Zarówno amoniak, jak i dwutlenek węgla, są czynnikami roboczymi o długiej tradycji stosowania w układach chłodniczych. Amoniak, stosowany w chłodnictwie niemal od zarania tej dziedziny techniki – jest traktowany jako czynnik perspektywiczny dla wielu aplikacji, także w obszarze stosunkowo niewielkich wydajności chłodniczych poniżej 20 kW (a nawet na poziomie kilku kW). Z powszechnego stosowania dwutlenku węgla w chłodnictwie zrezygnowano jeszcze przed pierwszą wojną światową. Dziś jego znaczenie uległo dramatycznej zmianie, bowiem podobnie jak amoniak – czynnik ten jest traktowany jako perspektywiczny w wielu zastosowaniach.

     Należy wspomnieć, iż czynniki te są płynami naturalnymi, co stanowi jedną z kluczowych przesłanek powrotu do szerszego stosowania tych substancji w technice chłodniczej, klimatyzacyjnej i pomp ciepła [1, 2]. Zasadnicze znaczenie w zakresie perspektywicznych zastosowań płynów roboczych w chłodnictwie ma szereg aktów prawnych sankcjonujących w mniejszym lub większym stopniu stosowanie czynników syntetycznych. Do aktów tych należy przede wszystkim Dyrektywa 2037/2000/WE, na mocy której wprowadzono krajową ustawę ozonową, w której wyeliminowano z zastosowań w nowych układach czynniki syntetyczne z grup CFC oraz HCFC. Z kolei Dyrektywa 842/2006/WE nakłada wiele zobowiązań w zakresie stosowania czynników należących do grupy HFC, mających na celu zminimalizowanie ich emisji do atmosfery. Należy przypomnieć, że w roku 2011 planowane jest dokonanie oceny efektywności podejmowanych działań obniżających emisję czynników o wysokim potencjale tworzenia efektu cieplarnianego, zatem można spodziewać się dalszego ciągu restrykcyjnych działań wobec zastosowań tychże czynników roboczych. Z zasady bowiem czynniki robocze syntetyczne (grupy HFC oraz FC) są to płyny o bardzo wysokim potencjale tworzenia efektu cieplarnianego GWP [3]. Sytuacja stwarza szczególne uwarunkowania do zastosowań płynów naturalnych, takich jak amoniak i dwutlenek węgla, których potencjał tworzenia efektu cieplarnianego jest ekstremalnie niski.
     O efektywnej emisji gazów cieplarnianych przez układy chłodnicze, klimatyzacyjne i pomp ciepła nie decyduje jednak sam potencjał tworzenia efektu cieplarnianego GWP, bowiem wskaźnik ten obejmuje jedynie emisję bezpośrednią – wynikającą z emisji czynnika roboczego do atmosfery wskutek nieszczelności, wycieków eksploatacyjnych w trakcie obsługi układu oraz jego likwidacji. Znacznie większa jest emisja pośrednia, spowodowana emisją gazów cieplarnianych podczas produkcji energii napędowej tych układów (przede wszystkim energii elektrycznej). Oznacza to, iż uzyskanie wysokiej efektywności energetycznej jest kluczowym zagadnieniem dzisiejszego chłodnictwa, a w tym przede wszystkim z zastosowaniem naturalnych płynów roboczych. Rozpatrywane są zatem liczne modyfikacje jednostopniowego układu chłodniczego umożliwiające poprawę efektywności energetycznej [4].
     Z teorii obiegów lewobieżnych wiadomo [3, 6, 7, 8], że zastosowanie układów dwustopniowych bądź kaskadowych pozwala na uzyskanie znaczącej poprawy efektywności energetycznej, zwłaszcza w zakresie bardzo niskich temperatur parowania. Uzasadnia to powszechne stosowanie układów dwustopniowych dla amoniaku w zastosowaniach niskotemperaturowych. Jednakże w obiegu dwustopniowym zarówno dolny jak i górny stopień urządzenia pracuje na tym samym czynniku chłodniczym, dlatego zakres zastosowań tych obiegów ograniczony jest [5, 6]:
● temperaturą krzepnięcia czynnika;
● niskim ciśnieniem parowania;
● bardzo dużymi gabarytami poszczególnych podzespołów urządzenia.

     Ograniczenia te nie dotyczą natomiast układów kaskadowych, w których ciepło parowania jest przekazywane do otoczenia za pomocą kilku kolejnych obiegów jedno lub dwustopniowych, połączonych ze sobą wymiennikiem kaskadowym zwanym skraplaczo-parownikiem. Urządzenie kaskadowe pracuje na dwóch lub więcej czynnikach chłodniczych w zależności od tego, z ilu połączonych kolejno kaskad się składa. W urządzeniu kaskadowym można tak dobrać płyn roboczy poszczególnych kaskad, aby był optymalny do wymaganych warunków pracy.
     W układach dwustopniowych pracujących na jednym czynniku chłodniczym wyznaczenie temperatury międzystopniowej dokonywane jest w oparciu o prostą zależność zakładającą równość sprężów w obydwu stopniach. Dokładne obliczenie optymalnej temperatury międzystopniowej, dla której osiąga się maksymalną efektywność energetyczną COP, wymaga jednak szczegółowej analizy dla konkretnej konfiguracji układu.
     Wyznaczenie temperatury międzystopniowej w układach kaskadowych jest zagadnieniem nieco bardziej złożonym, ponieważ układ kaskadowy pracuje z dwoma lub więcej płynami roboczymi. W dostępnej literaturze nie ma jednoznacznych wytycznych do wyznaczenia temperatury spięcia międzystopniowego: istnieją jedynie ogólne wytyczne aby posługiwać się wartościami średnimi [10, 11, 17]. Bardzo ważnym zagadnieniem jest dobór temperatury spięcia międzystopniowego na odpowiednim poziomie, gdyż wpływa ona na pracę i wydajność całego urządzenia. Źle dobrana temperatura międzystopniowa powoduje, że obiegi połączone w kaskadzie nie współpracują ze sobą w najbardziej optymalny sposób.

Porównanie wybranych czynników chłodniczych z amoniakiem i dwutlenkiem węgla
     Poniżej dokonano porównania efektywności energetycznej jednostopniowego obiegu z dochłodzeniem dla czynników: R22, R134a, R404A, R410A, R507, R717 i nadkrytycznego obiegu R744. Na rys. 1 zamieszczono porównywane obiegi, zaś wyniki porównania dla warunków: zakres temperatury parowania od -25 do -10°C, temperatura skraplania: +30°C, dochłodzenie 5K, ciśnienie w obiegu nadkrytycznym 100 bar – zamieszczono w tabeli 1.

     Jak można zauważyć na podstawie zaprezentowanych danych w niskim zakresie temperatury parowania amoniak R717 jest lepszy niż inne czynniki, w porównaniu z czynnikiem R507 zaś w całym zakresie. Wydajność chłodnicza obiegu nadkrytycznego R744 jest mniejsza od obiegu parowego, realizowanego przez pozostałe czynniki w całym zakresie analizowanej temperatury parowania. Dzieje się tak ponieważ instalacja jednostopniowa na CO₂ pracuje w warunkach nadkrytycznych, czyli w skraplaczu nie zachodzi proces skraplania pary czynnika chłodniczego, lecz ochłodzenie gazu, skraplacz wówczas traktuje się jako wysokociśnieniowy wymiennik ciepła. Im wyższe jest ciśnienie sprężania tym efektywność energetyczna osiąga niższą wartość. Ze względu na to dwutlenek węgla staje się konkurencyjnym czynnikiem chłodniczym przy niższych temperaturach skraplania (poniżej 0°C) i parowania (do ok. -56°C i przy ciśnieniu powyżej 6 bar). Stąd też wynika idea zastosowań tego płynu roboczego w niskich stopniach kaskadowych urządzeń chłodni-
czych.

Analiza porównawcza obiegów dwustopniowych
     W poniższym rozdziale przeprowadzona zostanie analiza porównawcza obiegów:
● kaskadowego CO₂ /NH₃ (rys. 2),
● dwustopniowego NH₃ z dochłodzeniem cieczy w wężownicy i podwójnym dławieniem (rys. 3),
● dwustopniowego obieg NH₃ z dochłodzeniem w chłodnicy międzystopniowej i jednostopniowym dławieniem (rys. 4),
● oraz obiegu dwustopniowego CO₂, którego górny stopień pracuje z parametrami nadkrytycznymi (rys. 5). (...)

Obliczenia układu kaskadowego CO₂/NH₃
(...)

Podsumowanie
     Na podstawie przeprowadzonej analizy obiegów kaskadowych oraz dwustopniowych z zastosowaniem amoniaku i dwutlenku węgla można wyciągnąć wniosek, że efektywność energetyczna COP obiegu kaskadowego CO₂/NH₃ przy założonych parametrach obliczeniowych osiąga maksymalną wartość dla temperatur spięcia międzystopniowego wynoszących (-10;-15)°C, zaś dalsze obniżanie tej temperatury powoduje spadek efektywność energetycznej obiegu. Instalacje kaskadowe CO₂/NH₃ są korzystniejsze energetycznie w odniesieniu do klasycznych amoniakalnych układów dwustopniowych.
     Pomimo wszystkich zalet dwutlenku węgla jako czynnika roboczego, ze względu na wysokie wartości ciśnień roboczych do budowy instalacji na CO₂ wymagane jest stosowanie specjalnych materiałów i rozwiązań konstrukcyjnych odpowiednio dostosowanych do warunków pracy tego czynnika. W sposób oczywisty może to wpłynąć na gorszą efektywność ekonomiczną takiego rozwiązania, bowiem należy spodziewać się wyższych kosztów elementów składowych układu kaskadowego.
     Osobnym problemem jest zagadnienie postoju układu, bowiem jedną z cennych zalet układu CO₂/NH₃ jest to, że w trakcie pracy ciśnienia robocze w dolnej kaskadzie są w granicach do około 50-60 bar. Podczas postoju istnieje możliwość znacznego przekroczenia ciśnienia w instalacji co powoduje, iż wymagane są znacznie wyższe ciśnienia dopuszczalne. Traci się wówczas wspomnianą powyżej zaletę tych układów. Z tego powodu w układach kaskadowych są stosowane różne rozwiązania systemów obniżania ciśnienia postojowego. Ich praca może znacząco wpływać na pogorszenie efektywności energetycznej tych układów. Zagadnienia postoju układów kaskadowych CO₂/NH₃ oraz możliwości poprawy ich efektywności energetycznej są nadal otwartym problemem badawczym i będą przedmiotem kolejnych publikacji.