|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 10/2004
Chłodzenie oszczędniejsze i bezpieczniejsze. Bez freonu
|
|
Od tysięcy lat ludzkość zaspokajała potrzeby w zakresie chłodzenia różnych produktów i otoczenia korzystając z lodu i śniegu. Dopiero w latach 80. XIX w. uczeni sformułowali podstawy współczesnych metod sztucznego obniżania temperatury. Szybki rozwój fizyki i techniki sprawił, że w ostatnim stuleciu opracowano wiele rozwiązań urządzeń i instalacji chłodniczych.
|
W technice chłodniczej stosuje się obecnie, oczywiście na różną skalę, ponad 10 zjawisk fizycznych, m.in. przemiany fazowe, rozprężanie gazu, dławienie, efekt wirowy i zjawisko Peltiera (schładzanie termoelektryczne). W miarę rozszerzania obszarów aplikacji chłodnictwa wzrasta liczba tych instalacji: w 2000 r. na świecie wyprodukowano łącznie 100 mln stacjonarnych i 35 mln przewoźnych urządzeń chłodzących.
Energetyka i chłodnictwo są ze sobą nierozerwalnie związane, gdyż sztuczne obniżanie temperatury można uzyskać jedynie przez doprowadzenie energii do maszyny chłodzącej. Pobór mocy przez współczesne urządzenia chłodnicze zawiera się w bardzo szerokim przedziale od dziesiątek watów do kilku megawatów.
Dla zmniejszenia poziomu energochłonności tych maszyn, w XX w. trwał nieustanny wyścig technologiczny, w którym – jak teraz dostrzegamy - najwyraźniej pominięto ekologiczne aspekty eksploatacji układów chłodniczych. W rezultacie od lat 30. ubiegłego stulecia w przemysłowych i komunalnych instalacjach chłodniczych (a także klimatyzacyjnych) szeroko stosowano sprężarkowe układy na bazie freonu. Emisja tych gazów doprowadziła w końcu do niebezpiecznego pogłębienia problemów ekologicznych naszej planety, tj. zmniejszenia warstwy ozonu w atmosferze i nasilenia efektu cieplarnianego.
Z tego powodu w ostatnich dwudziestu latach międzynarodowe organizacje zaostrzyły wymagania stawiane nowoczesnym układom chłodniczym. I tak w 1987 r. wszystkie kraje wytwarzające freony podpisały tzw. protokół montrealski, zgodnie z którym zabroniono stosowania wielu rozpowszechnionych gazów tego rodzaju (m.in. R12, R13 i R502). Dla zastąpienia w technice chłodniczej tych czynników zalecono wdrażanie innych mediów. Jednak później znaczną część tych alternatywnych substancji zaliczono do tzw. gazów cieplarnianych o działaniu nieporównanie silniejszym od najpowszechniej występującego dwutlenku węgla (np. emisja 1 kg gazu R134a powoduje taki sam efekt jak 1300 kg CO2). Rezygnacja ze stosowania freonów przyspieszyła badania nad nowymi rozwiązaniami w technice chłodniczej, w której coraz większe znaczenie przypisuje się spełnieniu dwóch wymagań: wysokiej sprawności oraz ekologicznej czystości. Aktualnie zarysowuje się kilka tendencji rozwoju układów chłodzących.
Trwają poszukiwania nowych syntetycznych mediów chłodzących, jednak proces ten napotyka na poważne utrudnienia. Wdrażanie nowych czynników wymaga długotrwałych badań i pociąga dodatkowe wysokie koszty wskutek konieczności użycia innego oleju oraz niektórych elementów. W rezultacie cena urządzeń chłodzących nowej generacji wzrasta o 30-40 proc. Ostatnie doświadczenia wykazały, że niektóre z tych czynników chociaż nie wywołują rozkładu ozonu, również powodują efekt cieplarniany, a nawet mogą przekształcać się w trujące związki chemiczne. Ponadto takie gazy chłodzące, jak np. R115, po ulotnieniu się do atmosfery łączą się z chlorem i tworzą nowe związki przyczyniające się do rozkładu ozonu.
Problemy stwarzane przez dotychczas stosowane syntetyczne gazy chłodzące skłoniły zachodnioeuropejskich naukowców do sięgnięcia po znane media naturalne jak propan, amoniak czy dwutlenek węgla. Gazy te odznaczają się dobrymi własnościami termodynamicznymi, relatywnie niską ceną, nie stwarzają ekologicznych zagrożeń, a ich masowa produkcja jest doskonale opanowana. Jednak używane w instalacjach chłodzących wymagają zastosowania specjalnych środków bezpieczeństwa. Toksyczność i palność amoniaku i węglowodorów zmusza do zapewnienia szczególnej hermetyczności układu, co podnosi koszty urządzenia. Z kolei przy stosowaniu dwutlenku węgla trudności stwarza jego bardzo wysokie ciśnienie i niska temperatura krytyczna.
Mniejsze nadzieje wiąże się z wykorzystaniem ekologicznie czystych układów chłodzenia opartych na nietypowych niskosprawnych przemianach energii. Przykładami tych zastosowań są chłodziarki sorbcyjne, powietrzne, parowe, układy realizujące zjawisko Peltiera, Ranke’a itp. Układy tego typu nie szkodzą warstwie ozonowej, jednak przyczyniają się do wzrostu emisji dwutlenku węgla towarzyszącej wytwarzaniu zużywanej przez nie energii elektrycznej. Zdaniem naukowców inwestowanie większych środków w rozwój tych nietypowych rozwiązań nie jest uzasadnione, gdyż nawet w idealnym przypadku ich sprawność nie może przekroczyć 20-25 proc. Dlatego przewiduje się, że użycie podobnych układów o niskiej sprawności ograniczy się wyłącznie do szczególnych obiektów i aplikacji.
Specjaliści techniki chłodniczej uważają, że w niedalekiej przyszłości nastąpi prawdziwa rewolucja w zakresie sposobów chłodzenia. Nowymi metodami mają okazać się tzw. sprężarki dźwiękowe oraz „chipy chłodnicze”. W pierwszym przypadku dla obniżania temperatury wykorzystano dźwięk; liderem tej technologii jest amerykańska firma Marco Sorix Co. Natomiast metodę „chłodniczych chipów” opartą na zjawiskach termojonowych rozwija angielska firma Borealis Technical. W tym przypadku oczekuje się dwukrotnie wyższej sprawności przemiany niż w typowych chłodziarkach sprężarkowych.
Innym, prawdopodobnie najlepiej rokującym kierunkiem doskonalenia urządzeń chłodzących, okazuje się zastosowanie maszyn Stirlinga. Koncepcja wykorzystania cyklu Stirlinga do realizacji maszyn o umiarkowanym chłodzeniu nie jest bynajmniej nowa. Już w 1834 r. skonstruowano doświadczalne modele maszyn chłodzących Stirlinga, które wkrótce uzyskały szerokie zastosowanie m.in. w przetwórstwie żywności oraz na statkach rybackich. Jednak z powodu pewnych niedoskonałości konstrukcyjnych z początkiem XX w. zostały one wyparte przez chłodziarki sprężarkowe.
Maszyny Stirlinga były już prezentowane na łamach naszego miesięcznika. Przypomnijmy zatem, że posiadają one szczelny cylinder z jednej strony ogrzewany, zaś z drugiej oziębiany. W silniku Stirlinga gaz roboczy w cylindrze (powietrze, azot, wodór lub hel) jest ogrzewany po stronie gorącej i ulega rozszerzeniu przesuwając tłok, pod którym przepływa na stronę zimną pod działaniem drugiego tłoka przemieszczanego przez korbowód maszyny. Odwracając tę zasadę, przez doprowadzenie zewnętrznej mocy napędowej do tłoka uzyskuje się przenoszenie ciepła z jednej strony cylindra na drugą, czyli możliwość chłodzenia otoczenia.
Termodynamiczny cykl Stirlinga został przedstawiony przez jego wynalazcę w 1816 r. Składa się z dwóch izoterm oraz dwóch izochor i teoretycznie zapewnia sprawność przemiany równą sprawności idealnego cyklu Carnota. Wyróżniającą cechą chłodziarek pracujących zgodnie z tą zasadą jest, w przeciwieństwie do chłodziarek sprężarkowych, realizacja procesów sprężania i rozszerzania gazu oraz wymiany ciepła w jednym elemencie konstrukcyjnym, czyli cylindrze. Dzięki temu osiąga się kompaktową budowę maszyny o wysokiej sprawności termodynamicznej.
Dotychczas skonstruowano na świecie dziesiątki różnych rozwiązań maszyn chłodzących Stirlinga. Ocenia się, że technologia tych maszyn, włącznie z najtrudniejszymi problemami, jak uszczelnienia części ruchomych i wybór optymalnych materiałów, została już praktycznie całkowicie opanowana. Dlatego też obok tradycyjnych zastosowań w technice wojskowej (np. chłodzenie detektorów promieniowania podczerwonego) i kosmicznej (pokładowa zamrażarka próbek krwi i moczu kosmonautów), rosną szanse wykorzystania chłodziarek Stirlinga w układach klimatyzacji czy przechowywaniu żywności. Na rynku urządzeń chłodniczych wielu krajów oferuje się obecnie pierwsze maszyny tego typu o mocach od kilku do kilkudziesięciu kilowatów utrzymujące temperaturę –30 do –3 st. C. Do czołowych producentów tych urządzeń należą amerykańskie firmy Stirling Thermal Motors i Stirling Power Systems.
W najbliższej przyszłości oczekuje się pojawienia chłodziarek o mocy ponad 100 kW i temperaturze chłodzenia poniżej -40 st. C. Konstruktorzy pracują także nad doskonaleniem rozwiązań przeznaczonych dla domowych lodówek i zamrażarek. Pierwsze z nich wykonano w Wielkiej Brytanii jeszcze w 1957 r. W chłodziarkach tych używano powietrza jako czynnika roboczego, a sprawność była zbliżona do efektywności typowych sprężarkowych agregatów freonowych. Niestety nie przyjęły się one na rynku z powodu znacznie wyższej ceny, wynikłej z większej złożoności technologii produkcji. Najnowsze domowe chłodziarki produkcji amerykańskiej (m.in. firmy Cryodynamics Inc.) przewyższają pod względem sprawności swoje freonowe odpowiedniki, osiągając poziom 60 proc.
|
|
|
|
