Poniższy artykuł stanowi krótki przegląd rozwiązań systemów bazujących wyłącznie na CO₂ jako czynniku chłodniczym. Aby umożliwić pewne i skuteczne działanie takich systemów, należy podjąć odpowiednie kroki podczas projektowania systemów i sterowania nimi. Ze względu na pracę z CO₂ w obszarach transkrytycznych, kroki te są rozpatrywane przede wszystkim w pod kątem regulacji mocy, temperatur roboczych i systemu transportu oleju. Ponadto w publikacji zostanie przedyskutowane zastosowanie sprężania równoległego, a także porównane zostaną wyniki symulacji z pomiarami wydajności.

Dlaczego po wielu staraniach z wprowadzeniem czynników chłodniczych z grupy HFC ma być stosowany CO₂, jako czynnik chłodniczy? Emisja związków z grupy HFC charakteryzuje się potencjałem cieplarnianym od 1300 do 3300-krotnie większym niż CO₂. Dla zastosowań, w których redukcja bezpośredniej emisji jest trudniejsza do ustalenia, bezpieczny i efektywny w działaniu dwutlenek węgla stanowi rozwiązanie na przyszłość.
CO₂ ma długą tradycję stosowania chłodnictwie, a jego potencjał cieplarniany wynosi 1 w czasowej skali 100 lat. Ta naturalna substancja jest obojętna chemicznie, niepalna i nietoksyczna w pojęciu klasycznym. Cechują ją wysokie wydajności wolumetryczne i duża gęstość gazu na ssaniu, czyli niskie strumienie masowe. Temperatura skraplania w zastosowaniu w normalnych instalacjach chłodniczych może być zredukowana do 10°C; ponadto dyspozycyjna różnica ciśnienia jest wystarczająca nawet dla systemów z dwustopniowym rozprężaniem. Również wpływ strat ciśnienia na różnicę temperatury na króćcu ssącym sprężarki jest mniejszy. Ponadto CO₂ charakteryzuje się lepszymi właściwościami termodynamicznymi, tj. wyższą wartością współczynnika przejmowania ciepła i współczynnika przewodzenia ciepła.
Wadą CO₂ jest niestety niska temperatura krytyczna, równa 31,1°C, czemu odpowiada ciśnienie krytyczne 73,8 bar. Wymaga to postępowania jak przy procesach transkrytycznych zwłaszcza przy wyższych temperaturach otoczenia. Właściwości termodynamiczne w powiązaniu z wysoką temperaturą gorącego gazu i temperaturą na wyjściu ze skraplacza są niekorzystne, gdyż takie warunki wymagają wysokiego ciśnienia sprężania, a ponadto występuje tu mały udział ciekłego czynnika po rozprężeniu do stanu pary wilgotnej.
Wysokie wartości ciśnienia sprężania i ciśnienia spoczynkowego po stronie ssącej stanowią wyzwanie pod względem bezpieczeństwa i doboru elementów składowych. Należy przyjmować zgodnie z normą EN 12693, jak dla sprężarek przemysłowych, współczynnik bezpieczeństwa równy 3. Zakłada się zastosowanie przebadanych zaworów bezpieczeństwa, które w razie potrzeby wypuszczają nadmiar gazu do otoczenia. Przy uwzględnieniu wartości ciśnień po stronie ssącej i tłocznej odpowiednio 75 i 130 bar otrzymuje się minimalne ciśnienie rozerwania równe 225 lub 390 bar.
Obok wyżej wymienionych zalet i wad odniesionych do materiałów, istnieją jednakże dalsze aspekty wdrażania CO₂ do systemów chłodniczych. Ta naturalna substancja jest korzystna dla środowiska naturalnego.
Pomijając sprawne układy hybrydowe, np. z R134a lub R290 w jednym stopniu układu chillera w połączeniu z CO₂ w drugim stopniu kaskady, ewentualnie włączając cyrkulację pompową w obiegu chłodzenia normalnego (NK) i bezpośrednie rozprężanie w obiegu zamrażania (TK), CO₂ można wykorzystywać wyłącznie w zastosowaniach przemysłowych. Poniżej opisane zostanie 5 systemów chłodniczych wykorzystujących CO₂.

Obejście parowe (FGB)
FGB jest to układ z jednostopniowym sprężaniem i dwustopniowym rozprężaniem. Ten system jest napędzany w układzie kaskadowym typowo poprzez stopień niskiego ciśnienia. Po oddaniu energii cieplnej w skraplaczu czynnik chłodniczy przepływa przez zawór regulacyjny wysokiego ciśnienia i rozpręża się do zbiornika. W zbiorniku następuje oddzielenie fazy parowej od ciekłej. Ciekły czynnik przepływa do urządzeń rozprężających go do ciśnienia parowania, a po rozprężeniu – do parownika. Udział czynnika w fazie parowej – tzw. Flashgas – opuszcza zbiornik; dodatkowe urządzenie rozprężające powoduje rozprężenie tego czynnika do ciśnienia parowania. Obydwa strumienie czynnika chłodniczego są ponownie mieszane przed sprężarkami i całkowity strumień masowy zostaje zassany przez sprężarki.
Całkowity strumień masowy w układzie jednostopniowym i w układzie FGB jest w takich samych warunkach ssania i tłoczenia identyczny. Rozwiązanie FGB ma jednak kilka zalet. Ciśnienie między zaworem wysokociśnieniowym i organami rozprężnymi w parowniku można zredukować do takiej wartości, przy której możliwe jest zastosowanie elementów składowych dostosowanych do ciśnienia 40 bar (np. armatura miedziana, rurociągi miedziane, zawory itp.). Stwarza to potencjał poprawy współczynników przenikania ciepła i redukcji spadku ciśnienia po stronie CO₂ [1]. Ebel i Hrnjak wykazali, że zredukowany spadek ciśnienia, zwłaszcza w systemie FGB, ma duży wpływ na poprawę wydajności chłodniczej i na współczynniki wydajności chłodniczej dla parowników typu „microchannel”.
Większe przekroje poprzeczne i zróżnicowane konstrukcje parowników w zastosowaniach przemysłowych mogłyby w znacznym stopniu zredukować ten pozytywny wpływ. W związku z rozdzieleniem na strumień cieczy i pary, całkowity przepływ masowy jest zredukowany w porównaniu z systemem jednostopniowym. Pod względem wydajności parownika ten wpływ jest jednak w znacznym stopniu skompensowany dzięki wyższemu dyspozycyjnemu ciepłu parowania i wyższemu współczynnikowi przejmowania ciepła po stronie czynnika chłodniczego. Dalszą kompensację można osiągnąć poprzez dodatkowe dochłodzenie ciekłego czynnika. System FGB cechują większe koszty instalacji niż system jednostopniowy; dotyczy to liczby elementów składowych i regulacji.

Sprężanie równoległe
(...)

System kaskadowy dla chłodzenia normalnego i zamrażania
(...)

System busterowy dla chłodzenia normalnego i zamrażania
(...)

Rozszerzony system busterowy dla chłodzenia normalnego i zamrażania
(...)

Porównanie sprawności systemów (COP)
Poniżej zostaną przedyskutowane różnice między wyżej opisanymi systemami chłodzenia przemysłowego normalnego i zamrażalnictwa pod względem wartości współczynników wydajności chłodniczej (COP).
Sprawności sprężarek, korzystne właściwości wymiany ciepła po stronie parownika CO₂, opisane przez A. Pearsona [3], odprowadzanie ciepła po stronie skraplaczy, spadki ciśnienia, zmienne warunki obciążeniowe, rozkład temperatur otoczenia i wilgotność powietrza zostały wyłączone z tego porównania, jednakże należałoby je uwzględniać w symulacji sprawności sezonowych.
Systemy kaskadowe, busterowe i rozszerzone busterowe stanowią opcje dla zastosowań w chłodnictwie przemysłowym normalnym i zamrażalnictwie. Podstawą porównania są:
● temperatura parowania od -10 do -35°C dla chłodzenia normalnego i mrożenia,
● końcowe ciśnienie sprężania 90 bar w sekcji chłodzenia normalnego,
● temperatura na wyjściu ze skraplacza 35°C,
● stopień przegrzania 10 K dla sekcji chłodzenia normalnego i zamrażania,
● wydajności parownika netto w stosunku 4:1 między stopniem chłodzenia normalnego i zamrażania.
Kaskadowy system CO₂, opisany wyżej, został potraktowany jako wielkość odniesienia. Ponadto przyjęto ciśnienie pary 35 bar i różnicę temperatury na wymienniku kaskadowym 3 K.
Porównanie z systemem busterowym wykazuje poprawę współczynnika wydajności (COP) o 4%, przy ciśnieniu pary wysokoprężnej 35 bar. Wymagany strumień objętościowy w stopniu normalnego chłodzenia jest o 3% mniejszy, podczas gdy dla stopnia zamrażania potrzebny jest strumień objętościowy o 7% większy. Istotną poprawę współczynnika wydajności można osiągnąć, stosując rozszerzony system busterowy. Dla porównań teoretycznych rozpatrywano system z kombinowaną opcją ECO i FGB, aby można było osiągnąć w zbiorniku ECO ciśnienie równe 35 bar przy przyjętych wcześniej warunkach na wyjściu ze skraplacza. Dla stopnia ECO zastosowano stopień przegrzania równy 10 K.
Taka konfiguracja zapewnia przyrost wartości COP o 16%. Wpływ na wymagany strumień masowy jest również pozytywny, redukcja strumienia objętościowego dla obiegu chłodzenia normalnego i zamrażania wynosi odpowiednio 13 i 2%. W przypadku, gdy rozszerzony system busterowy nie ma obejścia parowego, ciśnienie w zbiorniku ECO dla dotychczasowych warunków na wyjściu ze skraplacza wynosi 42 bar. Wyższe ciśnienie ECO zapewnia poprawę wartości COP o 11% i dalszą redukcję strumienia objętościowego w obiegu zamrażania o 2%. Porównanie wartości COP przedstawiono na rys. 3.

Technika stosowana
Stosowanie CO₂ kryje w sobie kilka szczegółów i pułapek, na które należy zwrócić szczególną uwagę. Podstawowa sprawa, to czystość i suchość gazu, co dotyczy także węglowodorów z grupy HFC. Jest to jednak ważniejsze dla dwutlenku węgla. W tym miejscu należy wymienić fakt, że w związku z mniejszą rozpuszczalnością wilgoci w parach CO₂ i wynikającymi stąd konsekwencjami, takimi jak np. zwiększenie przekrojów zaworów i reakcje chemiczne, opróżnianie instalacji należy przeprowadzać ze szczególną starannością. W zastosowaniach standardowych Bitzer zaleca tzw. „stojącą próżnię” w wysokości 1,5 mbar. Dla CO₂ „stojąca próżnia” nie powinna przekraczać 0,5 mbar.
Zaleca się również podczas opróżniania uzupełniać wnętrze suchym azotem. Ponadto należy zadbać o czystość CO₂. Toteż dla odtłuszczania przewodów stalowych należy stosować przy spawaniu i lutowaniu gazy obojętne, a po uruchomieniu instalacji poświęcić wiele uwagi filtracji gazu po stronie ssącej. Zagadnienia bezpieczeństwa ze względu na najkorzystniejsze warunki pracy i wymaganą szczelność, są jeszcze bardziej „wyśrubowane” niż przy freonach HFC. Poniżej zostaną zaakcentowane dodatkowe kryteria.

Regulacja wydajności
(...)

Temperatury robocze
(...)

Rozprowadzenie oleju
(...)

Rozprowadzenie oleju
(...)

Sprężanie równoległe
(...)

Podsumowanie
Stosowanie CO₂ spowodowało wprowadzenie w chłodnictwie przemysłowym nowych konfiguracji systemów. Podczas rozpatrywania opisanych systemów widoczna staje się ich kompleksowość. Dalsze testy polowe powinny wykazać, że ta kompleksowość jest z punktu widzenia ekologii i ekonomii uzasadniona. Obejście parowe i sprężanie równoległe wzbogacają systemy CO₂ o dalsze zalety. Stosowanie sprężania równoległego wykazuje wiele zalet, ale testy polowe są dotychczas niewystarczające. Prawidłowa regulacja mocy, nadzór temperatur roboczych i prawidłowy rozpływ oleju, są to założenia skutecznej pracy instalacji CO₂ – obok bezpieczeństwa, czystości i suchości takich systemów.


LITERATURA
[1] Ebel S., Hrnjak P.: Flash gas bypass for improving the performance of trans-citical R744 systems taht use microchannel evaporators. International Journal of Refrigeration 27 (2004):724-735.
[2] Haaf S., Heinbokel B., Gernemann A.: Erste CO₂ – Kältenlage fűr Normal- und Tiefkűhlung in einem Schweizer Hypermarkt. Die Kälte & Klimatechnik 2/2005: 41-46.
[3] Andy Pearson: The beneficial properties of carbon dioxide as a refrigerant. Padova Conference, Aicarr: 11-24.
[4] Christian Puhl: Refrigeartion oils for the natural Refrigerants Iso-Butane and Carbon Dioxide. 6th Inetrnational Conference on Compressors and Coolants, IIR/IIF:302-309.