anidride carbonica: il refrigerante del futuro?
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1 dipartimento di energetica anidride carbonica: il refrigerante del futuro? prof. ing. Fabio POLONARA NuovaRAFI_16/3/2005 2 ANIDRIDE ANIDRIDE CARBONICA CARBONICA CO CO22 R744 R744 èè abbondante abbondante ee poco poco costosa costosa dipartimento di energetica èè un un refrigerante refrigerante naturale, naturale, senza senza alcun alcun impatto impatto ambientale ambientale globale globale né né presente presente né né futuro futuro non non infiammabile infiammabile né né tossica; tossica; più più pesante pesante dell’aria dell’aria èè compatibile compatibile con con tutti tutti ii materiali materiali gli ol gli olî olîî POE POE ee AN AN danno danno buone buone prestazioni prestazioni con con R744 R744 NuovaRAFI_16/3/2005 1 3 proprietà proprietà termodinamiche termodinamiche R744 CO2 p [bar] C dipartimento di energetica 73.8 liquido solido 5.18 T gas vapore -56.56°C 31.1°C T [K] NuovaRAFI_16/3/2005 4 proprietà proprietà termodinamiche termodinamiche R717 100 R22 pressione [bar] dipartimento di energetica R744 10 R410A 1 R290 0.1 -90 R134a -60 -30 0 30 60 temperatura [°C] 90 120 150 NuovaRAFI_16/3/2005 2 5 proprietà proprietà termodinamiche termodinamiche tbtb,n ,n ppevev [°C] [bar] [bar] [°C] *R744 *R744 -78.4 22.9 22.9 -78.4 cond rr ppcond ∆∆h hevev refr vol,liq m m m refr mvol,liq .kg-1] [kJ.kg -1] [kJ [kg.h.h-1-1] ] [kg 72.1 3.2 3.2 72.1 131.6 131.6 [bar] [bar] [m3.3.hh-1-1] ] [m asp vvasp ev,vol L ∆∆h hev, L ev,vol COP COP tfc tfc [m3.3.kg kg-1-1] ] [m .m-3] [kJ.m -3] [kJ 27.4 27.4 0.0165 0.0165 7979 7979 0.37 0.37 2.69 2.69 69.5 69.5 [kW] [kW] [°C] [°C] R410A -51.9 -51.9 R410A 4.8 4.8 24.2 5.0 5.0 24.2 149.8 149.8 24.0 24.0 0.0543 0.0543 2761 2761 0.30 0.30 3.29 3.29 65.0 65.0 R507 R507 3.8 3.8 18.7 4.9 4.9 18.7 93.9 93.9 38.4 38.4 0.0560 0.0560 1855 1855 0.33 0.33 3.03 3.03 46.1 46.1 3.6 3.6 18.3 5.0 5.0 18.3 97.4 97.4 37.0 37.0 0.0539 0.0539 1808 1808 0.33 0.33 3.03 3.03 46.9 46.9 R502 R502 -45.5 -45.5 3.4 3.4 16.8 4.9 4.9 16.8 93.2 93.2 38.6 38.6 0.0506 0.0506 1843 1843 0.31 0.31 3.26 3.26 49.0 49.0 R407C -44.1 -44.1 R407C 2.6 2.6 17.4 6.6 6.6 17.4 141.0 141.0 25.5 25.5 0.0871 0.0871 1618 1618 0.33 0.33 3.02 3.02 63.2 63.2 R22 R22 -40.8 -40.8 3.0 3.0 15.3 5.2 5.2 15.3 150.0 150.0 24.1 24.1 0.0775 0.0775 1929 1929 0.28 0.28 3.56 3.56 66.9 66.9 R717 R717 -33.3 -33.3 2.4 2.4 15.6 6.6 6.6 15.6 1053.7 1053.7 3.4 3.4 0.5090 0.5090 2072 2072 0.27 0.27 3.73 3.73 124. 124. R12 R12 -29.8 -29.8 1.8 1.8 9.6 9.6 106.8 106.8 33.7 33.7 0.0918 0.0918 1163 1163 0.28 0.28 3.61 3.61 48.9 48.9 dipartimento di energetica -47.3 -47.3 R404A -46.8 -46.8 R404A 5.3 5.3 tev=-15°C, =-15°C,tcond tcond=40°C =40°C(30°C (30°CCO CO2), sottoraffr=0°C, =1,ηηvolvol=1, =1, surrisc=0°C,sottoraffr=0°C, sottoraffr=0°C,ηηisis=1, 2), surrisc=0°C, tev surrisc=0°C, =1kW Q Q ev ev=1kW NuovaRAFI_16/3/2005 6 dipartimento di energetica proprietà proprietà termodinamiche termodinamiche NuovaRAFI_16/3/2005 3 7 CICLO CICLO TRANSCRITICO TRANSCRITICO dipartimento di energetica pressione 100 bar +40°C -20°C entalpia la la trasformazione trasformazione di di cessione cessione di di calore calore all’ambiente all’ambiente esterno esterno non non comporta comporta la la condensazione condensazione ma ma ilil raffreddamento raffreddamento isobaro isobaro di di una una fase fase gassosa gassosa densa densa CONDENSATORE CONDENSATORE GAS GAS COOLER COOLER NuovaRAFI_16/3/2005 8 CICLO CICLO TRANSCRITICO TRANSCRITICO 100 bar pressione 90 bar dipartimento di energetica +40°C entalpia p popt bar] opt [bar ttev °C] ev;; ttgc,out gc,out [ °C caratteristica caratteristica del del ciclo ciclo transcritico transcritico èè l’esistenza l’esistenza di di una una PRESSIONE PRESSIONE OTTIMALE OTTIMALE del del raffreddatore raffreddatore di di gas gas (a (a parità parità di di temperatura temperatura di di uscita uscita dal dal gas gas cooler) cooler) tale tale valore valore dipende dipende dalle dalle condizioni condizioni del del ciclo ciclo (temperatura (temperatura di di evaporazione, evaporazione, surriscaldamento surriscaldamento all’aspirazione, all’aspirazione, rendimento rendimento isentropico, isentropico, temperatura temperatura della della CO2 CO2 all’uscita all’uscita dal dal gas gas cooler) cooler) p = 2.778 − 0.0157 ⋅ t ev ) ⋅⋅ ttgc,out + 0.381⋅ t ev −− 9.34 popt 9.34) opt = ( 2.778 − 0.0157 ⋅ tev gc,out + ( 0.381 ⋅ tev NuovaRAFI_16/3/2005 −−40 40°°C C << ttev < ++55°°C C ev < 31 31°°C C << ttgc,out < 50 50°°C C gc,out < ηηisis == 11 4 9 CICLO CICLO TRANSCRITICO TRANSCRITICO dipartimento di energetica ilil rapporto rapporto di di compressione compressione con con la la CO CO22 èè più più basso basso di di quella quella relativo relativo agli agli altri altri fluidi; fluidi; ilil rendimento rendimento isoentropico isoentropico èè più più elevato elevato 100 bar 90 bar pressione ilil COP COP teorico teorico èè più più basso basso rispetto rispetto alle alle alternative: alternative: COP(R134a)=2.00 COP(R134a)=2.00 COP(R744)=1.34 COP(R744)=1.34 +40°C -20°C entalpia sono sono possibili possibili coefficienti coefficienti di di scambio scambio termico termico più più elevati elevati le le perdite perdite per per laminazione laminazione possono possono essere essere ridotte ridotte abbassando abbassando la la temperatura temperatura di di uscita uscita del del gas gas dal dal gas gas cooler cooler operante operante aa pressione pressione ipercritica ipercritica in in alcune alcune particolari particolari applicazioni applicazioni èè possibile possibile ottenere ottenere efficienze efficienze confrontabili confrontabili con con quelle quelle dei dei fluidi fluidi tradizionali tradizionali NuovaRAFI_16/3/2005 10 dipartimento di energetica CICLO CICLO TRANSCRITICO TRANSCRITICO le le perdite perdite per per laminazione laminazione possono possono essere essere ridotte ridotte abbassando abbassando la la temperatura temperatura di di uscita uscita del del gas gas dal dal gas gas cooler cooler operante operante aa pressione pressione ipercritica ipercritica in in alcune alcune particolari particolari applicazioni applicazioni èè possibile possibile ottenere ottenere efficienze efficienze confrontabili confrontabili con con quelle quelle dei dei fluidi fluidi tradizionali tradizionali NuovaRAFI_16/3/2005 5 11 CICLO CICLO TRANSCRITICO TRANSCRITICO 100 bar pressione 90 bar dipartimento di energetica +40°C entalpia ilil livello livello delle delle pressioni pressioni èè molto molto alto alto l’effetto l’effetto frigorifero frigorifero volumetrico volumetrico èè molto molto elevato elevato le le macchine macchine aa CO CO22 nonostante nonostante la la maggior maggior pressione pressione di di lavoro, lavoro, non non sono sono più più pesanti pesanti oo più più ingombranti ingombranti oo più più pericolose, pericolose, grazie grazie alle alle portate portate volumetriche volumetriche inferiori inferiori ee alla alla possibilità possibilità di di prevedere prevedere velocità velocità maggiori maggiori NuovaRAFI_16/3/2005 12 CICLO CICLO TRANSCRITICO TRANSCRITICO calore latente volumetrico [kJ/m3] dipartimento di energetica 16000 14592 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 ilil livello livello delle delle pressioni pressioni èè molto molto alto alto 3756 2371 R22 2131 1444 R134a R410A l’effetto l’effetto frigorifero frigorifero volumetrico volumetrico èè molto molto elevato elevato R717 R744 le le macchine macchine aa CO CO22 nonostante nonostante la la maggior maggior pressione pressione di di lavoro, lavoro, non non sono sono più più pesanti pesanti oo più più ingombranti ingombranti oo più più pericolose, pericolose, grazie grazie alle alle portate portate volumetriche volumetriche inferiori inferiori ee alla alla possibilità possibilità di di prevedere prevedere velocità velocità maggiori maggiori NuovaRAFI_16/3/2005 6 13 CICLO CICLO TRANSCRITICO TRANSCRITICO compressori compressori ••bassi bassi rapporti rapporti di di compressione compressione ••bassi bassi trafilamenti trafilamenti sulle sulle fasce fasce elastiche elastiche ••bassi bassi trafilamenti trafilamenti attraverso attraverso le le valvole valvole ••macchine macchine compatte compatte con con piccola piccola corsa corsa rendimenti rendimenti isentropici isentropici migliori migliori del del 10% 10% dipartimento di energetica scambiatori scambiatori ••elevata elevata conducibilità conducibilità termica termica (sia (sia liquido liquido che che gas) gas) ••elevato elevato calore calore specifico specifico del del liquido liquido ••bassa bassa viscosità viscosità cinematica cinematica ••accettabili accettabili elevate elevate perdite perdite di di carico carico (tubi (tubi più più piccoli) piccoli) coefficienti coefficienti di di scambio scambio elevati elevati condizioni condizioni ambiente ambiente ••climi climi temperati temperati efficienza efficienza stagionale stagionale elevata elevata NuovaRAFI_16/3/2005 ilil COP COP reale reale si si avvicina avvicina aa quello quello ideale ideale più più che che con con gli gli HFC HFC 14 ttev =-10°C ev=-10°C dipartimento di energetica =0.8 ηηis,compr is,compr=0.8 =0.7 ηηis,espans is,espans=0.7 =0.7 εεscamb scamb=0.7 ttintermedia =31°C intermedia=31°C pp ottimale ottimale NuovaRAFI_16/3/2005 7 dipartimento di energetica 15 ttev =-10°C ev=-10°C =0.8 ηηis,compr is,compr=0.8 ηηis,espans =0.7 is,espans=0.7 =0.7 εεscamb scamb=0.7 =31°C ttintermedia intermedia=31°C pp ottimale ottimale NuovaRAFI_16/3/2005 16 applicazioni applicazioni condizionamento condizionamento autoveicoli autoveicoli dipartimento di energetica refrigerazione refrigerazione commerciale commerciale refrigerazione refrigerazione industriale industriale pompe pompe di di calore calore NuovaRAFI_16/3/2005 8 17 applicazioni applicazioni -30°C -50°C -70°C dipartimento di energetica -90°C 4 R717 2 3 1’ 4’ ' m cascata -10°C m bistadio monostadio 10°C CONDENSER 1 2’ R744 EVAPORATOR 3’ -110°C T 4 T 4’ 1 1’ 2 3 2’ 3’ s s NuovaRAFI_16/3/2005 18 applicazioni applicazioni gas riscaldamento evaporazione entropia 120 temperatura dipartimento di energetica laminaz. laminaz. con -90°C 40 con salto salto termico termico 4040-90°C sull’acqua, sull’acqua, ee portata portata d’acqua d’acqua ridotta ridotta di di conseguenza, conseguenza, l’applicazione l’applicazione può può risultare risultare conveniente conveniente dal dal punto punto di di vista vista energetico energetico ler c oo compre ssione ACS temperatura la la pompa pompa di di calore calore aa CO CO22 si si presta presta vantaggiosamente vantaggiosamente aa riscaldare riscaldare portate portate di di fluido fluido ridotte ridotte con con elevati elevati salti salti termici termici CO2 a 120 bar 100 80 80°C R134a 60 40 20 ingresso acqua lunghezza scambiatore uscita acqua c’è c’è un un ottimo ottimo accordo accordo tra tra ii profili profili di di temperatura temperatura della della CO CO22 aa 120 120 bar bar ed ed una una portata portata d’acqua d’acqua riscaldata riscaldata in cooler in controcorrente controcorrente nel nel gas gas cooler; cooler;; ilil profilo profilo dell’R134a dell’R134a ee decisamente decisamente meno meno favorevole favorevole NuovaRAFI_16/3/2005 9
