Ocena techniczna możliwości wykorzystania dwutlenku węgla ( R744 )

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 CO2 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- CO2 (R744). Znany jest w
chłodnictwie od dawna jako bezpieczny dla środowiska naturalnego i tani.
Właściwości CO2:
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 30÷60 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);
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 60-80 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 ε0 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 qV, co zmniejsza potencjalne trudności związane z budową wysokociśnieniowych
urządzeń chłodniczych. Proporcja qV CO2 do amoniaku odpowiada stosunkowi objętości cylindrow
spręŜarki amoniakalnej do spręŜarki CO2. W przypadku dwutlenku węgla uzyskujemy 5÷7 razy mniejsze
objętości cylindra, co sprawia, iŜ stosowanie CO2 jako czynnika, znacznie zmniejsza wielkość urządzeń i
umoŜliwa uzyskanie bardzo zwartych konstrukcji.
Tabelka: Porównanie jednostkowej wydajności chłodniczej objętościowej qV, oraz stosunek objętości
cylindrów dla NH3 i CO2
t0[°C]
R 744
|
qv [kJ/m3]
-13
-23
-33
-43
12860
9395
6713
4201
R 717
VR717/VR744
2402
1572
991
597
5.35
5.98
6.78
7.03
Podstawowe własności termodynamiczne:
Wzór chemiczny
C02
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/m3
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
Ciepło sublimacji
Gęstość fazy stałej
-78,9 °C
573,1 kJ/kg
1564,0 kg/m3
Własności dla temperatury nasycenia -20° C:
Ciśnienie nasycenia
Gęstość właściwa cieczy
Gęstość właściwa pary
Entalpia parowania
Ciepło właściwe cp cieczy
Ciepło właściwe cp pary
Przewodność cieplna cieczy
Przewodność cieplna pary
Lepkość dynamiczna cieczy
Lepkość dynamiczna pary
Lepkość kinematyczna cieczy
Lepkość kinematyczna pary
Liczba Prandtla cieczy
Liczba Prandtla pary
Stała Poissona
Wykładnik izentropy
Napięcie powierzchniowe
16,831 bar
1057,29
kg/m3
44,31 kg/m3
289,75 kJ/kg
2,154 kJ/kgK
1,292 kJ/kgK
0,0394 W/mK
0,0164 W/mK
124,4 µPas
13,64 µPas
0,1202 µm2/s
0,261 µm2/s
6,808
1,073
1,725
1,292
8,81
mN/m
Wykres fazowy dwutlenku węgla
Postaci w jakich stosowany jest CO2:
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
o
o
Naturalne;
Procesy fermentacyjne;
Procesy chemiczne
W Polsce brak jest duŜych naturalnych złóŜ dwutlenku węgla. Dlatego teŜ częściej wykorzystuje się CO2
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 CO2 wyniósł:
– Przemysł chemiczny – 10%,
– Produkcja metali – 4%.
– Produkty mineralne – 86%.
Fermentacyjny CO2 jest stosunkowo czysty (ilość zanieczyszczeń <1%).
W Polsce w kilku gorzelniach przemysłowych produkowany jest skroplony CO2.
Zestalony dwutlenek węgla (suchy lód) uzyskuje się przez gwałtowne rozpręŜanie skroplonego CO2 do
ciś. ok. 4,3 bar. W fazę stałą zmienia się ok. 30% cieczy. Otrzymane kostki suchego lodu prasuje się w
bloki o masie 10÷30 kg.
CO2 – 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.