Ekonomia ruchu instalacji zamrażalniczej zależy głównie od następujących czynników:

1. temperatury wrzenia czynnika,

2. temperatury skraplania,

3. sprawności sprężarek i aparatów maszynowni,

4. realizacji odszraniania parowników,

5. wyboru systemu zamrażania produktów.

Temperatura wrzenia czynnika jest podstawowym elementem kształ­tującym zapotrzebowanie energii do napędu sprężarek. W miarę obniżania tej temperatury rośnie wielkość pracy sprężania, a jednocześnie maleje wydajność sprężarek. Zwiększony stopień sprężania powoduje zmniejszenie współczynnika wydajności objętościowej sprężarek, a także wskutek obniżenia ciśnienia ssania, maleje gęstość zasysanych par i wraz z nią wydajność maszyn. W celu uzyskania założonej wydajności chłodniczej instala­cji jest konieczne zainstalowanie większej liczby maszyn, co zwiększa koszty inwestycyjne i wydatek energii. W praktyce przyjmuje się, że obniżenie tempe­ratury wrzenia o 1K powoduje wzrost zapotrzebowania objętości skokowej maszyn o 3-4% i podobny wzrost wskaźnika mocy. W instalacjach zamrażalniczych temperatura wrzenia jest głównym czynnikiem określającym wydajność zamrażania, zatem musi być utrzymywana na odpo­wiednio niskim poziomie, zwykle od -38 do -45°C.

Temperatura skraplania podobnie jak temperatura wrzenia, wpływa na wzrost zapotrzebowania energii i obniżenie wydajności sprężarek, lecz w mniejszym stopniu (o ok. 2% na 1K). Wzrost temperatury, i ciśnienia skraplania powoduje szybsze zużycie maszyn, utrudnia ich właściwe smarowanie, może spowodować zatarcie.

Poza względami projektowo-konstrukcyjnymi, temperatura skraplania zależy od czystości powierzchni czynnej skraplacza i odpowietrzenia instalacji. Skraplacze natryskowo-wyparne są szcze­gólnie narażone na zabrudzenie, zwłaszcza w terenach o silnym zanieczyszcze­niu powietrza. Odpowiednio częsta wymiana wody obiegowej połączona z myciem całej instalacji jest zabiegiem nieodzownym. Nie wolno też dopuścić do po­wstania tzw. „kamienia kotłowego". O wiele łatwiej jest zapobiegać tworzeniu kamienia niż go usuwać. Okresowe lub ciągłe odsalanie instalacji wodnej oraz odpowied­nie uzdatnianie wody świeżej rozwiązują ten problem. Warstwa kamienia o grubości ok. 0,5 mm powoduje wzrost temperatury skraplania o 3-5 K, grub­sza warstwa nawet o 10 K.

Sprawność sprężarek i urządzeń maszynowni. Niesprawne sprężarki są głównym źródłem strat energetycznych instalacji chłodniczych. Starte pier­ścienie tłokowe lub nieszczelne zawory powodują spadek wydajności obję­tościowej maszyn i wzrost zapotrzebowania energii na jednostkę efektyw­nej mocy chłodniczej. Zastosowanie sprężarek śrubowych, z bardzo zreduko­waną liczbą części ruchomych i szybko zużywających się, znacznie poprawia bilans energetyczny maszynowni. Ale sprawność energetyczna sprężarek śru­bowych znacznie spada w miarę redukcji ich wydajności. Wydaj­ność nie powinna spadać poniżej 60%.

Ważnym elementem sprawnej pracy instalacji amoniakalnych jest ich odolejanie. Olej porwany w czasie pracy sprężarki powinien być oddzielony od par i usunięty z instalacji zanim dostanie się do wymienni­ków, gdzie pogarsza warunki wymiany ciepła. W tym celu przy każdej maszynie instaluje się pojedyncze odolejacze, a nadto odolejacz centralny, wszystkie zaś zbiorniki mają dodatkowe punkty odolejania.

Sprężarki śrubowe mają tak sprawny system odolejania, że w nowoczesnych instalacjach amoniakalnych problem oleju praktycznie nie istnieje. Wystarczy czuwać nad poziomem oleju w zbiorniku sprężarki. Przy tych sprężar­kach nie montuje się centralnego odolejacza.

W instalacjach freonowych, w przeciwieństwie do amoniakalnych, reali­zuje się pełny obieg oleju wraz z czynnikiem przez strefę niskiego ciśnienia. Główny problem polega tu na zapewnieniu powrotu oleju do sprężarki, z której został porwany. Przy większych instalacjach stosuje się albo wiele odrębnych układów, albo specjalne systemy wyrównania poziomu oleju w karterach rów­nolegle pracujących maszyn. Konstrukcja aparatów i układ przewodów freono­wych musi gwarantować właściwą cyrkulację oleju.

Następnym czynnikiem sprawnej pracy urządzenia jest jego odpowietrza­nie. Przy temperaturze stosowanej w zamrażalnictwie (od —33 do -45°C) w niskociśnieniowej części instalacji panuje podciśnienie i przez wszystkie nie­szczelności wnika do niej powietrze. Innym źródłem zapowietrzenia są remonty maszyn i urządzeń wymagające ich otwierania. Obecność powietrza w instalacji powoduje zwiększenie ciśnienia skraplania zgodnie z prawem Daltona, które mó­wi, że w mieszaninie gazów każdy z nich zachowuje się tak, jakby zajmował sam daną przestrzeń. W celu osiągnięcia parametrów skraplania w instalacji zapowietrzonej sprężarki muszą sprężać czynnik do ciśnienia powiększonego o ciśnienie cząstkowe powietrza, znajdującego się w mieszance z czynnikiem. W praktyce spotyka się niewłaściwie eksploatowane instalacje, w których zwięk­szenie ciśnienia spowodowane zapowietrzeniem, wynosi 15-20 • 10* Pa. Powo­duje to wzrost temperatury skraplania o 5-8°C, czyli zwiększenie zapotrzebowania energii o ok. 15%. Obecność powietrza w instalacji można łatwo stwierdzić, po­równując temperaturę ciekłego czynnika na przewodzie wybiegającym ze zbiorni­ka cieczy ze skraplacza (mierzoną termometrem) z temperaturą skraplania odczy­taną na manometrze. Jeśli temperatury te nie są równe, to instalacja wymaga od­powietrzania.

Odszranianie parowników. W wyniku różnicy temperatur powietrza i powierzchni parownika następuje stałe skraplanie pary wodnej na jego rurach —rżebrach Początkowo obecność niewielkiej warstewki szronu powoduje okre­sowe zwiększenie wydajności parownika. Tłumaczy się to pewnym rozwinię­ciem powierzchni czynnej wskutek osadzania się kryształków lodu, zwiększe­niem jej szorstkości i poprawą połączenia żeber z rurami wskutek wypełnienia szczelin lodem o dobrym współczynniku przewodzenia ciepła. W miarę wzrostu warstwy szronu współczynnik przenikania ciepła, a wraz z nim sprawność całej chłodnicy, zmniejsza się. Dzieje się tak wskutek izolacyjnej funkcji szronu {X = 0,09 W/(m- K)) oraz powiększenia oporów przepływu powietrza przez parownik. Wydajność wentylatora oraz czynna różnica temperatur między po­wietrzem i powierzchnią zewnętrzną parownika maleje, co oczywiście zmniejsza jego moc chłodniczą. Przy większym zaszronieniu niektóre partie parownika stają się niedrożne i zostają wyłączone z wymiany ciepła. W praktyce nadmier­ne zaszronienie parowników jest najczęstszą przyczyną niesprawnego działania instalacji. Konstruktorzy dążą do maksymalnego uproszczenia procesu odszraniania. Sam proces topnienia szronu można przeprowadzać różny sposób: gorą­cą parą czynnika, natryskiem wodnym, elektrycznymi elementami grzejnymi lub kombinacją dwóch z tych metod, np. gorącą parą z natryskiem wodnym.

Bardzo polecany jest natrysk podgrzewaną wodą. W instalacjach chłodniczych można go realizować minimalnymi nakładami i bez zapotrzebowania dodatko­wej energii, wykorzystując ciepło przegrzania pary czynnika. Użycie wody z obiegu skraplaczy jest zabronione ze względów sanitarnych, natomiast zaleca się wykorzystanie do tego obiegu wody z odszraniania parowników.

W konstrukcji instalacji odszraniania bardzo ważny jest właściwy drenaż tacy ściekowej z syfonowym zamknięciem, zapobiegającym spływowi zimnego powietrza z chłodnicy lub tunelu na zewnątrz bądź do kanalizacji. W przewo­dach doprowadzających wodę do natrysków odszraniania powinna istnieć rów­nież możliwość całkowitego spuszczania wody po zakończonym procesie.

W eksploatacji urządzeń chłodniczych dąży się do maksymalnego ograni­czenia wytracania szronu na powierzchni parowników. Problem ten przedstawia się nieco inaczej w parownikach komór-mrożni i aparatów zamrażalniczych. W komorach szronienie zmniejsza się przez stosowanie możliwie małych różnic temperatur (0=5-7K lub mniej), stosowanie automatycznych drzwi chłodni­czych, kurtyn powietrznych'i składowanie produktów w paroszczelnych opako­waniach.

System zamrażania. Dobór właściwego systemu zamrażania dla danego produktu ma bardzo duży wpływ na ekonomię procesu. Każdy produkt lub grupa produktów, ma swoją najbardziej właściwą metodę zamrażania . Z punktu widzenia warunków wymiany ciepła i ekonomii ruchu urządzenia, owoce i warzywa najkorzystniej zamraża się w tunelach flu­idyzacyjnych, filety rybne i produkty pakowane w aparatach płytowych, drób w zamrażalniach immersyjnych itp. W praktyce często z przyczyn organizacyj­nych przyjmuje się inną metodę, energetycznie mniej korzystną. Przykładem jest tu współczesna metoda zamrażania drobiu i mięsa w kartonach w automa­tycznych zamrażarkach stelażowych lub dań gotowych w aparatach taśmowo--spiralnych. Należy jednak wykluczyć stosowanie metod ewidentnie błędnych, np. zamrażania warzyw i owoców oraz drobiu lub całych ryb w aparatach pły­towych. W obydwu przypadkach efekt kontaktowego zamrażania jest niewielki; ~w- pierwszym ~- wskutek małego współczynnika przewodzenia porowatej war­stwy złożonej z luźnych cząstek, w drugim - z powodu małej powierzchni przylegania płyt, czyli średniego współczynnika wnikania ciepła.

W doborze sys­temu zamrażania należy kierować się ogólnymi zasadami ekonomii chłodniczej, ale w przypadku niezgodności między technologią a organizacją pracy, ta ostat­nia musi być decydująca. Technikę zamrażania o wiele łatwiej dopasować do linii technologicznej niż odwrotnie. Należy też pamiętać, że w całym cyklu pro­dukcyjnym koszty zamrażania stanowią często kilka procent całkowitych kosz­tów produkcji.

Czynniki chłodnicze

W przemysłowych instalacjach zamrażalniczych stosuje się głównie amoniak (NH₃) oraz freony: R12, R22, R502, R13B1 i R134a.. Przy analizie użyteczności danego czynnika bierze się obecnie pod uwagę jego właściwości fizyczne i termo­dynamiczne, palność, wybuchowość, toksyczność, a ponadto stopień szkodliwości dla środowiska. Pod tym względem obowiązują dwa podstawowe kryteria:

• potencjał niszczenia strefy ozonowej

- potencjał efektu cieplarnianego .

Przy wyborze czynnika poza ekologią należy brać pod uwagę następujące względy:

• wielkość projektowanej instalacji, tzn. jej moc chłodniczą i rozległość,

• system obiegu czynnika (ciśnieniowy lub pompowy),

• warunki pracy urządzenia (instalacja jedno- czy dwustopniowa, tempe­ratura parowania i skraplania czynnika),

• wymagany stopień bezpieczeństwa dla obsługi, otoczenia i produktów.

R717 Amoniak (NH₃)

Instalacje-amoniakalne należą do najbardziej wydajnych, oszczęd­nych i łatwych w eksploatacji. Amoniak mą dużą wydajność chłodniczą (kJ/m³ par) i duże ciepło parowania (kJ/kg). Instalacje amoniakalne mają małe zapotrzebowanie objętości skokowej sprężarek i minimalne średnice przewodów parowych i cieczowych. Dla instalacji zamrażalniczych, operują­cych stosunkowo dużymi wydajnościami, są to cechy ważne. Dalsza zaleta amoniaku to bardzo mała rozpuszczalność oleju. Praktycznie można stwierdzić, że obydwa te czynniki nie rozpuszczają się w sobie. Ponadto, co równie ważne, olej jest znacznie cięższy od ciekłego amoniaku, zatem zbiera się zawsze na dnie zbiorników (chłodnice międzystopniowe, oddzielacze cieczy, zbiorniki cieczy itp.), skąd łatwo go usunąć. Cecha ta ma duże znaczenie użytkowe. Dzię­ki niej amoniak pracuje doskonale w nowoczesnych instalacjach pompowych, a instalacje te, nawet w dużych urządzeniach zamrażalniczych i rozległych chłodniach składowych, są proste i łatwe w eksploatacji. W dużych pompowych instalacjach freonowych, właściwa cyrkulacja oleju w systemie jest zawsze poważnym problemem. Natomiast wielką wadą amoniaku jest toksyczność i wybuchowość, co wyklucza możliwość jego stosowania wszędzie tam, gdzie względy bezpieczeństwa grają zasadniczą rolę, np. na statkach, a także w urzą­dzeniach lądowych w sąsiedztwie pomieszczeń, w których pracuje lub przebywa wiele ludzi, a ich ewakuacja byłaby trudna lub niemożliwa. Na marginesie nale­ży dodać, że intensywna woń amoniaku, wbrew pozorom, nie jest wadą lecz zaletą umożliwia bowiem wykrycie jego obecności w powietrzu przy stężeniu 5 ppm, tzn. 1000-krotnie mniejszym od szkodliwego dla zdrowia. Amoniak ma stosunkowo duży wykładnik adiabaty (jc= 1,31), znacznie większy niż inne czynniki (tab. 3.9). W efekcie większa jest praca sprężania i mniejszy współ­czynnik sprawności chłodniczej. Jednocześnie stosunkowo wysoka jest tempe­ratura przegrzania sprężonej pary. W sprężarkach tłokowych limituje to za­kres parametrów pracy: temperatura parowania (w instalacjach 1-stopniowych do -25°C) i skraplania (do 40°C). Przekroczenie tych granic powodowało nie­bezpieczny wzrost temperatury przegrzania pary ponad 120°C i silne zużycie elementów sprężarek. Nie dotyczy to sprężarek śrubowych, w których dzięki chłodzeniu olejem temperatura przegrzania utrzymuje się na poziomie 50-60°C, a pracę w układzie jednostopniowym można realizować w zakresie -40/+45°C.

Do niedawna uważano, że zastosowanie amoniaku jest ograniczone do in­stalacji wielkoprzemysłowych, natomiast chłodnictwo małe i średnie (chłodnie i witryny supermarketów, agregaty trakcyjne, klimatyzacyjne itp.) pozostaną do­meną freonów. Wynikało to nie tylko ze względów bezpieczeństwa, ale także z wymienionych ograniczeń w zakresie parametrów pracy. Urządzenia te pracują głównie w układach jednostopniowych i ze skraplaczem powietrznym (wysoka temperatura skraplania). Ale notowany obecnie rozwój sprężarek śrubowych i spiralnych o bardzo małych mocach (mini- i microscrew) daje możliwości roz­szerzenia zastosowania amoniaku także w tej dziedzinie. Tam, gdzie względy bezpieczeństwa grają decydującą rolę (klimatyzacją sklepy), opracowano wiele praktycznych i sprawnych rozwiązań z chłodzeniem pośrednim [144,145].

Amoniak nie jest groźny dla produktów spożywczych zamrażanych w tunelach lub składowanych w mrożniach. Wprawdzie produkt bardzo szyb­ko wchłania amoniak, ale szybko się on ulatnia po parokrotnej wymianie powietrza w pomieszczeniu. Natomiast groźna jest obecność amoniaku w at­mosferze komory z produktami świeżymi, takimi jak jaja, warzywa, owoce (banany). Większe stężenie, trwające przez dłuższy czas, powoduje śmierć biologiczną tych produktów.

Freony

Jest to handlowa nazwa wytworzonych sztucznie halogenowych związków wę­glowodorów nasyconych (chlorofluoroalkanów), których jest ok. 1400. Tylko część z nich znalazło zastosowanie jako czynniki chłodnicze, inne są używane jako spieniacze polimerów oraz w aerozolach.

W zakresie czynników chłodniczych rozróżniamy następujące grupy tych związków [21]:

1. CFC - w pełni halogenowe związki węgla, chlorofluorokarbony, w któ­rych wszystkie atomy wodoru w cząsteczce są zastąpione atomami chloru i flu­oru, np. Rl 1 - CFC1₃, R12 - CF₂C1₂;

2. HCFC — wodorochlorofluorokarbony, czyli związki węgla, w których nie wszystkie atomy wodoru zostały zastąpione atomami chloru i fluoru, np. R21 - CHFC1,, R22 - CHF₂C1;

3. HFC — wodorofluorokarbony, związki, w których część atomów wodoru została zastąpiona atomami fluoru (brak atomów chloru), np. R134a - CH₂FCF₃;

4. FC - węglowodory w pełni halogenowe, w których wszystkie atomy wodoru zostały zastąpione atomami fluoru (brak atomów chloru i wodoru). Ponadto istnieją freony, które zawierają atomy bromu lub jodu oraz mieszaniny różnych związków, np. R502 (R22/R115 - CHF₂C1/C₂F₅C1).

Poszczególne grupy freonów mają różny potencjał zagrożenia ekologicz­nego i na podstawie tzw. Protokołu Montrealskiego z późniejszymi uzupełnie­niami ustalono stopniową redukcję ich produkcji, a następnie wycofania z użycia. Odpowiednie dane odnośnie obecnie używanych czynników zawiera tab. 3.9.

Wszystkie freony całkowicie lub w dużym stopniu rozpuszczają olej, który krąży wraz z czynnikiem po całej instalacji. Stawia to poważne zadania przed konstruktorami urządzeń i ich obsługą. Niewłaściwie zaprojektowana lub eks­ploatowana instalacja freonowa nie osiąga swej wydajności, mogą też w niej powstać poważne zakłócenia w ruchu, z uszkodzeniem sprężarek włącznie. Do­tyczy to głównie rozległych instalacji, z wieloma maszynami i parownikami. Natomiast instalacje freonowe pracują bardzo sprawnie w agregatach chłod­niczych, gdzie sprężarka wraz ze skraplaczem i parownikiem tworzy oddzielny obieg zamknięty. Jest to dość rzadki przypadek w przemysłowych urządzeniach zamrażalniczych. Poszczególne freony różnią się nieco swymi cechami użyt­kowymi.

Poniżej podano krótką charakterystykę najczęściej stosowanych obecnie . freonów oraz ich substytutów przy wycofywaniu z eksploatacji zgodnie z Proto­kołem Montrealskim.

R12 (CF2CI2) jest dość powszechnie stosowany zarówno w małych, jak i dużych instalacjach chłodniczych i zamrażalniczych. Jego dodatnią cechą jest mały współczynnik przegrzania par przy sprężaniu adiabatycznym (mały wy­kładnik adiabaty). Dzięki temu temperatura skraplania może dochodzić do 60°O (strefa tropikalną skraplacze powietrzne). Natomiast wydajność objętościowa R12 jest mniejsza o ok. 35% niż amoniaku i o tyleż większa musi być objętość skokowa zainstalowanych sprężarek. Ma też bardzo małe ciepło parowania, dlatego przekroje przewodów cieczowych w instalacji na R12 są dwukrotnie większe niż w instalacji amoniakalnej, a średnice przekrojów parowych są większe o jeden wymiar.

Czynnik R12 należy do grupy CFC o największym zagrożeniu dla środo­wiska (ODP - 0,9, GWP - 3,06) i w pierwszym rzędzie jest przeznaczony do wycofania. Potencjalne substytuty: mieszaniny innych czynników (R22/R152a/ /R124) o różnym składzie zależnie od producenta oraz R134a. Ponadto okreso­wo (do r. 2020) R12 można wymieniać na R22.

R22 (CHF₂C1) ma wydajność objętościową zbliżoną do amoniaku, ale znacznie mniejszy wykładnik adiabaty. Obecnie coraz powszechniej stosuje się zamiast freonu R12 w małych i dużych instalacjach chłodniczych i zamrażalniczych. Maksymalna temperatura skraplania wynosi +50°C. Średnice przewodów cieczowych są ok. 1,5-krotnie większe od amoniakalnych, parowe praktycznie takie same. Czynnik ten należy do grupy HCFC, drugiej co do stopnia zagroże­nia (ODP - 0,055, GWP - 0,37). Protokół przewiduje jego stopniowe wycofanie do r. 2020. Substytuty: NH₃, propan oraz mieszaniny, np. Suva HP80, HP81 i HP68 firmy Du Pont.

R502 jest mieszaniną azeotropową dwóch czynników: R22 (CHF₂C1) -48,8% 1R115 (CF3CF2CI) - 51,2%. Wydajność objętościowa i inne cechy są zbliżone do R22, lecz można go stosować do temperatury skraplania +60°C. Był powszechnie stosowany, zwłaszcza w instalacjach niskotemperaturowych, z uwagi na wyższą sprawność chłodzenia w stosunku do R22. Obecnie należy do grupy przeznaczonej do wycofania w pierwszej kolejności z powodu obecno­ści R115 (ODP - 0,33, GWP - 9,2). Substytuty: R22 (okresowo do 2020 r.) NH₃, R125 oraz mieszaniny R22/R125/R290.

R134a (CH2F-CF3) jest to nowo wyprodukowany czynnik, przewidziany jako główny substytut R12 (ODP - 0, GWP - 0,28). Dotychczas niedostatecznie przebadany. Ma nieco gorsze właściwości termodynamiczne od R22, niższą sprawność wolumetryczną oraz wydajność chłodniczą. Stąd gorsze współczyn­niki sprawności energetycznej, zwłaszcza przy większych stosunkach sprężeń. Istnieją też poważne problemy z doborem odpowiedniego oleju dla tego czynni­ka. Obecnie opracowuje się specjalne oleje syntetyczne. Stwierdzono również agresywne działanie R134a na metalowe elementy instalacji i izolację silników (w sprężarkach hermetycznych), przy pracy z nieco zawilgoconym olejem syn­tetycznym.

K290 - propan (C₃H₈) - ma właściwości termodynamiczne zbliżone do R22 i NH₃; mógłby być stosowany w zastępstwie R22 (ODP - 0, GWP - 0). Właściwości fizyczne, istotne dla przepływowi wy^niarrfćiepła, są lepszeTiiż u większości freonów. Dobry współczynnik sprawności chłodniczej £,, korzystny stosunek sprężania, wysoka wydajność chłodnicza (q_Q, kJ/kg), stąd znacznie mniejsza masa napełniania agregatów (ok. 40% w stosunku do R22). Do sma­rowania agregatów napełnionych propanem można używać oleje mineralne sto­sowane obecnie przy freonach. Poważną wadą propanu jest jego palność i wybuchowość, przy stosunkowo małym stężeniu w powietrzu. Jest to w zasadzie jedyna przeszkoda w jego powszechnym zastosowaniu jako substy­tutu wszystkich freonów. Aktualne przepisy bezpieczeństwa, bardzo restrykcyj­ne w stosunku do tego czynnika, są obecnie rewidowane.

Dwutlenek węgla R744 (C0₂)

Czynnik chłodniczy powszechnie stosowany na początku XX w., zwłaszcza tam, gdzie ważne były względy bezpieczeństwa (na statkach). Wyszedł, zużycia z chwilą pojawienia się freonów, obecnie jest znów obiektem zainteresowania, ponieważ jest obojętny dla środowiska (ODP - 0, GWP - 0). Jest niepalny, nie-wybuchowy, nieszkodliwy dla zdrowia. Ciśnienia robocze sprężarek na C0₂ są znacznie wyższe niż przy zastosowaniu innych czynników, stąd większe wyma­gania konstrukcyjne i większa masa urządzeń. Przy pewnych zabiegach kon­strukcyjnych (zastosowanie rozprężarki) jest możliwe uzyskanie korzystnych wskaźników sprawności energetycznej. Dla szerszego zastosowania C0₂ w chłodnictwie małym i przemysłowym konieczne jest wprowadzenie licznych innowacji.konstrukcyjnych, nad czym pracuje wiele firm.

---