Τα συστήματα S/M, όταν η εγκατάσταση είναι μεγάλη, έχουν ένα κεντρικό μηχανοστάσιο και ένα εκτεταμένο δίκτυο, όπου το ψυκτικό ρευστό (πρωτεύον ή δευτερεύον) διανέμεται στις προθήκες όπου κυκλοφορεί μεγάλο πλήθος ανθρώπων, ενώ οι πιθανότητες διαρροής είναι αυξημένες (λόγω εκτεταμένου δικτύου).

Γράφει ο Νίκος Χαριτωνίδης, Πολιτικός Μηχανικός ΕΜΠ, Master of Engineering Univ. of Sheffield
Γενικός Διευθυντής ΨΥΓΕΙΑ ΑΛΑΣΚΑ ΑΕΒΤΕ & CRYOLOGIC ΕΕ.

Υπενθυμίζεται ότι το CO2 έχει ένα μοναδικό χαρακτηριστικό, σε σχέση με τα άλλα ρευστά: Η πίεση λειτουργίας είναι πολύ ψηλή. Στις πιο συνηθισμένες περιπτώσεις, στη χαμηλή πλευρά του συστήματος η πίεση σχεδιασμού είναι 40 bar (αν γίνεται απόψυξη με θερμό CO2 φθάνει στα 52 bar), ενώ η ψηλή πλευρά μπορεί να φθάσει τα 130 bar. Είναι επόμενο οι πιέσεις αυτές να δημιουργούν ανησυχίες, ειδικά όταν υπάρχουν σε εγκαταστάσεις που κυκλοφορούν πολλοί άνθρωποι, όπως τα καταστήματα S/M.

Υπάρχει όμως και ένα σοβαρότερο θέμα που δημιουργεί ανησυχία: Αν για κάποιο λόγο γίνει μακρά διακοπή λειτουργίας (π.χ. διακοπή ρεύματος δικτύου ή σοβαρή βλάβη), η πίεση του CO2 ανεβαίνει ταχύτατα. Αναφέρεται ενδεικτικά, ότι στους 18°C, η πίεση κορεσμού του CO2 είναι 55 bar. Παρόλο λοιπόν που το CO2 κατατάσσεται στα αέρια χαμηλής επικινδυνότητας, είναι φανερό ότι πρέπει να λαμβάνονται μέτρα προστασίας έναντι διαρροής ή έναντι επικίνδυνης ανόδου της πίεσης.

Τα συστήματα εμπορικής ψύξης CO2 με κεντρικό μηχανοστάσιο έχουν ένα «ευεργετικό» από άποψη ασφάλειας χαρακτηριστικό: Η πλειονότητα της μάζας του CO2 βρίσκεται στο μηχανοστάσιο. Εκεί βρίσκεται το δοχείο συγκέντρωσης υγρού CO2 (receiver), το δοχείο δευτερεύοντος ρευστού, ο εναλλάκτης cascade (αν υιοθετείται τέτοιο σύστημα) κλπ. Επιπρόσθετα, το χαρακτηριστικό των μικρών πτώσεων πίεσης και μικρών θερμοκρασιακών penalties που διακρίνουν το CO2 επιτρέπει γραμμές δικτύων μικρής σχετικά διαμέτρου, άρα μικρής μάζας που κυκλοφορεί στους χώρους που υπάρχουν άνθρωποι. Η ποσότητα που παραμένει στο χώρο του μηχανοστασίου μπορεί να είναι πάνω από το 60% της συνολικής ποσότητας. Η συνολική ποσότητα CO2 σε ένα σύστημα εμπορικής ψύξης S/M σύμφωνα με [1] είναι της τάξης των 5,25 kg ανά KW ψυκτικής ισχύος σε συστήματα δευτερεύοντος ρευστού CO2, ενώ σε συστήματα cascade μόνο 1,7 kg ανά KW ψυκτικής ισχύος (χονδρική προσέγγιση).

Η πιο απλή μέθοδος προστασίας έναντι ανόδου πίεσης όταν το συγκρότημα είναι σε κατάσταση παύσης, είναι η ηθελημένη παροχέτευση CO2 στην ατμόσφαιρα μέσω ανακουφιστικών βαλβίδων (relief valves), ώστε να επέλθει εκτόνωση. Τούτο φυσικά πρέπει να γίνεται με ελεγχόμενο τρόπο, ώστε να μην επηρεάζει παρακείμενους ανθρώπους, αφού CO2 είναι επικίνδυνο από κάποια συγκέντρωση και πάνω. Σημειώνεται εδώ, ότι οι ανακουφιστικές βαλβίδες πρέπει να βρίσκονται από τη πλευρά του αερίου CO2 και να διοχετεύουν το CO2 με «ρέγουλο», ώστε να μη σχηματίζεται ξηρός πάγος και μπλοκάρει τη δίοδο (το CO2 κάτω από 5,2 bar μπορεί να υπάρχει μόνο σε φάσεις στερεού / αερίου). Να θυμόμαστε ότι το CO2 είναι βαρύτερο του αέρα και συγκεντρώνεται χαμηλά, όπου και πρέπει να τοποθετούνται οι σχετικοί ανιχνευτές. Η διεργασία της ηθελημένης ανακούφισης πρέπει φυσικά να συνοδεύεται με διεργασία ανανέωσης του αέρα, όπως θα δούμε στα επόμενα. Στο επόμενο σχήμα φαίνεται μια συνιστώμενη διάταξη ανακουφιστικών βαλβίδων [2].

Σχήμα 1: Σύστημα ελέγχου ανόδου πίεσης με ανακουφιστικές βαλβίδες και δυο επίπεδα ασφάλειας [4].

Η διάταξη του σχήματος προβλέπει την ανακούφιση της πίεσης σε πρώτο επίπεδο με μια βαλβίδα back pressure regulator1. Όταν η πίεση ξεπεράσει το set point, η βαλβίδα ανοίγει και το CO2 διοχετεύεται στο περιβάλλον. Όταν η πίεση πέσει κάτω από το set point, η βαλβίδα ξανακλείνει αυτόματα. Αν για οποιονδήποτε λόγο δεν λειτουργήσει το σύστημα, υπάρχει δεύτερο επίπεδο ασφάλειας, με διπλή ανακουφιστική βαλβίδα, που είναι ρυθμισμένη να ανοίξει σε ψηλότερο επίπεδο πίεσης από εκείνο της back pressure και οπωσδήποτε χαμηλότερο από εκείνο της πίεσης σχεδιασμού.

Η ποσότητα που διοχετεύεται στην ατμόσφαιρα πρέπει μετά την αποκατάσταση του προβλήματος να συμπληρώνεται στο σύστημα. Σύμφωνα με [3], ο COP του συστήματος μειώνεται γρήγορα αν η ποσότητα CO2 είναι ελλιπής, ενώ πάλι μειώνεται (βραδύτερα όμως) αν η ποσότητα είναι μεγαλύτερη από τη βέλτιστη. Αναφέρεται επίσης, ότι τα transcritical συστήματα CO2 είναι πολύ πιο ευαίσθητα σε συνθήκες υποπλήρωσης συγκριτικά με τα συμβατικά ρευστά.

Εναλλακτικά με τη μέθοδο της ηθελημένης ανακούφισης, υπάρχει η μέθοδος της συγκέντρωσης όλης της ποσότητας του CO2 στο δοχείο receiver (το οποίο φυσικά πρέπει να είναι κατάλληλα διαστασιολογημένο) και η πίεσή του εκεί να διατηρείται σε χαμηλό (ακίνδυνο) επίπεδο με τη βοήθεια ενός αυτόνομου τοπικού ψυκτικού κυκλώματος (πιθανά με υδροφθοράνθρακα αλλά και με το ίδιο το CO2), το οποίο μάλιστα έχει και αυτόνομη πηγή ενέργειας (γεννήτρια), η οποία ενεργοποιείται αυτόματα με την παύση του ρεύματος δικτύου. Στο επόμενο σχήμα φαίνεται ένα τέτοιο σύστημα, που ανακουφίζει την πίεση με ένα ανεξάρτητο ψυκτικό κύκλωμα.

Σχήμα 2: Εξασφάλιση χαμηλής πίεσης σε δοχείο CO2 κατά τη διακοπή λειτουργίας με χρήση ανεξάρτητου ψυκτικού κυκλώματος.

Το CO2 εντάσσεται κατά ASHRAE στη κατηγορία αερίων Α1 (όχι τοξικό, όχι εύφλεκτο). Εν τούτοις, από ένα επίπεδο συγκέντρωσης και πάνω μπορεί να προκαλέσει προβλήματα στον άνθρωπο, ακόμα και θανατηφόρα. Να γνωρίζουμε, ότι στην ατμόσφαιρα υπάρχει σήμερα CO2 που προσεγγίζει τα 400 ppm, άρα σε αυτό το επίπεδο δεν υφίσταται λόγος ανησυχίας. Μέχρι τα 1000 ppm μπορεί να γίνεται ανεκτό χωρίς προβλήματα. Στον επόμενο πίνακα (άντληση πληροφοριών από αναφορές 1 και 4) αναφέρονται κλιμακωτά τα επίπεδα συγκέντρωσης και οι αντίστοιχες επιπτώσεις στον άνθρωπο.
Πίνακας 1: Χαρακτηριστικά όρια συγκέντρωσης CO2 στο περιβάλλον και αντίστοιχες επιπτώσεις [1, 4].

Πίνακας συγκεντρώσεων – Επιπτώσεων CO2 στην ατμόσφαιρα
Ορολογία Επεξήγηση Συγκέντρωση (ppm) Επιπτώσεις Παρατηρήσεις
350-400 Φυσιολογική συγκέντρωση στην ατμόσφαιρα
1.000 Συνιστάται να μην
υπερβαίνεται
TWA Time Weighted Average (5hx7000ppm+
3hx6000ppm)/8=
4600ppm
TLV Threshold Limit Value 5.000 Οριακή τιμή TWA 8ωρης έκθεσης χωρίς αρνητικές επιπτώσεις Ανώτατο όριο TWA-
Οπτικός συναγερμός
ATEL Acute Toxicity Exposure Limit 20.000 Επιτάχυνση 50%
αναπνοής – εξάντληση		 Αύξηση εξαερισμού
Συναγερμός εγρήγορσης
STEL Short Limit Time Exposure (15min) 30.000 Επιτάχυνση 100%
αναπνοής – εξάντληση
IDLH Immediately Dangerous to Life of Health 40.000 Ανώτατο όριο στο οποίο μπορεί να γίνει
διαφυγή εντός 30’
χωρίς αρνητικές
επιπτώσεις στην υγεία		 Συναγερμός εκκένωσης
100.000 Πάνω από αυτό
το επίπεδο γρήγορη
λιποθυμία και πιθανώς θάνατος

Κατόπιν των ανωτέρω, τα ενεργητικά μέτρα ασφάλειας που πρέπει να λαμβάνονται σε χώρους που υπάρχουν δίκτυα CO2 έχουν ως εξής:

  • Πρέπει να υπάρχει ένας μόνιμος «ελαφρύς» εξαερισμός, που να εξασφαλίζει ότι δεν ξεπερνάται ποτέ το όριο των 1.000 ppm [1].
  • Σε χώρους που παραμένουν επί μακρόν εργαζόμενοι, πρέπει να υπάρχει όργανο μέτρησης συγκέντρωσης CO2 στον αέρα, ώστε να παρακολουθείται συνεχώς ότι δεν ξεπερνιέται ο σταθμικός μέσος όρος (TLV) των 5.000 ppm για τον κάθε εργαζόμενο σε 8ωρη ημερήσια βάση και 40ωρη εβδομαδιαία βάση. Το όργανο πρέπει να κάνει συνεχείς υπολογισμούς της τιμής TWA και όταν απαιτείται να δίνει σήμα συναγερμού. Επίσης, πρέπει να έχει τη δυνατότητα προγραμματισμού πολλαπλών βαρδιών [1].
  • Σύμφωνα με [1], όταν η συγκέντρωση ξεπερνάει τα 5.000 ppm πρέπει να είναι σε γνώση των παριστάμενων με ένα πρώτο επίπεδο alarm. Στη [4] αναφέρεται ότι στα 5.000 ppm αρκεί ένα οπτικό alarm, ενώ το ηχητικό πρέπει να διεγείρεται σε ανώτερα επίπεδα (βλέπε επόμενη παράγραφο).
  • Σύμφωνα με το standard EN378, σε μηχανοστάσια όπου το περιεχόμενο σε CO2 ξεπερνάει τα 25 kg και υπάρχει μακρά απασχόληση ανθρώπων (π.χ. εργαστήριο επισκευών) πρέπει να τοποθετούνται ανιχνευτές συνδεδεμένοι με σύστημα εξαερισμού. Στην [1] αναφέρονται τα εξής: Όταν η συγκέντρωση CO2 είναι < 5.000 ppm πρέπει να υπάρχει μια «ελαφρά» μόνιμη ανανέωση του αέρα (νωπός αέρας), της τάξης των 4 αλλαγών / ώρα του αέρα του χώρου. Μόλις η συγκέντρωση φθάσει τα 5.000 ppm, πρέπει αυτόματα να ενεργοποιείται σύστημα αύξησης του εξαερισμού σύμφωνα με φόρμουλα δεδομένων. Η αύξηση του εξαερισμού πρέπει να συνοδεύεται από ένα συναγερμό χαμηλού επιπέδου (πιθανά μόνο οπτικό). Αν τελικά η συγκέντρωση συνεχίσει να ανεβαίνει, πρέπει να προβλέπεται ένα δεύτερο επίπεδο συναγερμού στο 50% του ορίου ATEL (ήτοι 50%Χ20.000 = 10.000 ppm) και συναγερμός επείγουσας εκκένωσης χώρου στο όριο IDLH (40.000 ppm). Το σύστημα εξαερισμού δεν πρέπει να ξεπερνάει τις 15 αλλαγές την ώρα [1].

 

1 Εναλλακτικά μπορεί να χρησιμοποιείται οποιαδήποτε αυτόματη βαλβίδα που ανοίγει όταν «διαβάζει» πίεση πάνω από το set point π.χ. με χρήση transducer.

ΑΝΑΦΟΡΕΣ
1.Natural Refrigerant CO2, edited by Walter Reulens, October 2009, Leonardo project «NARECO2».
2.International Institute of Ammonia Refrigeration «CO2 Handbook», 2010.
3.Brian T. Austin, K. Sumathy «Transcritical carbon dioxide heat pump systems: A review», ELSEVIER Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 (2011) 4013–4029
4.International Institute of Refrigeration «CO2 as a refrigerant», editor A. B. Pearson, 2014