W ostatnich kilkunastu latach, jednym z najczęściej dyskutowanych tematów wśród inżynierów chłodnictwa i ochrony środowiska są czynniki chłodnicze. Przez wiele lat R12, R22, R502 itp. były podstawowymi czynnikami w chłodnictwie domowym, handlowym, klimatyzacji i motoryzacji. Koniec lat 80-tych i początek lat 90-tych wprowadził ogromne zmiany w spojrzeniu na czynniki chłodnicze i ich oddziaływanie na atmosferę i stratosferę. Ich niszczący wpływ na warstwę ozonu (O3) w stratosferze spowodował całkowite wyeliminowanie czynników CFC – R12, R502 itp. i ograniczenie użycia czynników HCFC – R22, R123 itp. Niniejszy artykuł stanowi kontynuację tematu rozpoczętego w wydaniu 8/2010.

Związki chemiczne jako zamienniki dla HFC czynników chłodniczych Bazując na Układzie Okresowym Pierwiastków, aby otrzymać czynnik chłodniczy o wymaganych własnościach oraz bezpieczny dla otoczenia pod uwagę mogą być brane następujące pierwiastki niezbędne do budowy cząsteczki czynnika chłodniczego:

• Węgiel – C,
• Azot – N,
• Tlen – O,
• Wodór – H,
• Fluor – Fl – bardzo podwyższa GWP.

W przeszłości wzięto również pod uwagę i zastosowano:

• Chlor – Cl – niszczy Ozon (O3),
• Brom – Br – niszczy Ozon,
• Siarka – S.

Jak widać na rysunku 2 i 3 (przedstawionych wcześniej w części pierwszej artykułu) dodatek chloru podnosi temperaturę wrzenia czynnika, ale czynił go bardzo stabilnym. Natomiast dodatek fluoru obniża jego temperaturę wrzenia, czyni go mniej stabilnym, jak i podnosi jego GWP. Jeżeli spojrzymy na powyższa listę pierwiastków, ilość ich do produkcji czynnika wyraźnie zmalała. Pozostały tylko węgiel (C), azot (N), tlen (O) i wodór (H). Azot można z tej listy wykluczyć. Znamy go doskonale z amoniaku (NH3). Pozostają nam wiec tylko te pierwiastki, które tworzą węglowodory (węgiel – C i wodór – H) jak i Estery, w skład których wchodzi dodatkowo tlen – O. Na rysunku 5 przedstawiona jest lista węglowodorów i ich temperatury wrzenia. Widać z tego rysunku, że dla domowych i handlowych urządzeń chłodniczych najlepszymi czynnikami są propan (R290) i butan (R600) plus ich pochodne.

Rys. 5. Punkt wrzenia węglowodorów

Chemiczny czynnik chłodniczy R1234yf (...)

Transkrytyczny cykl chłodniczy (...)

Sprężarki na R744 (...)

Elementy układu chłodniczego na R744

Przewody chłodnicze
Ponieważ czynnik chłodniczy R744 charakteryzuje się dużą gęstością, a tym samym małą masą objętościową, przewody instalacji chłodniczej nie są specjalnie dotknięte wysokimi wartościami ciśnienia. Stosuje się generalnie przewody o mniejszej średnicy i tej samej grubości ścianki co przewody na freony. Dodatkowym powodem możliwości użycia mniejszej średnicy przewodów rurowych układu jest zdecydowanie mniejsze naładowanie systemu czynnikiem R744 aniżeli freonami. W większości przypadków handlowych instalacji chłodniczych średnich wydajności na przewód tłoczny można zastosować rurkę 6 x 1 mm.

Rys. 9. Podstawowy transkrytyczny układ chłodniczy

Rys. 10. Schemat systemu chłodniczego na R744 stosowany w praktyce

Parownik
Praktycznie obowiązują te same za sady doboru parownika w układach z dwutlenkiem węgla jak z innymi czynnikami. Obliczając i dobierając parownik na R744 należy jedynie wziąć pod uwagę wyższą objętościową wydajność chłodniczą tego czynnika co będzie prowadzić do zmniejszenia średnicy rurek parownika w porównaniu z tradycyjnymi układami. Należy wiec oczekiwać, że parownik na R744 będzie miał mniejsze wymiary od parownika standardowego. Przegrzanie par jest niezbędne do prawidłowej pracy sprężarki i jest podtrzymywane (w układach z zaworem rozprężnym) przez umieszczenie czujki na wylocie z chłodnicy.

Odszranianie parownika
Dla podtrzymania wysokiej sprawności układu chłodniczego niezbędne jest odszranianie parownika, szczególnie w zamrażarkach. Możliwe do zastosowania są wszystkie obecnie znane systemy odszraniania, a wiec naturalne, wodą, elektryczne i gorącymi gazami. Ze wszystkich metod wyżej wymienionych najbardziej efektywne jest odszranianie gorącymi gazami. W przypadku odszraniania gorącymi gazami, kiedy to temperatura może osiągnąć nawet 10°C należy liczyć się z ciśnieniem dochodzącym do około 45 bar. Nasuwa się tu jeden oczywisty wniosek, trzeba zastosować w układzie zawory bezpieczeństwa, które nie pozwolą na wzrost ciśnienia powyżej dopuszczalnego limitu (bazując na ciśnieniu odpowiadającym projektowanej temperaturze, ciśnienie to wynosi z reguły około 80 bar).

Chłodnica gazu
Ponieważ w transkrytycznym systemie dwutlenek węgla nie ulega skropleniu, nie możemy mówić o tym wymienniku jako o skraplaczu, chociaż w układzie chłodniczym jest umieszczony za sprężarką. Kilka ważnych czynników musimy wziąć pod uwagę projektując chłodnicę gazu:

- wysokie ciśnienie, które może dojść do 140 bar;

- temperatura gazowego dwutlenku węgla na wylocie z chłodnicy gazu. Niewielka zmiana tej temperatury powoduje dużą zmianę entalpii CO2 związaną z wysokim ciepłem właściwym tego gazu. Generalnie można powiedzieć, że dodatkowe schłodzenie CO2 o 2°C powoduje wzrost sprawności systemu o około 10%. Wiedząc o tym należy projektować chłodnice gazu jako krzyżowy przeciwprądowy wymiennik ciepła. W przypadku takiego typu wymiennika, przez jego ostatnia cześć, powinno przepływać powietrze o najniższej temperaturze;

- zmienna temperatura CO2 w czasie procesu jego chłodzenia (Rys. 6b). Znaczy to, że temperatura gazu na wlocie do chłodnicy jest dużo wyższa od temperatury gazu na wylocie z chłodnicy. Pamiętając o tym, należy umieścić chłodnice gazu w miejscu gdzie temperatura otoczenia jest najniższa.

W celu zapewnienia wyższej sprawności zalecałbym stosowanie wewnętrznego wymiennika ciepła wymieniającego ciepło pomiędzy gazem opuszczającym chłodnicę gazu i płynącym do zaworu rozprężnego a czynnikiem opuszczającym parownik.

Filtro-osuszacz czynnika
Celem stosowania filtro-osuszacza jest w pierwszej kolejności wyłapanie wilgoci jaka może dostać się do układu z olejem, czynnikiem i w czasie montażu. Najpowszechniej stosowanym typem jest filtro-osuszacz (F-O) z aktywnym dwutlenkiem glinu. Tego typu F-O nie tylko wychwytuje wilgoć ale także kwasy, które mogą powstać podczas reakcji pomiędzy wilgocią i olejem.

Element rozprężny
W układach transkrytycznych mogą być stosowane zarówno rurki kapilarne jak i zawory rozprężne. W przypadku rurki kapilarnej, proces jej doboru jest prawie taki sam jak doboru rurki kapilarnej dla standardowych czynników chłodniczych. Przy zastosowaniu rurki kapilarnej, system będzie pracować z maksymalną wydajnością w bardzo wąskim i specyficznym (projektowanym) zakresie temperatury otoczenia. Rurka kapilarna może być zastosowana tam, gdzie temperatura otoczenia nie ulega fluktuacji (jest w miarę stała).

Bardziej uniwersalnym elementem rozprężnym jest zawór rozprężny, który może być automatyczny, termostatyczny lub elektroniczny. Wszystkie te zawory pracują na zasadach podobnych do zaworów freonowych.

- automatyczny zawór rozprężny reaguje na ciśnienie w chłodnicy gazu, a jego praca zależy od ustawionego ciśnienia. Zawór ten powinien być użyty w układach gdzie zmiany temperatury otoczenia są niewielkie;

- termostatyczny zawór rozprężny, którego czujka jest umocowana na przewodzie wylotowym z chłodnicy gazu zapewnia kontrole ciśnienia gazu płynącego do chłodnicy. Zawór ten powinien być użyty w systemach gdzie temperatury otoczenia wahają się w szerokim zakresie;

- elektroniczny zawór rozprężny zapewnia całkowitą kontrolę systemu chłodniczego zbierając informacje o temperaturze i cisnieniu w rożnych punktach układu chłodniczego. Zawór ten zapewnia najwyższą sprawność układu chłodniczego jak i jego najdokładniejszą kontrolę i regulację. Przez jego kompleksowość, jest on najdroższym elementem rozprężnym. Automatyka chłodnicza do układów z CO2 jest szeroko dostępna w firmach produkujących elementy układów chłodniczych.

Rys. 13. Różnica w zużyciu energii pomiędzy R134a i R744

Wyniki badań układów chłodniczych z CO2 (...)

Nie wspomniałem o urządzeniach klimatyzacyjnych i pompach ciepła, w których wyższe temperatury parowania zdecydowanie poprawiają sprawność energetyczną tych urządzeń. Dla przykładu podam, ze pompa ciepła wykorzystywana do ogrzewania wody jest w stanie ogrzać ją do temperatury 90°C przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii w porównaniu z ogrzewaniem elektrycznym.

Jak się okazuje, żyjemy w ciekawym czasie ponownej transformacji czynników chłodniczych (jak pamiętamy, pierwsza przeżyliśmy w latach 90-tych). Jest to bardzo interesujący czas dla projektantów i producentów urządzeń chłodniczych. Czasami jednak może to być bolesne i kosztowne doświadczenie. Lecz bez tego nie można oczekiwać rozwoju.