co2 article (danfoss industrial refrigeration)
TRANSCRIPT
CO2
Refrigerant for Industrial Refrigeration
Article
Refrigeration and Air Conditioning Controls
R E F R I G E R A T I O N A N D A I R C O N D I T I O N I N G
2 RZ0ZR102 � Danfoss A/S (RC-CM / MWA), 12- 2002
Article CO2 - Refrigerant for Industrial Refrigeration
Contents Page
Introduction .................................................................................................................................. 3
CO2 as a refrigerant ..................................................................................................................... 4
CO2 as a refrigerant in industrial systems ................................................................................... 6
Design pressure .......................................................................................................................... 7
Efficiency ..................................................................................................................................... 8
Oil in CO2 systems ....................................................................................................................... 8
Component size .......................................................................................................................... 8
Refrigerant charge in CO2-NH3 cascade systems ...................................................................... 9
Material compatibility ................................................................................................................. 10
Water in CO2 systems ................................................................................................................ 10
Leaks in CO2-NH3 cascade systems ......................................................................................... 12
Safety valves in CO2 systems .................................................................................................... 12
Safety ......................................................................................................................................... 13
Conclusion ................................................................................................................................ 13
Danfoss valves and controls for CO2 ......................................................................................... 14
� Danfoss A/S (RC-CM / MWA), 12 - 2002 RZ0ZR102 3
Article CO2 - Refrigerant for Industrial Refrigeration
The application of carbon dioxide (CO2)refrigeration systems is not new. Carbondioxide was first proposed as a refrigerant byAlexander Twining [1], who mentioned it in hisBritish patent in 1850. Thaddeus S.C. Loweexperimented with CO2 military balloons, buthe also designed an ice machine with CO2 in1867. Lowe also developed a machineonboard a ship for transportation of frozenmeat.
From reading the literature it can be seen thatCO2 refrigerant systems were developedduring the following years and they were attheir peak in the 1920's and early 1930's. CO2
was generally the preferred choice for use onboard ships whilst ammonia (NH3 or R717)was more common in land applications [2].With the advent of the "Freon" refrigerantsinitially R12, the application of CO2 lessened.The main reason for its decline was certainlythe rapid loss of capacity and pressureincrease at high temperatures.
Ammonia has continued to be the dominantrefrigerant for industrial refrigerationapplications over the years.
Introduction
In the 1990's there was renewed focus of theadvantages offered by using CO2, due toODP (Ozone Depletion Potential) and GWP(Global Warming Potential), which hasrestricted the use of CFC's and HFC's andrestrictions on the refrigerant charge in largeammonia systems.
CO2 belongs to the so-called "Natural"refrigerants, together with e.g. ammonia,hydrocarbons such as propane and butane,and water. All of these refrigerants have theirrespective disadvantages: Ammonia is toxic,hydrocarbons are flammable, and water haslimited application possibilities. Incomparison, CO2 is non-toxic and non-flammable, but has a double role in theenvironment. CO2 is necessary for all life onearth, but is also a green house gas, whichcan change the environment if itsconcentration in the atmosphere changes.
[1] Bondinus, William S ASHRAE Journal April 1999[2] Lorentzen, Gustav Reprint from IIR Conference 1994 Proceedings "New Applications of Natural
Working Fluids in Refrigeration and Air Conditioning"
4 RZ0ZR102 � Danfoss A/S (RC-CM / MWA), 12- 2002
Article CO2 - Refrigerant for Industrial Refrigeration
���������������� �
���������������� ������������������� ������� �� ��������������������������������������������������������������
��������������������������������������������� ��� ����������������������������������� ��������������������������������� �������������������������������������� ������������������������ ������� ���!��"����������������� ���������� ���������!���������� ��������������� ��� ��������������������#��$�������������������������%#&�&'���"��������� ����������(�� ��������������)������� �(��������� ���������
������������������ ����������� ��������������������*+�&������������������� ����������������,�+�'���"���������������� � ������� ���� ���� ��������������������� ��������� ��� ���������������)������
�������������������������� ��������������������� �������� ����������������������� ��� �� ������������������
� �������������������������������� ��� ����������������� � �������������������� ������� ��� ����
� ���������� ����������������������� ��������� ��!������������!�
� "��� ���������������
���������������� ��� �������� �����
���� �� ������������������������ ������
������������������ ������������� ������
1
10
100
1000
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Temperature (°C)
Pre
ss
ure
(b
ar)
Liquid
Solid
Vapour
Supercritical
CO2 Phases
Triple point
CO2
1
10
100
-200 -100 0 100 200 300 400 500
Enthalpy(J)
Pre
ss
ure
(b
ar)
Solid - Vapour
Liquid - Vapour
Liquid
Solid
Solid - Liquid
73.6
-5.2
- 78.4°C
+31°C
1
10
100
-200 -100 0 100 200 300
Solid - Vapour
Liquid -
Liquid
Solid
Solid -
-
Vapour
56.6°C
Supercritical
Pressure Temperature Pressure Temperature
Triple point 5.18 bar –56.6°C 0.06 bar –77.7°C
Critical
pressure73.6 bar (31°C) 113 bar (132°C)
CO2 NH3
� Danfoss A/S (RC-CM / MWA), 12 - 2002 RZ0ZR102 5
Article CO2 - Refrigerant for Industrial Refrigeration
���� �������������� ��������� ��� ����������������������������������������������������� ��������������������������������
�����������������-��������������������.'������������������������� ���#*����������������������������������������������������)���������� ������� �������
���������������������������������������������������� ������-���� ������������������ ������������������ ������ ���� �����������)����������� ��� ���� ��������� ������������� ��� ����� ���������
���� ����������� � ������������ !����� ������� ��� �� ���������� ���� ��� � ������������������������������ ��� ��� �� ��������� ��������������-��������������������������������������������������)��������������������������������� ��� ���� ��������� �������������� ����� /���!�
������������������ ������
���� �������������������� ��������������������� ������ �� �������� � ���������������������������������������� ����������� �)� ������� ���� ��(��������� ������������ �0�������������������� �����)� )����� ��������� ���� ����������������������� ��������� � ������������� � ����
������������������������������������������������������������������������������� �������������������� ����������1����1� ����������� �������������� ������2���� ������ �������� � �������� ���������������������&����*�
���� �� !��"�"��� �#$ %� ��
���� &�� !���"�"��� �#$'#� ��
6 RZ0ZR102 � Danfoss A/S (RC-CM / MWA), 12- 2002
Article CO2 - Refrigerant for Industrial Refrigeration
������������������������������������
3�������#��������� ���������������������������������� %4.'�!������������������������������������� ������������������ ����� ������� �� ���� �����������������
������������������������������ ��������������������� �(�������� �����������������������)�����������)������������������������� ���)��������������������������������������)���
�����)������������� ���������������������������������������������������������56���������������������������������������������)���������������56���������
3�������&��������������������������������#������� ������������������������������������
���� %��(��������)*�*$����"��"����������
����+��(��������)*�*$����"��"�����������,����������������� �
R717
CO2CO2
+30°C (12 bar)
–20°C (1.9 bar)
+30°C
–20°C
–15°C
–40°C
Pre
ss
ure
Enthalpy
–15°C (23 bar)
–40°C (10 bar)
Pre
ss
ure
Enthalpy
CO2
Pre
ss
ure
Enthalpy
CO2
R717
–40°C
CO2 evaporator
CO2 compressor
CO2-receiver
CO2-R717 Heat exchanger
R717 Heat exchanger
R717
COCO
+30°C (12 bar)
–20°C (1.9 bar)
–15°C (23 bar)
–40°C (10 bar)
+30°C
–20°C
-40°C
–40°C
Pre
ss
ure
Pre
ss
ure
Enthalpy
Enthalpy
CO2
R717
+8°C
+8°C (43 bar)
–15°C
CO2-
CO2 compressor
CO2 defrostcompressor
CO2-receiver
CO2 evaporator
2
�������������������������
�������������������������������������������������
� Danfoss A/S (RC-CM / MWA), 12 - 2002 RZ0ZR102 7
Article CO2 - Refrigerant for Industrial Refrigeration
3�������*��������� ���������������������������������� %4.'�!��������������1����1��������������������������������������� ����������������������������������� ���������������������� �(�������� ���������
��������������)�����������)����������6������������� ���)��������������������������������������)���������)������������������������������������56���������������������������������������������)��������������56���������
������������������������������������ ������
������������� ����������������������������������0����������������� ���� ���������� ���� ��������������
����*��(��������)*�*$����� ��������
R717 Heat exchanger
R717
COCO
+30°C (12 bar)
–45°C (0.5 bar)
–40°C (10 bar)
+30°C
–45°C
–40°C
–40°C
Pre
ss
ure
Pre
ss
ure
Enthalpy
Enthalpy
CO2
R717
–40°C
CO2-
CO2-receiver
CO2 evaporator
2
��������������� ������ ����� ��� ���������������������������� �������)����������������������������0�����������������
● -���� ���������� ���������������������������������0�������� �(�������������������� �)� ������������������������������ ��� ����� ���� ��������� ��������
● 7������� �������������������������)���� ��������8����������)���������������� �������������� ���� ��������������
● 7������������ ������������������������� �������������������������� ��������� ������������ ��������$.����!
3����7�����9������������ ������ ������������� ����������������� ����� ����������� � ������������� ��� ��������� ��� ������ �� ��� � ��������� ������������� ������������ ��������� �(��������
��7������������������������������������������
7������������������ ������������������������������������������� ���� ����� ��������� ������� �������������������������!������������������������������������������������������� ����� ��� ����������������� ���� ������� ���������������������������:������������������������;2<#.����������������� ���������������������������������������������=�.'����������������������������='�� ��4+�=�������>���������.?���������������)� )��������������#?�����������������0��������(������������������������;2�@#.������� 2����������$����=!�
�������������������������������������������������- �������������������������)��������������������������������������� ����������)�� ��� ������������ �� ������������ ��� ��������������
����������������������
8 RZ0ZR102 � Danfoss A/S (RC-CM / MWA), 12- 2002
Article CO2 - Refrigerant for Industrial Refrigeration
Practical limit: PS Psaturated +15%
Design pressure
Pressure peaks 5%
Saturated pressure10%Safety valve
≥
CO2
20
25
30
35
40
45
50
55
60
-30 -20 -10 0 10 20
Design temperature (°C)
Pre
ss
ure
(b
ar)
Design pressure (bar-g): PS + 15 %
"Saturated"pressure (bar-a)
PS + 10% (bar-g)
PS 50
PS 40
PS 25
����'
����-
������� I����56������������������ ��� �����������������������������������"���������������������������� ���� �� ����������������������������������������������)��������������������������������� ���� � �����
������������� ������
���������������� "�����1����1������������������������ �������������������� � ����������������� ������ ������� �������� �� �������� ����������3�����������������������
�����������!� 7�������������������������������������������������� ��������� ���)���������������� �)� ����� ����������� ��������� ��� ��������� ������������������������������56�����������
. / !���"0�1� 2�� 334)�4��� ��)������� ��� ��� "������5���� ��� �##�
6���)���� ������������ �������������
��)�����������������������������������������������������)��� �������������������56�
��������������� ������ ���������������������������������� �56���������A+B�
)������������������������� ������������������������������������������������)����������6���)���������(������������ �)� )��������� ������������������������������1���1�
��������� �� ���� )������ �������� ��� ��������� �(���� �������� ������ 2�����������.�����!�
� Danfoss A/S (RC-CM / MWA), 12 - 2002 RZ0ZR102 9
Article CO2 - Refrigerant for Industrial Refrigeration
���������������������"#�����������������
C5�+*$�� ������������������D����������� ����� �� ����������� ��� ������� ����D��������������������C)���������56������������������������������������(����������)������������������������������������������������ ��� �� �����C�����������������������������������������������������
67������)��� � � ������� �������������""���� ��������,�����"���"�������##�021�""���� �������� 1������� ��������5��������������������������5���������������"�5��� ��8�
67������9:��� � ������� �������������""���� ��������,�����"���"�������##�021�""���� �������� 1������� ��������5����5���"���� #�-��$��
�����������!� ������
Wet suction line
Wet suction line
0
20
40
60
80
100
R717 CO2
DN
0
5
10
15
20
25
R717 CO2
0
0.1
0.2
0.3
0.4
R717 CO2
∆p
(b
ar)
Wet suction line
Wet suction line
Ve
loc
ity
(m
/s)
∆p
(b
ar)
Liquid line
Liquid line
DN
Liquid lineLiquid line
05
101520253035
R717 CO2
0
0.05
R717 CO2
$�����%�&&�'()�������*�+,�������-�&).� �/��
$�����%�&&�'()�������*�+�0���� 1�
�����8�������56����������-����56�
������������������������������ �������������56������� ��������������� �������������������������������������� ����������������)������������������������������������������ ��� ���������������� ��� � ��� ����
�����#
������
10 RZ0ZR102 � Danfoss A/S (RC-CM / MWA), 12- 2002
Article CO2 - Refrigerant for Industrial Refrigeration
2����������������� ���� ��� �������� �������� ������ � ��������� ���������� ���� �0��56������������������������������������������ ������������)������������������������������������������ ���������������� ���������������������� ����>����������������)��������������� ������������ �����������
��������������� ������������������� ������������������������ ��� ����������������� ��������� ������������������� ��� �����������������������)�������������� ����������������������������������������������� ��� ��������������)��������������������� � ������� �
���������������������������������������������������������������������������������
67��� ��� �������������������� ������������������������������������������������������������������������������������� ����� ��������������������������������� �����������������������������������������������
7����������������������������������������������� ����� ��������� �� ������ ���� �������������������������������������������� � ��������������������)����������������������������������������������)��������������������������������� �������������������������������� )������ �������������������0����� ������������� 2���� ����� �� ����
�� ��������������������� �����������������������(����������������������������������� ��� ������� ��:�������������������� ������������������ ���������������� ������������ ��������� �������������� ������ ���������������������6���)���� ���������������������� ������������ �������� � ������������� ��� ��������� ������������������� ����� ���� ��������������
(������������������ "�56������������������ �0����������������������������� ����������� ������������������� ��� ������������� ���� ����������� ��� ���������������(������ ������������������������������������������56��������� ����������)������� ��������� �������������� ��������������
��������������������� �����������������������������#� ����������$�������������� ���� ��������������������� ��������������������� ���������������������������������%&'������������ ������������������������������������������
Relative permeation
coefficient
Relative diffusion
coefficient
Relative solubility
coefficient
Q D S
N2 - Nitrogen 1 1 1 1
CO2 – Carbon Dioxide 24 1 24 24
CH4 - Methane 3.4 0.7 4.9 7
He - Helium 15 60 0.25 0.004
O2 - oxygen 3.8 1.7 2.2 1.29
S/D
6�������������������������������������E
● ���������������������������� ���� �������)�� ���� ������������ ��������F� ������������������������0������� ��0������������������������6������������������
● :��������������������������������������������������������2������������� ���� ���)�����������������������
● ��������������������)����������������������� ��� ������������� ����������� �� ������������ ����������(����������"�������������������������������������������������������������� ���������� ������ ����������"��������������������)������������� �������������������� ������������
.&/ 9��� ����1�;��� � �����������<� 1�6��� �������� ��4��:���=����33����33)�������� �;�1;��� ��6�1�������> 5����
� Danfoss A/S (RC-CM / MWA), 12 - 2002 RZ0ZR102 11
Article CO2 - Refrigerant for Industrial Refrigeration
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60
Temperature [°C]
mg
of
wa
ter/
kg
of
refr
ige
ran
t [p
pm
]
CO2
NH3R134a
R22
R404A
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20
Temperature [°C]
mg
of
wa
ter/k
g o
f re
frig
era
nt
[pp
m]
CO2 + H2O gasPhase
CO2 +
ICE
CO2 +
WaterCO2
Water Solubility in Refrigerants.
Liquid Phase(Y-Axis Linear)
0
500
1000
1500
2000
2500
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60
Temperature [ oC]
mg
of
wate
r/kg
refr
igera
nt
[pp
m]
Water Solubility in Refrigerants.
Gas Phase(Y-Axis Linear)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60
Temperature [oC]
mg
of
wate
r/kg
of
refr
igera
nt
[pp
m]
CO2
CO2
R134aR134a
���� ���� 2���� ��������
���� � �� 2���� ��������
(������������������ ������
������������ ����������������������
�������� �������� ����� ���� �������������������� ������ ������������
"�������������������������������������������������������������� ���.'�������������� �����8����������������0�������� ���������(������� ������������������� ��0�������� )� )���
�������������)�������� ���������)���������������������������������
7����������������)������������������������ ��������������� �(���� �������)������ ���������� ��������� ������ ������������
���� � ����������� ��� ��� ��� �������� ���������������� �
12 RZ0ZR102 � Danfoss A/S (RC-CM / MWA), 12- 2002
Article CO2 - Refrigerant for Industrial Refrigeration
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20
Temperature [ºC]
mg
of
wate
r/kg
refr
igera
nt
[pp
m] "Wet"
"Dry"
�����%������ ���������,��� ��������� �� �"���
3��'��������"#����������������
���������������� � ��0��������56������������������� ����������������������������������56����������������������������� ������������������56���������� ��0��� ��������������56������������������ �������
(������������������ ������
������������ ���� �� ��� ���������������� ��������� ��� ������� ��������� ��������������������������56���-�������������������������)��A#B�
4������5��5��������
�������7�������������������������������������������������� ����������� ���������������� ���������������������������������������� ������������������������� ���� ������������� ����������������"�����������)� )����������������������������������#.���������������������������������� ��� ��!� �������������������)� )��� �������������� ����������#��������>� ���������� �������������� ������������������������
�(�������)������������������������� �����)������������������������� ���������������������� ������� ������������������ ��0������ ������������������������ ���������������� �������������������������)� )�������������� ��� ���������� ����������� ���������������������������������������������������������0��� ���������� �������)� )�������G��������������)� )������������������� ���� ����������
���� �&��!=��������� �"��� � ������
CondenserEvaporator
��������������� ��������������������
�����������
�������������� �������������
������� ����� ������� � ������
.%/ ;���������� 1� � 9�������� ��� ����"����������1�(� �����4$!33����33)�������� ��;�1�;�1�6��� ��6����4�����(� ��0��''+
� Danfoss A/S (RC-CM / MWA), 12 - 2002 RZ0ZR102 13
Article CO2 - Refrigerant for Industrial Refrigeration
�����+�����,� ���, ������� ��������������5��5��
-�����)���� ��������������� ���� ������������������������������������� �0��56������
���� �� ��������)�� ��� �
The availability of components for CO2
industrial refrigeration systems havingreduced pressure to approx. 30 bar is good.Several manufacturers of equipment for thetraditional refrigerants can also supply somecomponents for CO2 systems, but theavailability of higher-pressure components forCO2 industrial refrigeration systems is limited.An important factor in the speed of
introducing CO2 systems, is very muchdependent on the availability of criticalcomponents for high pressure CO2.Within the area of industrial refrigeration, CO2
will not replace ammonia. The industrial CO2
systems are all hybrid systems, which alsorequire ammonia on the high temperatureside of the system, but only with a smallammonia charge.
4������5��5��������
������� ������
4�����
���������
�������������� ����� ������������������ �������������������� ��0����������"��������������������������������������������������������������������������������:���� ��� ��� �����������
����������� �����������������������������
�������7������������������������������������������������� ��� ����������������������������� �� �������������������������� ������������������������������������������������ ����� �
���� ������������������������� ������ ������������������������������������������� ����������������������������������
.�.4? ����������� �� ��������������������? #.?��������� ���������������+? �.�������������� �������������� ����F
�..?� �������� ����������� ����#? +..?��������� ����������������
��������������������������������������������������� ���������� ��������������
������������ ��� ���������� ��������
$? 2����� �������������� ����
$�.? 6���������������.�����#��������7�88��������88���������������� ������������ ��������� ����� �� ��� �������������������������
�.�$? -������� ����������������������� �������� ������ ������ ��������������������������0 ��������������������� �����������!�����)�����������)���)���(���0 ��������������
�$�.? 2������������ ��� ��� ��������������0��
��������������������������������(��������������
.+/ 4�����1� 8��� 4=4�=����� ����0��'-%� 3!;��'��'*##+����&
CO2
1
10
100
-200 -100 0 100 200 300 400 500
Enthalpy (J)
Pre
ss
ure
(b
ar)
Solid - Vapour
Liquid - Vapour
Liquid
Solid
Solid - Liquid
73.6
-5.2
- 78.4°C
+31°C
1
10
100
Solid - Vapour
Liquid -
Liquid
Solid
Solid -
-
56.6°C
Supercritical 50 bar
at the
Safety valve 35 bar
Safety valve
Safety valve 35 bar
0% solid CO
triple point
Vapour
2
at the
Safety valve 50 bar
5% solid CO
triple point2
14 RZ0ZR102 � Danfoss A/S (RC-CM / MWA), 12- 2002
Article CO2 - Refrigerant for Industrial Refrigeration
Danfoss industrial refrigeration valves havebeen used for CO2 systems for more than 15years. The CO2 systems have beenrefrigeration, process and fire fightingsystems where the pressure has been limitedto 25 bar. During the last few years, Danfosshas supplied an increasing number of valvesfor several CO2 systems at different pressurestages up to 50 bar.
Danfoss valves andcontrols for CO2
Today, Danfoss is offering a broadprogramme of industrial products applicablefor CO2, however this is dependent ondemands regarding the design pressure. Thetable below includes the componentsavailable for the different pressure stages.
�����������������������������
All marked components areapplicable for CO2 in thestandard execution.These components areapplicable for CO2 40 bar or50 bar.
High pressure components
DN PS
25
bar
PS
40
bar
PS
50
bar
Modulating liquid level regulators PMFL PMFH all 25-65
Main Valves, Solenoid Valves PM1 PM3 PML PMLX all 25-125
Pilot Valves for PM Main Valves EVM
Other pilots
Motor Regulating Valves MRV all 25-65
Motor Expansion Valves MEV all 25-65
Float Valves HFI 100, 150 100 - 150
SV 1-3 & 4,5,6
Stop Valves SVA 15-200 15-200
SVA 250, 300 250-300
Regulating Valves REG all 15 - 40
Stop Check Valves SCA all 20-125
Gas Powered Stop Valve GPLX 80, 100, 125 80-125
SFV 15, 20, 25 15 - 25
BSV 8 8
DSV 32 32 **) 1
POV 40, 50, 80 40-80
Filters FIA all 32-200
NRVA all 15 - 65
NRVS 20, 25, 32 20-32
CHV all 20 - 40
Solenoid Valves EVRA all 15-40 **) 1
EVRS all 15-25 **) 1 **) 1
Liquid Injection AKVA all 15-40 **) 1
Level Indicator AKS 45 all
The product can
be used in
standard version.
All products are
CE approved
The product must
be manufactured
in a special
version (design
modif ication,
higher test
pressure, marking
All products are
CE approved
and documentation).
Safety Valves and Change Over Valves
Check Valves
The product must
be manufactured
in a special
version (higher
test pressure,
marking and
documentation).
All products are
CE approved
Danfoss industrial refrigeration
In connection with the CE approval of thesevalves, Danfoss has implemented productmodifications and approved them for themaximum pressure. The products aresubject to specific testing and marking,but all of them are CE approved.
CO2
20
25
30
35
40
45
50
55
60
-30 -20 -10 0 10 20
Design temperature (°C)
Pre
ss
ure
(b
ar)
Design pressure (bar-g): PS + 15 %
"Saturated"pressure (bar-a)
PS + 10% (bar-g)
PS 50
PS 40
PS 25
� Danfoss A/S (RC-CM / MWA), 12 - 2002 RZ0ZR102 15
Article CO2 - Refrigerant for Industrial Refrigeration