Właściwości i zastosowanie dwutlenku węgla - specjalnoscchk.odt.pl

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