Δίκτυο σωλήνων συστημάτων με CO2

Μεγάλες πιέσεις λειτουργίας

Το εύρος πίεσης λειτουργίας του ψυκτικού ρευστού CO2 ξεκινάει πρακτικά από τα 6 bar (-53°C) και καταλήγει συχνά αρκετά πάνω από το κρίσιμο σημείο, όχι σπάνια μέχρι 130 bar. Ακόμα όμως και σε ένα κύκλο subcritical με συμπύκνωση στους 25°C, η πίεση συμπύκνωσης είναι 64 bar.

Γράφει ο Νίκος Χαριτωνίδης, Πολιτικός Μηχανικός ΕΜΠ, Master of Engineering Univ. of Sheffield
Γενικός Διευθυντής ΨΥΓΕΙΑ ΑΛΑΣΚΑ ΑΕΒΤΕ & CRYOLOGIC ΕΕ.

Για εποπτεία του αναγνώστη αναφέρεται ότι σε ένα κλιμακωτό σύστημα (cascade), όπου συνεργάζονται CO2 και αμμωνία, στον εναλλάκτη cascade όπου συνυπάρχουν τα δυο ρευστά (χωρίς βεβαίως να αναμιγνύονται), αν το CO2 έχει θερμοκρασία -10°C και η αμμωνία -15°C, οι αντίστοιχες πιέσεις είναι 26,5 bar και 2,4 bar. Το CO2 δηλαδή μέσα σε αυτό το συστατικό του συστήματος έχει 11 φορές μεγαλύτερη πίεση από την αμμωνία.

Το φαινόμενο της ψηλής πίεσης λειτουργίας έχει δυο όψεις, μια αρνητική και μια θετική, αντίστοιχα: (α) οι μεγάλες πιέσεις απαιτούν ειδικές προδιαγραφές δικτύου (σωληνώσεις, εξαρτήματα, βαλβίδες, συμπιεστές, συμπυκνωτές – ψύκτες αερίου, ελαστομερή), που δεν συναντώνται στα κοινά ψυκτικά ρευστά (κόστος – ασφάλεια) και (β) οι μεγάλες πιέσεις οδηγούν σε αέριο μεγάλης πυκνότητας (πυκνό). Τούτο καταλήγει σε μεγαλύτερη λανθάνουσα θερμότητα για δεδομένη θερμοκρασία εξάτμισης από εκείνη των συνθετικών ρευστών (όχι όμως της αμμωνίας που είναι πολύ μεγαλύτερη). Με την πολύ μεγάλη σχετικά πυκνότητα αερίου και την όχι υστερούσα λανθάνουσα θερμότητα, για παροχή δεδομένου όγκου αερίου στο συμπιεστή (m3/s) επιτυγχάνεται πολύ μεγαλύτερη μεταφορά μάζας αερίου (kg/s), άρα μεγαλύτερη ψυκτική ικανότητα (ρυθμός εξάτμισης). Με άλλα λόγια, η ογκομετρική ψυκτική ικανότητα του CO2 είναι σχετικά πολύ μεγάλη. Τούτο πρακτικά σημαίνει ότι για δεδομένο ψυκτικό έργο (KJ/s) στις γραμμές αερίου απαιτούνται σωληνώσεις αναρρόφησης πολύ μικρότερης διαμέτρου και ακόμα σημαντικότερο πολύ μικρότερου μεγέθους συμπιεστές (σε όρους ογκομετρικής μετατόπισης).

Μια ακόμα θετική επίπτωση της μεγάλης πυκνότητας του αερίου CO2 είναι ότι στις γραμμές μίγματος υγρού – αερίου, όπως είναι οι εναλλάκτες και οι αναρροφήσεις συστημάτων υπερπλήρωσης, ή ακόμα και όταν το CO2 χρησιμοποιείται σαν δευτερεύον ψυκτικό ρευστό όπου αλλάζει φάση, το «βαρύ» αέριο έχει μεγάλη ορμή (κινητική ενέργεια) και παρασύρει το γειτονικό του υγρό πολύ ευκολότερα από ότι τα άλλα (ελαφρού αερίου) ρευστά. Με άλλα λόγια, το «βαρύ» αέριο «σαρώνει» το υγρό, μη αφήνοντάς το να «λιμνάζει» και διαβρέχει ολόκληρη την εσωτερική επιφάνεια. Τούτο έχει σαν αποτέλεσμα την βελτίωση του συντελεστή θερμικής μεταφοράς από τη πλευρά του ρευστού, καθώς και ευμενέστερες επιπτώσεις από τις πτώσεις πίεσης (μικρότερα θερμοκρασιακά penalties). Το χαρακτηριστικό του «βαρέως αερίου» αποτυπώνεται στη μεγάλη τιμή που έχει ο λόγος πυκνότητας αερίου προς πυκνότητα υγρού σε δεδομένη συνθήκη κορεσμού. Στον επόμενο πίνακα φαίνονται οι τιμές αυτού του λόγου για τέσσερα ψυκτικά ρευστά σε θερμοκρασία κορεσμού -25°C.

Πίνακας 1: Συγκριτικός πίνακας τιμών λόγου
«ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΑΕΡΙΟΥ / ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΥΓΡΟΥ» για διάφορα ψυκτικά ρευστά.

CO2 ΚΑΙ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ

Χάρη στις θερμοφυσικές ιδιότητες του CO2 και ειδικά την σχετικά πολύ μεγάλη πυκνότητα του αερίου, μπορούμε να κατανοήσουμε ένα από τα πιο δυνατά σημεία του: Για δεδομένο θερμοκρασιακό penalty (π.χ. 1 Κ) υπάρχουν για το CO2 πολύ μεγαλύτερα περιθώρια πτώσης πίεσης σε σχέση με τα λοιπά συμβατικά ρευστά. Για παράδειγμα, για επιτρεπόμενο θερμοκρασιακό penalty 1Κ, σε θερμοκρασία -40°C έχουμε περιθώριο πτώσης πίεσης στο CO2 9,7 φορές περισσότερο από την αμμωνία και σε θερμοκρασία 0°C 5,7 φορές περισσότερο. Με άλλα λόγια, στο CO2 έχουμε περιθώρια για μεγαλύτερα μήκη – μικρότερες διαμέτρους – μεγαλύτερες ταχύτητες ροής χωρίς να «πληρώνουμε» ακριβά ενεργειακά penalties. Τούτο πρακτικά μεταφράζεται σε μικρότερες σωληνώσεις (οικονομία), ειδικά σε γραμμές αερίου ή μίγματος, όπως είναι οι εναλλάκτες και οι γραμμές αναρρόφησης.

Στις ψυκτικές εγκαταστάσεις και σχετικά με την επιλογή της διαμέτρου μιας σωλήνας αναρρόφησης, ο μελετητής αντιμετωπίζει το εξής δίλημμα:

(α) Για εξοικονόμηση ενέργειας πρέπει να εξασφαλίζει μικρότερες πτώσεις πίεσης, άρα τείνει να επιλέγει μεγαλύτερη διάμετρο γραμμής αναρρόφησης (ακριβότερη, συνυπολογιζομένων και των μονώσεων) αλλά και πιθανά αδυναμία καλής επιστροφής λαδιού.

(β) Για να επιστρέφει (παρασύρεται) το λάδι στο συμπιεστή, πρέπει να εξασφαλίζει ικανές ταχύτητες στη γραμμή αναρρόφησης (όχι υπερβολική διάμετρο). Όμως μεγάλη ταχύτητα σημαίνει μεγαλύτερη πτώση πίεσης, ήτοι μεγαλύτερο θερμοκρασιακό penalty (πτώση πίεσης – θερμοκρασίας αναρρόφησης συμπιεστή), ήτοι αύξηση ενεργειακού κόστους.

Το παραπάνω δίλημμα λύνεται πολύ πιο εύκολα στην περίπτωση του CO2: Τα μεγάλα περιθώρια πτώσης πίεσης οδηγούν χωρίς έντονο προβληματισμό σε επιλογή μικρότερων διαμέτρων. Στη [2] παρουσιάζεται ο ακόλουθος πίνακας, που συγκρίνει τις διαμέτρους της σωλήνας αναρρόφησης με βάση αναφοράς το CO2 (100%), για ποικίλα ρευστά, ποικίλα επίπεδα θερμοκρασιών και δεδομένο θερμοκρασιακό penalty.

Πίνακας 2: Συσχετισμός διαμέτρου σωλήναςαναρρόφησης
συγκριτικά με το CO2 για δεδομένο θερμοκρασιακό penalty.

Η ιδιότητα της πολύ χαμηλής θερμοκρασιακής απώλειας που συνοδεύει την πτώση της πίεσης που έχει το CO2 συγκριτικά με τα άλλα ρευστά επηρεάζει το βέλτιστο μήκος και τη βέλτιστη διάμετρο των στοιχείων ενός εναλλάκτη (εξατμιστή – συμπυκνωτή – ψύκτη αερίου). Συγκεκριμένα, κάθε σωλήνα μπορεί να έχει μεγαλύτερο μήκος / μικρότερη διάμετρο σε σχέση με τα λοιπά ρευστά, που σημαίνει ανάγκη για λιγότερα παράλληλα κυκλώματα και ως εκ τούτου λιγότερα προβλήματα διανομής ρευστού μεταξύ παράλληλων κυκλωμάτων. Το μικρότερο μέγεθος των εναλλακτών εξυπηρετεί εφαρμογές με περιορισμό χώρου, όπως οι κλιματισμοί / αντλίες θερμότητας των αυτοκινήτων.

Το CO2 σαν δευτερεύον ψυκτικό ρευστό

Τα παραδοσιακά δευτερεύοντα ψυκτικά ρευστά μονής φάσης είναι διαλύματα, με ανάλογο της εφαρμογής σημείο πήξης. Το πιο κλασσικό είναι το διάλυμα γλυκόλης (προπυλενικής ή αιθυλενικής1. Το σημείο πήξης μειώνεται όσο αυξάνει η συγκέντρωση του διαλύματος. Σημειώνεται εδώ, ότι σε ένα πυκνό διάλυμα αυξάνεται πολύ το ιξώδες του με την πτώση της θερμοκρασίας. Η επίπτωση είναι η αύξηση του κόστους άντλησης και των πτώσεων πίεσης.

To CO2 μπορεί να χρησιμοποιείται σαν δευτερεύον ψυκτικό ρευστό με μια σειρά πλεονεκτήματα, τα οποία του προσδίδουν μερικά από τα πιο ελκυστικά χαρακτηριστικά για την επιλογή του από τους σχεδιαστές. Τα βασικότερα είναι:

• Το CO2 είναι ένα δευτερεύον ρευστό δυο φάσεων (υγρό / αέριο) και όχι μιας φάσης (υγρής), όπως η γλυκόλη. Έτσι αξιοποιείται η λανθάνουσα αφαίρεση θερμότητας, που μάλιστα στο CO2 είναι αρκετά ψηλή. Σε αντίθεση, τα συμβατικά δευτερεύοντα ρευστά μονής φάσης, όπως τα διαλύματα προπυλενικής γλυκόλης, αφαιρούν μόνο αισθητή θερμότητα που είναι πολύ μικρότερη ανά kg που κυκλοφορεί. Ως εκ τούτου, η παροχή μάζας CO2 είναι σχετικά μικρότερη (μικρότερη αντλία, μικρότερες σωλήνες).
• Το CO2 είναι ένα ρευστό μικρού ιξώδους και υφίσταται μικρότερες πτώσεις πίεσης από τα συμβατικά (πολύ μεγαλύτερου ιξώδους) δευτερεύοντα ρευστά. Ταυτόχρονα, το χαρακτηριστικό του μικρού θερμοκρασιακού penalty βοηθάει ακόμα περισσότερο. Το αποτέλεσμα είναι πάλι μικρότερη αντλία / σωλήνες.
• Ο βρασμός του CO2 που γίνεται στον εξατμιστή και η τυρβώδης ροή που προκύπτει από την αναμόχλευση του μίγματος υγρού – αερίου εξασφαλίζει μεγαλύτερο συντελεστή θερμικής μεταφοράς από την πλευρά του ρευστού, σε σχέση με τη στρωτή ροή του 100% υγρού μονής φάσης. Τούτο αποτελεί έναν ακόμα παράγοντα προς την πλευρά της μικρότερης διατομής ροής.
• Το CO2 είναι ένα σχετικά ακίνδυνο ρευστό και λαμβανομένων των μέτρων ασφάλειας (που είδαμε στο προηγούμενο τεύχος) δεν προκαλούν σοβαρά προβλήματα οι διαρροές του.

Δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι ακόμα και σε χαμηλές θερμοκρασίες, η πίεση του CO2 είναι αρκετά μεγάλη (π.χ. στους -10°C 26,5 bar) και τούτο πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στις προδιαγραφές των υλικών και των συνδέσεων.

1 Κατάλληλη για τρόφιμα είναι η προπυλενική γλυκόλη (αφορά κίνδυνο διαρροής επί τροφίμων).

ΑΝΑΦΟΡΕΣ
1. Νίκος Χαριτωνίδης, «Παραγωγή Ψύξης – Θέρμανσης και Αμμωνία», CRYOLOGIC ΕΕ, 2021.
2. Natural Refrigerant CO2, edited by Walter Reulens, October 2009, Leonardo project «NARECO2»