חזרה למקורות

חזרה למקורות

טכנולוגיות קירור מתחדשות: אתגרים בקירור עם דו-תחמוצת הפחמן - CO2

מהנדס יוני מלאכי- סמנכ"ל תפעול משב- הנדסת קירור ומ

בשלהי שנות ה-90 של המאה העשרים ובעשור האחרון מתגברת בעולם מגמת חזרה לשימוש בגזי קירור טבעיים ובמיוחד בדו-תחמוצת הפחמן- CO2.
דו תחמוצת הפחמן נחשב לגז קירור ידידותי לסביבה ביחס למרבית גזי הקירור האחרים,
לדו-תחמוצת הפחמן מקדם אפקט חממה נמוך כגז קירור ,GWP=1Global Warming Potential. (להשוואה, מקדם אפקט החממה שלR134a  הינו 1400GWP=, כלומר, פליטה לאטמוספרה של 1 ק"ג ממנו שווה לפליטה של 1400 ק"ג CO2) הגז בטיחותי למשתמש, (דירוג הבטיחות הגבוה ביותרA1  לפי ASHRAE) ובנוסף, קיים יתרון כלכלי ניכר בשימוש בדו-תחמוצת הפחמן כגז קירור במתקני הקפאה, זאת משום שצפיפותו הגבוהה מכתיבה שימוש בציוד הקטן משמעותית ביחס לתפוקה, צריכת האנרגיה נמוכה יותר במתקני הקפאה (מתחת  C˚35-), ובנוסף, הגז זול וזמין.
עם זאת, התכונות המיוחדות של דו-תחמוצת הפחמן מציבות אתגרים טכנולוגיים מורכבים בפני המתכננים, מתקיני המערכות והצוות הטכני המתפעל ומתחזק את המתקן.
במאמר זה אסקור את התכונות המיוחדות של דו-תחמוצת הפחמן, האתגרים הנגזרים מהן ואופן פתרונם.

הטכנולוגיה
טכנולוגיות מתחדשות של קירור מתבססות על שימוש בדו- תחמוצת הפחמן כגז קירור משני ((GWP=1 כאשר גז הקירור הראשוני הינו בד"כ אמוניה (GWP=0). (קירור עם דו-תחמוצת הפחמן במעגל קירור ראשוני מתבטא בעבודה בתחומים שמעל לטמפרטורה הקריטית שלו ולא יידון במאמר זה)

1. התכונות המיוחדות של דו-תחמוצת הפחמן כגז קירור
התכונות המיוחדות של דו-תחמוצת הפחמן כגז קירור הינן (ציור מס' 1):
• טמפרטורה נמוכה יחסית בנק' הקריטית: C˚31 (בלחץ 73.6 בר)
• לחץ גבוה מאוד ביחס לטמפרטורת הרוויה :
o להמחשה- 10 בר ב C˚40-, 20 בר ב C˚20-, 30 בר ב C˚5-, 40 בר ב C˚5+, 50 בר ב C˚15+, מעל ל 70 בר ב C˚30+.
• לחץ גבוה יחסית ב- 'נקודה המשולשת': 5.2 בר (בטמפרטורה C˚56.6-)

 
ציור מס' 1. התכונות המיוחדות של דו-תחמוצת הפחמן כגז קירור

2. האתגר: טמפרטורה נמוכה יחסית בנקודה הקריטית- C˚31+  בלחץ 73.6 בר
הפתרון הטכני לאתגר הטמפרטורה הנמוכה יחסית בנקודה הקריטית הינו שימוש בגז דו-תחמוצת הפחמן במעגל תת-קריטי, (Sub-critical cycle) קיימות שתי שיטות מובילות לשימוש שכזה:
1) Cascade System: מתקן קסקדה עם מחליף חום ביניים- מאדה אמוניה/מעבה דו-תחמוצת הפחמן: בשיטה זו משתמשים במעגל קירור עם מדחס אמוניה בדרגה הגבוהה ובמעגל קירור עם מדחס דו-תחמוצת הפחמן בדרגה הנמוכה. (ציור מס' 2.1)
2):Brine System  מתקן אמוניה דו-שלבי עם מחליף חום אמוניה/דו-תחמוצת הפחמן בדרגה הנמוכה: בשיטה זו משתמשים במעגל קירור דו שלבי עם מדחסי אמוניה הן בדרגה הגבוהה והן בדרגה הנמוכה ובדו תחמוצת הפחמן כחומר קירור משני בדרגה הנמוכה בלבד. (ציור מס' 2.2)

 
ציור מס' 2.1:  מתקן קירור אמוניה- דו-תחמוצת הפחמן בשיטת Cascade System


 
ציור מס' 2.2:  מתקן קירור אמוניה- דו-תחמוצת הפחמן בשיטת Brine System


3. האתגר: לחץ גבוה מאוד ביחס לטמפרטורה
הפתרונות הטכניים לאתגר הלחץ הגבוה ביחס לטמפרטורה נחלקים לשתי קטגוריות:
לחצי עבודה בפעולה תקינה ולחצי עבודה כאשר המתקן ו/או חלק ממנו אינו בפעולה.

• לחצי עבודה כאשר המתקן בפעולה תקינה:                                                      פתרון בעיית לחצי העבודה הגבוהים מושג ע"י הגדרת ציוד מתאים ל- 3 רמות לחצים במעגל תת-קריטי (ציור מס' 3.1):
o לחץ נמוך עד 25 בר – לדרגת הטמפרטורה הנמוכה בין C˚50- ל C˚15- .
o לחץ בינוני עד 40 בר – לדרגת טמפרטורת הביניים בין C˚15-  ל C˚0.
o לחץ גבוה עד 52 בר – לדרגת טמפרטורה גבוהה בין C˚0  ל C˚10+ (בד"כ להפשרה ב C˚8+).

 
ציור מס' 3.1: הגדרת ציוד מתאים ללחצי העבודה

• לחצי עבודה כאשר המתקן ו/או חלק ממנו אינו בפעולה:
o הדממה: System Stand-still                                                                באופן רגיל אין לאפשר את הדממת המערכת משום שעם עליית הטמפרטורה של החומר והשוואתו לתנאי הסביבה יעלה גם הלחץ ויגיע לערכים גבוהים מאוד ומעל ללחצים המותרים (בתנאי סביבה של C˚30+ הלחץ יעלה מעל ל 70 בר) הפתרונות הטכניים לאתגר זה הינם:
 הזנה מרשת חיונית: גנראטור חירום להבטחת פעולה רצופה גם במקרה של הפסקת חשמל, של חלק חיוני המוגדר כמינימאלי במתקן רב מדחסים.
 התקנת גיבוי של  יחידת קירור עצמאית קטנה לצינון אדי הגז במיכלי ההפרדה – היחידה מקררת את אדי הגז בעת הדממה ומבטיחה כי לחץ האדים במיכלים לא יעלה מעל ללחץ המותר, היחידה מוזנת אף היא מרשת חיונית..
 התקנת שסתומי בטחון מתאימים: במקרה של תקלה השסתומים ישחררו את הגז הזול והזמין לאטמוספרה החיצונית ללא כל חשש לסיכון סביבתי.


o נוזל כלוא: Trapped liquid (ציור מס' 3.2)                                             באופן רגיל אין לאפשר כליאת נוזל בין שני ברזים סגורים במערכת זאת משום שעם עליית הטמפרטורה של החומר והשוואתה לתנאי סביבה של C˚20+ תידרש רזרבת התפשטות של כ 50% ובתנאי סביבה של C˚30+ תידרש רזרבת התפשטות של 100%. הפתרונות הטכניים לאתגר זה הינם:
 התקנת שסתומי פריקה אחורית: השסתומים יפרקו את הלחץ העודף של הנוזל, הכלוא בין זוג ברזים סגורים, לכיוון מיכל ההפרדה.                 (מסומן CO2 Receiver, ראה ציורים מס' 2.1, 2.2)
 


ציור מס' 3.2: נוזל כלוא- אחוזי התפשטות נפח הנוזל הכלוא כתלות בטמפרטורה.


4. האתגר: לחץ גבוה יחסית בנקודה המשולשת- 5.2 בר בטמפרטורה C˚56.6+ 
הלחץ הגבוה בנק' המשולשת מהווה אתגר מיוחד משום האפשרות להיווצרות "קרח יבש" בעת מילוי המערכת, ריקון, או בזמן שירות כדוגמת החלפת אבני ייבוש במסננים. (ראה ציור מס' 4) הפתרונות הטכניים לאתגר זה הינם:
• מילוי: לאחר שמבצעים ואקום, יש למלא את המערכת בדו-תחמוצת הפחמן בפאזה גזית בלבד עד להשגת לחץ של לפחות 6 בר (מעל ללחץ הנקודה המושלשת) ורק לאחר מכן יש להמשיך במילוי פאזה נוזלית. במידה ו"שוברים ואקום" ישירות עם פאזה נוזלית הנוזל יהפוך ברובו לקרח ויסתום את תוך המערכת.
• קווי ריקון משסתומי ביטחון: יש להתקין את שסתומי הביטחון על גג חדר המכונות כך שבעת תקלה, ישחררו את הגז ישירות לאטמוספרה. באופן שכזה יובטח כי קווי השחרור הארוכים לא ייסתמו בקרח (היות ויימצאו בצד הלחץ הגבוה לפני שסתום הביטחון).
• שירות: בעת ריקון חלק מהמערכת לצורך שירות (לדוגמא- במקרה של הצורך להחליף אבני ייבוש) יש להבטיח שחרור נוזל ישירות לאטמוספרה על מנת למנוע ירידת לחץ האדים מתחת לנקודה המשולשת והיווצרות שוק תרמי העלול לגרום לכשל מכני בציוד. (עקב ירידה חדה של הטמפרטורה ל C˚56.6-)

 
ציור מס' 4: מילוי, ריקון ושירות


פרויקטים חלוציים בישראל בשימוש עם דו-תחמוצת הפחמן כגז קירור
חברת "משב" השלימה בהצלחה מרובה את הקמתו והפעלתו של הפרויקט הראשון בישראל, המרכז הלוגיסטי של חברת "אסם" בשוהם, הפועל עם אמוניה כחומר קירור ראשוני ודו-תחמוצת הפחמן, פרופילן-גליקול ומים כחומרי קירור משניים, המתקן נחנך בינואר 2008.
"משב" מבצעת בימים אלה פרויקט ענק שני בשימוש עם דו-תחמוצת הפחמן, מפעל העופות החדש של "עוף-עוז" בשגב שלום, המשלב פעולה של אמוניה ודו-תחמוצת הפחמן במתקן מטיפוס קסקדה.
המתקנים תוכננו ע" משרד המהנדסים "לנצמן-שביט".
ערוך 1016










פי.סי.חץ