ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ХОЛОДИЛЬНЫХ КОМПРЕССОРОВ, РАБОТАЮЩИХ НА СО2

В последние годы мировым сообществом принят ряд документов по ограничению и сведению к нулю применения в народном хозяйстве хлорбромфторуглеродов, оказывающих разрушающее воздействие на озоновый слой Земли. В соответствии с этими документами идут большие работы по замене в холодильной технике широко применявшихся фрео-нов, содержащих хлор и бром, альтернативными хладагентами, не разрушающими озоновый слой. При этом существует два направления решения этой проблемы: применение в качестве альтернативных хладагентов гидрофторуглеродов и их смесей и применение натуральных хладагентов. Гидрофторуглероды и их смеси характеризуются высоким потенциалом парникового эффекта, поэтому их применение проблематично в холодильных установках со значительной нормой годовой утечки хладагента в атмосферу. Большинство же натуральных хладагентов характеризуются повышенной горючестью и взрывоопасностью (углеводороды и аммиак), а в некоторых случаях и высокой токсичностью (аммиак), что ограничивает их применение в холодильных установках, обслуживающих торговые залы, транспорт и др. объекты сферы обслуживания населения. Среди натуральных хладагентов, пригодных для работы в холодильных машинах самого различного назначения, выделяется двуокись углерода СО2, которая имеет низкий парниковый потенциал, негорюча, невзрывоопасна, нетоксична, а также характеризуется доступностью и низкой себестоимостью. В связи с этим в последнее время она привлекает внимание большого числа исследователей в качестве весьма перспективного альтернативного хладагента.

Однако широкое внедрение СО2 в холодильную технику в качестве альтернативного хладагента сдерживается из-за его специфических свойств - низкой критической температуры и высокого давления, соответствующего стандартной температуре окружающей среды. Вытекающие из этих свойств СО2 малая удельная холодопроизводительность в подкритической области, необходимость применения газоохладителей с переменной температурой охлаждаемого газа в надкритической области, необходимость повышения прочности элементов компрессора, теплообменников и др. элементов холодильной системы существенно снижают конкурентоспособность холодильных машин, работающих на СО2, по сравнению с другими холодильными машинами по таким показателям, как энергетическая эффективность, масса, сложность и себестоимость разработки и изготовления.

Но более всесторонний анализ применимости СО2 в холодильной технике с учетом таких положительных качеств углекислого газа как его высокая плотность и, соответственно, объемная холодопроизводительность, высокие показатели теплоемкости и тепломассопереноса, его широкая доступность и низкая себестоимость, показывает его перспективность. Если при этом иметь в виду возможности повышения энергетической эффективности СО2 - холодильной машины за счет эффективного использования тепла, отводимого в газовом теплообменнике при переменной температуре, применения высокоэффективных регенеративных теплообменников и расширительных машин (детандеров), а также уменьшение рабочего объема компрессора и проходных сечений теплообменных аппаратов трубопроводов, то перспективность применения СО2 становится очевидной.

Конечно при этом следует стремиться применять СО2 в таких областях холодильной техники, где его термодинамические недостатки наименее ощутимы, либо где его экологические достоинства имеют особое значение: в двухступенчатых холодильных машинах, в каскадных установках (в низкотемпературной ветви каскада), в супермаркетах и спортзалах со значительным удалением машинного отделения (когда хладагент одновременно выполняет и роль теплоносителя), в тепловых насосах и установках кондиционирования воздуха, в транспортных установках охлаждения и кондиционирования, где годовая норма утечки хладагента в атмосферу может достигать 20% от массы заправки и пр.

Для решения этой задачи необходимо создание специальных холодильных машин различного назначения и типоразмеров с разработкой их элементов и узлов. Особенно сложной и ответственной представляется задача проектирования и изготовления компрессоров, предназначенных для работы на СО2 в различных условиях и режимах эксплуатации холодильной машины.

Основные трудности создания СО2-компрессора заключаются в необходимости разработки и изготовления прочного механизма движения, коленчатого вала, а также усиленного корпуса компрессора, рассчитанного на высокое давление в процессе эксплуатации. При этом необходимо создать высокоэффективное уплотнение рабочего объема компрессора, а также разгрузить и обеспечить работоспособность, надежность и долговечность всех сопряжении механизма движения компрессора» Эта задача является весьма непростой, если учесть значительные перепады рабочих давлений, действующие на поршень, и ограниченные объемы размещения элементов механизма движения компрессора.

На кафедре компрессоров и пневмоагрегатов Одесской Государственной академии холода уделяется значительное внимание изучению и анализу современного мирового опыта по разработке и исследованиям холодильных компрессоров, работающих на СО2. По результатам обобщения этих данных нами разрабатываются рекомендации по созданию отечественных СО2-компрессоров на базе ранее разработанных и освоенных промышленностью компрессоров, работающих на кислороде и воздухе.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004