Ing. Václav Růžek, Kritéria volby chladiva v průmyslovém chlazení a

Transkript

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)
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
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
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
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
ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT– 28. LEDNA
2014, HOTEL STEP, PRAHA
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
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 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.
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
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
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.
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.
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.
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
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.).
38
39
40
2 NH3 + CO2  NH4NH2CO2
Ammoniumcarbamate
Zmizí po zahřátí horkým vzduchem, snadno rozpustný ve vodě
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.
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. ODBORNÁ KONFERENCE SCHKT– 28. LEDNA 2014, HOTEL STEP, PRAHA
47

Ing. Václav Růžek, Kritéria volby chladiva v průmyslovém chlazení a

Transkript

Podobné dokumenty

Stáhnout materiál přednáška 5

ServiSní MANUÁL

TX2 TX3 - alfaco.cz

Výtah

Fázové rovnováhy - dvousložková soustava kapalina+kapalina

Info pro provozovatele zařízení obsahujícího fluorované skleníkové

Ing. Stanislav Pluhař Vybrané aplikace s novými chladivy

Příloha 1