Alternatywne do R134a czynniki proponowane jako płyny robocze w klimatyzacji samochodowej i innych instalacjach chłodniczych o małej wydajności

Transkrypt

1 Alternatywne do R134a czynniki proponowane jako płyny robocze w klimatyzacji samochodowej i innych instalacjach chłodniczych o małej wydajności Część II Zamienniki dla R134a w kontekście efektywności energetycznej instalacji chłodniczej mgr inż. Rafał ANDRZEJCZYK Wydział Mechaniczny Politechnika Gdańska 2 Analiza wydajności instalacji chłodniczych wykorzystujących, jako media robocze czynniki: R134a, R1234yf, R744, R290 i R600a W analizie klasycznych układów chłodniczych, czyli, posiadających parownik, skraplacz, sprężarkę i element dławiący (zawór rozprężny), do obliczeń porównawczych dla czynników R134a, R290, R600a i R744 wykorzystano program CoolPack w wersji Zdecydowano się na porównanie instalacji chłodniczej o wydajności chłodniczej Q E = 7 kw, przy temperaturze skraplania t C =50ºC oraz temperaturze parowania t E =7ºC, przegrzaniu Δt p =5 K i dochłodzeniu Δt d =2 K (dochłodzenia nie zastosowano dla układu z dwutlenkiem węgla). Warto również wspomnieć o wartości ciśnienia dla obiegu nadkrytycznego CO 2 równej p GC =10 MPa. Na rysunkach 4 do 7 pokazano obiegi chłodnicze pracujące z poszczególnymi czynnikami podlegającymi niniejszej analizie. Pozostałe oznaczenia ważne do analizy powyższych obliczeń, to m.in.: Q C [kw] wydajność cieplna skraplacza, Q GC [kw] wydajność cieplna wymiennika pracującego w obiegu nadkrytycznym CO 2, m [kg/s] strumień masowy czynnika, W [kw] moc napędowa sprężarki (po uwzględnieniu współczynnika strat), COP współczynnik wydajności chłodniczej, sprawność egzergetyczna obiegu, inna definicja współczynnika wydajności chłodniczej, współczynnik COP dla obiegu Carnota. Widać wyraźnie, że na podstawie powyższych obliczeń, niezależnie od sposobu definiowania współczynnika wydajności chłodniczej, układem o największej efektywności jest instalacja pracująca z izobutanem, nie wiele mniej efektywne są układy pracujące z R134a i R290. Zdecydowanie mniejszą efektywność wykazuje instalacja pracująca w obiegu nadkrytycznym dwutlenku węgla, chociaż dzięki jego większej jednostkowej wydajności chłodniczej objętościowej, mimo konieczności wzmocnienia instalacji ze względu na wysokie ciśnienia, układ ten będzie odznaczał się największą zwartością konstrukcji urządzenia. Jeśli chodzi o obliczenia dotyczące czynnika R1234yf, ze względu na fakt, że jest to nowa substancja nie było możliwe wykonanie obliczeń w programie CoolPack. W związku z tym analiza została wykonana na podstawie własnej aplikacji obliczeniowej. Przy czym aplikacja ta została zrealizowana w oparciu o programu EES (Engineering Equation Solver) posiadający własną bazę czynników chłodniczych oraz innych cieczy o zastosowaniach energetycznych, jak również materiałów konstrukcyjnych. Aplikacja jest podzielona na dwie części; w pierwszej z nich wykonano obliczenia dla teoretycznego obiegu suchego Lindego i porównano je z wartościami odpowiadającymi modyfikacji obiegu z regeneracyjnym wymiennikiem ciepła. Druga część wykonuje obliczenia dla teoretycznego obiegu nadkrytycznego CO 2, również dla przypadku obiegu suchego i z wymiennikiem regeneracyjnym. Rysunki 8 i 9 prezentują interfejs obliczeniowy oraz wyniki dla przypadku instalacji z nowym czynnikiem R1234yf. Natomiast w celu przeprowadzenia analizy porównawczej na rysunkach 10 i 13 zaprezentowano dane wejściowe oraz wartości najważniejszych wielkości obliczeniowych dla obiegów teoretycznych pozostałych czynników. Wykonane obliczenia uproszczone, zgadzają się z wynikami badań przeprowadzonych na instalacjach napełnionych czynnikami R134a i R1234yf. Badania te wykazały m. innymi spadek wydajności chłodniczej instalacji wykorzystującej czynnik R1234yf na poziomie od 5 do 10%. W powyższych obliczeniach, różnica w wydajności pomiędzy tymi czynnikami dla obiegu suchego wynosi około 6%. Ponadto analiza obliczeniowa pokazała, że wydajność chłodnicza obiegu z R744 może być znacznie większa dzięki dodaniu regeneracyjnego wymiennika ciepła, który to zabieg dla tej substancji nie spowoduje znacznego zwiększenia rozmiarów instalacji. Ponownie najefektywniejszym układem okazał się być układ z R600a. Co ciekawe, w zakresie obiegu suchego dalsze miejsce pod względem efektywności zajmują: R134a i propan, a dopiero czynnik R1234yf i CO 2,. Nie mniej jednak należy zauważyć, że w przypadku obiegu przegrzanego kolejność ulega zmianie na korzyść R1234yf. Obieg z tym czynnikiem odznacza się najwyższą efektywnością energetyczną wyłączając R600a. technika chłodnicza i klimatyzacyjna 6-7/

2 Rys. 4 Obieg chłodniczy z R134a jako czynnikiem roboczym [1] Rys. 5 Obieg chłodniczy z R290, jako czynnikiem roboczym [1] Rys. 6 Obieg chłodniczy z R600a jako czynnikiem roboczym [1] /2012 technika chłodnicza i klimatyzacyjna

3 Rys. 7 Obieg chłodniczy z R744, jako czynnikiem roboczym[1] Rys. 8 Schemat obliczeniowy dla w obiegu teoretycznym Lindego napełnionej czynnikiem R1234yf : COP.os [-] współczynnik wydajności chłodniczej obiegu suchego Lindego, COP.op. współczynnik wydajności chłodniczej obiegu przegrzanego (z regeneracyjnym wymiennikiem ciepła) [-], Q0 wydajność chłodnicza, Qs.op wydajność cieplna skraplacza dla przypadku obiegu przegrzanego, Q - strumień ciepła dochłodzenia, Q W- strumień ciepła R,d WR,p przegrzania, P.op t moc napędowa sprężarki teoretyczna, P.op is moc napędowa sprężarki z uwzględnieniem współczynnika korekcyjnego dla sprężania izentropowego, t1 do t6 temperatury w punktach węzłowych obiegu, PAR parownik, WR wymiennik regeneracyjny, SKR skraplacz Rys. 9 Obieg chłodniczy suchy oraz z wymiennikiem regeneracyjnym dla czynnika R1234yf : 1-5 linią ciągła zaznaczono obieg z wymiennikiem regeneracyjnym, 6-5 linią przerywana zaznaczono obieg suchy, q k jednostkowa wydajność cieplna skraplacza, q os jednostkowa wydajność chłodnicza dla obiegu suchego, q op jednostkowa wydajność chłodnicza dla obiegu przegrzanego, l ts jednostkowa teoretyczna praca sprężania dla obiegu suchego, l tp - jednostkowa teoretyczna praca sprężania dla obiegu przegrzanego, δ tp - przegrzew, δ twr różnica temperatur pomiędzy czynnikami w wymienniku regeneracyjnym, δ td dochłodzenie, Pk ciśnienie skraplania technika chłodnicza i klimatyzacyjna 6-7/

4 Rys. 10 Schemat obliczeniowy dla czynnikiem R134a Podsumowanie Na podstawie dostępnych danych można stwierdzić, że wprowadzenie do stosowania nowego czynnika o oznaczeniu R1234yf, szczególnie jak płynu roboczego w klimatyzacji samochodowej wymaga dalszych prac nad zwiększeniem bezpieczeństwa użytkowników pojazdów. Obliczenia z zastosowanie programu CoolPack oraz w oparciu o własną aplikację pokazały, że nowy czynnik, w przypadku podstawowej konstrukcji układu chłodniczego, nie jest zbyt atrakcyjny pod względem efektywności energetycznej. Znacznie korzystniejsze właściwości mają R600a i R290. Oczywiście są to substancje łatwopalne stąd też przystosowanie układów klimatyzacyjnych do pracy z tymi czynnikami wiązałoby się z poważnymi restrykcjami w zakresie bezpieczeństwa. Należy jednak zwrócić uwagę, że właśnie takie są obecnie Rys. 11 Schemat obliczeniowy dla propanem (R290) tendencje światowe, aby wspomnieć tu ponownie projekty realizowane w Chinach i Australii. Nie należy również odrzucać alternatywnego zastosowania dwutlenku węgla, mimo zwiększonych kosztów materiałowych. Sprawność tego obiegu można łatwo poprawić stosując w nim regeneracyjny wymiennik ciepła. Co ważne, wspomniane substancje nie mają specjalnych wymagań odnośnie współpracy z materiałami konstrukcyjnymi (poza R600a), na /2012 technika chłodnicza i klimatyzacyjna

5 Rys. 12 Schemat obliczeniowy dla izobutanem (R600a) tomiast R1234yf nie tylko jest substancją o potencjalnie szkodliwym oddziaływaniu na organizm ludzki, ale też reaguje z podstawowymi materiałami stosowanymi w konstrukcjach samochodów, jak i innych urządzeń. Naturalnie nie należy całkowicie odrzucać rozważań dotyczących szerszego wykorzystania tego czynnika. Może jednak większe korzyści dałyby równoległe prace nad instalacjami wykorzystującymi różne alternatywne płyny, systematycznie zastępujące wycofywany R134a. Na pewno warto pomyśleć nad usprawnieniem obiegu chłodniczego przez zastosowanie innowacyjnych technologii, oraz opracowanie procedur bezpieczeństwa na wypadek ewentualnego wykorzystania substancji węglowodorowych. Rys. 13 Schemat obliczeniowy dla dwutlenkiem węgla (R744) Literatura część II [1] Bonca Z., Dziubek R.: Zagadnienia obliczeniowe z chłodnictwa i klimatyzacji, Wydawnictwo Uczelniane WSM, Gdynia, 2000 [2] Bonca Z. i in.: Nowe czynniki chłodnicze i nośniki ciepła, Wyd MASTA, Gdańsk 2004 [3] CoolPack 1.46 [4] Witt M.: Eurammon: Węglowodory czynniki chłodnicze neutralne wobec klimatu, Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna, nr 3/2010, s & technika chłodnicza i klimatyzacyjna 6-7/

6 Wychodząc naprzeciw zapotrzebowaniu środowiska związanego z branżą chłodniczą, klimatyzacyjną oraz pomp ciepła w 2003 roku uruchomiliśmy modułowy system szkoleń umożliwiający uzupełnienie bądź zdobycie kwalifikacji zawodowych z wyżej wymienionych dziedzin, a także uzyskanie Certyfikacji kompetencji wg PN-EN 13313, wydawanego przez Krajowe Forum Chłodnictwa. Prowadzimy również kursy początkowe umożliwiające uzyskanie świadectwa kwalifikacji, które zgodnie z USTAWĄ Z DNIA 20 KWIETNIA 2004 r. O SUBSTANCJACH ZUBOŻAJĄCYCH WARSTWĘ OZONOWĄ (DZ. U. NR 121 POZ. 1263) są wymagane od dnia r. ( Art Art Działalność polegającą na obsłudze technicznej, demontażu oraz naprawie urządzeń i instalacji zawierających substancje kontrolowane, a także na odzysku substancji kontrolowanych, ich recyklingu, regeneracji, przekazywaniu do ponownego użytkowania oraz obrocie tymi substancjami, może prowadzić osoba posiadająca świadectwo kwalifikacji albo podmiot zatrudniający taką osobę. Świadectwo kwalifikacji uzyskuje osoba pełnoletnia, która spełnia następujące warunki: 1) posiada co najmniej wykształcenie zasadnicze zawodowe lub średnie; 2) nie została prawomocnie skazana za przestępstwo przeciwko środowisku; 3) ukończyła kurs początkowy w zakresie substancji kontrolowanych obejmujący szkolenie w zakresie substancji kontrolowanych oraz przepisów dotyczących substancji kontrolowanych, zwany dalej kursem początkowym ; 4) złożyła z wynikiem pozytywnym egzamin przed komisją egzaminacyjną powoływaną przez podmiot, o którym mowa w art. 12 ust. 1. ) I.P.P.U MASTA sp. z o.o. ul. Budowlanych Gdańsk tel.: (058) , tel./fax (058) tchik@tchik.com.pl, /2012 technika chłodnicza i klimatyzacyjna