Pierwsze użycie czynników chłodniczych sięgają czasów zamierzchłych. Do przechowywania żywności stosowano doły (rozpadliny) wydrążone w lodzie lub śniegu. Czyli można powiedzieć, iż tak wyglądały pierwsze chłodnie, a pierwszymi czynnikami chłodniczymi były powietrze i woda. W historii ludzkości woda w postaci lodu miała bardzo długo zastosowanie. Praktycznie lodem posługiwano się do połowy XX wieku, a i obecnie lód jest stosowany w magazynach chłodu. Stosowano go ze względu na niską cenę i łatwą dostępność, jako bloki w chłodniach i transporcie (zwłaszcza kolejowym).

Rozwój urządzeń chłodniczych absorpcyjnych,
związany jest właśnie
z niemożliwością uzyskania lodu. Podczas
wojny secesyjnej Północ wstrzymała dostawy lodu dla Południa i pojawiła się pilna potrzeba jego otrzymania.
Pierwsze urządzenie chłodnicze
absorpcyjne zaprojektował w 1810 r.
szkocki uczony J. Leslie. W 1860 francuski
inż. F. Carre opatentował absorpcyjne
urządzenie chłodnicze, w którym
czynnikiem chłodniczym był amoniak,
a pochłaniaczem woda (wykonane
1861). Fernande Carre w 1862 roku
przetransportował z Anglii przez Meksyk
do San Antonio w Teksasie absorpcyjne
urządzenie chłodnicze.
Urządzenia absorpcyjne rozwijają się
z powodzeniem do dnia dzisiejszego,
pomimo ich niskich współczynników
wydajności chłodniczej, COPoC). Pod koniec
dziewiętnastego wieku, w 1878 roku,
zainteresowano się we Francji możliwością użycia chlorometanu. Chlorometan
jest substancją łatwopalną i toksyczną oraz bezzapachową, stanowił
jednak początek dla chlorowcopochodnych.
Początkowe lata dwudziestego wieku
to przede wszystkim chłodnictwo
przemysłowe oparte na takich czynnikach
jak amoniak i okresowo dwutlenek
węgla. Domowe chłodziarki,
zresztą nieliczne (5000 domowych lodówek
w USA w 1921 roku) oparte
było na amoniaku, chlorometanie, dwutlenku
siarki, propanie i izobutanie [1].
niektóre właściwości tych czynników
chłodniczych przedstawiono w tabeli 1.
Dalszy rozwój tanich, masowych chłodziarek
domowych wymagał znalezienia
lepszego czynnika chłodniczego,
niż wymienione powyżej. Nowy czynnik
powinien być niepalny, nietoksyczny,
mieszalny ze smarem i o odpowiednich
właściwościach termodynamicznych.
Prace nad poszukiwaniem takiego
czynnika rozpoczął inż. Thomas Midgeley,
który wziął pod uwagę związki
chloru, bromu, jodu i fluoru z węglem.
Wytypował on ponad 80 prostych
związków, mogących być dobrymi
czynnikami chłodniczymi, wśród nich
znalazły się dzisiejsze R 11, R 12,
R 13, R 22
, które zdominowały przemysł chłodniczy na długie lata. Dopiero
w 1974 roku hipoteza S. Rolanda i M.
Molina o szkodliwości emisji tych
związków, które niszczą ozon w stratosferze,
zatrzymały rozwój tych czynników
chłodniczych.
Tabela 1. Niektóre właściwości czynników chłodniczych używanych w XIX wieku

Stan obecny dotyczący czynników
Chłodniczych

W 1987 r. podpisano Protokół Montrealski
zmniejszający stosowania
CFC, a w kolejnych zmianach (poprawki
Londyńskie, Kopenhaskie, Wiedeńskie)
wycofanie CFC i HCFC. Polska
podpisała Protokół Montrealski i wprowadziła szereg przepisów normujących
postępowanie z czynnikami chłodniczymi
z grupy CFC i HCFC.
Z dniem 1 lipca 2002 roku weszła
w życie ustawa z dnia 2 marca 2001 roku
o postępowaniu z substancjami zubażającymi warstwę ozonową (Dz.U.
Nr 52, poz. 537 i Nr 100, poz. 1085).
Wprowadzono również z dniem 1 lipca
2002 roku w życie 3 akty wykonawcze
do tej ustawy. Następnie 25 listopada
2002 roku ogłoszono rozporządzenie,
które weszło w życie 14 dni po jego
ogłoszeniu. Są to następujące akty wykonawcze:
ROZPORZĄDZENIE MINISTRA
GOSPODARKI
z dnia 22 maja
2002 r. w sprawie wymagań dotyczących wyposażenia technicznego
oraz minimalnych kwalifikacji,
jakie muszą spełniać przedsiębiorcy
prowadzący działalność,
w której wykorzystywane są substancje
kontrolowane (Dz.U. Nr 71,
poz. 658).
ROZPORZĄDZENIE MINISTRA
GOSPODARKI
z dnia 28 maja
2002 r. w sprawie określenia wzorów
formularzy ewidencji substancji kontrolowanych
(Dz.U. Nr 78, poz. 709).
ROZPORZĄDZENIE MINISTRA
GOSPODARKI
z dnia 10 czerwca
w sprawie sposobu oznakowania pojemników zawierających substancje kontrolowane oraz produktów
i urządzeń, w skład których takie substancje wchodzą
(Dz.U. Nr 94, poz. 837).
ROZPORZĄDZENIE MINISTRA GOSPODARKI z dnia
25 listopada 2002 r. w sprawie ograniczeń w obrocie krajowym
substancjami kontrolowanymi wyprodukowanymi
lub przywiezionymi z zagranicy oraz ich wykorzystywaniu
w działalności gospodarczej (Dz.U. Nr 205, poz.
1733).
Przyjęte rozwiązania prawne wycofują czynniki chłodnicze
mające ODP>0 oraz starają się zminimalizować emisję
tych czynników do atmosfery [2]. Obecnie rozwijane są prace
wstępne mające na celu zmniejszenie stosowania czynników
o wysokim GWP. W tabeli 2 zaprezentowano czynniki
mające ODP=0, ale o różnych wartościach GWP. Stosunkowo
wysoki GWP=1600 posiada R 134a, którego rola
w chłodnictwie znacząco wzrasta. Prace w państwach UE
przebiegają nad ograniczeniem stosowania R 134a. Komisja
Europejska zaprezentowała propozycję nowych regulacji
dla Parlamentu Europejskiego. Propozycja ta powstała
w porozumieniu z Biurem ds. czynników chłodniczych fluorowanych.
Dokument ten określa pierwszą fazę działań
podjętych w ramach Programu Europejskiego Zmian Klimatu
[3]. Główne punkty tej propozycji dotyczą czynników
chłodniczych z grupy HFC:
• wzmożenie kontroli pracujących instalacji
chłodniczych, klimatyzacyjnych
i pomp ciepła;
• odzysk czynników fluorowanych
w celu podjęcia procesów recyklingu,
regeneracji lub unieszkodliwiania
(destrukcji);
• ustanowienie programów szkoleniowych
z możliwością nadawania certyfikatów
i pozwoleń przez państwa
członkowskie;
• przygotowywania dla Komisji raportów
pochodzących od wytwórców, eksporterów
i importerów czynników chłodniczych
fluorowanych dotyczących wielkości
obrotu tymi czynnikami na rynku
(sprawozdania za miniony rok);
• od 1 stycznia 2009 roku wprowadzenie
zakazu umieszczania na rynku
pojazdów wyposażonych w systemy
klimatyzacyjne zawierające czynniki
chłodnicze gazowe, których współ-
czynnik GWP jest większy niż 150.
W sytuacjach wyjątkowych, do roku
2013, Komisja Europejska będzie
mogła dopuszczać do użytku czynniki
o współczynniku GWP wyższym
niż 150.
W przypadku środków transportu
przedmiotem powyższych regulacji stanie
się także czynnik HFC-134a, dla
którego GWP przekracza kilkunastokrotnie
ustalony limit. Natomiast czynniki
takie jak HFC-152a (GWP = 140) czy
inne czynniki naturalne regulacjom tym
nie będą podlegać (tabela 1). Jedyny
syntetyczny czynnik chłodniczy HFC-
152a znajduje obecnie zastosowanie
głównie przy produkcji spienionych tworzyw
sztucznych i jako propelant. Analizując tabelę 2 można zaryzykować
stwierdzenie, iż będzie rosła w Europie
rola czynników
o niskim GWP
[4]. Takie właściwości
mają
właśnie historycznie
znane
wcześniej czynniki
chłodnicze
pochodzenia
naturalnego.
Przykładowe
nowe rozwiązania techniczne

W przypadku
s t o s o w a n i a
czynnika chłodniczego,
jakim
jest dwutlenek węgla
w chłodnictwie,
pojawiły się liczne
nowe rozwiązania
aparaturowe. Na
targach IKK 2003
w Hanowerze firma
Danfoss zaprezentowała swoją
nową sprężarkę na
dwutlenek węgla.
Moc chłodnicza
0,5–1,2 kW dla
temperatury parowania
–10oC, przy
maksymalnym ciśnieniu
ssania 8
MPa i maksymalnym
ciśnieniu tłoczenia
13 MPa.
Pojemność skokowa
1–2,5 m³,
prędkość obrotowa
2950 obr/min,
masa 16 kg. Niemiecka
firma ESK
Schultze z Velten/
Berlin zaprezentowała filtry,
osuszacze, zbiorniki
oleju, odolejacze
dla dwutlenku
węgla (rys. 1). Wykonane
są one ze
stali nierdzewnej
dla maksymalnych
ciśnień pracy 4
MPa. Wykorzystano
je w urządzeniach
chłodniczych
dla supermarketów
w Danii, Norwegii
i Filandii [5].

Rys. 1. Stoisko wystawiennicze na targach IKK 2003 w Hanowerze
firmy ESK Schultze, Niemcy prezentującej aparaturę dla urządzeń
chłodniczych z dwutlenkiem węgla jako czynnikiem chłodniczym

W pracy [6] przedstawiono instalację
chłodniczą dla supermarketu wykorzystującą dwutlenek węgla. Instalacja
uruchomiona została w styczniu 2003
roku we Włoszech. Wykorzystywana
jest w sklepie o powierzchni sprzedaży
1200 m³. System ma całkowitą moc
chłodzenia 120 kW i składa się z 2
podsystemów o temperaturze parowania
–10oC (MT) i 1 podsystemu o temperaturze
parowania –35oC (LT) przedstawionych
na rys. 2. Podsystem MT
posiada 2 równolegle połączone sprężarki jednostopniowe, natomiast LT 2
równolegle połączone sprężarki dwustopniowe.
Zmierzony strumień objętościowy
czynnika chłodniczego przepływającego przez sprężarki dla MT wynosi
10,7 m³/h i 12,7 m³/h dla LT. Maksymalne ciśnienie tłoczenia 7,8 MPa,
ssania 2,8 MPa. Do rozprężania dwutlenku
węgla użyto elektronicznych zaworów
rozprężnych.

Rys. 2. Schemat instalacji chłodniczej z dwutlenkiem węgla dla supermarketu

Współczynniki wydajności chłodniczej
dla instalacji przedstawiono na
rys. 3 w zależności od temperatury zewnętrznej.
Przy temperaturze otoczenia
poniżej 20oC instalacja może pracować
jako podkrytyczna. Wyniki eksploatacyjne
pracującej instalacji na
dwutlenek węgla porównano z podobną instalacją pracującą na R 404A. Porównanie
wartości współczynników wydajności
chłodniczej dla dwutlenku węgla
MT i LT z czynnikiem R 404A dla
różnych miesięcy przedstawiono na
rys. 4 i 5.

Rys. 3. Współczynniki wydajności chłodniczej dla podsystemów
MT i LT w zależności od temperatury zewnętrznej


Rys. 4. Współczynniki wydajności chłodniczej dla podsystemu MT
z dwutlenkiem węgla i R 404A dla różnych miesięcy w roku


Rys. 5. Współczynniki wydajności chłodniczej dla podsystemu LT
z dwutlenkiem węgla i R 404A dla różnych miesięcy w roku

Porównując systemy chłodnicze
z dwutlenkiem węgla i R 404A należy
również rozpatrzyć aspekty ekonomiczne
przedsięwzięcia. Zestawienie
kosztów przedstawiono na rys. 6.
Ogólnie można powiedzieć, że całkowity
koszt instalacji chłodniczej z dwutlenkiem
węgla jest około 8% wyższy,
niż dla instalacji z R 404A. Droższe są
w przypadku instalacji z dwutlenkiem
węgla podsystemy MT i LT niż dla
R 404A. Tańsze natomiast są wymienniki
ciepła, czynnik chłodniczy oraz
orurowanie.

Rys. 6. Zestawienie składników wpływających na koszt instalacji
chłodniczej z dwutlenkiem węgla i z R 404A

Podsumowanie
Zwrócenie bacznej uwagi na sprawy
ekologii, prowadzi do szeregu zmian
w chłodnictwie i klimatyzacji. „Nowe
czynniki” chłodnicze, jakie powyżej zaprezentowano,
znane w historii chłodnictwa,
stawiają nowe wyzwania dla
firm branży chłodniczej i klimatyzacyjnej.
Użycie łatwopalnych i wybuchowych
węglowodorów pociąga za sobą
zwrócenie uwagi
na bezpieczeństwo
przy montażu i serwisie tych
urządzeń. Dwutlenek
węgla pracujący w obiegach
nadkrytycznych
wymaga
wysokich ciśnień,
po stronie tłocznej
8÷14 MPa
i po ssawnej 3÷4
MPa. Wzrastają
wymagania co
do jakości wykonania
instalacji,
zapewniającej jej wytrzymałość. Jest to również wyzwanie dla producentów,
którzy muszą przygotować
sprężarki, wymienniki ciepła, osprzęt
i armaturę dla nowego typu czynnika
chłodniczego. Prawdopodobnie pojawią się nowe regulacje prawne wymagające wyższych kwalifikacji. Przy wysokich
ciśnieniach pozostaje sprawa
otwarta projektowania, wykonania i dopuszczenia
takich
instalacji, które na
dzień dzisiejszy na
pewno są instalacjami
poddozorowymi.
W chłodnictwie
przemysłowym z
dużymi wydajnościami
chłodniczymi,
znaczną rolę
pełnił i będzie pełnił amoniak. W
mniejszych systemach
chłodniczych,
wydaje się
wielce prawdopodobne
wykorzystywanie
amoniakalnych
systemów
pośrednich lub na
dwutlenek węgla
w miejsce syntetycznych
czynników
chłodniczych.
W przypadku małych urządzeń
chłodniczych i klimatyzacyjnych
wykorzystywane
będą węglowodory
(propan, butan,
izobutan). Klimatyzacja
środków
transportu będzie oparta na dwutlenku
węgla i węglowodorach.

LITERATURA
[1] PEARSON F.S: Refrigerants Past, Present
and Future, 21st IIR Int. Congress of Refrigeration,
Washington DC 2003.
[2] RUSOWICZ A: Nowe regulacje prawne dotyczące działalności firm branży chłodniczej
i klimatyzacyjnej. Chłodnictwo i Klimatyzacja,
Nr 1-2, 2003.
[3] Communication from the commission on the
implementation of the first phase of the European
Climate Change Programme, PROPOSAL
FOR A FRAMEWORK DIRECTIVE ON
FLUORINATED GASES. Commission of The
European Communities. Brussels,
23.10.2001, COM(2001) 580 final.
[4] PALIWODA A.: Naturalne czynniki chłodnicze
przyszłością chłodnictwa, klimatyzacji
i pomp ciepła. Chłodnictwo i Klimatyzacja,
Nr 5, 2002.
[5] Katalogi firmy ESK Schultze, Niemcy 2003,
www.esk-schultze.de.
[6] GIROTTO S., MINETTO S., NEKSA P.:
Commercial Refrigeration System with CO2
as Refrigerant Experimental Results, 21st
IIR Int. Congress of Refrigeration, Washington
DC 2003.
Autor: dr inż. Artur Rusowicz – Instytut Techniki Cieplnej,,
Politechnika Warszawska
Źródło: