zmniejszenia gazów cieplarnianych poprzez zastosowanie co2 jako czynnika chłodniczego.pdf

SPIS TREŚCI

Jan GÓRSKI, Roman WARCHOŁ: Zmniejszanie emisji gazów cieplar-

nianych poprzez wykorzystanie CO 2 jako czynnika chłodni-

czego .......................................................................................... 5

Galyna KALDA, Janusz RAK: Environment and its effect on human life ... 15

Jadwiga KALETA: Pestycydy w środowisku wodnym ................................. 23

Jadwiga KALETA: Substancje humusowe w środowisku wodnym .............. 39

Witold NIEMIEC, Jarosław PŁONKA: Ochrona głównych komponentów

środowiska w obszarze Portu Lotniczego Rzeszów .................. 55

Witold NIEMIEC, Krzysztof WOJTUŃ: System zarządzania środowis-

kiem według norm ISO na przykładzie Rafinerii Nafty

Jedlicze S.A. .............................................................................. 67

Dorota PAPCIAK: Złoża biosorpcyjne w technologii oczyszczania wody ... 85

Dorota PAPCIAK, Justyna ZAMORSKA: Możliwości zastosowania bio-

preparatu DBC-plus do wspomagania procesów biodegra-

dacji substancji ropopochodnych .............................................. 95

Alicja PUSZKAREWICZ: Diatomity w ochronie środowiska i gospo-

darce .......................................................................................... 109

Alicja PUSZKAREWICZ, Adam PIECH: Technologia uzdatniania wody

wgłębnej dla ujęcia w miejscowości Zabajka ........................... 119

Janusz RAK, Bogumił KUCHARSKI: Przeciwdziałanie wtórnym zanie-

czyszczeniom wody przeznaczonej do spożycia na skutek

przepływów wstecznych ............................................................ 127

Elżbieta RYBAK-WILUSZ, Marek MITOSEK: Przyrosty ciśnienia ka-

witacyjnego w funkcji temperatury strumienia wody ............... 137

Justyna ZAMORSKA: Możliwości celowego użycia czynników biolo-

gicznych do skażenia wody wodociągowej ............................... 149

Justyna ZAMORSKA, Dorota PAPCIAK: Usuwanie związków ropopo-

chodnych z gruntu – mikroorganizmy i warunki prowadzenia

procesu ...................................................................................... 159

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI RZESZOWSKIEJ

Nr 218

Budownictwo i Inżynieria Środowiska z. 38

2004

Jan GÓRSKI

Roman WARCHOŁ

Politechnika Rzeszowska

ZMNIEJSZANIE EMISJI GAZÓW

CIEPLARNIANYCH POPRZEZ WYKORZYSTANIE

CO 2 JAKO CZYNNIKA CHŁODNICZEGO

Zastosowanie dwutlenku węgla (głównego czynnika odpowiedzialnego za ocieple-

nie klimatu) w obiegach chłodniczych w dwojaki sposób przyczynia się do zmniej-

szenia emisji gazów cieplarnianych. Po pierwsze jego źródłem są gazy odlotowe ze

spalania paliw kopalnych przy produkcji energii (nie jest on więc uwalniany do

atmosfery), a po drugie zastępuje się nim czynniki chłodnicze z grupy fluorokar-

bonów, niszczące warstwę ozonową. Właściwości fizykochemiczne CO 2 czynią

z niego bardzo wydajne i efektywne medium chłodnicze. Po pewnych udoskonale-

niach aparatury oraz doborze odpowiednich parametrów obiegu, dwutlenek węgla

może znaleźć zastosowanie w każdej dziedzinie przemysłu chłodniczego.

1. Wstęp

Stosowane w chłodnictwie media powinny absorbować ciepło w niskich

temperaturach, poniżej 0°C, bez zamarzania, a jednocześnie desorbować je przy

wysokich temperaturach i ciśnieniach. Wymagania te spełniają zarówno sub-

stancje naturalne, takie jak np. amoniak, dwutlenek węgla czy szereg węglowo-

dorów, jak i syntetyczne związki fluorowe CFC, HCFC i HFC.

Najbardziej rozpowszechnionymi czynnikami chłodniczymi do końca lat

30. XX w. były: amoniak, powietrze oraz dwutlenek węgla. Ten ostatni stoso-

wano głównie w przemyśle spożywczym, szczególnie w transporcie mrożonego

mięsa, oraz w instytucjach publicznych, tj. teatry, szpitale, restauracje itp. [1].

Od lat 40. do 80. ubiegłego wieku rynek chłodniczy zdominowały syntetyczne

chlorofluorokarbony (CFC) oraz hydrochlorofluorokarbony (HCFC) ze względu

na lepszą efektywność pracy opartych na nich urządzeń. Wprowadzenie licznych

restrykcji co do ich produkcji i stosowania, wynikające z negatywnego wpływu

na warstwę ozonową oraz postępujący efekt cieplarniany [2], ponownie skiero-

wało uwagę naukowców na naturalne czynniki chłodnicze.

W przypadku gdy opracowanie systemów chłodniczych wykorzystujących

czynniki nieszkodliwe dla atmosfery napotyka zbyt wiele problemów, HCFC

J. Górski, R. Warchoł

zastępuje się hydrofluorokarbonami (HFC). Ze względu na duże podobieństwo

tych związków nie wymaga to znaczących modyfikacji instalacji. Należy jednak

podkreślić, że chociaż HFC nie wpływa negatywnie na warstwę ozonową, to

przyczynia się do potęgowania efektu cieplarnianego. Dlatego jest to rozwiąza-

nie tymczasowe, które traktuje się jako etap przejściowy przed wdrażaniem

czynników naturalnych (dotyczy to m.in. freonu R134a).

2. Aspekty prawne ograniczenia emisji CO 2

Problematyka globalnego ocieplenia, jako rezultatu rozwoju przemysłu

w XX w., była tematem wielu konferencji i opracowań naukowych ostatniej

dekady. Stwierdzono, że spośród wielu czynników powodujących wzrost tempe-

ratury na Ziemi, największy udział mają dwutlenek węgla (pochodzący głównie

ze spalania paliw kopalnych), metan, fluorokarbony oraz tlenki azotu. Najgroź-

niejsze z nich to CO 2 oraz CFC, HCFC i HFC. Chociaż ten pierwszy jest związ-

kiem naturalnym, wydalanym m.in. jako produkt metabolizmu roślin i zwierząt

oraz w procesach erupcji wulkanów, jednak ze względu na rosnącą skalę emisji

ze źródeł przemysłowych (prawie 23 miliardy ton w 2000 r. [3]) w ponad 63,5%

odpowiada za efekt cieplarniany. Mimo, że ilość syntetycznych mediów chłod-

niczych uwalniana do atmosfery jest nieporównywalnie mniejsza niż CO 2

(134 tys. ton CFC i 267 tys. ton HCFC w 2000 r. [4]), to negatywny efekt wy-

woływany przez jeden kilogram związków fluorowych jest odpowiednio: około

7 i 2 tysiące razy silniejszy niż 1 kg dwutlenku węgla [5].

Konieczność ochrony środowiska naturalnego przed niekorzystnymi zmia-

nami klimatu znalazła odzwierciedlenie w postaci licznych regulacji prawnych

i uzgodnień międzynarodowych. Najważniejszym z nich jest Protokół z Kyoto

ratyfikowany w 1997 r. przez 38 najbardziej uprzemysłowionych państw świata.

Założono w nim, że w latach 2008-2012 emisja sześciu najbardziej szkodliwych

gazów cieplarnianych będzie niższa o 5,2% w stosunku do poziomu z 1990 r.

Jednak już w 2001 r. wytyczne tego protokołu okazały się nierealne, ponieważ

przez cztery lata ilość CO 2 uwalniana do atmosfery praktycznie się nie zmieniła.

Zdecydowana większość krajów odnotowała zwiększenie jego emisji lub utrzy-

manie jej na stałym poziomie. Istotna redukcja nastąpiła tylko w Niemczech

(o 15,8%), Wielkiej Brytanii (o 7,3%), Szwajcarii (o 6,1%) oraz w Rosji

(o 40,3%) [3]. Trzy pierwsze kraje zawdzięczają to wprowadzaniu nowych tech-

nologii w przemyśle, zaś w Rosji przyczynił się do tego upadek gospodarki.

W Stanach Zjednoczonych, które nie stosują się do wymogów Protokołu

z Kyoto, nastąpił wzrost emisji o 4%, co jest ilością niebagatelną, zważywszy,

że ich udział w globalnej emisji dwutlenku węgla wynosi ponad jedną czwartą.

Z powyższych względów na konferencji w Bonn w lipcu 2001 r. znacznie zani-

żono – aż do 1,8% – uzgodniony wcześniej poziom jego redukcji.

Zmniejszanie emisji gazów ...

Z kolei najważniejszym dokumentem odnoszącym się do szkodliwych

czynników chłodniczych jest Protokół Montrealski ratyfikowany w 1987 r. przez

ponad 100 państw. Wraz z późniejszymi poprawkami z Londynu i Kopenhagi,

odpowiednio w 1990 i 1992 r., określono w nim ostateczne daty wycofania

fluorokarbonów – CFC i HCFC z niektórych dziedzin przemysłu. Zgodnie

z nimi założono wycofanie CFC ze stosowania w nowych urządzeniach do koń-

ca 1995 r., a ostateczne usunięcie z instalacji chłodniczych na 2000 r. [2, 6]. Tak

krótkie terminy wynikały ze szczególnie negatywnego oddziaływania CFC na

atmosferę. Z kolei stosunkowo odległa data eliminacji HCFC – 2030 r., wynika

z powszechności jego stosowania w systemach chłodniczych, mniejszej szko-

dliwości niż CFC oraz konieczności znalezienia alternatywnego medium i dosto-

sowania do niego aparatury.

Pomimo ambitnych założeń tego protokołu, nie udało się ich w całości wy-

pełnić. Chociaż CFC wycofano prawie całkowicie ze stosowania w aerozolach

oraz w urządzeniach gospodarstwa domowego, a jego produkcja od chwili pod-

pisania protokołu do 2000 r. zmalała prawie 20-krotnie [4], to jednak jest wciąż

szeroko stosowany w chłodnictwie i klimatyzacji przemysłowej oraz w pompach

ciepła [5]. Także ograniczenia nałożone na HCFC, mające obowiązywać od

2004 r., wydają się być zbyt restrykcyjne zważywszy na fakt ciągłego wzrostu

jego wytwarzania.

Konsekwencją regulacji prawnych wymuszających zmniejszenie ilości ga-

zów cieplarnianych uwalnianych do atmosfery jest konieczność poniesienia

kosztów badań eksperymentalnych oraz wprowadzania w życie nowych techno-

logii.

W wypadku dwutlenku węgla badania koncentrują się głównie na jego eli-

minacji przy produkcji energii z paliw kopalnych, co, jak wspomniano wcze-

śniej, jest głównym źródłem CO 2 . Ponad 80% energii wytwarzanej na świecie

pochodzi właśnie ze spalania węgla, gazu ziemnego i ropy naftowej [7]. Z tego

powodu w ciągu ostatnich lat nastąpił znaczący wzrost zainteresowania techno-

logiami produkcji tzw. „czystej” energii. Spośród wielu zaproponowanych me-

tod wiele zakłada całkowite wyeliminowanie CO 2 z gazów odlotowych, a inne

tylko jego ograniczenie. Chociaż zastosowanie tych ostatnich, wśród których

dominują: absorpcja chemiczna, frakcjonowanie niskotemperaturowe oraz sepa-

racja membranowa, jest stosunkowo łatwe i tanie, to jednak nie zapewnia cał-

kowitego usuwania dwutlenku węgla i wiąże się z nawet 20% spadkiem wydaj-

ności obiegu energetycznego [8]. Z drugiej strony, wyższe koszty wdrożenia

systemów bezemisyjnych są rekompensowane brakiem szkodliwego wpływu

CO 2 na klimat Ziemi, a co najważniejsze, utrzymaniem lub nawet podniesieniem

sprawności elektrowni w stosunku do siłowni konwencjonalnych (bez usuwania

CO 2 ). W obu przypadkach usunięty dwutlenek węgla wymaga utylizacji. Tylko

niekiedy, jeżeli jego czystość jest bardzo duża, częściowo jest wykorzystywany

bezpośrednio w różnych gałęziach przemysłu np. w chłodnictwie czy też w pro-

J. Górski, R. Warchoł

cesach ekstrakcji przy produkcji kawy bezkofeinowej. W zdecydowanej więk-

szości przypadków jest on w postaci płynnej wprowadzany pod ciśnieniem do

wyeksploatowanych złóż ropy naftowej, gazu ziemnego czy węgla lub składo-

wany na dnie oceanów, co dodatkowo podnosi cenę wyprodukowanej energii.

Całkowity stopień szkodliwości oddziaływania danego czynnika na środo-

wisko naturalne jest określany za pomocą wielu wskaźników. Najważniejsze

wśród nich to GWP (Global Warming Potential) oraz ODP (Ozone Depletion

Potential). Wskaźnik GWP odnosi się do wszystkich czynników przyczyniają-

cych się do ocieplenia atmosfery, m.in. takich jak CO 2 , CH 4 , N 2 O, związki flu-

orowe czy też para wodna. Z kolei wskaźnik ODP jest związany głównie z flu-

orokarbonami. Obydwa te wskaźniki, w odniesieniu do danego obiegu lub urzą-

dzenia, łączy w sobie całkowity równoważnik efektu cieplarnianego, tzw. TEWI

(Total Equivalent Warming Impact lub Total Environmental Warming Index).

Uwzględnia on zarówno wpływ bezpośredniej emisji szkodliwych gazów, efek-

tywność energetyczną systemów produkcji energii (w tym średnią emisję CO 2 ),

jak i ilość czynnika w układzie czy żywotność w atmosferze. Wskaźnik TEWI

jest więc uniwersalny, a przez to bardzo przydatny przy projektowaniu nowych

instalacji lub wyborze nowego medium chłodzącego.

3. Obiegi lewobieżne z użyciem CO 2

Dwutlenek węgla (R744) jako czynnik chłodniczy posiada wiele zalet.

Przede wszystkim jest przyjazny środowisku naturalnemu, nietoksyczny, niepal-

ny, łatwo dostępny i posiada dobre właściwości termofizyczne. Stosunkowo

niska temperatura krytyczna, wynosząca 31,1°C sprawia, że obiegi chłodnicze

na CO 2 są zwykle transkrytyczne, co oznacza, że odparowanie medium następu-

je w warunkach podkrytycznych, dwufazowych, a ciepło jest oddawane w stanie

nadkrytycznym [9]. Nie występuje wówczas zjawisko kondensacji, a tylko obni-

żanie się temperatury czynnika. Jednak ciśnienie podczas tego procesu jest także

nadkrytyczne i może dochodzić aż do 15 MPa. Bezpośrednio łączy się z tym

bezpieczeństwo działania urządzeń opartych na CO 2 . Z tego względu materiały

użyte do konstrukcji urządzeń i armatury w obiegu muszą mieć większą wy-

trzymałość, a połączenia winny zapewniać odpowiednią szczelność.

Wymienione właściwości cykli nadkrytycznych na CO 2 są wykorzystywane

przede wszystkim w następujących dziedzinach: pompy ciepła, klimatyzatory

samochodowe (mogące pracować także jako pompy ciepła ogrzewające wnętrze

pojazdu) oraz przemysłowe obiegi chłodniczo-grzewcze.

W wodnych instalacjach centralnego ogrzewania oraz dostarczania ciepłej

wody użytkowej, pracujących z użyciem pompy ciepła na CO 2 , wykorzystuje się

jego nadkrytyczny obieg z uwagi na duży spadek temperatury po stronie gorącej.

Ogranicza to konieczny przepływ wody o połowę (mniejsze pompy) oraz zwięk-

sza przyrost jej temperatury. Inne zalety takiego układu to niskie straty przewo-

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: