A szén-dioxid a jövő hűtőközege?

Korszerű energetikai berendezések

BME OMIKK

ENERGIAELLÁTÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG VILÁGSZERTE 44. k. 2. sz. 2005. p. 65–72.


A szén-dioxid – a jövő hűtőközege? A hűtőközegként HFC-t tartalmazó kereskedelmi hűtőrendszerek jelentős környezetszennyezést okoznak, mivel egy átlagos szupermarketben a levegőbe kerülve üvegházhatást okozó hűtőközeg évi 14%-a elszivárog. A szén-dioxid jó alternatívát kínál: egy olaszországi üzemi próba során ugyan az energiafelhasználás 10%-kal nagyobb volt, és a költségek is magasabbak voltak, de az eredmények ennek ellenére bíztatóak, mivel a konstrukció finomítása és a szokásostól kissé különböző szerkezeti egységek sorozatgyártása nyomán mindkét tényező jelentősen javítható.

Tárgyszavak: HFC; hűtőközeg; szén-dioxid.

A modern kereskedelem nagy hűtőkapacitáso-

gásmentesítésére, jogos az a feltételezés, hogy

kat igényel, elég csak a gombamód szaporodó

az ott tapasztalt értékek a legjobbak közül való-

szupermarketekre gondolni. A nagy alapterület

ak, vagyis a helyzet általában ennél is rosszabb.

miatt a hűtőközeg sok helyen elszivároghat a hűtőrendszerből: a nemzetközi felmérések a

A hagyományos hűtőközegek elszökése na-

kilencvenes évek elején 30% körüli éves vesz-

gyon súlyos környezeti károkat okoz, mivel a

teségekről számoltak be. Az ezt követő szigorú

legmodernebb, legkevésbé szennyező típus, a

intézkedések nyomán a szivárgások nagysága

HFC (fluorozott szénhidrogén) is üvegházha-

általában csökkent, de legfeljebb a felére, amint

tást okoz, felelős az ózonlyuk növekedéséért.

azt egyik legfrissebb norvégiai felmérés 14%-

Számos országban büntető adóval sújtják ezen

os értéke mutatja. Mivel a norvég áruházláncok

anyagok használatát, ezért a hűtőberendezések

ezt megelőzően nagy figyelmet fordítottak a

gyártói keresik az alternatív, a környezetre

hűtőberendezések karbantartására és szivár-

nem káros hűtőközegeket.

65


A szén-dioxid hűtőközegként való alkalmazása

ságát, és a halogénezett szénhidrogének hamar

túljutott az elméleti és laboratóriumi kísérleti

kiszorították a hűtőközegek közül.

fázison, már az első üzemi megvalósítások tanulságait is levonhatták a szakértők. Habár ter-

A továbbiak egy olaszországi szupermarket

mészetesen fontos dolog a környezetvédelem, a

komplett, tisztán szén-dioxiddal megvalósított

működés műszaki hatékonysága és gazdaságos-

hűtőrendszerének tapasztatait elemzik.

sága is döntő szempont: csak olyan rendszerek állják ki a gyakorlat próbáját, amelyek ezen

A hűtőrendszer felépítése

szempontok szerint is versenyképesek. Az alacsony ár és a környezet kímélésén kívül a CO2

A rendszer egy észak-olaszországi szupermar-

mellett szól az is, hogy nem mérgező, nem gyú-

ketben működik, 1200 m2 eladóterületen. A

lékony és nem agresszív, nem támadja meg a szerkezeti anyagokat. Érdemes megemlíteni,

fejlesztőmunka három évet vett igénybe; a gya-

hogy a CO2 mint hűtőközeg nem új felfedezés:

korlati tapasztalatokat az új megoldás kidolgo-

az első szabadalom 1850-ben született, és né-

zói nemcsak a hűtés minősége szempontjából,

hány évtizedig ezután használták is, főképp

hanem a gyakorlatban oly fontos üzemeltetés és

hajókon. Az alacsony kritikus hőmérséklet

karbantartás (tisztítás, feltöltés, vákuum, szervi-

mindazonáltal korlátozta a CO2 alkalmazható-

zelés stb.) szempontjából is elemezték.

4

4

10

5

4

5 5

1

1

2

6

A

B

C 9

8

8 7

8

7

1. ábra A hűtőrendszer sémája

66

7


A tisztán CO2 hűtőközeggel megvalósított

szakaszban fellépő, következő tipikus problé-

hűtőrendszer felépítését az 1. ábra szemlél-

mákat:

teti. A teljes hűtőkapacitás 120 kW a köze-

• Ahogy a kompressziós arány nő, a komp-

pes hőfoktartományban (a párologtatási hő-

resszorok kilépési hőmérséklete nagyon ma-

mérséklet –10 °C), és 25 kW az alacsony hő-

gas, akár 200 °C-os értéket is elérhet. A két-

foktartományban (párologtatási hőmérséklet –

fázisú kompresszoroknál a fokozatok közötti

35 °C). A kompresszorok szállított térfogata

hűtéssel a kilépési hőmérséklet 140 °C alatt

10,7 m3/h a közepes hőmérsékletű szakaszban,

tartható, ami elfogadható érték CO2 esetén.

3

• A két kompresszor sűrítése kisebb lehet,

és 12,7 m /h az alacsony hőmérsékletű szakaszban. A kompresszorok kétpólusú moto-

ezért hatásfokuk jobb.

rokkal vannak felszerelve, a közepes hőmér-

• A fokozatok közötti hűtés csökkenti a

sékletű fokozatban két-két egyfokozatú dolgo-

kompresszor munkáját, és a belső beszívott

zik belőlük párhuzamosan kapcsolva (A és B

gáz/folyadék hőcserélő alkalmazása csök-

az ábrán), az alacsony hőmérsékletű fokozat-

kenti a folyadék megjelenésének valószínű-

ban két kétfokozatú kompaund típusú dolgo-

ségét az első fokozatú kompresszorok szí-

zik, szintén párhuzamosan kapcsolva (C és

vókamrájában, ami kompaund típusoknál

2 az ábrán). A nagynyomású oldalon a hő egy

gyakori veszély.

folyadékos másodlagos körnek adódik át egy CO2–víz hőcserélő segítségével (4). A hűtőkö-

Az (5) rögzített differenciálszelep alkalmazása

zeget ezután az első expanziós készülék (5)

az expanzió céljára az optimálist nagyon jól

fojtja le és juttatja a közepes nyomású tartályba

megközelítő COP (coefficient of performance,

(6), majd a folyékony hűtőközeg a hűtőtárolók-

teljesítménymutató; a hűtési teljesítmény és a

ba és hidegkamrákba kerül (7), ahol a párolog-

felhasznált villamos teljesítmény hányadosa)

tatókban termosztatikus expanziós szelepek

értéket eredményez.

segítségével (8) közvetlenül elpárolog. Az alacsony hőmérsékletű részben a (9) belső beszí-

Az üzemi kísérlet tapasztalatai

vott gáz/folyadék hőcserélő és a (10) CO2–víz hőcserélő révén az első fokozat után az összenyomott gőz lehűl, mielőtt belép a második

A rendszer üzembe helyezése után néhány

fokozatba.

nem várt esemény történt, amelyek a konstA kétfázisú kompresszorok révén el lehet ke-

rukció valamelyes módosítását tették szüksé-

rülni a mélyhűtési (alacsony hőmérsékletű)

gessé.

67


Az első probléma a kompresszorok hűtőolaj-

Ezt a szívó- és kibocsátó kamrák térfogatának

rendszerében lépett fel. A visszatérő olaj nem

növelésével meg lehetett szüntetni.

egyforma arányban oszlott meg a párhuzamosan kapcsolt kompresszorok között, így az

E néhány kezdeti probléma leküzdése után a

egyik nem kapott megfelelő kenést. A gondot

berendezések legalább 18 hónapig lényeges

valószínűleg a hűtőközeg kis sebessége okoz-

probléma nélkül működtek.

ta, mivel a párologtatók kezdetben a hagyományos

R404A

hűtőközegnek

megfelelő

A hatásfok az R404A hűtőközeghez viszonyítva

konstrukciójúak voltak, pedig ugyanakkora hőkivonáshoz szén-dioxid hűtőközeg esetén jóval kisebb tömegáramra van szükség. A problémát jól orvosolta egy eredetileg nem

A 2. ábra az üzembe helyezést megelőző labo-

betervezett olajleválasztó, a hűtőolajat közvet-

ratóriumi tesztek során mért COP értékeket

lenül nyomják vissza kompresszorokba a meg-

szemlélteti a külső levegőhőmérséklet függvé-

felelő viszkozitást lehetővé tevő lehűtés után.

nyében, mind a közepes hőmérsékletű alrendszerre (KH, –10 °C párologtatási hőmérséklet),

A kétfokozatú kompresszorok eredeti konst-

mind az alacsony hőmérsékletű alrendszerre

rukciója túl nagy rezgéseket eredményezett.

(AH, –35 °C párologtatási hőmérséklet).

6 5 KH

COP

4

AH

3 2 1 0 0

5

10

15

20

25

30

külső hőmérséklet, °C

2. ábra A CO2 hűtőközegű egységek COP értékei a külső hőmérséklet függvényében, –10 °C és –35 °C párologtatási hőmérséklet esetén

68


A gyakorlatban mérhető teljes éves energiafel-

megegyezik a kétféle hűtőközeg esetén. Meg-

használás kiértékeléséhez fontos figyelembe

figyelhető, hogy a COP-értékek 10 °C alatt

venni az éves külső hőmérsékleti profilt,

kedvezőbbek mindkét alrendszerben CO2 ese-

amely természetesen függ az alkalmazás föld-

tén. Ebből az következik, hogy az Észak-

rajzi helyétől. Mind a közepes, mind az ala-

Olaszországnál hűvösebb klímájú területeken a

csony hőmérsékletű alrendszer működőképes

szén-dioxid alkalmazása egyforma, vagy ép-

szubkritikus körülmények között is, vagyis

pen kedvezőbb energiafogyasztást eredmé-

amikor a külső levegő hőmérséklete 15 °C

nyez, mint a hagyományos R404A használata.

alatt van. Ekkor az expanziós egységet egy megkerülő vezetékkel ki kell iktatni, lásd az 1. ábra (5) jelű szelepét.

Költségek

A közepes hőmérsékletű alrendszer COP értéke-

A berendezések költségeit négy nagyobb egy-

inek éves változását CO2 és R404A hűtőközeg

ségre osztva érdemes vizsgálni:

használata esetén a 3. ábra mutatja be. A külső

• a kondenzálóegység,

levegőhőmérséklet éves változása nagy befo-

• a csőrendszer,

lyással van a szükséges hűtési teljesítményre,

• a hűtőközeg,

ezért a sokéves átlagokat tartalmazó szabványos

• a párologtatók többletköltségei.

teszt-évet (TRY, test reference year) használták a valóságosan mért hőmérsékletek helyett. Az

A hagyományos R404A hűtőközeg használatát

ugyanilyen feltételekkel meghatározott jelleg-

érdemes 100%-nak tekinteni.

görbéket az alacsony hőmérsékletű alrendszerre a 4. ábra szemlélteti. A kétféle hűtőközeg miatti

A csövek mindkét rendszernél rézből készül-

műszaki különbségek hatását a lehető maximális

hetnek; ez CO2 esetén is lehetséges, mivel a

mértékben, megfelelő korrekciók alkalmazásá-

vizsgált teljesítménynél (max. 60 kW) a szük-

val igyekeztek kiküszöbölni.

séges maximális átmérő 15 mm. A hűtőközeg költségeiben nem érdemes a HFC-t büntető

A teljes éves energiafelhasználás a szén-dioxid

adót figyelembe venni, mivel ez országonként

esetén kb. 10%-kal nagyobbra adódott. Ennek

változik. A gyakorlatban azonban számos or-

oka elsősorban a közepes hőmérsékletű al-

szágban ez az egyetlen tényező a CO2 javára

rendszerben keresendő, mivel az alacsony hő-

billenti a mérleget. A szén-dioxid beszerzése

mérsékletű alrendszer hatásfoka gyakorlatilag

ugyanakkor gyakorlatilag nem okoz költséget. 69

25

4

20

3

15

2

10

1

5

0

0

COP

5

jan.

febr.

márc.

ápr.

máj.

KH COP R404A

jún.

júl.

aug.

KH COP COPCO CO2 2

szept.

okt.

nov.



dec.

külső hőmérséklet

25

4

20

3

15

2

10

1

5

0

0

COP

5

jan.

febr.

márc.

ápr.

máj.

AH COP R404A

jún.

júl.

KH COP COP CO2 CO2 AH

aug.

szept.

okt.

nov.


3. ábra A közepes hőmérsékletű alrendszer COP értékeinek éves változása CO2 és R404A hűtőközeg használata esetén Treviso (Olaszország) klimatikus viszonyai között

dec.

külső hőmérséklet

4. ábra Az alcsony hőmérsékletű alrendszer COP értékeinek éves változása CO2 és R404A hűtőközeg használata esetén Treviso (Olaszország) klimatikus viszonyai között A szén-dioxid alkalmazása esetén speciális

nem lehet kapni a kereskedelemben, ezért ezek

kivitelű párologtatókat kell alkalmazni a na-

egyedi előállítása jelentős többletköltséget

gyobb nyomás elviselésére. Ilyeneket egyelőre

okoz. 70


R404A

CO CO2 2

0

20 kondenzálóegység

40

60 80 költségarány, %

csőrendszer

hűtőközeg

100

120

140

a párologtató többletköltségei

5. ábra A költségek összehasonlítása a CO2 és R404A hűtőközeget alkalmazó szupermarket-hűtőrendszerek között Összességében a szén-dioxid alkalmazása ese-

tékűre csökkenhet. A konstrukció tökéletesítése

tén a költségek kb. 20%-kal nagyobbra adódtak

további lehetőségeket tesz lehetővé mind a ha-

(5. ábra). Ezt jelentősen mérsékelheti a megfe-

tásfok növelésére, mind a költségek csökkenté-

lelő párologtatók későbbi sorozatgyártása.

sére. A szén-dioxid tehát a környezetet kímélő, egyenértékű alternatívája a sok országban bün-

Következtetések

tetett, sőt betiltott HFC típusú hűtőközegeknek.

A tisztán szén-dioxid hűtőközeggel működő

Irodalom

Összeállította: Kis Miklós

hűtőrendszer jól bevált egy észak-olaszországi [1] Girotto, S.; Minetto, S.; Neksa, P.: Commercial refrigeration system using CO2 as refrigerant. = International Journal of Refrigeration, 27. k. 7. sz. 2004. p. 717–723. [2] Sarkar, J.; Bhattacharyya, S.; Gopal, M. R.: Optimization of a transcritical CO2 heat pump cycle for simultaneous cooling and heating applications. = International Journal of Refrigeration, 27. k. 8. sz. 2004. p. 830–838.

közepes nagyságú szupermarketben. A rendszer hatásfoka csak kissé marad el a hagyományos R404A hűtőközegétől, és ez a különbség is eltűnik a hűvösebb, északibb telephelyek esetén. A költségek kb. 20%-kal ugyan nagyobbnak adódtak, de ez a többlet a megfelelő egységek sorozatgyártása esetén elhanyagolható mér-

71


72

A szén-dioxid a jövő hűtőközege?

Recommend Documents