Применение диоксида углерода в холодильных технологиях.

В различных системах охлаждения находят всё более широкое применение так называемые природные хладагенты: углеводороды, диоксид углерода и аммиак. Это вызвано ограничением и последующим запретом использования озоноразрушающих веществ в соответствии с Монреальским протоколом (1987 г.), а также внесением в него в 1990 поправок и корректив, в которые были включены дополнительные, в том числе вызывающие парниковый эффект, хладагенты.

Аммиак является одним из лучших холодильных агентов. Однако главный его недостаток — токсичность и взрывопожароопасность, неустраним. Углеводороды ещё более взрывопожароопасны, чем аммиак, поэтому их целесообразно использовать только в малых холодильных машинах, например, в бытовых холодильниках, или в технологическом оборудовании нефтехимических производств.

На этом фоне повышенный интерес к диоксиду углерода становится вполне объяснимым. Диоксид углерода имеет следующие достоинства: обладает высокой объёмной холодопроизводительностью, не токсичен и безопасен, инертен к материалам, дешёв и доступен.

Основные недостатки диоксида углерода — низкая критическая температура и высокие давления в области рабочих температур.

Однако высокое давление определяет и преимущества СО₂ по сравнению с другими хладагентами:

1. Холодопроизводительность компрессора при заданной его объёмной производительности при работе на диоксиде углерода выше вследствие высокой плотности газа.

2. Падение давления в испарителях слабо влияет на изменения температуры кипения, так как кривая фазового перехода у СО₂ оказывается более крутой по сравнению с другими хладагентами. Это позволяет увеличить массовый расход хладагента через испаритель и тем самым повысить эффективность теплоотдачи.

Циклы холодильных машин, работающих на диоксиде углерода, могут осуществляться как в надкритических, так и в докритических областях [1].

В промышленных каскадных холодильных машинах в нижней ветви используют чаще всего докритический цикл, реализуемый на СО₂. Как правило, в них в качестве хладагента верхней ветви применяется аммиак либо гидрофторуглероды (R410А, R407С, R507) [2].

Каскадные холодильные машины с аммиаком в качестве хладагента верхней ветви создавались для производства низкотемпературного жидкого диоксида углерода [3].

Для выработки холода указанные каскадные холодильные машины применяются уже более 10 лет. В них достигается не только повышение промышленной безопасности за счёт снижения количества аммиака, но и снижение энергопотребления на 10% по сравнению с традиционными двухступенчатыми схемами.

Диоксид углерода используют в нижней ветви каскада в диапазоне температур от–55 до 0 °С, что соответствует давлениям от 5,7 до 35 бар. При этом нижняя ветвь холодильной машины может работать в различных режимах: непосредственное кипение диоксида углерода в испарителе; принудительная циркуляция СО₂ (с насосной подачей хладагента); охлаждение потребителей с использованием СО2 в качестве промежуточного хладоносителя.

Рассмотрим особенности нескольких типов указанных холодильных машин. В случае непосредственного кипения пары СО₂ сжимаются в компрессоре и конденсируются в теплообменнике, который является одновременно испарителем для верхней ветви каскадной холодильной машины. Затем жидкий диоксид углерода через дроссель поступает в испаритель, где кипит при –40 °С. Образующиеся пары возвращаются в компрессор.

В случае использования принудительной насосной циркуляции (см. рис. 5) жидкий СО₂ из циркуляционного ресивера насосом подаётся в испарители нижней ветви каскада. После испарителей смесь жидкости и пара возвращается в ресивер СО₂. Остальная часть контура каскадной холодильной машины такая же, как в схеме с непосредственным кипением, с той лишь разницей, что через РВII двухфазный СО₂ поступает в циркуляционный ресивер.

При использовании диоксида углерода в качестве промежуточного хладоносителя (см. рис. 6), в нижней ветви каскада компрессор СО₂ не используется. Диоксид углерода подается в испарители насосом, а потом возвращается в циркуляционный ресивер. Пар конденсируется в теплообменнике R744/R717, представляющем собой конденсатор-испаритель. Аммиачная холодильная машина верхней ветви каскада в этом случае является двухступенчатой.

Температурам испарения и конденсации в нижней ветви каскадных холодильных машин соответствуют сравнительно высокие уровни давлений СО₂. Эти давления в некоторых случаях значительно превышают допустимые значения для типовых элементов холодильных машин. Поэтому некоторые фирмы разработали для холодильных машин оборудование, предназначенное для работы с СО₂. Так, швейцарская фирма «AlfaLaval» предлагает воздухоохладители с рабочим давлением до 50 бар на CO₂ (см. рис. 3,а). Холодопроизводительности воздухоохладителей промышленной серии составляют от 8 до 155 кВт, а коммерческой — от 2 до 56 кВт. Компанией созданы меднопаяные пластинчатые теплообменники серии ACH с рабочим давлением от 45 до 49 бар и холодопроизводительностью от 4 до 500 кВт (рис. 3,б), а также полусварные пластинчатые теплообменники с рабочим давлением 40 бар и с холодопроизводительностью до 10500 кВт.

Наиболее сложным и важным элементом холодильной машины, в которой СО₂ используется в качестве хладагента, является компрессор. В каскадных промышленных системах наибольшее применение получили поршневые и винтовые компрессоры открытого типа. На рынке холодильного оборудования компрессоры для СО₂ сегодня предлагают многие ведущие мировые компании: «Grasso», «York», «Mycom» и др. Компания «Grasso»представила ряд поршневых компрессоров для СО₂ серии 5НР с рабочим давлением до 50 бар.

Объёмная их холодопроизводительность — от 100 до 3200 м /ч. Компанией «York» для работы на СО₂ предлагаются поршневые компрессорные агрегаты высокого давления серии HPO/HPC с холодопроизводительностью от 140 до 690 кВт (при температуре испарения –40 °С и конденсации –5 °С). Компания «Mycom» изготавливает серию каскадных холодильных машин EK-NCC с непосредственным кипением СО2 в нижней ветви и серию машин EK-CCU, в которых в нижней ветви каскада СО₂ используется как хладоноситель. Компания «Grasso» производит модульные каскадные холодильные машины на базе винтовых компрессоров с холодопроизводительностью от 250 до 1000 кВт.

В последнее время возрос интерес к полугерметичным компрессорам. Их применение позволяет значительно удешевить перспективные установки коммерческого назначения. Компания «Bitzer» представила ряд полугерметичных поршневых компрессоров, спроектированных как для докритического, так и транскритического циклов, реализуемых на СО₂. Серия компрессоров для докритического цикла имеет холодопроизводительность от 5 до 90 кВт; компрессоры, работающие в транскритическом цикле, — холодопроизводительность от 15,6 до 42,3кВт.

В транскритическом цикле процессы лежат как в надкритических, так и докритических областях (см. рис. 4). Давление может изменяться от 30 до 100 и более бар. Холодильный коэффициент системы с транскритическим циклом, работающей на СО₂, выше чем у традиционных систем, работающих на фреонах [4]. Транскритические циклы на СО₂ в настоящее время используются для создания холодильных машин с малой холодопроизводительностью, например, для систем транспортного кондиционирования, тепловых насосов малой производительности и холодильных систем супермаркетов.

Для хранения, транспортировки и реализации мороженого в торговых пунктах, не оборудованных стационарными холодильными установками, используется около 60% производимого сухого льда.

Диоксид углерода в виде блоков, мелкофасованный или снегообразный применяется в качестве хладагента при транспортировке охлажденных и замороженных мясных, молочных и других пищевых продуктов, для контактного замораживания любых пищевых продуктов. Метод стрельбы снегообразным СО₂ применяют для предварительного охлаждения автокузовов и контейнеров перед нагрузкой продуктами.

Лекция 16. Малые холодильные установки. Бытовые холодильники и морозильники. Классификация бытовых холодильников и морозильников. Основные элементы конструкции. Компрессорные холодильники и морозильники. Абсорбционные холодильники и морозильники. Термоэлектрические холодильники.

Бытовые (домашние) холодильники, холодильники-морозильники и морозильники служат последним звеном непрерывной холодильной цепи. Холодильники обеспечивают хранение пищевых продуктов в охлажденном и замороженном состоянии, а морозильники - замораживание и хранение в замороженном состоянии пищевых продуктов при температуре не выше – 12… - 18 ⁰ С в домашних условиях до момента потребления.

Холодильники и морозильники довольно быстро совершенствуются. Улучшаются технико-экономические показатели, увеличивается число выполняемых функций, повышаются уровни автоматизации и комфортности, улучшается внешнее оформление.

В охлаждаемом объеме в общем случае выделяется четыре зоны с разными режимами: для охлаждения; замораживания; хранения при температуре 0⁰С с относительно низкой влажностью (до 90%) для мяса, рыбы, птицы и относительно высокой влажностью для овощей фруктов, зелени. Улучшают технико-экономические показатели путем сокращения теплопритоков через корпус, доля которого обычно составляет 70 - 80% суммарного значения (т. е. 20 - 30% ее приходится на долю теплопритоков от продуктов и при открывании двери). Это возможно путем уменьшения теплопроводности традиционной пенополиуретановой изоляции (до l = 0, 0157 Вт/(м×К)) и создания новой вакуумной и экранно-вакуумной, что позволяет уменьшить толщину ограждения морозильной камеры до 30 - 40 мм. Кроме того, чем меньше объем занимает теплоизоляция, тем больше полезная вместимость холодильника.

Применяют аккумуляторы холода, позволяющие стабилизировать температуру воздуха при циклической работе холодильного агрегата, сохранять приемлемую температуру длительный период при аварийном отключении электроэнергии, быстрее замораживать продукты.

Уровень автоматизации повышается вследствие использования микропроцессорной техники, позволяющей расширить возможности систем автоматизации, например, задавать режим хранения и замораживания, контролировать режим работы, диагностировать состояние основных элементов (компрессора, воздухоохладителя, и т. д.), сигнализировать о нарушении режима работы и ухудшении технического состояния компрессорного агрегата, оттаивать испарители.