Dwutlenek węgla

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
CO2
masa cząsteczkowa
44,011 kg/kmol
indywidualna stała gazowa
0,18892 kJ/kgK
temperatura krytyczna
31,05 oC
ciśnienie krytyczne
73,771 bar
gęstość krytyczna
467,9 kg/m3
ciśnienie punktu potrójnego
5,18 bar
temperatura punktu potrójnego
-56,5 oC
potencjał niszczenia warstwy ozonowej ODP
0
potencjał tworzenia efektu cieplarnianego GWP
1
własności dla ciśnienia 0,981 bar
temperatura sublimacji
-78,9 oC
ciepło sublimacji
573,1 kJ/kg
gęstość fazy stałej
1564,0 kg/m3
własności dla temp nasycenia -20oC
ciśnienie nasycenia
16,831 bar
gęstość właściwa cieczy
1057,29 kg/m3
gęstość właściwa pary
44,31 kg/m3
entalpia parowania
289,75 kJ/kg
ciepło właściwe cieczy
2,154 kJ/kgK
ciepło właściwe pary
1,292 kJ/kgK
przewodność cieplna cieczy
0,0394 W/mK
przewodność cieplna pary
0,0164 W/mK
lepkość dynamiczna cieczy
124,4 Pas
lepkość dynamiczna pary
13,64 Pas
lepkość kinematyczna cieczy
0,1202 m2/s
lepkość kinematyczna pary
0,261 m2/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 CO2, 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 CO2 moŜe występować tylko w postaci ciała stałego ( lodu ) i
pary. Przy tym ciśnieniu nie jest moŜliwe występowanie jego w postaci cieczy, poniŜej – 78,4 oC 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 oC 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 oC.
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, CO2 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 0C). 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 CO2 zostały przedstawione na (rys. 1). Współczynnik wydajności
chłodniczej całego układu w miarę obniŜania temperatury parowania poniŜej -40oC 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 - 50oC objętość zassanych par amoniaku rośnie dwukrotnie, jak widać CO2 w tych
warunkach jest bezkonkurencyjny.
Instalacje CO2 mogą być projektowane na roŜne sposoby, spotykane systemy to:
-z bezpośrednim odparowaniem czynnika chłodniczego w parowniku,
-pompowy,
-pośredni,
-kombinowane.
Układy chłodzenia oparte na CO2 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 NH3-CO2 z dwutlenkiem
węgla w części niskotemperaturowej przedstawia (rys. 3).
Dolny stopień kaskady napełniony dwutlenkiem węgla jest systemem pompowym. CO2
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 CO2 pompowany jest z oddzielacza ciekłego czynnika chłodnicy powietrza,
gdzie częściowo paruje zanim powróci z powrotem do oddzielacza. Pary CO2 przez naturalny
przepływ trafiają do wymiennika ciepła w którym następuje proces skraplania. Wymiennik
ciepła jest ochłodzeniem CO2 i jednocześnie parownikiem amoniaku.
Zalety
wady
- mała zawartość czynnika
chłodniczego,
- niŜsza efektywność energetyczna niŜ
w systemach bezpośrednich,
- mniejsze ryzyko przecieków,
- dodatkowa energia potrzeba do pracy
pomp przetłaczających czynnik wtórny,
- łatwa i prosta obsługa,
- moŜliwość zastosowania czynników
naturalnych, np. propanu,
- moŜliwość zastosowania solanek i
chłodziw zmieniających fazę,
- wysoka niezawodność ruchu.
- 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).
CO2 został tu zastosowany jako czynnik chłodniczy bezpośredni dla komory chłodniczej
(to= - 20oC) jak i równieŜ dla komory zerowej (to= - 7oC). 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 CO2 z
odbiorów minusowych i tłoczone do wymiennika kaskadowego-skraplacza. Pary mokre z
komór zerowych wracają do zbiornika cieczy, skąd osuszona para przepływa do skraplacza
CO2. 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 CO2 /NH3 słuŜące do zamarzania tunelu zasilanym
ciekłym CO2 firmy YORK (rys. 6).
Układ niskiego ciśnienia jako czynnik chłodniczy stanowi:
- spręŜarka tłokowa CO2,
-pompowy oddzielacz cieczy wraz z pompami CO2
-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 -50C a w
płaszczu wrzenie amoniaku przy -100C.
• Urządzenie kaskadowe CO2 /NH3 słuŜące do obsługi chodnic powietrza w
komorze a takŜe do zamraŜania tunelu.
Całkowita wydajność chłodnicza to 475kW przy temp. Parowania -52 oC i temp.
Skraplania amoniaku +40 oC, 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 CO2 z wymiennikiem kaskadowym, zbiornik zasila chłodnice
powietrza w komorach w układzie ciśnieniowym.
Wydajność chłodnicza systemów kaskadowych CO2 /NH3 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 CO2 jako chłodziwa pośredniczącego naleŜy
zauwaŜyć, iŜ cechuje się on korzystniejszymi właściwościami uŜytkowymi w porównaniu z
tradycyjnymi solankami.
właściwości CO2
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. CO2 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 +31oC , a minimalna temp.
Parowania do - 56 oC,
• 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 LCO2 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