Część I. Katarzyna Asińska

Transkrypt

1 Katarzyna Asińska Ocena techniczna moŝliwości wykorzystania dwutlenku węgla ( R744 ), jako naturalnego płynu roboczego w agregatach chłodniczych i spręŝarkowych pompach ciepła. Referat podzielony jest na dwie części. Pierwsza z nich zawiera informacje dotyczące własności termodynamicznych dwutlenku węgla oraz jego właściwości jako czynnika chłodniczego. Część druga mówi o jego uŝyteczności i praktycznym zastosowaniu w chłodnictwie. Przedstawione zostały sposoby jego wykorzystania oraz wady i zalety stosowania układów zawierających CO 2 jako czynnik roboczy. Część I W dobie zaostrzonych norm ekologicznych czynniki chłodnicze muszą nie tylko posiadać dobre własności termodynamiczne, ale takŝe być przyjazne dla środowiska naturalnego. Dziś, w czasach promocji zdrowia i ekologicznego trybu Ŝycia, poszukuje się czynników o wysokich własnościach energetycznych, które występują w przyrodzie. Jednym z takich czynników okazuje się być dwutlenek węgla- CO 2 (R744). Znany jest w chłodnictwie od dawna jako bezpieczny dla środowiska naturalnego i tani. Właściwości CO 2 : DuŜa rozpuszczalność w wodzie, jednak ograniczona i zaleŝna od temperatury; w postaci parowej jest mniejsza niŝ innych czynników syntetycznych, w fazie ciekłej jest porównywalna do czynnika R134a Dwutlenek węgla nie rozpuszcza się w olejach mineralnych-problemy ze środkiem smarnym; zaleca się stosowanie olejów syntetycznych; Jest substancją bezwonną, bezsmakową; Jest niepalny i niewybuchowi, najmniej trujący spośród naturalnych czynników; (stęŝenie śmiertelne w ciągu kilku minut to ok. 8%, niebezpieczne przy czasie min to 5 6%, bez zagroŝenia 2 4%); Jest chemicznie obojętny względem metali i większości tworzyw sztucznych; Ma działanie bakteriostatyczne (ma to znaczenie w przemyśle spoŝywczym);

2 Własności termodynamiczne: Dwutlenek węgla pod względem ciśnień roboczych jest najmniej korzystnym czynnikiem chłodniczym. Wysoka temp wody lub powietrza chłodzącego skraplacz, moŝe powodowac ze cis osiaga nawet 100 bar, gdzie w normalnych warunkach siega ono bar. Dolna granica cisnienia w parowniku nie moŝe być niŝsza niŝ 6 bar, poniewaŝ przy ciś 5,18 bar i temp -56,6ºC czynnik ten zamarza.. Współczynnik wydajności chłodniczej ε 0 obiegu nadkrytycznego (spręŝarka wytłacza gaz a nie parę) jest mniejszy w stosunku do standardowego obiegu parowego (np. w urządzeniach amoniakalnych). Im wyŝsze cisnienie spręŝania i temp przed zaworem rozpręŝnym (mniejsze dochłodzenie czynnika) tym mniejszy współczynnik wydajności chłodniczej. Dwutlenek węgla ma bardzo duŝe wartości jednostkowej wydajności chłodniczej objętościowej q V, co zmniejsza potencjalne trudności związane z budową wysokociśnieniowych urządzeń chłodniczych. Proporcja q V CO 2 do amoniaku odpowiada stosunkowi objętości cylindrow spręŝarki amoniakalnej do spręŝarki CO 2. W przypadku dwutlenku węgla uzyskujemy 5 7 razy mniejsze objętości cylindra, co sprawia, iŝ stosowanie CO 2 jako czynnika, znacznie zmniejsza wielkość urządzeń i umoŝliwa uzyskanie bardzo zwartych konstrukcji. Tabelka: Porównanie jednostkowej wydajności chłodniczej objętościowej q V, oraz stosunek objętości cylindrów dla NH 3 i CO 2 R 744 R 717 t 0 [ C] q v [kj/m3] V R717 /V R

3 Podstawowe własności termodynamiczne: Wzór chemiczny C0 2 Masa cząsteczkowa 44,011 kg/kmol Indywidualna stała gazowa 0,18892 kj/kgk Temperatura krytyczna 31,05 C Ciśnienie krytyczne 73,771 bar Gęstość krytyczna 467,9 kg/m 3 Ciśnienie punktu potrójnego 5,18 bar Temperatura punktu potrójnego -56,5 C Potencjał niszczenia warstwy ozonowej ODP 0,00 Potencjał tworzenia efektu cieplarnianego GWP 1,00 Własności dla ciśnienia 0,981 bar: Temperatura sublimacji -78,9 C Ciepło sublimacji 573,1 kj/kg Gęstość fazy stałej 1564,0 kg/m 3 Własności dla temperatury nasycenia -20 C: Ciśnienie nasycenia 16,831 bar Gęstość właściwa cieczy 1057,29 kg/m 3 Gęstość właściwa pary 44,31 kg/m 3 Entalpia parowania 289,75 kj/kg Ciepło właściwe c p cieczy 2,154 kj/kgk Ciepło właściwe c p pary 1,292 kj/kgk Przewodność cieplna cieczy 0,0394 W/mK Przewodność cieplna pary 0,0164 W/mK Lepkość dynamiczna cieczy 124,4 µpas Lepkość dynamiczna pary 13,64 µpas Lepkość kinematyczna cieczy 0,1202 µm 2 /s Lepkość kinematyczna pary 0,261 µm 2 /s Liczba Prandtla cieczy 6,808 Liczba Prandtla pary 1,073 Stała Poissona 1,725 Wykładnik izentropy 1,292 Napięcie powierzchniowe 8,81 mn/m

4 Wykres fazowy dwutlenku węgla Postaci w jakich stosowany jest CO 2 : Ciało stałe Suchy lód- w technice chłodniczej jako źródło zimna, wykorzystywany w transporcie mroŝonych produktów spoŝywczych, w medycynie, chemii, metalurgii i przemyśle chemicznym (kosmetyki, barwniki itp.); Płyn- jako czynnik roboczy w parowych urządzeniach chłodniczych, w postaci cieczy jak i ciała stałego do immersyjnego zamraŝania produktów Ŝywieniowych. Źródła pozyskiwania: o Naturalne; o Procesy fermentacyjne; o Procesy chemiczne W Polsce brak jest duŝych naturalnych złóŝ dwutlenku węgla. Dlatego teŝ częściej wykorzystuje się CO 2 pochodzenia antropogenicznego, z zakładów produkujących ten gaz lub jego emitentów. Pomijając kilku producentów dwutlenku węgla w Polsce, jego źródeł naleŝy szukać wśród zakładów przemysłowych emitujących czysty lub skoncentrowany strumień tego gazu, powstający w wyniku spalania paliw kopalnych lub w procesach przemysłowych, np. przy produkcji amoniaku w zakładach azotowych, tlenku etylenu w przemyśle petrochemicznym, w niektórych procesach hutniczych. Procesy wytwarzania energii są głównym źródłem antropogenicznej emisji CO2 na świecie i w Polsce. Gospodarka polska opiera się na wykorzystaniu węgla kamiennego i brunatnego. Spalanie tych paliw odpowiedzialne było za 45% całkowitej emisji CO2. Dwutlenek węgla stanowi produkt uboczny powstający w róŝnorodnych procesach przemysłowych, niezwiązanych z wytwarzaniem energii. W ramach kategorii Procesy przemysłowe, w 2000 r., udział emisji CO 2 wyniósł: Przemysł chemiczny 10%, Produkcja metali 4%. Produkty mineralne 86%.

5 Fermentacyjny CO 2 jest stosunkowo czysty (ilość zanieczyszczeń <1%). W Polsce w kilku gorzelniach przemysłowych produkowany jest skroplony CO 2. Zestalony dwutlenek węgla (suchy lód) uzyskuje się przez gwałtowne rozpręŝanie skroplonego CO 2 do ciś. ok. 4,3 bar. W fazę stałą zmienia się ok. 30% cieczy. Otrzymane kostki suchego lodu prasuje się w bloki o masie kg. CO 2 bezpieczny i ekologiczny czynnik chłodniczy Obecnie w Polsce do mroŝenia produktów spoŝywczych najczęściej stosowanym czynnikiem chłodniczym jest amoniak (lub jeden z freonów). Amoniak jest odbierany przez część inwestorów jako czynnik niebezpieczny. Dwutlenek węgla nie ma tych wad i jest obojętny wobec większości produktów spoŝywczych. Doskonale nadaję się do zastosowania jako czynnik pośredni. Są dwa główne powody dla zastosowania dwutlenku węgla jako czynnika chłodniczego: bezpieczeństwo ludzi i produktu, przez ograniczenie ilości amoniaku, moŝliwość uzyskania bardzo niskich temperatur zamraŝania.