Use of CO2 as a refrigerant

Abstract

The Montreal Protocol on the Use of Ozone Depleting Refrigerants banned the use of chlorofluorocarbons (CFCs) in industrialized countries. Hydrofluorocarbons (HCFCs) are temporarily allowed. In industrialized countries, it is limited until 2020, and in some countries, domestic regulations prescribe an earlier cessation of the use of HCFC (for example, in Germany for R22 - the end of 1999).

Full Text

Монреальским протоколом по использованию хладагентов, разрушающих озоновый слой, запрещено применение хлорфторуглеродов (CFC) в промышленно развитых странах. Временно допускается использование гидрофторуглеродных водородов (HCFC). В промышленно развитых странах оно ограничено до 2020 г., а в некоторых государствах внутренние нормативы предписывают более раннее прекращение использования HCFC (например, в Германии для R22 - конец 1999 г.).

Следует принимать во внимание так же другое воздействие хладагентов на окружающую среду — создание парникового эффекта. Как указано в Протоколе Киото, парниковый эффект создают также недавно появившиеся вещества класса HFC, заменившие CFC и HCFC.

Подобная ситуация ведет к увеличению использования «старых» хладагентов, та ких как аммиак и углеводороды, которые не воздействуют на озоновый слой и не создают парникового эффекта, но воспламеняемы и/или токсичны. Поэтому в 1990 г. профессором ГуставомЛоренценом в качестве альтернативного хладагента был предложен диоксид углерода (СО,), используемый ранее в холодильной промышленности и холодильном морском транспорте.

Рис. 1. ОПР и GWP отдельных хладагентов

Как показано на рис. 1, аммиак, угле водороды и СО, имеют нулевой ODP (потенциал разрушения озонового слоя) и не значительный GWP (потенциал глобального потепления) в отличие от веществ классов CFC и HCFC. Что касается веществ класса HFC, их ODP равен нулю, а GWP составляет от нескольких сотен для R32 до нескольких тысяч для воспламеняющегося R 143а и пожаробезопасного R125.

По критериям пожаробезопасности среди «старых» хладагентов только СО, может соперничать с HFC.

Примерно 63 % от общего влияния на окружающую среду газов с парниковым эффектом приходится на долю СО,. Это обусловлено значительным количеством СО2, выбрасываемым в атмосферу промышленном и предприятиями.

При использовании диоксида углерода в качестве хладагента его влияние на глобальное потепление незначительно но сравнению с HFC.

Таким образом, использование СО, качестве хладагента может быть перспективным ввиду его малого воздействия на окружающую среду.

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

Остается выяснить, хорошо ли подходит СО, к применению в холодильной технике, системах кондиционирования воздуха и тепловых насосах. Термодинамические свойства диоксида углерода отличаются от свойств других уже названных хладагентов; его критическое давление намного выше, а критическая температура составляет пример но 31 °C, что делает невозможным от вод теплоты в атмосферу в процессе конденсации, как в случае традиционных парокомпрессионных циклов. Та ким образом, диоксид углерода может быть использован только в тех холодильных циклах, где температура отвода теплоты ниже критической, напри мер, в нижней ступени каскадной системы. 

Густавом Лоренценом и его сотрудниками был предложен так называемый «закритический» цикл для кондиционирования воздуха в автомобиле. Этот цикл может применяться также в тепловых насосах [4, 5]. Закритический цикл известен с прошлого века пол названием цикла для раз деления воздуха Линде-Хемпсона. Цикл основан на эффекте Джоуля-Томпсона. Однако в случае использования в качестве хладагента СО, эффективность цикла до вольно низкая.

Поэтому применение закритического цикла с СО, в холодильных машинах и установках кондиционирования воздуха целесообразно только в случае, когда особые требования предъявляются к экологичности и пожаробезопасности установки.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

При работе холодильной системы ее влияние на глобальное потепление выражается критерием TF.WI (значение полного эквивалента глобального потепления).

Это влияние определяют две составляющие: эмиссия хладагента (прямой вклад) и эмиссия СО2 при выработке электроэнергии для работы холодильной установки (косвенный вклад). Поэтому при оценке влияния хладагентов на глобальное потепление необходимо учитывать, что пре имущества СО, очевидны лишь в том случае, когда величины энергетической эффективности сопоставляемых циклов близки [5].

Сравнение свойств хладагентов

Хладагент	RI2	R22	R134а	R290	NH,	СО,
Природный	Нет	Нет	Нет	Да	Да	Да
ODP	0,82	0.055	0	0	0	0
GWP (100 лег) значения IPCC  GWP (100 лет) значения WMO*	8100 10600	1500 1900	1300 1600	20 20	<1 <1	1
Критическая температура (°C)	112,0	96,2	101,2	96,7	132,3	31,1
Критическое давление (МПа)	4,14	4,99	4,06	4,25	11,27	7,38
Воспламеняемость	Нет	Нет	Нет	Да	Да	Нет
Токсичность	Нет	Нет	Нет	Нет	Да	Нет
Относительная стоимость	—	1,0	4,0	0,3	0,2	0,1
Данные Всемирной метеорологической организации (WM0): Научная комиссия по истощению озона, Найроби. Кения, 1998 г.; Европейская комиссия. Генеральный директорат, Брюссель, Бельгия, 1999 г.

В отчете UNEP от 1991 г. указывалось, что в области холодильной техники наибольшей эмиссией хладагента характеризуются автомобильные кондиционеры (рис. 2). Они вносят наибольший прямой вклад в TEWI (рис. 3).

Рис. 2. Потребление хладагентов в 1991 г. (мировое потребление 484 200 т/год): 1 — автономные тепловые насосы: 2 — автомобильные кондиционеры; 3 — бытовые холодильники; 4 —охладители воды ; 5 — промышленные холодильные установки; 6 — транспортные холодильные установки; 7 - хранение; 8 — торговое холодильное оборудование

Рис. 3. Прямой (эмиссия хладагента) и косвенный (производство энергии) вклады в TEW1 (за 100лет) 1— бытовой холодильник; 2 — охладитель воды; 3 — автомобильный кондиционер и автономный тепловой насос; 4 автомобильный кондиционер; 5 — торговое холодильное оборудование

Поэтому профессор Г.Лоренцей и его сотрудники прежде всего обратили внимание на применение закритического цикла с СО, в автомобильных кондиционерах. Транспорт может стать преобладающей областью применения СО,.

Как показано на рис. 3, торговое холодильное оборудование, включая системы, используемые в супермаркетах, вносит большой вклад в TEW1 вследствие значительной протяженности холодильных линий. Каскадные системы с СО, в качестве хладагента нижнего каскада или хладоносителя позволяют снизить прямой вклад BTEWI без увеличения потребления энергии. Напротив, использование СО, в верхней ступени холодильных установок супермаркетов приводит к увеличению потребления энергии.

Третье место по прямому вкладу в TEWI занимают кондиционеры и автономные тепловые насосы (см. рис. 2 и 3).

Закритический цикл с СО2 перспективен для использования в тепловых насосах и охладителях воды. Тепло, отводимое от хладагента при высокой температуре, целесообразно использовать для обогрева помещений или подогрева воды. Это ведет к повышению энергетической эффективности использования холодильной установки.

ПРЕИМУЩЕСТВА ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

В цикле с СО, условия отвода теплоты от хладагента неизотермичны, поскольку в закритической области изобары не совпадают с изотермами. Поэтому целесообразно использовать СО, в тепловых насосах, например, для нагрева воды до 90 ,С.

Высокий уровень давлений в цикле с СО,, обусловленный свойствами вещества, имеет ряд преимуществ. При высоком уровне давлений в цикле меньшая доля работы компрессора затрачивается на преодоление гидравлических сопротивлений, кроме этого улучшается тепло передача. Высокое давление всасывания благоприятно сказывается также на работе компрессора (при достаточных объемных расходах). Таким образом, снижение технических потерь в ряде случаев может приблизить величину эффективности за- критического холодильного цикла с СО, к аналогичной характеристике парокомпрессионного цикла с другими хладагентами.

Еще одно преимущество цикла с СО, — большая объемная холодопроизводительность, что приводит к уменьшению габаритов оборудования. Кроме того, диоксид углерода представляет собой при родное вещество, следовательно, его применение выгодно там, где недостаточно освоены технологии производства HFC, как, например, в развивающихся странах.

НЕДОСТАТКИ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

Главная трудность при использовании СО, в качестве хладагента заключается в необходимости разработки и производства новых элементов установок, что обусловлено высоким рабочим давлением в цикле и меньшим по сравнению с другими хладагентами объемным расходом.

Это может стать препятствием для распространения использования СО, в установках кондиционирования воздуха и тепловых насосах, поскольку производство новых элементов требует дополнительных затрат. Однако по мере расширения использования цикла с СО, например, в транспортных кондиционерах стоимость элементов заметно снизится.

В течение последних восьми лет на международном уровне были проведены исследования, в частности, по двум большим проектам Евро! (ейского Сообщества: RACE - по использованию СО, в автомобильных системах кондиционирования воздуха и СОН EPS — по использованию СО, в тепловых насосах.

Эти исследования показали, что СО, может конкурировать с традиционными рабочими веществами в автомобильных кондиционерах и тепловых насосах для тепловых сетей, подогрева воды до 90 °C и для промышленных процессов сушки.

Тем не менее в ряде случаев применение закритического никла нецелесообразно вследствие его относительно низкой энергетической эффективности.