Руководство по охладителям CO2: как работают охладители CO2, стоимость, выбор и применение

Если вы оцениваете промышленное или коммерческое охлаждающее оборудование, прямой ответ таков: охладитель CO2 — это охладитель с компрессией пара, в котором в качестве хладагента используется диоксид углерода (R744) и который может поставлять охлажденную воду, рассол или охлаждение с прямым расширением от примерно 5 °C до -35 °C, не полагаясь на хладагенты с высоким ПГП. Поскольку критическая температура CO2 составляет всего 31,1°C, в теплые дни чиллер часто работает в закритической области с давлением на стороне высокого давления от 80 до 120 бар вместо 15-25 бар, типичных для машин с Р134а или Р404А. Это единственное отличие определяет все остальные решения, которые вы принимаете в отношении оборудования, от выбора компонентов и метода соединения труб до стратегии управления и плана обслуживания.

Цифры в заголовках ясны. CO2 имеет 100-летний потенциал глобального потепления (ПГП), равный 1, потенциал разрушения озона (ОДП), равный нулю, а также класс безопасности А1 по стандарту ASHRAE Standard 34, что означает негорючесть и низкую токсичность. Он недорог, доступен на всех рынках и не подвержен ограничениям в поставках и стоимости, которые все больше влияют на хладагенты ГФУ с высоким ПГП. Поскольку объемный охлаждающий эффект CO2 обычно оценивается в пять-восемь раз выше, чем у R404A при типичных условиях испарения при охлаждении, требуемый объем компрессора и диаметры труб намного меньше, чем у эквивалентной установки HFC той же мощности, и заправка хладагента, соответственно, ниже.

Остальная часть этого руководства посвящена тому, чем отличается CO2-чиллер, как его сравнивать с обычными хладагентами, как на самом деле работает транскритический цикл, что указывать, какие приложения приносят наибольшую выгоду и какие риски при обслуживании и закупках следует планировать. Акцент делается на практичности: допуски, эксплуатационные ограничения и детали конструкции, которые отделяют надежную установку от дорогостоящей проблемы.

Что такое чиллер CO2 и чем он отличается от обычного чиллера?

Обычный охладитель испаряет гидрофторуглерод (ГФУ), такой как R134a или R404A, в кожухотрубном или паяно-пластинчатом испарителе, сжимает пар и конденсирует его в конденсаторе с воздушным или водяным охлаждением. Вся сторона цикла с высоким давлением остается ниже критической точки хладагента, поэтому конденсатор переводит хладагент из газа в жидкость при почти постоянной температуре.

Чиллер CO2 работает по тому же принципу сжатия пара, но с существенным отличием. Критическая температура углекислого газа составляет 31,1°C, а это означает, что всякий раз, когда температура отвода тепла превышает примерно 25-30°C, верхняя часть цикла становится сверхкритической. Конденсатор становится охладителем газа. Хладагент покидает компрессор в виде сверхкритического газа при давлении 80–120 бар, охлаждается без конденсации, а затем расширяется непосредственно до давления испарения.

Практические последствия видны по всей машине. Трубопроводы рассчитаны на рабочее давление не менее 120 бар и обычно паяются или свариваются, а не развальцовываются. Компрессоры должны выдерживать температуру нагнетания 100–130°C и нуждаются в эффективном охлаждении масла. Расширительный клапан должен выдерживать падение давления, которое может превышать 50 бар. Предохранительные клапаны высокого давления сбрасывают газ в атмосферу, что приемлемо, поскольку CO2 не является ни огнеопасным, ни токсичным при обычных концентрациях.

Другими словами, охладитель CO2 — это специально созданная машина, а не переоборудованный охладитель HFC. Качество конструкции системы, размеры газоохладителя и логика управления определяют, сколько энергии она потребляет и насколько надежно она работает в повседневной эксплуатации.

CO2 по сравнению с ГФУ и другими природными хладагентами: ключевые сравнительные данные

В таблице ниже сравниваются хладагенты, которые чаще всего используются в проектах чиллеров. Значения ПГП соответствуют Пятому оценочному докладу МГЭИК (100-летний временной горизонт). Классы безопасности соответствуют стандарту ASHRAE 34. Критические значения температуры и давления взяты из опубликованных данных о насыщении хладагента.

Из этого сравнения сразу следуют два вывода. Во-первых, с точки зрения учета климата CO2 относится к той же категории, что и аммиак: ПГП, равный 1, означает практически нулевое воздействие утечки на климат. R404A имеет ПГП 3922, поэтому небольшая годовая утечка из машины, работающей на R404A, имеет такой же эффект углеродного эквивалента, как и гораздо большее количество CO2, выбрасываемого в атмосферу.

Во-вторых, давление на стороне высокого давления системы CO2 в четыре-шесть раз выше, чем у альтернатив HFC. Это цена, которую вы платите за экологические и объемные преимущества, и она осуществима только в том случае, если производитель, установщик и подрядчик по обслуживанию соблюдают номинальное давление в каждой точке контура.

Как работает транскритический цикл CO2

Пять этапов процесса

1. Сжатие. Пар низкого давления поступает в компрессор примерно при 25–40 бар и выходит при 80–120 бар. Температура нагнетания 100–130°C является нормальной, поэтому компрессор должен иметь надежное масляное охлаждение и внутреннюю температурную защиту.
2. Газовое охлаждение. Сверхкритический пар охлаждается в газовом холодильнике воздухом, водой или испаряющейся средой. Он не конденсируется. Температура на выходе газоохладителя, обычно 35-45°C, является единственной наиболее важной переменной для эффективности системы.
3. Расширение. Электронный расширительный клапан снижает давление с уровня высокого давления до уровня испарения, обычно 25–40 бар. Положение клапана постоянно регулируется для поддержания оптимального давления нагнетания.
4. Испарение. Жидкий CO2 испаряется при температуре, определяемой применением, обычно -10°C для работы с охлажденной водой и до -40°C для работы в морозильной камере, извлекая тепло из охлажденной жидкости или воздушного потока.
5. Всасывание. Перегретый пар возвращается в компрессор через всасывающий аккумулятор или сепаратор жидкости, который защищает компрессор от закупоривания жидкости во время изменения нагрузки и циклов оттаивания.

Подкритическая и транскритическая эксплуатация

Когда температура отвода тепла ниже примерно 25°C, CO2 конденсируется в газоохладителе при давлении 40–60 бар, и цикл ведет себя так же, как обычный цикл с хладагентом. Это часто происходит в холодном или умеренном климате и является одной из причин, по которой системы CO2 часто достигают более высокой сезонной эффективности, чем оборудование HFC в этих регионах. Когда температура окружающей среды повышается, система переходит в транскритический режим, и контроллер берет на себя управление давлением на стороне высокого давления.

Оптимизация давления нагнетания

В транскритическом режиме контроллер постоянно ищет давление нагнетания, которое обеспечивает наивысший коэффициент полезного действия (COP). Широко используемое эмпирическое правило в транскритической технике CO2 заключается в том, что оптимальное давление на стороне высокого давления составляет около 85–100 бар, когда температура на выходе газоохладителя составляет 30–35°C, и что каждое снижение температуры на выходе газоохладителя на 1 К повышает КПД цикла примерно на 2–4%. Вот почему компонент отвода тепла и стратегия управления заслуживают такого же внимания, как и сам компрессор.

Ключевые критерии выбора охладителя CO2

Начните процесс выбора с рабочего диапазона, а не с паспортной таблички. Шесть проверок выявляют большинство ошибок спецификации.

1. Охлаждающая способность и температура жидкости на выходе

Установите мощность чиллера в киловаттах при фактической расчетной температуре окружающей среды. Чиллер CO2, настроенный на охлажденную воду, обычно обеспечивает температуру жидкости на выходе 0–5°C; низкотемпературная версия рассола обеспечивает температуру от -10°C до -35°C; а версия с прямым расширением питает воздухоохладители морозильных камер при температуре от -25°C до -40°C. Запросите данные о мощности при условиях окружающей среды проекта, а не при нормированной для отрасли контрольной точке 25°C.

2. Условия окружающей среды и климатические условия.

Если на объекте в течение длительного периода времени температура превышает 30°C, чиллер будет работать в транскритическом режиме большую часть года, а конструкция газоохладителя оказывает огромное влияние на годовое потребление энергии. Если на объекте большую часть года холодно, чиллер работает в докритическом режиме, где CO2 естественным образом эффективен. Сопоставьте указанную сезонную эффективность с вашими собственными климатическими данными, а не сравнивайте одноточечные показатели COP при полной нагрузке.

3. Тип компрессора и эксплуатационные ограничения.

Поршневые компрессоры обычно используются при мощности ниже 200–300 кВт; винтовые компрессоры используются выше этого диапазона. Проверьте максимально допустимую температуру нагнетания, метод охлаждения масла и возможность работы компрессора с инверторным управлением скоростью в режиме частичной нагрузки. Эти детали определяют как надежность, так и диапазон регулирования.

4. Номинальное давление компонентов и практика установки

Каждый компонент контура высокого давления должен быть рассчитан на расчетное давление, которое обычно составляет 120 бар или более. Убедитесь, что испаритель, газоохладитель, трубопроводы, клапаны и предохранительные устройства рассчитаны на это значение, и настаивайте на паяных или сварных соединениях, а не на механических соединениях с развальцовкой. Наиболее распространенной причиной раннего отказа на установках по производству CO2 является использование компонентов и методов установки, скопированных из практики использования ГФУ.

5. Потенциал рекуперации тепла

Чиллеры CO2 являются лучшими кандидатами на рекуперацию тепла среди всех распространенных хладагентов. Поскольку хладагент выходит из компрессора при температуре 100–130°C, пароохладитель или вторая ступень газоохладителя могут надежно производить горячую воду температурой 70–90°C для промывки, пастеризации, отопления помещений или предварительного нагрева котла. Если на объекте одновременно имеется потребность в охлаждении и горячей воде, учтите эту экономию при прогнозе эксплуатационных расходов на первый год.

6. Поведение при частичной нагрузке и контроль качества

Большинство установок большую часть рабочего времени работают с частичной нагрузкой. Запросите производительность чиллера при нагрузке 25 %, 50 %, 75 % и 100 % и проверьте, как контроллер обрабатывает давление нагнетания, скорость вентилятора газоохладителя и положение расширительного клапана. Чиллер с несколько более низким КПД при полной нагрузке, но с отличным управлением при частичной нагрузке, может легко превзойти номинально лучшую машину в течение года эксплуатации.

Если в проекте также предусмотрены конденсаторные установки для холодильных камер, логика выбора очень похожа; посмотреть этот сайт руководство по выбору конденсаторного агрегата для холодильного хранения перед окончательным определением конфигурации установки. Для наружной установки в теплом климате базовым вариантом для сравнения является комплектный чиллер с воздушным охлаждением; Команда инженеров может указать номинальную мощность для ваших конкретных проектных условий.

Чиллер с воздушным охлаждением от Kaidi для наружного применения в теплом климате Чиллер с воздушным охлаждением является основой для наружной установки в теплом климате. Kaidi, обладающий почти 30-летним опытом, предлагает номинальную мощность в ваших расчетных условиях, что делает его идеальным эталоном для сравнения архитектуры вашей системы. Посмотреть продукт →

Варианты архитектуры системы охлаждения CO2

Правильная архитектура системы зависит от температурного диапазона и количества отдельных потребителей. Четыре основных макета подходят для большинства проектов.

Одноступенчатый транскритический охладитель

Это простейшая схема охладителя CO2. Компрессор разгружается в газоохладитель, а расширительный клапан подает газ в один испаритель или контур охлажденной воды. Он подходит для работы при средних температурах от примерно 5°C до -25°C и чаще всего поставляется в виде холодильной установки заводского изготовления.

Каскадная система

При очень низких температурах, обычно от -35°C до -50°C, CO2 используется на низкотемпературной стадии, тогда как второй хладагент, такой как R134a или аммиак, работает на высокотемпературной стадии. Сторона CO2 остается подкритической, поэтому давление в установке остается умеренным, и установка по-прежнему может использовать превосходные низкотемпературные характеристики CO2. Высокотемпературная сторона часто представляет собой конденсационный агрегат с водяным охлаждением, если имеется контур охлаждающей воды; Чиллеры Kaidi с водяным охлаждением используются в этом качестве в нескольких промышленных каскадных проектах.

Чиллер с водяным охлаждением от Kaidi для каскадных холодильных проектов В каскадных системах CO2 высокотемпературной ступенью служат конденсаторные агрегаты с водяным охлаждением. Чиллеры Kaidi с водяным охлаждением использовались в нескольких промышленных каскадных проектах, обеспечивая эффективный отвод тепла при наличии контура охлаждающей воды. Посмотреть продукт →

Транскритическая бустерная система

Системы повышения давления объединяют в одной установке среднетемпературный и низкотемпературный контур. Они являются доминирующим решением в крупных супермаркетах, но также встречаются в логистических и распределительных центрах продуктов питания. Выпуск среднетемпературного компрессора охлаждается газом, а выпуск низкотемпературных компрессоров осуществляется во всасывающую линию среднетемпературной системы, что повышает общую эффективность по сравнению с двумя отдельными системами.

Система вторичного контура с перекачкой CO2

В этой архитектуре жидкий CO2 перекачивается из центральной установки в удаленные испарители или охлаждающие змеевики вместо того, чтобы расширяться в каждой точке. Насос поддерживает постоянную подачу жидкости, что улучшает теплообмен и снижает общий расход хладагента. Такая компоновка используется на ледовых катках, в холодильных камерах и предприятиях пищевой промышленности, где многие распределенные нагрузки нуждаются в надежном охлаждении.

Варианты отвода тепла и охлаждения газа

Поскольку на каждый 1 К температуры на выходе газоохладителя приходится примерно 2–4% КПД цикла, компонент отвода тепла является наиболее влиятельной частью холодильной установки CO2 после компрессора. На практике используются четыре метода отбраковки.

• Газоохладители с воздушным охлаждением повторно использовать технологию суховоздушного конденсатора при более высоких номинальных давлениях. Они просты и не требуют воды, но их температура на выходе соответствует температуре по сухому термометру, что является недостатком в жарком и сухом климате.
• Испарительные газоохладители и испарительные конденсаторы отводят тепло, близкое к температуре окружающей среды по влажному термометру, которая в сухом климате часто на 8–15 К ниже температуры по сухому термометру. Они являются предпочтительным вариантом, когда ежегодное транскритическое время велико.
• Газоохладители с водяным охлаждением или конденсаторы с водяным охлаждением используются, когда уже существует градирня или водяной контур, или когда установка представляет собой каскадную систему с верхней ступенью с водяным охлаждением.
• Газоохладители с рекуперацией тепла устанавливаются в качестве второго теплообменника высокого давления, производящего горячую воду температурой 70-90°С. Утилизированное тепло доступно каждый раз, когда работает чиллер, поэтому эффективная эффективность системы намного выше, чем предполагает COP только для охлаждения.

Для чиллера заводского изготовления, используемого в промышленных условиях, испарительно-конденсационный чиллер часто обеспечивает наилучший баланс себестоимости и годовой эффективности, особенно там, где очистка воды и обслуживание градирен уже являются частью повседневной работы предприятия. Испарительно-конденсационные охладители Kaidi созданы для промышленного охлаждения и могут быть использованы в качестве комплекта для отвода тепла в каскаде CO2 или в дожимных установках с отводом тепла со стороны воды.

Испарительно-конденсационный охладитель для промышленного охлаждения Для промышленных чиллеров заводского изготовления испарительно-конденсационный агрегат обеспечивает наилучший баланс себестоимости и годовой эффективности. Модельный ряд Kaidi создан для промышленного использования и идеален там, где очистка воды и обслуживание градирен уже являются рутинными задачами. Посмотреть продукт →

Где чиллеры CO2 обеспечивают наилучшие результаты

Чиллеры CO2 окупают эксплуатационные расходы в приложениях с большими холодильными нагрузками, низкими требованиями к температуре или одновременной потребностью в тепле. Следующие приложения имеют наибольший послужной список.

• Пивоварни и заводы по производству напитков. Чиллеры CO2 стабильно подают техническую воду с температурой 0–4°C и одновременно производят горячую воду с температурой 70–90°C, которая может заменить или сократить использование котла. Как нагрузка на охлаждение, так и потребность в горячей воде велики, поэтому совокупная экономия значительна.
• Молочная переработка. Установка быстро охлаждает молоко до 4°C или ниже и поддерживает температуру в холодильном хранилище 0-4°C. Классификация нетоксичности CO2 позволяет устанавливать его рядом с пищевыми продуктами без требований к вентиляции, которые предъявляет аммиак.
• Холодильные склады и помещения быстрой заморозки. Система CO2 прямого испарения с воздушными охладителями от -25°C до -35°C быстро замораживает продукт и сводит колебания температуры к минимуму. Разморозка горячим газом эффективна, поскольку хладагент всегда доступен при высокой температуре и давлении.
• Ледовые катки. Вторичные контуры с накачкой CO2 охлаждают каток примерно до температуры от -5°C до -7°C с очень низкими колебаниями температуры льда, что ценят как фигуристы, так и операторы объектов. Заряд CO2 остается в техническом помещении, поэтому сам каток герметичен.
• Супермаркеты и продовольственная розница. Транскритические бустерные системы обрабатывают как морозильную, так и охлаждаемую витрину с помощью одной центральной установки, а тепло, рекуперированное при охлаждении газа, используется для обогрева помещений.
• Охлаждение промышленных процессов. Химические, фармацевтические заводы и заводы по производству пластмасс используют охладители CO2 там, где политика в отношении хладагентов исключает использование легковоспламеняющихся или токсичных жидкостей и где долгосрочная доступность ГФУ вызывает беспокойство.

Эксплуатационные затраты, техническое обслуживание и риски, связанные с закупками

Стоимость энергии

КПД чиллера с CO2 при полной нагрузке в жаркую погоду ниже, чем у эквивалентного чиллера с R134a, если сравнивать только мощность охлаждения. Честное сравнение носит сезонный характер: сюда следует включить рекуперацию тепла, часы естественного охлаждения, управление частичной нагрузкой и эффективность подкритической работы в холодные периоды. Исходя из этого, современные холодильные установки на CO2 регулярно соответствуют базовым системам с ГФУ или превосходят их по годовым затратам на электроэнергию в умеренном климате, а также приносят дополнительную выгоду везде, где требуется горячая вода.

Стоимость и заправка хладагента

Стоимость CO2 составляет небольшую часть стоимости R404A или R134a за килограмм, а требуемая заправка намного меньше из-за высокой объемной производительности. Таким образом, затраты на заправку после сервисного обслуживания являются второстепенной статьей, и нет экономического давления, заставляющего откладывать устранение небольших утечек.

План обслуживания

График планового обслуживания аналогичен HFC-чиллеру: уровни масла в компрессоре и его деградация, состояние фильтра-осушителя, калибровка расширительного клапана, очистка змеевика газоохладителя и проверка контрольных уставок. Два пункта заслуживают особого внимания. Во-первых, это целостность при высоком давлении: запланируйте регулярную проверку всех паяных и сварных соединений, а также устройств сброса давления. Второе — это мониторинг утечек: CO2 бесцветен и не имеет запаха, поэтому закрытые машинные помещения должны иметь систему обнаружения CO2 и вентиляцию, которая активируется до того, как будет достигнут уровень удушья.

Риски закупок

• В системе с давлением 120 бар устанавливаются компоненты, рассчитанные всего на 60–80 бар, что может привести к катастрофическому разрушению.
• Развальцованные механические соединения, протекающие при термоциклировании; На установках CO2 должны использоваться паяные, сварные или пресс-соединения высокого давления.
• Газоохладители меньшего размера, которые повышают температуру на выходе, снижают КПД и продлевают время работы компрессора в каждый жаркий полдень.
• Системы управления, которые работают при фиксированном давлении на стороне высокого давления вместо оптимизации давления нагнетания, тратят впустую 5–15 % энергии компрессора.
• Подрядчики по обслуживанию, не прошедшие обучение работе с CO2 под высоким давлением, что приводит к длительным простоям и плохому контролю утечек.

Вы можете снизить эти риски, потребовав письменное заявление о расчетном давлении и полных технических характеристиках компрессора и газоохладителя, а также выбрав поставщика, который обеспечит техническую поддержку от этапа определения размеров до ввода в эксплуатацию. Свяжитесь с командой инженеров Kaidi напрямую с учетом вашего профиля нагрузки и условий на площадке, чтобы получить первоначальную схему системы и сравнить ее с обычной установкой охлажденной воды.

Часто задаваемые вопросы об охладителях CO2

В чем разница между чиллером CO2 и обычным чиллером?

Обычный чиллер использует ГФУ, такой как R134a или R404A, и конденсирует хладагент ниже критической точки. Чиллер CO2 использует R744, который часто работает в транскритическом режиме с газоохладителем при давлении 80–120 бар вместо конденсатора. Производительность испарителя и охлажденной воды может быть идентична, но уровень давления, компоненты и средства управления совершенно разные.

Является ли хладагент CO2 огнеопасным или токсичным?

CO2 классифицируется как A1 по стандарту ASHRAE 34: негорючий и малотоксичный. При высоких концентрациях он может вытеснять кислород в замкнутом пространстве, поэтому в производственных помещениях необходима вентиляция и обнаружение утечек CO2. При нормальной эксплуатации он безопасен для предприятий по производству продуктов питания и напитков.

При каком давлении работает охладитель CO2?

Сторона всасывания обычно составляет 25–40 бар, в зависимости от температуры испарения. Сторона высокого давления составляет 40-60 бар в докритическом режиме и 80-120 бар в транскритическом режиме. Все компоненты стороны высокого давления должны быть рассчитаны на расчетное давление системы, обычно 120 бар или выше.

Может ли охладитель CO2 заменить существующую систему на R404A?

Это не полная замена. Испаритель, трубопроводы, расширительные клапаны, газоохладитель, компрессор и элементы управления должны быть рассчитаны на давление CO2 и рабочие характеристики. Обычно требуется полностью новая установка, спроектированная на основе CO2, хотя существующую систему распределения охлажденной воды или рассола часто можно использовать повторно.

Чиллеры CO2 дороже, чем чиллеры HFC?

Первая стоимость холодильной установки обычно на 10–25 % выше, главным образом из-за компонентов высокого давления и системы управления. Однако стоимость хладагента ниже, рекуперация тепла может сократить счета за электроэнергию, а завод избегает будущих проблем стоимости и доступности хладагентов с высоким ПГП. Стоимость жизненного цикла сильно зависит от применения и климата.

Каких температур может достичь охладитель CO2?

В режиме охлаждения CO2 может обеспечивать температуру охлажденной воды или рассола на выходе от примерно 5°C до -35°C. При каскадном расположении возможна температура испарения до -50°C. Приложение определяет архитектуру и выбор компрессора.

Чиллер CO2 больше не является экспериментальным продуктом. Это проверенная технология на пивоваренных заводах, в холодильных камерах, катках, супермаркетах и ​​промышленных предприятиях с хорошо задокументированным поведением в любом климате. Покупатели, которым это удалось, рассматривают номинальное давление, конструкцию газоохладителя, контроль давления нагнетания и сервисные возможности поставщика как четыре не подлежащих обсуждению проверки. Начните с этих четырех пунктов, а остальная часть спецификации вытекает естественным образом.