POLITECHNIKA GDAŃSKA

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃSKA Wydział Mechaniczny Katedra Techniki Cieplnej Chłodnictwo Temat: Dwutlenek węgla: własności cieplne i użytkowe, wykorzystanie w technice chłodniczej i tzw. Klimatyzatorach samochodowych. Krzysztof Mocek Dariusz Paciorkiewicz SUChiKl sem 8 Gdaosk 2010

2 Krzysztof Mocek Test klimatyzacji samochodowej na dwutlenek węgla na przykładzie samochodu VW Touran 1,9 TDI (77kW) oraz porównanie tego czynnika do obecnie stosowanego czynnika jakim jest R134a. Rys 1. Samochód VW Touran Czynniki chłodnicze, które zostały obecnie zatwierdzone przez producentów samochodów to R12 oraz R134a. Pierwszym czynnikiem chłodniczym stosowanym w układach klimatyzacyjnych pojazdów był R12, który został wycofany z użycia w 1993r., lecz nie od razu zaprzestano produkcji samochodów na ten czynnik i przejściowo na rynku motoryzacyjnym w 1993r. można było jeszcze kupić samochód z instalacją na oba czynniki R12 i R134a. W roku 1995 została wstrzymana produkcja czynnika R12 na mocy Protokołu Montrealskiego z 1987r., ze względu na destrukcyjne działanie na warstwę ozonową - współczynnik ODP=0,82. Na jego miejscu na początku lat 90-tych jako zamiennik wprowadzono czynnik R134a, którego OPD=0 Idąc z postępem techniki oraz szeroko pojętej ekologii producenci samochodów szukają coraz to nowszych rozwiązań w układach klimatyzacyjnych, co za tym idzie zamiana starego czynnika na nowy, lepszy, tańszy oraz bardziej ekologiczny od poprzednich. Takim czynnikiem może się okazać dwutlenek węgla (R744). Czynnik ten należy on do grupy naturalnych czynników chłodniczych, w skład których wchodzą również takie czynniki jak: amoniak, węglowodory, oraz woda. R744 jest nietoksyczny, niepalny, bezbarwny, obojętny, bezwonny, neutralny w smaku. Jego współczynnik ODO=0. Czynnik R744 tak samo jak czynnik R134a współpracuje z olejem syntetycznym. 2

3 Znaczącą różnicą dzielącą oba czynniki są wartości ciśnień po stronie tłocznej i ssawnej. Dla czynnika R134a mamy wartości rzędu 2 Bar dla strony niskiego ciśnienia i 14 Bar na stronie wysokiego ciśnienia przy temperaturze na wyjściu ze sprężarki rzędu 60 C. Dużo wyższe ciśnienia robocze panują dla czynnika R744, gdzie mamy po stronie niskiego ciśnienia 35 Bar, a strona wysokiego ciśnienia przyjmuje już obciążenia rzędu 130 Bar i temperaturę na wyjściu ze sprężarki 160 C ( niski punkt potrójny wymaga zastosowania dochładzacza). Zleceniodawcami projektu jest : Niemieckie Federalne Ministerstwo Ochrony Środowiska, Ministerstwo Ochrony, Przyrody oraz Ministerstwo Bezpieczeństwa Jądrowego Wykonaniem instalacji, montażem oraz testami zajęła się Austriacka firma Obrist Engineering GmbH, która to współpracowała z dostawcami części takimi jak: Behr (Stuttgart), BHTC (Lippstadt), Egelhof (Stuttgart), Ixetic (Bad Hamburg). Dla zapewnienia jak najbardziej wiarygodnych wyników testu, badania przeprowadzono na dwóch różnych stacjach diagnostycznych wyposażonych w specjalistyczny sprzęt zapewniający odpowiednie warunki pomiarów. Pierwszym obiektem w którym przeprowadzono (Rys.2) testy wykorzystano: komorę, tunel aerodynamiczny stosowany dla pociągów, autobusów oraz samochodów, wyposażony w sekwencje występowania zmiennego nasłonecznienia, dynamometr, zmianę temperatury otoczenia, wilgotności oraz siły wiatru. Drugim obiektem (Rys.3) była stacja diagnostyczna w której dodatkowo zostały zastosowane przyrządy do pomiaru zużycia paliwa. Rys. 2 Pierwszy obiekt testowy 3

4 Rys. 3 Drugi obiekt testowy Schemat instalacji: W układzie chłodniczym pojawia się dochładzacz ( w R134a nie ma) wymiennik ciepła powodujący podgrzanie par opuszczających parownik i dochłodzenie par opuszczających skraplacz. Sprężarki układów dla R744 mają mniejszą pojemność skokową (np. 28 zamiast 160cm3), są lżejsze i nie posiadają sprzęgła. Rys. 4 Schemat instalacji Nowością jest wprowadzenie dwóch klap sterujących przepływem gorącego powietrza (Rys.4). Funkcja ich polega na : zamykaniu się podczas za małego przepływu powietrza a otwierają podczas zwiększonego przepływu powietrza. Nie ma tego systemu w instalacji na R134a, gdyż system ten jest mniej wrażliwy na wsteczny przepływ. 4

5 Rys. 5 Klapy sterujące przepływem powietrza Porównanie przewodów elastycznych (Rys.6) wysokiego ciśnienia pracujących na R134a i R744.Przewód na czynnik R134a gumowy w porównaniu do odpornego na bardzo wysokie ciśnienia przewodu czynnika R744. Rys.6 Przewody wysokiego ciśnienia Dla porównania obydwu instalacji klimatyzacyjnych zastosowano dokładnie takie same procedury jak w przypadku czynnika R134a czyli: Tak samo rozmieszczone czujniki temperatury w samochodzie Pomiary mocy sprężarki chłodniczej Pomiary przy zróżnicowanym poruszaniu się samochodu na drodze ( przyspieszanie, hamowanie) Pomiary zużycia paliwa 5

6 Zużycie paliwa [L/100km] Temperatura [ºC] Wyniki testów, czyli porównanie pracy sprężarki chłodniczej (Rys.7), zużycia paliwa (Rys.8) oraz emisji CO2 (Rys.9) obydwu instalacji. Porównanie mniejszej mocy silnika w pierwszej fazie (od 0 do 30 minut), następnie biegu jałowego(wyłączenie sprężarki od 30 do 45 minut)w drugiej fazie oraz większej mocy silnika (od 45 minut) w trzeciej fazie. Jak widać parametry temperatury w funkcji czasu obu czynników są do siebie bardzo zbliżone. Czas [min] Rys. 7 Porównanie pracy sprężarki Zużycie paliwa 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0-14% - 45% - 54% 20ºC 28ºC 35ºC Temperatura otoczenia R134a R744 Rys. 8 Porównanie zużycia paliwa 6

7 Dodatkowa emisja CO2 [g/kg] Mniejsza emisja CO2 Temperatura otoczenia R134a emisja CO2 R744 emisja CO2 CO2 - różnica emisji Rys. 9 Porównanie emisji zużycia CO2 Wykres Moliera: Rys. 10 Wykres Moliera. 1-2 sprężanie 2-3 chłodzenie 3-4 dochłodzenie czynnika w dochładzaczu 4-5 dławienie 5-6 wrzenie 7

8 Podsumowanie: Czynnik R744 wprowadził w życie możliwość produkcji instalacji samochodowej na skalę masową. Wielkość instalacji na czynnik R744 jest bardzo zbliżona do wielkości instalacji na czynnik R134a. Instalacja klimatyzacyjna R744 zużywa mniej paliwa od instalacji na R134a. Mniejsza emisja CO2 do atmosfery, co za tym idzie mniejsza szkodliwość dla środowiska. Dużo wyższe ciśnienia panujące w instalacji. W razie wycieku jego ulotnienie się do atmosfery, nie niesie dodatkowych skutków ubocznych tak jak ma to miejsce z czynnikiem R134a. Nie jest konieczna utylizacja R744 podczas recyklingu pojazdów. W przypadku wypadku samochodowego (13 MPa i 160 C na wyjściu ze sprężarki) Skutki mogą być tragiczne. Bibliografia: 1.) 2.) 3.) 4.) 5.) CHTK 8

9 Dariusz Paciorkiewicz Zastosowanie dwutlenku węgla R744 jako czynnika chłodniczego. Historia CO2 jako czynnika chłodniczego Dwutlenek węgla nie jest innowacyjnym czynnikiem, znany jest już od połowy XIXw. Dość powszechnie Używany był jeszcze w latach 50 przede wszystkim na statkach dalekomorskich, jednak ze względu na stosunkowo niska wydajność przy pracy w wyższych temperaturach został wyparty przez czynniki syntetyczne. W dzisiejszych czasach dwutlenek węgla powraca do łask i zaczyna być szerzej stosowany w instalacjach chłodniczych, umożliwiają to coraz bardziej zaawansowane technologie jak również pożądane właściwości- szczególnie w dziedzinie ochrony środowiska. Własności CO2 Dwutlenek węgla jest gazem bezbarwnym, obojętnym, niepalnym, bezwonnym, naturalnym w smaku, nietoksycznym i bakteriostatycznym, naturalnie występującym w atmosferze. CO 2 jest czynnikiem nie występującym w postaci cieczy w warunkach ciśnienia atmosferycznego. Skrapla się dopiero powyżej ciśnienia 5,2 bar przy temp powyżej -57 C. Przy ciśnieniu atmosferycznym przybiera od postad fazy stałej (suchego lodu) lub gazu. Granica jest temp jego sublimacji (-78,8 C) przy czym ciepło sublimacji wynosi 571,1 KJ/kg. W temp powyżej 31 C dwutlenek węgla występuje w stanie nadkrytycznym. 9

10 Zastosowanie CO 2 : Dzięki swoim własnościom fizyko-chemicznym dwutlenek węgla znajduje zastosowanie we wszystkich stanach skupienia: gazowym, ciekłym, a także stałym jako suchy lód. Stosuje się w przemysłach: spożywczym, metalurgicznym, chemicznym, chłodnictwo, czy ochrona przeciw pożarowa. Gazowy CO2 używa się na przykład do nasycania napojów, pakowania żywności, jako gaz napędzający aerozole, w spawalnictwie jako gaz ochronny, do uzdatniania wody pitnej, do zobojętniania ściegów alkaicznych, podczas produkcji pianek oraz do stymulacji wzrostu roślin w szklarniach. Ciekły lub stały CO2 stosuje się do mrożenia produktów spożywczych, w procesach technologicznych do schładzania żywności oraz w środkach transportu do utrzymywania niskiej temp w przestrzeni ładunkowej, w której przewożone są zamrożone, lub schłodzone produkty. Można go również zastosowad w recyclingu kriogenicznym i obróbce odpadów. Zalety i wady CO2: Zalety: Niepalnośd i niewybuchowośd Nietoksycznośd i brak zapachu Duża dostępnośd i niska cena Zerowy współczynnik niszczenia warstwy ozonowej (ODP=0) i niski wskaźnik efektu cieplarnianego (GWP=1) Wysoka objętościowa wydajnośd chłodnicza około 10x większa od amoniaku Niskie opory przepływu Nadciśnienie w instalacji nawet przy niskich temperaturach parowania, co zapobiega przedostawaniu się powietrza przy ewentualnych nieszczelnościach Wysokie współczynniki wydajności chłodniczej Wady: Wysokie ciśnienia robocze wymagają specjalnej konstrukcji sprężarek i aparatów. Skraplacz CO2 wymiennik kaskadowy stanowi dodatkowy koszt instalacji Większa gęstośd od powietrza i brak zapachu. W razie nieszczelności grozi uduszeniem, gdyż wypiera powietrze z dołu maszynowni. Wymaga starannego zaprojektowania wentylacji 10

11 W tradycyjnym obiegu parowym maksymalna temp skraplania ograniczona jest do 31 C a minimalna temp. parowania do -56 C (punkt potrójny) Koniecznośd chłodzenia zbiornika przez małe urządzenia chłodnicze podczas postoju instalacji w celu ograniczenia wzrostu ciśnienia Brak możliwości odtajania parownika gorącymi parami czynnika Dwutlenek węgla ma bardzo duże wartości jednostkowej wydajności chłodniczej objętościowej qv, co zmniejsza potencjalne trudności związane z budową wysokociśnieniowych urządzeń chłodniczych. Proporcja qv CO2 do amoniaku odpowiada stosunkowi objętości cylindrów sprężarki amoniakalnej do sprężarki CO2. W przypadku dwutlenku węgla uzyskujemy 5 7 razy mniejsze objętości cylindra, co sprawia, iż stosowanie CO2 jako czynnika, znacznie zmniejsza wielkość urządzeń i umożliwia uzyskanie bardzo zwartych konstrukcji. 11