Przebicie wymiennika ciepła w instalacji chłodniczej – zagrożenia i sposoby zabezpieczenia

Chłodnictwo · 12 min czytania

W instalacjach chłodniczych coraz częściej wykorzystuje się wymienniki freon–woda do odzysku ciepła. Pozwalają one wykorzystać energię, która w tradycyjnym układzie zostałaby odprowadzona do otoczenia przez skraplacz.

Można w ten sposób odzyskiwać między innymi ciepło przegrzania gazu tłocznego, część ciepła skraplania czynnika chłodniczego oraz energię do przygotowania ciepłej wody technologicznej, użytkowej lub procesowej.

Rozwiązanie to może znacząco poprawić efektywność energetyczną instalacji.

Jednocześnie pojawia się zagadnienie bezpieczeństwa, które przy projektowaniu układu odzysku ciepła nie powinno być pomijane: co stanie się w przypadku wewnętrznego przebicia wymiennika i połączenia obiegu czynnika chłodniczego z obiegiem wodnym?

Dwa obiegi o zupełnie różnych ciśnieniach

W normalnych warunkach wymiennik oddziela od siebie dwa niezależne media. Po jednej stronie znajduje się czynnik chłodniczy pracujący przy stosunkowo wysokim ciśnieniu. Po drugiej stronie przepływa woda grzewcza lub technologiczna, której instalacja może pracować przy ciśnieniu wielokrotnie niższym.

W czasie normalnej eksploatacji nie stanowi to problemu, ponieważ oba obiegi są rozdzielone płytami lub rurami wymiennika. Sytuacja zmienia się w przypadku ich uszkodzenia.

Co może się wydarzyć po przebiciu wymiennika?

Jeżeli powstanie nieszczelność pomiędzy stroną chłodniczą i wodną, czynnik chłodniczy zaczyna przepływać w stronę obiegu o niższym ciśnieniu.

Może nastąpić bardzo szybki wzrost ciśnienia wody.

Zagrożenie jest szczególnie duże, jeżeli po stronie chłodniczej występuje czynnik w stanie ciekłym lub mieszanina cieczy i pary.

Po przejściu do obszaru o niższym ciśnieniu część ciekłego czynnika może gwałtownie odparować. Zjawisko to określa się jako gwałtowne odparowanie wskutek spadku ciśnienia.

Niewielka objętość cieczy może w takim przypadku zamienić się w wielokrotnie większą objętość pary. Dlatego przebicie wymiennika nie powinno być analizowane wyłącznie jako niewielki przeciek pomiędzy dwoma instalacjami. W pewnych warunkach może to być bardzo szybki proces ciśnieniowy.

Wymiennik odzysku przegrzania

Pierwszy wymiennik odzysku ciepła może być zamontowany bezpośrednio za sprężarką. Jego zadaniem jest odzyskanie ciepła z gorącego gazu tłocznego przed rozpoczęciem właściwego procesu skraplania.

W tym miejscu czynnik chłodniczy występuje przede wszystkim w postaci gazowej.

Schematycznie:

sprężarka → separator oleju → wymiennik odzysku przegrzania HX1 → dalsza część instalacji

W przypadku przebicia HX1 do instalacji wodnej dostaje się przede wszystkim gaz pod wysokim ciśnieniem.

Jest to sytuacja niebezpieczna, ale przepływ gazu przez miejsce przebicia jest zazwyczaj bardziej ograniczony niż przepływ ciekłego czynnika.

Nie oznacza to jednak, że wystarczający będzie typowy mały zawór bezpieczeństwa stosowany jedynie do kompensacji rozszerzalności cieplnej wody.

Wymiennik odzysku ciepła skraplania

Znacznie bardziej wymagającym przypadkiem jest wymiennik pracujący w obszarze częściowego skraplania czynnika chłodniczego.

Schematycznie:

HX1 → HX2 – odzysk ciepła skraplania → skraplacz powietrzny

W HX2 może znajdować się jednocześnie para czynnika chłodniczego, mieszanina pary i cieczy oraz lokalnie znaczny udział ciekłego czynnika.

W przypadku przebicia do obiegu wodnego może więc przedostać się znacznie większa masa czynnika niż w przypadku samej pary.

Po stronie wodnej następuje spadek ciśnienia czynnika i jego intensywne odparowanie. Z tego powodu wymiennik skraplający należy traktować jako szczególnie istotny element z punktu widzenia bezpieczeństwa instalacji.

Zwykły zawór bezpieczeństwa może nie wystarczyć

W instalacji wodnej znajduje się zazwyczaj zawór bezpieczeństwa chroniący ją przed wzrostem ciśnienia wynikającym między innymi z rozszerzalności cieplnej wody.

Takie zabezpieczenie jest potrzebne, ale pełni inną funkcję.

Przy przebiciu wymiennika ilość czynnika dopływającego do obiegu wodnego może być wielokrotnie większa od strumienia, dla którego dobrano standardowy zawór instalacyjny.

Dlatego należy rozróżnić zabezpieczenie instalacji wodnej przed jej normalnym wzrostem ciśnienia oraz zabezpieczenie awaryjne na wypadek przedostania się czynnika chłodniczego przez uszkodzony wymiennik.

Są to dwa różne przypadki projektowe.

Zabezpieczenie powinno znajdować się przy wymienniku

Urządzenie odciążające powinno być połączone bezpośrednio z przestrzenią wodną wymiennika w taki sposób, aby żaden zawór odcinający nie mógł odseparować wymiennika od zabezpieczenia.

Możliwe jest zastosowanie zaworów odcinających przed i za wymiennikiem, ponieważ są one potrzebne do prac serwisowych.

Jednak urządzenie bezpieczeństwa powinno znajdować się pomiędzy wymiennikiem a zaworem odcinającym.

Dzięki temu nawet przypadkowe zamknięcie armatury serwisowej nie pozostawi wymiennika bez ochrony.

Zawór bezpieczeństwa czy membrana bezpieczeństwa?

W instalacjach o umiarkowanym przepływie awaryjnym można zastosować odpowiednio dobrany zawór bezpieczeństwa.

W przypadku wymiennika skraplającego sytuacja może być bardziej wymagająca.

Jeżeli po przebiciu oczekiwany jest gwałtowny napływ mieszaniny cieczy i pary, rozwiązaniem może być zastosowanie membrany bezpieczeństwa – Rupture Disc (RD).

Membrana pozostaje zamknięta podczas normalnej pracy, a po osiągnięciu określonego ciśnienia zostaje rozerwana i otwiera praktycznie pełny przekrój przewodu odciążającego.

Jej zaletą jest bardzo szybkie działanie oraz możliwość uzyskania dużej powierzchni przepływu.

W niektórych rozwiązaniach stosuje się również połączenie membrany i zaworu bezpieczeństwa.

Każdy taki przypadek powinien być jednak analizowany indywidualnie.

Czynnik nie powinien być wyrzucany do pomieszczenia

Otwarcie zabezpieczenia może spowodować wypływ znacznej ilości mieszaniny wody, ciekłego czynnika chłodniczego i jego pary.

Nie powinno się zakładać, że taka mieszanina zostanie po prostu odprowadzona przez zwykłą rurę do pomieszczenia technicznego.

Znacznie bezpieczniejszym rozwiązaniem jest zastosowanie zbiornika rozprężnego – flash vessel.

Schemat działania:

wymiennik → urządzenie bezpieczeństwa → zbiornik rozprężny

W zbiorniku następuje rozdzielenie faz. Cięższa ciecz pozostaje w dolnej części zbiornika, natomiast para czynnika chłodniczego jest odprowadzana osobnym przewodem do bezpiecznej strefy na zewnątrz budynku.

Zawory odcinające są potrzebne, ale wymagają dodatkowych zabezpieczeń

Wymienniki powinny posiadać zawory odcinające umożliwiające ich serwisowanie.

Jeżeli jednak pomiędzy dwoma zamkniętymi zaworami zostanie uwięziony ciekły czynnik chłodniczy, jego temperatura może wzrosnąć.

Ciecz praktycznie nie daje się sprężyć. Nawet niewielki wzrost temperatury może więc wywołać bardzo duży wzrost ciśnienia w zamkniętej przestrzeni.

Dlatego fragmenty instalacji, w których może zostać uwięziony ciekły czynnik, powinny mieć niezależne niewielkie zawory odciążające – Thermal Relief Valve (TRV).

Ich zadanie jest inne niż dużego zabezpieczenia wymiennika. Chronią one przede wszystkim przed hydraulicznym wzrostem ciśnienia uwięzionej cieczy.

Automatyka powinna wykrywać nieprawidłowości

Urządzenia mechaniczne stanowią podstawę zabezpieczenia, ale warto uzupełnić je odpowiednią automatyką.

Możliwe jest monitorowanie między innymi ciśnienia obiegu wodnego, ciśnienia czynnika chłodniczego, temperatury przed i za wymiennikiem, poziomu czynnika w zbiorniku ciekłego czynnika, przepływu wody oraz gwałtownych zmian ciśnienia.

Nagły wzrost ciśnienia po stronie wodnej przy jednoczesnym spadku ciśnienia po stronie chłodniczej powinien zostać potraktowany jako poważny stan alarmowy.

Automatyka powinna w takim przypadku zatrzymać sprężarkę i zamknąć odpowiednie elementy wykonawcze.

Nie zastępuje jednak urządzenia mechanicznego odciążającego.

Zabezpieczenie ciśnieniowe musi działać również wtedy, gdy sterownik, czujnik lub zasilanie elektryczne przestaną działać.

Podwójne wymienniki poprawiają niezawodność instalacji

W instalacjach wymagających wysokiej dostępności można zastosować dwa niezależne obiegi chłodnicze oraz osobne wymienniki odzysku ciepła.

Przykładowo:

sprężarka A → HX1A → HX2A → skraplacz A

oraz

sprężarka B → HX1B → HX2B → skraplacz B

Obie gałęzie mogą zasilać wspólne zbiorniki wody, pozostając całkowicie rozdzielone po stronie czynnika chłodniczego.

Uszkodzenie jednego wymiennika nie wymaga wtedy całkowitego zatrzymania całej instalacji.

Można wyłączyć jedną sekcję i pozostawić drugą w pracy z ograniczoną mocą.

Ważna jest również jakość samego wymiennika

Zabezpieczenia awaryjne nie powinny zastępować właściwego doboru urządzenia.

Przy wyborze wymiennika należy zwrócić uwagę na dopuszczalne ciśnienie robocze obu stron, dopuszczalną temperaturę, materiały płyt i połączeń, odporność na korozję, jakość wody, możliwość występowania naprężeń termicznych, częstotliwość zmian temperatury, warunki rozruchu i zatrzymania oraz możliwość powstawania uderzeń hydraulicznych.

Szczególnie niebezpieczne mogą być wielokrotne gwałtowne zmiany temperatury i ciśnienia.

Wymiennik może wtedy pracować przez długi czas bez widocznego wycieku, a zmęczenie materiału rozwijać się stopniowo.

Dlaczego warto analizować przebicie już na etapie projektu?

Koszt wykonania odpowiedniego zabezpieczenia na etapie budowy instalacji jest zazwyczaj niewielki w porównaniu z kosztem całego systemu.

Znacznie trudniej jest później znaleźć miejsce na duży przewód awaryjny, membranę bezpieczeństwa, zbiornik rozprężny, przewód wyprowadzony poza budynek i dodatkową automatykę.

Dlatego przypadek przebicia wymiennika warto analizować przed wykonaniem instalacji, a nie dopiero po jej uruchomieniu.

Podsumowanie

Odzysk ciepła ze skraplania i przegrzania może znacząco zwiększyć efektywność energetyczną agregatu chłodniczego.

Jednak wymiennik freon–woda łączy pośrednio dwa obiegi pracujące przy różnych ciśnieniach.

Wewnętrzne przebicie może doprowadzić do gwałtownego przedostania się czynnika chłodniczego do instalacji wodnej.

Szczególnie wymagający jest wymiennik pracujący w strefie skraplania, ponieważ w przypadku jego uszkodzenia do obiegu wodnego może przedostać się ciekły czynnik, który po obniżeniu ciśnienia gwałtownie odparowuje.

Dlatego projekt układu odzysku ciepła powinien uwzględniać nie tylko samą sprawność energetyczną, lecz również zabezpieczenie każdego wymiennika, prawidłowe rozmieszczenie zaworów odcinających, zabezpieczenie przestrzeni z uwięzioną cieczą, kontrolowane odprowadzenie mieszaniny awaryjnej, możliwość zatrzymania i odseparowania uszkodzonego obiegu oraz odpowiednią automatykę alarmową.

Dobrze zaprojektowany odzysk ciepła powinien być nie tylko efektywny energetycznie, ale również przewidywalny i bezpieczny w sytuacjach, które w normalnej eksploatacji nie powinny wystąpić.