anidride carbonica: il refrigerante del futuro?

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
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6
dipartimento di energetica
proprietà
proprietà termodinamiche
termodinamiche
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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
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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
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−−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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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