AUDITUL ENERGETIC AL SISTEMELOR FRIGORIFICE

Prof dr.ing. Gabriel Ivan

AUDITUL ENERGETIC AL SISTEMELOR FRIGORIFICE

Are drept scop determinarea performantelor sistemelor in regimul de functionare actual si nominalizarea solutiilor de reabilitare energetica a acestora.

Principalele elemente ce fac obiectul studiului privind modul in care functioneaza sistemul si performantele acestuia sunt:

- analiza proprietatilor agentului de lucru caracteristicilor termodinamice, termo-fizice,

ecologice si economice ale agentului de lucru; - analiza performantelor principalelor aparate componente ale

sistemului si modalitati de crestere a acestora pentru compresor, condensator, vaporizator...etc,

functie de tipul de sistem; - analiza performantelor ansamblului sistemului frigorific,

oricare ar fi regimul de lucru, de pompa de caldura sau instalatie frigorifica;

tehnice; economice; impact asupra mediului.

- analiza procedurilor tehnice de intretinere: periodicitate; gradul de corectitudine tehnica in efectuarea

procedurilor de intretinere, completare, colectare, depozitare a agentului de lucru si efectele acestora asupra mediului.

Solutiile de reabilitare propuse vor urmari:

- agentul de lucru sa corespunda aplicatiei tehnice in cauza; in cazul in care se constata ca aceasta conditie nu este

indeplinita se propune unul sau mai multi agentii de lucru pentru inlocuirea agentului vechi, fie ca acesta este neperformant, fie ca nu indeplineste conditiile ecologice cerute de normele de mediu;

- metode de imbunatatire a performantelor in functionare pentru fiecare din aparatele componente ale sistemului;

- metode de crestere a coeficientului de performanta al sistemului in ansamblu;

- metode de reducere a impactului negativ al sistemelor asupra mediului ambiant:

utilizarea unor agenti de lucru ce au proprietati cat mai apropiate de cele ale agentului ideal:

• impact nul asupra stratului de ozon; • aport nul sau minim la efectul global de

incalzire; • toxicitate si inflamabilitate zero, sau cat mai

mici. Agenti frigorifici de lucru In Romania mai sunt inca numeroase instalatii frigorifice care functioneaza cu agenti poluanti, de tipul CFC (R12), ce distrug ozonul stratosferic. Prin aderarea Romaniei la Protocolul de la Montreal si la amendamentele care i-au urmat a fost interzis importul instalatiilor frigorifice cu agenti de lucru de tip CFC. Ca semnatara a Conventiei de la Viena, Romania are obligatia sa participe la actiunile de protectie a mediului inconjurator si din acest punct de vedere specialistii in frig trebuie sa decida asupra noilor agenti frigorifici utilizati si a directiei in care se va dezvolta industria de frig si aer conditionat din tara. O preocupare permanenta a specialistilor romani este aceea de crestere a eficientei sistemelor de frig in contextul unei reduceri drastice a efectului lor poluant. Aceasta necesitate face ca toti specialistii sa se orienteze catre utilizarea agentilor frigorifici naturali sau cu proprietati apropiate de ale acestora. Scurt istoric Agenti frigorifici naturali

• Aerul 1844 (John Gorrie, instalatie cu compresie si destindere).

• Amoniacul (NH3, R717) 1859 (Ferdinand Carré, instalatie cu absorbtie apa-amoniac); 1873 (David Boyle, instalatie cu comprimare mecanica).

• Apa (H2O, R718) 1870 (Edmond Carré, evaporarea apei cu o pompa de vid); 1908 (Maurice Leblanc, instalatie cu ejectie).

• Bioxidul de sulf (SO2, R764) 1874 (Raul Pictet, instalatie cu compresie mecanica).

• Bioxidul de carbon (CO2, R744) 1882 (Carl von Linde, instalatie cu compresie mecanica).

• Propanul (C3H8, R290) 1931 (Mc Cord, instalatie cu compresie mecanica).

Fluidele de sinteza

Freonii sunt derivati halogenati ai hidrocarburilor saturate. Utilizati initial ca si decapanti sunt apoi folositi drept agenti frigorifici.

• 1930 Thomas Midgley, Albert Hene si Mc Nary

DESCOPERIREA IMPACTULUI NEGATIV AL FREONILOR ASUPRA MEDIULUI

In 1973 Sherwood Rowland si Mario Molina prezinta teoria conform careia este distrus ozonul din stratosfera de clorul continut in freoni: CFC + hν Cl + CFC-1Cl Cl + O3 Cl O + O2 1987 Protocolul de la Montreal

- evidentierea contributiei freonilor (CFC, HCFC) la distrugerea ozonului stratosferic: ODP;

- restrictionarea utilizarii; - amendamentele ulterioare (Londra 1990, Copenhaga 1992, Viena

1995, Montreal 1997, Beijing 1999) introduc restrictii mai drastice finalizate cu oprirea productiei de CFC la 1 ianuarie 1995 si introducerea unui calendar de restrictii si pentru HCFC).

CnH2n+2 F Cl Br

R11, R12, R13, R13B1, R22, R23 R113, R114, R115, R500, R501, R502

1997 Protocolul de la Kyoto - impune monitorizarea gazelor cu efect de sera (inclusiv freonii):

caracteristica este data de GWP; - se urmareste nu numai influenta directa GWP a agentului ci si

contributia totala la incalzirea atmosferei (efectul direct plus cel indirect): TEWI;

- 16 februarie 2005 indeplinirea conditiilor de aplicare a Protocolului de la Kyoto (parafare de minim 55 de tari care sa contribuie in emisii de CO2 cu minim 55%) si intrarea in vigoare a restrictiilor impuse.

Protocolul de la Montreal: semnat la 16/9/1987; intrat in vigoare la 16/31/1989;

Amendamentul de la Londra: ratificat la20/12/1991; Amendamentul de la Copenhaga: 25/11/1992; Reglementarile CEE nr. 3003/94: 25/121994; Revizuirea Protocolului de la Montreal de la Viena: 7/12/1995.

Strategie evolutiei agentilor frigorifici

Evolutia inlocuirii agentilor de lucru neecologici din sistemele frigorifice va parcurge cateva etape. In prima etapa va fi posibila utilizarea unor agenti de tranzitie, apoi vor fi utilizati agenti de lucru inlocuitori de medie si lunga durata. In urma acestora toate sistemele vor utiliza numai agenti ecologici conform normelor noi, ormonizate cu cele europene.

Consecintele reglementarilor au efect asupra productiei de refrigerenti:

oprirea productiei de CFC - 31/12/1994; oprirea ulterioara a productiei de HCFC;

• substituienti de tranzitie a CFC - cresterea temporara a productiei: productia din 1989 + 3,1 % pana in 1996

• reducerea progresiva a utilizarii lor: - din 2004 pana in 2009: productia din 1989 - 35% - din 2010 pana in 2014: productia din 1989 - 65 % - din 2015 pana in 2019 : productia din 1989 - 90 % - din 2020 pana 2030: productia din 1989 - 99,5 % - 2030 : oprirea utilizarii.

dezvoltarea utilizarii de substituienti

STRATEGIA REFERITOARE LA INLOCUIREA

AGENTILOR FRIGORIFICI DE SINTEZA.

Substituenti ai agentilor frigorifici de tip CFC.

Agenti frigorifici de tranzitie

Agenti frigorifici de medie si lunga durata

HCFC HFC Substante naturale

Substante monocomponente

R22 R124 R124b

Amestecuri cu R22

Substante monocomponente

R717 R290 R1270 R600a R170 R744 R718

Amestecuri R290 / R600a

Substante monocomponente

R134a R125 R32

R143a R152a

Amestecuri azeotrope cvasiazeptrope zeptrope R507 R404 A, R401A, R401B R408A R402A, R402B R410A R403A, R403B R409A, R409B R413A

Freonii indicati pentru diferite aplicatii

Aplicatiile frigului folosesc pentru diverse procese tehnologice anumiti freoni. Cel mai des intalniti freoni sunt:

in industria alimentara : R12, R502, R22 instalatiile folosite pentru climatizare : R134a, R22, R502, R21. instalatiile casnice: R12, R22. instalatiile de aer conditionat pentru automobile: R134a.

Clasificarea agentilor frigorifici

STAS 6987-82 si norma franceza NFE 35-400 clasifica agentii, din punctul de vedere al securitatii in trei grupe:

- GRUPA I : fluide neinflamabile si toxicitate nula sau foarte slaba (

R744-bioxidul de carbon si freonii) ; - GRUPA II : fluide la care toxicitatea este caracteristica

dominanta. Unele, in amestec cu aerul, sunt inflamabile si explozive intr-un interval limitat de concentratii. Limita de inflamabilitate depaseste 3,5 % in volume (amoniacul, clorura de metil si bioxidul de sulf );

- GRUPA III : fluide la care inflamabilitatea si explozivitatea sunt caracteristicile dominante la o limita sub 3,5 % volumetric. Aceste fluide nu sunt in general toxice (hidrocarburile).

Directii de lucru in cercetarea europeana privind sistemele frigorifice

Privind sistemele frigorifice, directiile de studiu la nivel european au

in vedere urmatoarele: - cresterea eficientei in functionare pentru fiecare aparat din instalatie,

compresor, condensator, vaporizator, utilizarea unor echipamente performante impreuna cu o crestere a gradului de compactitate a acestora. Pentru aceasta se fac cercetari privind marirea coeficientilor de transfer termic prin diferite metode de tip pasiv si activ. In present cele mai raspandite sunt metodele pasive, ele avand in vedere si o reducere a consumurilor energetice in exploatare ;

- ameliorarea eficientei intregului sistem frigorific in vederea economiei de energie de actionare, fie electrica fie termica ;

- cresterea nivelului tehnologic de executie a instalatiei pentru reducerea scaparile de agent frigorific in atmosfera in timpul exploatarii ;

- o mai judicioasa apreciere a sarcinii frigorifice necesare impreuna cu o dimensionare cat mai exacta a aparatelor din instalatie ce conduce la reducerea dimensiunilor acesteia, la reducerea consumurilor energetice in exploatare, la scaderea masei de agent din instalatie si implicit a scaparilor in atmosfera ;

- perfectionarea sistemelor de conducere autamata a proceselor din instalatiile frigorifice :

- intensificarea utilizarii sistemelor de tip pompa de caldura pentru realizarea de recuperari energetice in procesele din industrie si perfectionarea acestor sisteme pentru aplicatii in domeniul casnic ;

- perfectionarea sistemelor frigorifice cu stocare de frig ce asigura mari reduceri energetice in functionare.

Probleme in atentia cercetarii, comercializarii si executiei romanesti

privind sistemele frigorifice O problema de interes imediat este punerea legislatiei romanesti din domeniu in concordanta cu cea europeana si internationala Organismele nationale de resort au facut pasi importanti pe directia unei perfecte armonizari a legislatiei romanesti cu cea internationala in domeniul fluidelor frigorifice (producere, comercializare, exploatare), fapt ce permite evitarea folosirii unor agenti frigorifici de tip vechi, neecologici, de catre utilizatori precum si evitarea introducerii in tara a acestor fluide. Este de mare actualitate formarea unor deprinderi de recuperare, reciclare si reutilizare controlata a acestor substante la firmele de executie si comert din tara. In anumite cazuri apare problema recuperarii, depozitarii si distrugerii unor agenti de tip vechi cu profunde implicatii ecologice.

Etapele de evolutie urmarite de specialistii romani sunt: - inlocuirea agentilor de lucru vechi cu noi agenti ecologici in

concordanta cu cerintele mondiale, in ordinea urmatoare: o CFC o HCFC o HFC + agenti naturali

- cresterea COP o cresterea performantelor sistemului in ansamblu o cresterea performantelor componentelor

- reducerea costurilor de exploatare o energie de actionare o costuri cu agentii de lucru

completare inlocuire

Cerinte si condiţii ce se impun proprietăţilor agenţilor frigorifici de lucru

Cerintele impuse agentilor frigorifici existenti intr-o instalatie, sau

celor care urmeaza a fi utilizati intr-o instalatie noua au in vedere: • proprietăţile termodinamice şi de transfer de căldură; • proprietati ce au impact asupra mediului inconjurator; • pretul de cost

1. Proprietăţi termodinamice şi de transfer de căldură Avem in vedere proprietatile ce avantajeaza sistemul in functionare. Enumeram in continuare principalele proprietati pe care ar trebui sa le

regasim la agentul frigorific de lucru din sistemele existente sau nou construite.

a) presiune de vaporizare - superioară presiunii atmosferice, dar foarte apropiată de aceasta, pentru a se putea evita coroziunea instalaţiei, scăderea eficienţei frigorifice, apariţia diverselor reacţii chimice in interior, datorită pătrunderii aerului exterior, umezelii, substanţelor necondensabile, e.t.c..

b) presiunea de condensare - redusă pentru evitarea pierderilor de agent frigorific, dimensiuni mari ale compresorului şi pentru realizarea unei creşteri a eficienţei frigorifice.

c) entalpia de vaporizare - mare pentru creşterea capacitaţii frigorifice.

d) căldura specifică –cât mai redusă in vederea pierderilor exergetice. e) conductivitatea termica - cat mai ridicata pentru realizarea unui

transfer de caldura cat mai bun . f) vascozitatea.- medie g) solubilitatea fata de ulei - insolubilitate reciproca pentru evitarea

murdaririi schimbatoarelor de caldura si implicit reducere transferului de caldura, avand ca efect reducerea puterii frigorifice.

h) corozivitatea - substante pasive la coroziune

i) volum specific al vaporilor - mic j) stabilitate - fluidul utilizat trebuie sa fie perfect stabil, la

temperaturile la care este supus pe parcursul unui ciclu normal, sau chiar accidental, in cazul unei functionari anormale (manevra gresita, avarie )

k) temperatura - temperatura critica , Tk, trebuie sa fie cat mai ridicata, iar cea a punctului triplu, Tt, cat mai coborata, pentru ca evolutia intregului ciclu frigorific sa se desfasoare intre aceste doua valori, pe un domeniu cat mai larg de temperaturi. Temperatura normala de vaporizare, t0N, este de dorit sa fie cat mai coborata, putandu-se lucra cu o presiune de vaporizare ,po, superioara celei atmosferice. Temperatura de refulare din compresor, Tr , trebuie sa fie cat mai redusa, pentru o buna stabilitate a agentului frigorific si a uleiului, in scopul unei utilizari indelungate a compresorului. In acest sens indicele comprimarii adiabatice, γ = cp / cv trebuie sa fie cat mai mic.

l) productia frigorifica volumetrica - pentru a conduce la dimensiuni reduse ale compresorului , agentul frigorific trebuie sa aiba o productie (capacitate) frigorifica volumetrica cat mai mare. Cum aceasta este data de relatia :

q0v = q0m/va = ( lv - cp(tc-t0)) / va rezulta ca agentul trebuie sa dispuna de caldura de vaporizare (lv)

mare, o caldura specifica a lichidului (cp) redusa si de un volum masic al vaporilor aspirati in compresor (va) mic.

2. Proprietati ce au impact asupra mediului inconjurator a) toxicitate asupra omului si a animalelor - cat mai reduse , ideal

zero b) influente asupra ariilor biologice si genetice - sa nu conduca la

modificari bio-energetice. c) miros - fara miros ( daca indeplinesc si celelalte conditii ). d) inflamabilitate si explozivitate - cat mai mici. e) impactul direct si indirect asupra incalzirii globale - cat mai mic

distrugerea stratului de ozon - data de indicatorul ODP (Ozone Deplation Potential ), este preferabil sa fie nul.

actiune directa la efectul de sera - data de indicatorul GWP (Global Warming Potential), este preferabil sa fie cat mai mic, nul.

actiune globala, aportul direct si indirect la efectul de sera - data de indicatorul TEWI (Total Equivalent Warming Impact) definit:

TEWI = {(GWP x m x S x L ) + (GWP x m x X) + (S x Ea x B) }

unde: actiune directa la efectul de sera este data de termenii:

(GWP x m x S x L ) + (GWP x m x X) unde:

GWP (Global Warming Potential) - potentialul de incalzire globala (KgCO2/Kg agent frigorific.), preferabil nul;

• m - incarcatura totala de refrigerent din instalatie; • L - procent de scapar in functionare; • S - durata de functionare a sistemului; • Ea - energia consumata anual; • B - emisia de CO2 pe KWh energie generata

(KgCO2/KWh electricitate); • X – factor ce tine cont de reciclarea agentului.

actiune indirecta la efectul de sera - componenta indirecta a coeficientului TEWI

data de termenul: (S x Ea x B)

unde: • Ea - energia consumata anual

f) consumuri energetice in timpul producerii si utilizarii agentilor

frigorifici - cat mai mici

Dupa incadrarea agentilor frigorifici utilizati la climatizarea aerului in grupe, functie de conditiile de ocupare a cladirii (repartizate in cinci categorii, A, B, C, D si E), amplasarea elementelor instalatiilor frigorifice si modul de preluare a caldurii, se stabileste daca utilizarea unui anumit fluid este admisa sau nu.

3. Pretul de cost Este criteriul luat in consideratie in primul rand. Un pret de cost

atractiv se obtine, uzual, pentru agentii de lucru ce pot fi produsi in tara.

Criterii de selectare a unui agent de lucru Pentru o gama larga de utilizatori incepe sa prezinte un interes

deosebit urmatoarele criterii de selectare a unui agent de lucru impreuna cu sistemul frigorific in care acesta evolueaza :

• consumul de energie primara pentru producerea agentului ;

• componentele agentului de lucru – influenta acestora asupra mediului materializata in valorile coeficientilor ODP si GWP ;

• aportul complex la procesul de incalzire globala, nu numai in mod direct ci si in toate etapele parcurse de agent de la etapa de fabricatie pana la utilizarea in sistemul frigorific, materializate in coeficientul TEWI ce pune in evidenta influenta acestor etape ;

• siguranta in exploatare ; • influenta agentului de lucru asupra spatiului racit avand

in vedere toxicitatea si inflamabilitatea acestuia ; • nivelul de zgomot produs de sistem ; • costurile de exploatare.

Toate aceste criterii au fost in atentia utilizatorilor intotdeauna, dar in

conditiile in care primeaza criteriile ecologice si siguranta utilizatorilor, ele devin tot mai importante si determina o mai atenta selectie a agentilor de lucru functie aplicatia tehnica si de cererea utilizatorilor.

Reabilitarea sistemelor frigorifice

Analiza functionarii sistemului frigorific pune in evidenta:

- deficientele aparatelor componente; - deficientele ce apar in functionarea ansamblului; - necesitatea pastrarii sau schimbarii agentului de lucru din sistem.

Masurile de reabilitare vor fi prevazute functie de: - agentul de lucru

o in situatia in care agentul de lucru nu corespunde noilor norme se procedeaza la schimbarea acestuia cu un agent care sa indeplineasca urmetoarele conditii:

sa fie compatibil cu aparatele si materialele din care acestea sunt executate;

sa conduca la performante similare in functionare pentru aparatele componente si pentru sistem;

sa realizeze scopul propus pentru functionarea instalatiei (temperatura de racire sau de condensare, functie de regimul de lucru);

- performantele aparatelor componente; - performantele sistemului.

Scopul masurilor de reabilitare luate este acela de:

- reducere a consumurilor energetice in functionare; - crestere a performantelor de functionare pentru compresoare,

pentru schimbatoarele de caldura din sistem; - crestere a coeficientilor de performanta ai sistemului.

AGENTII FRIGORIFICI NATURALI

Utilizarea agentii frigorifici naturali castiga tot mai mult teren in competitia cu freonii, care, desi sunt in prezent larg utilizati, prezinta unele dezavantaje.

Dintre aceste dezavantaje amintim urmatoarele : • vascozitatea redusa ce favorizeaza scaparile de agent din instalatie,

efect care are impact asupra mediului inconjurator ; • solubilitatea reciproca cu uleiul accentuata la marirea presiunii si

reducerea temperaturii (fapt ce impune circulatia agentului frigorific in interiorul tevilor schimbatorului de caldura) ;

• datorita hidrogenului, la un continut mai mare de apa in instalatie se pot forma acizi puternic corozivi. Apare necesara limitarea continutului de apa la cel mult 25 mg/kg freon. Surplusul de apa se depune sub forma de gheata in ventilele de reglaj provoacand obturari ale acestora cu implicatii negative asupra circulatiei agentului in instalatie ;

• inflamabilitate ridicata la acei freoni la care hidrogenul este prezent in cantitate mare ;

• coeficientii de transfer de caldura sunt mai mici decat la ammoniac ; • ataca garniturile de cauciuc ; • densitatea lor mai ridicata conduce la marirea rezistentelor hidraulice

ceea ce implica diametre mai mari ale conductelor decat in cazul amoniacului pentru aceeasi putere frigorifica.

Caracteristici ale unor agenti frigorifici naturali

CO2 – R744

Agent natural din grupa I, fluide netoxice si neexplozive, are proprietati interesante pentru aplicatiile de instalatii frigorifice sau pompe de caldura, dar are dezavantajul existentei unor presiuni ridicate in instalatie.

Avand in vedere proprietatile bioxidului de carbon, parametrii punctului triplu si cei ai punctului critice, exista trei posibile cicluri frigorifice cu CO2:

CICLUL SUBCRITIC in care presiunea este mentinuta sub presiunea critica, pe tot parcursul proceselor, dar mai mare decat cea a punctului triplu.

CICLUL TRANSCRITIC (circumcritic) in care presiunea prcesului de cedare de caldura este mentinuta peste presiunea critica, iar temperaturile sunt de asemenea mai mari decat temperatura critica.

CICLUL SUPRACRITIC atat “vaporizarea” cat si “condensarea”, sunt de fapt doua procese ce se desfasoara fara schimbare de stare la presiuni mai mari decat presiunea punctului critic.

Bioxidul de carbon are proprietati ce il recomanda pentru o gama

larga de aplicatii practice, aspecte pe care le vom prezenta in paragrafele ce urmeaza.

Pentru mai bine de jumatate de secol CO2 a fost refrigerentul cel mai des utilizat. Odata cu dezvoltarea freonilor (aparitia R-12), CO2 a fost rapid abandonat si a fost uitat in ultimii 40-50 de ani.

Motivul principal care a dus la abandonarea CO2 a fost comportarea sa dezavantajoasa in cazul temperaturilor de condensare mari (datorita temperaturii ridicate ale apei de racire din zona tropicelor), care conducea la o scadere a capacitatii frigorifice.

Dezavantajul sau principal consta in aceea ca temperatura critica este relativ ridicata tcr = +31oC la o presiune critica pcr = 75 at, care conduce la presiuni mari in condensator, astfel pentru tc = 25oC rezulta pc = 65 bar.

Aceasta presiune poate produce daune si vatamari corporale in cazul unor ruperi sau spargeri de conducte, dar in conditiile tehnologice actuale ele nu mai sunt o problema deosebita.

Atingand presiunea de 1 bar la temperatura de -78,50C, conditii inferioare punctului triplu ( tp3 = -56,6 0C ; pp3 =5,4 bar ), CO2 este utilizat in principal in instalatiile de producere a ghetii uscate (zapada carbonica), utilizata in mijloacele de transport marfa perisabila.

Dupa 1990, Gustav Lorentzen a relansat tehnologia frigorifica bazata pe CO2.

Ca agent frigorific CO2 prezinta multiple avantaje in raport cu unii agenti de lucru folositi in prezent.

Din punct de vedere al proprietatilor termodinamice enumeram mai jos cateva avantaje:

- valorile presiunilor de lucru pentru CO2 sunt mari dar raportul de compresie asigura un consum redus de energie in functionare;

- volumul specific este net inferior celor ale agentilor comparati cu cel al bioxidului de carbon, conducand la dimensiuni mult reduse ale componentelor instalatiei;

- ecartul de entalpie la schimbarea de faza este mai mare decat in cazul freonilor, determinand astfel o reducere a suprafetei de schimb de caldura la vaporizator ;

- vascozitatea redusa a CO2 face ca pierderile de sarcina pe trasee sa fie mici, de 3 – 5 ori mai mici decat la freonii uzual folositi si il recomanda pentru utilizarea ca agent de lucru in cazul schimbatoarelor cu sectiuni de trecere mici – este cazul microcanalelor;

- proprietatile lui termice bune determina coeficienti superficiali de transfer cu valori ridicate la trecerea prin schimbator, fapt ce conduce la cresterea fluxului de caldura transferat si la reducerea suprafetei de schimb.

Studiile realizate au demonstrat că proprietăţile termodinamice şi de transport ale CO2 diferă considerabil faţă de cele ale altor agenţi frigorifici cum ar fi cei fluorocarbonaţi, presiunile înalte din apropierea punctului critic ce apar in schimbătoarele de căldură determinând viteze de curgere ce conduc la un transfer eficient de căldură. Forma curbei starilor de saturaţie a CO2 conduce la obtinerea unei presiuni de 5 – 10 ori mai ridicată în schimbătoarele de caldura, pe partea CO2 în comparaţie cu fluidele convenţionale.

La vaporizarea CO2, proporţia scăzută lichid / vapori face curgerea în două faze mai omogenă decât in cazul fluidelor ce vaporizeaza la presiune joasă.

Căldura specifică a CO2 lichid este de asemenea ridicată, de aproximativ 3 ori mai mare decât a freonului R134a.

Valorile parametrilor punctului critic ale CO2 respectiv temperatura critică de 31,06 oC si presiunea critică de 73,83 bar, volumul masic critic de 0,00216 m3/kg, permit viteze mari de curgere, realizând un transfer de căldură eficient.

Coordonatele punctului triplu ale CO2 atât temperatura de - 56,6oC, cât şi presiunea 5,18 bar sunt inconveniente particulare severe.

Ţinând cont de temperatura agentilor naturali de răcire (aer şi apă) de care dispunem, nu este posibila condensarea CO2, cum se face în mod curent cu fluidele ale căror puncte critice au valorile parametrilor caracteristici mult mai ridicate.

Pentru CO2 este mai practic să folosim ciclurile frigorifice particulare transcritice, adesea denumite circumcritice.

Punctul triplu reprezinta conditiile in care toate cele trei faze pot coexista in echilibru. La o temperature sub temperature punctului triplu, faza de lichid nu poate exista.

Cu alte cuvinte temperature punctului triplu, reprezinta limita de jos a temperaturii la care pot avea loc procesele de transfer de caldura bazate pe condensare si vaporizare.

Pentru ciclurile circumcritice, la o temperatura de condensare mai mare decat temperatura critica, procesele de transfer de caldura din ciclu vor fi procese cu o singura schimbare de faza.

Termenul « critic »nu este folosit in sensul de periculos, ci a fost ales pentru a reprezenta temperatura si presiune limita peste care faza de lichid si cea de vapori se confunda.

Toate substantele au un punct triplu si un punct critic, dar pentru majoritate agentilor frigorifici, aceste puncte reprezinta conditii, valori ale parametrilor de lucru, care se gasesc in afara regiunii in care acestia sunt in mod normal utilizati. Uzual agentii de lucru din cele mai raspandite sisteme in functiune astazi parcurg ciclul termodinamic trecand prin procesele din condensator si vaporizator, procese de schimbare de faza, izobar-izoterme pentru substantele pure monocomponente.

Punctele critice pentru cativa agenti uzuali

AGENT FRIGORIFIC PRESIUNE CRITICA [BAR]

TEMPERATURA CRITICA [oC]

R22 49,9 96,1

R-134a 40,6 101,1

R404A 37,3 72

R410A 49 71,4

R600 36,4 134,7

R717 (NH3) 113,3 132,3

R744 (CO2) 73,8 31

Proprietati ecologice ale unor agenti

Agent frigorific

ODP [raportat la

R11]

GWP [100 ani, raportat

la CO2]

Durata de viata in atmosfera

[ani] R11 1 3800 50 R12 1 8100 102 R13b1 10 5400 65 R22 0,5 1500 13,3 R23 0 12000 260 R134a 0 1300 13,6 R717 (NH3) 0 0 - R744 (CO2) 0 1 - R290 (propan) 0 3 -

Aplicatii ale CO2 in climatizare

Sistemele de aer condiţionat la automobile Sistemele de aer condiţionat mobile au fost şi reprezintă încă o sursă

dominantă a emisiilor de refrigerant în atmosferă iar creşterea volumului de R134a (HFC cu aport la efectul global de incalzire) esapat reprezintă o preocupare crescândă pentru specialisti in actiunea de protejare a mediului. Ca rezultat Organizaţii Internaţionale şi cele de mediu cu precadere si-au focalizat atentia pe necesitatea reducerilor acestor emisii.

Un studiu făcut pentru o agenţie de mediu germană arată că o înlocuire totală a R134a cu CO2 in sistemele de aer condiţionat de la automobile, din 2007 ar reduce emisiile de gaz cu efect de sera în Germania cu 1.000.000 de tone CO2 – echivalent în 2010 şi ar elimina complet emisiile până în 2021.

Folosind date statistice din fabricile de automobile din Germania s-a arătat că rata medie anuală a emisiilor datorate de R134a a fost de 10,2%.

In comisia U.E. pentru mediu se lucrează acum la elaborarea unor prevederi legislative pentru îndepărtarea R134a din uz la sistemele de aer condiţionat al automobilelor.

Propunerea legislativa prezentată este de a îndepărta R134a din toate sistemele de aer condiţionat mobil pentru toate tipurile de vehicule începând cu 2011. Sunt acceptate propuneri de agenti frigorifici cu un coeficient al potentialului de incalzire globala sub 50, alternativ 150.

Aceasta înseamnă ca opţiunile sunt acoperite cu CO2 şi alternativele acestuia R152a (HFC) ...etc.

Fig. 1. Emisiile echivalente de gaz cu efect de sera (în milioane de tone echivalenţi CO2) de la sistemele de aer conditionat mobile, din Germania, folosind un scenariu de reducere prin introducerea CO2 din 2007 şi un sistem

cu HFC134a

Propunerea legislativă este datorată îngrijorării publice cauzata de

efectele pe termen lung ale R134a asupra mediului si urmareste introducerea de masuri pentru reducerea emisiilor de agenti frigorifici în atmosfera, atat in aplicatia prezentata cat si in alte aplicaţii.

Larentzen şi Petterson au publicat primele date experimentale privind evolutia CO2 într-un sistem de de aer condiţionat mobil în 1992,

demonstrând că el este competitiv ca performanţă raporat la sistemul de bază ce utiliza freonul R12 (CFC).

Bazându-se pe aceste date pozitive, industria automobilelor a iniţiat câteva proiecte de dezvoltare şi studii asupra sistemelor de aer condiţionat mobil cu CO2 drept agent de lucru.

Un proiect european din 1994 – 1997 a cercetat dezvoltarea şi testarea sistemelor prototip instalate pe maşini, cu rezultate confirmând potenţialul CO2 în ceea ce priveşte utilizarea lui in sistemul de aer condiţionat în maşini.

Membrii colaboratori in proiectul RACE au fost fabricanţii de maşini precum BMW, Daimler–Benz, Rover, Volvo, Volkswagen, fabricanti de sisteme precum Behr şi un fabricant de compresoare, Danfoss.

Rezultatele cercetarilor făcute de un grup de 17 membri interesati in problema, fabricanţi de maşini şi companii implicate în fabricaţia sistemelor MAC au fost publicate si au drept concluzie faptul ca sistemul de climatizare cu CO2 este una dintre cele mai importante alternative la utilizarea freonilor şi au estimat că problemele tehnice ce au rămas a fi rezolvate pentru aplicarea industriala a sistemului, pot fi soluţionate în doi, trei ani.

În ultimii ani „Asociaţia Industriala a Vehiculelor din Germania” (VDA) a coordonat dezvoltarea şi testarea sistemelor cu CO2, teste efectuate in practica şi de câţiva fabricanţi de maşini ce au probat functionarea sistemelor pe vehicule, pe şosea, in diferite regimuri de lucru, încă de la sfârşitul anilor 1990.

Investigaţii experimentale detaliate pentru obţinerea rezultatelor comparabile pentru sistemul R134a şi CO2 au fost făcute conform condiţiilor date de programul pentru refrigeranti alternativi SAE.

Bazându-se pe aceste rezultate un studiu al performantelor ciclului de viata functie de climat LCCP a fost condus de Petterson el arătând ca se obtin reduceri ale valorilor LCCP de 20 – 40% pentru sistemul cu CO2 (R744) comparativ cu sistemul cu R134a.

S-a arătat, de asemenea, că la sistemul de aer condiţionat mobil cu CO2, consumul de combustibil se reduce chiar şi în climat cald.

Fig. 2 – comparaţie LCCP între sistemele HFC134a şi CO2 (R744) pentru climat cald (perderi prin neetanseitati R134a,

80gr/an.)

Comparatiile au in vedere: Contribuţia datorată consumului de carburant pentru sistemul de aer condiţionat mobil

Consumul de combustibil datorat masei (greutatii) sistemului de aer condiţionat mobil

Contribuţia datorată emisiilor in atmosfera de gaze cu efect de sera

Cercetările făcute si rezultatele obtinute in laborator si in teste efectuate in regim normal de lucru pe automobile dotate cu sisteme cu CO2, rezultate obtinute din studiile independente efectuate de firme cu renume precum BMW, AUDI şi CHRYSLER au arătat următoarele:

• sistemele cu R744 (CO2) au coeficienti de performanţă mai mari în functionare decât sistemele cu R134a;

• se obtine o temperatură mai joasă în compartiment si o răcire mai rapidă la sistemele cu R744;

• lucrul mecanic de compresie si, in consecinta, consumul de combustibil al autovehiculului este redus pentru sistemul R744, in comparatie cu sistemul cu R134a;

• sistemele ce utilizeaza CO2 ca agent frigorific pot deveni o sursă suplimentară de caldura in functionarea in ciclul invers, in regim de pompa de caldura. Este cunoscut faptul ca sistemele de incalzire, în special pentru vehiculele cu motor diesel şi pentru cele pe benzină (ciclul Otto), adesea nu asigură suficientă căldură pentru spaţiul pasagerilor;

• conform protocolului Kyoto R134a este o substanţă nedorită, unele ţări din vestul Europei au făcut deja pasi catre reducere sau interzice folosirii lui R134a. Comparativ cu alţi agenţi (aer şi propan), substanţa alternativă pentru sistemele de automobile cu R134a a fost ales CO2, deşi este cunoscut ca un gaz de seră. Insa R134a are aport la efectul global de incalzire de 1300 de ori mai mare decat CO2;

• folosirea sa ca refigerent în sistemele de aer condiţionat nu ridică probleme de vreme ce pentru alimentarea sistemelor nu se produce CO2 suplimentar;

• sistemele de aer condiţionat cu CO2 folosesc cicluri inchise care cer mici cantităţi de refigerent comparativ cu sistemele convenţionale. În vreme ce un sistem de aer condiţionat convenţional trebuie să fie alimentat cu aproximativ 750 grame de agent refrigerent R134a, 450 grame de CO2 sunt suficiente pentru aceste noi sisteme de aer condiţionat (in conditiile climatului European, la o maşină de clasa medie).

• tehnicienii din service vor putea diferenţia sistemele de CO2 de cele R134a, dacă sunt necesare reparaţii. Comparativ cu schimbarea sistemelor R12 cu cele R134a de la începutul anilor 1990, trecerea de la sistemele R134a la sistemele cu CO2, nu va crea aceleasi probleme, avand in vedere ca un sistem R134c nu poate fi schimbat astfel încât să opereze cu CO2.

• presiunea de lucru in sistemele cu CO2 va fi de până la 140 bar – aproximativ de cinci ori mai mare decât presiunea la care opereaza sistemele cu R134a.

• prin folosirea unui schimbător de căldură regenerativ sistemul cu CO2 obţine performanţe de răcire excelente la temperaturi ambientale ridicate, spre deosebire de sistemele cu R134a, desi structura celor doua sisteme este similară;

• principalele componente (compresorul, condensatorul, ventilele de laminare) ale sistemului cu CO2 pot rezista presiunii înalte şi sunt optimizate pentru spaţiul disponibil;

• răcitorul de gaz preia funcţia şi poziţia condensatorului din sistemul cu R134a. Componentele sunt proiectate specific pentru folosirea CO2, ca agent frigorific.

• nu numai că un sistem CO2 răceşte vehiculul mai eficient dar scade şi consumul de carburant.

• s-a calculat ca, în conditiile climatului central european, utilizarea acestor sisteme conduce la o reducere de până la 25% a excesului de consum de carburant cauzat de utilizarea sistemul de aer condiţionat.

Sistemul de climatizare al autovehiculelor, functionand cu CO2 drept

agent de lucru, prezentat in figura de mai jos este format din: Compresor - SC. racit cu aer ( condensator) Economizor (SCR) Ventil de laminar Vaporizator.

In instalatie CO2 evolueaza intr-un ciclu trascritic, cu o singura

schimbare de faza in vaporizator, proces izobar - izoterm de la starea 5 la starea 6, iar la „condensator” procesul este de racire izobara fara schimbare de stare de la starea 2 la starea 3.

Comprimarea teoretic adiabatica este realizata practic printr-un proces politropic cu un anumit randament izentropic al comprimarii ηiz.

Destinderea izentalpica este realizata in ventilul de laminare. Procesele temodinamice din instalatie sunt:

• 1 – 2 comprimare politropica • 2 – 3 racire izobara • 3 – 4 subracire izobara • 4 – 5 laminare izentalpica • 5 – 6 vaporizare izobar-izoterma • 6 – 1 supraincalzire izobara a vaporilor

Amoniacul (NH3 – R717).

In stare normala este un gaz incolor, cu un pronuntat miros intepator,

acru. El face parte integranta din ciclul azotului natural in biosfera, volumul

total de amoniac produs artificial reprazentand doar 3% din totalul existent in natura. Utilizat, initial, ca agent frigorific pentru sistemele cu absorbtie in solutie apa-amoniac de Ferdinand Carré (1859), ulterior a fost introdus si in sistemele cu compresie mecanica, prima data de David Boyle in 1873 (pentru fabricarea ghetii in Jefferson-Texas). Carl von Linde i-a extins aplicatiile in industrie (in 1876 realizeaza o instalatie frigorifica de bere in Triest). In 1984 productia mondiala de amoniac era de 120 milioane de tone din care cca 5% era utilizat ca fluid frigorific. In prezent exista tendinta de crestere a aplicatiilor lui frigorifice. Avantaje:

- are bune proprietati termodinamice si de transfer de caldura (t0N=-33,40C, pC(+350C) = 13,5 bar, lv (00C) = 1261 kJ/kg, v” (00C) = 289 l/kg, λ si α mari);

- este inert fata de uleiuri, oteluri, materiale plastice; - prezinta o mare solubilitate in apa (la 200C; 1l de apa dizolva 650 l

de vapori de amoniac), fiind putin sensibil la prezenta aerului umed sau a apei in instalatie;

- permite detectarea usoara a scaparilor de fluid (este sesizat la 5 ppm);

- necesita, pentru productia de frig, cea mai redusa energie primara comparativ cu ceilalti agenti frigorifici existenti;

- are pretul de cost cel mai scazut (de 5 ori mai ieftin ca R22), fiind accesibil (produs in tara si utilizat in industria ingrasamintelor).

Dezavantaje:

- se descompune la o temperatura de peste 4500C; la concentratii in aer de 15…30,2% vol. (150000…302000 ppm) vaporii sunt inflamabili, dar cum temperatura minima de autoaprindere este 6510C, acest risc este redus;

- are efect sufocant asupra omului (la 25…50ppm) dar acesta dispare insa odata cu reducerea cantitativa a emisiei; mirosul caracteristic produce panica chiar la concentratii reduse; iar la concentratii crescute (5000 ppm) provoaca dificultati respiratorii, tuse, lacrimare, dureri de cap, risc de edem pulmonar si oprirea respiratiei, doza mortala fiind de 30000 ppm; STAS 12574-87 indica drept concentratii maxime admisibile (CMA) pentru amoniac:

* 0,3 mg/m3, pentru expuneri de scurta durata (sub 30 minute), * 0,1 mg/m3, pentru expuneri de lunga durata (24 de ore).

- caldura generata de dizolvarea in apa provoaca o fierbere violenta; in contact cu ochii, gura, caile respiratorii produce iritatii, incat se impune folosirea echipamentului de protectie (manusi, ochelari). Din aceste motive, la instalatiile care sunt in contact cu oamenii, se impun conditii de securitate speciale sau se intercaleaza un agent intermediar, intre vaporizatorul instalatiei frigorifice si consumatorul de frig (racire indirecta);

- are un mare exponent adiabatic (k=v

p

cc

=1,33), conducand la

temperaturi ridicate de supraincalzire a vaporilor comprimati si la un lucru mecanic masic de comprimare sporit;

- in prezenta apei ataca cuprul si aliajele acestuia (alama, bronzul). Cum aceste metale sunt maleabile si ductile, permit o prelucrare usoara, chiar si pentru conducte de dimensiuni reduse; instalatiile cu amoniac, utilizand conductele de otel, vor fi utilizate pentru puteri frigorifice mari.

Actiunea asupra mediului:

• vaporii de amoniac sunt de 1.7 ori mai usori ca aerul, astfel incat scaparile gazoase de fluid din instalatie se ridica rapid in atmosfera, unde se descompun in cateva zile;

• scaparile de fluid in stare lichida se evapora instantaneu. Cum insa amoniacul se dizolva foarte usoe in apa, in caz de precipitatii exista riscul de contaminare a solului, a apei freatice sau de suprafata;

• necontinand clor sau brom nu ataca ozonul atmosferic; • nu absoarbe radiatiile inflarosii, deci nu este gaz cu efect de sera.

Propanul C3H8 (R290).

Introdus de Mc Cord ca fluid frigorific in 1931, a fost utilizat multi ani in special in instalatiile frigorifice asociate proceselor industriei petrochimice. Sunt cercetari si pentru utilizarea lui, pur sau in amestec cu izobutanul (R600a) sau etanul (R170), ca inlocuitor al R502 in sistemele frigorifice de mica putere echipate cu compresoare ermetice sau semiermetice: frigul casnic, climatizarea aerului, transportul frigorific al marfurilor perisabile, frigul comercial, racitoarele de lichide si in pompele de caldura.

Avantaje:

- are proprietati termodinamice bune (pC inferior R22, k=v

p

cc

=1,15,

temperaturi scazute ale vaporilor comprimati) putand realiza temperaturi de vaporizare de pana la -450C intr-o singura treapta;

- debitul masiceste cuprins intre cel corespunzator amoniacului si cel al freonilor, conducand la o incarcare redusa cu agent frigorific a instalatiei ;

- are coeficienti de transfer de caldura buni (intre cei ai amoniacului si cei ai freonilor), datorati vaporizarii intense si bunei solubilitati cu uleiul;

- are o masa molara medie (44 g/mol) care conduce la pierderi de presiune mai mari ca la amoniac, inferioare insa freonilor;

- puterea frigorifica este inferioara R22, dar asociata si unei puteri mai reduse de comprimare, COP poate avea valori superioare R22 la supraincalziri mai mari ale vaporilor aspirati si la temperaturi mai ridicate de vaporizare (Fig. 9 si 10).

- este inert fata de metale (Cu, otel) si elastomeri; - are o foarte buna solubilitate cu uleiurile minerale si esterice,

asigurand circulatia acestora in instalatie; - are un pret relativ redus (0,9 din cel al freonilor clasici).

Dezavantaje:

- este inflamabil si exploziv (la concentratii in aer de 2,2…9,5% vol) fiind clasat de normele europene si americane in grupa A3, implicand masuri de securitate specifice (ca la gazele naturale) pentru conceperea, realizarea si exploatarea instalatiei;

- poate antrena in compresor si in organele de reglare reziduurile dizolvate;

- debitele volumice sunt superioare R22, conducand la dimensiuni mai mari ale compresoarelor si conductelor;

Actiunea asupra mediului:

- nu are nici un impact asupra ozonului stratosferic; - este un gaz cu efect de sera (absoarbe radiatiile infrarosii), dar are

un potential redus (GWP = 3).