R744 (CO2) mint hűtőközeg alapok és megfontolások 1. rész A CO2 hűtőközegként alacsony üvegházhatást ígér, de alkalmazása új megoldásokat és megfontolásokat igényel. Szerző: Emerson Climate Technologies Már több mint egy évtizede, hogy a kereskedelmi hűtés a környezetvédelem reflektorfényébe került. Elsősorban a szivárgással kapcsolatos kutatások fedték fel a hidrofluorkarbon (HFC) kibocsátás valós hatásait. A kibocsátás jelentős csökkentésére kínálkozik lehetőség, de ennek a hűtőiparra gyakorolt hatása számottevő. Válaszképpen számos új hűtőközeg valamint rendszer kialakítás bukkant fel mind papíron mind a gyakorlatban széles választási lehetőségeket kínálva a kereskedelmi hűtés döntéshozói számára. A jelentős környezeti előnyök a jövő hűtőberendezéseiben vezető szerepet biztosítanak a R744 (CO2) részére. Az elmúlt években kedvező eredmények különböző rendszerkialakításoknál elsősorban Európában, Ausztráliában és Kanadában mutatkoztak. A kezdetben magas beruházási költségek csökkenő trendet mutatnak, míg az alkotórészeknél és alkalmazásaiknál megmutatkozó innováció további lehetőségeket tár fel a rendszer teljesítményének fokozására. Az eredmények a CO2 részére hosszú távú alternatívaként biztosítanak szerepet a belátható jövőben. E cikksorozat első része összefoglalja az R744 tulajdonságait, megvizsgálja, hogyan illeszkedik a hűtőközegekkel támasztott hagyományos és feltörekvő igényekhez. Szintén érint néhány okot, ami miatt a CO2 eltér a hagyományos rendszerektől, nevezetesen a bizonyos körülményeknél fellépő transzkritikus üzemállapot miatt támasztott tervezési megfontolásokat. A két bevezető cikket követően más R744 közeget érintő konkrét témák is vizsgálat alá kerülnek, beleértve az R744 rendszerek általános szempontjait, az R744 kaszkád, transzkritikus booster és másodlagos rendszerek tervezésére vonatkozó részletesebb információkat, a beüzemelés, üzemeltetés és szerviz kulcspontjait. A hűtőközeg kiválasztás szempontjai Bármely hűtőközeg kiválasztásánál több tényezőt is gondosan mérlegelni kell, beleértve a hűtőteljesítményt, biztonságot, környezeti hatásokat, a használat egyszerűségét, árat, a beszerzés lehetőségeit valamint a szükséges felkészültséget. Az 1. táblázat összefoglalja az előbbi és egyéb feltételeket valamint, hogy az R744 hogyan felel meg ezeknek. Általánosságban, a táblázat megmutatja, hogy a R744 hűtőteljesítménye a hagyományos közegekhez képest jobb, miközben egy természetes hűtőközegtől elvárhatóan üvegházhatása alacsony, azonban kihívást jelent mind az alkalmazása és kezelése szempontjából.
1. táblázat: Hogyan felel meg az R744 a különböző feltételeknek és kritériumoknak Kritériumok Hogyan felel meg az R744? Hűtőteljesítmény Hagyományos hűtőközegeknél jelentősen magasabb volumetrikus hatásfok Hatásfok A rendszer kialakításától és a környezeti hőmérséklettől függően változó Működési feltételek A nyomások működéskor és készenléti állapotban jelentősen magasabbak, mint a hagyományos közegeknél Környezeti hatás Hatása a globális felmelegedésre [GWP]=1 jelentősen alacsonyabb, mint a HFC közegnél Hűtőközeg elérhetősége Globálisan változó, de általában elérhető Rendszerelemek elérhetősége Sok eltér a HFC rendszerek elemeitől, de általában elérhető Szerviz technikusok felkészültsége Globálisan változó, de általában alacsony. A hűtős szerviz technikusok részéről szükséges a szakma mély ismerete és az R744 képzés Költség A hűtőközeg jelentősen olcsóbb a HFC közegeknél, de a rendszer költsége rendszerint magasabb Biztonság Nem toxikus, nem gyúlékony, a magas nyomásból fakadó veszélyek jelenleg kihívást jelentenek Egyszerű használat A magas nyomások és alacsony kritikus pont miatt összetett rendszereket igényel Megfelelő szabványok megléte Európai szabványok: EN378; ISO 51491 U.S.A szabványok: ASME B31.5; ASHRAE 15; UL 1995/CSA 22.2 No. 236-11; UL 60335-1; UL 60335-2-40; 60335-2-34 Összetétel egyszerű molekula, szubkritikus tartományban nincs csúszása Alkalmazható e helyettesítő közegként? Magas nyomása miatt nem alkalmazható Lábjegyzet: 1 EN 378: Hűtőberendezések és hőszivattyúk biztonsági és környezetvédelmi előírások ISO 5149: Hűtőberendezések és hőszivattyúk biztonsági és környezetvédelmi előírások ASME B31.5: Hűtőköri csővezeték és hőcserélő elemek ASHRAE 15: Hűtőberendezések biztonsági előírásai, hűtőközegek megnevezése és osztályozása UL 1995/CSA22.2 No. 236-11: Fűtő és hűtő berendezés UL 60335-1: Háztartási és hasonló jellegű villamos készülékek általános követelmények UL 60335-40: Elektromos hőszivattyúk, légkondicionálók és párátlanító berendezések speciális követelményei UL 60335-2-34: Motor-kompresszorok speciális követelményei Az R744 tulajdonságai A széndioxid egy a természetben előforduló anyag, a légkör hozzávetőleg 0,04 százaléka (370ppm). A legtöbb élő szervezet légzése során keletkezik, a növények pedig felhasználják.
Számos ipari folyamat során szintén keletkezik, különösen fosszilis tüzelőanyagok azaz szén, gáz és olaj elégetésekor járművekben illetve energiatermelés céljából. Más hűtőközegekkel összehasonlítva a széndioxid hármaspontja magas, kritikus pontja pedig alacsony. Az 1. ábra fázisdiagramban ábrázolja a hármaspontot és a kritikus pontot. 1. ábra: R744 / CO2 fázisdiagram A hármaspont helyzete 5,2 bara és -56,6 C. Ez alatt nem fordul elő folyadék fázis. Atmoszférikus nyomáson (1 bara) az R744 szilárd fázisból közvetlenül gőzfázisba szublimál. 1 bara nyomáson elgőzölögve a szárazjég térfogata 15 C hőmérsékleten 845-szörösére növekszik. A (szárazjégként is ismert) szilárd R744 felületének hőmérséklete -78,5 C. Amennyiben a R744 nyomása hármaspontnál magasabb nyomásról a hármaspont alá (pl. atmoszférikus nyomásra) csökken, közvetlenül szilárd fázisban fog kiválni. Ez történik ha például egy vákuum alatt levő rendszert folyadék R744-el töltünk. A kritikus pont 31 C-nál található, ami a az év egy részében, vagy a klímától függően akár teljes egészében, a rendszerre jellemző kondenzációs hőmérséklet alatt van. A kritikus pont felett a hűtőközeg transzkritikus folyadék állapotban van. Amíg a hőmérséklet és nyomás a kritikus pont felett van, hőelvonás hatására a transzkritikus folyadékban nem lép fel fázisváltozás. Transzkritikus R744 hűtőberendezésben nem lép fel kondenzáció, amíg a nyomása a kritikus pont alá nem csökken. Nincs más általánosan használt hűtőközeg, aminek a kritikus hőmérséklete ilyen alacsony lenne. Következésképpen más hűtőközegeknél mindig kondenzáció lép fel hőelvonáskor a rendszer magasnyomású oldalán. A kritikus pontban a gőz és a folyadék állapot sűrűsége azonos. E pont felett nincs megkülönböztethető folyadék és gőz fázis. A hármaspontban szilárd, folyadék és gőzállapot egyaránt előfordul.
A transzkritikus tartomány határai: A kritikus hőmérséklettől (31 C) kezdődő utóhűtött folyadék tartománya A kritikus nyomástól (74 bara) kezdődő túlhevített gőz tartománya A 2. táblázatban összehasonlításra kerülnek az R744 és a kereskedelmi hűtésben általánosan használt hűtőközegek alapvető tulajdonságai. 2. táblázat: R744 alapvető tulajdonságai más hűtőközegekkel összevetve Hűtőközeg R744 R404 R134a R407A R407F Atmoszférikus nyomáson a hőmérséklet -94,6 C Szárazjég hőmérséklete -46 C (telítési hőm.) -26 C (telítési hőm.) -41 C (telítési hőm. középértéke) -43 C (telítési hőm. középértéke) Kritikus hőmérséklet 31 C 72 C 101 C 81 C 81 C Kritikus nyomás 73,8 bara 36,9 bara 40,7 bara 42,9 bara 45,6 bara Hármasponti nyomás 20 C on a telítési nyomás 5,2 bara 0,22 bara 0,004 bara 0,1 bara 0,1 bara 57 bara 10,9 bara 5,7 bara 9,4 bara 9,9 bara GWP 1 3922 1430 1990 1824 Lábjegyzet: 1. A GWP értékek forrása: Intergovernmental Panel on Climate Change, 4 th assessment report: Climate Change 2007 2. R407A GWP érték: EN388 3. R407F GWP: gyártói adat A 2. ábra nyomás entalpia diagramjában látható a kritikus pont és a szuperkritikus fluidum tartomány kiterjedése
2.ábra: R744 nyomás - entalpia diagram A CO2 más hűtőközegeknél magasabb működési nyomásai kihívást jelentenek. A 3. ábra diagramja összehasonlítja az R744, R404A és R134a nyomásait. 3.ábra: nyomás hőmérséklet viszony összehasonlítása
Az R744 telítési görbéje nem folytatódik 31 C után, mivel ez a kritikus pont. Ezen állapot felett nem tehető különbség folyadék és gőz között. Jelenlegi gyakorlat szerint a transzkritikus rendszerekben fellép e nyomás feletti működés. Bevezetés a transzkritikus működésbe Sok R744 rendszer részben vagy teljes időben a kritikus pont felett működik. Ez nem okoz problémát; a rendszer csupán másképpen működik ami a tervezésnél szem előtt lett tartva. 31 C kondenzációs hőmérséklet alatt az R744 rendszer működése szubkritikus 31 C gázhűtő kilépő hőmérséklet felett az R744 rendszer működése transzkritikus A HFC rendszerek mindig szubkritikus üzemben dolgoznak, mert a kondenzációs hőmérséklet sosem éri el a kritikus hőmérsékletet. (pl. R134a-nál 101 C) A 4.ábra nyomás entalpia diagramja bemutat egy egyszerű R744 körfolyamatot alacsonyabb környezeti hőmérsékletnél szubkritikus, magasabb környezeti hőmérsékletnél transzkritikus működéssel. A diagramban látható, hogy az elpárologtató teljesítménye transzkritikus működésnél jelentősen alacsonyabb. 4.ábra: R744 szubkritikus és transzkritikus működés, nyomás entalpia diagramban ábrázolva HFC hűtőközegeknél a környezeti hőmérséklet emelkedésével szintén fellép hatásfok csökkenés, de ennek mértéke nem akkora, mint amikor az R744 szubkritikusról transzkritikusra vált. Transzkritikus működésnél lényeges a magas oldal (gázhűtő) nyomásának megfelelő szabályozása a hűtőteljesítmény és hatásfok optimalizálás érdekében. Például a magas oldali nyomás növelésével transzkritikus működésnél növekszik a hűtőteljesítmény.
Összehasonlító hűtőkör tulajdonságai Az R744 egyszerű összehasonlítása más hűtőközeggel félrevezető lehet. Alacsony kritikus hőmérséklete miatt ugyanis a rendszer kialakítása eltérő úgymint kaszkád kapcsolás vagy transzkritikus üzemelés. Ennek eredményeképp nehéz az egy az egyben történő összehasonlítás. Az R744 és a járatos HFC hűtőközegek elméleti összehasonlítását az alábbiakban szedtük pontokba. Szubkritikus állapotban, alacsony kondenzációs hőmérsékleteknél az R744 jól összevethető a HFC rendszerekkel. A magasabb kondenzációs hőmérsékleteknél illetve transzkritikus állapotban történő összehasonlítás nem kedvező. Az R744 magas szívónyomása és gőz sűrűsége nagyon jó hűtőközeg oldali hőátadást biztosít az elpárologtatónak. Hasonló teljesítményű rendszereknél az R744 elpárologási hőmérséklete valójában magasabb lesz, mint az egyenértékű HFC esetben. A kompressziós index R744 esetében nagyon magas, ezért a nyomógáz hőmérséklet magasabb, mint HFC esetén. Kereskedelmi hűtőberendezéseknél ez növeli a hővisszanyerés lehetőségét habár nyáron, mikor a működés transzkritikus, a hőigény korlátozott. Az R744 sűrűsége nagyon magas volumetrikus teljesítményt eredményez. Emiatt csökken a szükséges kompresszor szállítóteljesítmény, de nem csökken a motorméret, ami hasonló, mint a HFC hűtőközegek esetében. A szívócső szükséges keresztmetszete a volumetrikus teljesítménnyel arányos. R744 esetében a szívócső átmérő megközelítőleg a fele az R404A esetén szükségesnek. Az R744 nyomásviszonya kisebb, mint egy HFC esetében. Ez magasabb izentrópikus hatásfokot eredményez. A következő cikkben összefoglaljuk az R744 lehetséges veszélyeit, összehasonlítva más (hagyományos és új) hűtőközegekkel, és mérlegeljük a hűtőközegként való alkalmazás előnyeit és hátrányait.