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

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

ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT– 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA

1

P r ů m y s l o v é

6 1 0 %

c h l a z e n í

c h l a z e n í

t r h u


2





Přírodní chladiva (NH3, CO2) – používána již od roku 1870 Syntetická chladiva – uvedena na trh kolem roku 1930 (CFC) ◦ CFC: Plně halogenované chlorfluoruhlovodíky (např. R12 = CCl2F2) ◦ HCFC: Neúplně halogenované chlorfluoruhlovodíky (např. R22 = CHClF2) ◦ HFC: Neúplně halogenované hydrofluorovodíky (např. R134a = CF3CH2F) ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT– 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA 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: Přímým únikem chladiva do ovzduší a následnou přítomností v atmosféře, b. Nepřímo přes spotřebu elektrické energie nutnou pro provoz chladících systémů (CO2 vzniklé v důsledku výroby el. energie). Vliv je kvantifikován Potenciálem globálního oteplování-Global Warming Potential (GWP-hodnota) a.


8

Přijatá opatření

- Kyoto Protocol 1997 - Rozvinuté země si odsouhlasily celkové snížení emisí skleníkových plynů HFCs, PFCs a SF6 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 20082012

- 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%

100% -20%

20%

Greenhouse 1

Energy 2

gas levels

consumption

Renewables 3 in energy mix

* např. EPBD, Ecodesign ErP ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT– 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA

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” ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT– 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA

11

ODP 0

Velmi nízké GWP 0 (1 – CO2) Nutnost z hlediska bezpečné investice v dlouhodobém horizontu


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

Typický chlazený sklad, nebo procesní chlazení T-výp = -10 oC; T-kond = 35 oC 144,2

150

137,1 120,7

100

100,0

102,6

126,9

118,9 106,8

96,0

120,1 105,6

98,4

75

50 25

Screw

Screw-economised

Piston (single stage)

Screw

Screw-economised


Screw

Screw-economised


Screw

Screw-economised

0 Piston (single stage)

Spotřeba energie [%]

125

R717

R717

R717

R507

R507

R507

R22

R22

R22

R134a

R134a

R134a


14

Typická mrazírna (sklad mraženého zboží) T-evap = -32 oC; T-cond = 35 oC 200

150 123,1 100

113,7

130,5

120,1

122,6

127,2

123,6 108,3

100,0

105,0

50

Piston (two stage)

Screw

Screw-economised

Piston (two stage)

Screw

Screw-economised

R717

R717

R507

R507

R507

R22

R22

R22

Piston

Screw-economised

R717

Screw

Screw

0 Piston (two stage)

Energy consumption [%]

160,5

R744/R717 R744/R717


15

Mrazící technologie (typicky zmrazovače) T-evap = -45 oC; T-cond = 35 oC 192,0

200 153,2 150

100

137,1

151,5

141,0

131,5

120,2

112,9

100,0

124,4

107,9

50

Piston (two stage)

Screw

Screw-economised

Piston (two stage)

Screw

Screw-economised

R717

R717

R507

R507

R507

R22

R22

R22

Piston

Screw-economised

R717

Screw

Screw

0 Piston (two stage)

Energy consumption [%]

250

R744/R717 R744/R717


16

Relativní COP při různých výparných teplotách R22 = 100 % (Bitzer info) 100

95 R422D

Relative COP

R134a

R422A

90 R417A

R417A

R427A

R427A R134a

85

R507 R422D

R507

R422A

80

-35

-30

-25

-20

-15

Evaporating temperature (°C)

-10

-5

0


17

Relativní chladící výkon při různých výparných teplotách R22 = 100 % (Bitzer info) 120

R507

115 110

Relative cooling capacity

105 100

R422A

95

R422D

90

R427A R422D

R422A

85

R417A

80

R427A

75

R417A

R134a

70

R507

65 60 R134a

55 50

-35

-30

-25

-20

-15

Evaporating temperature

-10

-5

0


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…) ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT– 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA

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 NH3, 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. ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT– 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA

20

PŘÍRODNÍ CHLADIVA (Bezpečnostní hledisko)

Čpavek (NH3, R717), B2  jedovatý  Částečně hořlavý Kysličník uhličitý (CO2, R744), A1  Vysoké tlaky (T = -10.7 oC; P = 26.0 bar) (T = 35 oC; P = 73.8 bar)

Sulphur-dioxide (SO2, R764)  Corrosive ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT– 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA

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

VLASTNOSTI AMONIAKU Koncentrace vzduchu [ppm]

ve 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

16 % objemových ve vzduchu

Vyšší výbušná hranice

25 % objemových ve vzduchu

Zápalná teplota

650 oC

Nutná energie

0.1 to 1 Joule ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT– 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA

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 oC: voda • teploty < 1 oC: glykolová směs apod. • teploty < 5 oC: lze uvažovat o použití CO2, což přináší energetické úspory (menší příkony čerpadel, vyšší vypařovací teplota)

• Zmrazovací tunely, aplikace <-37°C: CO2/NH3 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 2030%, v závislosti na typu použitého sekundárního chladiva. Použitím CO2 je možné toto částečně eliminovat. ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT– 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA

28

Rozdíly mezi NH3 a CO2 NH3 - Páry lehčí než vzduch - Je cítit - Zaznamenatelný čichem již při nízkých koncentracích - Tolerantní k přítomnosti vody, rozpustný ve vodě otevření

CO2 - Páry těžší než vzduch - bez zápachu - Obtížně zaznamenatelný, vyžaduje zkušenost - Ve spojení s vodou korosivní Nutné důkladné vyvakuování po každém systému

Únik CO2 do NH3 má za následek ammoniumcarbamate NH4NH2CO2, 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

CO2 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 oC), 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. ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT– 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA

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 CO2 má mnohem lepší termodynamické vlastnosti než klasická sekundární chladiva (1 fázové směsi), je u CO2 výrazně menší navýšení energetické náročnosti. ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT– 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA

34

150 100 [%]

Energy consumption

Compressor energy consumption

50 0 NH3-pump

Glycol - dT 4.3 K Glycol - dT 8.9 K

CO2-pump

System ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT– 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA

35


36

COP-ratio: NH3-twostage/CO2-NH3 Cascade (T c = -15 oC)

2.5

COP(NH3 )/ COP(CO2 )

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 oC. Trojný bod CO2 je – 56 oC, proto rozumně aplikovatelné v rozmezí teplot od – 54 oC do – 40 oC (v závislosti na přesnosti řídícího a bezpečnostního systému…). T-crit ~ - 40 oC

~ - 5 oC

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.). ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT– 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA

38


39


40

2 NH3 + CO2  NH4NH2CO2 Ammoniumcarbamate

Zmizí po zahřátí horkým vzduchem, snadno rozpustný ve vodě ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT– 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA

41



Hustota par CO2 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 I nt ern at io na l Refrig erati on Di vi sio 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. ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT– 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA

44

Cena CO2 cca 0,5-1€/kg ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT– 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA

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. ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT– 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA

47

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

Recommend Documents