W związku z wycofywaniem kolejnych grup czynników chłodniczych i tendencjami do stosowania proekologicznych rozwiązań, a tutaj 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.

W niniejszej, drugiej części artykułu który ukazał się w wydaniu 4/2011, przedstawione zostały podstawowe aspekty, problemy związane z eksploatacją i serwisem systemów w oparciu CO₂. Zaprezentowane zostały także kolejne możliwości aplikacji tego czynnika w systemach chłodniczych, klimatyzacyjnych i grzewczych.

Urządzenia chłodnicze z R744 – problemy eksploatacyjne
Jednym z głównych problemów eksploatacyjnych dwutlenku węgla jest wysokie ciśnienie tego czynnika. Podczas postoju urządzenia ciśnienie w układzie wzrasta do wartości odpowiadającej temperaturze otoczenia. W tradycyjnym obiegu nie ma takiego problemu jednak dwutlenek węgla przyjmuje wartości ciśnienia, które są nie do zaakceptowania. Jednym z najprostszych rozwiązań jest wprowadzenie do obiegu zwykłego agregatu chłodniczego, który będzie schładzał R744 podczas postoju urządzenia. Zazwyczaj w urządzeniach kaskadowych jest to dodatkowa jednostka na jeden z popularnych czynników chłodniczych ze skraplaczem powietrznym, natomiast w oddzielaczu cieczy znajduje się wężownica.
W przypadku zaniku napięcia lub awaryjnego odstawienia, urządzenie nie będzie w stanie zbić ciśnienia w układzie – jest ono oczywiście wyposażone w zawory bezpieczeństwa, jednak w tym przypadku musimy się liczyć ze znaczną utratą czynnika (zawór zawsze może się nie zamknąć ponownie), co generuje nam dodatkowe koszty. Jednakże jest możliwość zamontowania zaworu regulacyjnego upustowego, który będzie upuszczał nadmiar czynnika w bardziej kontrolowany sposób. Nastawa zaworu musi być oczywiście niższa niż nastawa zaworu bezpieczeństwa.

Obsługa i serwis
Rozprężanie R744 – ściąganie czynnika z układu (rys. 1)

Rys. 1. Wykres p-h R744 – przemiany fazowe i punkty charakterystyczne

Rys. 2. Stacja serwisowa dla czynnika R744

- punkt C (faza parowa) – rozprężanie pary od ciśnienia 35 bar do ciśnienia punktu potrójnego będzie skutkowało w pierwszej kolejności częściowym odparowaniem R744, a następnie doprowadzi do stanu gazowego;
- punkt B (faza parowa) – przy osiągnięciu punktu potrójnego – 5% suchego lodu, schodząc z ciśnienia 50 bar;
- punkt A – w fazie ciekłej będziemy mieli do czynienia ze zjawiskiem odkładania się suchego lodu (fazy stałej) w urządzeniu - nawet do 78% zaczynając rozprężanie od ciśnienia 20 bar.

Jako zasadę należy przyjąć że rozprężanie cieczy z każdego poziomu ciśnienia i pary wyższego niż 35 bar będzie skutkowało formowaniem się suchego lodu, czyli fazy stałej przy ciśnieniu poniżej 5,2 bara. Zasady tej należy przestrzegać przy odciąganiu czynnika z układu. Dwutlenek węgla możemy także wypuścić bezpośrednio do atmosfery, jednak musimy mieć na uwadze, że w miejscu kontaktu czynnika z ciśnieniem atmosferycznym będziemy mieli do czynienia z formowaniem się warstwy suchego lodu.

Rys. 3. Kaskada R744/R404A – na podstawie istniejącego obiektu

Napełnianie R744 do układu
Podczas serwisu układów z powszechnymi czynnikami typu HFC napełniamy czynnik do agregatu w oparciu o wartości nominalne podawane przez producenta, obliczenia oraz następujące informacje:
- wartość ciśnienia skraplania oraz temperatury dochłodzenia za skraplaczem oraz wartość przegrzania na ssaniu sprężarki;
- stan czynnika przed zaworem rozprężnym (na podstawie zapełnienia oczka wziernika).

Obiegi nadkrytyczne są zasadniczo inne ponieważ:
- nie możemy rozróżnić fazy para-ciecz przed zaworem rozprężnym – mamy gaz;
- nie ma wartości dochłodzenia w trakcie chłodzenia – ponieważ wartość dochłodzenia gazu jako taka nie istnieje. W obiegu tradycyjnym przez dochłodzenie zapewniamy zasilenie zaworu rozprężnego w ciecz, w obiegu nadkrytycznym mamy do czynienia w skraplaczu z chłodzeniem gazu zatem nie możemy mówić o jako takiej wartości dochłodzenia czynnika przed zaworem rozprężnym;
- zależność pomiędzy wartością wysokiego ciśnienia a ilością czynnika w obiegu jest dużo bardziej skomplikowana niż w tradycyjnym obiegu.

Ilość R744 w obiegu odpowiada głównie za wartość ciśnienia na tłoczeniu sprężarki. Obiegi nadkrytyczne z R744 są ładowane przez producenta a ilość czynnika w obiegu jest ściśle określona i nie może być w żaden sposób korygowana. Domowe pompy ciepła czy klimatyzatory muszą być serwisowane tylko przez autoryzowane placówki, specjalizujące się w tego typu konstrukcjach urządzeń. Dobijanie czynnika do pracującego układu jest zabronione, ponieważ przekroczenie ściśle określonej wartości ilości czynnika w instalacji może doprowadzić do poważnego uszkodzenia urządzenia.
Czynności przy napełnianiu układu z R744:
- przygotowanie próżni jak w tradycyjnym systemie;
- wymiana filtów-odwadniaczy;
- informacje od producenta o dokładnej ilości czynnika w układzie;
- do napełnienia układu potrzebujemy stacji uzupełniającej.

Tradycyjny układ zawsze napełniamy po stronie cieczowej. Jeżeli chodzi o R744 nie jest to możliwe. Jak już wspomnieliśmy (rys. 1), poniżej ciśnienia 6 bar napełniając układ od próżni będzie powstawał suchy lód. Napełniając układ R744, musimy najpierw nabić do układu ciśnienie 6 bar w fazie gazowej, a następnie możemy przystąpić do napełnienia układu w fazie ciekłej. Układ napełniamy zawsze od zera, nie dopuszczalne jest dobijanie CO₂, gdy nie znamy dokładnej ilości czynnika w układzie, gdyż tylko wówczas mamy pewność, że ilość czynnika w układzie jest prawidłowa i zgodna z danymi producenta. Przepełnienie czynnikiem doprowadzi do wzrostu ciśnienia w instalacji. Specjalne stacje (rys. 2) do opróżniania czy napełniania R744 pozwalają na całkowite odzyskanie czynnika z układu czy z butli. Mamy pewność, że całkowita ilość czynnika z butli będzie wykorzystana.

Kaskada R744/R404A w supermarkecie (...)

Pompy ciepła z CO₂ – rozwiązania i istniejące urządzenia (...)

Pompy ciepła – ogrzewanie wody (...)

Pompy ciepła z R744 – wpływ różnicy temperatury medium grzewczego na pracę obiegu (...)

Urządzenie chłodnicze absorpcyjne (dwutlenek węgla / ciecze jonowe) – jako nowy rodzaj zastosowania R744 (...)

Absorpcyjne urządzenia chłodnicze (...)

Podsumowanie
Dwutlenek węgla jako czynnik chłodniczy znajduje bardzo szerokie zastosowanie od ogrzewania, przez chłodzenie do mroźnictwa. Parametry wydajnościowe R744 w porównaniu do syntetycznych czynników są bardzo konkurencyjne, co wróży dalszy rozwój technologii wykorzystujących go, zwłaszcza jako czynnik naturalny „prośrodwiskowy”. Posiada on również swoje wady, jak chociażby kwestie związane z ciśnieniem, a przez to problemy z bieżącym serwisem. Dla inwestorów znaczący jest również koszt tego typu rozwiązań, lecz zapewne poczucie odpowiedzialności za środowisko, a także bardzo widoczne lobby spowodują że coraz więcej instalacji, zwłaszcza chłodniczych będzie wykorzystywało właśnie CO₂.

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