W związku z wycofywaniem kolejnych grup czynników chłodniczych i tendencjami do stosowania proekologicznych rozwiązań, a najchętniej widziane są naturalne czynniki, coraz większe znaczenie zaczyna odgrywać R744 – CO₂ Istnieją dwa główne powody zastosowania dwutlenku węgla jako czynnika chłodniczego: bezpieczeństwo ludzi i produktu, możliwość uzyskania bardzo niskich wartości temperatury zamrażania.

CO₂ jako czynnik odznacza się dużą wartością ciepła parowania i jest obojętny w stosunku do prawie wszystkich metali. Wadami R744 są:
- niska wartość temperatury krytycznej t_kr=+31,05°C (przy p_kr=7,377 MPa),
- wysokie wartości ciśnienia.

Z uwagi na niską temperaturę krytyczną, zastosowanie dwutlenku węgla jako czynnika chłodniczego wymaga zatem realizacji obiegu w obszarze nadkrytycznym.

Typy systemów

Obieg nadkrytyczny
Przy wysokich wartościach temperatury medium chłodzącego skraplacz, obieg jest częściowo realizowany w obszarze nadkrytycznym, co oznacza że sprężarka wytłacza gaz a nie parę, wówczas w wysokociśnieniowym skraplaczu nie zachodzi proces skraplania, lecz ochładzanie gazu. Zmiana stanu na ciekły następuje dopiero po zdławieniu czynnika do ciśnienia parowania. Obiegi nadkrytyczne wykorzystuje się zarówno w systemach komercyjnych jak również w hipermarketach, w klimatyzacji samochodowej, domowych pompach ciepła jak również w automatach z napojami.

Obiegi kaskadowe
Układy kaskadowe podobnie jak układy dwustopniowe służą do osiągania niskich wartości temperatury. System kaskadowy złożony jest przynajmniej z dwóch oddzielnych obiegów chłodniczych, przy czym skraplacz pierwszego stopnia kaskady stanowi jednocześnie parownik stopnia drugiego. Ciepło odbierane ze środowiska chłodzonego jest zatem przekazywane do otoczenia za pośrednictwem kilku kolejnych obiegów chłodniczych, pracujących w stosunkowo wąskich zakresach temperatury i ciśnienia roboczego. W każdym stopniu kaskady może być realizowany obieg jedno- jak i dwustopniowy (w zależności od parametrów pracy). Główną zaletą urządzenia kaskadowego jest możliwość napełnienia każdego ze stopni kaskady innym czynnikiem chłodniczym, można zatem dobrać optymalny płyn roboczy do zakresu temperatury pracy poszczególnych obiegów chłodniczych. Przykładowa kaskada CO₂ /NH₃ Sabroe pokazana jest na rysunku 1.

Rys. 1. Kaskada CO2/NH3 Sabroe

Zalety takiego układu:
- CO₂ jest nietoksyczny, a dzięki zastosowaniu kaskady zmniejsza się ilość amoniaku w układzie i jest on w urządzeniu, które znajduje się w maszynowni chłodu – w razie nieszczelności nie skazi produktu; 
- ze względu na wysoką wartość objętościowej wydajności chłodniczej układ na R744 jest cały mniejszy – wymienniki, sprężarka, średnice rurociągów – niższy koszt (np. agregat około 600 kW temperatura parowania na poziomie -40°C – średnica rurociągu ssawnego w kaskadzie NH₃/R22 = Ø125, CO₂ = Ø40);
- R744 jest stosunkowo tani i możemy osiągnąć dzięki niemu wysokie wartości COP w niskiej temperaturze ze względu na wysokie ciśnienia.

Rys. 2. System kaskadowy CO₂/NH₃ pośredni


Rys. 3. Zasilanie parownika – zawór zwrotny ciśnienia


Rys. 4. Zasilanie parownika – zawór termostatyczny, stabilizacja ciśnienia zawór rozprężny zwrotny ciśnienia

Systemy pośrednie
System pośredni (rys. 2) realizowany jest przez obieg pierwotny i wtórny. Obieg pierwotny ograniczony jest do maszynowni chłodniczej natomiast obieg wtórny realizuje chłodzenie komór chłodniczych. W systemie tym ciekły CO₂ pompowany jest z oddzielacza ciekłego czynnika do chłodnicy powietrza, gdzie częściowo odparowuje zanim z powrotem powróci do oddzielacza. Pary CO₂ poprzez naturalny przepływ trafiają do wymiennika ciepła CO₂/NH₃, w którym następuje proces skraplania. Wymiennik ciepła jest ochładzaczem dwutlenku węgla i jednocześnie parownikiem amoniaku.

Do zalet takiego układu należy:
- brak problemów z powrotem oleju, gdyż obieg CO₂ jest pozbawiony oleju (brak sprężarki w stopniu CO₂);
- czynnik pośredni (CO₂) jest nietoksyczny w przeciwieństwie do niektórych glikoli, czy amoniaku; 
- niskie zużycie energii potrzebnej do pompowania czynnika, szczególnie w stosunku do glikoli, solanek, jak również amoniaku.

Rola zaworu rozprężnego w obiegu nadkrytycznym (...)

Zawór zwrotnego ciśnienia (...)

Zawór zwrotnego ciśnienia a następnie zawór termostatyczny i oddzielacz cieczy (...)

Zawór różnicowy a następnie zawór termostatyczny i oddzielacz cieczy (...)

LITERATURA
[1] NaReCo – handbook 2009.
[2] Mihir SEN, Samuel PAOLUCCI: Using carbon dioxide and ionic liquids for absorption refrigeration. Department of Aerospace and Mechanical Engineering. University of Notre Dame.
[3] A. SILVA, E. ALMEIDA, E. P. BANDARRA FILHO: Energy efficiency comparison of the CO2 cascade and the R404A and R22 conventional system for supermarkets.
[4] Ahmed BENSAFI, Bernerd THONON: Transcritical R744 Heat Pump – Technican's Manual. October 2007.
[5] Dariusz BUTRYMOWICZ: Analiza pracy absorpcyjnych urządzeń chłodniczych. Politechnika Białostocka. 2007.
[6] Dariusz BUTRYMOWICZ: Absorpcyjne urządzenia chłodnicze. Politechnika Białostocka. 2007.
[7] ANGIELCZYK W., BUTRYMOWICZ D., BARTOSIEWICZ Y., DUDAR A.: Analysis of Transcritical CO2 Cycle with Two-Phase Ejector by Means of Performance Curves Approach. International Conference Design and operation of environmentally friendly refrigeration.
[8] BAJ P., BUTRYMOWICZ D.: Ocena efektywności energetycznej obiegu kaskadowego w układzie dwutlenek węgla / amoniak. Chłodnictwo & Klimatyzacja. 11/2008, ss.30–35.
[9] BAJ P., BUTRYMOWICZ D.: Optymalne ciśnienie robocze dla dwutlenku węgla w obszarze nadkrytycznym.  Chłodnictwo & Klimatyzacja. 10/2010, ss.22–27.
[10] www.sabroe.com
[11] www.R744.com
[12] www.ipu.dk
[13] Simple CO2 one stage plant. Version 2,23 – 200.9 Elfor project 339-046.
[14] CoolPack ver. 1,46 – 2000.

AUTOR: Piotr Baj
Johnson Control International GWS