Soğutucu Akışkan Olarak CO2
Son birkaç yılda süpermarket sistemlerinde CO2, bir soğutucu akışkan olarak daha çok kullanılmaya başladı.
Bu eğilim, Avrupa'da en çok, Kanada ve ABD'de daha az derecede görüldü.
Karbondioksit, soğutucu akışkan olarak kullanılan ilk maddelerden biriydi. Alexander Twining, 1850 tarihli bir İngiliz patentinde soğutucu akışkan olarak kullanılmasını önerdi. Süreç içinde, birkaç uygulama için tercih edilen soğutucu akışkan oldu. Bunlar arasında denizcilik ve iklimlendirme vardı. CO2 kullanımı 1930'larda doruk noktasına ulaştı. 1950'lerde, Kloroflorokarbon (CFC) soğutucu akışkanların (R-11, R-12, R-502) pazara girişinden sonra, amonyağın aksine CO2, soğutucu akışkan olarak kullanılmaya devam edemedi. Denizcilik alanındaki soğutma sistemlerinin Londra'daki Lloyds sicilinden kaydı, 1950'den 1960'a kadar kullanımda olan CO2 sistemlerinin aşamalı olarak kullanımdan kaldırıldığını göstermektedir.
1990’ler civarında, CFC ve HCFC soğutucu akışkanlarının ozon tabakasını inceltme kabiliyetine odaklanıldığında ve sonuç olarak, bunları aşamalı olarak kaldırmak için Montreal Protokolü imzalandığında, CO2 yine soğutucu akışkan alternatiflerden biri olarak sahneye çıktı (Lorentzen, 1989). İlk nesil soğutucu akışkanlara, Sülfür Dioksit (SO2) veya Amonyak (NH3)) seçeneklerine kıyasla CO2'yi öne çıkaran faktörler; yanıcı ve toksik olmamasıydı.
1997'de Kyoto Protokolü, HFC'leri içeren sera gazları için azaltma hedefleri belirledi. Montreal Protokolü'ndeki Kigali Değişikliği, HFC'lerin aşamalı olarak azaltılmasını kayıt altına aldı.
Tüm bu gelişmeler GWP'si 1 olan, yani küresel ısınmaya yol açma özelliği bulunmayan (veya olabilecek minimum düzeyde olan) CO2'nin yine soğutma sistemlerinde kullanımını gündeme getirdi. GWP, bir sera gazının atmosferde yakaladığı ısı miktarının göreli bir ölçüsüdür. GWP numarası, söz konusu gazın belirli bir kütlesi tarafından tutulan ısı miktarı ile benzer bir karbondioksit kütlesi tarafından tutulan ısı miktarı arasındaki bir karşılaştırmadır.
Dolayısıyla, R-22'nin 1810 olan GWP'si, belirli bir R-22 kütlesinin küresel ısınma üzerinde eşit bir CO2 kütlesine göre 1.810 kat daha fazla etkiye sahip olduğu anlamına gelir.
Hangi soğutucu akışkanın ileriye dönük en iyi seçim olabileceğini belirleyen ana etkenler şunlardır: Çevresel etki konusundaki özellikler (düşük GWP), enerji verimliliği, güvenlik (yanıcılık ve toksisite), maliyet ve kullanılabilirlik.
CO2'ye bu etkenlerin merceğinden baktığımızda, ne denli elverişli bir seçenek olduğu görülüyor: GWP = 1, belirli koşullar altında enerji verimli olabilir, çok güvenlidir, oldukça ucuzdur ve kolayca kullanılabilir.
Buna ek olarak, 1960'larda CO2'nin terk edilmesine yol açan bazı zorluklar, özellikle de aşırı yüksek basınçla çalışması, teknolojideki yeni gelişmelerle aşılmıştır.
Bir CO2 sisteminin, çoğu süpermarket teknisyeninin bugün için aşina olduğu tipik bir soğutma sisteminden farklı olacağına hiç şüphe yok.
Soğutma yakın çevredeki sıcaklığın altında bir sıcaklığa ulaşılmasıdır. Kullanılan soğutucu akışkanın türünden bağımsız olarak, tüm sistemler çevre sıcaklığını düşürmeye çalışır. CO2 ve HCFC'ler/HFC'ler arasında çok bariz farklılıklar olsa da, soğutmak için kullanılan her buhar-sıkıştırma döngüsünün temeli olan aynı ilkeler uygulanır.
CO2 Özellikleri:
- GWP = 1
- ASHRAE A1 Sınıflandırması (yanıcı olmayan/toksik olmayan)
- Diğer soğutucu akışkanlara kıyasla yüksek hacimsel soğutma kapasitesi
- Düşük Viskozite (düşük basınç kaybı ve daha düşük pompa HP gereksinimi)
- Yüksek ısı transfer katsayısı
- Çoğu malzeme ile uyumlu
Önemli tanımlar:
Kritik Nokta: Bir maddenin sıvı fazı ve buhar fazının aynı yoğunluğa sahip olduğu (yani ayırt edilemez oldukları) bir faz diyagramındaki nokta.
Kritik Sıcaklık: Bir buharın sıcaklığını artırarak bir buharın sıvıya dönüştürülebildiği maksimum sıcaklık. Buhar kritik sıcaklığın üzerindeyse sıvı halde bulunamaz.
Kritik Basınç: Bir gazı kritik sıcaklıkta sıvılaştırmak için gereken basınç.
Üçlü Nokta: Bir saf maddenin katı fazı, sıvı fazı ve buhar fazının dengede bir arada bulunabileceği sıcaklık ve basınç.
Süblimleşme: Bir maddenin katı fazdan doğrudan buhar fazına geçişidir. Süblimleşme, üçlü noktanın altındaki sıcaklık ve basınçlarda meydana gelir.
Subkritik: Yüksek taraf basıncının kritik sıcaklığın (87.9 F) ve kritik basıncın (~1055 PSIG) altında olduğu CO2 Sistemler.
Transkritik: ~1055 PSIG kritik basıncının üzerindeki basınçlarda çalışmak üzere tasarlanmış CO2 Sistemleri.
Yukarıda belirtildiği gibi, her maddenin (tüm soğutucular dahil) kritik bir noktası vardır. Ancak, yaygın olarak kullanılan soğutucu akışkanlar, sistemin kritik noktanın yakınında çalıştığı koşullara asla yaklaşmaz. Örneğin, R-22 için kritik sıcaklık 205.1 F'dir.
Bunu pratik terimlerle ifade etmek gerekirse, bir R-22 sisteminde doymuş yoğuşma sıcaklığının 205,1 F olduğu bir koşul mevcutsa, durum değişikliği (buhardan sıvıya) için sistem yüksek taraf basıncının 723.7 PSIA olması gerekir. Bu durum bir R-22 sisteminde asla olmaz.
Öte yandan, CO2 için kritik sıcaklık 87.9 F'dir ve kritik basınç ~1055 PSIG'dir. Bu nedenle, 10F TD ile seçilen hava soğutmalı bir kondenser ile çalışan bir CO2 sistemi, dış ortam sıcaklığı 77.9 F'ye ulaştığında kritik sıcaklığına ulaşacaktır. Bu, Transkritik operasyon için planlama yapmadan çok fazla lokasyonun CO2 kullanmasına izin vermez.
Dolayısıyla, HCFC/HFC soğutma sistemleri ile CO2 sistemleri arasında benzerlikler olsa da, çok dikkate değer farklılıklar da vardır.