Холодильная машина на углекислоте

СО2 как современный хладагент для промышленного холода

Выбирая, какой хладагент использовать при проектировании холодильных систем, нужно учитывать такие важные критерии его применения, как безопасность использования, величину эксплуатационных издержек и экологическую безвредность; немаловажную роль из-за стремительного роста цен на энергоресурсы также играет низкая энергоемкость. Идеальный хладагент для холодильных систем также должен обладать химической стабильностью и высокими термодинамическими характеристиками. Производственным критериям полностью удовлетворяли хлор- и бромсодержащие фреоны, но их использование наносило непоправимый вред окружающей среде, поэтому было законодательно ограничено. Сейчас в системах промышленного холода все чаще рекомендуется использовать альтернативные – «природные» – хладагенты: аммиак, воду, углеводороды (пропан и бутан), а также диоксид углерода.

С точки зрения эффективности применения, адекватной замены запрещенным фреонам, которые бы максимально удовлетворяли запросам холодильной промышленности, так и не было найдено. Аммиак, который сейчас широко используется в крупных промышленных холодильных установках, токсичен и горюч; еще более пожароопасные углеводороды могут использоваться только в небольших холодильных машинах, а вода имеет очень ограниченную область применения. Диоксид углерода (СО₂), известный под обозначением R 744, является природным веществом и обладает несомненными достоинствами для холодильной промышленности (высокой холодопроизводительностью, нетоксичностью, безопасностью использования, инертностью к материалам, дешевизной и доступностью), а в замкнутых контурах имеет пренебрежительно малый потенциал всемирного потепления. Высокие давления в области рабочих температур с одной стороны налагают специальные требования к конструкции работающего на СО₂ оборудования, которые нужно учитывать при проектировании холодоснабжения предприятий, с другой позволяя добиваться повышенной холодопроизводительности. Также эти особенности следует учитывать при транспортировке и хранении углекислоты.

Холодильная автоматика Данфосс и другое оборудование, которое работает на СО₂

Инициатива вернуться к использованию СО₂ в качестве хладагента принадлежит скандинавским странам: например, датская компания Данфосс уже давно выпускает холодильную автоматику для оборудования, работающего на диоксиде углерода. В основном это стандартные устройства, модифицированные в соответствии с особенностями применения СО₂. Швейцарская фирма Alfa Laval в своей линейке холодильного оборудования выпускает воздухоохладители (промышленной и коммерческой серий) и пластинчатые теплообменники, рабочее давление которых подходит для использования СО₂. Поршневые и винтовые компрессоры открытого типа, специально разработанные для каскадных систем с использованием СО₂, выпускает японская компания MYCOM.

В последние годы в мире наблюдается повышение интереса к работающим на углекислом газе холодильным машинам. Так всемирно известный концерн Nestlé в своих производственных циклах широко пользуется каскадными холодильными установками, работающими на аммиаке и СО₂, демонстрируя энергоэффективность их использования. В некоторых странах наблюдается законодательное мотивирование потребителей и производителей: в Нидерландах заметно снизились налоги на работающие на углекислоте установки, а в Скандинавии, наоборот, повысились налоги на использование синтетических хладагентов.

Хоть наибольшая эффективность (вплоть до конкуренции с синтетическими хладагентами) применения СО₂ и наблюдается в области субкритических температур (так в Азии широко распространено применение СО₂ для рекуперации отведенного тепла и для использования в тепловых насосах), для сверхкритических температур холодильное оборудование может быть успешно оптимизировано. Например, компания Coca-Cola, сочетая использование СО₂ и фреона R134a в своих холодильных установках, добилась значительного уменьшения потребления электроэнергии. Установки на СО₂ уже используются для оборудования холодильных складов (в 2006 году первая в Украине двухконтурная каскадная система была запущена по проекту финской компании HUURRE), супермаркетов, предприятий пищевой промышленности и других объектов. Эти и подобные примеры показывают, что холодильное оборудование может работать эффективно и без ущерба для окружающей среды благодаря применению природных хладагентов.

Особенности применения углекислоты на нижней ступени в каскадных схемах

Итак, каскадные схемы с амиаком в качестве хладагента верхнего каскада уже более десяти лет применяются в странах Европы, при этом повышается промышленная безопасность из-за снижения количества аммиака в системах и на 10-15% снижается энергопотребление (по сравнению с двуступенчатыми схемами, в которых аммиак используется вместе с вторичным хладоносителем). При этом нижняя ветвь каскадной холодильной машины, которая работает на углекислом газе, может функционировать в режиме непосредственного кипения СО₂ в испарителе, принудительной циркуляцией СО₂ с насосной подачей хладагента, а также для охлаждения потребителей с использованием СО₂ в качестве промежуточного хладоносителя.

Для охлаждения жидкого СО₂ при его использовании на нижней ступени каскадных циклов, а также для поддержания давления в установке на приемлемом уровне применяются дополнительные холодильные системы. Также предусматриваются различные способы оттайки, в т.ч. горячим паром, и в этом случае в системах используются линейные ресиверы, которые компенсируют колебания уровня заполнения испарителя жидким СО₂ при изменении тепловой нагрузки, а также применяются для освобождения конденсатора от жидкости, омертвляющей теплообменную поверхность.

Также при проектировании и монтаже промышленного холодильного оборудования с использованием СО₂ следует предусмотреть дополнительные меры предосторожности против попадания внутрь воды. Проникая внутрь вместе с хладагентом при заправке холодильных установок, при замене вставок фильтров или через сальники из-за разности парциального давления, вода при взаимодействии с СО₂ образует угольную кислоту, разъедающую трубы. Поэтому каскадные системы должны комплектоваться фильтрами-осушителями.

Источник

Холодильные системы на углекислом газе

Практика применения транскритических бустерных углекислотных холодильных установок компании «ТехноФрост» в магазиностроении.

Рынок холодильного оборудования в России идет в ногу с современными мировыми тенденциями. Это связано как с присутствием международных торговых сетей и брендов, которые работают по единым стандартам, так и растущей необходимостью уделять больше внимания вопросам экологичности и энергоэффективности оборудования. Сегодня заказчики заинтересованы в установке систем на природном хладагенте СО₂, особенно если речь идет о реализации крупных проектов. Это четко наметившийся тренд, который пришел к нам из Европы, где экологические требования к оборудованию очень высоки.

Анализируя ситуацию и спрос на рынке промышленного холода в России и странах СНГ, компания «ТехноФрост», российский производитель промышленного холодильного оборудования, приняла решение о производстве в России холодильных систем на углекислом газе. Отметим факторы, которые говорят в пользу выбора таких систем сегодня:

Предлагаем подробнее рассмотреть схему работы транскритической бустерной углекислотной холодильной установки холодопроизводительностью 600 кВт на примере АПМ-1-3/4/4-3x4DSL-10K/2x4FTC-30LK+2x4FTC-30K/2x6FTEU-50LK+2x6FTE-50K-CO₂, которая уже произведена на заводе ООО «ТехноФрост» и установлена в гипермаркете одной из крупных федеральных сетей России.

Транскритическая бустерная система на СО₂ разделяется по давлению на три секции: секция низкого, среднего и высокого давления.

В секции низкого давления пар из низкотемпературных испарителей поступает в низкотемпературные компрессоры Bitzer 4DSL-10K, сжимается там и проходит через газоохладитель Guentner GGVC CD 050.1/11-46 для понижения температуры нагнетания до допустимого значения 40°С. Затем смешивается с парами, поступающими из среднетемпературных испарителей и перепускной линии из ресивера. Отсюда пар подается на всасывание среднетемпературных компрессоров Bitzer 4FTC-30LK/4FTC-30K и после сжатия переходит на сторону высокого давления.

Секция высокого давления начинается с нагнетания среднетемпературных и параллельных компрессоров Bitzer 6FTEU-50LK/6FTE-50K. Горячий газ проходит через рекуперативные теплообменники, нагревая воду, а затем поступает в общий газоохладитель GGHV CD 100.2OF/24A-65. Заканчивается секция высокого давления электронным расширительным клапаном CCMT производства Danfoss. После него начинается секция среднего давления, где поток разделяется на газ и жидкость в ресивере. Парообразная фаза отводится во всасывающую линию параллельных компрессоров. Жидкая фаза подается к расширительным клапанам AKVH, где происходит ее расширение перед подачей в низкотемпературный и среднетемпературный испарители.

Для поддержания давления в ресиверах во время простоя системы используется небольшая холодильная машина. Такая система не позволяет повышаться давлению в ресивере выше допустимого при обесточивании или простое оборудования, чем исключается разгерметизация системы и выброс СО₂ в атмосферу.

Рабочее давление на линии всасывания низкотемпературной секции составляет порядка 15 бар, на линии среднетемпературного всасывания 28 бар. Рабочее давление на линии нагнетания среднетемпературных и параллельных компрессоров составляет 87 бар. Рабочее давление в ресивере составляет 33 бара. Давление в ресивере должно быть выше величины, при которой происходит испарение в среднетемпературных испарителях для обеспечения разности давлений на расширительных клапанах.

Управление всеми тремя температурными контурами происходит с помощью одного котроллера Danfoss c дополнительными модулями расширения. Лидерный компрессор низкотемпературной ветви имеет частотный привод, а на средних и параллельных компрессорах установлено по два частотных привода на каждый температурный контур. Такое решение позволяет повысить производительность системы без перехода на следующий типоразмер компрессора, снизить потребление электроэнергии и более плавно регулировать холодопроизводительность. Вентиляторы газоохладителей также имеют частотные приводы для плавной регулировки в условиях низкой производительности, что позволяет им максимально эффективно включаться в работу и также снизить потребление электроэнергии.

Источник

Холодильное оборудование на СО2 позволяет экономить

Транскритические установки на СО2 — это настоящее и будущее холодильной индустрии!

Холодильные системы на природных хладагентах получают все большее распространение в нашей стране. Основными причинами для перехода на диоксид углерода являются:

Энергоэффективность систем по сравнению с холодильными установками работающими на ГФУ

Применяемые законодательные нормы в РФ

Экологическая безопасность хладагента

Флагманом во внедрении передовых технологий выступают иностранные розничные сети (количество холодильных установок в Европе превысило 29 000 шт.*). Безусловным лидером, на территории России, по числу гипермаркетов работающих на природном хладагенте, является компания «METRO Cash & Carry». Немецкий оптовый гигант использует экологичные установки не только при строительстве, но также в реконструкции уже работающих объектов. Переход компании «METRO Cash & Carry» на природные хладагенты является частью программы «F-gas exit program» рассчитанной на 17 лет (с 2013 по 2030гг.) по сокращению выбросов парниковых газов на 90%.

*По данным международного аналитического агентства Shecco

Примененное оборудование и технические решения

Наравне с используемым энергоэффективным хладагентом СО2, на объекте были использованы следующие технологии:

Фактические результаты работы холодильных систем

Для корректного сравнения взяты данные по энергопотреблению в диапазоне с января по июнь 2019 и 2020гг., с учетом среднемесячной температуры воздуха.

Источник

Каскадные холодильные установки на Со2 с применением полугерметичных компрессоров BITZER

Основная идея статьи

Благодаря благоприятным для окружающей среды характеристикам, низкой токсичности и привлекательным физико-химическим свойствам в случае «до критического» 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. Применение углекислоты позволит значительно снизить стоимость холодильной установки, за счёт экономии на компрессоре, трубопроводах и арматуре.

Даже с учётом того, что каскадные системы обладают большой производительностью, применение CO₂ позволяет использовать в них компрессоры, рассчитанные на коммерческое или на малое индустриальное применение. Однако, высокие рабочие давления определяют особые требования к конструкции компрессора, системам защиты и предохранительным устройствам.

В настоящей статье приведены схемные решения реальных каскадных холодильных установок на CO₂, а также подробно рассмотрены основные направления разработки специальной компрессорной техники и холодильных масел для CO₂. Кроме того, изложены меры эксплуатационной безопасности каскадных холодильных установок на CO₂, а также их характеристики производительности по сравнению с обычными установками.

До сих пор в составе каскадных холодильных систем на CO₂ использовались поршневые и винтовые компрессоры открытого типа. Однако, высокий уровень рабочих давлений налагает особые требования и, тем самым, удорожает конструкцию такого компрессора. В связи с этим в последнее время возрос интерес к полугерметичным компрессорам, аналогичным устанавливаемым в серийно-выпускаемые холодильные агрегаты, применение которых позволило бы значительно удешевить перспективные установки.

На сегодняшний день уже реализовано много проектов с полугерметичными опытными прототипами. В последующих разделах статьи описан накопленный опыт по созданию надёжных специализированных для CO₂ компрессоров, а также систем предохранения для них.

2. Каскадные холодильные системы на CO₂

На рис. 1 показана упрощённая схема двухкаскадной холодильной установки, в которой CO2 сжижается в испарителе первичного холодильного контура (с хладагентами NH3, HC (пропан, пропилен) или HCFC/HFC) и транспортируется циркуляционной помпой прямо в испарители системы среднетемпературного охлаждения. В современных каскадных CO₂— ступенях предусмотрен дополнительный LT- ресивер низкого давления, которое поддерживается на уровне давления испарения CO₂ за счёт откачки паров одним или несколькими одноступенчатыми компрессорами. Компрессор нагнетает пары CO₂ в каскадный охладитель (конденсатор) вместе с газом из среднетемпературного испарителя. В охладителе суммарный газовый поток конденсируется и затем поступает в соответствующий МТ- ресивер среднего давления. Из него происходит перепуск жидкости в ресивер низкого давления с помощью поплавкового клапана.

Рис. 1 Каскадная система с CO2 (упрощённая схема)

Рис. 2 Каскадная система с CO₂ (упрощённая схема)

На Рис.2 показана упрощённая схема двухкаскадной системы, в которой CO₂ используется в качестве обычного хладагента второго каскада. Установки с такой схемой очень распространены в странах Скандинавии и считаются очень перспективными для коммерческого применения. В холодильных системах для типовых супермаркетов во втором низкотемпературном каскаде CO₂ нагнетается в конденсатор-теплообменик поршневыми компрессорами «Битцер» серии Октагон: С-1К, С-2К, модифицированными для CO₂.

3. Требования к компрессору в каскаде на CO 2

Более того, при проектировании оборудования следует рассматривать даже ещё более экстремальные условия нагружения.

Другой критический фактор связан со смазкой компрессора. При довольно высоком давлении всасывания некоторые холодильные масла растворяют в себе значительный процент CO₂. В результате чего, кинематическая вязкость образовавшейся смеси значительно снижена.

С учётом особых свойств CO₂, указанных выше становится ясно, что стандартные полугерметичные компрессоры могут использоваться только в очень ограниченной области применения. Последние достижения фирмы Битцер в этом направлении показывают, что при комбинировании различных компонентов одного семейства компрессоров, а также при соответствующей модификации конструкции и применении подходящего масла все категорические требования могут быть выполнены.

4. Особенности конструкции полугерметичных компрессоров для СО₂

4.1 Нагрузки и давления

4.2 Механическая нагрузка и необходимый приводной момент

В связи с более высоким секундным массовым расходом конструкция клапанов компрессора также должна быть модифицирована.

В случае применения винтовых компрессоров возможно применение коротких роторов, а также, в зависимости от объёмной производительности, больших подшипников. Потому что в каскадных системах при обычных условиях функционирования на низких соотношениях рабочих давлений реализация данной концепции не приводит к снижению эффективности (к.п.д.).

Рис. 5 Разрез полугерметичного поршневого компрессора

Рис. 6 Разрез полугерметичного винтового компрессора (без маслоотделителя)

С целью предохранить компрессор от чрезмерных механических нагрузок на самых тяжёлых режимах, а также мотор от перегрузок на линию всасывания, непосредственно на входе в компрессор, устанавливают регулятор давления в картере. Его настраивают таким образом, чтобы после пуска компрессора давление всасывания стабилизировалось ниже допустимого максимума.

4.3 Охлаждение мотора

Ввиду высокой удельной нагрузки на мотор в сочетании с его малым объёмом, воздушное охлаждение во многих случаях оказывается неудовлетворительным из-за недостаточной площади наружной поверхности моторной части корпуса компрессора. Выбор только такого способа охлаждения потребовал бы разработки специальной конструкции компрессора для CO₂ и, тем самым, существенно снизил бы преимущество от использования стандартных узлов, производимых серийно.

Широко используемое в полугерметичных компрессорах охлаждение всасываемым газом сулит в этом отношении большие выгоды. Но при низкотемпературном охлаждении, а также при использовании хладагентов, имеющих низкую удельную энтальпию паров такой способ охлаждения также неэффективен, так как при этом появляется дополнительный перегрев газа при протекании через мотор, в результате чего изменяется удельный объём (плотность) газа и снижается его секундный массовый расход.

При более подробном рассмотрении этого вопроса обнаруживается, что потери от охлаждения всасываемым газом довольно низкие в допустимой области функционирования. Причинами тому являются высокий массовый расход CO₂ и низкий перегрев газа на всасывании при использовании затопленных испарителей. Это обеспечивает особенно интенсивное охлаждение мотора и гарантирует низкую температуру обмоток, что определяет минимальные тепловые потери и высокую эффективность мотора.

Рис. 7 Диаграмма изменения величины массового расхода CO₂ (%) в зависимости от значения перегрева всасываемого газа в моторе (SH, К) при различных температурах испарения (SST, о С)

Каждая из обмоток мотора оснащается соединёнными с электронным защитным устройством PTC-датчиками температуры, обеспечивающими надёжную защиту от перегрузок. При наличии достаточного охлаждения мотор может работать при очень высоких нагрузках длительное время.

Полиалкилен-гликолевые (PAG) масла показывают желаемую низкую растворимость в себе CO₂ в картере компрессора, а также в маслоотделителе, обеспечивая при этом необходимую толщину слоя смазки с благоприятными вязкостными характеристиками. С другой стороны в результате неудовлетворительной смешиваемости с CO₂ наблюдаются известные трудности с циркуляцией масла по системе. Кроме того, очень высокая гигроскопичность PAG-масел может привести к резкому снижению их диэлектрических свойств, а также к повышению потенциала их химической активности. Таким образом, применение этих масел в полугерметичных компрессорах на CO₂ не рекомендуется.

В настоящее время, разносторонние научные исследования, а также практический опыт, показали, что специально модифицированные полиэфирные масла (Polar-POE) являются вполне пригодными для использования в компрессорах специального исполнения, функционирующих в каскадных холодильных машинах на СО₂. Эти масла обладают высоким индексом вязкости, хорошими смазочными характеристиками, приемлемой растворимостью в себе CO₂, а также, в отличие от PAG-масел и неполярных минеральных масел, хорошо смешиваются с CO₂ /2/. Однако, с учётом их гигроскопичности необходимо применять очень большой и мелкоячеистый («молекулярное сито») фильтр-осушитель.

Несмотря на то, что полученные результаты исследований в целом пока вполне удовлетворительные, анализ состояния роликовых подшипников качения и подшипников скольжения показывает довольно часто встречающееся забивание поверхностей трения при удовлетворительной вязкости смеси масла и CO₂. Одной из основных причин этого является образование значительной доли газовой фазы в смеси при испарении углекислоты в случаях резкого падения давления и тепловыделения. Из всего сказанного следует, что необходимы дальнейшие шаги, как в поисках пригодных масел, так и в разработках конструкций полугерметичных компрессоров для СО₂.

Рис. 8 Растворимость CO₂ в POE-маслах и получаемая кинематическая вязкость смеси(по материалам DEA)

Рис. 9 Границы смешиваемости CO₂ с POE-маслами и PAG-маслом при докритических температурных условиях (по материалам DEA)

Помимо свойств холодильных масел, существенным фактором является высокое давление всасывания, которое также налагает особые требования к конструкции полугерметичного компрессора.

С учётом этого, в поршневых компрессорах Битцер для CO₂ (см. рис. 5) используются подшипники, рассчитанные на высокую нагрузку и с улучшенной формулой материала поверхности трения. Более того, система смазки проектируется таким образом, чтобы она гарантировала особенно быструю подачу масла после пуска холодильного компрессора и не допускала высокой концентрации газа в масле, подаваемом в подшипники.

В дополнение к уже упомянутым значительно увеличенным подшипникам винтовые компрессоры Битцер для CO₂ (см. рис. 6) оснащаются особенно эффективной запатентованной системой внутренней циркуляции масла. Согласно этому конструктивному решению насыщение поступающего в подшипники масла газами, истекающими из профилей винтов, эффективно предотвращается с помощью манжетных уплотнений. Давление в корпусе подшипниковой камеры со стороны нагнетания снижается за счёт этого практически до величины давления всасывания, что обеспечивает минимальное содержание CO₂, растворённого в масле, и поддерживает тем самым максимально возможную его вязкость. Важным дополнительным эффектом функционирования этой системы является значительное снижение реальной нагрузки на подшипники.

5. Характеристики производительности

При применении углекислоты в каскадных холодильных установках особенно высокая удельная холодопроизводительность CO₂, зависимость которой от изменения температур испарения представляет собой очень пологую кривую, позволяет использовать небольшие компрессоры для коммерческого и малого промышленного применения, даже в установках с высоким уровнем холодопроизводительности.

Массовый расход CO₂ (Рис.12), при равной объёмной производительности также намного выше чем у R22, несмотря на то, что концентрация паров CO₂ при идентичном R22 уровне давлений составляет около 60% (Рис.4).

При применении в каскадных холодильных установках причиной этих различий является уровень давлений CO₂, который в описанном диапазоне температур испарения примерно в 7…10 раз выше, чем у других хладагентов. Как было уже указано выше, это свойство очень хорошо вписывается в конструктивный принцип охлаждения компрессора всасываемым газом.

Рис. 10 Характеристики производительности винтового компрессора «Битцер» с объёмной производительностью 220 м 3 /ч

Рис. 12 Сравнение массовых расходов различных хладагентов (кг/ч) при различных температурах испарения (SST) (данные получены на винтовом компрессоре «Битцер» с объёмной производительностью 220 м 3 /ч)

Результаты исследований показали, что перспективы дальнейших разработок в области применения полугерметичных поршневых и винтовых компрессоров в каскадных холодильных системах на CO₂ очень благоприятные, особенно с учётом того, что эти исследования базируются на уже апробированных стандартных агрегатах Битцер.

Современная базовая конструкция компрессоров с дополнительными средствами предохранения вполне допускает функционирование при более высоких значениях допустимого рабочего давления. Более того, с оптимальной адаптацией компонентов внутри одного модельного ряда компрессоров специальные для CO₂ требования по механической нагрузке, мощности и охлаждения мотора могут быть выполнены.

Специально приспособленные полиэфирные (POE) масла обеспечивают удовлетворительную циркуляцию и возврат из системы, являются уже достаточно испытанными и вполне пригодными для смазки компрессоров. Однако требуются дополнительные исследования для более надёжного приспособления этих масел для работы с CO₂.

Благодаря высокой объёмной холодопроизводительности, а также довольно ровной характеристике производительности CO₂ реализуются очень компактные и малозатратные схемные и конструктивные решения каскадных холодильных установок, которые определяют перспективы будущего широкого и экономичного применения CO₂ в низкотемпературных каскадных холодильных системах.

Экспериментальные исследования каскадных холодильных систем на CO₂ проводятся при уровне давлений, который находится в допустимом современным опытом диапазоне, и в связи с этим риск аварий остаётся сравнительно низким. Однако перед широким распространением каскадных холодильных систем на CO₂ необходимо провести долговременные испытания опытных образцов с целью накопить достаточный опыт по эксплуатации полугерметичных компрессоров и других системных компонентов.

Автор статьи: Herman Renz, «Bitzer Kuelmashinenbau GmbH», Germany. Господин Герман Ренц является руководителем научно-исследовательского отделения компании Битцер.

Источник