5. Czynniki chłodnicze

DR INŻ. ANDRZEJ DEKA

DR INŻ. MARIA PLOCEK

5.1. Wstęp

Czynnikiem chłodniczym nazywa się substancję, którą napełnia się urządzenia chłodnicze, i która parując przy określonym ciśnieniu i odpowiadającej mu niskiej temperaturze pobiera ciepło od ośrodka chłodzonego. W czasie pobierania ciepła czynnik zwykle zmienia swój stan skupienia. Po sprężeniu w sprężarce przepływa do skraplacza i oddaje ciepło przy wyższym ciśnieniu i temperaturze do otoczenia, powracając do stanu ciekłego. Odbywa się to w kolejno następujących po sobie przemianach termodynamicznych tworzą­cych obieg chłodniczy.

Jeżeli podczas realizacji obiegu czynnik chłodniczy zmienia swój stan skupienia (z ciekłego na parowy i odwrotnie) przy stałych wartościach ciśnienia i temperatury, będących w równowadze, to mówimy o parowym obiegu chłodniczym. Oprócz parowych obiegów chłodniczych rozróżniamy obiegi absorpcyjne i gazowe.

Rozdział ten dotyczy czynników chłodniczych do realizacji obiegów parowych. Istnieje wiele wymagań, które musi spełniać czynnik chłodniczy do parowego urządzenia chłodni­czego. Wymagane lub pożądane są, między innymi, następujące własności:

1) obojętność chemiczna w odniesieniu do wszystkich materiałów użytych do budowy urządzenia chłodniczego i oleju smarnego w sprężarce (trwałość i niezawodność działania urządzenia),

2) trwałość chemiczna przy wszystkich wartościach ciśnienia i temperatury występują­cych w urządzeniu,

3) nie powinien być palny i wybuchowy z powietrzem,

4) duża objętościowa wydajność chłodnicza (mniejsze wymiary sprężarki),

5) niska jednostkowa praca sprężania (mniejsze zapotrzebowanie energii do napędu sprężarki),

6) wysokie wartości współczynników przejmowania ciepła przy skraplaniu i wrzeniu (małe wymienniki ciepła),

7) mała lepkość (mniejsze spadki ciśnienia związane z oporami przepływu),

8) niewysokie ciśnienie nasycenia odpowiadające stosowanej temperaturze skraplania (lekka konstrukcja sprężarki),

9) nadciśnienie w parowniku przy najniższej wymaganej temperaturze parowania (wyklucza napływ powietrza i wilgoci do instalacji),

10) zdolność rozpuszczania niewielkiej ilości wody (woda wolna może zamarzać np. w zaworze rozprężnym),

11) łatwość wykrywania przecieków i nieszczelności w instalacji,

12) nie powinien być toksyczny,

13) w razie wycieku nie powinien niszczyć chłodzonych produktów (zapach),

14) nie może oddziaływać destrukcyjnie na stratosferyczną warstwę ozo­nową,

15) niski potencjał tworzenia efektu cieplarnianego,

16) nisko położony punkt krzepnięcia i wysoko położony punkt krytyczny,

17) niska cena.

Wymagania l)÷3) dotyczą właściwości chemicznych, 4)÷10) i 16) - właściwości fizycznych mających wpływ na eksploatację urządzeń chłod­niczych, 9)÷11) - względów eksploatacyjnych, 12)÷15) - względów bezpieczeństwa i ekologicznych, a 16) i 17) - zakresu i powszechności stosowania.

Nie jest dotychczas znany czynnik, który byłby korzystny z punktu widzenia wszystkich właściwości. Dlatego też optymalny wybór czynnika chłodniczego powinien być poprzedzany rozważeniem wszystkich możliwych wariantów.

Pierwsze czynniki, które były zastosowane w drugiej połowie XIX w. w urządzeniach chłodniczych, to: amoniak (NH₃), dwutlenek siarki (SO₂), chlorek metylu (CH₃Cl) i dwutlenek węgla (CO₂). Trzy pierwsze charakteryzuje wysoka toksyczność i agresywność, mankamentem dwutlenku węgla jest wysokie ciśnienie skraplania. Do dziś duże znaczenie zachował amoniak, pomimo toksyczności, palności, wybuchowości oraz aktywności chemicznej. Zadecydowały o tym bardzo korzystne właściwości cieplne amoniaku. Rozważa się ponowne stosowanie dwutlenku węgla ze względów ekologicznych. Dwutlenek siarki i chlorek metylu nie są stosowane od dawna i nie będą opisywane w tym rozdziale.

Rozwój chłodnictwa wymusił poszukiwania czynników chłodniczych zapewniających bezpieczeństwo stosowania. W 1931 r. produkowano już na skalę przemysłową freon 12, w 1932 r. freony 11, 113 i 114, a w roku 1935 freon 22. Są to całkowicie (grupa CFC) lub częściowo (HCFC) chlorowcowane węglowodory nasycone. Atomy wodoru są w nich zastąpione atomami chlorowców: fluoru, chloru i bromu. Nazwa freon była zastrzeżoną nazwą handlową tych związków. Później kolejni producenci tych czynników wprowadzali inne nazwy handlowe, np.: Genetron, Daiflon, Arcton, Kaltron, Frigen itd. W Polsce nazwa handlowa „freon" jest do dziś stosowana do określenia czynników będących pochodnymi węglowodorów nasyconych, nawet w odniesieniu do nowych, ekologicznych czynników, jak przykładowo czynnik 134a, czynnik 507 czy też mieszaniny bliskoazeotropowe (seria 400). W latach sześćdziesiątych zaczęto stosować jako czynniki chłodnicze roztwory azeotropowe (np. czynnik 502). Zaistniała konieczność ujed­nolicenia oznaczeń związków chemicznych, ich roztworów i mieszanin mających zastosowanie jako czynniki chłodnicze.

Międzynarodowa Or­ganizacja Normalizacyjna ISO wprowadziła normę oznaczeń cyfrowych czynników chłodniczych ISO 817.

5.2. Oznaczanie czynników chłodniczych

Zgodnie z normą ISO 817 oraz PN-90/M-04611 „Chłodnictwo. Oznaczenia umowne czynników chłodniczych" zasady oznaczania cyfrowego czynników chłodniczych można zestawić następująco:

— seria dwucyfrowa: chlorowcowe pochodne metanu (CH₄),

— seria 100: chlorowcowe pochodne etanu (C₂H₆),

— seria 200: chlorowcowe pochodne propanu C₃H₈),

— seria C300: chlorowcowe pochodne cyklobutanu (C₄H₈),

— seria 400: mieszaniny i roztwory,

— seria 500: azeotropowe czynniki chłodnicze,

— seria 600: związki organiczne,

— seria 700: związki nieorganiczne,

• seria 1000: chlorowcowe pochodne węglowodorów nienasyconych.

Oznaczenie cyfrowe czynnika chłodniczego poprzedza się literą R (ang. refrigerant - czynnik chłodniczy). Norma dopuszcza stosowanie nazwy handlowej, która jest jednak zastrzeżona dla produktów określonego wytwór­cy. Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna ISO zobowiązuje również producentów sprzętu chłodniczego i automatyki do oznaczeń zgodnych z normą. Zasada oznaczenia cyfrowego węglowodorów oraz ich chlorow­cowych pochodnych rzędu metanowego, etanowego, propanowego i cyklobutanowego jest następująca.

Ostatnia cyfra w liczbie jest liczbą atomów fluoru (F) w cząsteczce. Przedostatnia cyfra jest liczbą atomów wodoru (H) w cząsteczce związku powiększoną o jedność. Trzecią cyfrą, licząc z prawej strony liczby, jest zmniejszona o jedność liczba atomów węgla (C) w cząs­teczce. Gdy trzecią cyfrą jest zero, nie pisze się jej. Liczbę atomów chloru można obliczyć odejmując sumę atomów fluoru i wodoru od liczby atomów, które mogą być przyłączone do atomów węglowych w danym związku chemicznym. Dla cyklicznych pochodnych stosuje się oznaczenie dużą literą C przed oznaczeniem cyfrowym. Gdy w cząsteczce czynnika chłodniczego występują atomy bromu (Br), za oznaczeniem cyfrowym dopisuje się literę B i po niej cyfrę oznaczającą liczbę atomów bromu w cząsteczce. W ramach tego samego składu chemicznego cząsteczki może występować kilka izo­merów (różne kombinacje połączeń atomów, rzutujące na właściwości fizyczne) i wtedy w miarę zwiększania się asymetrii w cząsteczce kolejnych izomerów, za oznaczeniem cyfrowym wprowadza się małe litery: a, b, c itd. Chlorowcowe pochodne węglowodorów nienasyconych serii etylenowej oznacza się wg opisanych zasad i wprowadza się czwartą cyfrę „4", licząc od prawej strony (seria 1000). Azeotropy, roztwory i mieszaniny muszą być opisane przez podanie oznaczeń cyfrowych składników i ich proporcji masowych. Oznaczenia cyfrowe składników muszą być podawane w kolejno­ści wynikającej z uszeregowania wg narastającej temperatury wrzenia przy ciśnieniu normalnym. Proporcja masowa składników musi być podawana w tej samej kolejności.

Seria 400 jest zarezerwowana dla roztworów i mieszanin, a seria 500 dla azeotropów. Azeotropy to takie roztwory, które mają identyczne składy masowe cieczy i pary będącej z nią w równowadze termodynamicznej w danej temperaturze. Nie ma klucza oznaczeń cyfrowych czynników chłodniczych serii 400 i 500. Dlatego oznaczenie nowego czynnika chłod­niczego tych serii wymaga każdorazowego zatwierdzenia przez ISO i dodat­kowego opisywania ich przez podawanie składu jakościowego i proporcji masowej składników.

Dla związków organicznych, które dotychczas nie były klasyfikowane, zarezerwowano serię 600. Przypisane tym związkom umowne oznaczenia cyfrowe nie opierają się na żadnym kluczu oznaczeń.

Seria 700 jest przeznaczona dla substancji nieorganicznych. Klucz oznaczeń cyfrowych jest prosty. Oznaczenie cyfrowe czynnika chłodniczego wynika z sumowania liczby 700 i jego masy molowej. W przypadku równych mas molowych, za oznaczeniem cyfrowym są wprowadzane kolejne duże litery: A, B itd., co musi być zatwierdzone przez ISO.

W tablicy 5.1 przedstawiono wybrane czynniki chłodnicze, ułatwiające szybkie zrozumienie zasad ich cyfrowego oznaczania.

Ostatnio coraz częściej są używane nowe oznaczenia czynników chłod­niczych, znacznie lepiej obrazujące budowę chemiczną cząsteczki:

— CFC (ang. ChloroFluoroCarbon) - chlorofluorowęglowodory - tym skrótem oznacza się w pełni halogenowe związki węgla, w których wszystkie atomy wodoru w cząstce zostały zastąpione atomami chloru i fluoru. Do tej grupy należą R 11, R 12 czy R 115, które teraz są oznaczane jako CFC-11, CFC-12, CFC-115;

— HCFC (ang. HydroChloroFluoroCarbon) - wodorochlorofluorowęglowodory - tym skrótem oznacza się związki węgla, w których nie wszystkie atomy wodoru zostały zastąpione atomami chloru i fluoru. Do tej grupy należy czynnik chłodniczy R22, oznaczony teraz HCFC-22;

— HBFC (ang. HydroBromoFluoroCarbon) - wodorobromofluorowęglowodory - tym skrótem oznacza się związki węgla, w których atomy wo­doru zostały częściowo zastąpione atomami fluoru i bromu. Do tej grupy należy czynnik chłodniczy R22B1, oznaczony teraz jako HBFC-22B1;

— HFC (ang. HydroFluoroCarbon) - hydrofluorowęglowodory - tym skrótem oznacza się związki organiczne, w cząsteczkach których część atomów wodoru została zastąpiona atomami fluoru. Do tej grupy należy czynnik R134a, oznaczony teraz jako HFC-134a;

— FC (ang. FluoroCarbon) - fluorowęglowodory - związki organiczne, w cząsteczkach których wszystkie atomy wodoru zostały zastąpione atomami fluoru. Do tej grupy należy czynnik RC318, oznaczony teraz jako FC-C318;

— HC (ang. HydroCarbon) - węglowodory nasycone. Do tej grupy należy propan R-290 i n-butan R600, oznaczone teraz odpowiednio HC-290 i HC-600.

Tablica 5.1. Zasady cyfrowego oznaczania wybranych czynników chłodniczych

Oznaczenie cyfrowe	Nazwa chemiczna	Wzór chemiczny	Masa molowa
R12	dwufluorodwuchlorometan	CCl2F2	120,9
R12B1	dwufluorobromochlorometan	CBrClF2	165,4
R22	dwufluorochlorometan	CHCIF2	86,5
R124	1,1,1,2-czterofluorochloroetan	CHClFCF3	136,5
R124a	l, l ,2,2-czterofluorochloroetan	CHF2CClF2	136,5
R134a	1,1,1,2-czterofluoroetan	CH2FCF3	102,03
RC318	ośmiofluorocyklobutan	C4F8	200,0
R407C	R32/R125/R134a (23%/25%/52%)	-	86,2
R502	R22/R115 (48,8%/51,2%)	-	111,6
R600	n-butan	C4H10	58,1
R610	eter dwuetylowy	C2H5OC2H5	74,1
R717	amoniak	NH3	17,0
R718	woda	H2O	18,0
R744	dwutlenek węgla	CO2	44,0
R1150	etylen	CH2-CH2	28,1

Podane wyżej nowe oznaczenia czynników chłodniczych i oznaczenia zgodne z ISO mogą być używane zamiennie. Nowe oznaczenia lepiej obrazują budowę chemiczną czynnika, co ma duże znaczenie dla ich oceny ekologicznej. Norma EN 378 dla krajów Unii Europejskiej ustanawia, że podstawą klasyfikacji czynników chłodniczych są ich trzy cechy rozważane jednocześnie:

L - oddziaływanie na bezpośrednie otoczenie,

G - potencjał tworzenia efektu cieplarnianego,

O - potencjał niszczenia ozonu.

W normie każda z wymienionych cech jest stopniowana.

5.3. Wpływ czynników chłodniczych na atmosferę ziemską. Ekologiczne wskaźniki oceny czynników chłodniczych

5.3.1. Degradacja ozonu stratosferycznego

Na wysokości 20÷30 km od powierzchni Ziemi, w stratosferze, występuje powłoka ozonowa, chroniąca naszą planetę przed zabójczym, wysokoener­getycznym promieniowaniem ultrafioletowym (UV). Ozon (O₃), względnie trwała, trójatomowa, alotropowa odmiana tlenu, tworzy się tam i rozpada właśnie pod wpływem promieniowania UV, przez co pochłania znaczną jego część. Wzrastające zanieczyszczenie atmosfery związane z rozwojem prze­mysłu zachwiało naturalną równowagę dynamiczną pomiędzy tworzeniem a rozpadem ozonu. Badania prowadzone w latach siedemdziesiątych wykaza­ły, że związki CFC przyczyniają się do zwiększenia efektu cieplarnia­nego, a przede wszystkim działają destrukcyjnie na ozon atmosferyczny. W stratosferze, wysokoenergetyczne promieniowanie UV powoduje oder­wanie od cząsteczki związku CFC wolnego atomu chloru, który jest bardzo aktywny chemicznie i w wielokrotnie cyklicznie powtarzanych reakcjach niszczy ozon, zamieniając go na tlen (O₂). Znacznie większą zdolność niszczenia ozonu mają tzw. halony, które mają w swoich cząsteczkach atomy bromu.

Potencjalną zdolność substancji do rozkładu ozonu określa się za pomocą wskaźnika ODP (ang. Ozon Depletion Potential) - potencjału niszczenia ozonu, odniesionego do czynnika R 11, dla którego ODP = l. Wartości liczbowe wskaźnika ODP dla wybranych czynników chłodniczych są przedstawione w tabl.5.2.

Tablica 5.2. Wskaźniki ekologiczne wybranych czynników przy przyjętym horyzoncie czasowym ITH = 100 lat

Czynnik chłodniczy		Wskaźniki ekologiczne			Żywotność w atmosferze lata
Grupa	Oznaczenie	ODP	HGWP	GWP
CO2	R744	0,0	0,0	1
CFC	R11	1,00	1,00		65
	R12	1,00	3,00	7300	120
	R502	0,33	3,75	4300	400
HCFC	R22	0,05	0,34	1500	15,3
	R401A	0,03	0,20	1000
	R402A	0,03	0,63	2000
HFC	R134a	0,00	0,28	1200	15,3
	R404a	0,00		3750
	R407a	0,00	0,45	2000
NH3	R717	0,00	0,00	0

5.3.2. Tworzenie efektu cieplarnianego

Czynniki chłodnicze mają wpływ na powstanie efektu cieplarnianego, a dokładniej - na zwiększenie naturalnego efektu cieplarnianego (szklar­niowego). Prowadzi to do wzrostu średniej temperatury na powierzchni Ziemi. Temperatura ta w ciągu ostatnich 100 lat wzrosła o ok. 0,5 °C, a do połowy XXI wieku przewiduje się jej wzrost o ok. 3 °C.

Efekt cieplarniany polega na absorbowaniu przez gazy atmosferyczne energii słonecznej padającej na powierzchnię Ziemi. Wywołują go występujące naturalnie w atmosferze gazy śladowe, do których należą dwutlenek węgla, para wodna, metan, ozon, ale również gazy emitowane w wyniku działalności człowieka, jak np. czynniki chłodnicze i tlenki azotu. Szacuje się, że udział czynników z grupy CFC w globalnym efekcie cieplarnianym wynosi 17%, wobec 50% udziału przypisywanego dwutlenkowi węgla.

Do oceny ekologicznej czynników chłodniczych wprowadzono wskaźnik GWP (ang. Global Warming Potential) będący potencjałem tworzenia efektu cieplarnianego w odniesieniu do dwutlenku węgla (CO₂), dla którego GWP = l, w przyjętym przedziale czasowym (zwykle 100 lub 500 lat). Dwutlenek węgla ma niski wskaźnik GWP, mimo to jego udział w efekcie cieplarnianym jest największy wobec olbrzymiej i coraz większej emisji CO₂ do atmosfery. Wartości liczbowe wskaźnika GWP dla wielu czynników chłodniczych wprowadzanych jako ekologiczne w miejsce wycofywanych czynników z grupy CFC i HCFC są bardzo duże (tabl.5.2). Potencjał tworzenia efektu cieplarnianego w odniesieniu do czynnika R11 określa wskaźnik HGWP (ang. Halocarbon Global Warming Potential). Dla czyn­nika chłodniczego R11 wskaźnik HGWP = l.

Wskaźnik GWP nie uwzględnia wpływu emisji do atmosfery dwutlenku węgla, wytwarzanego przy spalaniu paliw kopalnych w celu uzyskania energii, niezbędnej do napędu urządzeń chłodniczych. Z tego względu pełniejszą ocenę wpływu czynnika chłodniczego na tworzenie efektu cieplar­nianego daje wskaźnik TEWI (ang. Total Equivalent Warming Impact) - całkowity (globalny) równoważnik tworzenia efektu cieplarnia­nego. Wskaźnik TEWI można określić jako sumę bezpośredniego efektu cieplar­nianego, wywołanego przez wyemitowanie czynnika do atmosfery i efektu pośredniego, wywołanego w wyniku produkcji energii elektrycznej, zużytej na wszystkie cele w okresie eksploatacji urządzenia chłodniczego. Tworzenie pośredniego efektu cieplarnianego jest uważane za trudniejszy do roz­wiązania problem niszczenia warstwy ozonowej. W szczelnych urządzeniach chłodniczych, do których zalicza się np. agregaty domowych chłodziarek, 98% wartości wskaźnika TEWI wynika z produkcji energii elektrycznej niezbędnej do ich napędu. Człon energetyczny we wskaźniku TEWI ma wartość zero w przypadku, gdy energia elektryczna pochodzi z elektrowni jądrowych lub wodnych.

5.3.3. Redukcja zużycia substancji zubożających warstwę ozo­nową wg zaleceń Protokołu Montrealskiego (z poprawka­mi)

W 1985 r. został uruchomiony międzynarodowy program badawczy pod patronatem ONZ, NASA i wielu renomowanych instytutów naukowych, w ramach którego analizowano wszelkie dane na temat ziemskiej powłoki ozonowej. W tym samym roku odbyła się Konferencja Wiedeńska o ochronie stratosferycznej warstwy ozonowej. Na sesji plenarnej Konferencji Pełno­mocników Rządów w Sprawie Substancji Niszczących Warstwę Ozonową, we wrześniu 1987 r. w Montrealu, 24 państwa podpisały tzw. Protokół Montrealski. Jego zasadniczym celem jest stopniowa redukcja produkcji i zużycia freonów i halonów. Do 1995 r. ratyfikowały go 142 państwa (Polskę obowiązuje od 11.10.95 r.). Jest to dokument o charakterze otwartym, co sprawia, że program redukcji szkodliwych substancji i ich lista mogą ulegać zmianom. W praktyce zmiany te sprowadziły się do kolejnych zaostrzeń w Londynie w 1990 r., w Kopenhadze w 1992 r. oraz w Wiedniu w 1995 r. Kraje Wspólnoty Europejskiej na spotkaniu ministrów ochrony środowiska (w grudniu 1993 r.) uzgodniły własny program redukcji związków CFC i HCFC. Zakłada on znaczne przyspieszenie (w stosunku do poprawek z Wiednia w 1995 r.) redukcji zużycia związków HCFC (tabl.5.3) i ograniczenie ich użytkowania. Roczne zużycie związków HCFC zamrożono w 1995 r. na poziomie 2,6% zużycia substancji CFC w 1989 r. plus zużycie HCFC w 1989 r. (liczone w ODP).

Ograniczenie użytkowania związków HCFC sprowadza się w krajach Unii Europejskiej do zakazu ich stosowania od 1996 roku w:

• układach otwartych z bezpośrednią emisją,

• domowym sprzęcie chłodniczym,

• klimatyzacji samochodowej i klimatyzacji w publicznym transporcie drogowym.

Zakaz stosowania związków HCFC w klimatyzacji kolejowej obowiązuje od 1998 r., a od 2000 r. stosowanie związków HCFC będzie zabronione w:

— nowych urządzeniach chłodniczych,

— hurtowniach i supermarketach,

• urządzeniach o wydajności powyżej 150 kW, w przypadkach gdy jest możliwe zastosowanie amoniaku.

Polska przystąpiła do Poprawek Londyńskich i Kopenhaskich Proto­kołu Montrealskiego i wywiązuje się z przyjętych zobowiązań. Przewidywa­ne przystąpienie Polski do Unii Europejskiej spowoduje znaczne przy­spieszenie terminów wycofania z użycia substancji HCFC.

W najbliższych latach bardzo ważnym problemem staną się kompetencje osób zajmujących się zawodowo chłodnictwem. Przewiduje się wymaganie potwierdzenia kompetencji (posiadanie właściwych dla prowadzonej działalności urządzeń, narzędzi i przyrządów oraz umiejętności posługiwania się nimi) odpo­wiednimi świadectwami (certyfikatami kompetencji). Organizowane będą odpowiednie kursy szkoleniowe dla osób zajmujących się serwisem urzą­dzeń chłodniczych i klimatyzacyjnych, uczące umiejętności odzysku zużytych czynników chłodniczych, ich gromadzenia i zastępowania substytu­tami. Obowiązek posiadania certyfikatu kompetencji będzie wynikał z od­powiedniej normy prawnej, która będzie obowiązywała w kraju.

Tablica 5.3. Aktualne regulacje międzynarodowe zużycia substancji degradujących warstwę ozonową

Substancje kontrolowane	Protokół Montrealski po uwzględnieniu poprawek z Wiednia 5-7.12.1995 r.	Unia Europejska Rada Ministrów Ochrony Środowiska WE 2-3.12.1993 r.
CFC (R11,R12,R113, R114,R115)	poziom z 1986 r. 01.01.1993 redukcja 20% 01.01.1994 redukcja 75% 01.01.1996 redukcja 100%	poziom z 1986 r. 01.01.1994 redukcja 85% 01.01.1995 redukcja 100% (Grecja 01.01.1996)
HCFC (R22, R142b)	zamrożenie od 1996 r. 01.01.2004 redukcja 35% 01.01.2010 redukcja 65% 01.01.2015 redukcja 90% 01.01.2020 redukcja 99,5% 01.01.2030 redukcja 100%	zamrożenie od 1995 r. 01.01.2004 redukcja 35% 01.01,2007 redukcja 60% 01.01.2010 redukcja 80% 01.01.2013 redukcja 95% 01.01.2015 redukcja 100%

5.4. Termodynamiczna ocena czynników chłodniczych

Do porównania i termodynamicznej oceny czynników chłodniczych używa się wielu wskaźników i jednostkowych wielkości energetycznych. Wielkości energetyczne (praca, ciepło) i funkcje stanu (entalpia, entropia) odniesione do l kg czynnika nazywa się właściwymi lub jednostkowymi. Mnożąc te wielkości przez strumień masy krążącego w obiegu czynnika, otrzymuje się wielkości całkowite.

Jednostkową wydajnością chłodzenia (jednostkowym skutkiem chłodze­nia) nazywa się jednostkowe ciepło doprowadzone do czynnika w parowniku urządzenia chłodniczego. Jest ono równe różnicy entalpii czynnika chłod­niczego opuszczającego parownik i entalpii czynnika za zaworem rozpręż­nym. Porównując urządzenia chłodnicze o takiej samej wydajności, ale pracujące z różnymi czynnikami chłodniczymi, dla czynnika o największej jednostkowej wydajności chłodzenia strumień krążącej w instalacji masy czynnika jest najmniejszy. Jednostkowa wydajność chłodzenia maleje wraz ze spadkiem temperatury parowania wskutek mniejszej zawartości cieczy wrzącej w parze wilgotnej za zaworem rozprężnym.

Jednostkowa objętościowa wydajność chłodzenia jest ilorazem jedno­stkowej wydajności chłodzenia i różnicy największej i najmniejszej objętości właściwej czynnika chłodniczego w obiegu. Czynnik ma największą objętość właściwą tuż przed sprężarką, a najmniejszą przed zaworem rozprężnym. Objętość właściwa czynnika przed sprężarką jest większa o dwa rzędy wielkości od objętości właściwej przed zaworem i z tego względu w praktyce nie uwzględnia się tej ostatniej. Zastosowanie czynnika chłodniczego o wysokiej jednostkowej objętościowej wydajności chłodzenia umożliwia uzyskanie zwartych konstrukcji sprężarek. Dlatego jednostkową objętoś­ciową wydajność chłodzenia nazywa się miernikiem wykorzystania cylindra sprężarki.

Współczynnik wydajności chłodniczej obiegu jest miarą efektywności obiegu chłodniczego. Jest to bezwymiarowy stosunek jednostkowej wydajno­ści chłodzenia i jednostkowej pracy sprężania. Wartość współczynnika wydajności chłodniczej maleje wraz z obniżeniem temperatury parowania (ciśnienia parowania).

Stosunek sprężania (spręż) jest stosunkiem ciśnienia skraplania i paro­wania. Ma on istotny wpływ na obciążenie łożysk sprężarki, jej wydajność (wpływa na stopień dostarczania sprężarki), temperaturę końca sprężania i wymaganą liczbę stopni sprężania.

Temperatura końca sprężania wpływa na właściwości smarne oleju w cylindrze sprężarki i ma duże znaczenia dla stabilności chemicznej czynnika chłodniczego i oleju.

Poślizg temperaturowy jest to całkowita zmiana temperatury nasycenia, w czasie przemiany fazowej przy stałym ciśnieniu, czynników chłodniczych będących mieszaninami zeotropowymi. Ślizgowa zmiana temperatury wrze­nia i skraplania (przy stałym ciśnieniu nasycenia) jest wynikiem znacznie zróżnicowanej lotności składników mieszaniny.

5.5. Wycofywane czynniki chłodnicze

5.5.1. Czynnik R11 (CFC11)

Czynnik R11 charakteryzujący się dużą masą molową (137,4 kg/kmol) i niskimi ciśnieniami wrzenia i skraplania był korzystnym czynnikiem chłodniczym dla dużych urządzeń klimatyzacyjnych ze sprężarkami promie­niowymi. Ze względu na rozpuszczalność bez ograniczeń w olejach był powszechnie używany do płukania instalacji chłodniczych i mycia elemen­tów sprężarek. Olbrzymia część jego produkcji była stosowana poza chłodnictwem (aerozole). Jest niezbyt trwały chemicznie. Potencjał nisz­czenia ozonu ODP dla R11 wynosi 1.

5.5.2. Czynnik R12 (CFC12)

Czynnik R12 był do niedawna najbardziej popularnym czynnikiem chłod­niczym o wszechstronnym zastosowaniu.

Charakterystyczne parametry czynnika R12:

— wzór chemiczny CF₂Cl₂

— masa molowa 120,92 kg/kmol

— normalna temperatura wrzenia -29,8°C

— temperatura krzepnięcia -158,2°C

— gęstość cieczy wrzącej w temperaturze +25°C 1309 kg/m³

— gęstość pary suchej nasyconej w temperaturze +25°C 27,0 kg/m³

— entalpia parowania w temperaturze -15°C 159,6 kJ/kg

— potencjał niszczenia ozonu ODP l

— potencjał tworzenia efektu cieplarnianego GWP 7300

Czynnik R12 jest bezbarwną cieczą o słabym eterycznym zapachu. Jest trwały chemicznie, niepalny i niewybuchowy, bezpieczny w stosowaniu. Ma dość korzystne właściwości termodynamiczne. Jego jednostkowa objętoś­ciowa wydajność chłodzenia jest mniejsza o ok. 40% od wydajności R717. Ciekły R12 ma nieograniczoną rozpuszczalność z olejami mineralnymi, co jest jego poważną wadą, gdyż powoduje zakłócenia w pracy sprężarki podczas rozruchu i wpływa niekorzystnie na działanie wymienników ciepła. Właściwość ta zapewnia jednak samoczynny powrót oleju do sprężarki. Rozpuszczalność wody w czynniku R12 jest ograniczona. Zawartość wody w instalacji nie powinna przekraczać 10 mg/kg R12.

Czynnik R12 działa niszcząco na gumę naturalną i niektóre gatunki gumy syntetycznej i przy pewnych temperaturach reaguje z ołowiem, cyną i cynkiem. Ulega rozkładowi przy kontakcie z otwartym płomieniem, a produktami rozkładu są: fluorowodór i fosgen. Fosgen działa silnie trująco już przy stężeniu w powietrzu wynoszącym 0,004%. Stężenie R12 w powiet­rzu przewyższające 20% może doprowadzić do uduszenia na skutek ograniczenia zawartości tlenu.

5.5.3. Czynnik R502

Czynnik R502 jest mieszaniną azeotropową R22/R115 (48,8%/51,2% masowo). Stosowany jest w chłodnictwie od 1962 r. w urządzeniach średnich i dużych, szczególnie przy temperaturze parowania poniżej -30°C. Charakterystyczne parametry czynnika R502:

— pozorna masa molowa 121,6 kg/kmol

— normalna temperatura wrzenia -45,56°C

— gęstość cieczy wrzącej w temperaturze +25°C 1215,9 kg/m³

— gęstość pary suchej nasyconej w temperaturze +25°C 66,45 kg/m³

— entalpia parowania w temperaturze -15°C 154,5 kJ/kg

— potencjał niszczenia ozonu ODP 0,33

— potencjał tworzenia efektu cieplarnianego GWP 4300

W porównaniu z czynnikiem R22 czynnik R502 ma większą jednostkową wydajność chłodzenia i większą gęstość pary zapewniającą bardziej skutecz­ne chłodzenie sprężarki. Jednak główną zaletą czynnika R502 w porównaniu z R22 jest mniejszy stosunek sprężania i niższa temperatura końca sprężania, dlatego też czynnik R502 był alternatywą dla R22 w urządzeniach jedno­stopniowych o niskiej temperaturze parowania. Czynnik R502 jest stabilny termicznie, niepalny, niewybuchowy. Rozkłada się na szkodliwe związki pod wpływem bezpośredniego działania ognia. Słabo działa na organizm ludzki. R502 działa, podobnie jak R22, na większość tworzyw sztucznych.

Ponadto działa na ołów, a w obecności wody na magnez oraz cynk. Rozpuszczalność czynnika R502 i oleju mineralnego jest znacznie mniejsza niż czynnika R22.

5.5.4. Czynnik R22 (CHFC22)

Początkowo czynnik R22 byt zaliczany do czynników przejściowych, ale ostatnio coraz silniejsze są tendencje (głównie w Europie) do wycofywania tego czynnika ze stosowania w nowych urządzeniach. Z tego względu R22 należy zaliczyć do czynników wycofywanych.

Czynnik R22 jest w chwili obecnej czynnikiem mającym w Polsce najszersze zastosowanie w urządzeniach chłodniczych i klimatyzacyjnych różnej wielkości. Ma właściwości termodynamiczne zbliżone do R717, ale przy takim samym stosunku sprężania temperatura końca sprężania jest niższa. Można go zatem stosować przy niskich temperaturach parowania (do -45°C) w urządzeniach ze sprężarkami jednostopniowymi. Charakterystyczne parametry czynnika R22:

— wzór chemiczny CHF₂Cl

— masa molowa 86,5 kg/kmol

— normalna temperatura wrzenia -41,08°C

— gęstość cieczy wrzącej w temperaturze +25°C 1393,7 kg/m³

— gęstość pary suchej nasyconej w temperaturze +25°C 44,9 kg/m³

— entalpia parowania w temperaturze -15°C 215,0 kJ/kg

— potencjał niszczenia ozonu ODP 0,055

— potencjał tworzenia efektu cieplarnianego GWP 1700

Czynnik R22 jest bezbarwnym płynem o słabym, eterycznym zapachu. Właściwości chemiczne czynnika R22 są zbliżone do właściwości R12. Stosunkowo trwały chemicznie rozkłada się na trujące związki pod wpływem płomienia. Jest niepalny i niewybuchowy. Na organizm ludzki nie działa szkodliwie, ale ma działanie duszące przy stężeniu w powietrzu prze­kraczającym 20% obj. Reaguje z magnezem i większością tworzyw sztucz­nych. Woda lepiej rozpuszcza się w R22 w porównaniu z R12. Czynnik R22 ma ograniczoną rozpuszczalność w olejach mineralnych i w pewnych warunkach tworzy z olejem niejednorodne mieszaniny dwufazowe. Mimo że powszechnie jest uznawany za zamiennik R12, to nie można nim zastąpić tego czynnika w istniejących już urządzeniach. Wykluczają to duże różnice w parametrach pracy (ciśnienia), średnicach rurociągów, wielkości sprężarki i różna automatyka sterująca.

5.6. Zamienniki wycofywanych czynników chłodniczych

Z przedstawionych w p.5.3.3 danych wynika, że redukcja zużycia czynników chłodniczych odnosi się do najczęściej stosowanych czynników: R11, R12, R502, a w perspektywie 5÷15 lat również do R22. Wprowadzone ogranicze­nia nie dotyczą bezpośrednio urządzeń już wyprodukowanych i użyt­kowanych, ale powstaje problem zaopatrywania tych urządzeń w czynniki i uzupełniania ubytków powstających podczas eksploatacji. Opisana sytuacja wymusiła konieczność opracowania i stosowania odpowiednich zamien­ników. Ośrodki badawcze na świecie ciągle pracują nad tym zagadnieniem. Przedmiotem badań są:

— substytuty do nowych urządzeń dotychczas używających czynników R11, R12, R13 i R502, o krótkim okresie eliminacji,

— substytuty do nowych urządzeń dotychczas używających czynnika R22, o dłuższym okresie eliminacji,

— czynniki do napełniania eksploatowanych instalacji metodą drop-in,

• czynniki dla retrofitu w eksploatowanych urządzeniach.

W pierwszym i drugim przypadku chodzi o zamienniki optymalne pod względem termodynamicznym, fizykochemicznym i eksploatacyjnym z mo­żliwością pełnego dostosowania konstrukcji nowych urządzeń do nowych czynników. Ponadto poszukuje się rozwiązań konstrukcyjnych urządzeń chłodniczych ograniczających zawartość czynnika w instalacji, elimi­nujących możliwość przecieków, rozwiązań umożliwiających stosowanie naturalnych czynników chłodniczych, opracowuje się oleje do nowych czynników.

W tablicy 5.4 przedstawiono wybrane zamienniki dla czynników R11, R12, R22 i R502. Niektóre z nich zostały opisane w dalszej części rozdziału.

Tablica 5.4. Zamienniki wycofywanych czynników chłodniczych

Oznaczenie czynnika	Wzór chemiczny lub skład masowy	Nazwa handlowa	Producent	Czynnik zastępowany
R123	CHCl2CF3			R11
R134a	CH2FCF3	Suva 134a Klea 134a Forane 134a	Du Pont ICI Elf-Atochem	R12
R401A	R22/R152a/R124 (53%/13%/34%)	Suva MP39	Du Pont	R12
R401B	R22/R152a/R124 (61/11/28%)	Suva MP66	Du Pont	R12
R401C	R22/R152a/R124 (33/15/52%)	Suva MP52	Du Pont	R12
R409A	R22/R124/R142b (60/25/15%)	Forane FX56	Elf-Atochem	R12
R290	C3H8			R12, R22
R290/R60a	C3H8/C4H10 (50%/50%)			R12
R152a	CHF2CH3			R22
R402A	R22/R125/R290 (38/60/2%)	Suva HP80	Du Pont	R22, R502
R402B	R22/R125/R290 (60/38/2%)	Suva HP81	Du Pont	R22, R502
R404A	R125/R143a/R134a (44/52/4%)	Forane FX70 Suva HP62 Reclin 404A	Elf-Atochem Du Pont Hoechst	R22
R407C	R32/R125/R134a (23/25/52%)	Suva AC9000 Klea 66	Du Pont ICI	R22
R408A	R22/R143a/R125 (47/46/7%)	Forane FX10	Elf-Atochem	R502
R410A	R32/R125 (50/50%)	Solhane 410A	Solvay	R22
R410B	R32/R125 (45/55%)	Genetron AZ20	Allied Signal	R22
R507	R134a/R125 (50/50%)	Genetron AZ50 Solkane 507 Suva AC9100	Allied Signal Solvay Du Pont	R502
R717				R22, R502

5.6.1. Czynnik R123 (CHFC123)

Jest to długoterminowy zamiennik czynnika R11 stosowany głównie w agre­gatach turbosprężarkowych do chłodzenia wody w urządzeniach klimaty­zacyjnych i jako czynnik pośredni.

Charakterystyczne parametry czynnika R123:

— wzór chemiczny CHCl₂CF₃

— masa molowa 152,9kg/kmol

— normalna temperatura wrzenia 27,6°C

— gęstość cieczy wrzącej w temperaturze +25°C 1464,6 kg/m³

— gęstość pary suchej nasyconej w temperaturze +25°C 5,89 kg/m³

— entalpia parowania w temperaturze 5°C 178,16 kJ/kg

— potencjał niszczenia ozonu ODP 0,02

— potencjał tworzenia efektu cieplarnianego GWP 93

Czynnik R123 jest czynnikiem niskociśnieniowym, produkowanym w większej ilości od 1989 r. Nie wymaga zmian dotychczas stosowanych materiałów konstrukcyjnych i olejów mineralnych. Można go mieszać z R11. Nadaje się w związku z tym do napełniania istniejących i nowych instalacji.

Przy wymianie czynnika w instalacji na R123 zachodzi potrzeba wymiany uszczelnień, zaworów rozprężnych i silników w wykonaniach hermetycznych i półhermetycznych.

5.6.2. Czynnik R134a (HFC134a)

Czynnik R134a jest najbardziej popularnym zamiennikiem R12. Stosowany jest w domowych i handlowych urządzeniach chłodniczych i klimatyzacyj­nych (głównie samochodowych).

Charakterystyczne parametry czynnika R134a:

— wzór chemiczny CH₂F-CF₃

— masa molowa 102,03 kg/kmol

— normalna temperatura wrzenia - 26,4°C

— temperatura krzepnięcia -101°C

— gęstość cieczy wrzącej w temperaturze +25°C 1211,8 kg/m³

— gęstość pary suchej nasyconej w temperaturze +25°C 32,4 kg/m³

— entalpia parowania w temperaturze -15°C 204,8 kJ/kg

— potencjał niszczenia ozonu ODP 0

— potencjał tworzenia efektu cieplarnianego GWP 1300

Podobnie jak R12 czynnik R134a jest bezbarwnym płynem o słabym eterycznym zapachu. Jest bardzo higroskopijny i intensywnie chłonie wilgoć z powietrza. Przy pracach montażowych i obsługowych wymagana jest duża staranność, ponieważ wilgoć w instalacji z R134a powoduje rozkład oleju. W instalacjach należy stosować odwadniacze z sitami molekularnymi 3A. Do smarowania sprężarek pracujących z R134a wymaga się stosowania olejów estrowych lub olejów na bazie polialkiloglikoli. Czynnik R134a praktycznie nie tworzy roztworów z olejami mineralnymi i alkilobenzenowymi. Wilgoć zawarta w mieszaninie oleju estrowego i czynnika powoduje hydrolizę oleju, a powstały kwas - zjawisko platerowania miedzią.

Czynnik R134a niekorzystnie działa na magnez, cynk i ołów oraz stopy aluminium, w których jest ponad 2% magnezu. W połączeniu z olejami jest agresywny wobec wielu tworzyw sztucznych.

Instalacja chłodnicza pracująca z czynnikiem R134a, przy takich samych warunkach temperaturowych jak instalacja z R12, charakteryzuje się wyż­szym ciśnieniem skraplania i niższym ciśnieniem parowania. Większy stosunek sprężania wymaga zastosowania sprężarki o większej wydaj­ności, ale temperatura końca sprężania w przypadku czynnika R134a jest niższa.

Czynnik R134a jest chemicznie trwały, ale wobec kontaktu z płomieniem rozkłada się na związki toksyczne. Jest niepalny, niewybuchowy i nietrujący choć jego wdychanie może prowadzić do zakłóceń pracy serca i płuc i wywołać efekty narkotyczne. Do prób szczelności i ciśnieniowych nie wolno stosować mieszanin R134a i powietrza.

5.6.3. Czynnik R401A

Czynnik R401A (Suva MP39)jest mieszaniną zeotropową R22/R152a/R124 (53%/13%/34%) będącą zamiennikiem czynnika R12 w całym zakresie zastosowań. Produkowane są również mieszaniny R401B i R401C o innych proporcjach składników. Wobec niedużego poślizgu temperaturowego (ok. 5°C) przecieki z nieszczelności w układzie nie mają dużego wpływu na pracę urządzenia, ale instalacja powinna być napełniana cieczą. R401 nie jest przewidziany do pracy z olejem mineralnym. Można stosować oleje alkilobenzenowe, poliestrowe i półsyntetyczne.

Czynnik R401 jest niepalny, ale rozkłada się na związki toksyczne przy kontakcie z płomieniem. Przebywanie w pomieszczeniach, w których występuje większe stężenie czynnika R401A, może prowadzić do zawrotów głowy, objawów narkozy i letargu oraz uduszenia na skutek braku tlenu.

5.6.4. Czynnik R402A

Czynnik R402A (Suva HP80) jest zamiennikiem czynników R22 i R502 do urządzeń nowych i urządzeń już eksploatowanych. Jest zeotropową mieszani­ną R22/R125/R290 (38%/60%/2%). Produkowany jest też czynnik R402B (Suva HP81) będący mieszaniną tych samych składników, ale w innych proporcjach. Oba czynniki dobrze mieszają się ze wszystkimi olejami. Są mało agresywne wobec tworzyw sztucznych i nie niszczą izolacji uzwojeń silników pokrytych powłokami poliestrowymi i amidowymi. Czynnik R402 może być stosowany w całym zakresie parametrów pracy urządzenia chłodniczego pracującego dotychczas z R22.

Czynniki R402A i R402B nie są palne przy ciśnieniu atmosferycznym. Ich wdychanie może powodować objawy podobne jak w przypadku wdycha­nia czynnika R401A. Potencjał niszczenia ozonu ODP wynosi 0,02, a poten­cjał tworzenia efektu cieplarnianego GWP - 93.

5.6.5. Czynnik R407C

Jest to zamiennik czynnika R22 do nowych urządzeń i już eksploatowanych. Charakteryzuje się bardzo zbliżonymi do R22 właściwościami termodyna­micznymi. Jest mieszaniną zeotropową R32/R125/R134a (23%/25%/52%) o dużym poślizgu temperaturowym.

Charakterystyczne parametry czynnika R407C:

— pozorna masa molowa 86,2 kg/kmol

— normalna temperatura wrzenia -43,4°C

— gęstość cieczy wrzącej w temperaturze +25°C 1134 kg/m³

— gęstość pary suchej nasyconej w temperaturze +25°C 42 kg/m³

— entalpia parowania w temperaturze -15°C 226 kJ/kg

— potencjał niszczenia ozonu ODP 0

— potencjał tworzenia efektu cieplarnianego GWP 1000

Czynnik R407C nie miesza się z olejami mineralnymi i alkilobenzenowymi. Z olejami syntetycznymi R407C wykazuje ograniczoną rozpusz­czalność. Czynnik jest agresywny w stosunku do magnezu i cynku, a w stosunku do tworzyw sztucznych mniej agresywny niż R22.

W porównaniu z czynnikiem R22 czynnik R407C ma niewiele niższą jednostkową objętościową wydajność chłodzenia i niższą temperaturę końca sprężania. R407C jest trwały chemicznie, niepalny i niewybuchowy, ale nie może być mieszany z powietrzem przy próbach ciśnieniowych. Jest mało toksyczny.

5.6.6. Czynnik R507

Jest zamiennikiem wycofanego R502 do nowych urządzeń i do wcześniej eksploatowanych po wypłukaniu instalacji. R507 to azeotropowa mieszanina R134a/R125 (50%/50%).

Charakterystyczne parametry czynnika R507:

— pozorna masa molowa 98,9 kg/kmol

— normalna temperatura wrzenia -46,5°C

— gęstość cieczy wrzącej w temperaturze +25°C 1052,9 kg/m³

— gęstość pary suchej nasyconej w temperaturze +25°C 75,43 kg/m³

— entalpia parowania w temperaturze -15°C 174,4 kJ/kg

— potencjał niszczenia ozonu ODP 0

— potencjał tworzenia efektu cieplarnianego GWP 3800

Czynnik R507 nie miesza się z olejem mineralnym, który przy zamianie czynnika musi być bezwzględnie wypłukany z instalacji. Należy unikać kontaktu R507 z magnezem, cynkiem, ołowiem i aluminium zawierającym ponad 2% magnezu. Razem z olejem pochodzenia syntetycznego może być agresywny wobec niektórych tworzyw sztucznych. Czynnik R507 ma podobną jak R22 jednostkową objętościową wydajność chłodzenia i niższą od R22 temperaturę końca sprężania. Jest niepalny, niewybuchowy (przy większych stężeniach w powietrzu działa dusząco).

5.7. Naturalne czynniki chłodnicze

5.7.1. Amoniak R717 (NH₃)

Amoniak jest stosowany jako czynnik chłodniczy od 1867 r. Ma bardzo korzystne właściwości termodynamiczne. Charakteryzuje się bardzo dużą objętościową wydajnością chłodzenia i wysokim ciepłem parowania. Współ­czynniki przejmowania i przewodzenia ciepła amoniaku są wysokie, zarówno dla jego fazy ciekłej, jak i parowej. Z tego względu jest powszechnie stosowany w sprężarkowych urządzeniach przemysłowych średniej i dużej wydajności, pomimo że jego właściwości chemiczne i fizjologiczne są bardzo niekorzystne. Amoniak jest silnie toksyczny, palny, wybuchowy z powiet­rzem oraz agresywny w stosunku do wielu metali. Wobec możliwości stosowania nowoczesnych środków technicznych i organizacyjnych wady amoniaku stają się coraz mniej znaczące. Obecnie coraz częściej produkuje się prefabrykowane agregaty amoniakalne z względnie niedużym napeł­nieniem czynnikiem, zastępujące dotychczasowe urządzenia pracujące z R22 i R502. Rozważane są możliwości stosowania amoniaku w małych urządze­niach chłodniczych i klimatyzacyjnych.

Amoniak jest bezbarwny - zarówno ciecz, jak i para. Ma ostry, nieprzyjemny zapach, który jest wyczuwalny już przy stężeniu w powietrzu powyżej 0,0005%. Stężenie 0,005% można znosić po przyzwyczajeniu się, lecz stężenie 0,03% jest już nie do zniesienia i powoduje podrażnienie błon śluzowych i dróg oddechowych. Przy stężeniu 0,2 ÷ 0,3% amoniaku w powie­trzu śmierć następuje po 0,5÷1h przebywania w tym środowisku, a przy stężeniu 0,5÷0,6% po 30 min. Przy pracach w pomieszczeniu, gdzie doszło do wycieku amoniaku, stosuje się aparaty tlenowe i maski ochronne. Ważna jest ochrona oczu i dróg oddechowych. Oznakami zatrucia amoniakiem są trudności oddychania, zawroty głowy, pieczenie w gardle, bóle żołądka, uczucie duszenia się, napływ śliny, wymioty. Pomoc lekarska jest zawsze bezwzględnie konieczna. Ciekły amoniak wylany na skórę powoduje silne stany zapalne lub odmrożenia. Jest również bardzo niebezpieczny dla oczu, gdyż może doprowadzić do trwałego uszkodzenia gałki ocznej.

W zakresie stężeń 15÷30,8% amoniak tworzy z suchym powietrzem mieszaninę wybuchową. Przy innych stężeniach tworzy mieszaninę palną, spalającą się żółtawym płomieniem. Zagrożenie wybuchem wzrasta w obec­ności par oleju smarnego. Wymagana jest szczególna ostrożność podczas prac spawalniczych i remontowych. Pary amoniaku są lżejsze od powietrza, dlatego maszynownie powinny mieć wentylację sufitową.

Wycieki amoniaku przez nieszczelności można łatwo wykryć, nawet prostymi metodami. Przykładowo zwilżony wodą czerwony papierek wskaźnikowy przy kontakcie z amoniakiem zmienia barwę na niebieską. Przy spalaniu siarki w miejscu wycieku amoniaku tworzy się biały dym (siarczan amonu). Wacik na szklanej pałeczce umoczony w kwasie solnym i zbliżony do miejsca wycieku powoduje powstanie białego obłoku chlorku amonu.

Woda rozpuszcza się w ciekłym amoniaku bez ograniczeń. Duże ilości wody w instalacji mogą powodować emulgację oleju w sprężarce i wywoły­wać korozję wewnątrz instalacji. Nie instaluje się odwadniaczy w instalacjach amoniakalnych, gdyż prostymi sposobami można zapobiec przedostawaniu się wody do instalacji podczas montażu i eksploatacji.

Amoniak nie niszczy żelaza i jego stopów, natomiast bardzo intensywnie działa na miedź i jej stopy, cynk oraz ołów. Panewki i pierścienie dławnic wykonane z brązu fosforowego są czasem stosowane, ale ich czas użytkowa­nia jest poważnie ograniczony. W urządzeniach amoniakalnych nie można stosować manometrów rtęciowych, gdyż rtęć z wilgotnym amoniakiem może utworzyć związek wybuchowy. W stosunku do tworzyw sztucznych, które są stosowane w urządzeniach chłodniczych, amoniak nie jest agresywny.

W urządzeniach amoniakalnych nie ma problemów olejowych, ponieważ amoniak rozpuszcza się w olejach mineralnych jedynie w śladowych ilościach. Stosuje się odolejacze, ale i w instalacji amoniakalnej można odseparowywać olej, wykorzystując to, że ma on większą gęstość niż amoniak. Ostatnio opracowano oleje syntetyczne, z którymi amoniak tworzy roztwory (np. oleje firmy Fuchs: RENISO PG i RENISO SP). Zasady budowy instalacji amoniakalnych z tymi olejami są podobne do instalacji freonowych.

Amoniak charakteryzuje się wysokim sprężem, co powoduje, że do osiągnięcia niskich temperatur parowania trzeba stosować sprężanie dwu­stopniowe. Wysoka temperatura końca sprężania jest poważną wadą amonia­ku i z tej przyczyny w sprężarkach tłokowych wymagane jest chłodzenie głowic. Korzystne jest wysokie ciepło parowania amoniaku, dzięki któremu ilość amoniaku krążącego w instalacji jest kilka razy mniejsza niż np. czynnika R22 (przy takiej samej wydajności chłodniczej). Poważną zaletą amoniaku jest jego niska cena.

5.7.2. Dwutlenek węgla R744 (CO₂)

Dwutlenek węgla jest wyjątkowo niekorzystnym czynnikiem chłodniczym pod względem ciśnień roboczych. Ciśnienie w skraplaczu może osiągać nawet 100 bar, a ciśnienie w parowniku nie może być niższe niż 6 bar (dwutlenek węgla ma wysoko położony punkt potrójny i przy ciśnieniu 5,18 bar zamarza w temperaturze -56,6°C). Elementy układu chłodniczego i przewody rurowe muszą być wytrzymałe na tak duże ciśnienia. Ze względu na niskie wartości współczynnika wydajności chłodniczej urządzeń pracują­cych z CO₂ zrezygnowano z jego stosowania, mimo że jest jednym z najstarszych czynników chłodniczych.

Ostatnio względy ekologiczne spowodowały ponowne zainteresowanie dwutlenkiem węgla jako czynnikiem chłodniczym. Ma on bardzo wysokie wartości objętościowej wydajności chłodzenia (5 do 7 razy wyższe w porów­naniu z amoniakiem), co umożliwia uzyskanie najbardziej zwartych kon­strukcji sprężarek.

Dwutlenek węgla jest substancją bezwonną, niepalną, niewybucho­wą i obojętną względem metali. Przebywanie w atmosferze powietrza zawierającego 4% CO₂ nie stanowi żadnego zagrożenia dla ludzi, ale stężenie powyżej 8% może być przyczyną poważnych zatruć nawet ze skutkiem śmiertelnym.

Dwutlenek węgla jest powszechnie stosowany w postaci zestalonej (suchy lód) w transporcie mrożonych produktów spożywczych. Ciepło sublimacji zestalonego CO₂ wynosi 573,1 kJ/kg, a temperatura sublimacji przy ciśnieniu atmosferycznym wynosi -78,9°C.

5.7.3. Propan R290 (C₃H₈)

Propan jest gazem organicznym występującym w złożach ropy naftowej i gazu ziemnego. Podobnie jak R717 i R22 ma korzystne właściwości termodynamiczne, a ponadto jest przyjazny środowisku naturalnemu. Jako czynnik chłodniczy jest stosowany od bardzo dawna w dużych instalacjach chłodniczych w przemyśle chemicznym. W ostatnim czasie wzrasta za­stosowanie czynników węglowodorowych do napełnień agregatów chłodzia­rek domowych i handlowych, małej klimatyzacji i urządzeń chłodniczych na środkach transportu. Jest to spowodowane eliminowaniem czynników chłod­niczych z grupy CFC (głównie R12) i trudnościami ze stosowaniem ekologicznego czynnika R134a. Stosuje się czysty propan i mieszaninę propanu i izobutanu (R600a) w stosunku wagowym 1:1. Stosowany jest również czysty izobutan.

Propan jest obojętny względem metali i innych materiałów stosowanych w urządzeniach i instalacjach chłodniczych. Sprężarki pracujące z propanem napełnia się olejem mineralnym, w którym propan dobrze się rozpuszcza. Wilgoć nie stanowi zagrożenia dla instalacji chłodniczej napełnionej propa­nem, jeżeli podczas montażu i eksploatacji stosuje się rutynowe zabez­pieczenia przed przedostawaniem się jej do obiegu.

Propan charakteryzuje się, w stosunku do czynnika R22, niższymi wartościami sprężu i zdecydowanie niższą temperaturą końca spręża­nia. Stwarza to możliwość osiągnięcia niskiej temperatury parowania (do -40°C) w urządzeniach jednostopniowych. Wysoka wartość jednostkowej wydajności chłodniczej (ok. 2,5 razy wyższa niż dla R12 i ok. 1,7 razy wyższa niż dla R22) umożliwia redukcję napełnienia urządzenia chłod­niczego. Współczynnik efektywności chłodniczej urządzenia pracującego z R290 jest nieco wyższy w porównaniu z urządzeniami napełnionymi R22. Para propanu zasysana przez sprężarkę ma jednak prawie dwukrotnie większą objętość właściwą w stosunku do pary R22 w tych samych warunkach. Stawia to pod znakiem zapytania poprawną pracę urządzenia, w którym czynnik R22 zastąpiono propanem.

Propan jest gazem palnym i tworzy z powietrzem mieszaninę wybuchową (w zakresie 2÷8,5% udziału objętościowego propanu). Nie jest gazem trującym, ale jego nadmierna ilość w powietrzu powoduje objawy duszenia się na skutek ograniczenia udziału tlenu. Urządzenia chłodnicze hermetycz­ne, w których napełnienie propanem nie przekracza 150 g, nie wymagają stosowania wentylacji pomieszczeń, w których są ustawione, o ile nie są to pomieszczenia piwniczne. Dla urządzeń o większym napełnieniu wymaga się, by objętość pomieszczenia, w którym są ustawione, była na tyle duża, aby w przypadku wycieku całego napełnienia udział objętościowy propanu w mieszance z powietrzem był niższy niż połowa wartości dolnej granicy wybuchowości.

Propan jest gazem bezbarwnym i bez zapachu. Z tego powodu dla wczesnego wykrycia przecieków, w urządzeniach o napełnieniu przekracza­jącym 300 g, często stosuje się dodatki aromatyczne.

5.7.4. Izobutan R600a ((CH)₃—CH)

Izobutan R600a jest izomerem butanu. Jego wadą jest palność, ale dziś jest coraz częściej stosowany, szczególnie w chłodziarkach domowych i małych klimatyzatorach. Wzrost zainteresowania tym czynnikiem wynika z konieczności eliminacji czynników chłodniczych z grupy CFC (głównie R12). Izobutan jest substancją naturalną i nie powoduje niszczenia warstwy ozonowej. Jego właściwości termodynamiczne są na tyle różne od właściwo­ści czynnika R12, że nie może być zamiennikiem tego czynnika w ist­niejących urządzeniach. Oprócz zastosowania w nowych urządzeniach izobutan jest składnikiem mieszanin (np. mieszaniny z propanem).

Czynnik R600a jest obojętny względem metali i nie niszczy większości materiałów używanych w urządzeniach chłodniczych. Wywiera niszczące działanie na gumę naturalną i silikon. Izobutan tworzy roztwory z olejami mineralnymi, ale może również być stosowany w połączeniu z olejami poliestrowymi i polialfaoleinowymi. Wilgoć nie stanowi poważnego za­grożenia dla poprawnej pracy instalacji.

Izobutan ma dwukrotnie mniejszą objętościową wydajność chłodniczą w porównaniu z R 12, małą lepkość i niskie wartości temperatury końca sprężania.

5.8. Wymiana nieekologicznych czynników chłodniczych

w eksploatowanych urządzeniach

Różnice w niektórych właściwościach czynnika eliminowanego i jego substytutu nie zawsze zapewniają poprawną pracę urządzenia chłodniczego po wymianie czynnika. Konieczność wymiany czynnika na nowy wynika z niedostępności czynnika dotychczas stosowanego i pojawia się najczęściej po naprawie urządzenia chłodniczego. Wymiana czynnika powinna być zawsze poprzedzona dokładną analizą techniczną i ekonomiczną. Poważne zmiany w instalacji, które często powinny być dokonane, i duży wymagany nakład pracy mogą spowodować nieopłacalność całego przedsięwzięcia.

W urządzeniach chłodniczych, które pracują poprawnie z wycofywanym, nieekologicznym czynnikiem, wymiana czynnika jest niecelowa i nie powinna być wykonywana.

Poniżej opisane zostały metody przedłużania żywotności urządzeń chłodniczych pracujących z czynnikami podlegającymi eliminacji.

5.8.1. Metoda drop-in

Metoda ta sprowadza się do wymiany czynnika chłodniczego w instalacji bez wymiany oleju i bez dokonywania istotnych zmian w instalacji. Jest ona polecana do małych urządzeń ze sprężarkami hermetycznymi i do starych urządzeń chłodniczych pracujących pierwotnie z czynnikami R12 i R502. Mieszaninami typu „drop-in" nie powinny być napełniane nowe urządzenia.

Stosowany czynnik alternatywny musi mieć właściwości podobne do zastępowanego czynnika, również w odniesieniu do istniejącego w instalacji oleju. Wszystkie mieszaniny typu „drop-in" zawierają w swoim składzie czynnik R22, który zapewnia powrót oleju do sprężarki. W tablicy 5.5 przedstawiono wybrane mieszaniny typu „drop-in" produkcji Du Pont.

Tablica 5.5. Mieszaniny typu „drop-in" produkcji Du Pont

Oznaczenie cyfrowe	Oznaczenie handlowe	ODP	HGWP	Czynnik zastępowany
R401A R401B R402A	Suva MP39 Suva MP66 Suva HP80	0,03 0,03 0,02	0,22 0,24 0,63	R12 R12 R502

Ponieważ są to mieszaniny nie będące azeotropami, urządzenie chłodnicze powinno być napełniane cieczą czynnika, a wcześniej należy zadbać o bezwzględną szczelność instalacji.

5.8.2. Retrofit

Metoda ta jest polecana do istniejących dużych urządzeń ze sprężarkami półhermetycznymi. Jej istotą jest wymiana czynnika chłodniczego i oleju, a także filtra odwadniającego, uszczelnień i czasem zaworów rozprężnych.

Dokładne oczyszczenie instalacji z resztek starego czynnika i oleju mineralnego jest operacją bardzo trudną, ale ważną dla późniejszego bezawaryjnego działania urządzenia.

Opracowano trzy metody oczyszczania instalacji ze starego czynnika i oleju:

• płukanie instalacji przy użyciu nowego oleju i starego czynnika chłod­niczego,

• płukanie instalacji przy użyciu nowego oleju i nowego czynnika chłod­niczego,

• płukanie instalacji rozpuszczalnikiem.

Przy zastosowaniu do płukania instalacji nowego oleju i nowego czynnika należy wykonać kolejno następujące czynności:

1) sprawdzić i zanotować parametry pracy instalacji z czynnikiem R12,

2) sprawdzić szczelność instalacji,

3) odzyskać z instalacji czynnik R12 i przeznaczyć go do ponownego wykorzystania,

4) zlikwidować ewentualne przecieki,

5) wymienić filtr odwadniacz oraz w miarę potrzeby wziernik i zawór rozprężny,

6) opróżnić instalację i wykonać test szczelności,

7) usunąć olej mineralny ze sprężarki i zastąpić go olejem estrowym w tej samej ilości,

8) napełnić układ czynnikiem R134a,

9) sprawdzić i wyregulować nastawy automatyki sterującej i zabezpiecza­jącej,

10) uruchomić urządzenie na 3÷8 h, kontrolując jego pracę,

11) wymienić olej estrowy i uruchomić urządzenie na ok. 8 h, kontrolując jego pracę,

12) ustawić zawór rozprężny i sprawdzić parametry pracy urządzenia (ciśnienie parowania i skraplania, przegrzanie pary po stronie ssawnej sprężarki) i porównać je z parametrami, przy których urządzenie pracowało z czynnikiem R12,

13) sprawdzić zawartość oleju mineralnego w oleju estrowym (użyć zestawu do testowania) i gdy przekracza poziom dopuszczalny (ok. 4%) wymie­nić olej. Kolejne testy sprawdzające należy wykonać po 24 i 500 h pracy i w każdym przypadku przekroczenia dopuszczalnego stężenia oleju mineralnego należy wymienić olej,

14) oznakować sprężarkę przez podanie rodzaju czynnika chłodniczego i oleju.

Wymiana czynnika R12 na R134a jest możliwa tylko wówczas, gdy materiały zastosowane do budowy sprężarki są dopuszczone do kontaktu z czynnikiem R134a i olejem estrowym.

5.8.3. Odzyskiwanie czynników chłodniczych

Przystępując do Protokołu Montrealskiego, Polska przyjęła obowiązek ograniczenia zużycia substancji kontrolowanych. Ścisła reglamentacja im­portu tych substancji wprowadzona w sierpniu 1994 r. spowodowała natychmiast drastyczny niedobór czynnika chłodniczego R12 na rynku i gwałtowny wzrost jego ceny. Zaistniała konieczność racjonalizacji zużycia R12, co wymusiło zmianę sposobu traktowania tego czynnika (również czynnika R502).

Racjonalne zagospodarowanie wycofywanych czynników umożliwia stworzenie banku rezerw i praktycznie jest jedyną szansą dla serwisu. Oprócz tego zagadnienie odzysku substancji kontrolowanych jest koniecznością z punktu widzenia ochrony środowiska naturalnego.

Rozwiązania techniczne stacji do odzysku czynnika są różne, jednak zawsze ich podstawowym elementem jest sprężarka o mocy od kilkuset watów do kilku kilowatów. Najczęściej stosowane metody opróżniania instalacji chłodniczej z czynnika to:

— gazowa - sprężarka zasysa z instalacji czynnik w postaci pary i przez skraplacz przetłacza go do butli,

— push-pull (pchać-ciągnąć) - sprężarka zasysa parowy czynnik z butli wyposażonej w zawór parowy i cieczowy, wtłacza go do instalacji chłodniczej, a para wypycha ciekły czynnik do tej samej butli przez zawór cieczowy,

• cieczowo-gazowa - z butli o dwóch zaworach, zamontowanej między instalacją chłodniczą a stacją do odzysku, sprężarka zasysa parowy czynnik przez zawór parowy i poprzez skraplacz wtłacza go do butli docelowej. Do butli pośredniej napływa ciekły czynnik z instalacji.

Szybkość opróżniania instalacji z czynnika metodą cieczowo-gazową jest znacznie większa niż metodą gazową. Najszybciej można instalację opróżnić metodą push-pull, jednak wymaga ona jednoczesnego dostępu do strony ssawnej i tłocznej instalacji i podobnie jak w metodzie cieczowo-gazowej, zastosowania butli o dwóch zaworach.

Bardzo szybkie usunięcie czynnika z instalacji chłodniczej zapewniają urządzenia do odzysku wyposażone w pompę do przetłaczania ciekłego czynnika. Urządzenie może mieć ponadto sprężarkę do odzysku fazy parowej czynnika.

Zasady racjonalizacji obrotu czynnikami kontrolowanymi są przenoszone bez większych zmian na czynniki nowe. Powodem jest wysoka cena tych czynników, wysokie wymagania dotyczące ich czystości i ochrona środo­wiska naturalnego.

1

59

---