Przemysław Dojlido 28.03.06 r. Beata Drwota Temat : Właściwości i zastosowanie dwutlenku węgla (R744) jako naturalnego płynu roboczego w technice chłodniczej. Właściwości: Dwutlenek węgla znalazł zastosowanie w technice chłodniczej jako tak zwany suchy lód i w roli czynnika roboczego w parowych urządzeniach. Jest on bezzapachowy, bezsmakowy, niepalny, niewybuchowy, obojętny względem metali i większości tworzyw sztucznych, bakteriostatyczny. Rozpuszczalność dwutlenku węgla w wodzie uznaje się za bardzo duŝą, w rzeczywistości rozpuszczalność ta jest ograniczona i zaleŝna od temperatury. Dwutlenek węgla nie rozpuszcza się w olejach mineralnych wynikają stąd trudności w doborze odpowiedniego środka smarnego zaleca się stosowanie olejów syntetycznych. Najczęstszym źródłem pozyskiwania dwutleku węgla są źródła naturalne (np. Krynica) a takŝe jest on produktem ubocznym procesów chemicznych i fermentacyjnych (np. w niektórych gorzelniach jest produkowany skroplony CO 2 ). Posiada niŝszy potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (GWP) niŝ substancje z grupy HFC. Jest on jednym z najmniej trujących spośród naturalnych czynników chłodniczych. Przyjmując dopuszczalną ze względów bezpieczeństwa ludzi zawartość pary SO 2 w powietrzu za 1, to dopuszczalna zawartość pary dla amoniaku 6, chlorku metylu 500, zaś dwutlenku węgla aŝ 1000. Śmiertelne stęŝenie CO 2 lub powodujące powaŝne zaburzenia w ciągu kilku minut, wynosi około 8%, bez Ŝadnego zagroŝenia moŝna przebywać w atmosferze powietrza zawierającego 2-4% CO 2. Własności termodynamiczne pod względem ciśnień roboczych CO 2 jest najmniej korzystnym czynnikiem chłodniczym. Przy wysokiej temperaturze wody chłodzącej skraplacz, ciśnienie nasycenia pary w tym wymienniku moŝe sięgać nawet 100 bar (przy normalnych warunkach chłodzenia około 60 80 bar). Ciśnienie w parowniku nie moŝe być niŝsze niŝ 6 bar, poniewaŝ przy ciśnieniu 5,18 bar i temperaturze 56,6 C czynnik ten zamarza. Temperatura sublimacji (przy ciśnieniu 760mmHg) 78,5 C. Temperatura krytyczna +31,04 C ciśnienie krytyczne 73,82 bar. Jest rzeczą charakterystyczną, Ŝe obieg chłodniczy dla dwutlenku węgla moŝe być realizowany w zakresie ciśnienia parowania nieco tylko wyŝszego od ciśnienia punktu potrójnego i ciśnienia skraplania wyŝszego od ciśnienia krytycznego. Stąd waŝna jest znajomość stanu tego czynnika w szerokim zakresie ciśnień i temperatur. Przy wysokiej temperaturze wody chłodzącej obieg częściowo realizowany jest w obszarze nadkrytycznym. Współczynnik wydajności chłodniczej ε o obiegu nadkrytycznego jest mniejszy w odniesieniu do konwencjonalnego obiegu parowego (np. w porównaniu z urządzeniami amoniakalnymi). NaleŜy jednak zauwaŝyć, Ŝe trudności związane z budową urządzenia pracującego na tak wysokie ciśnienia są redukowane poprzez bardzo duŝe wartości jednostkowej objetościowej wydajności chłodniczej q v (Tabela). Wskaźnik ten odgrywa bardzo waŝną role, poniewaŝ im większa jego wartość tym bardziej zwartej konstrukcji jest urządzenie. Stosunke objętościowej wydajności chłodniczej CO 2 do np. Amoniaku odpowiada stosunkowi objętości cylindrów spręŝarek. Jak widać uzyskujemy dla CO 2 5-7 krotne zmiejszenie objętości cylindrów. W przypadku stosowania CO 2 w rolii czynnika chłodniczego umoŝliwia uzyskanie najbardziej zwartych konstrukcji urządzeń.
ZASTOSOWANIE DWUTLENKU WĘGLA (R744) Dwutlenek węgla jest jednym z najstarszych czynników, został bowiem wprowadzony do techniki chłodniczej juŝ w 1866 roku. Płyn ten był powszechnie stosowany w okrętowych urządzeniach chłodniczych, 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, teatry. Z powszechnego stosowania dwutlenek węgla w roli czynnika w urządzeniach parowych zrezygnowano bardzo wcześnie, jeszcze przed pierwszą wojną światową, przede wszystkim ze względu na niŝsze osiągnięcia wartości współczynnika wydajności chłodniczej w porównaniu z urządzeniami amoniakalnymi, a takŝe z uwagi na bardzo wysokie ciśnienia robocze. 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 o C). W częściach instalacji, gdzie występują wyŝsze temperatury, stosowane są inne czynniki, np. amoniak. Amoniak (R 717) jest obecnie preferowanym czynnikiem chłodniczym do urządzeń przemysłowych ze względu na swoją duŝą wydajność oraz to, Ŝe nie wpływa on negatywnie na efekt cieplarniany. Systemy chłodzenia pracujące zarówno na NH3, jak i CO2 występują jako tzw. układy kaskadowe-pośrednie. System pośredni wymaga zastosowania dodatkowego wymiennika ciepła, którego obecność skutkuje pewnym spadkiem wydajności. Czynnik chłodniczy, który zmienia swoje właściwości tak, jak CO 2 i posiada znacznie wyŝszą wydajność niŝ inne czynniki, pozwala na zastosowanie mniejszej objętości cyrkulującego czynnika oraz zastosowanie pomp o mniejszej mocy napędowej. Przy uŝyciu glikolu lub solanki jako pośredniego nośnika ciepła, przenoszenie ciepła odbywa się kaskadowo, zgodnie z gradientem temperatury. Z tego powodu systemy pracujące z tymi płynami wymagają większego wymiennika ciepła, większych średnic przewodów, co w konsekwencji prowadzi do zwiększonego zuŝycia mocy napędowej. CO 2 jest relatywnie bezpiecznym czynnikiem chłodniczym. Jest nietrujący, niepalny i nie wybuchowy. Innymi, waŝnymi jego parametrami są : gęstość, ciśnienia pracy, punkt krytyczny i zaleŝność ciśnienia od temperatury. Dwutlenek węgla podobnie jak czynniki syntetyczne jest cięŝszy od powietrza. W przypadku jego wydzielania się z instalacji, powietrze jest wypychane w ten sam sposób, jak to się dzieje w przypadku czynników syntetycznych w związku z tym powstaje ryzyko uduszenia. Maksymalny poziom koncentracji w powietrzu jest dla CO 2 duŝo wyŝszy niŝ dla czynników syntetycznych, a zatem jest on bardziej bezpieczny. Ciśnienie robocze w instalacji pracującej na CO 2 jest wysokie. Z uwagi na takie jego wartości i charakterystyczną gęstość gazu, objętość krąŝącego w instalacji CO 2 jest niŝsza od
wymaganej dla podobnej wydajności systemów napełnionych czynnikami grupy HFC lub amoniakiem. Pozwala to na znaczne zmniejszenie gabarytów strony parowej instalacji średnice przewodów są o 50% mniejsze, co oczywiście prowadzi do znacznego obniŝenia kosztów inwestycyjnych. Mniejsza objętość gazu pozwala równieŝ na zastosowanie mniejszych spręŝarek. Mniejsza zawartość czynnika w instalacji kompensuje wyŝsze, panujące w niej podczas pracy ciśnienie. Przy temperaturze 31 o C i ciśnieniu 70 bar, dwutlenek węgla osiąga swój punkt krytyczny. Oznacza to, Ŝe powyŝej tej temperatury, CO 2 nie występuje w stanie ciekłym. W punkcie tym nie występuje typowa zmiana stanu skupienia i dlatego nie moŝna w tym przypadku zastosować w urządzeniu konwencjonalnego skraplacza. Zastosowanie w instalacjach przemysłowych, obiegu zamkniętego, pracującego wyłącznie na CO 2, nie wydaje się być realistyczne w najbliŝszych 5-ciu latach. Ciśnienie osiągające poziom do 100 bar, wymaga zastosowania w instalacji specjalnych komponentów. Zamiast typowego skraplacza, istnieje potrzeba zastosowania specjalnej chłodnicy gazu oraz innych, nowych elementów pozwalających na przemysłowe zastosowanie takich instalacji. Spadki ciśnienia w instalacjach pracujących z CO 2 ze względu na relacje ciśnienia i temperatury są znacznie mniejsze niŝ spadki ciśnienia dla porównywalnych instalacji amoniakalnych. Efekt spadku ciśnienia występujący w długich odcinkach przewodów jest z tego powodu mniej istotny dla procesu parowania dwutlenku węgla w parowniku. Przykład: Dla instalacji amoniakalnej pracującej z temperaturą parowania -40 o C, spadek ciśnienia o 0,1 bar oznacza spadek temperatury o 2,5 K, a dla CO 2 jedynie 0,15 K. Warto zauwaŝyć, Ŝe kaŝdy wzrost róŝnicy temperatur o 1 K oznacza wzrost zuŝycia energii napędowej o ok. 5%. W porównaniu z instalacją na czynniki syntetyczne, zuŝycie energii w systemie kaskadowym NH 3 /CO 2 jest o ok. 10-15% niŝsze. System kaskadowy w porównaniu do instalacji pracującej wyłącznie na amoniaku, charakteryzuje się niŝszą emisją dwutlenku węgla z uwagi na to, Ŝe osiąga on taką samą wydajność do temperatury -35 o C. Przy niŝszych temperaturach parowania jest jeszcze lepiej.
Rys. 1 Rys. 2 Warto zauwaŝyć, Ŝe przy zastosowaniu systemu kaskadowego NH 3 /CO 2, zawsze istnieje róŝnica pomiędzy systemem bezpośrednim, a pośrednim zasilania wymiennika dolnego źródła ciepła. W większości przypadków wybór pada na system bezpośredni (rys. 2) - kaskadowy system NH 3 /CO 2 ze spręŝarką CO 2 w części instalacji napełnionej dwutlenkiem węgla. Skraplacz kaskadowy stanowi połączenie pomiędzy
stroną wyŝszej temperatury (NH 3 ), a stroną niŝszej temperatury (CO 2 ). Z oddzielacza CO 2, ciecz jest pompowana do parowników, gdzie jej część odparowuje, a następnie w postaci pary mokrej wraca z powrotem do tego aparatu. W systemie pośrednim nie występuje proces spręŝania w części napełnionej dwutlenkiem węgla ( rys. 1 ). CO 2 jest krąŝącym i odparowującym czynnikiem chłodniczym. W przypadku systemów pośrednich, część dwutlenku węgla pozostaje wolna od oleju. Zastosowanie CO 2 w instalacjach przemysłowych ciągle rośnie. Szacuje się, Ŝe za około 2 lata instalacje przemysłowe w znacznej części przejdą na zastosowanie tego czynnika. Obecnie zbudowanych zostało ponad 25 instalacji przemysłowych z R 744, współ finansowanych przez rządy państw. Ich wydajność chłodnicza wzrosła z 500 do 4500 kw. Instalacje takie znalazły zastosowanie przede wszystkim w chłodniach, tunelach zamraŝalniczych i zamraŝarkach płytowych. Z uwagi na fakt, Ŝe w instalacjach na CO 2 stosuje się elementy o mniejszych wymiarach, stąd teŝ instalacje takie zajmują mniej miejsca. Koszty ich utrzymania i konserwacji są porównywalne z kosztami instalacji amoniakalnych. ZuŜycie energii jest jednak w nich znacznie niŝsze niŝ w instalacjach pracujących w oparciu o czynniki syntetyczne. RozwaŜając koszty eksploatacji, powinno się brać pod uwagę całość kosztów związanych z długością Ŝycia instalacji. Dlatego roczne zuŝycie energii i koszty utrzymania ruchu powinny być przedmiotem wnikliwych analiz porównawczych. Porównując instalacje na czynniki syntetyczne z instalacjami kaskadowymi NH 3 /CO 2, te ostatnie wymagają o około 20% większych kosztów inwestycyjnych. ZaleŜy to jednak od wymaganej wydajności chłodniczej i rodzaju zastosowanego syntetycznego czynnika chłodniczego. ZuŜycie energii w systemie kaskadowym jest natomiast o ok. 15% niŝsze, a zatem koszty jego utrzymania są takŝe niŝsze. Okres zwrotu inwestycji jest zazwyczaj krótszy niŝ 5 lat. Całkowita długość okresu eksploatacji systemu waha się pomiędzy 20-25 lat. Biorąc pod uwagę powyŝsze zalety, inwestycje w instalacje kaskadowe NH 3 / CO 2 stają się bardzo interesujące. Wydajność chłodnicza systemów kaskadowych NH 3 / CO 2 w porównaniu z systemami pracującymi wyłącznie na amoniaku jest porównywalna w zakresie temperatur od -30 o C do -35 o C. Przy wyŝszych temperaturach lepszą wydajność otrzymuje się w instalacjach amoniakalnych. Przy niŝszych temperaturach, systemy kaskadowe okazuję się być wydajniejsze. Koszty eksploatacji obu systemów są porównywalne, co jest niezwykle waŝne dla ich uŝytkowników. Holandia jest w Europie i prawdopodobnie na świecie jednym z liderów w zastosowaniach dwutlenku węgla, jako naturalnego czynnika chłodniczego. Firma GTI Koudetechniek zainicjowała w 1998 roku ponowne zastosowanie tego czynnika w technice chłodniczej w Holandii. Firma GTI przoduje obecnie w zastosowaniach tego płynu, mając za swoim koncie wykonanych 25 instalacji przemysłowych w róŝnych dziedzinach, zarówno w kraju, jak i poza jego granicami. Rozwój tej technologii i doświadczenie, które obecnie posiadamy
pozwoliło na zapoczątkowanie stosowania tego czynnika. Jego korzystne właściwości energetyczne skutkowały w tych zastosowaniach obniŝeniem zuŝycia energii. 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. Szczególnie waŝny jest aspekt bezpieczeństwa w procesie produkcji i przetwarzania, gdzie obecność ludzi jest niezbędna. Korzystne właściwości energetyczne dwutlenku węgla są powiązane z duŝym bezpieczeństwem jego uŝytkowania. W przypadku modernizacji istniejących systemów chłodzenia poprzez wprowadzenie nowych elementów (przezbrojenie instalacji R 22), wykorzystanie R 744 moŝe równieŝ być interesujące. MoŜliwość obniŝenia temperatur związana z szybszą rotacją produktu dla tuneli i zamraŝarek płytowych mogą skutkować w konsekwencji krótszym czasem zwrotu inwestycji. Holenderska firma GTI Koudetechniek posiada ogromną wiedzę w zakresie technologii i profesjonalnego wykonania projektów systemów chłodzenia dla obiektów przemysłowych. Oszczędności energii i niezawodność są osiągane przez zaawansowane projektowanie. Profesjonalna realizacja projektu zapewnia krótki czas budowy i osiąganie rezultatów, które są oczekiwane przez klienta. Firma GTI Koudetechniek jest aktywna na wielu rynkach i jest w stanie wraz ze współpracownikami wspólnie dostarczyć wszystkie techniczne komponenty niezbędne do wymagań projektowych. Ekologiczniejsza klimatyzacja Valeo Na sympozjum w Phoenix międzynarodowy koncern Valeo zaprezentował nowy rodzaj klimatyzacji, bardziej ekologiczny, który ma spełniać przyszłe europejskie przepisy dotyczące ochrony środowiska. Valeo jest międzynarodowym koncernem, specjalizującym się w produkcji systemów (w tym klimatyzacji) i modułów do aut osobowych i dostawczych. W dotychczasowych klimatyzacjach do chłodzenia wykorzystywany był środek HFC R134 a, który ma być zastąpiony przez R744. Nowy środek bazuje na dwutlenku węgla i dzięki temu eliminuje negatywny wpływ na proces ocieplenia klimatu. Obecnie wykorzystywane klimatyzacje mają niestety spory udział w tzw. efekcie cieplarnianym. Pierwsza prezentacja została przeprowadzona podczas sympozjum nt. alternatywnych źródeł wykorzystywanych w systemach klimatyzacyjnych w Phoenix, w USA. Nowy rodzaj klimatyzacji testowany był podczas trzydniowych jazd w ruchu miejskim i po autostradach w temperaturze dochodzącej nawet do 43 o C. Pierwsze testy wypadły bardzo zadowalające.
Zastąpienie dotychczasowego środka chłodzącego przez R744 stanowić będzie waŝny przełom technologiczny. Dodatkowo, będące właśnie w fazie tworzenia, przepisy europejskie dotyczące ochrony środowiska m.in. przez środki transportu, stworzą normy, których nie spełnią dotychczasowe klimatyzacje. Przepisy te mają wejść w Ŝycie w 2011 roku. Wprowadzenie klimatyzacji typu R744 w 2009 r. będzie spełniać te wymagania prawne. Na przestrzeni wielu lat obiegi na dwutlenek węgla podlegały optymalizacji, co wynika z małych wartości współczynnika wydajności chłodniczej. Do takich metod naleŝy stosowanie tzw. obiegu Planka z dodatkowym spręŝaniem przed zaworem rozpręŝnym. Z analizy obiegu Lindego, realizowanego w parowych urządzeniach chłodniczych na amoniaklnych, wynika, Ŝe im większe jest dochłodzenie ciekłego czynnika przed zaworem rozpręŝnym przy tych samych warunkach na ssaniu spręŝarki, tym większa jest jednostkowa wydajność chłodnicza i tym samym uzyskuje się zwiększenie wartości współczynnika wydajności chłodniczej. Obieg CO 2 ma jednak tą zaletę, Ŝe obniŝenie entalpii właściwej czynnika przed zaworem rozpręŝnym moŝna uzyskać bez dodatkowego jego dochładzania. UmoŜliwia to znowu przebieg izoterm w obszarze nadkrytycznym. Im wyŝsze jest ciśnienie czynnika przed zaworem rozpręŝnym, to przy tej samej temperaturze posiada on większą entalpię właściwą. Gdyby w urządzeniu zrealizować obieg A-B-C-C (przy ciśnieniu 90 ata, to jednostkowa wydajność chłodnicza tego obiegu odpowiadałaby odcinkowi C -A. W przypadku, gdy to ciśnienie jest wyŝsze (120 ata), wówczas wartość jednostkowej wydajności chłodniczej odpowiadałby odcinek F-A, czyli następuje wzrost tej wielkości o odcinek F-C. PowyŜsze stanowi uzasadnienie teoretyczne stosowania obiegu Planka. Obieg ten składa się zatem z następujących przemian: A-B spręŝanie izentropowe B-C izobaryczne chłodzenie gazu w skraplaczu C-D izentropowe spręŝanie gazu D-E izobaryczne chłodzenie gazu E-F izentalpowe chłodzenie F-A izobaryczno izotermiczne wrzenie. Okazuje się przy tym, Ŝe dodatkowa praca spręŝania czynnika wypływającego ze skraplacza jest bardzo mała, takŝe efekt związany ze wzrostem jednostkowej wydajności chłodniczej od dodatkowego nakładu pracy na jego spręŝenie. Przykładowo dla obiegu konwencjonalnego przy temperaturze wrzenia t o =-20 o C (20 ata), ciśnieniu skraplania 90 ata i temperaturze dochłodzenia t d =37 o C wartość współczynnika wydajności chłodniczej jest równa 1,64, zaś w przypadku zastosowania obiegu Planka przy ciśnieniu dodatkowego spręŝania 120 ata uzyskujemy współczynnik wydajności chłodniczej równy 2, czyli nastąpił wzrost tej wielkości o 22%. Jednostkowa wydajność chłodnicza wzrosła przy tym aŝ o 33%. 1 1 Technika chłodnicza i klimatyzacyjna nr. 1/ 1997
Bibliografia: 1. Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna nr: 1/1997, 2/1997, 3/2005, 4/2005. 2. Z. Bonca, D. Butrymowicz, D. Dambek, A. Depta, W. Targański Czynniki chłodnicze i nośniki ciepła MASTA 1997. 3. www.gti-group.com/koudetechniek