2008 IIAR Technical Papers
  Colorado Springs, CO
30th Annual Meeting

The Economics of Computer Modeled Central Ammonia Systems vs. the Use of Impact Tested Pipe and Fittings 
 Author: Phil Golden and Reid McNally Jr.

This paper documents the requirements of the 2006 ASME B31.5 Code for Pressure Piping, “Refrigeration Piping and Heat Transfer Components,” related to piping and fittings. The selection by the owner of: 1) the currently followed industry practices, or 2) the alternative design guidelines set forth in the ASME B31.5 piping code, will have a financial impact on the cost of each project. In this paper we examine these alternatives, review impact testing implications, examine several money saving concepts that can be implemented in the design and construction of refrigeration piping systems and, finally, review the procedures required to comply with the B31.5 piping code requirements.
Energy Efficiency and Enhanced Performance by Applying Variable Speed Drives to Rotary Screw Compressors
Author: John Cosner

This paper covers the application of variable speed drives to rotary screw compressors from two directions: 1) energy savings through better part load efficiency and 2) the enhanced performance provided by a variable speed drive in regard to rapid and precise capacity control.
Ammonia as the Sustainable Refrigerant: An Ammonia-Halocarbon Comparison
Author: Jamie Horton and Alex Gooseff

When contemplating the question “Should our facility utilize an ammonia or halocarbon refrigeration system?” an owner should perform a detailed financial analysis of the two systems. The first cost difference of the two systems may be easily returned via the savings in operating costs and the long term benefits can be significant. For the example Case Study, the original investment of $208,000 for an ammonia system resulted in a simple pay-back of about 1.7 years and a total savings of about $4.9 million over 20 years. In general the following rules of thumb apply for a distribution facility application: Less than 50,000 sq. ft. refrigerated space, halocarbon split circuit systems are normally accepted. A 50,000 to 200,000 sq. ft. refrigerated space, both halocarbon split circuit systems and central ammonia systems are common. Over 200,000 sq. ft. refrigerated space, central ammonia refrigeration systems are most common.
Saving Energy Using Variable Frequency Drives Applied to Screw Compressors and Reciprocating Compressors
Author: Gary Schrift and Greg Klidonas

With energy prices on the rise, more emphasis is being placed on improving the operating efficiency of industrial refrigerating systems with a focus on the largest energy users, the compressors. As a result, the use of variable speed drives to control the capacity of screw compressors is becoming more popular. However, the use of a speed controlled screw may not be the best solution as the potential efficiency gains are influenced by many external factors. This paper will analyze and compare those factors and their impact on energy saving practices being recommended and applied to today’s compressor installations.
Air-cooled Ammonia Condensers as an Alternative to Evaporative Condensers
Author: Heinz Jackmann and Ian Runsey

This paper provides an overview of the regions in which ammonia refrigerating plants utilizing air-cooled condensers are a possible alternative to evaporative condensers, based on today’s technology. Different types of ammonia condensers can offer advantages in ambient temperature limits for ammonia refrigerating plants with air-cooled condensers depending on the compressor type, application and region. A comparison of energy and water consumption as well as investment and operating costs in different regions is explored.
A Case Study of Pipework Fracture due to Hydraulic Shock in an Ammonia System
Author: Bent Wiencke

In June 2007 a deflagration occurred at a frozen food factory. The incident investigation identified a ruptured coil located in a spiral freezer as the source of the ammonia leak. Within a 20 minute time frame, the ammonia concentration in the room surrounding the freezer enclosure increased to a flammable level and subsequently a deflagration occurred. The arcing found in a wire inside a drinking fountain was the likely ignition source. This freezer design, including the control valve group and liquid transfer vessel, is very typical for the refrigeration industry. The freezer and its associated refrigeration infrastructure were in operation for more than 10 years and underwent 3 Process Hazard Analyses. The incident investigation concluded that a hydraulic shock caused by a vapor propelled liquid slug generated enough of a transient pressure spike to cause coil rupture. A detailed analysis of the control valve group and liquid transfer vessel design and system dynamics, in conjunction with a metallurgic fracture analysis, was used to develop a mathematical model to describe and reconstruct the mechanism of this incident. The results are quite startling and support the fact that a seemingly insignificant system upset has the potential of leading to a catastrophic event. The incident investigation identified additional safeguards that could have prevented this incident.
Estimating Refrigerant Release Quantities
Author: Todd Jekel and Doug Reindl

End users are continuing to make strides toward increasing refrigeration system safety. Programs such as OSHA’s Process Safety Management (PSM) standard and EPA’s Risk Management Program (RMP) have provided a framework for end users to drive continuous improvement in plant refrigeration system safety. Nevertheless, incidents and accidents involving the unintended and uncontrolled loss of refrigerant from pressure-containing parts of a system can and do occur. In this paper, we review techniques suitable for use in estimating the quantity of refrigerant lost as a result of a leak. First principles models are presented for vapor-only, liquid-only, and flashing liquid leak scenarios. Qualitative indications as to what constitutes a reportable quantity of ammonia lost during an incident are also provided. The paper concludes by providing a number of examples of leak quantity estimates for various leak scenarios.
Design Considerations for an NH3 System Utilizing CO2 as a Secondary Refrigerant in Tokyo, Japan
Author: Kuniaki Kawamura, S. Akaboshi, Akito Machida, Nelson Mugabi, Quinn Vo, and Kelly Sasaki

Ammonia is one of the oldest refrigerants in industrial use today. It is a natural refrigerant with excellent thermal properties. However, most ammonia refrigeration systems in Japan are of the indirect type using secondary refrigerants such as propylene glycol or water. Most of the conventional secondary refrigerants have poor heat transfer characteristics and high pressure losses at low temperatures thus offering low system coefficients of performance (COPs). Carbon dioxide is being promoted as a secondary refrigerant because carbon dioxide is a natural refrigerant (ODP=0, GWP=1), non toxic, non-flammable and has good transport properties which results in low pressure losses in the pipes. The COP of the system, therefore, can be improved. This paper reports on development and application of a 2000kW (569 TR) ammonia refrigeration system with carbon dioxide as the secondary refrigerant which operates at three different temperatures.

2008 Programa en español

Integridad mecánica para recipientes de presión y tuberías para sistemas de refrigeración con amoníaco
Author: Ronald A. Cole, P.E. and Godan Nambudiripad, P.E.

Integridad mecánica es un asunto que no se entiende universalmente dentro de la industria de refrigeración con amoníaco. La guía disponible actualmente para nuestra industria sobre este asunto parece ser basado en la experiencia de la industria química y petroquímica. Hay poca duda que nuestra industria puede mejorar en esta situación, especialmente para tuberías y recipientes. El trabajo incluye un caso de estudio en el cual los autores abordaron todos los asuntos prácticos relacionados con crear y desarrollar un programa de integridad mecánica para instalaciones desde el comienzo hasta el final. Entonces los autores revisan el método desarrollado utilizando un acercamiento racional, y reparten partes significantes del mismo. El trabajo muestra un programa rentable de integridad mecánica diseñado específicamente para sistemas de refrigeración con amoníaco, concentrando en áreas críticas y de alto riesgo.
Tipos de deshielo para sistemas con dióxido de carbono
Author: Andy Pearson

Para muchos sistemas de refrigeración no se requiere un sistema de deshielo. Sin embargo, para sistemas con refrigerante evaporando por de bajo de 0ºC (32ºF) donde el evaporador está enfriando aire, un sistema de deshielo eficaz y eficiente es una parte esencial del sistema. Algunos tipos de congeladores también requieren un ciclo de deshielo para sacar el producto al final del proceso de congelación. Este trabajo describe sistemas refrigeración con dióxido de carbono donde algunos métodos tradicionales de deshielo no pueden ser usados. El empleo de una variedad de técnicas alternativas es posible, cada una con ventajas y desventajas. La experiencia práctica con algunos métodos de deshielo menos comunes es descrita en este trabajo y se proveen consejos de diseño.
Procedimientos de operación y entrenamiento
Author: Lawrence F. "Tex" Hildebrand, Vern m. Sanderson, and Michael D. Axthelm

Mantener un buen equilibrio entre sencillez y meticulosidad en descripciones de procedimientos de operación normales (PONs) y también en entrenamiento de operadores puede ser muy difícil. A veces, los PONs pueden terminar tan sencillos que son peligrosos para un operador sin experiencia, o alternativamente, tan minuciosos que no son prácticos para usar. Este trabajo explica el desarrollo y la aplicación práctica de PONs y los programas de entrenamiento para operadores. Este trabajo utiliza un enfoque novedoso, en el cual, los procedimientos de operación son tratados desde cuatro puntos de vista: un consultor, un contratista, un usuario final, y un auditor regulador. El trabajo revisa técnicas para reducir costos, aumentar la seguridad, racionalizar operaciones, y ayudar a mejorar la retención de operadores. Este trabajo también sugiere lo que debe ser el contenido de los PONs, incluyendo recomendaciones sobre niveles de precisión operacional, que debe ser incluido, y lo que no debe ser incluido. La discusión de PONs es seguida por una discusión de tópicos de entrenamiento. inalmente, el trabajo provee recomendaciones prácticas sobre cómo, cuándo, dónde, quién, y cuánto entrenar que los asistentes pueden implementar inmediatamente.
Corrosión de equipo y tuberías bajo el aislamiento
Author: Patrick J. Dunn and Richard Norsworthy

Este trabajo trata de los principios básicos de corrosión y métodos para moderar la corrosión. La corrosión bajo el aislamiento es un problema grave, ya sea que la tubería u otra estructura esté enterrada o en el exterior. Tres de los cuatro elementos para que ocurra la corrosión están presentes en cada metal. El cuarto elemento es un electrolito, que está presente en aislamiento térmico húmedo. La utilización de barreras de vapor, revestimientos y materiales aislantes de buena calidad, técnicas de instalación, y mantenimiento adecuados contribuyen al control de los problemas de corrosión en las tuberías.
Ahorro de energía utilizando impulsores de frecuencia variables aplicados a compresores de tornillo y compresores de pistón
Author: Gary Schrift and Greg Klidonas

Con el incremento de los precios de la energía, más énfasis se pone a mejorar la eficiencia operativa de un sistema de refrigeración enfocándose en los usuarios más grandes de energía en un sistema: los compresores. Consecuentemente, el uso de la velocidad variable para controlar la capacidad de los compresores de tornillo está llegando a ser más popular. Sin embargo, el uso de un compresor de tornillo controlado por velocidad puede no ser la mejor solución puesto que las mejoras potenciales de eficiencia son influenciadas por muchos factores externos. Este trabajo analizará y comparará esos factores y su impacto en las prácticas de ahorros de energía que son recomendadas y aplicadas a las instalaciones de compresores actualmente.