Как это работает?
Термодинамические основы
СО2 (R744) как хладагент обладает уникальными термодинамическими свойствами, определяющими два принципиально разных режима работы холодильных систем: субкритический и транскритический.
При атмосферном давлении СО2 существует только в газообразном состоянии или в виде твердого вещества («сухого льда»). Переход в жидкую фазу возможен исключительно при повышенном давлении.
Ключевые параметры, определяющие работу систем:
Тройная точка: -56,6 °C при 5,2 бар — состояние равновесия между твердой, жидкой и парообразной фазами. Ниже этой границы невозможно существование жидкой фазы.
Критическая точка: 31,1 °C при 73,6 бар — переход в сверхкритическое состояние. Выше этой границы теряются четкие различия между жидкой и паровой фазами.
Рабочий диапазон параметров СО2 для области холодильной техники: от -50 °C до +135 °C и выше при давлении 7-120 бар.
Холодильные системы на диоксиде углерода работают по субкритическому и транскритическому парокомпрессионному циклу, представляющему собой последовательность процессов:
Испарение: жидкий СО2 поглощает тепло при низкой температуре (от минус 50 до 0 °C) и низком давлении (7-40 бар)
Сжатие: пары СО2 сжимаются компрессором до высокого давления.
Отвод тепла в окружающую среду:
субкритический режим: конденсация СО2 в конденсаторе (как правило, при давлении до 65 бар);
транскритический режим: охлаждение СО2 в газоохладители (как правило, при давлении 80-120 бар).
Дросселирование перед ресивером: в транскритическом режиме сброс давления после газоохладителя обеспечивает переход хладагента в двухфазное состояние.
Дросселирование перед испарителем: понижение давления для подачи хладагента в испаритель при низкой температуре.
Режимы работы холодильных систем на R744
Субкритический режим
Реализуется в условиях, когда температура конденсации поддерживается ниже критической точки (31,1 °C). В этом режиме система работает по классическому парокомпрессионному циклу, аналогично фреоновым холодильным установкам, но с учетом особенности СО2: давление конденсации поддерживается в диапазоне 50-70 бар.
Эксплуатационные ограничения:
Стандартные области применения:
Каскадные системы (СО2 в низкотемпературном контуре).
Промышленные низкотемпературные и среднетемпературные установки, работающие при невысокой температуре окружающей среды.
Транскритический режим
Реализуется при температурах окружающей среды вблизи температуры критической точки СО2 и выше. В этом режиме традиционный процесс конденсации становится невозможным, что требует принципиально иного подхода к организации холодильного цикла. В транскритических СО2-системах хладагент после газоохладителя поступает в расширительный клапан высокого давления, который является ключевым элементом управления. Этот узел выполняет следующие функции:
Регулировка давления: поддерживает оптимальное сверхкритическое давление в газоохладителе.
Дросселирование потока: обеспечивает переход хладагента в двухфазное состояние перед ресивером, который также выполняет функцию сепаратора.
Характерные особенности:
Рабочее давление в охладителе газа 75-120 бар.
Отсутствие четкой точки конденсации.
Процесс охлаждения в газоохладителе происходит с переменной теплоемкостью.
Оптимальное давление в газоохладителе определяется в зависимости от температуры окружающей среды и параметров работы системы в целом.
Ключевые преимущества:
Энергетические особенности:
Области эффективного применения:
Коммерческое и промышленное низко- и среднетемпературное охлаждение в любом климате.
Системы тепло- холодоснабжения (одновременное охлаждение и нагрев).
Тепловые насосы для ГВС.
Автомобильные климатические системы.
Базовые схемы транскритических систем на СО2
Одноступенчатая схема
Принципиальная схема одноступенчатой транскритической холодильной установки на СО2 представлена на рисунке 1. В установках этого типа ключевую роль играет точное регулирование давления в газоохладителе и ресивере. Это достигается с помощью двух основных регулирующих элементов. Первый — клапан понижения давления после газоохладителя (регулятор высокого давления), который контролирует давление в газоохладителе. Второй — клапан «флэш-газа» / насыщенного пара, откачиваемого из ресивера (регулятор промежуточного давления). Регулятор промежуточного давления поддерживает оптимальное давление в ресивере, в котором разделяется жидкая и паровая фазы хладагента: жидкость направляется в испаритель, а пар возвращается на всасывание компрессора. Цикл работы одноступенчатой холодильной установки на R744 на диаграмме давление-энтальпия показан на рисунке 2.
Рисунок 1. Принципиальная схема одноступенчатой транскритической холодильной установки на СО2
Рисунок 2. Цикл работы одноступенчатой холодильной установки на R744 на диаграмме давление-энтальпия
Двухступенчатая (бустерная) схема
Более сложными являются бустерные (двухступенчатые) холодильные установки на R744 (рисунок 2), которые показывают зачастую и более высокую энергоэффективность. в таких установках реализовано раздельное охлаждение в среднетемпературном (-18...+5 °C) и низкотемпературном (-40...-18 °C) контурах. Двухступенчатое сжатие с применением бустерных компрессоров для низкотемпературного контура позволяет оптимизировать работу всей системы. при этом сохраняется та же принципиальная схема регулирования давления, что и в одноступенчатых системах.
Рисунок 3. Принципиальная схема бустерной транскритической холодильной установки на СО2
Схема с параллельным сжатием и эжектором
Наиболее прогрессивными на сегодняшний день считаются холодильные установки на СО2, сочетающие применение технологий параллельного сжатия и эжекции. Параллельные компрессора позволяет эффективно откачивать избыточный пар из ресивера при максимально возможных давлениях, что особенно важно для работы в условиях жаркого климата. Эжекторы, в свою очередь, откачивают часть потока пара низкого давления из всасывающей линии за счет энергии потока хладагента высокого давления из газоохладителя, тем самым облегчая работу основным компрессорам. Принципиальная схема бустерной транскритической холодильной установки на СО2 с эжектором и параллельными компрессорами представлена на рисунке 4.
Рисунок 4. Принципиальная схема бустерной транскритической холодильной установки на СО2 с эжектором и параллельными компрессорами
