Ing. Václav Růžek, Kritéria volby chladiva v průmyslovém chlazení a specifika aplikací s přírodními chladivy (NH3 a CO2) 1
P r ů m y s l o v é 6-1 0 % t r h u c h l a z e n í c h l a z e n í 2
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
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
Z hlediska: Životního prostředí Spotřeby energie Bezpečnost Ostatní (cena chladiva, velikost a existence kompatibilních komponentů, servisovatelnost, kvalifikační předpoklady apod.) 5
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
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
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
Přijatá opatření - Kyoto Protocol 1997 - 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 *) 2006 - Země EU (EU-15) se zavázaly ke dalšímu snížení emisí skleníkových plynů o 8% pod úroveň roku 1990 v období 2008-2012 - Důsledkem je již platná současná legislativa Revize dopadů a návrh dodatků v roce 2011 *MAC: Mobilní klimatizace pouze v osobní dopravě 9
Související opatření - EU legaslativa Energy Efficiency * dále zpřísňuje krátkodobé cíle do roku 2020-20% -20% 100% 20% Greenhouse 1 2 3 gas levels Energy consumption Renewables in energy mix * např. EPBD, Ecodesign ErP 10
*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 2050 11
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
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
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 150 125 100 100,0 102,6 96,0 144,2 137,1 120,7 118,9 106,8 98,4 126,9 120,1 105,6 75 50 25 0 R717 R717 R717 R507 R507 R507 R22 R22 R22 R134a R134a R134a 14
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 200 160,5 150 100 100,0 123,1 113,7 120,1 130,5 122,6 127,2 108,3 123,6 105,0 50 0 R717 R717 R717 R507 R507 R507 R22 R22 R22 R744/R717 R744/R717 15
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 250 200 192,0 150 100 100,0 153,2 137,1 131,5 141,0 112,9 151,5 120,2 124,4 107,9 50 0 R717 R717 R717 R507 R507 R507 R22 R22 R22 R744/R717 R744/R717 16
Relative COP Relativní COP při různých výparných teplotách R22 = 100 % (Bitzer info) 100 95 R417A R134a 90 R427A R422D R422A R417A R427A R134a R507 85 R507 R422D R422A -35-30 -25-20 -15-10 -5 0 Evaporating temperature ( C) 80 ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA 17
Relative cooling capacity R507 R422A R427A R422D R417A R134a Relativní chladící výkon při různých výparných teplotách R22 = 100 % (Bitzer info) -35-30 -25-20 -15-10 -5 0 Evaporating temperature 120 115 110 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 R422D R422A R417A R427A R134a R507 ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA 18
V relaci k investičním nákladům: Příklad typického velkého distribučního centra Chladivo: R717 (Ammonia) Instalovaný chladící výkon: 1800 kw Investiční náklady: 1.500.000,= 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
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
PŘÍRODNÍ CHLADIVA (Bezpečnostní hledisko) Čpavek (NH 3, R717), B2 jedovatý Částečně hořlavý Kysličník uhličitý (CO 2, R744), A1 Vysoké tlaky (T = -10.7 o C; P = 26.0 bar) (T = 35 o C; P = 73.8 bar) Sulphur-dioxide (SO 2, R764) Corrosive 21
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
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). 20000 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
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
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
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
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
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
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
Jako u všech potenciálně nebezpečných situací i u CO2 platí: NEJVĚTŠÍM RIZIKEM JE PŘEHNANÉ SEBEVĚDOMÍ A PODCENĚNÍ NEBEZPEČÍ! 30
Efekt závisí na okolnostech a na fyzické kondici jednotlivců Nad 2000-5000ppm zrychlený tep, únava apod. Typicky 3% (30,000ppm) způsobují dýchací obtíže 5% (nad 50 000 ppm) bezvědomí 10% kóma 31
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
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
Energy consumption [%] Compressor energy consumption 150 100 50 0 NH3-pump Glycol - dt 4.3 K Glycol - dt 8.9 K CO2-pump System 35
36
COP(NH3)/ COP(CO2) COP-ratio: NH 3 -twostage/co 2 -NH 3 Cascade (T c = -15 o C) 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0-55 -50-45 -40-35 -30-25 -20 T_evap [ o C] 37
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
40
2 NH 3 + CO 2 NH 4 NH 2 CO 2 Ammoniumcarbamate Zmizí po zahřátí horkým vzduchem, snadno rozpustný ve vodě 41
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
Grasso International Refrig eration Divisio n 43
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
Cena CO2 cca 0,5-1 /kg 45
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
3. 47