SV IIR SA PREZENTOVALO V TRONDHEIME - časť 1.

 

Abstrakt 

Slovenská republika sa stala členom IIR na základe uznesenia vlády SR č. 958 z 15. decembra 2009. IIR  - International Institute for Refrigeration, je jediná medzinárodná organizácia zahrňujúca všetky odvetia chladenia v chladiacej reťazi, v klimatizácii, kryogenike, tepelných čerpadlách a rekuperácii tepla. Zabezpečuje rozširovanie informácií, prispieva ku intenzifikácii vedeckého výskumu, technických inovácií pre udržateľný vývoj chladenia v prospech ľudstva. Cieľom je presadiť postupy, zmeny technológie, ktoré pomôžu svetu zmierniť hrozbu klimatických zmien, nedostatku kvalitných potravín, nízkej kvality vnútorného vzduchu a podobne. 

Slovensko voči IIR reprezentuje Slovenský výbor pre spolupráci s IIR (SV IIR). Svoju prácu vo vzťahu ku znižovaniu potreby chladív s vysokým skleníkovým potenciálom prezentuje aj na tohto ročnej IIR konferencii Gustava Lorentzena v Trondheime, 12.-15. júna 2022.

Hlavnými bodmi nášho príspevku  boli klesajúce chladivá s vyšším skleníkovým efektom na Slovensku, tepelne hnaný ejektorový chladiaci systém (ECS), jednotky s nízkou náplňou chladiva R723 zmesi amoniaku a DME,  absorpčné chladenie,  tlakové straty kompresorov s chladivom CO2, rotujúce magnetokalorické efekty.

1.  ÚVOD

Na Slovensku podporujeme postupné vyraďovanie chladív s vysokým GWP ako aj nasledujúce technológie vo fáze vývoja alebo výroby: 

  1. Chladivá s vyšším skleníkovým efektom na Slovensku klesajú
  2. Tepelne hnaný ejektorový chladiaci systém (ECS).
  3. Jednotky s nízkou náplňou chladiva R723 zmesi amoniaku a DME.
  4. Absorpčné chladenie.
  5. Tlakové straty kompresorov s chladivom CO2.
  6. Rotujúce magnetokalorické efekty.

Uvedené zamerania sú výskumom v rámci technológií na Slovenskej technickej univerzite (STU) v Bratislave a na Univerzite Pavla Jozefa Šafaríka v Košiciach. SZ CHKT je organizáciou, ktorá vytvára podmienky pre prácu SV IIR, pričom najmä:

  1. Prevádzkuje systém oznamovania údajov a spracovania údajov vo väzbe na certifikáciu osôb
  2. Zabezpečuje vzdelávanie v oblasti práce s chladivami a inštalácií chladiacich okruhov
  3. Realizuje medzinárodnú konferenciu IIR s názvom Compressors

 

1.1 Chladivá s vyšším skleníkovým efektom na Slovensku klesajú 

Slovensko plní tzv. phase-down nastavený v nariadení č. 517/2014/EÚ najmä vďaka výrobcom a inštalačným firmám.

Nové chladiace okruhy majú chladivá najmä R32, R290 respektíve zmesi najmä HFO chladív s R32. V prevádzke rozhodujúcim predpokladom na prácu s chladivami je ekologická zodpovednosť prevádzkovateľov a servisu. Ďalšími predpokladmi sú:

1.        Právna zodpovednosť

2.        Ekonomika servisu a zhodnocovania chladív

3.        Dostupnosť technológií na recykláciu a regeneráciu chladív

4.        Dostupnosť rýchlych a lacných testov na zisťovanie kvality chladiva

5.        Systém evidencie, administrácie pohybu zhodnocovaného chladiva a fliaš

6.        Ekonomika spaľovania nevyužiteľných chladív, ktoré je v súčasnosti drahé.

Predané chladivo v SR porovnané percentuálne s rokom 2015 vyjadrené v kg a v CO2e zaznamenalo pokles, ktorý je rýchlejší ak ho vyjadríme v CO2e ako keď ho vyjadríme v kg. Slovensko tak plní niektoré ustanovenia Nar. 517/2014/EÚ rýchlejšie ako sa očakáva.

 

Systém bol vybraný do draftu  Resource book OECC vydanej k COP 26 v Glasgowe medzi významnými činmi, ktoré boli vyzdvihnuté v publikácii na konferencii COP 26  v Glasgowe bol aj náš systém zberu a spracovania údajov o pohybe chladív umožňujúci sprístupnenie elektronického záznamníka Leaklog nielen servisnej organizácii, ale aj prevádzkovateľovi.

 

1.2 Tepelne hnaný ejektorový chladiaci systém

Ejektorový chladiaci systém (ECS) je jedným z typov tepelne poháňaných chladiacich systémov. Pre ejektorový chladiaci systém vyvíjaný na STU v Bratislave je preferovaným zdrojom energie slnečné žiarenie a vhodnou oblasťou použitia je klimatizácia. Charakteristiky systémov, rozhodujúce termodynamické vzťahy, okrajové podmienky v klimatizačných aplikáciách a vlastnosti konštrukcie tohto chladiaceho stroja sú skúmané na Strojníckej fakulte, Ústav energetiky, Bratislava, Masaryk, 2019. Hlavná výhoda ejektorového chladenia systémov je ich hnacou energiou – teplom. Tieto systémy sú jednoduché, lacné a spoľahlivé a na prevádzku nepotrebujú takmer žiadnu elektrinu. Dobre však fungujú len v stabilných podmienkach. Ich nevýhodou je relatívne nízke COP.

Ak je však dostupný zdroj lacného tepla (napr. solárne alebo odpadové teplo), sú určite sľubným riešením pre klimatizáciu budov. Teplo namiesto elektrickej energie sa používa ako pohonná energia v dvoch druhoch chladiacich strojov – v studni -známe (ale komplikované a drahé) absorpčné chladiace stroje a v ejektorových chladiacich systémoch. Ejektorové chladiace stroje sú jednoduché, spoľahlivé a lacné systémy – bez drahých mechanických častí, akými sú kompresory. Sú výbornou alternatívou výroby klimatizačného chladu – ak je relatívne dostatok miesta na inštaláciu a dostatok zdrojov tepla (aj nízkoteplotného). Takýmito vhodnými miestami sú zvyčajne strechy budov. Ejektorové chladenie v kombinácii s Fresnelovými solárnymi kolektormi predstavuje lacnú a efektívnu metódu koncentrácie slnečného žiarenia (bez drahých koncentrických parabol) a transformácie tohto žiarenia priamo na chlad. Množstvo chladu môže byť dostatočne veľké na to, aby pokrylo celú potrebu chladu klimatizačného systému v budove. Boli vykonané merania na overenie funkcie ejektora. Jeho funkciami je možnosť získať tlak vyparovania a možnosť vytvorenia sacieho efektu, ktorý zabezpečí požadovaný chladiaci výkon. Výsledky z experimentov ukazujú dobrú zhodu s návrhom a možno predpokladať vysokú presnosť prezentovaného matematického modelu.

Schéma zapojenia ECS s chladivom R718 - pracovná kvapalina voda vystupuje z kondenzátora v podmienkach nasýtenej kvapaliny (bod 7) a je čerpaná do generátora, kde sa odparuje. Prehriata vysokotlaková para, ktorá tvorí primárny prúd ejektora, expanduje do hnacej dýzy, pričom dosahuje tlak nižší ako vo výparníku a umožňuje strhávanie nízkotlakovej pary z výparníka, ktorý je sekundárnym prúdom. Následne je zmiešaný prúd stlačený do difúzora ejektora až na tlak kondenzátora (bod 6). V bode 7 sa hmotnostný prietok kondenzátora rozdelí na dve časti, z ktorých prvá ide do čerpadla a druhá cez expanzné zariadenie, pričom dosiahne bod 8 predtým, ako sa vytvorí chladiaci efekt vo výparníku, z ktorého vychádzajú nasýtené pary (bod s). Kondenzačná teplota bola zvolená na 30 °C. Takáto nízka kondenzačná teplota bola umožnená pomocou chladiacej veže na odvod tepla. Teplota vyparovania bola zvolená na 3 °C, aby ňou mohla byť chladená voda klimatizácie. Z dôvodu jednoduchšej a ekonomicky výhodnejšej alternatívy bol použitý kužeľový typ dýzy Laval.

Kombinácia ejektorového chladenia s Fresnelovými kolektormi je nová technológia, ktorá má potenciál výrazne zvýšiť účinnosť chladiacich systémov. Fresnelove kolektory sa skladajú z leštených reflexných rovinných zrkadiel, ktoré sa otáčajú okolo horizontálnej osi a tým sledujú polohu Slnka na oblohe a odrážajú slnečné žiarenie do absorbéra. Absorbér je zasklená priehľadná vákuová trubica, umiestnená pod reflexnou strechou. Fresnelove kolektory môžu byť vhodnejšie ako tradičné solárne kolektory, pretože umožňujú dosiahnuť vyššiu jazdnú teplotu. Tým sa zvyšuje účinnosť ejektorových chladiacich strojov. Najdôležitejším parametrom ovplyvňujúcim účinnosť chladiaceho stroja je teplota vyparovania chladiva vo výparníku, Štrba, 2021. Čím vyššia je teplota vyparovania, tým vyššia je účinnosť chladenia stroj a tým menej energie je potrebné dodať. Keď sa kondenzácia znížila a teplota vyparovania sa zvýšila, EER sa zvýšil. Koeficient chladenia EER sa určuje ako pomer chladiaceho výkonu a tepelného príkonu generátora potrebného na pohon ECS. Hranice optimálneho využitia boli určené ejekčným koeficientom (ms/mp) – pomerom nasatej pary z výparníka a primárnej hnacej pary z generátora.

Obrázok  Laboratórny model ejektorového chladiaceho systému (ECS) poháňaného parou vyrobenou v elektrokotli v laboratóriu ÚESZ na SjF STU Bratislava. Pri ejektorom chladení vzhľadom na potrebnú plochu solárnych kolektorov sa pohybujeme zatiaľ v podstatne nižších výkonoch ako v kompresorovom chladení. Na STU v Bratislave zatiaľ prototyp dimenzujú na výkon 10 kW, pri teplote pár z generátora 130-150 oC, kondenzačnej teplote 30oC a výparnej teplote 3-5oC. Dosiahnutie kondenzačnej teploty 30oC v lete nie je možné suchým vzduchom.

1.3Jednotky s nízkou náplňou chladiva R723 zmesi amoniaku a DME

Chladiče s nízkou náplňou R723 zmesi amoniaku a DME s priamou expanziou predstavujú spôsob, ako využiť všetky výhody prírodného chladiva NH3 v rozsahoch, kde amoniak nie je použiteľný alebo sa ťažko používa. Aplikácie môžu byť v potravinárskom, komerčnom a verejnom priemysle. Len 0,04 kg chladiva na jeden chladiaci kW výkonu. Chladivo R723, ktoré je zmesou 60 % R717 a 40 % dimetyléteru, nám umožňuje využívať termodynamické vlastnosti R717 aj pri extrémne nízkych náplniach chladiva a bez vplyvu na životné prostredie, Svingal, 2019.

Bezpečnostné pravidlá pre R723 sú podobné pravidlám pre amoniak. Pomocou obsahu DME sa spodná medza výbušnosti na vzduchu znižuje z 15 obj. % pre čistý amoniak do 6,0 obj. %, ale napriek tomu zostáva azeotrop v skupine B2 podľa EN 378-1. DME je v bezpečnostnej klasifikačnej skupine A3, čo znamená väčšiu horľavosť a nižšiu toxicitu, R717 je v bezpečnostnej klasifikačnej skupine B2L, čo znamená nižšiu horľavosť a vyššiu toxicitu. Pre chladivá v bezpečnostnej skupine, A3 a B2L nie sú dané limitné požiadavky na náplň podľa EN 378, ak sú inštalované v strojovni alebo vonku. Existujú však požiadavky na bezpečnostné vetranie, detektory úniku a požiadavky na špeciálne prevádzkové priestory. Všetky tieto bezpečnostné požiadavky závisia od toho, koľko náplne chladiva je nainštalované a aká veľká je strojovňa. Pre otvorený priestor, ako je inštalácia na streche, neexistujú žiadne bezpečnostné požiadavky.

Chladivo R723 je možné použiť v chladiacich okruhoch aj pri nízkych výkonoch 5 kW. Prevádzka zariadenia potvrdzuje vysokú účinnosť pri nízkej spotrebe energie s COP nad 5. Extrémne nízka náplň chladiva chladiče/tepelné čerpadlá inštalované v strojovniach prinášajú možnosti, že vo viacerých prípadoch nie je potrebné inštalovať detektory úniku a bezpečnostné vetranie. Systémy nepriameho chladenia umožňujú mať chladivo len v strojovni, takže sa môže objaviť menšie percento úniku, čo je dobré pre bezpečnosť a údržby.

Použitie tepelných čerpadiel na ľadové plochy ako primárneho zdroja tepla a chladu môže pri správnom návrhu systému priniesť veľké úspory prevádzkových aj investičných nákladov. V prípade ľadových plôch musíme zabezpečiť potreby chladenia aj vykurovania, čo je veľmi náročné na presný výpočet tepelných strát. Výkonový rozsah tepelného čerpadla musí byť navrhnutý tak, aby pokryl aj tie najnižšie nároky na výkon. Nízka náplň chladiva má veľkú výhodu v menšom počte problémov s bezpečnostnými predpismi a verejnými hrozbami, čo znižuje investície a prináša väčšiu bezpečnosť do prevádzky. Nepriame chladenie prináša menšie investície správne navrhnuté tepelné čerpadlá s prírodnými chladivami a minimálnou náplňou môžu byť použité ako primárny zdroj tepla a chladu pre hokejové štadióny/klzisko, Svingal, 2019.

Pokračovanie SV IIR SA PREZENTOVALO V TRONDHEIME - časť 2.