Перспективы применения СО₂ в Республике Беларусь

Д.И. Березюк

Обеспечение продовольственной безопасности РБ, возможно только при эффективной работе пищевой индустрии. Глубокая переработка сельхозпродукции, обеспечение населения сбалансированным и рациональным питанием в течение всего года обеспечивается надежной работой систем холодоснабжения занятых хранением, переработкой и реализацией продуктов питания.

В последние годы в этой отрасли Республики идет глубокая модернизация существующих предприятий и создание новых производственных и торговых объектов. Немаловажную роль в этом играет  государственная поддержка, направленная на  снижение энергоемкости систем холодоснабжения,  повышение их промышленной и экологической безопасности.

При модернизации крупных холодильных установок эти основные задачи решаются как правило путем замены морально и физически изношенного оборудования на современное, что сопровождается

1. Полной заменой  аммиака на фреон.

2. Децентрализацией крупных аммиачных холодильных установок и частичным переводом их на фреон.

3. Снижением аммиакоемкости холодильных установок.

В РБ в последние годы преобладала тенденция тотального отказа  от аммиака с переводом систем холодоснабжения на фреон. 

При этом достигается  повышение промышленной безопасности, но не всегда обеспечивается энергосбережение, так как фреоны уступают аммиаку в  энергетической эффективности. Кроме этого фреоны обладают рядом других недостатков, суть которых сводится к следующему: нет такого синтетического хладагента который был бы озонобезопасным, не способствовал бы созданию парникового эффекта, обладал бы хорошими термодинамическими свойствами и   высокими эксплуатационными параметрами.

Недостатки фреонов привели к тому, что в  мире наблюдается тенденчия перехода на натуральные, природные, хладагенты. Наиболее  популярные: воздух, вода , аммиак, углеводороды, углекислый газ.

При этом, воздух имеет чрезвычайно низкую температуру кипения, а вода высокую при н.у..  Аммиак является одним из лучших холодильных агентов и в настоящее время активно внедряется для малых холодильных установок, однако главный недостаток – токсичность и вызрывопожароопасноть неустраним. Углеводороды еще более вызрывопожароопасны, чем аммиак, поэтому их целесообразно использовать  только в малых холодильных машинах, например, в бытовой технике.

На этом фоне, повышенный интерес к  углекислому газу становится вполне объясним.

Углекислый газ обладает следующими достоинствами:

1)                                                обладает высокой объемной холодопроизводительностью,

2)                                                не токсичен и безопасен;

3)                                                 инертен к материалам;

4)                                                дешев и доступен.

Главные недостатки – низкая критическая температура  31°С и высокие рабочие давления, до 10 МПа.

Высокие давления обуславливают ограниченность  использования  углекислого газа. Поэтому в настоящее время используются холодильные системы в которых реализуется цикл докритический и транскритический.

Схема транскритического цикла представлена на рисунке 1.

В холодильных машинах, реализующих этот цикл, необходимо применение теплообменного, и вспомогательного оборудования, а также арматуры и КИПиА, рассчитанного на  высокие давления. Для этих холодильных машин характерно применение специального газового теплообменника, вместо конденсатора для охлаждения углекислого газа после сжатия в компрессоре до температуры начала дросселирования. Данные циклы реализуются в автомобильных кондиционерах, тепловых насосах, торговом холодильном оборудовании.

Для реализации докритического цикла необходимо поддержание температуры конденсации в пределах 0 -10°С, что будет соответствовать давлению  2,5 -3,В МПа. Данная схема реализуется в каскадных холодильных машинах.

Упрощенные схемы каскадных холодильной машины представлена на

рисунке 2. Как правило, в этих схемах, в  качестве хладагента верхнего каскада используется аммиак, либо хладагенты ГФУ (410А, 407С), возможно использование углеводородов. Каскадные схемы  с аммиаком в качестве хладагнета верхнего каскада уже применяются около 12 лет в странах Европы. При этом достигается не только повышение промышленной безопасности, за счет снижения количества аммиака, но снижение энергопотребления на 10-15% по сравнению с традиционными двухступенчатыми схемами при температурах кипения в нижнем каскаде ниже 35°С.

Таким образом,  видно, угклекислый газ имеет ограниченное применение и целесообразно определить перспективы  использования этого хладагента в РБ. Укрупнено можно выделит следующие области применения его в следующих сферах:

1) бытовая холодильная техника;

2) кондиционирование

3) коммерческая холодильная техника;

4) промышленный холод.

В бытовой холодильная технике. Что актуально для Беларуси, не предполагается применение СО2, зато в Европе и Японии уже широко используется R600а (изобутан).

По энергетической эффективности системы кондиционирования на СО2 в режиме охлаждения уступают системам с ГФУ и ГХФУ, в режиме обогрева  -несколько превосходят, однако функционирование всех систем кондиционера при работе на СО2 происходит при очень высоких давлениях. Поэтому, в ближайшие 10-15 ожидается, что стационарные кондиционеры будут работать на ГФУ. Например на 410А. В тоже время прогнозируется  перевод автомобильных кондиционеров на СО2, что уже  происходит на крупнейшем автомобильном рынке – в США. 

Для коммерческого холода (торговое холодильное оборудование, холодильные камеры) многие фирмы ….. разработали или разрабатывают герметичные и полугерметичные компрессоры, арматуру и автоматику. Крупнейшие производители торгового оборудования уже разработали линейки торгового холодильного оборудования(различные витрины, холодильные шкафы и т.п), Однако в ближайшие 5-10 лет холодильное оборудование на СО2 будет проигрывать оборудованию, использующему ГФУ как по стоимости , так и по энергетической эффективности. Для  централизованных систем холодоснабжения магазинов, рынков  также уже имеется необходимое оборудование для внедрения каскадных систем Сна две температуры кипния. При этом в нижнем каскаде СО2, в в верхнем –ГФУ. Эффективность таких систем примерно соответствует (+-10%) средней эффективности систем холодоснабжения с двумя централями на ГФУ.

Сектор промышленного холода является наиболее емким потребителем холодильного оборудования. Исследования, выполненные в этой сфере показывают, что около 90% холода вырабатывается аммиачными холодильными установками. Именно в этом секторе возможно наиболее эффектвное использование каскадных холодильный машин, что позволяет снизить количество аммиака в системе, при этом повышая промышленнуб безопасноть объектов и сохраняя высокую эффективность рвботы холодильной установки в целом. В то же время, внедрение подобных схем целесообразно только для  -30°С и ниже. Такие температуры кипения характерны для мясокомбинатов, рыбзаводов, фабрик мороженого, складов длительного  хранения мороженых продуктов.  И по предварительной оценке, выработка холода системами с СО2 может составить не более 20-30%  от общего количества холода, вырабатываемого холодильными промышленными установками.

Таким образом  внедрение СО2 экономически оправдано для низкотемпературных промышленных холодильных установок. Внедрение таких систем в коммерческом холоде целесообразно при  ужесточении требований к ГФУ, а также при желании заказчика

Рисунок 1. Схема транскритического цикла СО₂

Рисунок 2. Схемы каскадных холодильных машин

Рисунок 3. Характеристика производительности винтового компрессора «Битцер» с объемной производительностью 220 м³/час.