ТРАНСКРИТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ, РАБОТАЮЩЕЙ НА УГЛЕКИСЛОМ ГАЗЕ

АННОТАЦИЯ

Рассматриваются особенности диоксида углерода и основные отличия транскритического цикла диоксида углерода от традиционного цикла холодильной машины.

ABSTRACT

The features of the carbon dioxide and the main differences between carbon dioxide transcritical cycle from the traditional cycle chiller are considered.

Ключевые слова: диоксид углерода; холодильный агент, диоксид углерода; озоноразрушающий потенциал; потенциал глобального потепления.

Keywords: carbon dioxide; refrigerant, carbon dioxide, ozone depletion potential; global warming potential.

В холодильной технике находят все большее применение природные хладагенты, такие как углеводороды, диоксид углерода и аммиак. Это вызвано ограничением и прекращением использования озоноразрушающих веществ в соответствии с Монреальским протоколом 1987 года, а новые альтернативные синтетические озонобезопасные хладагенты оказались веществами, вызывающими парниковый эффект и тоже попадают под ограничение, но уже в соответствии с Киотским протоколом 1997года и Парижским договором 2015г. В этой связи повышенный интерес проявляется к диоксиду углерода (R744). R744 не является новым хладагентом. Он применялся в первых парокомпрессионных холодильных машинах наряду с аммиаком и сернистым ангидридом, но с открытием синтетических хладагентов в 1930 году был надолго забыт по причине высоких значений рабочих давлений. Возврат к R744 обусловлен тем, что он является природным экологически чистым веществом. Озоноразрушающий потенциал его равен нулю ODP=0, потенциал глобального потепления принят в качестве эталона и равен единице GWP=1, нетоксичен при малых концентрациях в воздухе и не горюч. Цена R744 невысокая по сравнению с новыми фреонами и нет необходимос­ти в его восстановлении и утилизации, так как он является доступным и дешевым веществом. [3]

Ход исследования. Достоинством R744 является высокая объемная холодопроизводительность, которая примерно в 5-8 раз выше по сравнению с другими хладагентами, совместимость с конструкционными материалами и смазочными маслами, низкая степень сжатия, высокая плотность и отличные свойства теплопередачи. В таблице.1 представлены свойства R744 в сравнении с другими хладагентами.

Таблица 1.

Свойства R744 в сравнении с другими хладагентами

Основной недостаток R744 как указывалась выше, это низкая критическая температура и высокие значения рабочих давлений, что предъявляют специальные требования к оборудованию. Особенностью циклов холодильных машин, работающих на диоксиде углерода, заключаются еще в том, что они осуществляются в близи и выше критической области. При отводе тепла в условиях ниже критической температуры (для R744 ниже 31⁰С) цикл называется докритическим (субкритическим). Учитывая разницу температур необходимую для теплообмена практический верхний предел температуры окружающей среды для осущеcтвления докритического цикла на R744 составляет +20⁰С. Докритический цикл холодильной машины, работающей на R744, отличается от традиционного цикла паровой компрессионной холодильной машины лишь более высоким значениями давления кипения и конденсации. На рисунке 1 показана условная диаграмма давление - энтальпия диоксида углерода. Как видно из рисунка температура тройной точки, при которой вещество существует в трех агрегатных состояниях соответствует – 56,6⁰С, а давление 5,2 бар. Как известно при давлении ниже давления в тройной точке диоксид углерода может находится в газообразном или в твердом состоянии. При атмосферном давлении твердый диоксид углерода сублимирует при температуре – 78,4⁰С.

Рисунок 1. Диаграмма давление- энтальпия СО₂

При отводе тепла от холодильной машины в условиях выше критической температуры и давления цикл называется транскритическим (сверхкритическим). Как известно при температурах выше критической вещество существует только в газообразном состоянии. В традиционном парокомпрессионном цикле температура конденсации выбирается в зависимости от температуры охлаждающей среды в конденсаторе и соответствующее давление насыщения берется как давление конденсации.

При сверхкритических условиях точки насыщения не существует и давление газа не зависит от температуры хладагента на выходе из газоохладителя. При этом с повышением давления нагнетания холодопроизводительность цикла возрастает.Как видно из рисунка 2 прирост холодопроизводительности ΔQ₀, выше прироста работы сжатияΔL_c.Исследования показывают что при фиксировнной температуре кипения имеется оптимальное значение давления нагнетания при котором холодильный коэффициент будет иметь максимальное значение. Оптимальное значение давления в газоохладителе находится по уравнению [1];

Р_опт=2.6Т_г2+8                                                           (1)

где -Т_г2 температура газа на выходе из газоохладителя в градусах Цельсия.

Это уравнение справедливо при температурах газа на выходе из газоохладителя от 38^оС до 53^оС.

Результаты исследования. Таким образом, первое отличие транскритического цикла от традиционного парокомпрессионного цикла заключается в том что конденсатор заменен газоохладителем в котором не произходит изменение агрегатного состояния хладагента.

Второе отличие, заключается в том ,что регулирющий вентиль призван регулировать высокое давление хладагента в газоохладителе и выполнять фукции расширительного устройства.

Рисунок 2. Сверхкритический цикл холодильной машины

Выводы. Транскритический цикл на R744 нашел свое применение в малых холодильных системах в таких как автомобильные кондиционеры воздуха, охлаждение прилавков, а также в систамах охлаждения супермаркетов в регионах с умеренным и холодным климатоми внебольших тепловых насосах.В крупных промышленных установках транскритический цикл не используется. Так как, в газоохладителе фазовый переход не осуществляется, при прохождении через него температура диоксида углерода продолжает понижаться. ТеплоемкостьR744 при охлаждении также изменяется. Разница температур между охлаждающей средой и диоксидом углерода в газоохладителе обычно составляет половину аналогичной разницы температур при конденсации хладагента. Чтобы добиться максимальной производительности, газоохладитель выполняют в виде теплообменника противоточного типа.

Простейшая транскритическая установка состоит из компрессора, газоохладителя, испарителя и расширительного устройства (дроссельного отверстия или капиллярной трубки). В простейших установках нет регуляторов давления, и они, следовательно, работают при оптимальном высоком давлении и максимальной производительности при данных неизменных условиях работы. Однако в реальных условиях параметры охлаждающей среды могут меняться в широких пределах. С понижением температуры наружного воздуха сверхкритический цикл переходит в докритический и это требует оснащения холодильной установки дополнительными компонентами обеспечивающих такой переход [2].

 Рисунок 3. Схема простейшей холодильной установки, работающей в транскритическом режиме

Одним из вариантом, является использование термостатического клапана для регулирования температуры охлаждения газа. Для регионов с умеренным и холодным климатом наиболее перспективным для систем охлаждения супермаркетов является транскритическая бустерная система. Она более экономична в сравнении с системами, работающими на фреоне R404a, и в то же время отличается простотой конструкции. Типичная транскритическая бустерная система на R744 разделяется на три секции: высокого, среднего и низкого давления.

Секция высокого давления начинается с компрессора высокого давления, проходит через газоохладитель и теплообменник на всасывающей линии, а заканчивается клапаном регулирования высокого давления. Расчетное давление в этой секции, как правило, составляет от 90 до 120 бар. Секция среднего давления начинается от расширительного клапана высокого давления, где поток разделяется на газ и жидкость в ресивере. Газообразная фаза отводится во всасывающую линию компрессора высокого давления через перепускной клапан. Жидкая фаза подается к расширительным клапанам, где происходит ее расширение перед подачей в низко температурный и среднетемпературный испарители.

Рисунок 4. Схема транскритической бустерной системы с газовым перепускным клапаном

Газообразный R744 из низко температурного испарителя сжимается в низко температурном компрессоре и смешивается с газами, поступающими из средне температурного испарителя и перепускной линии. Отсюда газ подается во всасывающую линию компрессора высокого давления и заполняет контур. Расчетное давление в средне температурной секции обычно составляет 40–45 бар, а в низкотемпературной секции 25 бар. При этом все чаще средне температурная и низко температурная секции рассчитываются на одинаковое давление.

Список литературы:

1. SHERPHAPROJECT – Ahmed BENSAFI – Bernard THONON. Transcritical R744 Heat Pumps – Technician's Manual.2007г. С. 16.
2. Системы охлаждения на CO₂ для продовольственных магазинов розничной торговли. Проектирование транскритических и субкритических систем на CO₂ и подбор необходимого оборудования, производимого компанией «Данфосс». Руководство по применению. 2012г.стр.6.
3. Применение диоксида углерода (СО2) в холодильных технологиях. Г.А. Горбенко, д.т.н., И.В. Чайка, П. Г. Гакал, к.т.н., Р. Ю. Турна, компания «ЕС-Инжиниринг». Технические газы. — 2011г. С. 4.
4. Электронный ресурс www.danfoss.com/CO₂