Каскадные холодильные установки на СО2 с применением полугерметичных компрессоров BITZER

Основная идея статьи

Благодаря благоприятным для окружающей среды характеристикам, низкой токсичности и привлекательным физико-химическим свойствам в случае "до критического" функционирования углекислота (CO₂) всё более интересует разработчиков как предпочтительный хладоноситель для вторичного контура, а также как хладагент для низкотемпературных каскадных систем. При обычном низкотемпературном применении видна особенно высокая удельная холодопроизводительность CO₂, по сравнению с другими хладагентами. Применение углекислоты позволит значительно снизить стоимость холодильной установки, за счёт экономии на компрессоре, трубопроводах и арматуре.

Даже с учётом того, что каскадные системы обладают большой производительностью, применение CO₂ позволяет использовать в них компрессоры, рассчитанные на коммерческое или на малое индустриальное применение. Однако, высокие рабочие давления определяют особые требования к конструкции компрессора, системам защиты и предохранительным устройствам.

В настоящей статье приведены схемные решения реальных каскадных холодильных установок на CO₂, а также подробно рассмотрены основные направления разработки специальной компрессорной техники и холодильных масел для CO₂. Кроме того, изложены меры эксплуатационной безопасности каскадных холодильных установок на CO₂, а также их характеристики производительности по сравнению с обычными установками.

1. Введение

После многолетнего периода довольно скромного интереса к CO₂ у разработчиков холодильной техники углекислота в последние годы привлекает к себе особое внимание, прежде всего, из-за обострившихся экологических проблем. Наряду с разработками проектов с "транскритическими" условиями функционирования в последние годы были успешно введены в эксплуатацию многие "докритические" каскадные системы для коммерческого и промышленного низкотемпературного охлаждения с температурами испарения до -50 ^oC. Следует иметь в виду, что CO₂ по сравнению с другими хладагентами обладает более благоприятными термо-физическими свойствами для данного диапазона температур. Углекислота также является химически инертным, пожаро- и взрывобезопасным веществом, но вредным для здоровья человека в больших концентрациях. Все эти свойства определяют во многих случаях явное преимущество CO₂ над аммиаком.

До сих пор в составе каскадных холодильных систем на CO₂ использовались поршневые и винтовые компрессоры открытого типа. Однако, высокий уровень рабочих давлений налагает особые требования и, тем самым, удорожает конструкцию такого компрессора. В связи с этим в последнее время возрос интерес к полугерметичным компрессорам, аналогичным устанавливаемым в серийно-выпускаемые холодильные агрегаты, применение которых позволило бы значительно удешевить перспективные установки.

На сегодняшний день уже реализовано много проектов с полугерметичными опытными прототипами. В последующих разделах статьи описан накопленный опыт по созданию надёжных специализированных для CO₂ компрессоров, а также систем предохранения для них.

2. Каскадные холодильные системы на CO₂

На рис. 1 показана упрощённая схема двухкаскадной холодильной установки, в которой CO2 сжижается в испарителе первичного холодильного контура (с хладагентами NH3, HC (пропан, пропилен) или HCFC/HFC) и транспортируется циркуляционной помпой прямо в испарители системы среднетемпературного охлаждения. В современных каскадных CO₂- ступенях предусмотрен дополнительный LT- ресивер низкого давления, которое поддерживается на уровне давления испарения CO₂ за счёт откачки паров одним или несколькими одноступенчатыми компрессорами. Компрессор нагнетает пары CO₂ в каскадный охладитель (конденсатор) вместе с газом из среднетемпературного испарителя. В охладителе суммарный газовый поток конденсируется и затем поступает в соответствующий МТ- ресивер среднего давления. Из него происходит перепуск жидкости в ресивер низкого давления с помощью поплавкового клапана.

Циркуляционные насосы или системы гравитационной циркуляции используются для подачи CO₂ к месту его охлаждения фреоновыми системами. Для систем только с одним или несколькими испарителями холодильная установка может быть скомпонована как LPR-система, описанная в статье 1 , см. "ИСТОЧНИКИ" в конце этой статьи. Для исключительно низкотемпературного охлаждения компоненты среднетемпературного контура не используются.

Рис. 1 Каскадная система с CO2 (упрощённая схема)

Рис. 2 Каскадная система с CO₂ (упрощённая схема)

На Рис.2 показана упрощённая схема двухкаскадной системы, в которой CO₂ используется в качестве обычного хладагента второго каскада. Установки с такой схемой очень распространены в странах Скандинавии и считаются очень перспективными для коммерческого применения. В холодильных системах для типовых супермаркетов во втором низкотемпературном каскаде CO₂ нагнетается в конденсатор-теплообменик поршневыми компрессорами "Битцер" серии Октагон: С-1К, С-2К, модифицированными для CO₂.

3. Требования к компрессору в каскаде на  CO2

CO₂ обретает свойства жидкости при достижении сравнительно высокого уровня давлений при довольно низких температурах испарения и конденсации. Эти давления в некоторых случаях значительно превышают допустимые рабочие значения для типовых стандартных компрессоров (Рис. 3). При сравнении рабочего режима установки с R22, с температурой испарения -35 ^oC (SST) и температурой конденсации -10 ^oC (SCT) для CO₂ это соответствует"+30 ^oC / +64 ^oC". Такие рабочие условия в реальных установках встречаются весьма не часто. Несмотря на низкую плотность паров CO₂ по сравнении с галогенсодержащими хладагентами (Fig. 4) такие термо-физические свойства выражаются в более высокой механической нагрузке на привод компрессора, а следовательно, в необходимости определённого роста требуемого приводного момента. 

Более того, при проектировании оборудования следует рассматривать даже ещё более экстремальные условия нагружения.

Другой критический фактор связан со смазкой компрессора. При довольно высоком давлении всасывания некоторые холодильные масла растворяют в себе значительный процент CO₂. В результате чего, кинематическая вязкость образовавшейся смеси значительно снижена.

Рис. 3 CO₂/R22 - Сравнение значений давлений испарения и конденсации в пределах стандартной области функционирования

Рис. 4 CO₂/R22 - Сравнение значений плотности паров в пределах стандартных диапазонов давлений всасывания

При применении полугерметичных компрессоров следует также учитывать совместимость материала изоляции обмоток и смеси масла с CO₂. Охлаждение электромотора - это другой важный аспект. На сегодня он является особенно спорным и вызывающим много сомнений из-за того, что от мотора с небольшими размерами требуется высокий приводной момент.

С учётом особых свойств CO₂, указанных выше становится ясно, что стандартные полугерметичные компрессоры могут использоваться только в очень ограниченной области применения. Последние достижения фирмы Битцер в этом направлении показывают, что при комбинировании различных компонентов одного семейства компрессоров, а также при соответствующей модификации конструкции и применении подходящего масла все категорические требования могут быть выполнены.

4. Особенности конструкции полугерметичных компрессоров для СО₂

4.1 Нагрузки и давления

Современные полугерметичные компрессоры проектируются с пятикратным запасом прочности по внутреннему давлению, и это должно подтверждаться при проведении регулярных проверок. Даже с учётом наличия внутреннего предохранительного клапана давления, аналогичного внешним предохранительным клапанам, а также с учётом индивидуальных испытаний согласно соответствующим предписаниям ЕС обычные границы применения (HP -высокое давление 28 бар/ LP -низкое давление 19 бар) могут быть приподняты ещё выше. При необходимости, рекомендуется применять прокладки с металлическим усилением или поддерживающие элементы в уплотнениях. Применение чугуна со сферической графитной структурой вместо серого чугуна для литья корпусных деталей позволяет повысить их механическую прочность при той же толщине стенок.

4.2 Механическая нагрузка и необходимый приводной момент

Сравнивая максимальные рабочие условия компрессоров по диаграмме на Рис.3, мы видим, что давления испарения и конденсации CO₂ превышают примерно на 60 % и 20 % соответственно нормальные максимальные значения рабочих давлений для R22.Самый простой путь приспособления компрессора для работы на CO₂ - это комбинирование в одном типовом корпусе определённой серии компрессоров самой малой объёмной производительности с самой большой мощностью мотора. Для поршневого компрессора это означает использование самого малого диаметра поршней, что приведёт в результате к снижению нагрузки на подшипники и уменьшению изгибающего усилия на каленвал. Это также относится и для подшипников пальцев шатунов, которые также воспринимают значительные нагрузки. В малых поршневых компрессорах пальцы, как правило, скользят непосредственно в соединяемых деталях, но с учётом специфических нагрузок при работе на CO₂ необходимо на пальцы устанавливать дополнительные подшипники скольжения.

В связи с более высоким секундным массовым расходом конструкция клапанов компрессора также должна быть модифицирована.

В случае применения винтовых компрессоров возможно применение коротких роторов, а также, в зависимости от объёмной производительности, больших подшипников. Потому что в каскадных системах при обычных условиях функционирования на низких соотношениях рабочих давлений реализация данной концепции не приводит к снижению эффективности (к.п.д.).

Рис. 5 Разрез полугерметичного поршневого компрессора

Рис. 6 Разрез полугерметичного винтового компрессора (без маслоотделителя)

С целью предохранить компрессор от чрезмерных механических нагрузок на самых тяжёлых режимах, а также мотор от перегрузок на линию всасывания, непосредственно на входе в компрессор, устанавливают регулятор давления в картере. Его настраивают таким образом, чтобы после пуска компрессора давление всасывания стабилизировалось ниже допустимого максимума.

4.3 Охлаждение мотора

Ввиду высокой удельной нагрузки на мотор в сочетании с его малым объёмом, воздушное охлаждение во многих случаях оказывается неудовлетворительным из-за недостаточной площади наружной поверхности моторной части корпуса компрессора. Выбор только такого способа охлаждения потребовал бы разработки специальной конструкции компрессора для CO₂ и, тем самым, существенно снизил бы преимущество от использования стандартных узлов, производимых серийно.

Широко используемое в полугерметичных компрессорах охлаждение всасываемым газом сулит в этом отношении большие выгоды. Но при низкотемпературном охлаждении, а также при использовании хладагентов, имеющих низкую удельную энтальпию паров такой способ охлаждения также неэффективен, так как при этом появляется дополнительный перегрев газа при протекании через мотор, в результате чего изменяется удельный объём (плотность) газа и снижается его секундный массовый расход.

При более подробном рассмотрении этого вопроса обнаруживается, что потери от охлаждения всасываемым газом довольно низкие в допустимой области функционирования. Причинами тому являются высокий массовый расход CO₂ и низкий перегрев газа на всасывании при использовании затопленных испарителей. Это обеспечивает особенно интенсивное охлаждение мотора и гарантирует низкую температуру обмоток, что определяет минимальные тепловые потери и высокую эффективность мотора.

Рис. 7 Диаграмма изменения величины массового расхода CO₂ (%) в зависимости от значения перегрева всасываемого газа в моторе (SH, К) при различных температурах испарения (SST, ^оС)

Каждая из обмоток мотора оснащается соединёнными с электронным защитным устройством PTC-датчиками температуры, обеспечивающими надёжную защиту от перегрузок. При наличии достаточного охлаждения мотор может работать при очень высоких нагрузках длительное время.

4.4 Смазка

Довольно высокие механические нагрузки и высокая растворимость газа в применяемых холодильных маслах определяют особые требования к вязкостным и трибологическим свойствам масла для CO₂, а также к конструкции полугерметичного компрессора. В то же время, для надёжного возврата масла из системы масла должны иметь хорошую смешиваемость с CO₂ даже при температурах - 50 ^oC и ниже.

Полиалкилен-гликолевые (PAG) масла показывают желаемую низкую растворимость в себе CO₂ в картере компрессора, а также в маслоотделителе, обеспечивая при этом необходимую толщину слоя смазки с благоприятными вязкостными характеристиками. С другой стороны в результате неудовлетворительной смешиваемости с CO₂ наблюдаются известные трудности с циркуляцией масла по системе. Кроме того, очень высокая гигроскопичность PAG-масел может привести к резкому снижению их диэлектрических свойств, а также к повышению потенциала их химической активности. Таким образом, применение этих масел в полугерметичных компрессорах на CO₂ не рекомендуется.

В настоящее время, разносторонние научные исследования, а также практический опыт, показали, что специально модифицированные полиэфирные масла (Polar-POE) являются вполне пригодными для использования в компрессорах специального исполнения, функционирующих в каскадных холодильных машинах на СО₂. Эти масла обладают высоким индексом вязкости, хорошими смазочными характеристиками, приемлемой растворимостью в себе CO₂, а также, в отличие от PAG-масел и неполярных минеральных масел, хорошо смешиваются с CO₂ /2/. Однако, с учётом их гигроскопичности необходимо применять очень большой и мелкоячеистый ("молекулярное сито") фильтр-осушитель.

Несмотря на то, что полученные результаты исследований в целом пока вполне удовлетворительные, анализ состояния роликовых подшипников качения и подшипников скольжения показывает довольно часто встречающееся забивание поверхностей трения при удовлетворительной вязкости смеси масла и CO₂. Одной из основных причин этого является образование значительной доли газовой фазы в смеси при испарении углекислоты в случаях резкого падения давления и тепловыделения. Из всего сказанного следует, что необходимы дальнейшие шаги, как в поисках пригодных масел, так и в разработках конструкций полугерметичных компрессоров для СО₂.

Рис. 8 Растворимость CO₂ в POE-маслах и получаемая кинематическая вязкость смеси(по материалам DEA)

Рис. 9 Границы смешиваемости CO₂ с POE-маслами и PAG-маслом при докритических температурных условиях (по материалам DEA)

Помимо свойств холодильных масел, существенным фактором является высокое давление всасывания, которое также налагает особые требования к конструкции полугерметичного компрессора.

С учётом этого, в поршневых компрессорах Битцер для CO₂ (см. рис. 5) используются подшипники, рассчитанные на высокую нагрузку и с улучшенной формулой материала поверхности трения. Более того, система смазки проектируется таким образом, чтобы она гарантировала особенно быструю подачу масла после пуска холодильного компрессора и не допускала высокой концентрации газа в масле, подаваемом в подшипники.

В дополнение к уже упомянутым значительно увеличенным подшипникам винтовые компрессоры Битцер для CO₂ (см. рис. 6) оснащаются особенно эффективной запатентованной системой внутренней циркуляции масла. Согласно этому конструктивному решению насыщение поступающего в подшипники масла газами, истекающими из профилей винтов, эффективно предотвращается с помощью манжетных уплотнений. Давление в корпусе подшипниковой камеры со стороны нагнетания снижается за счёт этого практически до величины давления всасывания, что обеспечивает минимальное содержание CO₂, растворённого в масле, и поддерживает тем самым максимально возможную его вязкость. Важным дополнительным эффектом функционирования этой системы является значительное снижение реальной нагрузки на подшипники.

5. Характеристики производительности

При применении углекислоты в каскадных холодильных установках особенно высокая удельная холодопроизводительность CO₂, зависимость которой от изменения температур испарения представляет собой очень пологую кривую, позволяет использовать небольшие компрессоры для коммерческого и малого промышленного применения, даже в установках с высоким уровнем холодопроизводительности. 

На диаграмме (Рис.10) показано сравнение характеристик производительности винтового компрессора с объёмной производительностью 220 м 3/ч на хладагентах CO₂, R22 и NH3 при температурах всасывания (SST) от -35 до -50 ^oC и температуре конденсации (SCT) -10 ^oC. Данные по CO₂ и R22 были получены на полугерметичном холодильном компрессоре, данные с NH3 - на холодильном компрессоре открытого типа. Значительное различие значений объёмной производительности является очевидным, при этом кривая CO₂ значительно более пологая вдоль всего диапазона температур испарения (Рис. 11). 

Массовый расход CO₂ (Рис.12), при равной объёмной производительности также намного выше чем у R22, несмотря на то, что концентрация паров CO₂ при идентичном R22 уровне давлений составляет около 60% (Рис.4). 

При применении в каскадных холодильных установках причиной этих различий является уровень давлений CO₂, который в описанном диапазоне температур испарения примерно в 7…10 раз выше, чем у других хладагентов. Как было уже указано выше, это свойство очень хорошо вписывается в конструктивный принцип охлаждения компрессора всасываемым газом.

Рис. 10 Характеристики производительности винтового компрессора "Битцер" с объёмной производительностью 220 м³/ч

Рис. 11 Относительное изменение холодопроизводительности по сравнению со значением при температуре испарения (SST) - 35 ^oC и температуре конденсации (SCT) -10 ^oC

Рис. 12 Сравнение массовых расходов различных хладагентов (кг/ч) при различных температурах испарения (SST) (данные получены на винтовом компрессоре "Битцер" с объёмной производительностью 220 м³/ч)

6. Заключение

Результаты исследований показали, что перспективы дальнейших разработок в области применения полугерметичных поршневых и винтовых компрессоров в каскадных холодильных системах на CO₂ очень благоприятные, особенно с учётом того, что эти исследования базируются на уже апробированных стандартных агрегатах Битцер.

Современная базовая конструкция компрессоров с дополнительными средствами предохранения вполне допускает функционирование при более высоких значениях допустимого рабочего давления. Более того, с оптимальной адаптацией компонентов внутри одного модельного ряда компрессоров специальные для CO₂ требования по механической нагрузке, мощности и охлаждения мотора могут быть выполнены.

Специально приспособленные полиэфирные (POE) масла обеспечивают удовлетворительную циркуляцию и возврат из системы, являются уже достаточно испытанными и вполне пригодными для смазки компрессоров. Однако требуются дополнительные исследования для более надёжного приспособления этих масел для работы с CO₂.

Благодаря высокой объёмной холодопроизводительности, а также довольно ровной характеристике производительности CO₂ реализуются очень компактные и малозатратные схемные и конструктивные решения каскадных холодильных установок, которые определяют перспективы будущего широкого и экономичного применения CO₂ в низкотемпературных каскадных холодильных системах.

Экспериментальные исследования каскадных холодильных систем на CO₂ проводятся при уровне давлений, который находится в допустимом современным опытом диапазоне, и в связи с этим риск аварий остаётся сравнительно низким. Однако перед широким распространением каскадных холодильных систем на CO₂ необходимо провести долговременные испытания опытных образцов с целью накопить достаточный опыт по эксплуатации полугерметичных компрессоров и других системных компонентов.

Рис. 13 Двухкаскадная холодильно-морозильная установка с поршневыми компрессорами Битцер. Первый каскад на R290 (пропан), второй - на R744 (СО₂)

Источники
/1/ Pearson, F., 1983, Refrigeration Systems Using Low Pressure Receivers, IoR Paper (UK)
/2/ Fahl, J., 1997, Lubricants for CO2 - DKV Conference (Germany)

Автор статьи: Herman Renz, "Bitzer Kuelmashinenbau GmbH", Germany. Господин Герман Ренц является руководителем научно-исследовательского отделения компании Битцер.