Chłodziwa stosowane w klimatyzacji (właściwości, rodzaje, przenoszony strumień cieplny, przykłady)

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

pośrednich

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

, chlorku magnezu MgCl

 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

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

/kg,

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

/kg.

3.1.2. Ogólna charakterystyka

Parametr

Wartość

Jednostka

Wzór chemiczny

Masa cząsteczkowa

18,016

kg/kmol

Temperatura krytyczna

374,15

0C

Ciśnienie krytyczne

221,2

bar

Gęstość krytyczna

400

kg/m

Normalna temperatura
wrzenia

100

0C

Temperatura krzepnięcia

0C

Inne wielkości podano dla temperatury 20C

Gęstość

998,2

kg/m

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

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

powierzchni

przenośnikiem taśmowym lub pneumatycznym, a w szybie
grawitacyjnie

rurociągu

PCV.

Lód

zawiesinowy

transportowany jest metodą hydrauliczną.

3.2.1. Własności cieplno-fizyczne
lodu



Gęstość

lód lity

900

[kg/m

]

lód łuskowy

400-500

[kg/m

]



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

ich krzepnięcia w stosunku do czystej

wody, przy czym zjawisko to zależy od

rodzaju zastosowanej soli oraz od jej

masowego stężenia.

Fakt

ten

obrazuje

rysunek

25.1.

Początkowo, wraz ze wzrostem stężenia

,

temperatura zamarzania t

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.

W tym stanie zaczynają

wydzielać się kryształy soli

(kriohydrat). Zestalony

roztwór o stężeniu

odpowiadającym punktowi

C będzie zatem mieszaniną

kryształów lodu i

kriohydratu.

W temperaturze

odpowiadającej punktowi G

solanka jest mieszaniną lodu

oraz roztworu ciekłego o

stężeniu odpowiadającym

punktowi F. Po osiągnięciu

temperatury eutektycznej,

temperatura roztworu

pozostaje stała aż do

zamarznięcia całej

mieszaniny

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

). 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

/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

/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

/min.

Document Outline