Примеры решений

CO₂ может использоваться в качестве хладагента в системах как с субкритическим, так и с транскритическим холодильным циклом.

В классическом субкритическом холодильном цикле, который традиционно используется, например, в большинстве холодильных систем на фреонах, весь диапазон рабочих температур и давлений находится ниже критической точки и выше тройной точки. Подобные системы на CO₂ характеризуются простотой конструкции, ограниченным диапазоном рабочих температур и высоким давлением. Рабочее давление в субкритическом цикле находится обычно в диапазоне от 5,7 до 35 бар при соответствующей температуре от –55 до 0^°C. Если испаритель оттаивается горячим газом, то значение рабочего давления увеличивается примерно на 10 бар.

Отличительная черта холодильных систем, использующих транскритический цикл охлаждения, отсутствие в конструкции конденсатора. Вместо него используется газоохладитель.

Это связано с тем, что отвод тепла от хладагента в транскритическом цикле происходит при температуре, превышающей критическую точку, так что конденсации при этом не происходит.

Так как фазовый переход не осуществляется, при прохождении через газоохладитель температура CO₂ продолжает понижаться. Теплоемкость CO₂ при охлаждении также изменяется. Разница температур между охлаждающей средой и CO₂ в газоохладителе обычно составляет половину аналогичной разницы температур при конденсации хладагента. Чтобы добиться максимальной производительности, газоохладитель выполняют в виде теплообменника противоточного типа.

Схема простейшей холодильной установки, работающей в транскритическом режиме

Простейшая транскритическая установка состоит из компрессора, газоохладителя, испарителя и расширительного устройства (дроссельного отверстия или капиллярной трубки). В простейших установках нет регуляторов давления, и они, следовательно, работают при оптимальном высоком давлении и максимальной производительности при данных неизменных условиях работы. Другим вариантом является использование термостатического клапана для регулирования температуры охлаждения газа.

Одной из наиболее перспективных для применения в холодном климате является транскритическая бустерная система. Она более экономична в сравнении с системами, работающими на фреоне R404a, и в то же время отличается простотой конструкции.

Типичная транскритическая углекислотная бустерная система разделяется на три секции: высокого, среднего и низкого давления.

Секция высокого давления начинается с компрессора высокого давления, проходит через газоохладитель и теплообменник на всасывающей линии, а заканчивается клапаном регулирования высокого давления. Расчетное давление в этой секции, как правило, составляет от 90 до 120 бар.

Секция среднего давления начинается от расширительного клапана высокого давления, где поток разделяется на газ и жидкость в ресивере.

Газообразная фаза отводится во всасывающую линию компрессора высокого давления через перепускной клапан. Жидкая фаза подается к расширительным клапанам, где происходит ее расширение перед подачей в низкотемпературный и среднетемпературный испарители.

Схема транскритической бустерной системы с газовым перепускным клапаном

Газ из низкотемпературного испарителя сжимается в низкотемпературном компрессоре и смешивается с газами, поступающими из среднетемпературного испарителя и перепускной линии. Отсюда газ подается во всасывающую линию компрессора высокого давления и заполняет контур.

Расчетное давление в среднетемпературной секции обычно составляет 40–45 бар, а в низкотемпературной секции — 25 бар. При этом все чаще среднетемпературная и низкотемпературная секции рассчитываются на одинаковое давление.

Наиболее широко CO₂ применяется в каскадных системах. В этом случае диапазон рабочих давлений позволяет использовать стандартное оборудование (компрессоры, регуляторы и клапаны), имеющееся в продаже.

Существуют различные виды каскадных холодильных систем на CO₂: с непосредственным кипением, с насосной циркуляцией, с вторичным рассольным контуром, а также комбинации этих систем. Каскадная система состоит из двух изолированных холодильных контуров, сопряженных через каскадный теплообменник. В настоящее время распространение получили системы, в которых в качестве хладагента на низкотемпературной стороне используется CO₂, а на высокотемпературной стороне — углеводороды, гидрофторуглероды (ГФУ) или аммиак. Высокотемпературного хладагента для каскадной системы требуется очень немного (значительно меньше по сравнению с обычной системой аналогичной производительности на том же хладагенте).

При этом рабочее давление CO₂ в каскадных системах обычно невысокое — 40-45 бар, что соответствует температуре от +5 до +10^°C, а разность температур у каскадного теплообменника — относительно низкая. Такие устройства особенно эффективны в условиях жаркого климата.

Поток CO₂ в низкотемпературном контуре каскадной системы подается в испаритель либо благодаря разнице давлений, либо при помощи насоса.

Система с непосредственным кипением хладагента является более простой, так как в ней отсутствует насос и устройства контроля уровня жидкости. Такая система имеет также меньшую заправку хладагентом. Недостатком данной схемы является пониженная эффективность из-за более высокого перегрева на всасывании.

Поэтому такая схема обычно используется в небольших холодильных установках.

Различные виды компоновки каскадных систем

Каскадные системы на CO₂ с насосной подачей отличаются высокой эффективностью, а небольшой размер трубопроводов, используемый как в низкотемпературных, так и в среднетемпературных применениях делает эти установки уникальными по сравнению с рассольными системами.

Лучшим применением схемы с насосной циркуляцией являются установки с относительно высокой производительностью. В установках с небольшой или переменной производительностью управление насосами затруднительно.