Nowe, bezchlorowe, bezpieczne czynniki chłodnicze maja zaletę polegającą na prawie izotermicznym sprężaniu, ale także wadę – bardzo małe ciepło parowania. Związane z tym tworzenie dużych ilości pary rozprężanej można radykalnie zmniejszyć przez zastosowanie ekonomizera i wymiennika ciepła dla pary niskiego ciśnienia.

    Podstawowy proces w obiegu amoniakalnym wymaga jedynie dwóch niezbędnych wymienników ciepła, tj. skraplacza C i parowacza V. W celu odzysku ciepła od gorącej pary dochodzi jeszcze trzeci wymiennik – schładzacz E.
    Powoduje to uproszczenie procesu. Należy jednak sprawdzić, czy taki proces jest jeszcze dziś opłacalny, czy też wymaga poprawy efektywności energetycznej.
    Punkt wrzenia, bezpieczeństwo i sprzyjanie środowisku naturalnemu – to główne kryteria wyboru czynników chłodniczych. Dwie właściwości fizyczne, tj. ciepło parowania r₀ i wykładnik izentropy κ dla pary znacznie wpływają na efektywność energetyczną i wskazują, jak należy przeprowadzać proces.
    Według tabeli, na czoło wysuwa się amoniak dzięki maksymalnej wartości ciepła parowania. Powoduje to także stosunkowo wysoką tolerowaną wartość wykładnika izentropy, równą 1,31. Stąd, dla dużych urządzeń chłodniczych amoniak pozostaje niezastąpionym czynnikiem chłodniczym, mimo jego niekorzystnych oddziaływań fizjologicznych.

    Propan spełnia warunki wysokiego ciepła parowania r₀ i wartości κ bliskiej 1,0. Nie jest to niestety substancja bezpieczna ze względu na wysoką palność, może być jednak zalecany dla urządzeń ustawionych na zewnątrz, także dla pomp ciepła.
    Nowe bezchlorowe czynniki chłodnicze, np. R404A przekonują do siebie niskim wykładnikiem izentropy, bliskim 1,0, lecz mają niską wartość ciepła parowania r₀. Tej ostatniej wadzie można jednak zapobiec dzięki zastosowaniu kolejnych wymienników ciepła. W ten sposób można osiągać wysokosprawne obiegi chłodnicze dla bezchlorowych bezpiecznych czynników chłodniczych.

    Problem z R22 występował zawsze, gdyż wobec wysokiej wartości wykładnika izentropy nie można stosować wewnętrznych wymienników ciepła, a efektywność energetyczną można poprawić jedynie dzięki zastosowaniu ekonomizera.
    Niestety, nowa nadzieja spośród czynników chłodniczych – CO₂ nie ma tak wysokiego ciepła parowania jak amoniak, ale za to – niepożądanie wysoką wartość wykładnika izentropy. Z oczekiwań co do wysokiej efektywności energetycznej CO₂, jako czynnika chłodniczego, należy zrezygnować. Nakład energetyczny na sprężanie tego czynnika jest zbyt wysoki. W związku z tym proponuje się CO₂ do obiegów transkrytycznych. Nie jest to jeszcze rozpowszechnione w praktyce. Można wprowadzać dla uniknięcia wysokiego nakładu energetycznego układy kaskadowe z innymi czynnikami chłodniczymi.
    Możliwa jest poprawa efektywności energetycznej obiegów z bezpiecznymi bezchlorowymi czynnikami chłodniczymi dzięki zastosowaniu dodatkowych wymienników ciepła. Podstawy termodynamiczne oparte są na znanych równaniach w technice chłodniczej.

    Moc chłodnicza obliczana jest wg równania:

gdzie:
x₀ – ilość pary rozprężonej,
r₀ – ciepło parowania przy t0,
m_KM – strumień masowy krążącego czynnika chłodniczego.

    Ilość pary rozprężonej z ciekłego czynnika chłodniczego x₀ można obliczyć na podstawie bilansu cieplnego rozprężanego ciekłego czynnika chłodniczego. Jeden kg ciekłego czynnika podczas rozprężania rozpada się na x₀ kg pary i (1 – x₀) kg cieczy.
    Równanie bilansowe wygląda następująco:

po przekształceniu otrzymuje się:



    Przez podstawienie (1) można ustalić strumień masowy krążącego czynnika chłodniczego.
    Dla ilości pary rozprężanej obliczanej wg wzoru (2a) otrzymuje się małe wartości, gdy ciepło parowania jest duże (amoniak) lub przy znacznym dochłodzeniu czynnika roboczego – małe różnice entalpii h_v – h’₀. Z tego powodu dochłodzenie czynnika roboczego jest niezbędnym środkiem podczas stosowania nowych bezpiecznych czynników bezchlorowych, gdy chcemy osiągnąć wysoką efektywność energetyczną.
    Na wykresie na rys. 2 naniesiono ilość pary rozprężanej x₀ dla czynnika chłodniczego R404A przy temperaturze T₀. Gdy dochłodzenie kondensatu w skraplaczu wynosi 3 K, otrzymuje się krzywą górną na rysunku. Przy zastosowaniach w zamrażalnictwie ilość pary rozprężanej, bez dodatkowego dochłodzenia, może przekroczyć nawet 60%.
    Gdy dochłodzenie dojdzie do wartości T_u – T₀ = 20 K, to otrzymamy ilość pary rozprężanej między 10 i 20% (jak zwykle przy amoniaku). W takim przypadku efektywność energetyczna amoniaku, w związku z dużym wykładnikiem izentropy κ, może być nawet mniejsza niż dla bezpiecznych czynników bezchlorowych.
    Zalety nowych czynników bezchlorowych są widoczne przy sprężaniu. Wzajemna zależność między temperaturą sprężania izentropowego oraz wykładnikiem izentropy κ jest opisana równaniem (3). Relacja wyrażona tym równaniem jest zgodna także z tendencją dla warunków przemiany politropowej.



    Dla przykładowych czynników chłodniczych z przytoczonej tabeli, R404A wyróżnia się korzystnie dzięki wartości κ bliskiej jedności i dzięki temu κ – 1 bliskiej zeru. Również wykładnik potęgi w równaniu (3) dąży do zera.
    Takie czynniki chłodnicze umożliwiają zbliżenie się do idealnego sprężania izotermicznego.
    Czynniki te są idealne dla osiągnięcia wysokiej sprawności, przy równoczesnym zminimalizowaniu powstawania pary rozprężonej.

Zastosowanie wymienników ciepła do dochładzania ciekłego czynnika
(...)

Kombinacje ekonomizera z wymiennikiem ciepła
(...)

Przeszkody i objaśnienia
(...)

Wnioski pośrednie
(...)

Wymiennik do odzyskiwania ciepła
(...)

Sprawdzona aparatura
(...)

Podsumowanie
    Połączenie działania ekonomizera i wymiennika ciepła po stronie pary niskiego ciśnienia (przy bezchlorowych, bezpiecznych czynnikach chłodniczych) radykalnie zmniejsza tworzenie pary rozprężonej związane z małym ciepłem parowania. Procesy chłodnicze wykazują wówczas wspaniałą efektywność energetyczną dzięki dochłodzeniu ciekłego czynnika. Wstawienie ekonomizera za wymiennikiem umożliwia poprawę efektywności energetycznej nawet o 40%. Zakłada się przy tym konieczność zastosowania wymiennika regeneracyjnego, którego koszt amortyzuje się po kilku miesiącach.
    Dzięki zastosowaniu wymienników regeneracyjnych (wewnętrznych) uzyskuje się także dla nowych bezchlorowych czynników chłodniczych możliwość wykorzystania ciepła przegrzania pary dla potrzeb ogrzewania, co wypróbowano już dla R22.
    Dzięki wykorzystaniu ciepła przegrzania, dalej może wzrosnąć efektywność energetyczna o 7% (w skali roku kalendarzowego). Przyszłościowe urządzenia chłodnicze odgrywają coraz większą rolę, jako źródła ciepła.
    Rezerwy efektywności energetycznej w dzisiejszych urządzeniach chłodniczych są zatem oczywiste. Ale przy wprowadzaniu bezchlorowych, bezpiecznych czynników chłodniczych należy tak zmieniać procesy produkcji chłodu, aby można było stwierdzić poprawę sprawności energetycznej.
    Poprawa efektywności energetycznej przez dochłodzenie ciekłego czynnika stwarza możliwość redukcji wielkości sprężarek. Koszty wymiennika w wielu przypadkach mogą być zamortyzowane dzięki oszczędnościom energetycznym.