Optymalne ciśnienie robocze dla obiegu dwutlenku węgla w obszarze nadkrytycznym
Ocena użytkowników: / 0
SłabyŚwietny 
Data dodania: 05.11.2010
Dwutlenek węgla jest jednym z najstarszych czynników chłodniczych (wprowadzony do techniki chłodniczej w 1866 roku). Jego główne zalety to: zerowy wskaźnik destrukcji warstwy ozonowej (ODP=0) i ekstremalnie niski wskaźnik tworzenia efektu cieplarnianego (GWP=1). Czynnik ten jest często pozyskiwany ze źródeł naturalnych, jest również produktem ubocznym wielu procesów technologicznych, a co za tym idzie koszty jego wytwarzania są bardzo niskie. CO2 jest on łatwo dostępny, a jego odzyskiwanie z uszkodzonych urządzeń lub podczas wykonywania czynności serwisowych nie jest wymagane. Jest płynem naturalnym, a jego obojętność i nieszkodliwość dla środowiska naturalnego i człowieka jest naukowo potwierdzona. Czynnik ten nie powoduje specjalnych zagrożeń bezpieczeństwa, jest nieszkodliwy dla produktów spożywczych, nie wywołuje korozji metali. Dwutlenek węgla charakteryzuje się małą objętością właściwą i wysoką objętościową wydajnością chłodniczą, około 10 razy większa od amoniaku co pozwala na miniaturyzację sprężarek, aparatury i rurociągów. Nadciśnienie w instalacji nawet przy niskich temperaturach zapobiega przedostawaniu się powietrza do obiegu w przypadku nieszczelności [2].

W analizie obiegów kaskadowych zamieszczonej w opracowaniu [8] opublikowanym w niniejszym czasopiśmie dowiedziono, iż dwutlenek węgla jest bezkonkurencyjny w dolnej – niskotemperaturowej części obiegów kaskadowych. Wskazano również na to, iż porównując jednostopniowe obiegi pracujące z różnymi czynnikami chłodniczymi – wydajność chłodnicza obiegu nadkrytycznego R744 jest mniejsza od obiegu parowego, realizowanego przez pozostałe czynniki.

Pomimo wad dwutlenku węgla wynikających z wysokich wartości ciśnienia pracy w układach jednostopniowych – jest on czynnikiem roboczym wartym uwagi. Ponieważ coraz częściej słyszy się o powrocie do naturalnych czynników chłodniczych, dwutlenek węgla staje się w tym przypadku bardzo atrakcyjny [3, 4].

W obiegach nadkrytycznych główny wpływ na wydajność urządzenia ma temperatura czynnika przed zaworem rozprężnym. Przebieg izoterm dwutlenku węgla (na wykresie p-h) jest stromy w miarę podnoszenia ciśnienia skraplania w obszarze nadkrytycznym. Konsekwencją tego jest stosunkowo niewielki wzrost jednostkowej wydajności chłodniczej w stosunku do wzrostu pracy sprężania, wynikającego z przebiegu izentrop w obszarze pary przegrzanej. Można zatem wnioskować, iż uzyska się w opisywanych warunkach niskie wartości współczynnika efektywności energetycznej. Jeżeli jednak będzie się systematycznie obniżać to ciśnienie, to uzyska się warunki, w których izoterma załamuje się – następuje znaczny wzrost wydajności chłodniczej takiego układu w stosunku do niewielkiego wzrostu doprowadzonej pracy sprężania, a w związku z tym efektywność energetyczna obiegu wzrasta. O ile w konwencjonalnych obiegach podkrytycznych wartość entalpii czynnika przed zaworem rozprężnym jest głównie funkcją temperatury, to w obiegach nadkrytycznych (po stronie wysokiego ciśnienia) wyraźny wpływ na wartość tej entalpii ma również ciśnienie. Tak więc kluczem do utrzymania odpowiedniej wydajności chłodniczej takiego obiegu jest kontrola wysokiego ciśnienia. Regulatory ciśnienia wysokiego stopnia mogą być stosowane do utrzymywania wartości COP na maksymalnym poziomie – lecz mogą również regulować wydajność chłodniczą lub grzewczą (w zastosowaniach obiegu nadkrytycznego CO2 w pompach ciepła) [1].

Warto również zauważyć, że obiegi nadkrytyczne charakteryzują się bardzo dużymi stratami dławienia, co wynika z bardzo dużej różnicy ciśnienia pomiędzy wlotem a wylotem z zaworu rozprężnego. Powoduje to, że pod względem energetycznym obiegi te nie wypadają najlepiej. Wysokie ciśnienia pracy i straty dławienia to główne przeszkody, które stoją na drodze do szerszego wykorzystywania dwutlenku węgla jako czynnika roboczego – zarówno w chłodnictwie komercyjnym jak i przemysłowym oraz klimatyzacji [5]. Niniejsza publikacja dotyczy zagadnień określenia optymalnego ciśnienia roboczego w chłodnicy gazu dwutlenku węgla dla układu jednostopniowego realizowanego częściowo w obszarze nadkrytycznym.

Zagadnienie optymalnego ciśnienia roboczego w chłodnicy gazu (...)


Analiza optymalnego ciśnienia roboczego w jednostopniowym układzie CO2 (...)

Uwagi końcowe

Jak wynika z analizy zamieszczonej w niniejszej pracy – najwyższe wartości współczynnika COP uzyskuje się dla ciśnienia chłodnicy gazu równego ciśnieniu krytycznemu i temperatury parowania na poziomie 0 do -5°C, przy czym konkretne wartości tego współczynnika są uzależnione od temperatury czynnika przed zaworem rozprężnym.

Wartość COP poniżej ciśnienia krytycznego będzie wyższa, ponieważ nie będzie już to obieg nadkrytyczny, a w wymienniku wysokociśnieniowym będzie zachodziło skraplanie czynnika, nie zaś ochładzanie gazu. Temperatura przed zaworem rozprężnym na poziomie +35°C jest graniczną temperaturą, przy której COP wykazuje wyraźne maksimum. Optymalne ciśnienie uzyskane z korelacji zawartych w opracowaniach [6, 7] dają wartości zbliżone do uzyskanych w niniejszej pracy. Należy jednak podkreślić, że zależności te są słuszne jedynie dla temperatury czynnika przed zaworem na poziomie od +35 do +50°C. Zakres ten dobrano z tego względu, iż w tych warunkach wartość COP uzyskuje wyraźne maksimum w układach nadkrytycznych. Korelacje te wykorzystują zależność pomiędzy wartością ciśnienia w chłodnicy gazu a temperaturą otoczenia.

Aby poprawić wartość COP obiegów nadkrytycznych CO2 należy zastosować wymiennik regeneracyjny, który może spowodować wyraźny wzrost jednostkowej wydajności chłodniczej oraz jego efektywności energetycznej. Mimo wszystko jednak dwutlenek węgla jest czynnikiem, dla którego uzyskuje się niskie wartości współczynnika efektywności energetycznej, co wymaga przeprowadzenia dodatkowych zabiegów dających atrakcyjne dla zastosowań wartości COP. Jest to przedmiotem aktualnie podejmowanych prac [5].

LITERATURA
[1] KIM M.-H., PETTERSEN J., BULLARD C.W.: Fundamental process and system design issues in CO2 vapor compression systems. Progress in Energy Combustion Science, Vol. 30, 2004, str.119-174.
[2] BONCA Z., BUTRYMOWICZ D., TARGAŃSKI W., HAJDUK T.: Nowe czynniki chłodnicze i nośniki ciepła. Własności cieplne, chemiczne i użytkowe. MASTA, Gdańsk, 2004.
[3] RUSOWICZ A.: Kierunki rozwojowe czynników chłodniczych. Chłodnictwo & Klimatyzacja. 2004. No. 3, 2004, str. 59-63.
[4] GÓRSKI J., RABCZAK S.: Zastosowanie CO2 w chłodnictwie – zalety i wady. Chłodnictwo & Klimatyzacja. No. 10, 2006, str.41-44.
[5] ANGIELCZYK W., BUTRYMOWICZ D., BARTOSIEWICZ Y., DUDAR A.: Analysis of Transcritical CO2 Cycle with Two-Phase Ejector by Means of Performance Curves Approach. International Conference Design and operation of environmentally friendly refrigeration and AC systems. Poznań, 2008, str. 13-27.
[6] KAUF F.: Determination of the optimum high pressure for transcritical CO2 – refrigeration cycle. International Journal of Thermal Sciences. Vol. 38, 1999, str. 325-330.
[7] CHEN Y., GU J.: The optimum high pressure for CO2 transcritical refrigeration system with internal heat exchangers. International Journal of Refrigeration. Vol. 28, 2005, str. 1238-1249.
[8] BAJ P., BUTRYMOWICZ D.: Ocena efektywności energetycznej obiegu kaskadowego w układzie dwutlenek węgla/amoniak. Chłodnictwo & Klimatyzacja. No. 11, 2008, str.30-35.
 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Pompy ciepła 2023-2024

  • Pompy ciepła 2021-2022

  • Pompy ciepła 2022-2023

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2022

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2023

  • Pompy ciepła 2020-2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2020

  • Pompy ciepła 2019-2020

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2019

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.