ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА В КАЧЕСТВЕ ХЛАДАГЕНТА

Аннотация. В настоящее время глобальное потепление вызывает серьезную озабоченность во всем мире из-за непрерывного увеличения уровня диоксида углерода в окружающей среде. Главной причиной этого являются электростанции, химическая промышленность, обрабатывающая промышленность и автомобилестроение. В настоящее время различные протоколы и нормы находятся на стадии внедрения либо для снижения уровня CO₂. В этой статье рассматривается применение CO₂, как природного хладагента, который обладает благоприятными теплофизическими свойствами и имеет самый низкий потенциал глобального потепления.

Ключевые слова: диоксид углерода, CO₂, хладагенты, охлаждение, кондиционирование, экология.

ВВЕДЕНИЕ

Производители холодильного оборудования сталкиваются с проблемами, связанными с законодательными требованиями, вынуждающими их использовать в своих новых продуктах менее традиционные хладагенты с более низким потенциалом глобального потепления (ПГП). Природные рабочие жидкости, такие как аммиак, диоксид углерода и пропан, показали себя энергоэффективными и экологически безопасными альтернативами. Системы охлаждения аммиака успешно работают на рынке уже более 140 лет. Альтернативная рабочая среда должна отвечать трем требованиям: безопасности, экологической приемлемости и применимости устройства. За годы неустанных усилий ученые разработали множество переходных или долгосрочных заменителей хлорфторуглеродов (ХФУ) и гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ), таких как R134a, R407C, R410A и R290. Соответствующие технологии и оборудование также изучаются. Некоторые из них уже широко используются в холодильной технике, а также в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Монреальский протокол требует от стран поэтапного отказа от хлорфторуглеродов (ХФУ), ГХФУ и других веществ, разрушающих озоновый слой, в установленные сроки и предусматривает период использования этих веществ для развитых и развивающихся стран соответственно.

Некоторые европейские страны запретили использование ГХФУ в областях охлаждения, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ). Между тем, они также предлагают постепенно отказаться от ГХФУ из других областей. Законодательство некоторых стран строго ограничивает или требует поэтапного отказа от хладагента R134a в 2020—х годах, что фактически делает истинную дилемму для индустрии охлаждения и ОВКВ-необходимость адаптации к устранению хладагентов ХФУ и ГХФУ и поиска альтернатив.

Таблица 1.

Анализ существующих хладагентов

В нынешней ситуации представляется целесообразным избегать, насколько это возможно, использование в больших количествах веществ, которые чужды природе и неизбежно будут потеряны в биосфере. Гораздо более целесообразнее будет возвращение к "естественным" хладагентам: веществам, которые уже присутствуют в нашей окружающей среде и которые, как известно, безвредны. Одной из таких возможностей является углекислый газ (CO₂₎.

Как природный хладагент, CO₂ имеет много преимуществ перед другими веществами, такими как:

• Низкая кинематическая вязкость
• Низкая динамическая вязкость
• Небольшой коэффициент давления (около 2.5 ~ 3.0)
• Небольшой объем
• Большая холодильная мощность на единицу объема
• Высокая теплопроводность
• Высокая теплоемкость при постоянном давлении
• Низкое поверхностное натяжение
• Защита окружающей среды
• Легко купить
• Физическая стабильность и безопасность

В настоящее время технология охлаждения CO₂ в основном применяется в трех областях: автомобильное кондиционирование воздуха, тепловые насосы и многоступенчатые холодильные системы. Поскольку CO₂ является экологически чистым хладагентом, компрессоры CO₂ были разработаны и изготовлены для различных целей. Существует шесть типов компрессоров CO₂, а именно:

• Поршневые компрессоры
• Поршневые компрессоры качения
• Качающиеся поршневые компрессоры
• Спиральные компрессоры
• Лопастные компрессоры
• Винтовые компрессоры

Сравненный с компрессорами других хладоагентов, компрессоры СО₂ охарактеризованы их высоким давлением деятельности; малым размером структуры и коэффициентом давления; большими перепадами давления всасывания и нагнетания; и высокой эффективностью охлаждать и топления.

ПЛЮСЫ И МИНУСЫ ХЛАДАГЕНТА СО₂

Хладагент СО₂ (R744) - это своего рода естественная рабочая среда, бесцветная и безвкусная при нормальных атмосферных температурах. Критические температура и давление 31.1 ℃ и 7.37 МПа, соответственно.

Физические свойства СО₂:

• Скрытая теплота испарения СО₂ велика, а холодильная мощность на единицу объема высока (22,6 МДж/м³ при 0℃), примерно в 5-8 раз больше, чем у традиционных хладагентов.
• Кинематическая вязкость СО₂ очень низкая и может оставаться при низких температурах.
• Теплопроводность СО₂ высока, а отношение плотности жидкости к плотности пара низкое. После дросселировать, хладоагент можно распределить равномерно в трубах рефрижерации. Эти превосходные представления подачи и передачи тепла СО₂ могут значительно уменьшить размер компрессора и оборудования рефрижерации, делая всю систему очень компактной.

Как хладагент, СО₂ имеет следующие три преимущества перед другими хладагентами:

• Во-первых, что касается защиты окружающей среды, потенциал разрушения озонового слоя СО₂ равен 0, а потенциал глобального потепления равен 1, что намного меньше, чем у ХФУ и ГХФУ хладагента. Поскольку большая часть СО₂, используемого для охлаждения, является химическим и промышленным побочным продуктом, выбрасываемым с заводов, использование СО₂ в качестве хладагента похоже на переработку или задержку выброса этого выхлопного газа, что весьма полезно для окружающей среды.
• Во-вторых, по теплофизическим свойствам рабочего тела СО₂ идеально подходит для холодильных циклов и оборудования.
• В-третьих, химические свойства СО₂ стабильны. Он нетоксичен, безвреден, негорюч и не разлагается на токсичные газы при высоких температурах. Кроме того, СО₂  коммерчески доступен, прост в получении и экономичен.

Природный жидкий диоксид углерода обладает превосходными свойствами при использовании в качестве хладагента в системах охлаждения компрессионного типа или тепловых насосах: его высокая температура нагнетания в паре с высоким давлением позволяет  использовать преимущества рекуперации тепла.

Рассмотрим схему, делающую акцент на использовании уникальных характеристик CО₂ на Рис. 1.

Рисунок 1 Схема системы рекуперация тепла в сочетании с использованием СО₂ в качестве хладагента: 1 – холодильное оборудование (витрины); 2 – камеры заморозки; 3 – компрессор; 4 – Тепловой  модуль – утилизатор; 5 – Конденсатор; 6 – буферная емкость; 7 – циркуляционный насос; 8 – горячее водоснабжение; 9 – настенный, напольно-потолочный или канальный фанкойл.

Рекуперация тепла - практическое использование отработанной энергии.

Холодильные установки с воздушным охлаждением производят много ненужной энергии, сбрасывая энергию конденсации в окружающий воздух. При установке охладителя воздушного пара (теплообменника) большая часть этой отработанной энергии может быть превращена в горячую воду, которая может использоваться для многих целей, таких как:

• Санитарная горячая вода;
• Отопление помещений;
• Горячая вода для технологических процессов;
• Очищающая вода;

Блоки охладителя воздушного пара (теплообменника)  расположены между компрессором и конденсатором для использования высокотемпературной энергии перегретого хладагента. Используя отдельный теплообменник для использования высокой температуры отводимого газа, можно нагревать воду до более высокой температуры, чем это было бы возможно в конденсаторе.

Пароохладитель обычно сконструирован так, чтобы не конденсировать хладагент. Однако в зависимости от условий эксплуатации может образовываться некоторое количество жидкого хладагента. Эта жидкость должна подаваться в конденсатор, который в идеале должен располагаться под пароохладителем. Однако по практическим соображениям он часто размещается над пароохладителем. В паяном теплообменнике выходящие капли хладагента рассеиваются и легко переносятся доминирующей паровой фазой. Проектирование соединительной трубы от пароохладителя к конденсатору для скорости газа 5-10 м/с будет обеспечена достаточная турбулентность, чтобы избежать накопления жидкого конденсата.

Таким образом, путем грамотного проектирования системы, которая будет делать акцент на использовании уникальных характеристик CО₂ и / или исключительных особенностей различных циклов, улучшающие практическую производительность систем СО₂, она будет выгодно отличаться от традиционных хладагентов с точки зрения энергоэффективности.