POLITECHNIKJA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY

POLITECHNIKJA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY KATEDRA TECHNIKI CIEPLNEJ Chłodnictwo Temat: Dwutlenek węgla : jego właściwości i wykorzystanie w urządzeniach chłodniczych i klimatyzacyjnych. Mateusz Dudziak Kamil Karasiewicz S,UChłiKl semestr VIII rok 2007/2008

1. Wprowadzenie W ostatnich latach zauwaŝamy powrót do naturalnych czynników chłodniczych. Jest to spowodowane zaostrzającymi się przepisami dotyczącymi ochrony środowiska. Czynniki syntetyczne znajdują się pod ostrzałem krytyki ze strony ekologów a producenci urządzeń chłodniczych i klimatyzacyjnych zmuszeni są do poszukiwania innych rozwiązań technologicznych. Niepewność związana z całą gamą nieprzewidywalnych czynników syntetycznych jest bodźcem zachęcającym ośrodki badawcze i producentów do inwestowania w naturalne czynniki chłodnicze, co owocuje coraz to nowymi propozycjami wykorzystywania ich wszędzie tam, gdzie to moŝliwe. Powraca zatem zainteresowanie starymi, dobrze znanymi, substancjami naturalnymi, nieszkodliwymi dla środowiska naturalnego. Zwrócono ponownie uwagę na naturalne czynniki nieorganiczne, takie jak: amoniak, węglowodory i dwutlenek węgla. Za czynnik perspektywistyczny uwaŝany jest obecnie w skali światowej dwutlenek węgla (R744), ze względu na swoje korzystne właściwości termodynamiczne i ekologiczne. Jest on bowiem energooszczędnym, tanim oraz bezpiecznym dla człowieka nisko wrzącym płynem roboczym. Jego podstawowe własności termodynamiczne przedstawiono w poniŝszych tabelach. wzór chemiczny CO 2 masa cząsteczkowa indywidualna stała gazowa temperatura krytyczna ciśnienie krytyczne 44,011 kg/kmol 0,18892 kj/kgk 31,05 o C 73,771 bar gęstość krytyczna 467,9 kg/m 3 ciśnienie punktu potrójnego temperatura punktu potrójnego 5,18 bar -56,5 o C potencjał niszczenia warstwy ozonowej ODP 0 potencjał tworzenia efektu cieplarnianego GWP 1

własności dla ciśnienia 0,981 bar temperatura sublimacji ciepło sublimacji -78,9 o C 573,1 kj/kg gęstość fazy stałej 1564,0 kg/m 3 własności dla temp nasycenia -20 o C ciśnienie nasycenia 16,831 bar gęstość właściwa cieczy 1057,29 kg/m 3 gęstość właściwa pary 44,31 kg/m 3 entalpia parowania ciepło właściwe cieczy ciepło właściwe pary przewodność cieplna cieczy przewodność cieplna pary lepkość dynamiczna cieczy lepkość dynamiczna pary 289,75 kj/kg 2,154 kj/kgk 1,292 kj/kgk 0,0394 W/mK 0,0164 W/mK 124,4 Pas 13,64 Pas lepkość kinematyczna cieczy 0,1202 m 2 /s lepkość kinematyczna pary 0,261 m 2 /s liczba Prandtla cieczy 6,808 liczna Prandtla pary 1,073 stała Poissona 1,725 wykładnik izentropy 1,292 napięcie powierzchniowe 8,81 mn/m

2. Dwutlenek węgla jako nowy czynnik chłodniczy Dwutlenek węgla w odróŝnieniu od innych naturalnych czynników chłodniczych jest nietoksyczny i niepalny, co daje mu ogromną przewagę pod względem bezpieczeństwa, ponadto posiada szereg innych unikalnych własności. Rozwój techniczny trwający od 1920 roku pozwolił wykluczyć niektóre wady towarzyszące stosowaniu CO 2, jednak uŝytkownicy i obsługa techniczna musi być w pełni świadoma niebezpieczeństw i przedsięwziąć odpowiednie środki ostroŝności, aby uniknąć problemów z układem chłodniczym. Porównując współzaleŝność ciśnienia i temperatury dla dwutlenku węgla, R134a i amoniaku [ wykres ] moŝna zobaczyć własności mające ogromny wpływ na wymagania projektowe. A są to : - wyŝsze ciśnienie pracy dla danej temperatury - ograniczony przedział temperatur pracy - punkt potrójny o znacznie wyŝszym ciśnieniu - punkt krytyczny przy bardzo niskiej temperaturze Rys. ZaleŜność ciśnienia od temperatury dla dwutlenku, amoniaku i R134a [1] Rys. Wykres fazowy dwutlenku węgla [1]

Przy ciśnieniu atmosferycznym CO 2 moŝe występować tylko w postaci ciała stałego ( lodu ) i pary. Przy tym ciśnieniu nie jest moŝliwe występowanie jego w postaci cieczy, poniŝej 78,4 o C jest to tzw. suchy lód. Większość ogólnych własności R744 jest idealna, dla jego wykorzystania w spręŝarkowych urządzeniach chłodniczych i pompach ciepła: - jest często pozyskiwany ze źródeł naturalnych tzn., Ŝe jest łatwo dostępny i tani - jest płynem naturalnym, obojętnym i nieszkodliwym dla otoczenia naturalnego i człowieka - jest czynnikiem nie powodującym zagroŝeń bezpieczeństwa ( niepalny i nietoksyczny) - jest obojętny chemicznie i kompatybilny z większością powszechnie stosowanych materiałów w konstrukcjach instalacji chłodniczych Cechują go równieŝ korzystniejsze właściwości uŝytkowe w porównaniu z tradycyjnymi czynnikami. PrzewyŜsza je pod wieloma względami, między innymi : - wysokim ciepłem właściwym - niską lepkością dynamiczną - nieszkodliwością dla produktów spoŝywczych - nie wywołuje korozji metali - małą objętością właściwą - wysokim współczynnikiem wydajności chłodniczej - względnie małym stosunkiem spręŝania - dobrymi warunkami współpracy z olejami smarnymi - wysoką objętościową wydajnością chłodniczą ( umoŝliwia to minimalizację spręŝarek, aparatury i rurociągów - niskimi oporami przepływu - nadciśnieniem w instalacji nawet przy niskich temperaturach parowania ( zapobiega przedostawaniu się powietrza ) - zerowy wskaźnik niszczenia warstwy ozonowej i niski wskaźnik efektu cieplarnianego. Jednak pod względem ciśnień roboczych dwutlenek węgla jest najmniej korzystnym czynnikiem chłodniczym. W skraplaczu moŝe dochodzić ono aŝ do 100 barów. Z drugiej strony, ciśnienie w parowniku nie moŝe być na niŝszym poziomie niŝ 6 bar, gdyŝ przy ciśnieniu 5,18 bar i temperaturze -56,6 o C czynnik ten osiąga tzw. punkt potrójny i zamarza. Jest to przyczyna stosowania R744 na niskim stopniu kaskadowym którym ciśnienie skraplania nie przekracza z reguły 40 bar, co odpowiada temperaturze +5 o C.

Do innych wad tego czynnika zaliczamy: - większą gęstość od powietrza i brak zapachu, co w razie nieszczelności instalacji grozi uduszeniem wskutek wypierania powietrza u dołu maszynowni - konieczność chłodzenia zbiornika dwutlenku węgla za pomocą innego, mniejszego urządzenia chłodniczego podczas postoju instalacji. 3.Wykorzystanie dwutlenku węgla (R744) Dwutlenek węgla jest jednym z najstarszych czynników, został bowiem wprowadzony do techniki chłodniczej w 1866r. Płyn był powszechnie stosowany w okrętowych urządzeniach, a takŝe gdzie były istotne względy bezpieczeństwa: a więc w małych urządzeniach chłodniczych w przemyśle spoŝywczym, a takŝe w urządzeniach klimatyzacyjnych, montowanych w ogólnodostępnych budynkach, takich jak szpitale czy teŝ teatry. W obecnie projektowanych systemach chłodzenia, CO 2 łączony jest z innymi czynnikami. Ze względu na swoje relatywnie wysokie ciśnienie, jest on uŝywany tylko w tych częściach instalacji, w których występują niŝsze temperatury (poniŝej -10 0 C). W częściach instalacji, gdzie występują wyŝsze temperatury, stosowane są inne czynniki, np. amoniak. W dzisiejszych czasach dwutlenek węgla powraca do łask i zaczyna być szerzej stosowany w instalacjach chłodniczych i klimatyzacyjnych, umoŝliwiają to coraz bardziej zaawansowane technologie jak równieŝ poŝądane właściwości- szczególnie w dziedzinie ochrony środowiska. DąŜenie do ochrony warstwy ozonowej (ODP) oraz zmniejszenia stopnia ocieplenia klimatu (GWP) spowodowały ich naturalne czynniki chłodnicze wyparły tradycyjne freony, przede wszystkim R12, R22. Korzyści energetyczne wynikające z zastosowania układu kaskadowego z wykorzystaniem CO 2 zostały przedstawione na (rys. 1). Współczynnik wydajności chłodniczej całego układu w miarę obniŝania temperatury parowania poniŝej -40 o C przewaŝa nad współczynnikiem dla: układu 2- stopniowego z otwartą chłodnicą miedzy stopniową i nad układem 1-stopniowy z ekonomizerem. Co więcej przy obniŝeniu tej temperatury z poziomu - 40 do - 50 o C objętość zassanych par amoniaku rośnie dwukrotnie, jak widać CO 2 w tych warunkach jest bezkonkurencyjny.

Instalacje CO 2 mogą być projektowane na roŝne sposoby, spotykane systemy to: -z bezpośrednim odparowaniem czynnika chłodniczego w parowniku, -pompowy, -pośredni, -kombinowane. Układy chłodzenia oparte na CO 2 konstruowane są w większości jako urządzenia kaskadowe. Układem kaskadowym będziemy nazywać połączenie ze sobą przynajmniej dwóch oddzielonych obiegów chłodniczych, przy czym skraplacz pierwszego stopnia jest w nich jednocześnie parownikiem kolejnego stopnia. Ciepło odbierane w parowniku z przestrzeni chłodzonej jest przekazywane do otoczenia za pośrednictwem kolejnego obiegu, stanowiącego następny stopień kaskady. W układzie tym realizowany moŝe być obieg jedno jak i dwustopniowy. KaŜdy ze stopni moŝna napełniać innym rodzajem czynnika chłodniczego. MoŜliwość róŝnicowania czynników pozwala na dobór najbardziej odpowiedniego płynu roboczego do danego zakresu pracy. Przemiany termodynamiczne zachodzące w dwustopniowym układzie kaskadowym przedstawia (rys. 2). Temperatura skraplania w dolnym stopniu przewyŝsza temperaturę parowania w górnym stopniu, co jest wynikiem złoŝonego kierunku przekazywania ciepła [6].

Przegląd rozwiązań systemów opartych na dwutlenku węgla (R717): System chłodzenia oparty na układzie kaskadowym NH 3 -CO 2 z dwutlenkiem węgla w części niskotemperaturowej przedstawia (rys. 3). Dolny stopień kaskady napełniony dwutlenkiem węgla jest systemem pompowym. CO 2 pompowany jest z oddzielacza ciekłego czynnika do chłodnicy powietrza, gdzie częściowo odparowuje zanim powróci z powrotem do oddzielacza. Pary czynnika zasysane są w kaskadowym wymienniku ciepła. Wymiennik ten jest skraplaczem i jednocześnie parownikiem amoniaku.

Zalety - mała zawartość czynnika chłodniczego, - duŝa niezawodność ruchu, - dobra efektywność energetyczna, - moŝliwość zastosowania róŝnych rodzajów czynników syntetycznych i naturalnych, - objętość skokowa spręŝarki jest 10razy mniejsza od odpowiedniej spręŝarki niskiego stopnia amoniaku. wady - dodatkowa energia niezbędna do napędu pompy, - większa sieć przewodów wymagających izolacji zimnochronnej, - większa liczba spręŝarek, - konieczność stos. dodatkowego urządzenia chłodniczego do utrzymania niskiej temp. W oddzielaczu podczas postoju układu. Pośredni system chłodzenia. Dwutlenek węgla jako czynnik pośredni w instalacji amoniaku przedstawia (rys. 4). System chłodzenia jest realizowany przez dwa obiegi chłodnicze. Obieg pierwotny ograniczony jest do maszynowni chłodniczej, natomiast wtórny realizuje chłodzenie komór chłodniczych. Oba obiegi są sprzęgnięte ze sobą poprzez parownik obiegu pierwotnego i ochładzacz chłodziwa obiegu wtórnego.

Ciekły CO 2 pompowany jest z oddzielacza ciekłego czynnika chłodnicy powietrza, gdzie częściowo paruje zanim powróci z powrotem do oddzielacza. Pary CO 2 przez naturalny przepływ trafiają do wymiennika ciepła w którym następuje proces skraplania. Wymiennik ciepła jest ochłodzeniem CO 2 i jednocześnie parownikiem amoniaku. Zalety - mała zawartość czynnika chłodniczego, - mniejsze ryzyko przecieków, - łatwa i prosta obsługa, - moŝliwość zastosowania czynników naturalnych, np. propanu, - moŝliwość zastosowania solanek i chłodziw zmieniających fazę, - wysoka niezawodność ruchu. wady - niŝsza efektywność energetyczna niŝ w systemach bezpośrednich, - dodatkowa energia potrzeba do pracy pomp przetłaczających czynnik wtórny, - większa sieć przewodów, -wyŝszy koszt instalacji spowodowany dodatkowymi elementami, - konieczność stosowania dodatkowego urządzenia chłodniczego do utrzymania niskiej temperatury w oddzielaczu podczas postoju układu.

Układ chłodniczy z kilkoma poziomami temperatur parowania przedstawiony na (rys. 5). CO 2 został tu zastosowany jako czynnik chłodniczy bezpośredni dla komory chłodniczej (t o = - 20 o C) jak i równieŝ dla komory zerowej (t o = - 7 o C). odbiory zerowe zasilane są ze zbiornika cieczy dwutlenku węgla przez pompy, natomiast odbiory minusowe zasilane są ciśnieniowo poprzez zawory rozpręŝne. Pary czynnika zasysane są przez spręŝarkę CO 2 z odbiorów minusowych i tłoczone do wymiennika kaskadowego-skraplacza. Pary mokre z komór zerowych wracają do zbiornika cieczy, skąd osuszona para przepływa do skraplacza CO 2. Skraplacz chłodzony jest poprzez obieg wysokiego ciśnienia mogący wykorzystywać naturalne czynniki (amoniak, propan) jak i równieŝ syntetyczne (R404A, R134a). Układ wykorzystywany jest w instalacjach chłodniczych supermarketów.

Urządzenie kaskadowe CO 2 /NH 3 słuŝące do zamarzania tunelu zasilanym ciekłym CO 2 firmy YORK (rys. 6). Układ niskiego ciśnienia jako czynnik chłodniczy stanowi: - spręŝarka tłokowa CO 2, -pompowy oddzielacz cieczy wraz z pompami CO 2 -małe urządzenie chłodnicze do utrzymania niskiej temperatury w oddzielaczu cieczy, gdy układ nie pracuje Układ wysokiego ciśnienia stanowi: -tłokowa spręŝarka amoniakalna - skraplacz płytowy chłodzony wodą Połączeniem obu stopni jest wymiennik kaskadowy, jest to wymiennik płaszczoworurowy, przy czym w rurkach następuje skraplanie dwutlenku węgla przy -5 0 C a w płaszczu wrzenie amoniaku przy -10 0 C. Urządzenie kaskadowe CO 2 /NH 3 słuŝące do obsługi chodnic powietrza w komorze a takŝe do zamraŝania tunelu. Całkowita wydajność chłodnicza to 475kW przy temp. Parowania -52 o C i temp. Skraplania amoniaku +40 o C, współczynnik wydajności chłodniczej 1.28 Wysoki stopień kaskady stanowi: -2 spręŝarki tłokowe -skraplacz amoniaku chodzony powietrzem -oddzielacz cieczy, z którego zasilane są dwa wymienniki kaskadowe typu płytkowego Niski stopień kaskady stanowi: -2 spręŝarki tłokowe -pompowy oddzielacz cieczy przeznaczony do zasilania tunelu -zbiornik skroplonego CO 2 z wymiennikiem kaskadowym, zbiornik zasila chłodnice powietrza w komorach w układzie ciśnieniowym.

Wydajność chłodnicza systemów kaskadowych CO 2 /NH 3 w porównaniu z systemami pracującymi wyłącznie na amoniaku jest porównywalna w zakresie temperatur od -30 do - 35. Przy wyŝszych temperaturach lepszą wydajność otrzymuje się w instalacjach amoniakalnych. Przy niŝszych temperaturach, systemy kaskadowe okazują się być wydajniejsze. Koszty eksploatacji obu systemów są porównywalne, co jest niezwykle waŝne dla ich uŝytkowników. Dwutlenek węgla zapewnia osiąganie niskich temperatur i w związku z tym krótkiego czasu zamraŝania z jednoczesnym zachowaniem wysokiej efektywności procesu. Jest to szczególnie istotne w przemyśle mięsnym, biorąc na przykład pod uwagę zastosowanie zamraŝarek płytowych i tuneli powietrznych. Oceniając moŝliwości zastosowania CO 2 jako chłodziwa pośredniczącego naleŝy zauwaŝyć, iŝ cechuje się on korzystniejszymi właściwościami uŝytkowymi w porównaniu z tradycyjnymi solankami. właściwości CO 2 zalety Wysokie ciepło właściwe, Nie wywołuje korozji metali, Nietoksyczność i brak zapachu, DuŜa dostępność i niska cena, Zerowy wskaźnik niszczenia warstwy ozonowej (ODP=0) i niski wskaźnik efektu cieplarnianego (GWO=1). Wysoka objętościowa wydajność chłodnicza (ok.10 razy większa od amoniaku, co umoŝliwia miniaturyzację spręŝarek, aparatury. Niskie opory przepływu, Nadciśnienie w instalacji nawet przy niskich temperaturach parowania (powietrze niewydostane się przy ewentualnych nieszczelnościach), Wysoki współczynnik wydajności chłodniczej, Nieszkodliwy dla zdrowia człowieka, Dobre warunki pracy z olejami smarnymi. wady Wysokie ciśnienie robocze wymagające konstrukcji spręŝarek i aparatów ( jest to między innymi przyczyna stos. CO 2 na niskim stopniu urządzeń kaskadowych, w którym ciśnienie skraplacza nie przekracza 40 bar, Większa gęstość od powietrza i brak zapachu w razie nieszczelności instalacji grozi uduszeniem, gdyŝ wypierane zostaje powietrze, W tradycyjnym obiegu parowym max. Temp. Skraplania ograniczona jest do +31 o C, a minimalna temp. Parowania do - 56 o C, Konieczność chłodzenia zbiornika przez małe urządzenie chłodnicze podczas postoju instalacji w celu ograniczenia wzrostu ciśnienia, Brak moŝliwości odtajania parownika gorącymi parami czynnika.

4.Wykorzystanie ciekłego dwutlenku węgla w transporcie chłodniczym Najprostszą metodą obniŝenia temperatury w przestrzeni ładunkowej pojazdu jest rozpylenie ciekłego gazu w oziębianej objętości. W systemach tych rozpylana ciecz jest wtłaczana do chłodzonej przestrzeni tak, Ŝe rozpylony czynnik staje się atmosferą w tej przestrzeni. Czynnik rozpytany pobierany jest wtedy praktycznie wprost ze zbiornika, stąd wyjściowe temperatury medium ziębiącego są bardzo niskie. Niestety taka metoda obarczona jest istotnymi wadami. Oprócz skutecznego obniŝenia temperatury naraŝa osoby mające dostęp do tej przestrzeni oraz ze względu na bardzo niskie temperatury moŝe przyczynić się do uszkadzania delikatnych struktur przewoŝonego produktu spoŝywczego. Drugi sposób wykorzystania LCO 2 w systemach ziębniczych w transporcie polega na zastosowaniu tego czynnika, jako płynu roboczego w agregatach ziębniczych. Systemy takie wykorzystuje firma Thermo King Corporation. Jednym z produktów tej firmy jest agregat SB-III CR. Schemat działania SB-III CR przedstawiono na rys. 6. Zasada działania takiego agregatu nie jest skomplikowana. System zasilany jest w ciekły dwutlenek węgla pod ciśnieniem 8,5 bara ze zbiornika izolowanego próŝniowo. Ciekły czynnik dopływa do parownika i w jego węŝownicach odbiera ciepło od oziębianego powietrza, ulegając tym samym odparowaniu i przegrzaniu. W dalszej części gazowy dwutlenek węgla wypływający z parownika zasila silnik gazowy napędzający wentylator, który wymusza przepływ powietrza przez parownik do przestrzeni ładunkowej. Za silnikiem ciepły dwutlenek węgla emitowany jest do atmosfery. Bibliografia:

1. Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna nr: 9/2002, 4/2007, 6-7/2007, 2/2008 2. www.wikipedia.pl