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