Grundlagen der Ammoniak-Kältetechnik

Künstliche Kühlsysteme halten die Industrie am Laufen, und viele dieser Systeme verwenden wasserfreies Ammoniak als Kältemittel. Wie funktionieren diese Systeme? Welche Gefahren birgt die Ammoniak-Kälteerzeugung und was kann man tun, um die Sicherheit der Arbeitnehmer zu gewährleisten?

Ammoniak-Kälteerzeugung 101

Kältesysteme nutzen die grundlegende Physik, um Wärmeenergie aus einem Bereich in einen anderen zu übertragen, wobei der erste Bereich kühler bleibt als zuvor. Der Kühlschrank in Ihrer Küche tut dies, damit die Milch nicht verdirbt. Eishockeyhallen und Tiefkühlabteilungen von Lebensmittelgeschäften nutzen den gleichen Prozess in größerem Maßstab. Große Industrieanlagen wie petrochemische Raffinerien und lebensmittelverarbeitende Betriebe sind für ihren täglichen Betrieb auf groß angelegte Kältesysteme angewiesen.

Die gängigste Art von Kältesystem ist ein Dampfkompressionskühlschrank. Dabei wird eine Flüssigkeit, das so genannte Kältemittel, für den Wärmetransport verwendet. Meistens ist das Kältemittel ein Dampf. An einem bestimmten Punkt im System wird es komprimiert, so dass es flüssig wird; später kann es sich ausdehnen und wieder verdampfen. Dieser Prozess wiederholt sich in einem Zyklus. Jedes Mal, wenn das Kältemittel verdampft, nimmt es Wärmeenergie aus der Umgebung auf, und jedes Mal, wenn es kondensiert, gibt es diese Wärme an den neuen Ort ab.

Die physikalischen Eigenschaften des Kältemittels bestimmen die Druck- und Temperaturbereiche des Systems sowie die Häufigkeit der Zyklen, die für eine bestimmte Kühlwirkung erforderlich sind. Diese Details bestimmen wiederum die Effizienz des gesamten Kältesystems. Die Wahl des Kältemittels ist wichtig, und viele synthetische Stoffe wurden zu diesem Zweck entwickelt. Berühmt sind viele Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) wie Freon-12, die im 20. Jahrhundert entwickelt und in großem Umfang eingesetzt wurden, bis ihre zerstörerischen Auswirkungen auf die Umwelt entdeckt wurden.

Warum Ammoniak als Kältemittel?

In sehr großen Kühlsystemen, wie z. B. in Lebensmittelverarbeitungsbetrieben, wird häufig Ammoniak als Kältemittel eingesetzt. Es gibt drei Hauptgründe für die Wahl von Ammoniak als Kältemittel:

• Die physikalischen Eigenschaften von Ammoniak machen es effektiv und effizient für große Systeme.
• Es zerfällt schnell in der Umwelt und minimiert so mögliche Umweltauswirkungen.
• Ein Verschütten oder eine versehentliche Freisetzung kann aufgrund des starken Geruchs von Ammoniak schnell erkannt werden.

Nach Angaben des International Institute of Ammonia Refrigeration (IIAR) ist Ammoniak thermodynamisch 3 bis 10 % effizienter als andere Kältemittel. Dadurch kann ein Kältesystem auf Ammoniakbasis die gleiche Kühlwirkung bei geringerem Stromverbrauch erzielen. Daher kann die Ammoniak-Kühlung dort, wo sie geeignet ist, langfristig niedrigere Betriebskosten bieten.

Ammoniak baut sich in der Umwelt sehr schnell ab (es bleibt weniger als eine Woche in der Luft). Im Gegensatz zu synthetischen Kältemitteln wie FCKW schädigt es die Ozonschicht nicht. Das Schadenspotenzial von Ammoniak beruht größtenteils darauf, dass zu viel davon an einem Ort vorhanden ist, und nicht darauf, dass es ausläuft und in die Umwelt gelangt. Tatsächlich wird Ammoniak in der industriellen Landwirtschaft häufig als Düngemittel auf Felder gesprüht.

Schließlich werden die meisten Menschen den stechenden Geruch von Ammoniak wahrnehmen, wenn es nur etwa 20 Teile pro Million (ppm) in der Luft ist. Während einige Kältemittel keinen wahrnehmbaren Geruch haben, so dass kleine Lecks unbemerkt bleiben, ist das bei Ammoniak nicht der Fall. Selbst eine winzige Menge in der Luft ist deutlich zu riechen. Wichtig ist, dass die nachweisbare Konzentration viel niedriger ist als die Konzentration, die unmittelbaren Schaden verursacht.

Gefahren der Ammoniak-Kühlung

Da die Eigenschaften von Ammoniak am besten für große Kühlsysteme geeignet sind, ist es wahrscheinlich, dass in jedem System, das es verwendet, eine große Menge Ammoniak vorhanden ist. Jegliches Wasser im System würde gefrieren und die Rohrleitungen verstopfen, so dass Ammoniak-Kältesysteme wasserfreies Ammoniak (ohne Wasser oder andere Verunreinigungen) verwenden müssen. Die Physik der Dampfkompressionskälte erfordert, dass das System genügend Druck aufbaut, um das Gas in eine Flüssigkeit zu verdichten. Zusammengenommen bedeutet dies, dass das Kältesystem eine große Menge reinen Ammoniaks unter hohem Druck verwendet.

Daher besteht bei jedem auf Ammoniak basierenden Kältesystem die Gefahr einer versehentlichen Exposition gegenüber hohen Ammoniakkonzentrationen. Ein solcher Unfall könnte die menschliche Gesundheit ernsthaft schädigen.

OSHA betrachtet wasserfreies Ammoniak bei einer Konzentration von 300 Teilen pro Million (ppm) oder 0,03 % als „unmittelbar lebens- und gesundheitsgefährlich“. Ammoniak ist ätzend für Haut, Augen und Lunge, und selbst eine kurze Exposition kann zu schweren Verätzungen führen. In extremen Fällen kann das Opfer sogar sterben. Bei einem Unfall in einem lebensmittelverarbeitenden Betrieb im Jahr 2006 brach ein Rohranschlussstück während der Wartungsarbeiten und versprühte die in der Nähe befindlichen Arbeiter aus kurzer Entfernung. Ein Arbeiter starb, ein anderer wurde ins Krankenhaus eingeliefert. Weitere Informationen zur Sicherheit und zum Gesundheitsschutz bei Ammoniak finden Sie bei der OSHA.

Vermeidung eines Ammoniaklecks

Die OSHA empfiehlt unter anderem die Durchführung einer Prozessgefahrenanalyse (PHA), wenn an einem Arbeitsplatz Ammoniakkühlung vorhanden ist. Eine PHA besteht aus einer sorgfältigen Prüfung potenzieller Probleme – wie z. B. eines Ammoniaklecks – und der Maßnahmen, die zur Vermeidung eines solchen Ereignisses ergriffen werden sollten. Die Durchführung dieser Analyse kann das Bewusstsein der Mitarbeiter schärfen, eine aufmerksame Einstellung zur Sicherheit fördern und einen proaktiven Ansatz zur Gefahren- und Risikobewertung schaffen.

Anforderungen für PHAs finden sich in 29 CFR 1910.119, dem OSHA-Standard für das Prozesssicherheitsmanagement von hochgefährlichen Chemikalien.

Eine PHA sollte Folgendes umfassen:

1. Identifizieren Sie alle Gefahren des Prozesses.
2. Identifizieren Sie alle früheren Vorfälle, die am Arbeitsplatz potenziell katastrophale Folgen gehabt haben könnten.
3. Beschreiben Sie alle technischen und administrativen Kontrollen, die ergriffen werden können, um die mit der Gefahr verbundenen Risiken zu verringern.
4. Schlüsseln Sie die Folgen auf, falls technische und/oder administrative Kontrollen versagen.
5. Gehen Sie auf alle potenziellen Auswirkungen auf die Sicherheit und Gesundheit der Mitarbeiter im Falle eines Versagens ein.

Die Durchführung einer PHA ist eine Schlüsselkomponente eines umfassenderen Prozesssicherheitsmanagements. Lesen Sie mehr über Prozesssicherheitsmanagement.

Ammoniak-Kältesicherheit

Die mit der Ammoniakkühlung verbundenen Risiken können durch sorgfältiges Management und Wartung erheblich reduziert werden. Ein Teil dieses Prozesses ist die klare Kennzeichnung der verwendeten Rohre und Geräte. Als anerkannte Branchenexperten auf diesem Gebiet unterhält das IIAR einen Empfehlungskodex für die Kennzeichnung von Kälteanlagen.

Das zuletzt im April 2014 aktualisierte IIAR-Bulletin Nr. 114 legt Größen, Farben und Anordnungen für die Kennzeichnung von Ammoniakleitungen und -komponenten fest. Dieses kohärente System vereinfacht die Wartung und fördert die Sicherheit und ist kompatibel mit ANSI/ASME A13.1, dem am weitesten verbreiteten Industriestandard für die allgemeine Rohrleitungskennzeichnung in Anlagen.

Eine typische Ammoniak-Rohrleitungskennzeichnung besteht aus fünf Elementen:

• Rohrleitungsabkürzung, wie z.B. „LTRS“ für Low Temperature Recirculated Liquid, um den Teil des Systems zu identifizieren, den die Rohrleitung repräsentiert
• Physikalischer Zustand des Rohrleitungsinhalts, dargestellt mit Buchstaben auf einem farbigen Band: „LIQ“ auf gelbem Grund, für Flüssigkeit; „VAP“ auf himmelblauem Grund, für Dampf; oder beides, wenn das Rohr beide Phasen enthalten kann
• Rohrinhalt, einfach und deutlich angegeben mit dem Wort „Ammoniak“
• Druckniveau, dargestellt mit Buchstaben auf einem farbigen Band: „LOW“ auf grünem Band für einen Druck von 70 psig oder weniger; oder „HIGH“ auf rotem Band für einen Druck von mehr als 70 psig
• Die Fließrichtung wird mit einem Pfeil angezeigt, der in die richtige Richtung entlang des Rohrs zeigt

Anforderungen an das Ammoniak-Kälteetikett

Die Rohrleitungsabkürzung, der Rohrinhalt und die Fließrichtung werden in schwarzer Schrift auf orangefarbenem Hintergrund dargestellt. Nach der weit verbreiteten ANSI/ASME-Norm A13.1 zur Rohrleitungskennzeichnung ist dies die bevorzugte Darstellung für Rohre, die giftige Stoffe wie Ammoniak enthalten. Folglich entspricht eine Rohrmarkierung, die dem IIAR Bulletin Nr. 114 entspricht, auch dem breiteren Standard.

Dieses umfassende, branchenspezifische Kennzeichnungssystem muss konsequent angewendet werden, um die besten Ergebnisse zu erzielen. Graphic Products bietet eine Referenztabelle zur Kennzeichnung von Ammoniakrohren an, die das IIAR-System beschreibt. Die Verwendung dieser Tabelle kann Ihrer Anlage helfen, ihre Sicherheit und Effizienz zu maximieren, während Sie die Vorteile der Ammoniakkühlung nutzen. Beginnen Sie damit, die Gefahren der IIAR-Normen mit unserer kostenlosen Rohrleitungskennzeichnungstabelle anzugehen.