•    011/4051.555
  •   064/55.77.665

 

.➥Radno vreme: 09 - 18 h.

 

 

_

10. Međunarodni naučni skup Sinergija 2012. 

PRIRODNI RASHLADNI FLUIDI

   NATURAL REFRIGERANTS

 

Rezime: Povećanje broja stanovnika na zemlji, a pre svega intenzivna industrijalizacija i tehnološki napredak u prošlom i ovom veku doveli su do znatnih promena u prirodi. Velike promene u prirodi prouzrokuju klimatske promene, koje su direktna posledica povećane potrošnje energije i upotrebe sintetičkih rashladnih fluida (freona) koji utiču na oštećenje ozonskog omotača i globalno zagrevanje. Zbog zabrinjavajućih podataka o klimatskim promenama, ovaj rad je pokušaj povećanja svesti o očuvanju životne sredine u zemlji sa ekonomijom u tranziciji. Cilj rada je da se predstave rešenja za supstituciju freona.

Ključne reči: prirodan rashladni fluid, ugljen dioksid, kaskadni rashladni sistem.

Abstract: Increase inhabitants on the Earth, especially intensive industrialization and technological progress in the previous and this century have led to significant changes in nature. Big changes in nature are caused by climate changes, which are direct consequence of energy consumption increase and use of synthetic refrigerants (Freon), which affect ozone depletion and global warming. Because of the disturbing facts about climate change, this work is an attempt to increase awareness of environmental protection in countriy with economies in transition. The aim of this work is to present solutins for the substitution of Freon.

Key words: natural refrigerant, carbon dioxide, cascade refrigeration system.

 

1. UVOD

 

Freoni kojima se pune rashladni sistemi za hlađenje prehrambenih namirnica, kao i sistemi za klimatizaciju vazduha oštećuju ozonski omotač i utiču na globalno zagrevanje. Rešenje ovog problema je u upotrebi prirodnih rashladnih fluida, koji su sa pojavom freona potisnuti iz upotrebe. Zabrinjavajući podaci o klimatskim promenama usmerili su istraživanja u pravcu ponovne upotrebe prirodnih rashladnih fluida.

 

2. RASHLADNI FLUIDI I NJIHOV UTICAJ NA ŽIVOTNU SREDINU

2.1. Rashladni fluidi

 

Rashladni fluidi se mogu podeliti na pet osnovnih grupa. To su CFC (potpuno halogenizovani hlorofluorougljenici), HCFC (delimično halogenizovani hidrohlorofluorougljenici), FC (potpuno halogenizovani fluorougljenici), HFC (delimično

halogenizovani hidrofluorougljenici) i prirodni rashladni fluidi. Freoni (CFC, HCFC, FC i HFC) su sintetički dobijena jedinjenja sa pogodnim termodinamičkim osobinama da bi se koristili kao rashladni fluidi. Prirodni rashladni fluidi prestavljaju hemijska jedinjenja ili elemente koji se mogu naći u prirodi. Da bi rashladni sistem mogao da radi sa što boljim efektom uz što manji utrošak energije , da nema opasnosti od štetnog dejstva na ljudski organizam i na materijalna dobra koja se nalaze u blizini rashladnog sistema, rashladni fluid mora da ispunjava određene termičke, fizičke i hemijske uslove, kao i da ima određene osobine praktične primene.

 

2.2. Uticaj freona na životnu sredinu

 

Dobre termodinamičke osobine sintetičkih rashladnih fluida potisnute su u drugi plan zbog štetnog uticaja na životnu sredinu. Freoni CFC grupe koji sadrže hlor oštećuju ozonski omotač i utiču na globalno zagrevanje. Freoni iz HCFC grupe koji su proizvedeni kao zamena za freone CFC grupe imaju manji uticaj na oštećenje ozonskog omotača i na globalno zagrevanje. Pošto sadrže hlor i oštećuju ozonski omotač freoni iz HCFC grupe su se takođe našli na listi nepoželjnih. Nova vrsta freona koja spada u HFC grupu i ne sadrži hlor proizvedena je kao zamena za freone iz HCFC grupe.

U tabeli 1. dati su faktor oštećenja ozonskog omotača (ODP - Ozone Depletion Potential“) i faktor globalnog zagrevanja (GWP - Global Worming Potential“) za različite freone. Faktor oštećenja ozonskog omotača pokazuje uticaj na oštećenje ozonskog omotača ostalih freona u odnosu na freon R11, čiji je ODP faktor uzet kao referentna vrednost (ODPR11=1). Faktor globalnog zagrevanja pokazuje koliki je uticaj GHG (Green House Gases) gasova na globalno zagrevanje u odnosu na ugljen dioksid.

Faktor globalnog zagrevanja za ugljen dioksid je uzet kao referentna vrednost (GWPCO2=1).

Tabela 1. Faktor oštećenja ozonskog omotača ODP i faktor globalnog zagrevanja GWP za različite vrste freona

Grupa freona Freon ODP GWP

CFC R11 1 4000

R12 1 8500

HCFC R22 0.05 1500

HFC R134a 0 1300

R404a 0 3260

R407c 0 1525

R410a 0 1725

Osim navedenih faktora bitna karakristika freona je njihova trajnost u atmosferi (ALT – Atmosferic Life Time). U tabeli 2. data je trajnost u atmosferi pojedinih vrsta freona iz CFC, HCFC i HFC grupe.

Tabela 2. Trajnost u atmosferi (ALT – Atmosferic Life Time), pojedinih vrsta freona

Grupa freona Freon ALT (godina)

CFC R11 50

R12 102

R114 300

HCFC R22 12,1

HFC R134a 14,6

Nova vrsta freona iako ne oštećuje ozonski omotač, takođe ima negativne posledice po životnu sredinu. Faktor globalnog zagrevanja za freon R404a iznosi 3260, što znači da 1kg freona R404a utiče na globalno zagrevanje 3260 puta više nego 1kg CO2.

Prikazano je učešće u globalnom zagrevanju gasova sa efektom staklene bašte. Veliko učešće CO2 u globalnom zagrevanju je posledica velikih količina koje se ispuštaju u atmosferu pri proizvodnji energije, ali je upotreba CO2 kao rashladnog fluida sasvim opravdana, jer se radi o zatvorenom sistemu u kome je umesto freona koji je daleko opasniji po okolinu približno ista količina CO2.

Procentualno učešće u globalnom zagrevanju gasova sa efektom staklene bašte 

 

 

2.3. Totalni ekvivalentni faktor globalnog zagrevanja

 

Faktor globalnog zagrevanja GWP koristi se za poređenje uticaja različitih rashladnih fluida na globalno zagrevanje. Da bi se odredio uticaj konkretnog rashladnog sistema na globalno zagrevanje uveden je totalni ekvivalentni faktor globalnog zagrevanja koji se označava sa TEWI (Total Equivalent Warming Impact).

Direktan potencijal globalnog zagrevanja potiče od isticanja rashladnog fluida sa visokim GWP faktorom, prilikom montaže, kvarova, pucanja instalacije, servisnih intervencija i demontaže radi izbacivanja iz upotrebe. Indirektan potencijal globalnog zagrevanja potiče od potrošnje energije rashladnog sistema za čiju proizvodnju se u okolinu ispušta CO2.

TEWI = ( GWP x L x n) + (GWP x m [1-αrecovery] )+ (n x Eannual x β),

gde su:

§ ( GWP x L x n) + (GWP x m [1-αrecovery] ) – direktan potencijal globalnog zagrevanja;

§ (n x Eannual x β) – indirektan potencijal globalnog zagrevanja;

§ GWP - faktor globalnog zagrevanja;

§ L - isticanje na godišnjem nivou [kg];

§ n - vreme rada sistema [godina]:

§ m - punjenje rashladnim sredstvom [kg];

§ αrecovery - faktor recikliranja;

§ Eannual - godišnja potrošnja energije [kWh];

§ β - emisija CO2 po kWh [kg].

2.4. LCCP faktor

LCCP (Life-Cycle Climate Performance) faktor je nadgradnja TEWI faktora i

sadrži uticaje koji nisu obuhvaćeni TEWI faktorom.

LCCP= TEWI +GWPindirektan+ GWPdirektan

Indirektan uticaj na globalno zagrevanje obuhvaćen LCCP faktorom potiče od

potrošnje energije pri proizvodnji rashladnog fluida i potrebnih komponenata, kao i

potrošnje energije pri transportu, a direktan uticaj na globalno zagrevanje potiče od

isticanja rashladnog fluida u samom procesu proizvodnje. Institut AHRTI (Air

Conditioning, Heating and Refrigeration Tehnology Institute) je razvio i standardizovao

model za izračunavanje LCCP faktora.

2.5. Montrealski protokol

Montrealski protokol je usvojen 1987. godine, a Srbija ga je ratifikovala 2007.

godine. Montrealskim protokolom iz 1987. godine nisu bili obuhvaćeni HCFC fluidi zbog

male vrednosti ODP faktora, ali su 1992. godine doneseni amandmani kojima su

obuhvaćeni i ovi fluidi. U razvijenim zemljama prema odredbama Montrealskog

protokola CFC freoni su eliminisani iz upotrebe. Srbija koja spada u grupu zemalja u

razvoju je imala obavezu da izbaci freone CFC grupe do 01.01.2010. godine i od tog

datuma njihov uvoz je zabranjen čak i za potrebe servisnih intervencija. U tabeli 3. dat je

plan izbacivanja HCFC freona za razvijene zemlje prema Montrealskom protokolu.

Tabela 3. Plan izbacivanja HCFC freona prema Montrealskom protokolu za razvijene zemlje

Bazna potrošnja 1989

Zamrzavanje potrošnje na nivou bazne 1996

Smanjenje 35% 2004

Smanjenje 65% 2010

Smanjenje 90% 2015

Smanjenje 99.5% 2020

Potpuno izbacivanje iz upotrebe 2030

U tabeli 4. dat je plan izbacivanja HCFC freona za zemlje u razvoju prema

Montrealskom protoklu.

Tabela 4. Plan izbacivanja HCFC freona prema Montrealskom protokolu za zemlje u razvoju

Bazna potrošnja Prosek za 2009 i 2010

Zamrzavanje potrošnje na nivou bazne 2013

Smanjenje 10% 2015

Smanjenje 35% 2020

Smanjenje 67.5% 2025

Smanjenje 97.5% 2030

Potpuno izbacivanje iz upotrebe 2040

Kao bazna potrošnja za zemlje u razvoju definisana je prosečna potrošnja za 2009.

i 2010. godinu, a od 2040. godine biće u potpunosti zabranjena upotreba, proizvodnja i

uvoz ovih freona za zemlje u razvoju.

U tabeli 5. data je godišnja potrošnja freona u Srbiji prema podacima Ministarstva

životne sredine, rudarstva i prostornog planiranja, gde se vidi da se u Srbiji i dalje troše

velike količine freona R22.

Tabela 5. Potrošnja freona u Republici Srbiji za 2007., 2008., 2009. i 2010. godinu prema

podacima Ministarstva životne sredine, rudarstva i prostornog planiranja

Potrošnja freona (kg)

Freon 2007 2008 2009 2010

R22 157580 121080 148160 133840

R134a 60760 147060 113040 211190

R404a 43020 62220 120330 97870

R407c 14360 18260 31990 2070

R410a 6600 12100 21320 -

2.6. Kyoto protokol

Kyoto protokol je usvojen na trećoj konferenciji članica okvirne konvencije

Ujedinjenih Nacija o promeni klime 11. decembra 1997. godine, a stupio je na snagu u

februaru 2005. godine. Po Kyoto protokolu treba ublažiti i sprečiti globalno zagrevanje

zemlje, a HFC freoni se zbog visokog GWP faktora svrstavaju u grupu gasova koji

učestvuju u efektu staklene bašte (GHG – Green House Gases). Kyoto protokolom se

industrijske zemlje sveta obavezuju da svoje emisije gasova sa efektom staklene bašte

smanje u proseku za 5,2% u odnosu na referntnu 1990. godinu i to u periodu od 2008. do

2012. godine. Evropska unija je preuzela obavezu da svoju emisiju u navedenom periodu

smanji za 8%. Zemlje u razvoju nemaju obavezu kvantifikovanog smanjenja emisije

gasova sa efektom staklene bašte, ali svaka od zemalja u razvoju u bilo kom trenutku

takvu obavezu može preuzeti u skladu sa svojim mogućnostima. Opšte obaveze zemalja u

razvoju su dostavljanje podataka o emisiji organima Konvencija, saradnja u pripremi

mera za ublažavanje posledica globalnog zagrevanja, saradnja u razvoju i istraživanjima,

10. Međunarodni naučni skup Sinergija 2012.

106

kao i saradnja u oblasti obrazovanja, obuke i jačanja svesti. Za razliku od Kyoto

protokola, prema Montrealskom protokolu HFC freoni se preporučuju kao zamena za

CFC i HCFC freone. Zbog neslaganja Montrealskog i Kyoto protokola po pitanju HFC

freona ekspertska tela oba protokola organizuju zajedničke susrete radi usaglašavanja.

2.7. Rashladni fluidi po sektorima danas

Prirodni rashladni fluidi se pojavljuju u oblasti industrijskog hlađenja (NH3),

komercijalnog hlađenja (CO2, propan i propilen), kao i oblasti domaćinstava odnosno u

instalacijama kućnih frižidera (isobutan). Trenutna slika rashladnih fluida u upotrebi po

pojedinim sektorima u svetu danas je data u tabeli 6.

Tabela 6. Rashladni fluidi po sektorima

Sektor Rashladni fluid

Industrijsko hlađenje Amonijak, R404a

Komercijalno hlađenje R134a, R404a, R507, CO2, Propan,

Propilen

Klimatizacija - čileri sa „scroll“ i hermetičkim klipnim

kompresorima: R407c i R410a

- čileri sa vijčanim kompresorima: R134a

Domaćinstva -Isobutan, R134a

Transportno hlađenje -R404a, R134a

Na slici 2. dato je poređenje investiconih troškova za rashladne sisteme sa

navedenim rashladnim fluidima u odnosu na rashladni sistem sa freonom R22.

0 20 40 60 80 100 120 140 160

R22

R404a

R417a

R434A

R744 (CO2)

R290 + R800a

Slika 2. Poređenje investicionih troškova za rashladne sisteme sa različitim rashladnim

fluidima u odnosu na sistem sa freonom R22 [13]

2.8. Prirodni rashladni fluidi

Prirodni rashladni fluidi su: ugljovodonici, voda, vazduh, NH3(R717) i

CO2(R744). Ugljovodonici su veoma zapaljivi i eksplozivni, tako da je njihova upotreba

ogrničena na rashladne sisteme malih kapaciteta, kao što su kućni frižideri ili kućni klima

uređaji. Vazduh i voda imaju loše termodinamičke osobine u području niskih

temperatura. Na kraju od prirodnih rashladnih fluida osim NH3 koji se jako dugo koristi u

10. Međunarodni naučni skup Sinergija 2012.

107

oblasti industrijskog hlađenja, ostaje CO2 koji je neotrovan, nezapaljiv, a može se koristiti

kao rashladni fluid.

Upotreba prirodnih rashladnih fluida svakako bi uticala na ispunjenje obaveza i

Montrealskog i Kyoto protokola.

2.9. Karakteristike NH3

Amonijak (NH3) se dugo koristi u oblasti industrijskog hlađenja. Njegove mane su

pre svega zapaljivost i eksplozivnost. Iako poseduje dobre termodinamičke osobine zbog

činjenice da pri koncentraciji od 16% u vazduhu može da eksplodira, amonijak je

proglašen opasnom supstancom. Amonijak ne oštećuje ozonski omotač (ODP=0) i ne

utiče na globalno zagrevanje (GWP=0). On je otrovan, ali se lako detektuje. NH3 ima

nisku nabavnu cenu, lako se nabavlja, ne meša se sa uljima za podmazivanje i primenjuje

se više od 100 godina u industrijskom hlađenju. Problem sa NH3 se ogleda u velikim

količinama ovog rashladnog fluida kod velikih rashladnih sistema. Male količine

amonijaka su bezbedne i dozvoljene regulativama o hemijski opasnim supstancama.

2.10. Karakteristike CO2

Ugljen dioksid je gas bez boje i mirisa, a kao rashladni fluid se koristio u prošlom

veku. Kada su se 30-ih godina prošlog veka pojavili hlorofluorugljenici (CFC) i

hlorofluorugljovodonici (HCFC) on je polako potiskivan iz upotrebe. Ugljen dioksid je u

potpunosti potisnut iz upotrebe 60-tih godina prošlog veka, pre svega zbog niske kritične

temperature (+31°C) i visokih pritisaka. CO2 ne oštećuje ozonski omotač (ODP=0) i u

odnosu na freone malo utiče na globalno zagrevanje (GWP=1), nije zapaljiv, lako se

nabavlja, ima nisku cenu, rastvara poliestersko ulje za podmazivanje i ima veliku

specifičnu zapreminsku rashladnu sposobnost.

Termodinamičke osobine rashladnog fluida u blizini kritične tačke su loše. Ako

temperatura pri kojoj CO2(R-744) predaje toplotu okolini, pređe kritičnu temperaturu

onda ovaj proces više nije kondenzacija, već ulazi u nadkritično područje i predstavlja

hlađenje gasne faze radnog fluida. Transkritični rashladni proces je proces u kome

rashladni fluid predaje toplotu okolini procesom hlađenja gasa (nadkritično područje), a

uzima toplotu iz okoline koja se hladi procesom isparavanja (podkritično područje).

3. RASHLADNI SISTEMI SA PRIRODNIM RASHLADNIM FLUIDIMA

U protekloj deceniji timovi naučnih radnika i inženjera širom sveta radili su na

iznalaženju rešenja za eliminisanje ili bar smanjenje količine freona. Ispitivani su

rashladni sistemi sa prirodnim rashladnim fluidima, a pre svega rashladni sistemi sa CO2.

U poređenju sa drugim rashladnim fluidima CO2 je jeftin rashladni fluid (kao i NH3) i

može biti proizveden kao nusprodukt nekih tehnoloških procesa.

3.1. Kaskadni rashladni sistemi sa CO2

10. Međunarodni naučni skup Sinergija 2012.

108

Jedno od rešenja za potpunu eliminaciju ili smanjenje količine freona su kaskadni

rashladni sistemi u kojima se u gornjoj kaskadi koristi neki pogodan rashladni fluid, a u

donjoj CO2 jer se na taj način eliminišu sve mane ugljen dioksida kao rashladnog fluida, a

kompletan proces sa CO2 se odvija u podkritičnom području. Poznato je da su do sada

rađena ispitivanja sa freonom R404a, kao i sa freonom R134a u gornjoj kaskadi. Na taj

način freon se ne eliminiše u potpunosti, ali se njegova količina u sistemu znatno

smanjuje, jer je gornja kaskada sa freonom smeštena u mašinskoj prostoriji, a rashladni

fluid donje kaskade CO2 cirkuliše do potrošača praktično kao sekundarni rashladni fluid.

Osim ispitivanja sa freonima u gornjoj kaskadi vršena su i ispitivanja sa ugljovodonicima,

pre svega sa propanom. Eksplozivnost i zapaljivost ugljovodonika kod ovakvih sistema je

manje zabrinjavajuća jer je deo sistema sa ugljovodonikom smešten u mašinsku

prostoriju, sa svim merama predostrožnosti koje su za ovakve sisteme potrebne.

Još jedna kombinacija koja daje zadovoljavajuće rezultate je kombinacija

amonijaka i ugljen dioksida. Kod ovakvog sistema svaki od ova dva rashladna fluida

koristi se u području gde ima najbolje karakteristike. NH3 se nalazi samo u mašinskoj

prostoriji i udaljen je od kupaca i prehrambenih proizvoda. Po Američkoj OSHA PSM

(Process safety managemet) regulativi za visoko štetne hemkalije, CO2 nije klasifikovan

kao visoko štetna supstanca, dok NH3 jeste. Međutim, kod većine ispravno projektovanih

kaskadnih sistema, visoka strana sa amonijakom sadrži manje od 4500kg amonijaka, što

je trenutno ograničenje po PSM regulativi. Ušteda u potrošnji energije kod kaskadnih

CO2/NH3 sistema u odnosu na sisteme sa direktnom ekspanzijom freona R404a iznosi 11-

15%, a investicioni troškovi veći su oko 20% [2]. Ovi troškovi imaju tendenciju opadanja

zbog sve masovnije proizvodnje komponenata za sisteme sa CO2. Proizvođač “Sabroe”

koji je u sastavu kompanije “Johnson Controls” proizvodi kompresore tip “HPO/HPC” za

kaskadne CO2/NH3 sisteme. Na slici 3. prikazan je kompresor tip “HPO/HPC”

proizvođača “Sabroe”.

Slika 3. Kompresor tip “HPO/HPC” za kaskadne CO2/NH3 sisteme proizvođača “Sabroe”

Osim kompresora “Sabroe” proizvodi i rashladne agregate tip “CAFP” za

kaskadne CO2/NH3 sisteme. Na slici 4. prikazan je rashladni agregat tip “CAFP”

proizvođača “Sabroe” za kaskadne CO2/NH3 sisteme.

10. Međunarodni naučni skup Sinergija 2012.

109

Slika 4. Rashladni agregat tip “CAFP” za kaskadne CO2/NH3 sisteme proizvođača “Sabroe”

3.2. Klasični rashladni sistemi sa CO2

U zemljama u kojima je svest o očuvanju životne sredine na visokom nivou ne

beži se čak ni od klasičnih rashladnih sistema sa ugljen dioksidom, pa se osim kaskadnih

sistema kod kojih se CO2 kao rashladni fluid koristi u donjoj kaskadi, u poslednje vreme

širom sveta instaliraju rashladni sistemi u kojima je rashladni fluid samo CO2. Kada je

temperatura okoline iznad kritčne temperature, CO2 predaje toplotu u transkritičnom

području, dok se onda kada su okolne temperature dovoljno niske da se može odvijati

kondenzacija, proces odvija u podkritičnom području. Zemlje sa hladnijom klimom su

pogodne za ovakve instalacije, pošto je zbog niskih spoljnih temperatura vreme rada u

transkritičnom području kratko, pa ne utiče znatno na smanjenje ukupne efikasnosti

rashladnog sistema.

Jedan od vodećih svetskih proizvođača rashladnih vitrina, kompanija “Arneg”

proizvela je rashladne vitrine za rad sa CO2 i 2009 godine otvorila u Budimpešti

supermarket iz lanca “Tesco” gde se kao rashladni fluid koristi CO2 [5]. Na slici 5.

prikazan je supermarket lanca “Tesco” u Budimpešti.

Slika 5. Supermarket lanca “Tesco” u Budimpešti [5]

10. Međunarodni naučni skup Sinergija 2012.

110

Za sada u proizvodnom programu kompanije “Arneg” postoje dva tipa rashladnih

vitrina koje su namenjene za rad sa CO2. Kompanija „Johnson Controls“, jedna od

vodećih kompanija u svetu u primeni ove tehnologije, do sada je instalirala brojne

rashladne sisteme sa CO2. U tabeli 7. prikazan je broj i kapacitet instaliranih rashladnih

sistema po vrstama. Najveći broj instaliranih sistema su nisko temperaturni LT sistemi,

jer u tom području CO2 kao rashladni fluid ima najbolje karakteristike. Razvijene zemlje

prednjače po broju do sada instaliranih rashladnih sistema sa CO2, a od zemalja u regionu

je samo jedan ovakav sistem instaliran u Sloveniji.

Tabela 7. Rashladni sistemi sa CO2 instaliranih od strane kompanije „Johnson Controls“

Realizovanih projekata Ukupno kW

Brodovi 4 5900

Supermarketi 94 7866

Ostalo 5 5800

Rahladne komore za voće i povrće 1 2000

Nisko temperaturni LT sistemi 121 79185

Ukupno 225 100751

Kod sistema sa CO2 potrebno je preduzeti odgovarajuće sigurnosne mere. U

slučaju dužeg nestanka električne energije, u objektu u kome ne postoji dizel agregat,

pritisak CO2 će rasti. Temperaturi od +20°C, odgovara pritisak zasićenja od 57 bar, a tu

temperaturu sistem može lako dostići u stanju mirovanja primanjem toplote od okoline.

Zato je neophodno da postoji automatski sigurnosni sistem koji će izbaciti deo CO2 da bi

instalacija ostala ispod dozvoljenog pritiska. Kratak prekid napajanja ne predstavlja

problem. Detektori za CO2 se moraju postaviti u mašinskoj sali, ali i u prostoru u kome se

nalaze rashladni uređaji (rashladne vitrine i komore). Pošto se CO2 nalazi inače u

vazduhu, detektori moraju biti setovani na veći sadržaj CO2 u vazduhu od onog koji je

normalan.

U tabeli 8. dati su prečnici cevovoda za različite vrste srednje temperaturnih (MT)

rashladnih sitema kapaciteta 100kW. Zbog znatno viših pritisaka, veće gustine CO2

prečnici cevovoda su znatno manjih dimenzija, čime se postiže ušteda u cevovodima i

armaturi. Takođe, za isti rashladni kapacitet kompresori u sistemima sa CO2 su nekoliko

puta manjih radnih zapremina u odnosu na kompresore u freonskim rashladnim

sistemima (na primer 6-8 puta u odnosu na R134a).

Tabela 8. Prečnici cevovoda za različite rashladne sisteme u “srednje temperaturnom” - MT

režimu kapaciteta 100 kW [7]

MT rashladni sistem kapaciteta 100kW Usisni vod Tečni vod

Direktna ekspanzija 404a Ø76 Ø35

Indirektno hlađenje sa sekundarnim rashladnim fluidom Ø76 Ø76

Direktna ekspanzija CO2 Ø42 Ø22

Zahvaljujući tome što je CO2 kompatibilan sa svim materijalima od kojih se prave

cevovodi i komponente rashladnih sistema kao i sa uljima za podmazivanje, nisu potrebni

10. Međunarodni naučni skup Sinergija 2012.

111

dodatni troškovi za pronalaženje novih materijala za izradu cevovoda i komponenti za

rashladne sisteme sa CO2.

4. RASHLADNI SISTEM ZA KOMERCIJALNO HLAĐENJE SA CO2

4.1. Razvoj rashladnog sistema

U decembru 2009. godine u kompaniji “Soko Inžinjinjering” pojavila se ideja i

predlog po kome bi trebalo istražiti mogućnost primene prirodnih rashladnih fluida

uopšteno, a pre svega u oblasti komercijalnog hlađenja pošto je komercijalno hlađenje

primarni posao kompanije. Ovaj predlog je bio podstaknut saznanjima o početku razvoja

ovakvih sistema u razvijenim evropskim zemljama. Rukovodstvo firme je prihvatilo

predlog i odobrilo finansijska sredstva za razvoj u koji su bila uključena četiri mašinska

inženjera i jedan elektro inženjer kompanije Soko Inžinjering. Razvoj sistema je trajao

skoro dve godine, a puštanje probnog sistema u rad se očekuje u oktobru 2011. godine.

Srbija spada među zemlje u kojima bi primena klasičnih rashladnih sistema sa

CO2 prozurokovala oko 10% veću potrošnju energije u odnosu na rashladne sisteme sa

R404a jer bi sistem veliki broj dana u godini radio u nadkritičnom području [9]. Na slici

6. prikazana je klimatska granica ispod koje bi klasični rashladni sistemi sa CO2 imali

veću potrošnju energije u odnosu na rashladne sisteme sa R404a koji se sada primenjuju.

Slika 6. Poređenje potrošnje energije sistema sa CO2 i sistema sa R404a u zavisnosti od klimatskog

podneblja u Evropi [9]

Pošto veća potrošnja energije utiče na globalno zagrevanje donesena je odluka da

se u kompaniji “Soko Inžinjering” razvija kaskadni rashladni sistem zahvaljujući kome

se rashladni proces sa ugljen dioksidom neće odvijati u nadkritičnom području.

10. Međunarodni naučni skup Sinergija 2012.

112

4.2. Karakteristike sistema

Prvi rashladni sistem sa ugljen dioksidom osmišljen je kao prototip sistema kakav

je potreban za hlađenje prehrambenih proizvoda u supermarketu. Motivacija kompanije

za ulaganje u ovakav projekat je pre svega mogućnost da se savladavanjem ovakvog

sistema stekne prednost na tržištu u odnosu na druge konkuretne kompanije, kada prema

očekivanjima zaživi koncept ovakvih rashladnih sistema. Osnovne karakteristike

rashladnog sistema sa ugljen dioksidom su sledeće:

- Tip rashladnog sistema: kaskadni rashladni sistem.

- Rashladni fluid u gornjoj kaskadi: R134a.

- Rashladni fluid u donjoj kaskadi: CO2.

- Rashladni kapacitet u “srednje temperaturnom” sistemu: 10 kW.

- Rashladni kapacitet u “nisko temperaturnom” sistemu: 5 kW.

- Hlađenje u “srednje temperaturnom” sistemu: tečni CO2 se pumpom potiskuje iz

resivera u isparivač, gde delimično isparava.

- Hlađenje u “nisko temperaturnom” sistemu: direktna ekspanzija.

Za potrebe ispitivanja napravljene su dve rashladne komore, jedna koja treba imati

radnu temperaturu od +2 do +6°C (srednje temeraturni režim) i rashladni kapacitet 10

kW, i druga koja treba imati radnu temperaturu od -22 do -18°C (nisko temperaturni

režim) i rashladni kapacitet 5 kW. U rashladnoj komori “srednje temperaturnog - MT”

režima predviđena su dva “preplavljena” isparivača, a u rashladnoj komori “nisko

temperaturnog-LT” režima predviđena su dva “suva” isparivača. Da bi sistem bio

prilagodljiv trenutnom toplotnom opterećenju predviđeni su kompresori sa frekventnim

regulatorima, što utiče na povećanje energetske efikasnosti sistema i smanjenje

eksploatacionih troškova. Radi sigurnosti u okviru donje kaskade predviđen je automatski

ispuštač ugljen dioksida, koji ispušta ugljen dioksid iz sistema kada pritisak u sistemu

poraste iznad određene vrednosti. Na slici 7. prikazana je uprošćena principska šema

kaskadnog sistema sa R134a i CO2. Za hlađenje u MT režimu tečni CO2 temperature -

10°C pomoću pumpe cirkuliše kroz “preplavljene” isparivače. Hlađenje u LT režimu

ostvaruje se potpunim isparavanjam tečnog CO2 na temperaturi -30°C u isparivačima.

Hladnu paru iz isparivača usisava kompresor, sabija je na visoki pritisak i potiskuje u

kaskadni razmenjivač toplote koji je kondenzator donje kaskade (kondenzator za CO2),

odnosno u separator koji se u sistemu nalazi pre kaskadnog razmenjivača toplote. Para iz

separatora odlazi u kaskadni razmenjivač toplote koji je kondenzator za CO2, odakle se

kondenzovani CO2 vraća u separator. Tečni CO2 se iz separatora potiskuje pumpom u

isparivače.

10. Međunarodni naučni skup Sinergija 2012.

113

Slika 7. Kaskadni rashladni sistem sa R134a i CO2 za supermarket

Pošto su pritisci u sistemu tek nešto veći od pritisaka u rashladnim sistemima sa

freonima (pritisak isparavanja 14 bara i pritisak kondenzacije 26.5 bara), moguće je

koristiti sve komponente koje se koriste u freonskim sistemima. Ovaj rashladni sistem je

probni i malog je rashladnog kapaciteta, pa su sve komponente gornje kaskade sa

freonom R134a upakovane kao jedinica za spoljnu ugradnju zajedno sa vazduhom

hlađenim kondenzatorom. Kako su rashladni sistemi za supermarkete većih kapaciteta,

zbog veličine uređaja i buke kompresora, povoljnije je da gornja kaskada bude izvedena

kao “split” uređaj. Sve komponente gornje kaskade u ovom slučaju nalaze se u mašinskoj

prostoriji, dok je vazduhom hlađen kondenzator napolju.

4.3. Poređenje sa freonskim rashladnim sistemom

Prednost kaskadnog rashladnog sistema sa freonom R134a i CO2 u odnosu na

klasičan rashladni sistem sa freonom R404a kakav se najčešće primenjuje u

supermarketima je pre svega u tome što je uticaj na globalno zagrevanje daleko manji.

Faktor globalnog zagrevanja freona R404a iznosi 3260, dok faktor globalnog zagrevanja

freona R134a iznosi 1300. Osim toga u klasičnim rashladnim sistemima sa freonom,

freon cirkuliše do isparivača u rashladnim vitrinama i rashladnim komorama, dok u

ovom slučaju do isparivača cirkuliše samo CO2, pa je količina freona u sistemu daleko

manja.

Prema podatku kompanije “Danfos” investicioni troškovi kaskadnog rashladnog

sistema sa CO2 i NH3 veći su za 20% u odnosu na rashladni sistem sa direktnom

ekspanzijom freona R404a. Nakon analize investicinoh troškova kaskadnog rashadnog

10. Međunarodni naučni skup Sinergija 2012.

114

sistema sa freonom R134a i CO2 u kompaniji “Soko Inžinjering” došlo se do podatka da

su inevesticioni troškovi u odnosu na sistem sa direktnom ekspanzijom freona R404a veći

za 48%. Bitno veći troškovi od očekivanih nisu posledica različitog rashladnog fluida u

gornjoj kaskadi, jer je taj uticaj neznatan, već su pre svega posledica veličine rashladnog

sistema. Za razvoj i istraživanje u kompaniji “Soko Inžinjering” odabran je rashladni

sistem malog kapaciteta, a očekivanja su da bi za rashladne sisteme onih kapaciteta koji

su potrebni za supermarkete investicioni troškovi bili veći za oko 20%. U tabeli 9. su

prikazane radne električne snage predstavljenog kaskadnog rashladnog sistema sa R134a

i CO2 i ekvivalentnog sistema sa direktnom ekspanzijom freona R404a.

Tabela 9. Poređenje radnih električnih snaga kaskadnog rashladnog sistema

sa R134a i CO2 i sistema sa direktnom ekspanzijom freona R404a

Kaskadni sistem sa R134a i CO2 Sistem sa direktnom ekspanzijom R404a

Komponenta Radna snaga [kW] Komponenta Radna snaga [kW]

Kompresor gornje

kaskade

4,62 Kompresor MT sistema 5,66

Kondenzator gornje

kaskade

0,91 Kondenzator MT sistema 0,47

Kompresor donje

kaskade

1,01 Kompresor LT sistema 3,88

Cirkulaciona pumpa za

CO2

1,1 Kondenzator LT sistema 0,17

Isparivač MT sistema 2 x 0,23=0,46 Isparivač MT sistema 2 x 0,47=0,94

Isparivač LT sistema 2 x 0,09=0,18 Isparivač LT sistema 2 x 0,23=0,46

Ukupno: 8,28 Ukupno: 11,58

Iz prikazanih rezultata se vidi da ovakav sistem ima prednost u odnosu na sistem

sa direktnom ekspanzijom freona R404a i kada je u pitanju potrošnja energije. Zamena

sistema sa freonima, sistemom koji će u sebi sadržati rashladni fluid koji ne oštećuje

ozonski omotač i ne utiče na globalno zagrevanje ne rešava problem ili ga čak povećava

ukoliko takav sistem troši više energije. Izračunavanjem TEWI faktora za neki rashladni

sistem lako se dolazi do podatka da je indirektni potencijal mnogo veći od direktnog

potencijala globalnog zagrevanja. Prikazani kaskadni rashladni sistem sa R134a i CO2 za

isti rashladni kapacitet ima manji i direktni i indirektni potencijal globalnog zagrevanja u

odnosu na klasične sisteme sa freonima. Osim ove prednosti važna prednost prikazanog

sistema u odnosu na rashladne sisteme sa freonima su manji eksploatacioni troškovi.

Manji eksploatacioni troškovi su posledica manje potrošnje energije, ali i znatno niže

cene CO2 u odnosu na freone, čime su smanjeni troškovi prvog punjenja sistema

rashladnim fluidom, ali i troškovi servisnih intervencija u toku eksploatacije.

5. ZAKLJUČAK

U ovom radu prikazana je mogućnost modifikovane primene CO2 kao rashladnog

fluida, kojom se eliminišu njegove osobine zbog kojih je potisnut iz upotrebe. Primenom

kaskadnih rashladnih sistema u potpunosti se eliminišu mane ugljen dioksida koje su

10. Međunarodni naučni skup Sinergija 2012.

115

dovele do njegovog izbacivanja. Kombinacijom ugljen dioksida u donjoj kaskadi i nekog

drugog rashladnog fluida u gornjoj kaskadi proces sa ugljen dioksidom uvek je

podkritičnom području, a radni pritisci tek nešto veći od pritisaka sa kojima se srećemo u

sistemima sa direktnom ekspanzijom freona.

Investicioni troškovi za prikazani kaskadni rashladni sistem sa R134a i CO2 su

veći od očekivanih. Ovi troškovi su veći za 48% od investicionih troškova sistema sa

freonom R404a. Razlog je u tome što je rashladni sistem probni i kao takav je malog

kapaciteta, a predstavlja prototip rashladnog sistema u supermarketima u kojima su

potrebni znatno veći rashladni kapaciteti.

Potrošnja energije prikazanog kaskadnog sistema sa R134a i CO2 iznosi samo

71,5% od potrošnje energije ekvivalentnog rashladnog sistema sa freonom R404a. Veća

energetska efikasnost novih rešenja je neophodna jer se na taj način smanjuje indirektni

uticaj na globalno zagrevanje koji je kod svih rashladnih sistema veći od direktnog.

Zbog sve veće brige o očuvanju životne sredine CO2 se na velika vrata vraća kao

rashladni fluid, a njegova upotreba će po svemu sudeći biti masovna. Razvijene evropske

zemlje (npr. Švedska, Austrija...) zakonskim regulativama ograničavaju i destimulišu čak

i upotrebu freona koji se smatraju ekološkim, odnosno freona koji ne sadrže hlor. Pošto je

CO2 deo atmosfere ne mogu se očekivati dodatni problemi i uticaji na okolinu, kao što je

to sa freonima, a sve masovnija proizvodnja komponenata za rashladne sisteme sa CO2

utiče na dalje smanjivanje investicionih troškova.

LITERATURA

[1] Daniel Giguère - Natural Resources Canada, CO2 in Refrigeration: Valuable

Tehnology, 2008.

[2] Danfoss, CO2 refrigerant for Industrial Refrigeration, 2007.

[3] G. Pajani, D. Giguère, S Hosatte, Energy efficiency in supermarkets, Natural

Resources Canada, 2004.

[4] Carel, Importance of the use of electronic expansion valves for coolong control in

supermarkets in terms of energy savings, 2004.

[5] Arneg, Newsletter no 1, 2009.

[6] S. Raha, CO2 / NH3 Cascade Refrigeration Systems, Air conditioning and

refrigeration journal – The magazine of Indian Society of Heating, Refrigerating and Air

Conditioning Engineers, 2002.

[7] D.Mađerić, Ž. Kondić, Z. Botak, CO2 kao radna tvar u suvremenim rashladnim

sustavima, Tehnički glasnik, Veleučilište u Varaždinu, 2007.

[8] Danfoss, Refrigeration fundamentals, 2010.

[9] Danfoss, Danfoss CO2 Gas Cooler solution with EKC326A, 2010.

[10] AIRAH guide,Methods of calculating TEWI Draft v1.1, 2011.

[11] Željka Vuković, Primena prirodnih rashladnih sredstava – kaskadni sistemi sa NH3 i

CO2, Zbornik radova 41. međunardnog kongresa o grejanju, hlađenju i klimatizaciji u

Beogradu, 2010.

10. Međunarodni naučni skup Sinergija 2012.

116

[12] Alexander Chor Pachai, Global Experience with R717 and R744 Systems,

Presentation, 2007.

[13] Daniel Colbourne, Opportunites for the Application of Natural Refrigerants,

Proklima – Natural Refrigerants, 2008.

[14] Johnson Controls, CAFP CO2/Ammonia Freeze Package, Katalog, 2008.

[15] Danfoss, Food Retail CO2 Refrigeration Systems, Application Hanbook,

2009.

[16] Johnson Controls, HPO/HPC high-pressure reciprocating compressors, Katalog,

2008.

[17] Arash Soleimani Karimabad, Experimental Investigations of NH3/CO2 cascade

system for supermarket refrigeration, Master of Science Thesis, Royal Institute of

Technology - Stocholm, 2006.

POZIV
FPC