Obecne osiągnięcia w chłodzeniu amoniakiem

Naturalne czynniki chłodnicze, takie jak amoniak, propan lub dwutlenek węgla nie mają potencjału niszczenia warstwy ozonowej oraz nie mają żadnego lub znikomy wpływ na efekt cieplarniany. Amoniak był wykorzystywany w technologii chłodniczej przez prawie 130 lat i jest jedynym czynnikiem chłodniczym ciągle obecnym na rynku od pierwszego wykorzystania. Ten tradycyjny czynnik chłodniczy jest zazwyczaj wykorzystywany w wielkich chłodniach z powodu jego niezwykłego oddziaływania chłodzącego oraz specyficznej wartości ciepła parowania wynoszącej 1,262 kJ/kg przy 0oC (jest to druga wartość po wodzie). W ostatnich latach amoniak był również wykorzystywany do rozwiązania wielu technicznych wyzwań stawianych przed systemami o małej i średniej wydajności. Były to między innymi systemy kaskadowe, zoptymalizowane działania i transfer ciepła oraz zredukowane ładunki czynnika chłodniczego.

Ta sama wydajność przy
mniejszym napełnieniu
W kontekście bezpieczeństwa chłodni,
potencjalna toksyczność amoniaku stanowi największe
zmartwienie. Dlatego też rozwój systemów
skupia się na redukcji ładunku chłodni,
jednocześnie ograniczając obecność amoniaku
w chłodni wynikającą z przecieków. Na przykład
w systemach kaskadowych (które stanowią
możliwe rozwiązanie) jako wtórnego
czynnika chłodniczego podczas drugiego
etapu używa się zarówno dwutlenku węgla
(R744) oraz alternatywnie octanu potasu lub
roztworu mrówczanu potasu. W obu przypadkach,
redukcja ładunku amoniaku nie ma
znaczącego wpływu na wydajność. Roztwór
ten jest również odpowiedni dla istniejących
dwuetapowych systemów kaskadowych
z amoniakiem, gdyż mogą one być w prosty
sposób modyfikowane.
Osiągnięcia na polu kompaktowych rurowych
oraz płytowych systemów wymienników
ciepła z wysoce wydajnymi powierzchniami
mają za zadanie zredukować ilości amoniaku
w obwodzie poprzez wzmożony transfer
ciepła. Przykładowo, rurowe wymienniki
ciepła mogą zostać przegrodzone (aby
lepiej ocenić różne zachowania wrzenia
w wymienniku ciepła) tak, że wielkość wypełniającego
amoniaku może być zredukowana
o około 80% w porównaniu z konwencjonalnym
odsłoniętym rurowym wymiennikiem ciepła,
bez żadnej straty w wydajności parowania.
Co więcej różne parametry wymienników
ciepła, takie jak wymiary czy ilość przejść
i rur, jak również cena są o wiele bardziej
korzystne niż w porównywalnych maszynach
(czego wynikiem są oszczędności przestrzeni
i kosztów).
Dalsze możliwości daje dopasowanie
rur wymiennika z wewnętrznymi żeberkami
we wnętrzu do aplikacji wykorzystujących
amoniak. Geometria i materiały wewnętrznych
rur były do tej pory optymalizowane
do wykorzystania fluorowych węglowodorów,
a nie do wymagań amoniaku.

Nowe kombinacje rozszerzają
zakres aplikacji
Nowe obszary i zakresy zastosowań
amoniaku również wynikają z wykorzystania
mieszanek czynnika chłodniczego. Nowe
substancje o niskim potencjale niszczenia
warstwy ozonowej to np. nieazeotropowe
ciekłe gazowe mieszanki amoniaku z propanem
(R290), oktafluoropropanem (R218),
oktaflurorcyklobutanem (RC318) lub izobutanem
(R600a). Eksperymentalne badania
wykazały, że w porównaniu z czystym amoniakiem,
niektóre z testowanych mieszanek mają
niższą temperaturę wylotu, niższy stosunek
ciśnienia sprężania 5‑10% lepszą wydajność
chłodzącą i lepszą rozpuszczalność smaru
maszynowego.
W przeciwieństwie do tych podwójnych
płynnych systemów badanych w warunkach
laboratoryjnych, czynnik chłodniczy R723,
który był używany w praktyce przez kilka lat,
jest mieszanką azeotropową. R723 składa się
w 60% z amoniaku i 40% z eteru metylowego.
Podobnie jak amoniak jest wykorzystywany
jako środek czynny w systemach chłodniczych.
Przy prawie identycznym poziomie
ciśnienia, daje więcej korzyści w chłodzeniu
parowania, określona wydajność ciepła
oraz zawartość ciepła parowania, nie mają
negatywnego wpływu na wydajność procesu
chłodzącego.
Należy jednak podkreślić, iż podczas pracy
z amoniakiem należy przestrzegać standardowych
środków ostrożności.


Efektywne wykorzystanie
ciepła odpadowego
Przy stałym wzroście cen energii, operatorzy
uważają za niezwykle ważne obniżenie
kosztów działania ich systemów chłodniczych
poprzez redukcję wymagań energetycznych.
Na przykład operatorzy chłodni lub firmy
przetwórstwa żywności odkryją znaczące
oszczędności w wykorzystaniu ciepła odpadowego
do wytworzenia ciepłej wody użytkowej.
niż czysty amoniak. Temperatura wylotowa
może zostać zredukowana o około 15 do 20º
w porównaniu z amoniakiem, co pozwoli na
przykład na użycie skraplaczy schładzanych
powietrzem. Ponadto, niska temperatura po
stronie wysokiego ciśnienia pozwala uniknąć
obciążenia termicznego dla materiałów
i chłodzących smarów maszynowych. Jednocześnie,
istnieje znacząca poprawa rozpuszczalności
oleju w olejach mineralnych, która również może zostać rozszerzona na
zakres niskich temperatur, przy zachowaniu
zdolności mieszania się z olejami syntetycznymi.
Skuteczne, bezproblemowe odzyskanie
oleju jest więc możliwe i nie stwarza potrzeby
zastosowania osobnych separatorów oleju.
Transfer ciepła w trakcie parowania został
również ulepszony. Właściwości fazy gazowej
mieszanki dwóch płynów, takie jak gęstość
W zależności od projektu systemów, operatorzy
chłodni bazujących na amoniaku
o średniej i dużej wydajności mogą zmniejszyć
swoje roczne wydatki na energię o ponad
połowę.
Naturalne czynniki chłodnicze stanowią
również rozwiązanie mające zastosowanie w
pompach cieplnych. Nowe osiągnięcia z ostatnich
lat, takie jak hermetyczne sprężarki scroll,
dwustopniowe 40 barowe sprężarki dla amoniaku
lub dwustopniowe odśrodkowe sprężarki dla
dwutlenku węgla pomagają poprawić wydajność
energetyczną powyższych. Co więcej, nowe
osiągnięcia w systemach bezpośredniego odparowania
z rozpuszczalnym olejem i płytowymi
wymiennikami ciepła umożliwiają poprawę
efektywności do 50% w instalacjach określonej
ilości wypełnienia amoniakiem. Osiągnięto
również postęp w użyciu aplikacji w prywatnych
domach: prototypy pomp cieplnych z wydajnością
6 kW pracują w niezawodny sposób przy
ilości wypełnienia mniej niż 100 g amoniaku.
Do tej pory użycie rynkowe na szeroką skalę
było zagrożone przez brak komponentów odpowiednich
dla amoniaku, takich jak hermetyczne
lub półhermetyczne sprężarki.

Wnioski
W przyszłości amoniak będzie nadal utrzymywał
swoją pozycję w chłodzeniu na wielką
skalę, zwłaszcza przy temperaturach parowania
powyżej -33ºC. Jednak ruch nastąpił również
w zakresie średniej i niskiej wydajności, wraz
ze zwiększoną liczbą firm chłodniczych zaangażowanych
w tym sektorze. Jest to szczególnie
prawdziwe dla systemów o małym ładunku,
dla których ostatnie wyniki potwierdzają,
iż uzyskana wysoka wydajność energetyczna
przewyższa tą uzyskiwaną z amoniakiem jako
czynnikiem chłodniczym w przeszłości. Poczyniony
postęp wyraźnie wskazuje tendencję
w kierunku systemów o mniejszej wydajności,
używających amoniaku jako substancji czynnej
w czystej formie lub w formie mieszanek.

Autor: Monika Witt - Przewodnicząca eurammon, europejskiej inicjatywy na rzecz naturalnych czynników chłodniczych


Inicjatywa eurammon

eurammon to wspólna, europejska
inicjatywa przedsiębiorstw, instytucji
i pojedynczych osób zaangażowanych
w stworzenie lepszych warunków do
intensywniejszego wykorzystania naturalnych
czynników chłodniczych. Jako
centrum kompetencyjne w zakresie
stosowania w chłodnictwie naturalnych
czynników chłodniczych, inicjatywa ta
swoje zadania widzi w zaoferowaniu
platformy informacyjnej, pozwalającej
zarazem na wymianę informacji oraz
prowadzącej do rozszerzenia wiedzy
o naturalnych czynnikach chłodniczych
i do ich akceptacji. Celem tej inicjatywy
jest preferowanie ich stosowania w interesie
zdrowego środowiska naturalnego
i w ten sposób przyczynianie się do dalszego,
trwałego rozwoju ekonomicznego
w chłodnictwie. eurammon obszernie
informuje fachowców, polityków i szeroki
krąg społeczeństwa o wszelkich aspektach
dotyczących naturalnych czynników
chłodniczych. Inicjatywa eurammon
oddaje do dyspozycji użytkowników
i planistów projektów chłodniczych konkretne
doświadczenia projektowe oraz
obszerny materiał informacyjny, a także
udziela wszelkich porad związanych
z planowaniem, uzyskiwaniem zezwoleń
i eksploatacją urządzeń chłodniczych.
Inicjatywa ta założona została w 1996 r.
i jest dostępna zarówno przedsiębiorstwom
i instytucjom europejskim zainteresowanym
naturalnymi czynnikami
chłodniczymi, jak i poszczególnym osobom,
np. z kręgu nauki i badań.