Chladíme kondenzátor s CO2 s teplotou pod a nad 20 °C

1.8.2007, Peter Tomlein

Základnou nevýhodou CO2 je nízka kritická teplota 31 °C/74 bar. To znamená, že pokiaľ chceme dosiahnuť kondenzáciu, musíme mať k dispozícii chladiace médium na kondenzačnej strane chladiaceho okruhu o teplote pod 20 °C. V tom prípade CO2 môže byť použité ako ktorékoľvek iné chladivo v chladiacom obehu pod kritickým bodom avšak pri podstatne vyšších prevádzkových tlakoch.

Pod (sub) kritický cyklus (1,2,3,4) a nad (trans) kritický cyklus (1´,2´,3´,4´)

 Ak je teplota chladiaceho média na kondenzačnej strane chladiaceho okruhu o teplote nad 20 °C, chladiaci okruh sa musí realizovať v nad kritických (transkritických) podmienkach. To znamená, že stlačené CO2 v kondenzátore neskondenzuje, len sa zahustí, a skvapalní sa až expanziou s prudkým ochladením (Joulov -Thompsonov efekt). Teoreticky transkritický chladiaci obeh s CO2 je kombináciou Carnotovho cyklu s Joulovým cyklom. To znamená, že var prebieha v podkritickej oblasti a odvod tepla po kompresii v nadkritickej oblasti bez kondenzácie CO2.

Zvláštnosti chladiacich okruhov s CO2

Kompresor je kritickým komponentom chladiaceho okruhu ako pre subkritický tak pre transkritický obeh vo vzťahu ku:

  • Vysokým prevádzkovým tlakom i nad 90 barov.
  • Vysokej výtlačnej teplote z kompresora až 160 °C (transkriticky), 120 °C (subkriticky).
  • Vysokej mernej objemovej chladivosti, nízkemu hmotnostnému prietoku chladiva.
  • Vysokej rozpustnosti CO2 v POE oleji. Ak teplota vzrastie nad 65 °C, musí sa chladiť.
  • Vyššie namáhanie a vibrácie v dôsledku vyšších tlakových úrovní.

Pre navrhovanie výmenníkov sa zase musí zohľadňovať variabilné merné teplo a výhodný zvýšený prestup tepla, ktorý umožňuje napríklad znížiť rozdiel medzi výparnou teplotou a teplotou chladeného média. Výhodou je tiež možnosť použitia priamych expanzných systémov s TEV či EEV i na veľké vzdialenosti (veľkosť náplne nie je problém).

CO2 je alternatívne chladivo pre rôzne aplikácie

Niektoré chladiace zariadenia s chladivom CO2 sú stále ešte len vo vývoji. Sú však už aj také oblasti chladenia, kde sú už komerčne realizované. Sem patria:

  1. Komerčné chladenie.
  2. Autoklimatizácia.
  3. Tepelné čerpadlá a klimatizácia.
  4. Priemyselné chladenie

Komerčné chladenie

 Komerčné chladenie predstavuje 40 % podiel na emisiách chladív. V komerčnom chladení sa systémy s CO2 používajú v transkritickom i subkritickom cykle v závislosti od teploty okolia. Doposiaľ 10-20 supermarketov bolo vybudovaných v EÚ od Talianska po Nórsko. Spotreba energie a prevádzkové náklady sú hlásené na približne rovnakej úrovni ako s chladivom R404A s priamou expanziou. Nižšie náklady a spotreba energie sú očakávané vzhľadom na pokračujúci vývoj. Vyvíjajú sa ako dvojstupňové kompresory tak i kaskádne systémy s chladivami R404A-CO2, NH3- CO2, R134a-CO2 a pod.

Taktiež v samostatných komerčných chladeniach napríklad pre chladenie nápojov, predajných pultov sa využíva transkritický obeh chladiva. Kompresory ponúkajú mnohé firmy. Podľa predbežných výsledkov zariadenia s CO2 úspešne konkurujú HFCs systémom aj v oblastiach s vyššou priemernou teplotou.

Autoklimatizácia

Predstavuje najväčší podiel na emisiách chladív. To je hlavný dôvod prečo chladivo R134a bude zakázané plniť do nových automobilov od roku 2011. Výsledky v porovnaní s R134a sú dobré. Hoci emisie R134a majú byť zo súčasných 120 g/autoklimatizáciu za rok znížené až na 30 g, lepším riešením z hľadiska LCCP je CO2. LCCP bolo znížené o 18-48% podľa priemernej teploty. Cena chladiaceho okruhu s CO2 je však výrazne vyššia.

Tepelné čerpadlá a klimatizácia

 Tepelné čerpadlá sa uplatnili najmä pre ohrev teplej vody. V Japonsku sa komerčne predávali už v roku 2001 a v roku 2004 už bolo predaných vyše 200 tis. zariadení. So sezónnym COP vyšším ako 4, tieto systémy významne prispievajú k redukcii emisií CO2 v porovnaní s použitím plynu, či elektriny. V Európe sa takéto systémy len vyvíjajú. Ich významnou vlastnosťou je dosahovanie vyššej teploty vody ako s HFCs chladivami a tým zároveň odpadá problém dohrievania a problém legionell.

Už v roku 2006 sa objavili prvé systémy umožňujúce kúriť i chladiť. Doterajšie výsledky ukazujú, že CO2 systémy môžu dosiahnuť podobné alebo lepšie výkonové číslo ako HFCs systémy. Tepelné čerpadlá vzduch-vzduch pre rodinné domy sú tiež vo vývoji.

Priemyselné chladenie

Aj sem sa dostávajú systémy s CO2 chladivom. Vzhľadom na to, že COP sa s rastúcou teplotou okolia znižuje, používa sa na ochladzovanie kondenzátora vodný spray. Jeho použitie je obmedzené len dni s vyššou teplotou. Zníženie teploty v kondenzátore je však dôležité ako z hľadiska COP tak i z hľadiska zníženia špičkovej spotreby elektriny v letnom období.

Iné aplikácie

Najmä na prepravné chladenie a klimatizáciu v autobusoch, vozňoch a podobne je vzhľadom na veľké emisie sústredená pozornosť výskumu a vývoja vo svete.

Kategórie dokumentu