W artykule omówiono podstawowe własności CO₂ jako czynnika chłodniczego oraz jego zastosowania, a także zasady budowy i działania rozprężarko-sprężarek tłokowych. Przeprowadzono ocenę porównawczą efektywności energetycznej układów z rozprężarką lub zaworem rozprężnym - z wykorzystaniem i bez wykorzystania odzyskanej energii do napędu sprężarek. Osiągnięte wyniki są wysoce pozytywne.

Zastosowanie CO₂ jako naturalnego czynnika chłodniczego jest pożądane zarówno ze względów ekologicznych, energetycznych i ekonomicznych, jest on bowiem czynnikiem energooszczędnym, tanim i przy tym bezpiecznym (nietoksycznym, niepalnym i niewybuchowym) dla człowieka. Walory powyższe czynią go atrakcyjnym czynnikiem przyszłościowym. Próby i badania wykazały jednak, iż nie może być on stosowany w obiegach klasycznych (np. w obiegu Perkinsa) pracujących przy temperaturze skraplania powyżej 25^oC. Okoliczność ta uniemożliwiała stosowanie CO₂ do chłodząco-grzejnych pomp ciepła i podgrzewania np. wody do temperatury 80 do 90^oC. Odpowiedzialną za ten stan rzeczy jest niska temperatura punktu krytycznego CO₂ (31,1^oC). Na przełomie lat 80. i 90-tych minionego stulecia wadę tę udało się przekształcić w dużą zaletę CO₂, poprzez wprowadzenie obiegu transkrytycznego częściowo odbywającego się w strefie podkrytycznej i częściowo w nadkrytycznej. Czynnik ten stał się najlepszym ze znanych czynników chłodniczych i grzejnych w chłodząco-grzejnych pompach ciepła zdolnych do podgrzewania wody do temperatury 90^oC i wyższej. Pompy ciepła z innymi czynnikami nie są w stanie podgrzać wody do temperatury wyższej niż 55^oC [5]. (...) Ponadto do ważnych zalet CO₂ należą m.in.:

• ciśnienie robocze CO₂ jest wysokie i zbliżone do ekonomicznie optymalnego. Nie jest ono groźne dla załogi i samych urządzeń podczas eksploatacji. Wysokie ciśnienie robocze CO₂ wiąże się z dużą gęstością pary, a ta z dużą objętościową wydajnością chłodniczą sprężarek oraz intensywnością wymiany ciepła we wszystkich wymiennikach ciepła po stronie ssawnej, w międzystopniu oraz na stronie tłocznej. Wydajność ta jest od 5 do 10 razy wyższa od analogicznej wydajności innych czynników chłodniczych. Prowadzi to do małych rozmiarów sprężarek, wymienników ciepła, rurociągów i armatury, a także do zmniejszenia ich masy i ceny;

• niskie spręże CO₂ prowadzą do wysokiej sprawności objętościowej sprężarek, a także umożliwiają stosowanie sprężarek śrubowych, spiralnych, rotacyjnych i wirnikowych;

• dobra współpraca ze wszystkimi tworzywami konstrukcyjnymi i mineralnymi olejami smarnymi;

• duża entalpia parowania oraz ciepło właściwe zmniejszają obieg masowy czynnika w instalacji oraz energię jego przetłaczania,

• ponadto odznacza się on dużą trwałością chemiczną, niską ceną i łatwą osiągalnością na rynku.

Rys. 1. Rozprężarko-sprężarka tłokowa o swobodnym skoku tłoka: 2 i 3 - cylindry sprężania, 1 i 4 - cylindry rozprężania

(...)

Wnioski

Wykazano, iż zastosowanie rozprężarko-sprężarek tłokowych w układach chłodniczych dwustopniowych z CO₂ jako czynnikiem roboczym prowadzi do bardzo dużego podwyższenia efektywności energetycznej COP takiego układu. Dobrym rozwiązaniem konstrukcyjnym rozprężarko-sprężarki jest omówiony typ tłokowy o swobodnym skoku tłoka. Jest ona zwarta i prosta w budowie, działaniu i obsłudze. Uzyskiwana w ten sposób oszczędność energii napędowej sprężarki b w układzie dwustopniowym w wariancie z zaworem rozprężnym, dochodzi do 78%. Osiągnięto nadspodziewanie dobre wyniki końcowe wskazujące na CO₂ jako najlepszy czynnik roboczy w urządzeniach chłodniczych z rozprężarką, spełniających jednocześnie funkcje grzejnych pomp ciepła, a nade wszystko pomp o napędzie propanowym i silnikami spalinowymi z dodatkowymi wymiennikami ciepła umożliwiającymi wykorzystanie ciepła spalin odlotowych oraz ciepła pobieranego podczas schładzania koszulek cylindrowych silnika [5]. Stosowanie układów chłodniczych dwustopniowych z CO₂ uznano również za najlepsze rozwiązanie dla nowoczesnych supermarketów [6]. Rozprężarki odgrywają również ważną rolę w usprawnianiu nowoczesnych układów chłodniczych z powietrzem jako obiegowym czynnikiem roboczym.

Rys. 5. Prezentacja na wykresie T-s obiegu chłodniczego dwustopniowego 9 6-1-2-3-4-5-6 wyposażonego w rozprężarkę oraz obiegu chłodniczego jednostopniowego 4*-1*-2*-3*-4*: PHP - ciśnienie na stronie tłocznej obu układów, PMP - ciśnienie międzystopniowe w układzie dwustopniowym, PLP - ciśnienie parowania w parownikach obu układów (1 i 9), 3*-4* - rozprężanie izentalpowe w zaworze rozprężnym układu 1. Należy zauważyć, że oznaczenia cyfrowe (w tabeli) układu 1 i 9 przenoszą się na rys. 5 ukazując odpowiednie przemiany i stany czynnika w układzie

Aleksander PALIWODA

Więcej informacji na łamach miesięcznika Chłodnictwo&Wentylacja nr 4/2004.