R 744 jako czynnik chłodniczy znajduje coraz szersze zastosowanie w przemyśle ze względu na jego bezpieczeństwo i ochronę środowiska, jakich nie zapewniają inne, powszechnie używane czynniki chłodnicze. Dwutlenek węgla nie jest trujący, posiada korzystne właściwości termodynamiczne, ponadto stosowany jako czynnik chłodniczy nie wpływa negatywnie na globalny efekt cieplarniany. W ten sposób powstaje dość paradoksalna sytuacja, w której gaz powszechnie uważany za najbardziej wpływający na zwiększenie efektu cieplarnianego, znajduje zastosowanie jako rozwiązanie problemu związanego z ochroną środowiska i naszej planety.

DWUTLENEK WĘGLA (R 744)
JAKO CZYNNIK CHŁODNICZY

R 744 jako czynnik chłodniczy znajduje coraz szersze zastosowanie
w przemyśle ze względu na jego bezpieczeństwo
i ochronę środowiska, jakich nie zapewniają inne,
powszechnie używane czynniki chłodnicze. Dwutlenek
węgla nie jest trujący, posiada korzystne właściwości termodynamiczne,
ponadto stosowany jako czynnik chłodniczy
nie wpływa negatywnie na globalny efekt cieplarniany.
W ten sposób powstaje dość paradoksalna sytuacja, w której
gaz powszechnie uważany za najbardziej wpływający na
zwiększenie efektu cieplarnianego, znajduje zastosowanie
jako rozwiązanie problemu związanego z ochroną środowiska
i naszej planety.
GLOBALNY EFEKT CIEPLARNIANY
Zastosowanie CO2 jako czynnika chłodniczego nie jest
nowością. Jeszcze w latach 50-tych był on dość powszechnie
wykorzystywany jako czynnik chłodniczy na statkach
morskich. Z uwagi jednak na fakt, że przy wyższych temperaturach
jego wydajność chłodnicza była niska, został on
stopniowo zastąpiony przez czynniki syntetyczne.
Główny problem, z jakim mamy do czynienia w instalacjach
chłodniczych, związany jest z ich nieszczelnością.
W roku 1999 oszacowano, że rocznie prawie 5% czynnika
chłodniczego wycieka z instalacji chłodniczych do atmosfery.
Obecnie z uwagi na niszczący wpływa na warstwę ozonów
ą Ziemi, wycofywane są z użycia czynniki grupy HCFC,
w tym głównie R 22. Zarówno czynniki grupy HCFC, jaki i
HFC w sposób istotny wpływają na pogorszenie się globalnego
efektu cieplarnianego (ok. 1000 razy bardziej niż
CO2). Dlatego ważnym jest, aby projektować układy chłodnicze
wymagające napełnienia znacznie mniejszą ilością
płynu roboczego.
ZASTOSOWANIE DWUTLENKU WĘGLA
W obecnie projektowanych systemach chłodzenia, CO2
łączony jest z innymi czynnikami. Ze względu na swoje
relatywnie wysokie ciśnienie, jest on używany tylko w tych
częściach instalacji, w których występują niższe temperatury
(poniżej -10oC). W częściach instalacji, gdzie występuj
ą wyższe temperatury, stosowane są inne czynniki, np.
amoniak.
Amoniak (R 717) jest obecnie preferowanym czynnikiem
chłodniczym do urządzeń przemysłowych ze względu
na swoją dużą wydajność oraz to, że 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, O²
i posiada znacznie wyższą wydajność niż inne czynniki,
pozwala na zastosowanie mniejszej objętości cyrkulującego
czynnika oraz zastosowanie pomp o mniejszej mocy napędowej.
Przy użyciu 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 zużycia mocy napędowej.
OCHRONA ŚRODOWISKA
Emisja CO2 do środowiska może być spowodowana przez
jego emisję bezpośrednią lub emisję pośrednią, poprzez
zużycie mocy napędowej w instalacjach chłodniczych. Je-
żeli jednak porównamy efektywność działania instalacji z
dwutlenkiem węgla z instalacjami pracującymi na czynniki
syntetyczne, wówczas dojdziemy do wniosku, że te ostatnie
znacznie silniej wpływają na współtworzenie efektu
cieplarnianego niż CO2
AMONIAK (R 717)
Amoniak jest czynnikiem o doskonałych właściwościach
termodynamicznych, co w efekcie zapewnia wysokie wydajności
cieplne instalacji chłodniczych. To powoduje, że
obecnie wiele instalacji przemysłowych zbudowanych jest
z zastosowaniem amoniaku. Istnieją jednak przypadki, gdzie
płyn ten nie jest czynnikiem preferowanym. Znaczna ilość
amoniaku w instalacji negatywnie wpływa na wysokie wymogi
bezpieczeństwa jej użytkowania. Czynnik ten w razie
wycieku stwarza ryzyko skażenie produktu. Jeżeli takie
skażenie wystąpi, wówczas produkt żywnościowy w następstwie
tego zostaje nieodwracalnie zniszczony. Z tego
względu coraz częściej amoniak jest oddzielony zarówno
od produktu, jak i procesu produkcyjnego.
CZYNNIKI SYNTETYCZNE
Czynniki syntetyczne bardzo niekorzystnie wpływają na
artykuły sponsorowane artykuły sponsorowane artykuły sponsorowane artykuły sponsorowane
globalny efekt cieplarniany, a ponadto posiadają niższą
wydajność chłodniczą niż instalacje amoniakalne. Alternatyw
ą dla amoniaku są bezchlorowe czynniki syntetyczne,
takie jak R507 ze wskaźnikiem GWP współtworzenia efektu
cieplarnianego 3800 razy większym niż dla CO2. Istotną
wadą czynników syntetycznych jest ich wysoka cena.
Dwutlenek węgla (R 744)
CO2 jest relatywnie bezpiecznym czynnikiem chłodniczym.
Jest nietrujący, niepalny i nie wybuchowy. Innymi, ważnymi
jego parametrami są : gęstość, ciśnienia pracy, punkt
krytyczny i zależność ciśnienia od temperatury. Dwutlenek
węgla podobnie jak czynniki syntetyczne jest cięższy
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 CO2 dużo wyższy niż dla
czynników syntetycznych, a zatem jest on bardziej bezpieczny.
Ciśnienie robocze w instalacji pracującej na CO2 jest
wysokie. Z uwagi na takie jego wartości i charakterystyczną
gęstość gazu, objętość krążącego w instalacji CO2 jest niż-
sza 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 obniżenia kosztów
inwestycyjnych. Mniejsza objętość gazu pozwala również
na zastosowanie mniejszych sprężarek. Mniejsza zawartość
czynnika w instalacji kompensuje wyższe, panujące
w niej podczas pracy ciśnienie. Przy temperaturze 31oC i
ciśnieniu 70 bar, dwutlenek węgla osiąga swój punkt krytyczny.
Oznacza to, że powyżej tej temperatury, CO2 nie
występuje w stanie ciekłym. W punkcie tym nie występuje
typowa zmiana stanu skupienia i dlatego nie można w
tym przypadku zastosować w urządzeniu konwencjonalnego
skraplacza.
Zastosowanie w instalacjach przemysłowych, obiegu
zamkniętego, pracującego wyłącznie na CO2, nie wydaje
się być realistyczne w najbliższych 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 CO2 ze względu na relacje
ciśnienia i temperatury są znacznie mniejsze niż 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
-40oC, spadek ciśnienia o 0,1 bar oznacza spadek temperatury
o 2,5 K, a dla CO2 jedynie 0,15 K. Warto zauważyć, że każdy wzrost różnicy temperatur o 1 K oznacza
wzrost zużycia energii napędowej o ok. 5%.
W porównaniu z instalacją na czynniki syntetyczne, zużycie energii w systemie kaskadowym NH3/CO2 jest o ok.
10-15% niższe. System kaskadowy w porównaniu do instalacji
pracującej wyłącznie na amoniaku, charakteryzuje
się niższą emisją dwutlenku węgla z uwagi na to, że osiąga
on taką samą wydajność do temperatury -35oC. Przy niż-
szych temperaturach parowania jest jeszcze lepiej.

Rys. 1

Rys. 2
ZASTOSOWANIE
Warto zauważyć, że przy zastosowaniu systemu kaskadowego
NH3/CO2, zawsze istnieje różnica pomiędzy systemem
bezpośrednim, a pośrednim zasilania wymiennika
dolnego źródła ciepła. W większości przypadków wybór
pada na system bezpośredni (rys. 2) - kaskadowy system
NH3/CO2 ze sprężarką CO2 w części instalacji napełnionej
dwutlenkiem węgla. Skraplacz kaskadowy stanowi połączenie
pomiędzy stroną wyższej temperatury (NH3), a stroną
niższej temperatury (CO2). Z oddzielacza CO2, 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 sprężania
w części napełnionej dwutlenkiem węgla ( rys. 1 ). CO2
jest krążącym i odparowującym czynnikiem chłodniczym.
W przypadku systemów pośrednich, część dwutlenku węgla
pozostaje wolna od oleju.
SYSTEMY BEZPOŚREDNIE I POŚREDNIE
Fakty
Zastosowanie CO2 w instalacjach przemysłowych ciągle
rośnie. Szacuje się, że 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 zamrażalniczych i zamrażarkach
płytowych. Z uwagi na fakt, że w instalacjach na CO2
stosuje się elementy o mniejszych wymiarach, stąd też instalacje
takie zajmują mniej miejsca. Koszty ich utrzymania
i konserwacji są porównywalne z kosztami instalacji
amoniakalnych. Zużycie energii jest jednak w nich znacznie
niższe niż w instalacjach pracujących w oparciu o czynniki
syntetyczne.
KOSZTY EKSPLOATACJI
Rozważając koszty eksploatacji, powinno się brać pod uwagę
całość kosztów związanych z długością życia instalacji.
Dlatego roczne zużycie energii i koszty utrzymania ruchu
powinny być przedmiotem wnikliwych analiz porównawczych.
Porównując instalacje na czynniki syntetyczne z instalacjami
kaskadowymi NH3/CO2, te ostatnie wymagają o
około 20% większych kosztów inwestycyjnych. Zależy to
jednak od wymaganej wydajności chłodniczej i rodzaju zastosowanego
syntetycznego czynnika chłodniczego. Zużycie energii w systemie kaskadowym jest natomiast o ok.
15% niższe, a zatem koszty jego utrzymania są także niższe. Okres zwrotu inwestycji jest zazwyczaj krótszy niż 5
lat. Całkowita długość okresu eksploatacji systemu waha
się pomiędzy 20-25 lat. Biorąc pod uwagę powyższe zalety,
inwestycje w instalacje kaskadowe NH3/ CO2 stają się
bardzo interesujące.
Wydajność chłodnicza systemów kaskadowych NH3/
CO2 w porównaniu z systemami pracującymi wyłącznie na
amoniaku jest porównywalna w zakresie temperatur od
-30oC do -35oC. Przy wyższych temperaturach lepszą wydajność
otrzymuje się w instalacjach amoniakalnych. Przy
niższych temperaturach, systemy kaskadowe okazuję się
być wydajniejsze. Koszty eksploatacji obu systemów są porównywalne,
co jest niezwykle ważne dla ich użytkowników.
TECHNOLOGIA DWUTLENKU WĘGLA
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 różnych 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 obniżeniem
zużycia energii. Dwutlenek węgla zapewnia osiąganie niskich
temperatur i w związku z tym krótkiego czasu zamrażania z jednoczesnym zachowaniem wysokiej efektywności
procesu. Jest to szczególnie istotne w przemyśle mięsnym,
biorąc na przykład pod uwagę zastosowanie zamrażarek płytowych i tuneli powietrznych.
Szczególnie ważny jest aspekt bezpieczeństwa w procesie
produkcji i przetwarzania, gdzie obecność ludzi jest
niezbędna. Korzystne właściwości energetyczne dwutlenku
węgla są powiązane z dużym bezpieczeństwem jego użytkowania.
W przypadku modernizacji istniejących systemów
chłodzenia poprzez wprowadzenie nowych elementów (przezbrojenie instalacji R 22 ), wykorzystanie R 744 może
również być interesujące. Możliwość obniżenia temperatur
związana z szybszą rotacją produktu – dla tuneli i zamrażarek 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.


Autor: Mr Roel S. Hoffman, GTI KOUDETECHNIEK BV
Wydział Mechaniczny Akademii Morskiej w Gdyni
Źródło:
Zamów u nas roczną prenumeratę "Techniki Chłodniczej i Klimatyzacyjnej" z rabatem 10%!