R290 (propan) jako zamiennik R502 i R22

Zastosowanie jako alternatywny czynnik chłod­niczy znajduje propan (R290). Ponieważ jest substancją organiczną (węglowodorem), nie wpływa niszcząco na warstwę ozonową i ma znikomy potencjał tworzenia efektu cieplarnianego. Propan ma wszakże pewien udział w powstawaniu letniego smogu.

Poziomy ciśnienia roboczego i wydajność chłodnicza są porównywalne z własnościami czynników R22 i R502, a temperatura tłocze­nia kształtuje się na podobnie korzystnym poziomie, jak dla R12 i R502. Propan nie sprawia szczególnych trudności w zakresie tolerancji materiałowej. W przeci­wieństwie do amoniaku, nie jest agresywny wobec materiałów zawierających miedź, więc bez przeszkód może pracować w układach chłodniczych wyposażonych w hermetyczne i półhermetyczne agregaty sprężarkowe. W szerokim zakresie zastosowań propan może współpracować z olejami mineralnymi, wyko­rzystywanymi tradycyjnie w instalacjach napełnionych czynnikami z grupy CFC.
Urządzenia chłodnicze z propanem, głównie instalacje przemysłowe, od wielu lat pracują w różnych krajach. R290 jest „sprawdzonym" czynnikiem chłodniczym. Propan jest też obecny w małych, zwartych układach o niewielkim napełnieniu czynnikiem chłodniczym, jak domowe urządzenia klima­tyzacyjne i pompy ciepła. Ponadto można zaobserwować trend coraz szerszego jego wykorzystywania w instalacjach handlowych i w agregatach do chłodzenia cieczy. Na rynku są dostępne też mieszaniny propanu z izobutanem (R600a) lub etanem (R170), których niektóre własności są zbliżone do fluorowanych czynników chłodniczych. Z kolei czysty izobutan stanowi przede wszystkim zamiennik czynnika R12 w urządzeniach o małej wydajności (głów­nie w chłodziarkach domowych).

Wadą węglowodorów jest ich palność, która lokuje te substancje w grupie bezpieczeństwa A3. Oznaczało, że handlowe urządzenia chłod­nicze z typową ilością czynnika w układzie muszą być wykonane zgodnie z odpowiednimi przepisami przeciwwybuchowymi. Urządzenia wyposażone w sprężarki półherme­tyczne podlegają w tym zakresie regulacjom obowiązującym dla miejsc zagrożonych wybu­chem sporadycznie i krótkotrwale (strefa 2 wg. Dyrektywy 1999/92/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z 16 grudnia 1999r. dopisek tłum.). Przepisy bezpieczeństwa nakazują instalowanie odpowiednich urządzeń przeciwdziałających nadmiernemu wzrostowi ciśnienia oraz stoso­wanie specjalnych rozwiązań instalacji elektrycznej. Wymagana też jest niezawodna wentylacja pomieszczeń, w których w przypad­ku wycieku mogło by dojść do powstania palnej mieszaniny czynnika chłodniczego z powietrzem. Wymagania konstrukcyjne zawarto w odpowied­nich normach (np. EN378, DIN7003) i mogą się one różnić w poszczególnych krajach. Urządzeń eksploatowanych na terenie Unii Europejskiej dotyczy też Dyrektywa 94/9/EC. W przypadku instalacji ze sprężarkami dławnicowymi wymaga się instalowania wyposażenia elektrycznego w specjalnym wykonaniu przeciwwybuchowym.


Wymagania techniczne

Poza wymienionymi zabezpieczeniami, insta­lacje chłodnicze napełnione propanem nie wymagają praktycznie żadnych specjalnych rozwiązań, nie spotykanych w typowych ukła­dach z czynnikami typu CFC, HCFC i HFC. Dobierając elementy urządzenia należy jedynie pamiętać o stosunkowo małym masowym natężeniu przepływu propanu (ok. 55 do 60% strumienia masy R22). Daje to możliwość znacznego zmniejszenia ilości czynnika chłodniczego w układzie. Własności termodynamiczne propanu sprawia­ją, że zainstalowanie w układzie chłodniczym regeneracyjnego wymiennika ciepła przynosi korzyści w postaci polepszenia wydajności chłodniczej i współczynnika wydajności chłodniczej. Propan wykazuje dobrą rozpuszczalność z olejami mineralnymi. W zakresie wyższego ciśnienia ssania (zastosowania klimatyzacyjne) może nawet okazać się konieczne wykorzy­stanie oleju o gorszej rozpuszczalności lub o podwyższonej lepkości. W tym względzie obecność regeneracyjnego wymiennika ciepła ma dodatkową zaletę, gdyż podwyższając temperaturę zasysanej pary, obniża graniczną rozpuszczalność czynnika i oleju, dzięki czemu środek smarny zachowuje w sprężarce wyma­ganą lepkość. Dzięki niskiej temperaturze tłoczenia propanu, nawet przy temperaturze parowania rzędu -40°C można stosować jednostopniowe układy chłodnicze. R290 można zatem brać pod uwagę jako zamiennik R502 i alternatywę dla niektórych mieszanin z grupy HFC

Dostępny jest szereg półhermetycznych sprężarek tłokowych przewidzianych do pracy z R290. Stosownie do wymagań, agregaty te wyposaża się w odpowiedni osprzęt. O przeznaczeniu do pracy z propa­nem świadczy litera „P" w oznaczeniu typu sprężarki (np. 4CC-9.2P). Zarówno w zapytaniu ofertowym, jak i w zamówieniu należy wyraźnie zaznaczyć, że chodzi o czynnik R290. Obsługa zamówienia obejmuje spo­rządzenie odrębnej umowy z kontrahentem. Dla propanu dostępne są też tłokowe sprężarki otwarte, wraz z całym osprzętem przeciwpożarowym, wymaganym do zapewnienia bezpieczeństwa eksploatacji.

Przezbrajanie istniejących układów z czyn­nikami grupy CFC

Z uwagi na konieczność stosowania odpo­wiednich zabezpieczeń przeciwpożarowych, wymiana czynnika na propan jest możliwa tylko w wyjątkowych przypadkach. Ograniczają się one do układów, które można niewielkim nakładem zmodyfikować tak, aby odpowiadały wymogom bezpieczeństwa.



Rys. 1. Porównanie wydajności chłodniczej (Q_o) i współczynnika wydajności chłodniczej (COP) czynników R290, R1270 i R22 w instalacji ze sprężarką półhermetyczną, w zależności od temperatury parowania.

Rys. 2. Porównanie parametrów nasycenia czynników R290, R1270 i R22.
   
   
   
Propylen (R1270) jako czynnik alternatywny wobec propanu

Od pewnego czasu rośnie zainteresowanie propylenem (propenem) jako potencjalnym zamiennikiem R22 i R502. Chodzi tu szczegól­nie o instalacje średnio- i niskotemperaturowe (np. agregaty do chłodzenia cieczy w super­marketach), gdyż w porównaniu z propanem, czynnik R1270 charakteryzuje się wyższą jed­nostkową wydajnością chłodniczą objętościową i niższą temperaturą parowania. Z drugiej strony, zakres możliwych parametrów robo­czych jest zawężony przez wyższe ciśnienie robocze (o ok. 20%) i wyższą temperaturę tłoczenia. Tolerancja materiałowa i możliwości współpra­cy z olejami są takie same, jak w przypadku propanu. Propylen również jest substancją palną i należy do grupy bezpieczeństwa czynników chłodni­czych A3. Dotyczą go zatem te same regulacje prawne, co R290.

Z powodu podwójnego wiązania w cząsteczce, propylen stosunkowo łatwo wchodzi w różnego rodzaju reakcje chemiczne, co zwiększa niebezpieczeństwo polimeryzacji w warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury. Wszakże doświadczenia przeprowadzone przez produ­centów węglowodorów, jak i testy stabilności w rzeczywistych instalacjach wykazały, że groź­ba zachodzenia reakcji chemicznych w układzie chłodniczym praktycznie nie istnieje. W niektórych publikacjach można napotkać podejrzenia rakotwórczych właściwości propylenu. Odpowiednie badania wykluczyły jednak takie oddziaływanie.

Wymagania techniczne

W zakresie budowy układu chłodniczego można wykorzystać reguły dotyczące instala­cji pracujących z propanem. Różne są jednak wymiary elementów składowych urządzenia, z powodu wyższej jednostkowej wydajności chłodniczej objętościowej propylenu (rys. 1). Wymagana jest zatem mniejsza wydajność skokowa sprężarki oraz objętościowe natęże­nie przepływu po stronie ssawnej i tłocznej. Z uwagi na większą gęstość pary, masowe natężenie przepływu pozostaje jednak na poziomie typowym dla R290. Z kolei gęstość ciekłego propylenu jest niemal identyczna jak propanu, zatem objętościowe natężenie przepływu cieczy jest również takie samo. Podobnie jak w przypadku propanu, w układzie pracującym z R1270 korzystne jest zainstalo­wanie regeneracyjnego wymiennika ciepła. Należy jednak pamiętać o wyższej temperaturze tłoczenia propylenu, która limituje przegrzanie zasysanej pary.



Opracowanie na podstawie Raportu BITZER Czynniki Chłodnicze - wydanie 16.