Перспективы применения углекислого газа в холодильных машинах



Применение экологически чистых хладагентов в холодильных машинах вместо озоноразрушающих является актуальной задачей. К таким веществам относится углекислый газ.

The use of environmentally-friendly refrigerants in refrigerators instead of ozone is an urgent task. These substances include carbon dioxide.

Углекислый газ (хладагент R744) — достаточно инертный при нормальных условиях двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

Химическое название R744 — Диоксид углерода.

Химическая формула CO₂ (диоксид углерода). Относится к группе ГФУ (HFC). Дешевое нетоксичное, негорючее и экологически чистое (ODP = 0, GWP= 1) вещество. Стоимость диоксида углерода в 100…120 раз ниже, чем R134a.

R744 может служить альтернативным хладагентом. Содержится в атмосфере и биосфере Земли, имеет следующие преимущества: низкая цена, простое обслуживание, совместимость с минеральными маслами, электроизоляционными и конструкционными материалами. Вместе с тем при использовании диоксида углерода требуется водяное охлаждение конденсатора холодильной машины, увеличивается металлоемкость холодильной установки (по сравнению с металлоемкостью установок, работающих на галоидопроизводных хладагентах). Высокое критическое давление имеет и положительный аспект, связанный с низкой степенью сжатия, вследствие чего эффективность компрессора становится значительной. Возможны перспективы применения диоксида углерода в низкотемпературных двухкаскадных установках и системах кондиционирования воздуха автомобилей и поездов. Его предлагают использовать также в бытовых холодильниках и тепловых насосах.

СО₂ принадлежит к так называемым «естественным» хладагентам, таким как аммиак, пропан, бутан или вода. У каждого из них есть свои недостатки: аммиак токсичен, пропан горюч, у воды ограниченная область применения. В отличие от них СО₂ не токсичен и не горюч, хотя его влияние на окружающую среду не однозначно. С одной стороны, СО₂ содержится в воздухе и необходим для протекания жизненных процессов. С другой стороны, считается, что большая концентрация углекислоты в воздухе и есть одна из причин глобального потепления.

Основные холодильные оборудования работают с помощью аммиака и фреона. Аммиак используют, обычно, для крупных холодильных установок, а фреон в бытовых и других холодильных установках. Но при этом аммиак опасен по промышленной безопасности, а фреоны уступают аммиаку в энергетической эффективности. Кроме этого фреоны обладают рядом других недостатков, суть которых сводится к следующему: нет такого синтетического хладагента который был бы озонобезопасным, не способствовал бы созданию парникового эффекта, обладал бы хорошими термодинамическими свойствами и высокими эксплуатационными параметрами.

Углекислый газ, или диоксид углерода (СО₂), имеет хорошие показатели эффективности для низких температур, очень высокую удельную холодопроизводительность. (Рис. 1)

Рис. 1. Характеристики производительности винтового компрессора «Битцер» с объёмной производительностью 220 м³/ч

Недостатки фреонов привели к тому, что в мире наблюдается тенденция перехода на натуральные, природные, хладагенты. Наиболее популярные: воздух, вода, аммиак, углеводороды, углекислый газ.

При этом, воздух имеет чрезвычайно низкую температуру кипения, а вода высокую при нормальных условиях. Аммиак является одним из лучших холодильных агентов и в настоящее время активно внедряется для малых холодильных установок, однако главный недостаток — токсичность и взрывопожароопасность неустраним. Углеводороды еще более взрывопожароопасны, чем аммиак, поэтому их целесообразно использовать только в малых холодильных машинах, например, в бытовой технике.

На этом фоне, повышенный интерес к углекислому газу становится вполне объясним.

Углекислый газ обладает следующими достоинствами:

1) обладает высокой объемной холодопроизводительностью,

2) не токсичен и безопасен;

3) инертен к материалам;

4) дешевый и доступный.

Главные недостатки — низкая критическая температура 31°С и высокие рабочие давления, до 10 МПа. Для исправление этих недостатков рекомендуется использовать углекислый газ как примесью с другими хладагентами, например с пропаном и бутаном.

Благодаря благоприятным для окружающей среды характеристикам, низкой токсичности и привлекательным физико-химическим свойствам в случае «докритического» функционирования углекислота (CO₂) всё более интересует разработчиков как предпочтительный хладоноситель для вторичного контура, а также как хладагент для низкотемпературных каскадных систем. При обычном низкотемпературном применении видна особенно высокая удельная холодопроизводительность CO₂, по сравнению с другими хладагентами.

Для реализации докритического цикла необходимо поддержание температуры конденсации в пределах 0 -10°С, что будет соответствовать давлению 2,5–3,5 МПа. Данная схема реализуется в каскадных холодильных машинах.

Литература:

1. Herman Renz, «Bitzer Kuelmashinenbau GmbH», Germany, 2007.
2. Лашутина Н. Г., Верхова T. A., Суедов В. Р. Холодильные машины и установки. — M.: Koлoс, 2006. — 440 с.
3. Современные холодильники. Подред. A. В. Родина и Н. A. Tюнина. — M.: СОЛОН — ПРЕСС, 2008. — 96 с.
4. Bill Whitman, Bill Johnson, John Tomczyk, Eugene Silberstein. Refrigeration & air conditioning technology. Delmar Cengage Learning.-2012.
5. http://www.frigodesign.ru.
6. http://www.hvac-school.ru.