СО2 как современный хладагент для промышленного холода

21.01.2016

 Выбирая, какой хладагент использовать при проектировании холодильных систем, нужно учитывать такие важные критерии его применения, как безопасность использования, величину эксплуатационных издержек и экологическую безвредность; немаловажную роль из-за стремительного роста цен на энергоресурсы также играет низкая энергоемкость. Идеальный хладагент для холодильных систем также должен обладать химической стабильностью и высокими термодинамическими характеристиками. Производственным критериям полностью удовлетворяли хлор- и бромсодержащие фреоны, но их использование наносило непоправимый вред окружающей среде, поэтому было законодательно ограничено. Сейчас в системах промышленного холода все чаще рекомендуется использовать альтернативные – «природные» – хладагенты: аммиак, воду, углеводороды (пропан и бутан), а также диоксид углерода.

С точки зрения эффективности применения, адекватной замены запрещенным фреонам, которые бы максимально удовлетворяли запросам холодильной промышленности, так и не было найдено. Аммиак, который сейчас широко используется в крупных промышленных холодильных установках, токсичен и горюч; еще более пожароопасные углеводороды могут использоваться только в небольших холодильных машинах, а вода имеет очень ограниченную область применения. Диоксид углерода (СО₂), известный под обозначением R744, является природным веществом и обладает несомненными достоинствами для холодильной промышленности (высокой холодопроизводительностью, нетоксичностью, безопасностью использования, инертностью к материалам, дешевизной и доступностью), а в замкнутых контурах имеет пренебрежительно малый потенциал всемирного потепления. Высокие давления в области рабочих температур с одной стороны налагают специальные требования к конструкции работающего на СО₂ оборудования, которые нужно учитывать при проектировании холодоснабжения предприятий, с другой позволяя добиваться повышенной холодопроизводительности. Также эти особенности следует учитывать при транспортировке и хранении углекислоты.

Холодильная автоматика Данфосс и другое оборудование, которое работает на СО₂

Инициатива вернуться к использованию СО₂ в качестве хладагента принадлежит скандинавским странам: например, датская компания Данфосс уже давно выпускает холодильную автоматику для оборудования, работающего на диоксиде углерода. В основном это стандартные устройства, модифицированные в соответствии с особенностями применения СО₂. Швейцарская фирма Alfa Laval в своей линейке холодильного оборудования выпускает воздухоохладители (промышленной и коммерческой серий) и пластинчатые теплообменники, рабочее давление которых подходит для использования СО₂. Поршневые и винтовые компрессоры открытого типа, специально разработанные для каскадных систем с использованием СО₂, выпускает японская компания MYCOM.

В последние годы в мире наблюдается повышение интереса к работающим на углекислом газе холодильным машинам. Так всемирно известный концерн Nestlé в своих производственных циклах широко пользуется каскадными холодильными установками, работающими на аммиаке и СО₂, демонстрируя энергоэффективность их использования. В некоторых странах наблюдается законодательное мотивирование потребителей и производителей: в Нидерландах заметно снизились налоги на работающие на углекислоте установки, а в Скандинавии, наоборот, повысились налоги на использование синтетических хладагентов.

Хоть наибольшая эффективность (вплоть до конкуренции с синтетическими хладагентами) применения СО₂ и наблюдается в области субкритических температур (так в Азии широко распространено применение СО₂ для рекуперации отведенного тепла и для использования в тепловых насосах), для сверхкритических температур холодильное оборудование может быть успешно оптимизировано. Например, компания Coca-Cola, сочетая использование СО₂ и фреона R134a в своих холодильных установках, добилась значительного уменьшения потребления электроэнергии. Установки на СО₂ уже используются для оборудования холодильных складов (в 2006 году первая в Украине двухконтурная каскадная система была запущена по проекту финской компании HUURRE), супермаркетов, предприятий пищевой промышленности и других объектов. Эти и подобные примеры показывают, что холодильное оборудование может работать эффективно и без ущерба для окружающей среды благодаря применению природных хладагентов.

Особенности применения углекислоты на нижней ступени в каскадных схемах

Итак, каскадные схемы с амиаком в качестве хладагента верхнего каскада уже более десяти лет применяются в странах Европы, при этом повышается промышленная безопасность из-за снижения количества аммиака в системах и на 10-15% снижается энергопотребление (по сравнению с двуступенчатыми схемами, в которых аммиак используется вместе с вторичным хладоносителем). При этом нижняя ветвь каскадной холодильной машины, которая работает на углекислом газе, может функционировать в режиме непосредственного кипения СО₂ в испарителе, принудительной циркуляцией СО₂ с насосной подачей хладагента, а также для охлаждения потребителей с использованием СО₂ в качестве промежуточного хладоносителя.

Для охлаждения жидкого СО₂ при его использовании на нижней ступени каскадных циклов, а также для поддержания давления в установке на приемлемом уровне применяются дополнительные холодильные системы. Также предусматриваются различные способы оттайки, в т.ч. горячим паром, и в этом случае в системах используются линейные ресиверы, которые компенсируют колебания уровня заполнения испарителя жидким СО₂ при изменении тепловой нагрузки, а также применяются для освобождения конденсатора от жидкости, омертвляющей теплообменную поверхность.

Также при проектировании и монтаже промышленного холодильного оборудования с использованием СО₂ следует предусмотреть дополнительные меры предосторожности против попадания внутрь воды. Проникая внутрь вместе с хладагентом при заправке холодильных установок, при замене вставок фильтров или через сальники из-за разности парциального давления, вода при взаимодействии с СО₂ образует угольную кислоту, разъедающую трубы. Поэтому каскадные системы должны комплектоваться фильтрами-осушителями.

Также рекомендуем статьи:

Классификация хладагентов (холодильных агентов)

Инжиниринг холодоснабжения: выбор системы для пищевого производства

Серии поршневых одноступенчатых компрессоров Майком (MAYEKAWA)