Chladiaci okruh s CO2

 

Chladiaci okruh s CO2

Možnosti výučby s prírodnými chladivami sa zlepšili

 

Doc. Ing. Peter Tomlein, PhD, SZ CHKT Šamorín

 

Zväz má k dispozícii chladiace okruhy s horľavými chladivami a pribudol už aj chladiaci okruh s chladivom CO2, ktorý môže pracovať pod i nadkriticky.Chladiaci okruh sa skladá z chladiča plynu, medzichladiča, tepelného výmenníka typu rúrka v rúrke v sacom potrubí, kapilárnej rúrky, a rotačného 2-°kompresora s valivým piestom na CO2.

Obrázok 1 Chladiaci okruh s CO2 v školiacom centre Zväzu chladí vzduch. Chladič plynu je chladený vzduchom.  Zavedené je vnútorné podchladenie kvapalného chladiva a medzichladič pár medzi 1. a 2. stupňom kompresie

Medzichladič pár umiestnený medzi 1.° a 2.° kompresorapodstatne zníži výtlačnú teplotu na výstupe z kompresora. Vloženie tepelného výmenníka SLHX rúrka v rúrke v sacom potrubí zvyšuje podchladenie kvapalného chladiva a umožňuje dostatočné prehriatie pár na vstupe do kompresora. Kapilárna rúrka, ako expanzné zariadenie celý systém zjednodušila.

 

Využitie nadkritických obehov s CO2

Cykly s využitím nadkritického CO2 s priamou expanziou popísali viacerí autori. Naše zariadenie najlepšie vystihuje prednáška Haruhisa Yamasakiho a kol., zo spoločnosti Sanyo Electric, Co. (Purdue, 2004), ktorá vyrába dvojstupňové kompresory s valivým piestom a tiež zariadenia s nadkritickým obehom CO2 s malými výkonmi.

Komerčne sa využívajú v tepelných čerpadlách ohrievačoch vody najmä Japonsku. Menej známe je nadkritický CO2 cyklus, ktorý by bol aplikovaný na chladničky, mrazničky alebo v klimatizácii. Problémom bola nielen cena, ale tiež energetická efektívnosť.

Kombináciou vnútorného podchladenia a medzichladiča pár medzi 1. a 2. stupňom kompresie bola energetická efektívnosť v určitom rozsahu teplotných podmienok pri prevádzke vyriešená tak, že výsledky sú lepšie ako s klasickým chladiacim okruhom s chladivom R134a.

 

Predstava v Japonsku o rozšírení chladiacich cyklov s CO2 s menšími výkonmi, ktorá sa zatiaľ v ostatných častiach sveta vzhľadom na vyššiu cenu nepotvrdila

 

Dvojstupňový kompresor s medzichladičom

Vlastnosti CO2 sú nasledovné.

  • Tlakový pomer v nadkritickom chladiacom cykle s CO2 je pomerne nízky v porovnaní s konvenčným HFC chladiacim cyklom.
  • Nadkritický CO2 chladiaci cyklus má vysoký prevádzkový tlak.

Vzhľadom na vysoký výtlačný tlak a teplotu výrobcovia realizovali malý CO2 kompresor:

  1. Kompresný mechanizmus s valivým piestom s 2-dvomi stupňami kompresie
  2. Vnútorná medzi tlaková konštrukcia umožňujúca medzichladenie a úplne hermetický dizajn.

 

Dvojstupňový kompresný mechanizmus

            Vzhľadom na vysoký tlakový rozdiel, využil sa 2-stupňový kompresný mechanizmus. Rozdelením kompresného zaťaženia na 2 kompresie, sa zníži únik pri kompresii, čím sa dá dosiahnuť vysoká účinnosť kompresie 5.

Okrem toho, umiestnením oboch piestov s posunutím o 180 stupňov voči sebe vznikajú len nízke vibrácie a nízky hluk.  Vysoká objemová chladivosť CO2 umožňuje dosahovať požadované výkony s malým rozmerom piestu tak, že rotačná zotrvačnosť a nerovnováha krútiaceho momentu sú nízke, čo prispieva k hladkému otáčaniu hriadeľa pri štarte a tiež v prevádzke.

 

Obrázok 2 CO2 kompresor so schémou dvojstupňového kompresného mechanizmu

 

 

Tabuľka 1 Príklad parametrovCO2 kompresora fy Sanyo

 

Zdroj energie

Jednofázový 230V/50Hz

Menovitý príkon

400 W

Výtlak

1°: 1,28 cm3,   2° 0,83 cm3

Typ EM

Indukčný s konštantnými otáčkami

Olej

PAG
 

 

 

Vnútorná konštrukcia so stredným tlakom a úplne hermetický obal kompresora

Do 1. stupňa kompresie vstupuje nízky tlak CO2, stláča sa na na stredný tlak s výtlakom do obalu kompresora, to znamená že obal kompresora je pod stredným tlakom. Z obalu kompresora sa môžu stlačené pary privádzať do druhého stupňa kompresie buď priamo alebo po ich ochladení vo výmenníku tepla. Cez 2. stupeň kompresie na konečný tlak sa horúce pary vytláčajú priamo do chladiča plynu.

 

Obrázok 2´ Vnútorný stredný tlak umožnil hrúbku steny obálky kompresora o 35 % tenšiu ako pri vysokom tlaku. To prispieva k nízkej hmotnosti, ktorá je takmer rovnaká ako pre konvenčné kompresory s R410A.

Okrem toho dizajn s vnútorným stredným tlakom robí rozdiel tlaku počas Štart/Stop kompresora menší ako vysoký vnútorný tlak. To prináša vysokú spoľahlivosť proti únave materiálu obalu opakovaných cykloch zmien vysokého/nízkeho tlaku

 

Obrázok 2“ Nadkritické okruhy s malými výkonmi podľa Danfoss. Hore s vnútorným výmenníkom tepla a s kapilárnou rúrkou. Dole s vnútorným výmenníkom tepla, s TEV alebo s EEV ovládanými pCHP a nízkotlakým zberačom, ktorý zachytí nielen kvapalné chladivo, ale aj olej, ktorý je vrátený malým prietokom chladiva/olej pred vnútorný výmenník tepla. Napravo lnp-h diagram s bodmi 1-6 zodpovedajúcimi bodom 1-6 na chladiacich okruhoch

Nadkritický cyklusCO2

Na zlepšenie nadkritického cyklu s CO2, sa skúmali rôzne cykly, ktoré používajú medzichladič6 tepelný výmenník rúrka v rúrke v nasávacom vedení (SLHX) a mikrokanálový tepelný výmenník, atď.

 

Hlavné komponenty v okruhu;

  1. výmenníky tepla (chladič plynu, výparník)
  2. tepelný výmenník nasávacieho potrubia (SLHX)
  3. Medzi chladič
  4. Expanzné zariadenie

Obrázok 3 Schémy nadkritického cyklu s medzichladičom a s SLHX výmenníkom (rúrka v rúrke s chladivom CO2

 

Tepelný výmenník rúrka v rúrke v nasávacom potrubí (SLHX)

SLHX zlepšuje  účinnosť v chladiacom cykle. Chladiace výkony v cykle so a bez SLHX sú ukázané v rovniciach (1), (2) a na obrázku 4. Chladiaci výkon s SLHX je väčší ako bez SLHX.

 

Ws_SLHX = ( h1 – h8 ) = ( h1 – h4 ) + ( h4 – h8 )                                                (1)

Wbez_SLHX = ( h1 – h4 )                                                                                           (2)

 

Je vidieť, že cyklus so SLHX má vysokú výtlačnú teplotu pretože pary z výparníka vstupujúce do kompresora sú veľmi prehriate. Výtlačná teplota plynu na výstupe z kompresora môže dosahovať až 150°C so SLHX v bode 6 na obrázku 4. Keďže tak vysoká teplota nie je vhodná na spoľahlivú a dlhodobú prevádzku kompresora a chladiaceho okruhu, musí sa urobiť opatrenie na jej zníženie pre praktické využitie CO2 cyklu. Použitie medzi chladiča medzi prvým a druhým stupňom kompresie  nielenže umožní znížiť výtlačnú teplotu, ale tiež odviesť tepelný výkon  získaný v dôsledku použitia výmenníka SLHX.

Obrázok 4   P-h diagram CO2 cyklu so a bez výmenníka SLHX

 

Medzi chladič

Možnosť využitia medzi chladiča je jednou z najväčších výhod 2-stupňovej kompresie v nadkritickom cykle s chladivom CO2.

Cyklus s využitím výmenníka SLHX a medzi chladiča je znázornený bodmi 5-9-10-2-7-8-5 na obrázku 5. Konečná výtlačná teplota v bode 2 môže byť dokonca chladnejšia ako v štandardnom cykle s HFCs. Tento účinok zásluhou 2-stupňovej kompresie s medzi chladičom je  vynikajúci a nutný pre nižšie vyparovacie teploty v aplikáciách ako je napríklad mraznička. Zníženie výtlačnej teploty zabraňuje vytváraniu oxidácie oleja a iných organických zlúčenín. Je potrebné na zlepšenie a udržanie chemickej stálosti v chladiacom cykle.

Kompresná práca so/bez medzi chladiča sa vypočíta podľa rovníc (3) a (4) a obrázku 5. Na pravej strane rovnice (3) sa spočítajú kompresné práce na 1. a 2. stupni kompresie. V nadkritickej oblasti, pri nadkritickej kompresii na druhom stupni kompresie v dôsledku priebehu izoteriem je práca kompresoras medzi chladičom (h2 – h10 ) menšia ako bez medzi chladiča (h6 – H9 ). Preto 2-stupňový kompresor funguje účinnejšie ako jedno stupňový kompresor.

 

Obrázok 5  P-h diagram CO2 cyklu so a bez medzi chladiča

 

WSmedzichladčom = (h9 – h5 ) + (h2 – h10 )                                      3

WBezmedzichladiča = (h6– h5 ) = (h9 – h5 ) + (h6 – h9 )                   4

 

Väčšou veľkosťou medzi chladiča, je možné dosiahnuť vyššiu účinnosť. Avšak, príliš podchladený sací plyn, blížiaci sa ku krivke nasýtených pár môže spôsobiť, že do druhého stupňa kompresie prenikne kvapalina. To môže viesť k veľkému opotrebovaniu alebo poškodeniu ventilu, pretože rotačný kompresor s valivým piestom má priamy sací mechanizmus. Preto veľkosť a umiestnenie medzi chladiča musia byť starostlivo zvážené.

 

Expanzné zariadenie

Ako expanzné zariadenie, je značne využívaná kapilárna rúrka, pre jej jednoduchosť.

Na druhej strane,  v Japonsku komerčne dostupné tepelné čerpadlo ako ohrievač vody s chladivom CO2 zvyčajne používa elektricky riadený expanzný ventil, ktorý je vhodný pre aplikáciu vyžadujúcu si citlivé ovládanie teploty teplej vody.

Popri kapilárnej rúrke a elektricky ovládanom expanznom ventile, je možné tiež použiť mechanické expanzné ventily ovládané podľa teplôt alebo tlakov. Avšak pred ich voľbou odolnosť voči vysokému tlaku CO2  musí byť posúdená.

 

 

Konštrukcia systému

Vzhľadom na vlastnosti chladiva CO2 sa považuje za veľmi ťažké porovnávať podkritické chladenie s HFCs s nadkritickým cyklom s chladivom CO2. Porovnanie účinnosti cyklu sa zvyčajne hodnotí v tom istom zariadení s inštalovanými obidvoma chladiacimi okruhmi. Stredná výparná teplota sa zvyčajne volí tá, ktorá je použitá v zariadeniach s piestovým kompresorom s chladivom R134a.

 

 

Tepelné výmenníky (chladič plynu, medzichladič a výparník)

V danom okruhu, rúrkový tepelný výmenník s lamelami je použitý pre jeho dobrú dostupnosť. Fotografie výmenníkov sú na obrázku 6 a 7. Medzi chladič sa nachádza nad plynovým chladičom a zdieľa rovnaké lamely.

 

SLHX

SLHX tepelný výmenník typu rúrka v rúrke býva použitý kvôli jeho jednoduchosti. Schematické zobrazenie je znázornené na obrázku 8. Vysokotlaký CO2  prúdi vo vnútri menšej rúrky a je chladený  protiprúdym CO2 vo väčšej rúrke  o nízkom tlaku.

 

Obrázok 8: Schematické zobrazenie výmenníka SLHX – rúrka v rúrke

Medzi chladič

Hoci účinnosť cyklu môže byť zvýšená pomocou väčšieho medzi chladiča, vstup do druhého stupňa kompresie musí byť s prehriatými parami, aby sa zabránilo prieniku kvapaliny do kompresie. Obrázok 9 znázorňuje cyklus pod teplotou okolia 0°C, ktorý je považovaný za najvážnejší stav, na zabezpečenie prehriatia. Ako je znázornené na obrázku 9, prehriatie pred druhým stupňom kompresie je zabezpečené.

 

Obrázok 9: Tlak-entalpia diagram CO2  okruhu s medzi chladičom pri nízkej teplote okolia

 

Expanzné zariadenie

Ako expanzné zariadenie je použitá kapilárna rúrka pre jej dobrú dostupnosť. Prekročenie tlakov nebolo zaznamenané. Bezproblémový štart a stabilná prevádzka boli potvrdené.

 

Chladiaci výkon

Na porovnanie výkonu dvoch rôznych cyklov, podkritického s R134a a nadkritickeho  s CO2, čas poklesu teploty v testovaných kusoch v rovnakom chladiacom zariadení pod rovnakým stavom s oboma cyklami bol zisťovaný.

Obrázok 10 ukazuje výsledok testu CO2  a R134a cyklov v rovnakom zariadení. Ako vidieť čas poklesu teploty pri obidvoch cyklov je takmer rovnaký. Chladiaci výkon nadkritickéhocyklu bol overený a bol takmer rovnaký ako u R134a cyklu.°

 

Obrázok 10: Porovnanie rýchlosti zníženia teploty tovaru s obehom CO2  a R134a

Tabuľka 2: Testovacie podmienky

Vstup

Jednofázovo 230V, 50 Hz

Okolie

32,2 °C

Vlhkosť

65%

Testované ks

Nápoje

 

 

Spotreba energie

Na porovnanie spotreby energie dvoch rôznych cyklov, spotreba energie v stabilizovaných podmienkach oboch cyklov bola hodnotená. Výsledky sú znázornené na obrázku 11.

Údaje na obrázku 11 neobsahujú spotrebu energie ventilátorových motorov a reklamných svetiel. V tomto porovnaní, CO2  kompresor spotreboval o 20% menej energie ako kompresor s  R134a kompresora. Tento výsledok je zásluhou nielen vlastnosti chladiva CO2, ale tiež použitím medzi chladiča a výmenníka SLHX a vysokej účinnosti dvojstupňového rotačného kompresora s valivým piestom typu CO2.

 

Obrázok 11: Porovnanie spotreby energie celkom a detailne podľa fy Sanyo

 

Skúška životnosti

Haruhisa Yamasakiho a kol., uvádza vykonané skúšky životnostichladiacej jednotky  s CO2. Podmienky sú uvedené v tabuľke 3. Podmienky opotrebovania posuvných dielov, odporu prietoku kapilárnej trubice a celkové číslo kyslosti olejov boli sledované a priaznivé výsledky boli dosiahnuté. Tieto priaznivé výsledky prispeli k zníženiu výtlačnej teploty z kompresora použitím medzi chladiča.

 

Tabuľka 3: Podmienky testu životnosti

 

Výparná teplota

-10 až -5 °C

Výtlačná teplota

100 až 120 °C

Doba skúšky

Cez 500 hodín
 

 

Zhrnutie

Nadkritický chladiaci cyklus, ktorý Zväz využíva je konštruovaný s rotačným dvojstupňovým kompresorom s valivým piestom s medzichladičom výmenníkom SLHX a s kapilárnou rúrkou

Výmenník SLHX zvyšuje chladiaci výkon podchladením a tak sa získa spolu s využitím medzichladiča vysoká účinnosť cyklu s CO2.  

Medzichladič, ktorý je použiteľný pre 2-stupňový kompresor umožňuje znížiť výtlačnú teplotu. Kapilárna rúrka použitá ako expanzné zariadenie umožňuje stabilnú prevádzku chladiaceho cyklu.

Nadkritický CO2 cyklus podľa Haruhisa Yamasakiho a kol., bol hodnotený z pohľadu viacerých aspektov výkonnosti a spoľahlivosti pri rovnakej úrovni chladiaceho výkonu, pričom sa dosiahla o 20 % lepšia účinnosť v porovnaní s konvenčným R134a cyklom. Okrem toho boli vykonali testy spoľahlivosti s priaznivým výsledkom.

V budúcnosti je možnosť využiť vyspelé technológie, ako sú mikrokanálové tepelné výmenníky, iné expanzné zariadenia a zlepšovanie chladiaceho cyklu. To je potenciál zvyšovania účinnosti nadkritického chladiaceho cyklu.

CO2  nadkritický cyklus s 2-stupňovým kompresorom potvrdil, že môže pracovať v rôznych aplikáciách pri rôznych teplotných podmienkach.

 

Ako navrhovať a prevádzkovať CO2 okruhy

s malým výkonom?

Medzi malé okruhy sa počítajú okruhy s chladiacim výkonom nižším ako 10 kW. Malé chladiace okruhy s CO2 sú drahšie ako HFC, HFO, HC okruhy a preto sa zatiaľ vo veľkých počtoch nepresadili, napriek vyššej energetickej efektívnosti. V Japonsku ich využívajú najmä na prípravu teplej vody. Do chladičov nápojov sa používali najmä vďaka iniciatíve firmy CocaCola. Vzhľadom však na cenu, postupne ich vytláča propán a po zvýšení dovolenej náplne zo 150 na 300 až 500 g v tejto oblasti propán prevládne. Propán vzhľadom na svoje nielen energetické vlastnosti, ale tiež nižšiu výtlačnú teplotu po kompresii aj pri vyšších kompresných pomeroch prevládne aj v ďalších oblastiach chladenia a vykurovania.

 

Perspektíva veľkých okruhov s CO2

Pri vyšších výkonoch sa chladiace okruhy navrhujú už s optimalizáciou tlaku v chladiči plynu s ovládaním tiež tlaku v zberači chladiva ďalej sa využíva paralelná kompresia, suché a mokré multiejektory. Booster systémy boli použité v supermarketoch vo väčšom počte od 2007 a paralelné kompresné systémy od roku 2011. V súčasnej dobe, sa v zariadeniach používajú tri riešenia ejektorov: vysokotlakový ejektor (HP ejektor) ako doplnok k paralelným kompresným systémom, ďalej  nízkotlakový „suchý“ ejektor (LP-ejektor) ako prídavné zariadenie do systému Booster a tiež „mokré“ ejektory ako doplnok k systémom na podporu zaplavenej prevádzky výparníkov.

To sú prvky, s ktorými sa v malých chladiacich okruhoch nepočíta, až na ejektor, ktorý si však tiež vyžaduje ovládanie. Keďže v porovnaní s HFC a HC chladiacimi okruhmi sa dosahuje lepšia energetická efektívnosť, ide predovšetkým o ekonomiku a spoľahlivosť.

 

Literatúra

(1) K. Christensen, 2003, Refrigeration systems in supermarkets with Propane and CO2 – Energy Consumption

and Economy, International Congress of Refrigeration 2003.

(2) Akaboshi, Ikeda, 2003, CO2/ NH3 Cascade Refrigeration System (No.2), Proceedings of the 37th Japanese

Joint Conference on Air-conditioning and Refrigeration: p.41-45.

(3) H. Mukaiyama, 2002, Development of CO2 Compressor and Its Application Systems, 7th International

Energy Agency Heat Pump Conference

(4) S. Girotto, 2003, Commercial refrigeration system with CO2 as refrigerant experimental results,

International Congress of Refrigeration 2003.

(5) Tadano, 2000, Development of the CO2 hermetic Compressor, Proceedings of the 4th IIR-Gustav Lorentzen

Conference on Natural Working Fluids at Purdue,pp.323-330.

(6) B. Hubacher, A. Groll, 2003, Performance Measurements of a Hermetic Two-Stage Carbon Dioxide

Compressor, International Congress of Refrigeration 2003

(7) Firemné materiály Danfoss, Sanyo, Panasonic

 

 

Viac informácií nájdete v časopise Správy 02/2019