Jsou syntetická chladiva nezbytná?

Odhalení potenciálně zhoubných účinků tvrdých freonů (CFC) na konci 80. let minulého století a později měkkých freonů (HCFC, jedním z nich je i R22) na ozonovou vrstvu vedlo k jejich postupné náhradě chladivy na bázi fluorovaných uhlovodíků (HFC) ve většině chladicích systémů. Měkké freony byly původně považovány za minimálně škodlivé pro životní prostředí, ale nyní je jasné, že významně přispívají ke globálnímu oteplování. Ve skutečnosti jsou tyto sloučeniny na principu náhrady molekuly za molekulu jako skleníkové plyny až 3900krát účinnější než oxid uhličitý (CO2). Použití tvrdých i měkkých freonů bylo regulováno a jejich postupné vyřazení bylo naplánováno Montrealským protokolem z roku 1987. V současné době je zakazují vlády zemí Evropské unie i dalších zemí.

Všechny chladicí systémy vykazují jistou míru netěsnosti a pro odvětví chlazení je těžkým úkolem zaprvé najít způsoby, jak tyto úniky minimalizovat, a za druhé zajistit, aby látky, které přece jen uniknou, nebyly jedovaté a nepoškozovaly životní prostředí. Nelze zkrátka připustit, aby se měkké freony nadále šířily do ovzduší.

Na scénu přicházejí přírodní chladiva
Hrozba klimatických změn a potřeba snížit emise skleníkových plynů pocítila všechna průmyslová odvětví, chladírenství nevyjímaje. Jsou zde závazky vyplývající z Kjótského protokolu, které se týkají snížení emisí skleníkových plynů, a další, ještě přísnější opatření se očekávají od nových jednání OSN o klimatických změnách. Tato nejistá situace vedla k úsilí vyvinout a vylepšit technologie používající přírodní chladiva, jakými jsou například čpavek a CO₂.

Oxid uhličitý se v současných diskusích o změ­nách klimatu zmiňuje spíše v negativním významu. Tato látka je možnou příčinou katastrofických klimatických změn, které mají vést k extrémním výkyvům počasí a zvyšování hladin moří. Avšak co se týče oblasti chlazení, zde má CO₂ úplně jinou reputaci. Technologie využívající k chlazení oxid uhličitý jsou totiž díky své ekologické šetrnosti považovány za velmi nadějná řešení. Evropská unie hodnotí chlazení jeho pomocí za ekologicky naprosto nezávadné. CO₂ je také na rozdíl od fluorovaných uhlovodíků nehořlavý a netoxický a nepoškozuje ozonovou vrstvu, jak to dělají freony. Ekologický (a také marketingový) přínos chlazení pomocí CO₂ už pochopily například supermarkety.

Čpavek byl doposud tradičně používán ve velkých chladírenských průmyslových systémech, například v potravinářských závodech, pivovarech, mlékárnách, farmaceutických a chemických závodech. Ale to se začíná měnit. Během posledního desetiletí začaly čpavkové chladicí systémy pronikat i do jiných oblastí. Chladiče kapalin na bázi čpavku se dnes objevují ve veřejném sektoru, například na letištích, v nemocnicích, školách a kancelářských budovách, tedy tam, kde se dříve čpavek vůbec nepoužíval.

Výzvy spojené s použitím čpavku a CO₂ jako chladiv
Jak roste pravděpodobnost zavedení zákazu používání chladiv na bázi fluorovaných uhlovodíků HFC, stává se čpavek jejich zajímavou alternativou. Je levný, ekologický a energeticky účinný. Jeho jedinou nevýhodou je jeho toxicita, která díky použití nových technologií již není rozhodující. Nejúčinnější způsob, jak zmírnit riziko spojené s jeho toxicitou, je snížit objem chladiva pomocí nových typů výměníků tepla.

Přestože oxid uhličitý je přírodní plyn, nechová se jako tradiční, běžně používaná chladiva. Má skvělé vlastnosti při přenosu tepla, ale vysoký tlak byl vždy jeho hlavní nevýhodou činící jeho využití velice náročným. Intenzivní vývoj a nové metody správného výpočtu chování CO₂ nicméně vedou k novým technologickým řešením umožňujícím využití tohoto plynu.

Účinnost chladicích systémů s CO2 se blíží účinnosti tradičních chladicích zařízení na bázi HFC. Během posledních deseti let došlo k vý­znamnému vývoji jak po stránce účinnosti, tak i bezpečnosti. To vedlo k více a více instalacím s nadkritickým CO2. V počátečních fázích byly samozřejmě problémy, ale období experimentů je již za námi. Dnes máme systémy, které jsou účinné a efektivní.

Nová technologie hliníkových výměníků s mikrokanálky a hermetické nebo polohermetické kompresory nabízejí rovněž nové možnosti využití čpavkových systémů. Hermetické a polohermetické čpavkové kompresory významně snižují riziko úniku chladiva a zvyšují tak spolehlivost celého systému. Pokud navíc dokážou snížit i cenu, umožní průnik malých a středně velkých čpavkových systémů do komerčních a klimatizačních aplikací. Polohermetický kompresor je již nyní na trhu k dostání a hermetický model je ve fázi testování. Je to tedy jen otázka času.

V současné době jsme svědky postupného přechodu od syntetických chladiv k přírodním. Tento vývoj můžeme sledovat například v rámci sortimentu výrobce zařízení pro chla­zení a klimatizaci – společnosti Alfa Laval.

Chlazení s vizí budoucnosti
Příkladem vzduchových chladičů využívajících CO₂ je inovativní řada jednoduchých, účinných a spolehlivých podstropních chladičů vzduchu Optigo, která rovněž vychází vstříc požadavkům trhu na lepší energetickou účinnost. Tato řada je speciálně navržena pro malé až středně velké komerční prostory, jako jsou supermarkety, restaurace a distribuční sklady chlazených potravin. Výrobní řada v současné době zahrnuje tři modely vycházející ze stejného základu, které se od sebe liší ve vzduchotechnice a oblasti uplatnění.
Chladiče Optigo mají řadu předností ekologického charakteru. Zaprvé jsou optimalizovány pro použití CO₂, který má jako chladivo nulový dopad na životní prostředí. Zadruhé jsou produkty Optigo díky elektronicky komutovaným (EC) ventilátorům vysoce účinné, nabízejí nulové ztráty napětí, sníženou hlučnost, omezenou produkci tepla, větší spolehlivost a delší životnost. Ve srovnání s tradičními motory rovněž snižují spotřebu energie až o 60 %, což pomáhá koncovým uživatelům dosahovat jejich vlastních ekologických cílů.

Příkladem řešení pro použití čpavku je odlučovač kapaliny U-Turn, který byl speciálně vyvinut pro použití s deskovými výměníky tepla. K dispozici jsou výkony od 200 do 1 400 kW při výparné teplotě 0 °C a od 50 do 500 kW při teplotě –40 °C. Toto řešení umožňuje účinnou separaci pomocí srážení, sedimentace, odstředivých sil a povrchového napětí, přičemž se vyznačuje nízkou tlakovou ztrátou a podává tak stálý výkon i při částečném zatížení. Další předností je kompaktní konstrukce a nízký objem chladiva.

Příklad z praxe 1 – přechod finských supermarketů na CO₂
Jednou z nejkritičtějších oblastí, co se týče technologií v supermarketech, jsou bezpochyby chladicí a skladovací prostory. Zde se uchovávají veškeré chlazené výrobky předtím, než jsou vystaveny v prodejních regálech. V případě finského S-Marketu jsou tyto místnosti vybaveny výparníky firmy Alfa Laval.

V rámci tohoto zajímavého projektu bylo nejdůležitějším kritériem použití oxidu uhličitého jako chladiva. Nejčastěji používané chladivo ve finských supermarketech je totiž stále syntetické a bohužel nesplňuje připravovanou legislativu, která bude vyžadována během několika málo let. V současné době je v celém Finsku méně než 50 supermarketů používajících k chlazení oxid uhličitý.

Přestože oxid uhličitý je přírodní plyn, nechová se jako tradiční, běžně používaná chladiva. Aby byla zajištěna nejvyšší možná kvalita produktů, otestovali ve firmě Alfa Laval použití CO₂ na některých svých chladičích a poté vytvořili návrhový program k určení přesných výkonových parametrů. Oxid uhličitý má skvělé vlastnosti při přenosu tepla, ale vysoký tlak byl vždy jeho hlavní nevýhodou činící jeho využití velice náročným. Proto byl ve výrobním závodě v italském Alonte postavený speciální izolovaný bunkr, v němž lze chladiva testovat při tlaku až 172 bar.

Díky tomu je možné zjistit, jak oxid uhličitý reaguje při různých tlacích.

Příklad z praxe 2 – fakultní nemocnice v Homertonu
Přechodem na nový chladicí systém s použitím čpavku zvýšila fakultní nemocnice v Homertonu kapacitu chlazení o 50 %, výrazně snížila objem chladiva, a tím i celkový dopad na životní prostředí. Zástupci nemocnice se zpočátku zdráhali použít pro svůj chladicí systém přírodní chladivo, ale přesvědčila je kombinace jeho vysoké účinnosti, nízkých emisí skleníkových plynů a vylepšených bezpečnostních prvků.

Nový systém navržený a nainstalovaný firmou J&E Hall se skládá ze dvou chladicích modulů J&E Hall Aquachill, jejichž jádro tvoří výměníky tepla Alfa Laval. Každý modul Aquachill má chladicí výkon 0,5 MW, je posazen na pojízdné ovládací plošině vyrobené na míru a obsahuje celonerezový výměník tepla AlfaNova, dva rozebíratelné deskové výměníky tepla M10BW s dvojitým rámem pro odpařování a kondenzaci a odlučovač kapaliny U-Turn.

Systém je napojen na dva suché chladiče o výkonu 612 kW umístěné na střeše a obsluhuje nejdůležitější části nemocnice, jakými jsou operační sály, novorozenecké oddělení a jednotky intenzivní péče.

Díky chytré stavebnicové konstrukci a použití odlučovačů U-Turn mohl být objem chladiva snížen o 33 % ve srovnání s běžnými čpavkový­mi systémy. V důsledku toho poskytuje takový systém nejen velmi účinné chlazení, ale záro­veň snižuje emise skleníkových plynů. Spoleh­livý program nouzového vypnutí zaručuje, že případné úniky chladiva budou zadrženy uvnitř systému, což je vzhledem k umístění v nemocnici naprosto nezbytná funkce.

Během výměny zařízení bylo více než 300 kg chladiva R22 nahrazeno zhruba 50 kg čpavku. I přes toto velké snížení objemu chladiva získala nemocnice o 50 % vyšší chladicí výkon. Nový systém byl nainstalován ještě předtím, než byl starý chladicí systém s výkonem 340 kW vyřazen z provozu. Nové zařízení muselo být proto natolik prostorově úsporné, aby se na přechodnou dobu vešlo do malé strojovny vedle toho původního.

Jednotky Aquachill jsou kompaktní hlavně díky odlučovačům kapaliny U-Turn, které byly speciálně zkonstruovány tak, aby se vešly na rám deskového výměníku/výparníku. To je jejich velká výhoda oproti běžným odlučovačům, které jsou obvykle mnohem větší a těžší. Ve spojení s deskovým výparníkem si zachovávají výhody termosifonového systému, ale s mnohem nižším objemem chladiva, jako je to například v chladičích s přímým odparem DX.

Jednotka funguje jako suchá chladicí věž, která umožňuje umístit čpavkové chladivo dovnitř chladiče namísto použití odděleného kondenzátoru. Díky tomu může být čpavková náplň malá a bezpečněji uložená. Celý systém je navíc opatřen zvukotěsným krytem, což snižuje hladinu hluku a zvyšuje bezpečnost provozu.

Příklad z praxe 3 – chlazení pro logistické centrum Globus
Když se společnost Globus rozhodla investovat 21 milionů eur do rozšíření a modernizace svého hlavního logistického centra, hledala pro svoje nové chladírenské haly ten nejvyspělejší chladicí systém.

Mnichovská firma Dieter Sperber Ingenieur­büro für Kältetechnik (konzultanti v oboru chlazení) vyvinula neobvyklé, ale vysoce výkonné řešení. Místo běžného separátoru NH3 byly použity odlučovač U-Turn a deskový výměník tepla Alfa Laval. Malé rozměry umožnily dosáhnout kompaktní konstrukce systému a výrazně nižšího objemu chladiva.

Výhody odlučovače U-Turn byly zjevné už v přípravné fázi projektu. Zařízení se díky svým malým rozměrům velmi snadno převáželo a instalovalo. Mezi jeho další výhody patří nízký objem chladiva, účinná separace a certifikace CE v souladu se směrnicí pro tlaková zařízení.

U-Turn fungující jako odlučovač nabízí lepší separační vlastnosti a snižuje náklady na technické služby, materiál a koordinaci v místě montáže. Představuje ideální řešení pro polosvařované deskové výměníky Alfa Laval, co se týče parametrů kapalinového sloupce a tlakových ztrát. U-Turn díky svým malým rozměrům šetří místo a snižuje celkovou hmotnost systému. To umožňuje vyjít vstříc různým požadavkům zákazníků.
Výsledkem je supermoderní chladicí systém s celkovým výkonem 1 364 kW a zároveň velmi kompaktními rozměry. Kromě odpovídajícího výkonu a velikosti byla nezbytnou podmínkou ze strany zadavatele také vysoká energetická účinnost.

Použitím přírodních chladiv NH₃ a CO₂ bylo dosaženo vysoké úrovně ekologické udržitelnosti. Objem chladiva je v poměru k výkonu systému velmi nízký. To bylo umožněno kompaktní konstrukcí, použitím výměníku U-Turn a připojením k chladiči vzduchu přes solný roztok.

Zvláštní pozornost byla věnována zpětnému získávání tepla. Díky optimální konfiguraci deseti deskových výměníků tepla Alfa Laval a inteligentnímu řízení jednotlivých spotřebičů tepla vystačí rekuperovaná energie na veškerou přípravu teplé vody a vytápění v zimních měsících. Dalších úspor energie je dosaženo pomocí motorů s permanentními magnety a rychlostním řízením a pomocí ventilátorů s EC motory.

Závěr
Životaschopný vývoj nových syntetických chladiv nebo směsí, s výjimkou médií určených pro zvláštní použití, je spíše nepravděpodobný. Místo toho bude budoucnost svědkem rostoucího použití přírodních chladiv – vzduchu, vody, čpavku, CO₂ a uhlovodíků, například butanu či propanu. Ze všech těchto přírodních chladiv jsou nejslibnější čpavek a CO₂, protože jsou účinné, neškodné vůči životnímu prostředí a objem náplně je u moderních systémů podstatně menší než u starších.

Budoucnost čpavku a CO₂ jako chladiv je velmi nadějná. Budou se čím dál více prosazovat v průmyslovém chladírenství a postupně pronikat také do komerčního chladírenství a klimatizačních systémů. Mají dobrý chladicí faktor, který umožňuje maximální využi­tí energie v chladicích systémech a v systémech tepelných čerpadel.

Postupná výměna chladiva R22 představuje pro odvětví ohromnou příležitost. Již dnes existuje obrovský trh – zejména v rozvojových zemích.

Mgr. Ondřej Musil
Obrázky: Alfa Laval (není-li uvedeno jinak)

Autor působí ve společnosti Alfa Laval.

Zpracováno z firemních podkladů.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.