Zamienniki R22 – aspekty projektowe oraz wytyczne dla projektantów i instalatorów
Zgodnie z międzynarodowymi uzgodnieniami określonymi Protokołem Montrealskim, Rozporządzeniami Unii Europejskiej oraz polskimi przepisami w najbliższych latach nastąpi, z uwagi na wymogi ochrony środowiska, konieczność wycofania wszelkich czynników grupy chlorofluoroweglowodorów (HCFC), jako substancji zubażających warstwę ozonową
W obszarze chłodnictwa i klimatyzacji dotyczy to głównie czynnika R22, który jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych czynników ziębniczych.
Na obszarze „starej” Unii Europejskiej proces zakazu wprowadzania na rynek nowych urządzeń zawierających czynniki HCFC rozpoczął się praktycznie od roku 2000 (z małymi wyjątkami) i ostatecznie zakończył się w roku 2004.
W naszym kraju, zakaz ten obowiązuje od roku 2004 – kiedy to Polska przystąpiła do UE i automatycznie przyjęła unijne prawodawstwo m.in. Rozporządzenie (WE) nr 2037/2000, które zostało dodatkowo doprecyzowane przepisami krajowymi takimi jak Ustawa z dnia 20 kwietnia 2004 r. o substancjach zubożających warstwę ozonową. Z dniem 01.01.2010 weszło w życie przekształcenie Rozporządzenia (WE) nr 2037/2000 i obecnie obowiązuje już Rozporządzenie (WE) nr 1005/2009, w którym przyjęto m.in. znacznie bardziej rygorystycznie przepisy dotyczące obrotu czynnikami ziębniczymi z grupy HCFC. Zgodnie z tym rozporządzeniem, obecnie do obrotu mogą zostać wprowadzone tylko posiadające odpowiedni opis i dokumentację zregenerowane czynniki HCFC. Czynniki HCFC poddane jedynie recyklingowi mogą być stosowane wyłącznie przez przedsiębiorstwo, które dokonało lub na zlecenie którego dokonano odzysku czynnika w ramach konserwacji lub serwisowania. Należy także pamiętać że od 1 stycznia 2015 r. nie będzie można stosować już żadnych czynników z grupy HCFC.
W wielu przypadkach okres eksploatacji instalacji i urządzeń z czynnikiem R22, od daty zakupu do daty zakazu stosowania wszelkich czynników z grupy HCFC, może wynosić w Polsce zaledwie 10 lat (od roku 2004 do końca 2014 roku).
Koszty związane z tak krótkim okresem pomiędzy możliwością wprowadzania nowych urządzeń z czynnikiem R22 na rynek Polski a całkowitym zakazem stosowania tego typu czynników (w tym także pochodzących z odzysku) na terenie całej Unii Europejskiej, obciążą głównie przemysł oraz właścicieli np. dużych chłodni składowych czy systemów klimatyzacyjnych. Znaczna część tego typu instalacji ziębniczych prawdopodobnie będzie znajdowała się wciąż w okresie pełnej eksploatacji. W większości przypadków w momencie zakupu zakładano dłuższy okres użytkowania instalacji bez konieczności wymiany na nową, czy też ponoszenia dodatkowych kosztów wynikających z przezbrojenia na zamienne czynniki. Szczególnie dotkliwy na całym obszarze Unii Europejskiej, po granicznej dacie 1 stycznia 2015 roku, może się okazać średni czas eksploatacji urządzenia (od zakupu nowego, do zakładanego końca jego eksploatacji) w konfrontacji z równoczesnym brakiem możliwości naprawy czy też serwisu, jeżeli w jego obiegu znajdować się będzie czynnik z grupy HCFC.
Konieczne jest zatem podjęcie działań, które pozwolą uniknąć, na ile to jest możliwe, dodatkowych wydatków oraz problemów technicznych. Aby zminimalizować ryzyko działań prace te muszą zostać wcześniej odpowiednio zaplanowane i przygotowane.
Przygotowanie do zmiany czynnika ziębniczego
Działania te można podzielić zasadniczo na trzy główne etapy:
- rozpoznanie stanu technicznego instalacji, rodzaju przyjętych rozwiązań, typów aparatów, identyfikacja parametrów roboczych, rodzaju stosowanego czynnika ziębniczego i oleju, wielkości napełnienia instalacji, itp.;
- analiza zebranych danych dotyczących instalacji w celu wyboru optymalnego czynnika zamiennego, analiza zagrożeń i oceny ryzyka związanego z daną operacją zmiany czynnika;
- przygotowanie i przeprowadzenie operacji zmiany czynnika (retrofitu).
Ocena stanu technicznego jest niezbędna z uwagi na konieczność podjęcia m.in. decyzji, czy dany układ jest w takim stanie, że przeprowadzanie operacji przezbrojenia, i w związku z tym, inwestowanie w tą instalację jest wciąż opłacalne (okres eksploatacji, zużycie, awaryjność itp.)
Na tym etapie prac należy m.in.:
- przeprowadzić identyfikację poszczególnych aparatów instalacji;
- zebrać dane z tabliczek znamionowych, dane dotyczące zmian, wymian i remontów części składowych instalacji, stosowanych uszczelnień, wyniki okresowych prób (szczelności, wycieków) itp.;
- przeanalizować dostępną dokumentację i historię instalacji, w miarę możliwości uzyskać informacje od producentów poszczególnych aparatów (np. sprężarek), itp.;
- określić zakres parametrów roboczych (temperatury, ciśnienia itp.).
Analiza dostępnych danych instalacji ma na celu wybór optymalnego rozwiązania, które będzie minimalizować techniczne problemy oraz zakres koniecznych zmian.
Dzięki takiej analizie powinno się uzyskać odpowiedzi m.in. na pytania:
- Czy komponenty i aparaty instalacji mogą pracować z czynnikami zamiennymi (parametry pracy, zgodność chemiczna itp.)?
- Czy można zastosować w danej instalacji zamienne czynniki z tzw. poślizgiem temperaturowym (zeotropowe)?
- Czy mogą pozostać dotychczas stosowane zawory bezpieczeństwa i układy zabezpieczeń instalacji?
- Czy sprężarka i jej silnik napędowy będą mogły pracować w nowych warunkach (np. nie okażą się za małe)?
- Czy zmiana wydajności ziębniczej instalacji jest możliwa do zaakceptowania przez użytkownika?
- Czy będzie zapewniona odpowiednia cyrkulacja oleju w układzie oraz jego powrót do sprężarki?
- Czy koszt operacji przezbrojenia (retrofitu) oraz perspektywy dalszej pracy instalacji (np. jej zużycie) podważa zasadność tych działań i lepszym rozwiązaniem będzie zakup nowej instalacji?
W zamian za R22
Generalnie syntetyczne czynniki ziębnicze stosowane jako zamienniki można zasadniczo podzielić na dwie podstawowe grupy:
- Czynniki przeznaczone do tzw. retrofitu uproszczonego (popularnie zwane jako „drop-in”), takie jak przykładowo zamienniki typu ISCEON, Forane FX, RS np. R417A, R422D, R422A, R427A itp. Generalnie wszystkie tego typu czynniki zamienne: współpracują z olejem mineralnym, co jest warunkiem koniecznym przeprowadzenia tzw. uproszczonego retrofitu; w większości składają się z podobnych składników (np. R134a, R125 + domieszka węglowodoru w celu umożliwienia współpracy z olejami mineralnymi); są mieszaninami zeotropowymi z poślizgiem temperaturowym (czynniki ziębnicze wg. oznaczeń ASHRAE w grupie numeracji R400). Z uwagi na poślizg temperaturowy instalacje muszą być napełnianie tymi czynnikami w stanie ciekłym, nie powinny być stosowane do pracy w urządzeniach z parownikami zalanymi. Żaden z czynników nie może być mieszany z R22.
- Czynniki ziębnicze wymagające przeprowadzenia pełnego retrofitu instalacji (konieczność m.in. wymiany oleju) takie jak np. R404A, R407C, R507A itp. W przypadku zastosowania tych czynników wymagana jest wymiana oleju na syntetyczny (nie współpracują z olejami mineralnymi, wymagają większej ingerencji w istniejący układ chłodniczy). W większości są mieszaninami zeotropowymi z poślizgiem temperaturowym (czynniki ziębnicze wg. oznaczeń ASHRAE w grupie numeracji R400), a jedynie niektóre z nich jako mieszaniny azeotropowe nie posiadają poślizgu temperaturowego i mogą być stosowane także m.in. do parowników zalanych. Żaden z tych czynników nie może być mieszany z R22.
Analiza konsekwencji wymiany czynnika
Ciekawym przykładem konsekwencji tego zjawiska są badania dot. czynnika R407C, który jako mieszanina zeotropowa ma znaczny poślizg temperaturowy. Jak wynika z opublikowanych badań w przypadku zastosowania R407C jako zamiennika R22 w parowaczu typu zalanego (gdzie czynnik ziębniczy wrze na zewnątrz rur, a w rurach przepływa medium ochładzane np. woda) nastąpił drastyczny spadek współczynnika przenikania ciepła od strony czynnika sięgający nawet 75%, w zależności od wielkości poślizgu temperaturowego. Znacznie mniejsze spadki, bo około 20 do 25% współczynnika przenikania ciepła odnotowano w przypadku parowacza suchego (DX). Wyniki zostały przedstawione na rys. 1.
Zjawisko to ma wpływ na pracę całego urządzenia. Dla porównania w tabeli przytoczone zostały wyniki badań oraz procentowe porównanie podstawowych parametrów wytwornic wody ziębniczej, o podobnej konstrukcji, dla różnego typu parowaczy i zeotropowej mieszaniny R32/R125/R134A, w odniesieniu do pierwotnie stosowanego czynnika R22. Między innymi z tego też powodu czynniki będące mieszaninami zeotropowymi w większości przypadków nie są zalecane do stosowania w systemach z: parownikami pracującymi jako zalane, zbiornikami ciekłego czynnika z niskim ciśnieniem czy też np. w układach ze sprężarkami odśrodkowymi.
W wielu przypadkach zmiany parametrów pracy układów ziębniczych mogą nie być aż tak znaczące. Należy jednak pamiętać, że pomimo dobrych własności termodynamicznych zamiennych czynników ziębniczych należy je dobierać z dużą rozwagą, ponieważ stosowane one będą w układach i urządzeniach pierwotnie zaprojektowanych dla innego czynnika np. R22. Przykładowo zastosowanie mieszanin zeotropowych w układach ziębniczych, w których np. skraplacz wodny lub parowacz został zaprojektowany w układzie współprądowym (co nie miało istotnego znaczenia dla czynnika R22, który jest czynnikiem jednorodnym) w przypadku czynników ze znacznym poślizgiem temperaturowym, z uwagi na wymianę ciepła, jest już niekorzystne.
Po uwzględnieniu lub wykluczeniu dla danej instalacji rozwiązań ograniczających stosowanie typowych zamienników (mieszanin zeotropowych) umożliwiających przeprowadzenie tzw. retrofitu uproszczonego, następuje etap dalszej selekcji mający na celu wybór optymalnego zamiennego czynnika.
Należy przeprowadzić analizę porównawczą potencjalnych zamienników w odniesieniu do czynnika pierwotnie znajdującego się w instalacji np. R22.Aby tego dokonać choćby w uproszczony sposób dla konkretnej instalacji konieczne są m.in. dane zgromadzone w trakcie oceny stanu technicznego instalacji takie jak:
- moc silnika sprężarki,
- wydajność geometryczna (objętościowa) sprężarki [m3/h],
- ciśnienie i temperatura parowania oraz skraplania.
Posiadając te podstawowe parametry oraz parametry branych pod uwagę czynników ziębniczych można podjąć próbę wykonania w sposób uproszczony teoretycznego szacunku wpływu zastosowania potencjalnych zamienników np. czynnika R22 dla danej instalacji. Bardzo przybliżoną tego typu analizę można oprzeć na podstawowych zależnościach zakładając, że sprężarka może pracować z nowym czynnikiem i pozostaje bez zmian, zatem jej teoretyczna wydajność objętościowa także pozostaje bez zmian. Oczywiście zmienia się m.in. stopień dostarczenia λ (dla sprężarek pracujących z czynnikami syntetycznymi są to wartości około od 0,6 do 0,9). Jednak dla tak uproszczonych i szybkich analiz, w pewnych przypadkach, można założyć, że nie ulega on istotnej zmianie.
Tego typu szacunkowy sposób określenia wydajności ziębniczej czy poboru mocy układu ma co prawda jedynie charakter teoretyczny i bazuje na uproszczeniach oraz tylko podstawowych zależnościach. Obecnie są dostępne także programy takie jak np.: DUPREX DuPont Refrigerant Expert lub Solkane Refrigerant Software bazujące na własnościach czynników ziębniczych i umożliwiające przeprowadzenie tego typu analizy. Ważne jest wykonanie takich szacunków, gdyż dzięki nawet bardzo przybliżonej teoretycznej analizie użytkownik będzie miał szansę podjąć decyzję o przeprowadzeniu operacji zmiany czynnika w sposób bardziej świadomy – mając informacje o grożących mu potencjalnie konsekwencjach takich jak np. ograniczenie wydajności ziębniczej czy wzrost poboru mocy.
W Centralnym Ośrodku Chłodnictwa COCH na bieżąco monitorowane i porównywane są własności pojawiających się nowych czynników ziębniczych. Analizy te mają na celu ułatwienie wyboru optymalnego zamiennika oraz rozwiązania i procedury operacji retrofitu instalacji.
Na rys. 2 i 3 przedstawiono przykładowe zestawienie wielkości charakterystycznych wybranych czynników dla teoretycznego jednostopniowego obiegu sprężarkowego.
W analizach i ocenie możliwości zmiany czynnika ziębniczego na nowy w danej instalacji szczególnie ważnym aspektem jest wzięcie pod uwagę dopuszczalnych poziomów ciśnień, na które układ został pierwotnie zaprojektowany. W przypadku wzrostu tych wartości układ i jego zabezpieczenia muszą zostać przeanalizowane (zawory bezpieczeństwa, presostaty wysokiego i niskiego ciśnienia, manometry pomiarowe itp). Szczególnie ważne jest aby nie dopuścić do przekroczenia maksymalnych ciśnień roboczych przewidzianych w przezbrajanych instalacjach. Na rys. 4 przedstawiono przykładowe zestawienie własności ciśnienia nasycenia od temperatury dla R22 i wybranych czynników zamiennych.
Zależność ciśnienia nasycenia od temperatury dla R22 i wybranych czynników zamiennych
W ostatnim okresie w Centralnym Ośrodku Chłodnictwa COCH w związku planowanymi operacjami przezbrajania instalacji z czynników grupy HCFC na nowe czynniki zamienne, przeprowadzane są, na zlecenie użytkowników i właścicieli, analizy stanu technicznego instalacji i urządzeń ziębniczych wraz z wyborem optymalnego zamiennego czynnika ziębniczego oraz proponowanymi procedurami tego typu operacji. Daje to możliwość określenia czy w przypadku danej instalacji dalsze inwestowanie oraz zmiana czynnika jest uzasadniona technicznie i finansowo, pozwala także określić zakres optymalnych rozwiązań i procedur wymiany czynnika ziębniczego w danym przypadku.
Wytyczne dla instalatorów
W trakcie procesu zmiany rodzaju czynnika ziębniczego używanego w instalacji, powinno się m.in. wykonać wyszczególnione poniżej czynności sprawdzające oraz potwierdzić ich zgodność z normą PN EN 378.
Planowanie zmiany rodzaju czynnika ziębniczego (wg PN EN 378-4):
- sprawdzić, czy producent instalacji ziębniczej dopuszcza zmianę rodzaju czynnika;
- zbadać wszystkie materiały zastosowane w instalacji, aby upewnić się, czy są one zgodne z nowym czynnikiem;
- sprawdzić możliwość przekroczenia ciśnienia dopuszczalnego;
- sprawdzić, czy czynnik nowego rodzaju może być zastosowany bez konieczności ponownego atestowania zbiorników ciśnieniowych;
- sprawdzić moc silnika;
- sprawdzić pojemność zbiornika cieczy;
- zwrócić uwagę na zagadnienia wynikające ze zmiany klasyfikacji czynnika ziębniczego.
Przeprowadzenie zmiany rodzaju czynnika ziębniczego (wg PN EN 378-4):
- zwrócić szczególną uwagę na zawartość butli gazowych, aby upewnić się, że dodaje się właściwego czynnika ziębniczego do instalacji;
- sprawdzić, czy pozostałości oleju są w dobrym stanie. Jeśli nie, wymienić olej i przed przeprowadzeniem operacji odzysku czynnika ziębniczego z instalacji uruchomić ją z oryginalnym czynnikiem na co najmniej jedną godzinę;
- zapobiec tworzeniu się mieszaniny z pozostałościami czynnika ziębniczego i oleju;
- wnieść poprawki na wszystkich etykietach informacyjnych, dotyczące rodzaju użytego czynnika;
- w razie potrzeby wymienić lub ponownie nastawić przyrządy regulacyjne i zabezpieczające;
- zaktualizować książkę raportów instalacji i dokumentację, łącznie z metryką maszyny;
- upewnić się, czy pierwotny czynnik ziębniczy jest prawidłowo odzyskiwany (zgodnie z przepisami oraz normą).
Ponadto należy zapewnić aby:
- wszystkie operacje wykonywał personel odpowiednio przeszkolony oraz kompetentny w zakresie powierzonych mu zadań, kierując się odpowiednimi procedurami i schematami działania określającymi czynności podczas operacji zmiany czynnika na nowy;
- zużyty czynnik ziębniczy, który nie będzie ponownie użyty, powinien być traktowany jako odpad przeznaczony do bezpiecznego zniszczenia;
- także zużyty olej odzyskany z instalacji, który nie może zostać poddany przeróbce, powinien być traktowany jako odpad przeznaczony do bezpiecznego zniszczenia.
- wszystkie operacje odzysku i ponownego użycia czynnika ziębniczego oraz jego źródło powinny być rejestrowane w książce raportów instalacji chłodniczej;
- przetaczanie odzyskanych czynników powinno być dokonywane tylko do zbiorników oznakowanych rodzajem i przeznaczonych dla danego czynnika;
- należy pamiętać, że napełniając zbiorniki czynnikami ziębniczymi, nie należy przekraczać ich maksymalnej ładowności;
- niedozwolone jest, bez względu na okoliczności, mieszanie różnych czynników ziębniczych;
- instalacje ziębnicze mogą być napełniane czynnikami tylko po przeprowadzeniu próby ciśnieniowej i próby szczelności;
- podczas napełniania czynnikiem ziębniczym należy szczególnie uważać, aby nigdy nie przekroczyć maksymalnego dopuszczalnego napełnienia instalacji.
Autor: Witold Skrzypulec
Centralny Ośrodek Chłodnictwa COCH w Krakowie
