Do 2009 powstało ponad sto instalacji kaskadowych z obiegiem podkrytycznym opartym na CO₂. W ostatnich kilku latach obserwuje się znaczący wzrost ilości powstających nowych instalacji transkrytycznych pracujących w systemie „booster”. W 2009 roku powstało około 400 nowych instalacji, a w 2010 ponad 1000 instalacji o wydajności od 50 do 300 kW sumarycznej mocy chłodniczej, głównie w obszarze chłodnictwa komercyjnego.

Popularność dwutlenku węgla jako czynnika w chłodniczych obiegach zamkniętych, zarówno podkrytycznych jak i transkrytycznych, w ostatnim okresie czasu jest coraz większa. Przyczyn częstszego stosowania tego gazu należy upatrywać w fakcie, iż jest to czynnik naturalny, pozwalający na zminimalizowanie negatywnego wpływu czynnika chłodniczego na środowisko oraz, przy sprzyjających warunkach klimatycznych, możliwość uzyskania niskich wskaźników zużycia energii elektrycznej.
Stosowanie obiegów CO₂ jest korzystniejsze w porównaniu z obiegami opartymi na czynniku R404A dla części Europy leżącej powyżej linii Paryż – Wiedeń, ze średnią temperaturą całoroczną poniżej +15°C.
Wybór obiegów transkrytycznych wynika z niższych kosztów inwestycyjnych instalacji w porównaniu z obiegiem kaskadowym. Instalacja chłodnicza pracująca na jednym czynniku i pozbawiona kilku elementów niezbędnych w układzie kaskadowym (parownik/skraplacz niskiego stopnia) jest tańsza. Obiegi transkrytyczne, w stosunku do biegów kaskadowych, charakteryzują się również lepszymi wskaźnikami energetycznymi (COP).

Rys. 1. Schemat układu w systemie booster

Obieg chłodniczy i praktyczne konsekwencje

Chłodniczy obieg transkrytyczny w pewnych aspektach istotnie różni się od standardowego obiegu chłodniczego do którego jesteśmy przyzwyczajeni. Ciśnienia robocze występujące w obiegu transkrytycznym są znacznie wyższe, szczególnie w obszarze chodnicy gazu oddającej ciepło i części tak zwanej średniotemperaturowej.
W wymienniku oddającym ciepło (chłodnicy gazu) następuje schładzanie fazy gazowej bez skraplania czynnika, ponieważ proces przebiega w obszarze nadkrytycznym. Konsekwencją tego jest niepokrywanie się linii stałego ciśnienia i stałej temperatury jak w dotychczasowych obiegach chłodniczych, ponieważ proces przebiega powyżej punktu krytycznego.
Następnie gaz jest dławiony do ciśnienia zbliżonego do ciśnienia ssania sprężarek górnego stopnia i czynnik przepływa do zbiornika za chłodnicą gazu. W trakcie procesu rozprężania czynnik wchodzi w obszar poniżej punktu krytycznego i powstaje mieszanina fazy ciekłej i gazowej, które ulegają rozdzieleniu w zbiorniku za chłodnicą gazu. Następnie część gazowa jest zasysana przez sprężarki wysokiego stopnia, natomiast oddzielona ciecz zasila obieg średnio- i niskotemperaturowy. Czynnik chłodniczy zasila parowniki w obiegu średniotemperaturowym pod ciśnieniem panującym w zbiorniku oddzielaczu cieczy i jest zasysany przez sprężarki wysokiego stopnia. Parowniki w obiegu niskotemperaturowym są zasilane czynnikiem chłodniczym pod tym samym ciśnieniem, co odbiorniki średniotemperaturowe, ale czynnik chłodniczy jest zasysany przez sprężarki niskiego stopnia. Tłoczenie tych sprężarek jest połączone z rurociągiem ssawnym sprężarek wysokotemperaturowych (patrz rys. 1 – rurociąg niebieski). Czynnik chłodniczy, przetłoczony przez sprężarki wysokiego stopnia, przesyłany jest chłodnicy gazu, gdzie oddawane jest ciepło i obieg się zamyka.
Obieg transkrytyczny charakteryzuje się olbrzymią rozpiętością ciśnień panujących w całym cyklu. Proces ochładzania gazu odbywa się przy ciśnieniu około 100 bar, (ciśnienie przy temperaturze parowania -10°C wynosi 26 bar, a przy temperaturze -28°C wynosi 14 bar). Ma to swoje konsekwencje w postaci innych wymogów odnośnie spadków ciśnień na przesyle czynnika, zarówno w fazie gazowej jak i fazie ciekłej. Spadki ciśnień rzędu 1 do 2 bar na przesyle czynnika nie mają takiego wpływu na wydajność urządzeń chłodniczych jak w przypadku klasycznych instalacji freonowych. Konsekwencją tego oraz dużo większej wydajności właściwej CO₂ jest możliwość stosowania mniejszych średnic rurociągów zarówno cieczowych jak i gazowych.
W standardowych instalacjach chłodniczych zmiana wydajności wykonywana stopnia wydajności. W obiegach chłodniczych CO₂, ze względu na niektóre własności fizykochemiczne tego czynnika, prowadzące do jego silnego pienienia się przy gwałtownych zmianach ciśnienia, konieczna jest łagodna zmiana wydajności objętościowej sprężarek. Takie rozwiązanie jest również niezbędne ze względu na konieczność dopasowania wydajności sprężarek niskiego i wysokiego stopnia.
Najczęściej jest to realizowane poprzez płynną zmianę obrotów sprężarki przy pomocy falownika. Zazwyczaj jedna sprężarka w zespole jest regulowana przez falownik. Przy zespołach wyposażonych w więcej niż dziesięć stopni regulacji, nie spotyka się już zmiany wydajności obrotami sprężarki.
Innym istotnym zagadnieniem jest gospodarka olejowa w instalacji chłodniczej. Klasyczne rozwiązania zawierające odolejacze, zbiorniki oleju i systemy uzupełniania oleju w sprężarkach muszą być dostosowane do różnic ciśnień panujących w obiegu dwutlenku węgla. Istotnym zagadnieniem jest fakt, że ciśnienie w odolejaczu wynosi około 100 bar, w zbiorniku oleju wynosi około 35÷45 bar. Różnica ciśnień pomiędzy uzupełnianym olejem a skrzynią korbową sprężarek wysokiego lub niskiego stopnia wynosi 15 do 25 bar. Przy tak wielkich różnicach ciśnień nie jest możliwe stosowanie układów mechanicznych napełniania oleju do skrzyni korbowej z powodu szybkości napełniania i pienienia się oleju. Najczęściej układ olejowy jest wyposażony w jeden centralny odolejacz zamontowany na linii tłocznej wysokiego stopnia i jeden zbiornik oleju. Z tego zbiornika olej jest rozprowadzany poprzez zawory elektromagnetyczne do sprężarek zarówno wysokiego jak i niskiego stopnia. Sprężarki są wyposażone w elektroniczne czujniki poziomu. Wszystkie elementy układu obiegu oleju (czujniki poziomu, zawory elektromagnetyczne) mogą być obsługiwane przez jeden sterownik zespołu sprężarkowego AK-PC 740 lub AK-PC 780. Przyjętym standardem dla tych sterowników jest wielokrotne, impulsowe otwieranie zaworów uzupełnienia olej w celu dostarczenia właściwej ilości oleju.
Układ „booster” (rys. 1) z dławieniem gazu, pod względem panujących ciśnień można podzielić na trzy segmenty. Obszar wysokiego ciśnienia zawierający: sprężarki wysokiego stopnia (1), rurociągi tłoczne, odolejacz, chłodnicę gazu (2) i rurociąg do zaworu dławiącego przed oddzielaczem cieczy (3). Elementy chłodnicze pracujące w tym obszarze powinny dopuszczać maksymalne ciśnienie robocze do 120÷140 bar i prawidłowo regulować przy różnicy ciśnień do 90 bar. Drugim segmentem pod względem wielkości ciśnień jest obszar oddzielacza cieczy (4) oraz rurociągów i zaworów zasilających (6, 7) odbiorniki chłodu. Ciśnienie w tym obszarze będzie wahać się w zakresie do 50 bar. W pozostałym obszarze instalacji chłodniczej, ciśnienie pracy nie przekracza 30 bar.
Podział instalacji obiegu czynnika chłodniczego na kilka obszarów o różnych ciśnieniach maksymalnych pozwala na etapie projektowania na właściwy dobór armatury i automatyki. W większości instalacji obszar średniego i niskiego ciśnienia wyposażany jest w elementy o maksymalnym ciśnieniu roboczym do 46 bar. Do tej grupy należą zawory kulowe GBC, szkła wzierne SG+ oraz filtry odwadniające typu DCR.

Rys. 3. Elementy automatyki chłodniczej do obiegów CO₂

Elementy automatyki chłodniczej do obiegów CO₂

Zawór dławiący ICMTS z napędem ICADTS (...)
Zawór dławiący CCM (...)
Zawory rozprężne AKVH (...)
Przetworniki ciśnienia AKS 2050 (...)
Sterownik EKC 326A (...)
Przegląd innych sterowników (...)
Inne elementy armatury Danfoss w systemach chłodniczych opartych na CO₂ (...)

Podsumowanie

Firma Danfoss posiada kompletną ofertę zarówno zaworów, sterowników oraz przetworników ciśnienia i czujników temperatury do wyposażenia transkrytycznej instalacji chłodniczej CO₂. Duże doświadczenie wynikające z eksploatacji osprzętu sprzedanego do ponad tysiąca transkrytycznych instalacji chłodniczych, pozwala stwierdzić, że są to produkty i rozwiązania sprawdzone.
Wyniki ekonomiczne kosztów eksploatacji są porównywalne i zazwyczaj lesze niż wyniki standardowych instalacji opartych na klasycznych czynnikach chłodniczych (R404A) lub układach kaskadowych z CO₂ po niskiej stronie.
Wskaźnik COP, zależnie od średniej temperatury otoczenia wynosi od 2,3 do 6,2 i jest zdecydowanie lepszy dla CO₂ przy niższych temperaturach otoczenia (o około 50% większe przy temperaturze otoczenia 0°C). Można stwierdzić, że stosowanie CO₂ w instalacjach chłodnictwa komercyjnego jest dobrym wyborem.

AUTOR: Mikołaj KLENKIEWICZ
– Danfoss sp. z o.o.