Expandér kompresor v transkritickom obehu s CO2

Z konferencie IIR GL v Trondheime

12.-15.6.2022

Guruchethan z Indie poukázal na to, že podchladenie chladiva za plynovým chladičom zvyšuje výkon v transkritických chladiacich systémoch CO2. Ukázalo sa, že integrované a špecializované prístupy mechanického podchladenia sú účinné a energeticky efektívne.

Schéma a ln p-h diagram jednoduchého transkritického chladiaceho okruhu bez expandéra-kompresora, to znamená bez využitia potencionálnej energie horúcich pár na výstupe z chladiča plynu v bode 3, ktoré sú vedené bez využitia do separátora kvapaliny

Guruchethan z Indie navrhol využívať expandér-kompresor

Práca, ktorú vykonáva expandér, sa využíva na pohon kompresora stláčaním časti plynu späť na tlak plynového chladiča pri podchladzovaní hlavného prúdu plynu. Tri rôzne konfigurácie, S1, S2 a S3, sú uvedené pre rôzne výstupné teploty plynového chladiča v rozsahu od 30 do 50 °C a porovnávajú sa s jednoduchým transkritickým systémom CO2. Systém S1 vykazuje najvyššie podchladenie v porovnaní s ostatnými dvoma systémami. Dosahuje zlepšenie chladiaceho výkonu až o 36 % a COP až o 33 % v porovnaní s jednoduchým systémom.

Systém S1 je vybavený lineárnym piestovým expandérom-kompresorom spolu s výmenníkom tepla (HX) a expanzným ventilom, ako je znázornené na obrázku. Plyn z chladiča plynu (3) je podchladený v HX do stavu 4. Časť plynu (m5) expanduje cez expanzný ventil na nižší tlak (11) a používa sa na podchladenie hlavného prúdu v HX z 3 na 4. Zvyšný prietok (m6 = 1 kg.s-1) sa expanduje v expandéri na tlak z plynového chladiča (Pgc) na tlak separátore kvapaliny.

Práca vykonaná expandérom sa používa na stlačenie plynu zo stavu 12 do stavu 13 (tlak v chladiči plynu). Systémy S2 a S3 sú vybavené lineárnym piestovým expandérom-kompresorom a výmenníkom tepla, ako je znázornené na obrázkoch. Podchladenie sa dosiahne ochladením nízkotlakového plynu zo separátora kvapaliny. Plný hmotnostný prietok dostupného nízkotlakového plynu v zberači sa používa na podchladenie v S2, zatiaľ čo na podchladenie v S3 sa používa iba časť hmotnostného prietoku. Práca, ktorú vykoná expandér, sa používa na pohon kompresora.

Porovnanie S1 a S2

Hmotnostný prietok kompresorom je vyšší v prípade S1, pretože kompresor pracuje s nižším kompresným pomerom v porovnaní s S2. Taktiež entropia na vstupe kompresora v S1 je nižšia v porovnaní s S2.

Preto je hmotnostný prietok cez kompresor v S1 vyšší, aj keď práca vykonaná expandérom je menšia v porovnaní s S2. Taktiež podchladenie je najvyššie v S1. Hmotnostný prietok prúdu používaného na podchladenie hlavného prúdu je vyšší v S1 a tiež má veľký rozdiel entalpie.

Zmena hmotnostného prietoku

Cez expandér a kompresor s danou výtlačnou teplotou závisí od:

práce vykonanej expandérom, pretože ten poháňa kompresor,
kompresného pomeru a
entropie kompresora, pretože vykonaná izoentropická práca sa zvyšuje so zvyšujúcou sa entropiou.

Hmotnostný prietok kompresorom je vyšší v prípade S1, pretože kompresor pracuje s nižším kompresným pomerom v porovnaní s S2 a S3. Taktiež entropia kompresora v S1 je nižšia v porovnaní s S2 a S3. Preto je hmotnostný prietok cez kompresor v S1 vyšší, aj keď práca vykonaná expandérom je menšia v porovnaní s S2 a S3. Taktiež podchladenie je najvyššie v S1. Hmotnostný prietok prúdu používaného na podchladenie hlavného prúdu je vyšší v S1 a tiež má veľký rozdiel entalpie.

S2 má vyššie podchladenie v porovnaní s S3, pretože všetok plyn zo separátora sa používa na podchladenie v S2, zatiaľ čo len časť plynu sa používa na podchladenie v S3. Zmena COP s Tgc pre všetky systémy je malá. COP všetkých systémov klesá so zvyšujúcou sa Tgc ako sa zvyšuje práca kompresora a klesá chladiaca kapacita. COP S3 je vyššie v porovnaní s inými systémami.

Je to hlavne preto, že celkový hmotnostný prietok cez hlavný kompresor sa znižuje, ako sa čiastkový hmotnostný tok stláča pomocou kompresora v jednotke expandéra a kompresora. S1 má COP porovnateľné s S2 a S3 z dôvodu vyššieho dosiahnutého podchladenia. Maximálne zlepšenie COP až o 33 %, 36 % a 41 % sa dosahuje v S1, S2 a S3 voči pôvodnému okruhu bez expandéra.

Viac informácií v časopise Správy 7/2022