Применение СО2 в холодильной промышленности
Системы с использованием CO2 наиболее эффективны в следующих областях применения:
- Промышленные системы охлаждения. Как правило, CO2 используется в каскадных установках как хладагент низкотемпературного каскада либо как летучий компонент рассола в контуре вторичного хладоносителя;
- Системы охлаждения пищевых продуктов и холодильного хранения в розничной торговле;
- Тепловые насосы;
- Транспортное холодильное оборудование.
Охлаждение в бытовых условиях
Несмотря на широкое распространение в сегменте промышленного и коммерческого холода (в том числе в малых установках коммерческого назначения, таких как торговые холодильники для напитков), в бытовых холодильниках CO2 в качестве хладагента пока не находит широкого применения. Это связано, в первую очередь, с ограниченным диапазоном рабочих температур в субкритическом цикле и высокими давлениями как в субкритическом, так и в транскритическом циклах.
Однако ряд свойств делает CO2 привлекательным для бытового применения. Так, в 2015 году на Всемирном смотре-конкурсе научных и инженерных достижений учащихся в США Гран-при в сфере эко-инжиниринга и специальный приз НАСА получил студенческий проект бытовой холодильной установки, использующей CO2 в качестве хладагента.
Прототип поддерживает в холодильной камере температуру до 3 °С, достаточную для кратковременного хранения большинства пищевых продуктов, при этом для охлаждения разогретого до сверхкритических температур CO2 используется водяной теплообменник, с помощью которого отводимое из холодильной камеры тепло нагревает воду для отопления и горячего водоснабжения.
Несмотря на то, что для CO2 используется более мощный компрессор, потребляющий больше электроэнергии, по сравнению с компрессорами холодильников на ГФУ-хладагентах, утилизация бросовой теплоты делает суммарное энергопотребление установки меньше, чем у традиционного холодильника на ГФУ.
Охлаждение в розничной торговле
В розничной торговле хладагент CO2 используется, как в небольших установках, таких как торговые автоматы и холодильники для напитков, так и в системах холодоснабжения целых магазинов, как каскадных, так и транскритических (в том числе бустерных).
Примером каскадной холодильной установки может служить система холодоснабжения супермаркета площадью 4800 м2, расположенного в Южной Африке.
В среднетемпературном каскаде (температура на выходе из испарителя –10 °C, температура конденсации 43 °C) используется ГФУ-хладагент R134a. Среднетемпературный каскад обеспечивает холодоснабжение двух многосекционных стеллажей холодильной мощностью 648,77 кВт.
CO2 используется как хладагент низкотемпературного каскада (температура на выходе из испарителя –32 °C, температура конденсации –5 °C), обслуживающего морозильную витрину холодильной мощностью 70,9 кВт.
По сравнению с системой на R404A, использовавшейся ранее, каскадная система на R134a/CO2 отличается намного меньшей заправкой фторсодержащим парниковым газом, увеличенной на 4,4 % холодопроизводительностью и сниженным на 55 % энергопотреблением.
Популярная сеть супермаркетов в Дании использует транскритические бустерные установки на CO2 в качестве типового решения для замены систем холодоснабжения на ГФУ-хладагенте R404A, в которых две степени охлаждения обеспечиваются двумя параллельно подключенными спиральными компрессорами .
Типовое решение представляет собой транскритические бустерные установки с инверторным управлением среднетемпературными компрессорами и низкотемпературными компрессорами постоянной производительности . Холодопроизводительность среднетемпературной ступени 28 кВт, низкотемпературной – 9 кВт.
Замена систем на R404A транскритическими бустерными системами на CO2 позволила снизить энергопотребление на величину до 10 %.
Хранение и производство пищевых продуктов
В системах охлаждения для промышленности (в том числе пищевой) CO2 используется либо в качестве хладагента ступени низкого давления, либо в качестве вторичного хладоносителя.
Примером эффективного и экологически безопасного оборудования могут служить холодильные машины на базе полугерметичных двухступенчатых винтовых аммиачных компрессоров, использующие диоксид углерода в качестве вторичного хладоносителя.
Применение СО2 повышает эффективность машины, так как теплообмен в испарителях проходит не только с нагревом жидкого хладоносителя, но и с частичным его кипением, что значительно увеличивает энергоемкость установки и уменьшает габариты оборудования, арматуры и трубопроводов.
Холодильные машины такой конструкции могут использоваться для заморозки, низко-, средне- и высокотемпературного хранения.
Практика показала значительное увеличение производительности и снижение энергопотребления при замене классических установок с насосной подачей хладагента на аммиачные холодильные машины, использующие CO2 как вторичный теплоноситель.
Так, по утверждениям производителя подобных установок, такая замена при модернизации склада с объёмом хранения 18 000 тонн позволила в среднем сократить энергопотребление на 31,1 %, обеспечивая максимальную экономию в наиболее жаркие месяцы весенне-летнего сезона. Использование же установок подобной схемы для холодоснабжения спиральных скороморозильных аппаратов вместо холодильных машин прямого испарения на R-22 на одном из предприятий обеспечило снижение потребляемой мощности на величину до 38 %.
В качестве примера каскадной системы можно рассмотреть холодильную установку для предприятия по переработке мяса птицы, произведенную в Дании и смонтированную на Ближнем Востоке (в Иордании). Одна из особенностей региона – значительные колебания температуры наружного воздуха в течение года.
Система состоит из высокотемпературного каскада на базе трех винтовых компрессоров, использующего в качестве хладагента аммиак, и низкотемпературного каскада на CO2. При монтаже была предусмотрена возможность увеличения производительности за счет установки дополнительных компрессоров в обоих каскадах.
Продукция замораживается при температуре около –40 °C в двух воздушных морозильниках. Процесс заморозки длится около 3 часов. Тушки птицы после забоя охлаждаются в холодильном туннеле, где циркулирующий CO2 поддерживает температуру около +1 °C. Водоохладитель с падающей пленкой охлаждается CO2, имеющим температуру –10 °C.
Охлаждение в транспорте
CO2 является перспективным хладагентом для применения в авторефрижераторах, прицепах-рефрижераторах и высокоэффективных контейнерах для смешанной перевозки.
Одно из решений, уже воплощенных в жизнь, – криогенные системы на сжиженном углекислом газе. В таких системах почти нет движущихся частей, требующих замены и обслуживания, что обеспечивает практически полное отсутствие шума. Сжиженный хладагент выпускается через распыляющие сопла в потолке трейлера, моментально переходя в газообразную форму и расширяясь с поглощением тепла. Возможен вариант, когда сжиженный углекислый газ проходит через змеевиковый или пластинчатый теплообменник, а выпарившийся газ выпускается наружу. В системах третьего типа твердая углекислота хранится в бункере по всей длине потолка и охлаждает воздух по мере таяния.
В 2012 году прошли ходовые испытания системы охлаждения на CO2 для универсальных грузовых контейнеров. Испытания продолжались 29 дней, в течение которых холодильные установки транскритического цикла работали при температурах от –22 до +13 °С на маршрутах, проходящих по Атлантическому и Тихому океанам, и подтвердили свою пригодность как экологически безопасного варианта при перевозке охлажденных продуктов. Благодаря использованию запатентованного многоступенчатого компрессора, привода переменной скорости, газового охладителя и расширительного бака энергоэффективность такой системы оказалась равной показателям самых эффективных промышленных установок.
Бытовые кондиционеры, осушители воздуха и тепловые насосы
На 9-й Конференции по природным рабочим веществам, организованной Международным институтом холода (IIR) и посвященной памяти Густава Лоренцена, был представлен доклад о разработке компактного моноблочного кондиционера воздуха, работающего в транскритическом цикле и использующего CO2 (R744) в качестве хладагента. Устройство номинальной холодильной мощностью 35 кВт предназначено для кондиционирования защитных сооружений (бункеров) военного назначения и рассчитано на высокую производительность при температурах окружающей среды до +51,7 C. В прототипе применен трубчато-пластинчатый испаритель от установки управления микроклиматом на R134a холодопроизводительностью 17,5 кВт. Использование CO2 обеспечило прирост производительности (по сравнению с R134) на 40 %. Коэффициент производительности установки на CO2 оказался примерно на 30 % выше, чем у кондиционера на R134a со сходными характеристиками, и на 20 % выше, чему у устройства на R410A. Кроме того, прототип оказался на 60 % легче и на 40 % компактнее аналога на R134a.
В начале 21-го века широкое распространение в Японии, а затем и за ее пределами получили бытовые тепловые насосы «воздух – вода» на CO2, работающие в транскритическом холодильном цикле.
На нагрев воды до 90 °C тепловой насос тратит на 66 % меньше электроэнергии, чем электрический водонагреватель. За счет использования хладагента с низким ПГП, низкого энергопотребления и возможности нагрева воды без сжигания ископаемого топлива, тепловые насосы «воздух – вода» на CO2 практически не наносят вред окружающей среде.
Весьма перспективным направлением использования тепловых насосов на CO2 является их применение вместо электронагревателей в качестве источника тепла для абсорбционных осушителей.
Транспортное кондиционирование
На сегодняшний день разработан полный комплект компонентов для автомобильных систем кондиционирования, использующих CO2 в качестве хладагента. В 2004 году демонстрационный автомобиль с кондиционером на CO2 прошел испытания в условиях города и автомагистралей в Фениксе (штат Аризона), где температура достигает 43 °С. В 2009 году при сотрудничестве американской и немецкой компаний была разработана первая в Северной Америке полностью электрифицированная холодильная система на углекислом газе для комбинированных и электроприводных междугородных автобусов.
В Европе широкому внедрению автомобильных кондиционеров воздуха на CO2 способствует принятая ЕС Директива MAC, запрещающая использовать в таких кондиционерах фторсодержащие хладагенты с потенциалом глобального потепления (ПГП), превышающим 150. На сегодняшний день практически все крупные европейские автопроизводители объявили о переходе на использование CO2 в системах кондиционирования новых автомобилей.