Układy chłodnicze nadkrytyczne z R744 jako czynnikiem roboczym, to jedne z najbardziej obiecujących systemów dla zimnych i umiarkowanych stref klimatycznych. Zużywana energia jest na poziomie układów opartych o R404A.
Zespół sprężarkowy typu booster dla czynnika roboczego CO2 wyprodukowany w TEKO
Problem zastosowania układów nadkrytycznych z R744, jak również układów z czynnikami syntetycznymi do celów niskotemperaturowych, stanowi duża różnica ciśnień roboczych. Praca układu w niskich temperaturach z wykorzystaniem jednego stopnia sprężania stwarza dość dużo problemów eksploatacyjnych, takich jak na przykład:
- zwiększone zużycie energii;
- wysokie temperatury końca sprężania;
- zmniejszona żywotność sprężarek;
- przegrzewanie uzwojeń silnika w przypadku sprężarek półhermetycznych;
- spadek COP układu poprzez wzrost jednostkowej pracy sprężarki.
Zatem biorąc pod uwagę sprawność systemu chłodniczego, dla aplikacji niskotemperaturowych dedykowane są układy dwustopniowe bądź kaskadowe, w których proces sprężania rozłożony jest na kilka stopni w zależności od zastosowania i chęci uzyskania odpowiednio niskiej
temperatury odparowania na najniższym stopniu. Ze względu na swoje właściwości i wysokie ciśnienia pracy R744 dedykowany jest dla niskiego stopnia układów kaskadowych, w którym skraplanie czynnika będzie zachodziło w warunkach podkrytycznych. Wyższe temperatury skraplania (>30°C) skutkują koniecznością pracy CO2 w parametrach nadkrytycznych. Ze względu jednak na duże różnice ciśnień, układy nadkrytyczne mogą osiągać średnie
temperatury odparowania. Połączeniem układu nakrytycznego oraz niskotemperaturowego jest układ typu booster.
Budowa systemów typu booster
Schemat przykładowego układu w systemie booster przedstawiono na rysunku 1. W skład sekcji wysokociśnieniowej wchodzi sprężarka wysokociśnieniowa (Spr.HP), chłodnica gazu i wysokociśnieniowy zawór rozprężny (ZR.HP). W skład serii średniotemperaturowej wchodzi zawór rozprężny średniego ciśnienia (ZR.MP) oraz parownik średniotemperaturowy (MT).
Część niskotemperaturowa wyposażona jest w zawór rozprężny niskiego ciśnienia (ZR.LP), parownik niskotemperaturowy (LT) oraz sprężarkę niskociśnieniową (Spr.LP). Układ
zaprezentowany na rysunku 1. wyposażony jest również w system stabilizacji ciśnienia w
chłodnicy gazu, w skład którego wchodzi zbiornik cieczy oraz zawór stabilizacji ciśnienia (ZSC).
Układ typu booster, dzięki zastosowaniu dwóch sprężarek o różnym zakresie pracy, realizuje zakres temperatury parowania średnio- i niskotemperaturowy. Sprężarki realizujące dany obieg dobierane są na parametry właściwe wymaganym warunkom.
Sprężarka wysokociśnieniowa (Spr.HP) wytłacza gaz R744 o stanie 1, który schładzany jest w chłodnicy gazu do stanu 2. Czynnik o stanie 2 zdławiony w zaworze wysokociśnieniowym (ZR.HP) do stanu 3 trafia do zbiornika cieczy. Następnie ze zbiornika ciecz o stanie 4=7 zostaje zdławiona do parametrów odpowiadających części instalacji średniotemperaturowej (punkt 5) w zaworze średniego ciśnienia (ZR.MP). Natomiast ciecz czynnika o stanie 7=4 zdławiona zostaje do ciśnienia parowania części niskotemperaturowej układu do stanu 8 w zaworze
niskociśnieniowym (ZR. LP). W parowniku układu niskotemperaturowego LT ciecz nasycona czynnika o stanie 8 odparowuje do stanu 9. Pary przegrzane czynnika o stanie 9 zasysane są przez sprężarkę niskociśnieniową (Spr.LP), gdzie zostają sprężone do ciśnienia
międzystopniowego. Para nasycona sucha o stanie 6 po odparowaniu w parowniku
średniotemperaturowym (MT), miesza się z parą przegrzaną o stanie 10 wytłoczoną przez sprężarkę niskiego ciśnienia (Spr.LP). Pary czynnika o stanie 11 zasysane są przez sprężarkę wysokociśnieniową (Spr.HP), gdzie obieg zamyka się.
(...)
Rys. 1. a) Schemat układu nadkrytycznego z R744 w układzie booster; b) odwzorowanie obieg u w układzie p-h
Efektywność
Podsumowanie
Do niedawna R744 stosowany był w technice chłodniczej jedynie jako płyn roboczy dolnego stopnia niskotemperaturowych układów kaskadowych. Wynika to z właściwości fizycznych CO2
(bardzo niska temperatura punktu krytycznego 31°C), co przekłada się na wysokie ciśnienia pracy nawet do 120 bar. W ostatnich latach nastąpił jednak rozwój układów pracujących w układzie nadkrytycznym z R744, a wysokie ciśnienie pracy nie jest już problemem. Systemy typu Booster są idealnym rozwiązaniem dla supermarketów.
W połączeniu z udoskonaloną technologią, którą obecnie dysponujemy, pomagają zredukować koszty eksploatacji tego typu systemów. Należy również wspomnieć o możliwości uzyskania z układu nadkrytycznego wyższej temperatury ciepła odpadowego, które może być wykorzystane do przygotowania np. ciepłej wody, dzięki czemu, jak pokazują pomiary wykonane na
pracujących już układach, można uzyskać nawet 20% zwrotu kosztów eksploatacji takiego systemu.
Układ nadkrytyczny typu Booster to zarówno układ średniojak i niskotemperaturowy chłodzenia.
Rozwiązanie takie łączy zalety R744 jako naturalnego czynnika chłodniczego z możliwością osiągnięcia wyższych wydajności niż w systemach wykorzystujących czynniki chłodnicze z grupy HFC.
Piotr BAJ
