatury

ich krzepnięcia w stosunku do czystej

ich krzepnięcia w stosunku do czystej

wody, przy czym zjawisko to zależy od

wody, przy czym zjawisko to zależy od

rodzaju zastosowanej soli oraz od jej

rodzaju zastosowanej soli oraz od jej

masowego stężenia.

masowego stężenia.

Fakt

ten

obrazuje

rysunek

25.1.

Początkowo, wraz ze wzrostem stężenia

,

temperatura zamarzania t

s

obniża się, zaś

po osiągnięciu pewnej jej wartości,
temperatura ta zaczyna rosnąć. Roztwór o
stężeniu

odpowiadającym

najniższej

temperaturze zamarzania nazywa się

roztworem eutektycznym

(punkt E na

rysunku 25.1).

3.3. Wodne roztwory soli –

solanki

Jeżeli ochładzaniu poddany byłby roztwór o stężeniu większym od eutektycznego (punkt B na rys. 25. l), wówczas proces przebiegałby podobnie z tą tylko różnicą, że z ciekłego roztworu wydzielałyby się najpierw kryształki soli, a nie lodu. Należy podkreślić, że dla roztworów wodnych niektórych soli istnieje więcej niż jeden punkt eutektyczny - na przykład wodny roztwór chlorku magnezu posiada dwa takie punkty.

Jeżeli ochładzaniu poddany byłby roztwór o stężeniu większym od eutektycznego (punkt B na rys. 25. l), wówczas proces przebiegałby podobnie z tą tylko różnicą, że z ciekłego roztworu wydzielałyby się najpierw kryształki soli, a nie lodu. Należy podkreślić, że dla roztworów wodnych niektórych soli istnieje więcej niż jeden punkt eutektyczny - na przykład wodny roztwór chlorku magnezu posiada dwa takie punkty.

W tym stanie zaczynają

W tym stanie zaczynają

wydzielać się kryształy soli

wydzielać się kryształy soli

(kriohydrat). Zestalony

(kriohydrat). Zestalony

roztwór o stężeniu

roztwór o stężeniu

odpowiadającym punktowi

odpowiadającym punktowi

C będzie zatem mieszaniną

C będzie zatem mieszaniną

kryształów lodu i

kryształów lodu i

kriohydratu.

kriohydratu.

W temperaturze

W temperaturze

odpowiadającej punktowi G

odpowiadającej punktowi G

solanka jest mieszaniną lodu

solanka jest mieszaniną lodu

oraz roztworu ciekłego o

oraz roztworu ciekłego o

stężeniu odpowiadającym

stężeniu odpowiadającym

punktowi F. Po osiągnięciu

punktowi F. Po osiągnięciu

temperatury eutektycznej,

temperatury eutektycznej,

temperatura roztworu

temperatura roztworu

pozostaje stała aż do

pozostaje stała aż do

zamarznięcia całej

zamarznięcia całej

mieszaniny

mieszaniny

.

.

3.3. Wodne roztwory soli – solanki

3.3.1. Przykłady

Reinhartin jest produkowaną na bazie chlorków solanką dla chłodnictwa,
charakteryzującą się dużą jednostkową pojemnością cieplną (ciepłem
właściwym).

Dzięki zastosowaniu inhibitorów i substancji buforowych

uzyskano dobrą ochronę napełnianych nią instalacji przed korozją. Jest
ona cieczą bezbarwną, bezwonną, niedrażniącą i niepalną, a przy
odpowiedniej obsłudze jest w urządzeniach chłodniczych trwała w pełnym
zakresie ich pracy. Substancja ta wymaga rozcieńczenia z wodą w
odpowiednich proporcjach.

Reinhartin nie może być stosowany wraz z wysokostopową stalą i
aluminium.

Anticora to uzyskana na bazie węglanów solanka, charakteryzująca się
również dużą jednostkową pojemnością cieplną. Materiały konstrukcyjne,
powszechnie używane do układów chłodniczych, takie jak żelazo, miedź i
jej stopy, cyna, nie ulegają w jej obecności korozji. W reakcje z nią nie
wchodzą również stale nierdzewne takie jak stal chromoniklowa oraz stal
chromowo-molibdenowa. Również w stosunku do aluminium solanka ta
jest obojętna.
Anticora jest bezbarwna lub lekko żółtą, bezwonną, nietrującą i niepalna
cieczą o lekko drażniącym działaniu na śluzówki. Nie wolno jej mieszać z
solankami zawierającymi chlorki. Dostarczana jest przez producenta w
stanie gotowym do użycia.

3.4. Wodne roztwory alkoholi

Oprócz roztworów wodnych soli, jako nośniki ciepła stosowane są również
substancje pochodzenia organicznego. Główną ich zaletą jest znacznie
mniejsze oddziaływanie korozyjne na metale w porównaniu z solankami, jednak
wysoka cena tych chłodziw ogranicza ich zakres stosowania.

3.4.1. Glikol etylenowy

 

Najczęściej stosowanym chłodziwem pochodzenia organicznego jest glikol

etylenowy.

Wodny

roztwór

tego

związku

charakteryzuje

korozyjne

oddziaływanie na materiały konstrukcyjne, które można znacznie osłabić
poprzez dodanie inhibitora (fosforanu trójetanoaminowego). Glikol etylenowy
można stosować w przypadkach, gdy nie ma niebezpieczeństwa przedostania
się go do źródeł wody pitnej z uwagi na jego szkodliwość dla zdrowia

.

 

3.4.1. Glikol etylenowy

Wykorzystywane dotychczas w urządzeniach klimatyzacyjnych i chłodniczych solanki, są

obecnie wypierane przez wodne roztwory alkoholi. Antifrogen N jest produktem uzyskanym
na bazie glikolu etylowego, natomiast Antifrogen L – na bazie bezpiecznego 1,2-glikolu
propylenowego. Drugi z roztworów nie będzie tu omawiany, gdyż jest on stosowany w
urządzeniach chłodniczych w browarach i przetwórstwie żywności

.

Zalety Antifrogenu:

 Roztwory Antifrogenu z wodą, zależnie od stężenia, zabezpieczają przed zamarzaniem

instalacje chłodnicze i cieplne aż do -50C. Dzięki temu można zarówno pompy ciepła, jak i

urządzenia absorpcyjne użytkować również w okresie zimowym, a także wyłączać je
czasowo lub na stałe.
 Przy stężeniu Antifrogenu wynoszącym co najmniej 20%, powstaje wystarczająca ochrona

przeciwkorozyjna elementów konstrukcyjnych urządzenia. Obok powszechnie stosowanych
metali także mosiądz czerwony, luty twarde i miękkie są odporne na działanie tej substancji.
 Antifrogen nie atakuje większości znanych tworzyw sztucznych i elastomerów,

stosowanych jako materiały uszczelniające. Jedynie elastomery poliuretanowe i żywice
fenolowo-formaldehydowe są materiałami nietrwałymi.
  Antifrogen powstrzymuje osadzanie się kamienia w przewodach rurowych i wywołane

tym pogorszenie wymiany ciepła w wymiennikach ciepła.
  Antifrogen nie stwarza zagrożenia dla środowiska. Usuwanie Antifrogenu

N powinno

mieć miejsce w

specjalnych spalarniach odpadów.

 

4. Przykłady

5.1. Urządzenie klimatyzacyjne zainstalowane w kopalni „Zwarterberg” (Belgia),
pod ziemią.

 

Maszyna chłodnicza zamontowana została w komorze na poziomie 1010 m w

odległości 1000 m od szybu wdechowego. Maszyna pracuje na obiegu freonowym (czynnik
chłodniczy: freon 11 – CFCl

3

). Ilość freonu w obiegu wewnętrznym maszyny wynosi około

500 l. Sprężarka utrzymuje w parowniku ciśnienie równe 0,05 MPa oraz następnie spręża
parę freonu do ciśnienia 0,235 MPa. Temperatura pary wynosi 50 C po sprężeniu. Freon

jest chłodzony wodą zewnętrznego obiegu chłodzącego, a skraplany w kondensatorze. Po
ochłodzeniu, przez zawór redukcyjny wraca do parownika rozprężając się z 0,35 MPa na
0,04 do 0,05 MPa. Woda chłodząca kompresor i kondensator doprowadzana jest ze
zbiornika na poziomie 940 m rurami przez poziom 1010 m do zbiornika wyrównawczego,
położonego 12 m powyżej stanowiska maszyny klimatyzacyjnej. Dzięki temu ciśnienie
wody chłodzącej jest małe. Ilość wody potrzebnej do chłodzenia urządzenia wynosi 43,7
m

3

/h przy temperaturze dolotowej 22 C i wylotowej 43,7 C.

Chłodziwo:

Chłodziwem, krążącym w obiegu zamkniętym jest woda. Czynnik chłodniczy

(freon), parując, odbiera ciepło wodzie, która chłodzi w chłodziarce powietrze. Woda
chłodząca obiegu zamkniętego obniża swoją temperaturę z 13 do 5 C. Obieg wody

chłodzącej chłodziarkę wymuszony jest pompą w przewodzie tłoczącym. Wydajność
pompy wynosi 20 m

3

/h. Rurociągi wody chłodzącej są izolowane wata szklaną. Rury

parownika i kondensatora wykonano z miedzi, celem uzyskania lepszej przewodności
cieplnej.
Ilość ciepła faktycznie odbierana powietrzu wynosiła 273,5 kW. Temperatura powietrza
wpływającego do ściany obniżona została z 27 do 15C, temperatura powietrza

wypływającego ze ściany obniżona została z 23 do 32,5C. Ilość przepływającego

powietrza w ścianie wynosiła 700 – 800 m

3

/min.