Ing. Václav Růžek, Kritéria volby chladiva v průmyslovém chlazení a specifika aplikací s přírodními chladivy (NH3 a CO2)

Transkript

1 Ing. Václav Růžek, Kritéria volby chladiva v průmyslovém chlazení a specifika aplikací s přírodními chladivy (NH3 a CO2) 1

2 P r ů m y s l o v é % t r h u c h l a z e n í c h l a z e n í 2

3 Přírodní chladiva (NH 3, CO 2 ) používána již od roku 1870 Syntetická chladiva uvedena na trh kolem roku 1930 (CFC) CFC: = CCl 2 F 2 ) Plně halogenované chlorfluoruhlovodíky (např. R12 HCFC: Neúplně halogenované chlorfluoruhlovodíky (např. R22 = CHClF 2 ) HFC: Neúplně halogenované hydrofluorovodíky (např. R134a = CF 3 CH 2 F) 3

4 Obecný číselný systém R nnnn. Skupiny číselného systému: Je-li číslo < 399, pak se jedná o jednosložkové organické chladivo R4xx: směs organických chladiv zeotropních (s výrazným teplotním skluzem mezi složkami) R5xx: směs organických chladiv azeotropních (s malým teplotním skluzem) R6xx: různé organické látky R7xx: anorganické látky (vesměs přírodní chladiva) 4

5 Z hlediska: Životního prostředí Spotřeby energie Bezpečnost Ostatní (cena chladiva, velikost a existence kompatibilních komponentů, servisovatelnost, kvalifikační předpoklady apod.) 5

6 a. Poškozující ozón (ODP>0): CFC (R12,R11) chladiva zcela zakázaná HCFC (R22) zakázaná v EU v nových instalacích, od roku 2010 možno pro servis používat pouze recyklované chladivo, následně od 2015 zcela zakázané. b. Globální oteplování (GWP>1): HFC (R134a, R407c, R507 apod.) povinné inspekce a sledování úniků dle zákona o ochraně ovzduší (např. 4xročně pro náplň>300kg, nutnost detekčního systému a havarijního větrání) Očekávané zpřísnění stávající legislativy v blízké budoucnosti v některých Skandinávských zemích již zakázány v nových velkých instalacích (např. v Dánsku již zakázáno v zařízení s náplní >10kg) 6

7 1972: Rowland a Molina zmiňují negativní efekt chladiv obsahující chlor a brom na poškozování ozónové vrstvy, která zemi chrání proti nadměrnému ultrafialovému záření. 1987: Po 15 letech diskusí, a mnoho tunách syntetických chladiv vypuštěných do ovzduší, byl podepsán Montrealský Protokol v roce 1987, který byl následně ratifikován ve 191 zemích. Cílem Montrealského Protocolu je zastavení používání látek poškozujících ozónovou vrstvu. Podíl látky na poškozování je vyjádřován jalo Potenciál k poškozování ozónové vrstvy - Ozone Depleting Potential (ODP-hodnota). Výsledkem byl dnes již 100% implementovaný zákaz používání R22 v EU, který se velmi dotkl právě průmyslového chlazení. 7

8 Globální oteplování Globální oteplování je způsobeno v atmosféře se hromadícími plyny (tzv. skleníkové) odrážejícími teplo, což způsobuje oteplování Země a následné související efekty. Jak chladiva přispívají ke Globálního oteplování: a. Přímým únikem chladiva do ovzduší a následnou přítomností v atmosféře, b. Nepřímo přes spotřebu elektrické energie nutnou pro provoz chladících systémů (CO 2 vzniklé v důsledku výroby el. energie). Vliv je kvantifikován Potenciálem globálního oteplování-global Warming Potential (GWP-hodnota) 8

9 Přijatá opatření - Kyoto Protocol Rozvinuté země si odsouhlasily celkové snížení emisí skleníkových plynů HFCs, PFCs a SF 6 o 5.2% pod úroveň roku 1990 nejpozději do 2012 (první fáze závazku) - Regulace F-plynů (a směrnice MAC *) Země EU (EU-15) se zavázaly ke dalšímu snížení emisí skleníkových plynů o 8% pod úroveň roku 1990 v období Důsledkem je již platná současná legislativa Revize dopadů a návrh dodatků v roce 2011 *MAC: Mobilní klimatizace pouze v osobní dopravě 9

10 Související opatření - EU legaslativa Energy Efficiency * dále zpřísňuje krátkodobé cíle do roku % -20% 100% 20% Greenhouse gas levels Energy consumption Renewables in energy mix * např. EPBD, Ecodesign ErP 10

11 *F-plyny se podílejí na celkových emisích skleníkových plynů EU 2% Opatření v souvislosti s F-plyny - V souvislosti EU low carbon policy je možné od současné regulace F-plynů očekávat pouze stabilizaci emisí na současné úrovni - Proto, nová opatření ohledně F-plynů slouží jako nástroj přispívající ke splnění EU low carbon economy roadmap * Cíl EU ohledně GHG emisí: 80% do roku 2020 (100% =1990) Krátkodobý cíl redukce o 20% je dosažitelný i se stávajícími opatřeními! Jsou nutná další opatření k dosažení ambiciózního dlouhodobého cíle! Source: COM(2011) 112 final 2011 A Roadmap for moving to a competitive low carbon economy in

12 ODP 0 Velmi nízké GWP 0 (1 CO2) Nutnost z hlediska bezpečné investice v dlouhodobém horizontu ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA 12

13 Spotřeba energie chladicího systému často tvoří až 60% spotřeby výrobního závodu Závisí zejména na: Výparné a kondenzační teplotě Typu kompresoru; v průmyslu typicky pístový nebo šroubový. Volbě chladiva; rozdílné termodynamické vlastnosti jednotlivých chladiv, vedou k výrazným rozdílům ve spotřebě energie! 13

14 Piston (single stage) Screw Screw-economised Piston (single stage) Screw Screw-economised Piston (single stage) Screw Screw-economised Piston (single stage) Screw Screw-economised Spotřeba energie [%] Typický chlazený sklad, nebo procesní chlazení T-výp = -10 o C; T-kond = 35 o C ,0 102,6 96,0 144,2 137,1 120,7 118,9 106,8 98,4 126,9 120,1 105, R717 R717 R717 R507 R507 R507 R22 R22 R22 R134a R134a R134a 14

15 Piston (two stage) Screw Screw-economised Piston (two stage) Screw Screw-economised Piston (two stage) Screw Screw-economised Screw Piston Energy consumption [%] Typická mrazírna (sklad mraženého zboží) T-evap = -32 o C; T-cond = 35 o C , ,0 123,1 113,7 120,1 130,5 122,6 127,2 108,3 123,6 105, R717 R717 R717 R507 R507 R507 R22 R22 R22 R744/R717 R744/R717 15

16 Piston (two stage) Screw Screw-economised Piston (two stage) Screw Screw-economised Piston (two stage) Screw Screw-economised Screw Piston Energy consumption [%] Mrazící technologie (typicky zmrazovače) T-evap = -45 o C; T-cond = 35 o C , ,0 153,2 137,1 131,5 141,0 112,9 151,5 120,2 124,4 107, R717 R717 R717 R507 R507 R507 R22 R22 R22 R744/R717 R744/R717 16

17 Relative COP Relativní COP při různých výparných teplotách R22 = 100 % (Bitzer info) R417A R134a 90 R427A R422D R422A R417A R427A R134a R R507 R422D R422A Evaporating temperature ( C) 80 ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA 17

18 Relative cooling capacity R507 R422A R427A R422D R417A R134a Relativní chladící výkon při různých výparných teplotách R22 = 100 % (Bitzer info) Evaporating temperature R422D R422A R417A R427A R134a R507 ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA 18

19 V relaci k investičním nákladům: Příklad typického velkého distribučního centra Chladivo: R717 (Ammonia) Instalovaný chladící výkon: 1800 kw Investiční náklady: ,= Průměrné roční COP: 3.5 Počet provozních hodin: 4500 h/rok Spotřeba energie: 2,314,300 kwh/rok Cena energie: 0,12 /kwh Roční cena energie: 277,716,= Dodatečné náklady na energie (20 45 %): až od 55,500.= do 125,000.= /rok (5-10% investice ročně ) 19

20 Syntetická chladiva HCFC (R22) již zcela zakázány v nových instalacích HFC (tzv. F-plyny - R134a, R507, atd.)- jejich použití znamená zvýšenou spotřebu elektrické energie a vysoké riziko s ohledem na očekávané zpřísnění předpisů omezujících jejich použití z důvodu negativního vlivu na Globální oteplování, zejména pro velké průmyslové instalace (náplně). Rovněž vyšší cena vlastního chladiva (dnes až 300%-800% proti NH3). Přírodní chladiva Při použití přírodních chladiv NH 3, popř. CO2 (v kaskádních systémech) je nejvyšší energetická účinnost systému a žádná omezení z hlediska vlivu na životní prostředí. Existující omezení z hlediska bezpečnosti lze technicky běžně řešit v rámci návrhu systému. Jednoznačně preferované řešení v průmyslovém chlazení, neboť jako jediná neznamenají riziko dodatečných nákladů v blízké budoucnosti. 20

21 PŘÍRODNÍ CHLADIVA (Bezpečnostní hledisko) Čpavek (NH 3, R717), B2 jedovatý Částečně hořlavý Kysličník uhličitý (CO 2, R744), A1 Vysoké tlaky (T = o C; P = 26.0 bar) (T = 35 o C; P = 73.8 bar) Sulphur-dioxide (SO 2, R764) Corrosive 21

22 AMMONIA: PŘÍRODNÍ CHLADIVO Čpavek produkuje přirozenou cestou každý člověk a živočich; 17 g/den a osobu Množství vyprodukovaného NH3 Přirozená produkce Průmyslová výroba Použito pro chlazení 3000 mil tun/rok 120 mil tun/rok 6 mil tun/rok 22

23 Koncentrace vzduchu [ppm] ve VLASTNOSTI AMONIAKU Efekt na lidská organismus 5 Zaznamenatelný čichem (3mg/m3) 20 MAC-limit (přípustný expoziční limit) 25 Počátek nepříjemného pocitu 50 Nepříjemný pocit v nose, očích a krku, po chvíli se však lze aklimatizovat. 500 Okamžitý nepříjemný pocit na sliznicích, obtížné dýchání. (IDLH) 3500 Smrtelné již po relativně krátkém působení (30-60 min) Okamžitá otrava, puchýře a chemické popálení. Nižší výbušná hranice Vyšší výbušná hranice Zápalná teplota Nutná energie 16 % objemových ve vzduchu 25 % objemových ve vzduchu 650 o C 0.1 to 1 Joule 23

24 Ammoniak je jedovatý a je nutné s ním zacházet s respektem. Ročně je skladovány, transportován a manipulováno s milliony tun, bez zásadních bezpečnostních problémů. Není korozivní Není výbušný (v pravém slova smyslu) ani vysoce hořlavý Může být skladován při relativně nízkých tlacích Je lehčí než vzduch Nejedná se o skleníkový plyn 24

25 V klasických tzv. přímých systémech byl/je čpavek dopravován až ke spotřebičům chladu (např. chladičům). To resultuje v systémy s velkými náplněmi chladiva a dlouhými potrubními rozvody. Náplně až 40 t a více nebyly výjimečné (zejména ve světě). Příklady: 400 m rychlobruslařská dráha (Amsterdam) 40 t R717 Pivovar Heineken ( s-hertogenbosch, NL) 50 t R717 (Rekonstruován na méně než 8 t R717, přechodem na sekundární chladiva) Rituální jatka v Mece (Saudská Arábie) 60 t R22 25

26 Minimalizace možnosti úniků, obzvlášť ve hustě obsazených prostorách. Co nejrychlejší detekce a zastavení úniku. Opatrné a bezpečné zacházení s chladivem ve strojovnách. Dosažitelnost bezpečnostních pomůcek v místech s možností úniku. Minimalizace možných následků při úniku mimo budovu. Existence havarijního plánu a krizového scénáře. 26

27 Minimalizace náplně NH3 a jeho izolování v prostorách bez trvalé přítomnosti lidí, je jedním z hlavních požadavků při návrhu. Nepřímé systémy - rozdělení systému na primární (NH3) a sekundární (látka transportující chlad ke spotřebičům sekundární chladivo). Sekundární chladiva pro chlazení: teploty > 1 o C: voda teploty < 1 o C: glykolová směs apod. teploty < 5 o C: lze uvažovat o použití CO 2, což přináší energetické úspory (menší příkony čerpadel, vyšší vypařovací teplota) Zmrazovací tunely, aplikace <-37 C: CO 2 /NH 3 kaskádní systémy 27

28 Nepřímé systémy s nemrznoucími směsi jsou výrazně energeticky náročnější! Vypařovací teplota až o 4-6 K nižší, plus nutnost čerpadel u nepřímých systémů s nemrznoucími směsmi, znamená nárůst spotřeby energie o 20-30%, v závislosti na typu použitého sekundárního chladiva. Použitím CO2 je možné toto částečně eliminovat. 28

29 Rozdíly mezi NH 3 a CO 2 NH 3 CO 2 - Páry lehčí než vzduch - Páry těžší než vzduch - Je cítit - bez zápachu - Zaznamenatelný čichem již při - Obtížně zaznamenatelný, vyžaduje zkušenost nízkých koncentracích - Tolerantní k přítomnosti vody, - Ve spojení s vodou korosivní rozpustný ve vodě otevření Nutné důkladné vyvakuování po každém systému Únik CO 2 do NH 3 má za následek ammoniumcarbamate NH 4 NH 2 CO 2, pevná bílá hmota podobná prášku, která spolehlivě ucpe celý systém. 29

30 Jako u všech potenciálně nebezpečných situací i u CO2 platí: NEJVĚTŠÍM RIZIKEM JE PŘEHNANÉ SEBEVĚDOMÍ A PODCENĚNÍ NEBEZPEČÍ! 30

31 Efekt závisí na okolnostech a na fyzické kondici jednotlivců Nad ppm zrychlený tep, únava apod. Typicky 3% (30,000ppm) způsobují dýchací obtíže 5% (nad ppm) bezvědomí 10% kóma 31

32 CO 2 jako alternativní chladivo (podkritické) v průmyslovém chlazení. CO2 je klíčovou alternativou pro redukci náplní NH3: - jako sekundární chladivo dopravované čerpadlem, nebo - jako primární chladivo v kaskádních systémech Vzhledem k nízké kritické teplotě (31 o C), lze efektivně použít pouze v nízkoteplotní části okruhu (<-5 C), přičemž NH3 je pak většinou použit na vyšším stupni (>-5 > 45 C). Vždy horší energetická účinnost v porovnání s jakýmkoliv přímým systémem NH3 (až na určité výjimky při vypařovacích teplotách pod -40 C) vzhledem k nutnému teplotnímu spádu mezi CO2 a NH3. 32

33 33

34 Systémy s CO2 jako sekundárním chladivem: Energeticky zajímavá alternativa k nepřímým glycolovým/solankovým/apod. systémům Omezení v souvislosti s maximálními provozními tlaky komponentů (např. chladiče). Nicméně, protože vypařování a kondenzace CO 2 má mnohem lepší termodynamické vlastnosti než klasická sekundární chladiva (1 fázové směsi), je u CO2 výrazně menší navýšení energetické náročnosti. 34

35 Energy consumption [%] Compressor energy consumption NH3-pump Glycol - dt 4.3 K Glycol - dt 8.9 K CO2-pump System 35

36 36

37 COP(NH3)/ COP(CO2) COP-ratio: NH 3 -twostage/co 2 -NH 3 Cascade (T c = -15 o C) T_evap [ o C] 37

38 Energeticky výhodná aplikace v systémech s výparnou teplotou nižší než cca 40 o C. Trojný bod CO2 je 56 o C, proto rozumně aplikovatelné v rozmezí teplot od 54 o C do 40 o C (v závislosti na přesnosti řídícího a bezpečnostního systému ). T-crit ~ - 40 o C ~ - 5 o C Spotřeba energie bude o cca 15 % vyšší v porovnání se všemi přímými NH3 systémy, ale 10 až 25 % nižší než u nepřímých systémů s nemrznoucími směsi (glykol, apod.). 38

39 39

40 40

41 2 NH 3 + CO 2 NH 4 NH 2 CO 2 Ammoniumcarbamate Zmizí po zahřátí horkým vzduchem, snadno rozpustný ve vodě 41

42 Hustota par CO 2 je mnohem nižší ne u NH3 (41x při - 40 C) Vyšší hmotnostní průtok a tedy Menší sací potrubí (cena instalace) a tedy Menší kompresor (až 8 x z pohledu nasávaného objemu) 42

43 Grasso International Refrig eration Divisio n 43

44 Odtávání horkými parami je upřednostňováno z důvodu provozních nákladů. S CO2, není snadné dosáhnout požadovaných teplot z důvodu vysokých tlaků. Alternativní metody odtávání jsou: Samostatný vysokotlaký odtávací kompresor Malý nadkritický odtávací kompresor Vyvíječ horkých par (využívající tepla chladícího systému) Elektrické odtávání (investičně nejlevnější, nicméně nejvyšší provozní náklady) Odtávání vloženým glykolovým okruhem v CO2 chladičích Volba metody odtávání je závislá na aplikaci. 44

45 Cena CO2 cca 0,5-1 /kg 45

46 Chlazení a klimatizace mají výrazný negativní vliv na životní prostředí po celém světě. Přírodní chladiva se jeví zřejmou volbou jako ekologická alternativa k HFC chladivům. Všechna tato chladiva se vyskytují v přirozených přírodních cyklech. Nepřispívají ke ztenčování ozonové vrstvy a nemají zásadní vliv na skleníkový efekt. Tato chladiva jsou používána při výrobě potravin a jejich skladování již déle než 100 let. Termodydamické vlastnosti garantují nejnižší spotřebu energie. Proto jsou přírodní chladiva jako amoniak a oxid uhličitý již nyní minimálně v průmyslových chladicích systémech první volbou a očekává se spíše další rozšiřování jejich použití. 46

47 3. 47