Диоксид углерода : Эко-технологии для холодильного бизнеса : Главная

Физико-химические свойства:

химическая формула: CO₂;
относительная молекулярная масса: 44;
газовая постоянная: 189 Дж/(кг*K);
точка сублимации/кипения при 101,3 кПа: -78,4°C (при давлении 101,3 кПа CO₂ не может находиться в жидком состоянии, данная температура соответствует фазовому переходу между твердым и газообразным состояниями);
критическая температура: 31,1°С;
критическое давление (абс.): 73,6 бар;
растворимость в воде: до 88 мл на в 100 г H₂O при 20°C.

Воздействие на человека и окружающую среду

Группа опасности хладагента: А1 — нетоксичный (малотоксичный), негорючий. Тем не менее, по воздействию повышенных концентраций диоксид углерода относят к удушающим газам (асфиксантам). Так как этот газ тяжелее воздуха, то при утечке в замкнутом помещении он способен скапливаться на уровне пола.

ГОСТ EN 378-1-2014 устанавливает для CO₂ предел допустимой концентрации/предел нехватки кислорода (ПДК/ПНК) 0,07 кг/м³, практический предел концентрации при нахождении человека в помещении (ППНЧ) — 0,1 кг/м³.

ППНЧ – это предельная концентрация хладагента, не приводящая к вредным воздействиям на человека и не требующую срочных мер по эвакуации в случае непреднамеренной разгерметизации холодильного контура и попадания всего количества хладагента в атмосферу помещения. Показатель ППНЧ используют при определении максимально допустимой величины заправки хладагентом для конкретной установки.

Помимо концентрации в воздухе при утечке, фактором риска при использовании с CO₂ является высокое рабочее давление. Для предотвращения аварийных ситуаций необходима установка предохранительных клапанов и реле давления.

Диоксид углерода имеет нулевую ОРС, а его способность влиять на климат принята за единицу измерения потенциала глобального потепления (ПГП). Следует отметить, что ПГП многих традиционных ХФУ/ГХФУ/ГФУ-хладагентов значительно (в сотни и тысячи раз) превышает ПГП диоксида углерода.

Получение

В промышленных количествах диоксид углерода выделяется из дымовых газов или получается, как побочный продукт химических процессов, например, при разложении природных карбонатов или производстве алкоголя.

Также углекислый газ получают на установках разделения воздуха, как побочный продукт получения чистого кислорода, азота и аргона.

Применение

Диоксид углерода применяется в холодильной отрасли с XIX века. В международной номенклатуре хладагентов (R-нумерации) диоксид углерода (углекислый газ, CO₂) обозначается R744.

Диоксид углерода отличается высокой теплопроводностью, относительно низкой вязкостью, низкой критической температурой, высокой температурой тройной точки. Плотность газа обеспечивает высокую эффективность теплообмена с воздухом, а благодаря высоким рабочим давлениям потеря давления в трубопроводе мало влияет на эффективность охлаждения. Наконец, высокая объемная производительность делает системы на CO₂ более компактными по сравнению с оборудованием, использующим другие хладагенты.

Транскритический и субкритический циклы охлаждения

При атмосферном давлении диоксид углерода существует только в твёрдой или газообразной фазе: при температуре ниже 78,4°C он имеет вид «сухого льда», при повышении температуры «сухой лед» превращается в пар.

Давлению 5,2 бар и температуре -56,6°C соответствует тройная точка, в которой твердая, жидкая и газообразная фазы диоксида углерода существуют одновременно в равновесном состоянии.

Критической точке диоксида углерода соответствуют температура 31,1°С и давление 73,8 бар. При более высоких температуре и давлении диоксид углерода может существовать только в газообразной форме (сверхкритическое состояние).

Холодильный цикл CO₂, диапазон рабочих температур и давлений в котором находится ниже критической точки и выше тройной точки, называют субкритическим. Это классический холодильный цикл парокомпрессионной холодильной машины, в котором тепло передается от менее нагретого тела (среды) более нагретому за счет изменений агрегатного состояния хладагента, сопровождающихся поглощением или выделением тепловой энергии.

Цикл охлаждения, в котором отвод тепла от хладагента происходит при температурах, превышающих критическую (31,1°С), и, соответственно, не сопровождается конденсацией, называют транскритическим. Теплообменник таких систем, в котором хладагент отдает тепло окружающей среде, называют не конденсатором (так как конденсации не происходит), а газоохладителем.

Транскритические холодильные установки

Схема простейшей транскритической холодильной
установки

Простейшая транскритическая установка состоит из компрессора, газоохладителя, испарителя и расширительного устройства.

В простейших установках нет регуляторов давления, и они работают при оптимальном высоком давлении и максимальной производительности при неизменных условиях работы.

В более сложных системах используют термостатический клапан для регулирования температуры охлаждения, организуется теплообмен между всасывающей линией компрессора и нагнетательной линией из газоохладителя, устанавливается ресивер низкого давления для компенсации колебаний нагрузки на стороне высокого давления…

В последнее время разработан широкий спектр различных холодильных установок, работающих в транскритическом цикле CO₂, в том числе – компактные компрессорные агрегаты на базе компрессоров винтового типа, предназначенные для использования на рыболовных судах.

Еще один интересный пример применения транскритического цикла – разработанные в Японии тепловые насосы «воздух-вода». На нагрев воды до 90 °C такой тепловой насос тратит на 66% меньше электроэнергии, чем электрический водонагреватель. За счет использования хладагента с низким ПГП, малого энергопотребления и возможности нагрева воды без сжигания ископаемого топлива, тепловые насосы «воздух-вода» на CO₂ практически не наносят вреда окружающей среде.

Транскритические установки с двойным сжатием (бустерные)

Схема транскритической бустерной установки
для использования в торговом холоде

Для низкотемпературных систем, использующихся, например, для заморозки продуктов, как правило, характерна высокая температура нагнетания. Для решения этой проблемы применяют схему двухступенчатого (бустерного) сжатия, в которой хладагент (CO₂) нагнетается низкотемпературным компрессором на порт всасывания среднетемпературного компрессора. На участке между компрессорами газ охлаждается за счет дросселирования жидкого хладагента, поступающего из верхней ступени, и газа, сбрасываемого через клапан-регулятор давления из ресивера.

Каскадные холодильные установки и системы с вторичным контуром

В качестве отдельных агрегатов холодильные установки на CO₂, работающие только в субкритическом цикле, не очень распространены, зато они широко используются в качестве низкотемпературных контуров каскадных систем. Тепло, выделяемое в процессе конденсации диоксида углерода, абсорбируется испаряющимся хладагентом высокотемпературного контура. В последнее время все чаще в качестве хладагента высокотемпературного контура выступает аммиак. Подробнее каскадные системы NH₃/CO₂ рассматриваются в отдельном разделе.

В некоторых системах диоксид углерода используется и в высоко-, и в низкотемпературном контурах. В этом случае низкотемпературный контур всегда работает в субкритическом цикле, а высокотемпературный контур при высокой температуре окружающей среды может работать в транскритическом режиме.

Диоксид углерода также может использоваться как вторичный холодоноситель. Для его циркуляции применяют центробежный насос, а для охлаждения холодоносителя используют простую холодильную машину на синтетических или природных (углеводороды, аммиак) хладагентах. Пример такой системы с чиллером на аммиаке и диоксидом углерода в качестве вторичного холодоносителя рассмотрен в специальном разделе.

К преимуществам диоксида углерода в качестве вторичного холодоносителя следует отнести высокую летучесть, благодаря которой он частично испаряется в теплообменнике потребителя холода, поглощая скрытую теплоту. Кроме того, для перекачки диоксида углерода требуется насос меньшей мощности, чем для большинства других холодоносителей.

Дополнительные материалы

Наверх

Полезные ссылки

Наши страницы в соцсетях

Диоксид углерода