Холод на CO₂: от инженерных вызовов к передовым решениям

Тема глобального потепления из теоретической превращается в реальность. Если десять лет назад климатические изменения казались многим из нас далекой перспективой, то сегодня даже просто посмотрев в окно мы понимаем, что климат меняется.

Согласно последним исследованиям калифорнийской некоммерческой организации, в 2024 году на 24% поверхности Земли наблюдалась рекордно теплая погода в среднем за год, включая 32% суши и 21% океанов. Всплеск потепления, наблюдаBODYвшийся в последнее время, был экстремальным. Отклонение от предыдущих значений тенденции потепления значительно большее, чем ожидалось ранее. Пороговое значение ежегодного роста температуры в 1,5 °C больше нельзя избежать. Поэтому, чтобы замедлить стремительный рост глобальной средней температуры и потенциальных серьезных негативных последствий, меры по сокращению выбросов парниковых газов только усилятся.

Рисунок 1. График изменения средней глобальной температуры с 1850-2024 год.
Источник: Global Temperature Report for 2023 of Berkeley Earth.

Поддерживая мировые экологические тенденции, компания DORIN начиная с 1991 года производит компрессоры для работы на природных хладагентах. Вместо того чтобы адаптировать компрессор на основе фреонов для работы с углекислым газом, компания DORIN инвестировала значительные ресурсы и разработала с нуля совершенно новую конструкцию специально для работы с диоксидом углерода.

Почему для транскритических компрессоров DORIN выбирал новую платформу?

Если мы посмотрим рисунок с границами применения компрессоров, работающих на R404a (показан на рисунке ниже зеленым), R410a (показан красным), R744a субкритический (показан фиолетовым), то разница будет очевидна.

Рисунок 2. Границы применения компрессоров на R404a, R410a, R744a (субкритика), R744a (транскритика) в координатах давления (бар)

Транскритический режим работы с использованием углекислоты (CO₂) предъявляет особые требования к конструкции компрессоров. В отличие от субкритических процессов, здесь компрессоры должны функционировать в условиях значительно более высоких уровней давления и температуры нагнетания, а также преодолевать существенно большие перепады давления на стадии сжатия. Эти факторы изменяют динамику работы как отдельных элементов компрессора, так и всей системы в целом, что делает невозможным использование традиционных подходов в компрессоростроении.

Повышенные нагрузки на основные движущиеся узлы компрессора, такие как шатунно-поршневой механизм, втулки (подшипники), а также контактные поверхности требуют применения материалов с повышенными характеристиками прочности и износостойкости. Кроме того, трение при больших нагрузках приводит к значительным тепловыделениям и, следовательно, ускоренному износу деталей, что усложняет задачи обеспечения долговечности и надежности оборудования.

Растворимость масел в углекислоте в транскритическом режиме выше. Это приводит к изменению смазывающих свойств масел. Что, в свою очередь, вызывает необходимость пересмотра подходов к выбору соответствующих смазочных материалов, так как слишком высокая растворимость приводит к "вымыванию" масла из области трения и снижению эффективности смазки. Низкий уровень смазки может способствовать возникновению сухого трения, повышению износа механических элементов, увеличению работы на нагрев и снижению общего ресурса компрессора.

Внешний нагнетательный коллектор

Ответом на эти вызовы стала разработка принципиально новой платформы компрессоров. Одним из ключевых прорывов стало внедрение внешнего нагнетательного коллектора, конструкция которого принципиально похожа на конструкцию выпускных коллекторов двигателей внутреннего сгорания.

Рисунок 3. Конструкция транскритического СО2 компрессора с внешним нагнетательным коллектором

Такое решение имеет несколько преимуществ:

• Эффективная работа даже при высоких температурах. Коллектор рассчитан на температуры нагнетания до 160 °C.
• Снижение температуры в картере, улучшенная смазка. Четкое разделение «горячей» (нагнетательной) и «холодной» (всасывающей) сторон обеспечивает хорошую теплоизоляцию. Масло в картере омывает только холодный всасывающий коллектор, что позволяет поддерживать его температуру на уровне около +50 °C (при t кипения -10 °C и окружающей среды +32 °C). Для сравнения: в компрессорах традиционной конструкции в этих же условиях температура масла может достигать +70 °C, что ускоряет его деградацию.
• Снижение шума и вибрации: коллектор работает как эффективный демпфер, сглаживая пульсации давления, что обеспечивает более тихую работу всей системы.

Результатом становится не только эффективность, но и значительное увеличение ресурса работы компрессора и всей системы в целом, что снижает, в том числе и эксплуатационные расходы.

Реализованный проект: успешный альянс DORIN и ИНГЕНИУМ на Сахалине

Компания ИНГЕНИУМ поставила холодильную систему для оптово-распределительного центра в агропромышленном парке г. Южно-Сахалинска. Агропромышленный парк станет ключевым звеном в переработке и хранении сельскохозяйственной продукции, что позволит повысить продовольственную независимость региона и обеспечить жителей Сахалина свежими местными продуктами.

Складской комплекс включает 4500 м2 охлаждаемых помещений. Температурный режим для среднетемпературных помещений 0..+5°С, для низкотемпературных помещений -18..-24°С, камеры шоковой заморозки будут эксплуатироваться при температуре -37°С.

Заказчик рассматривал холодильную систему только на натуральном хладагенте. В качестве решения инженерами ИНГЕНИУМ был выбран диоксид углерода, который отличается высокой энергоэффективностью и экологической безопасностью.

Холод обеспечивают четыре холодильные централи на базе компрессоров DORIN моделей CDS901B, CD4501H, CD5201M, CD4501H.

Суммарная холодопроизводительность всех четырёх централей составляет 1,1 МВт. Системы холодоснабжения работают в транскритическом и субкритическом цикле в зависимости от температуры окружающего воздуха.

В составе системы холодоснабжения предусмотрена рекуперация тепла для систем оттайки воздухоохладителей и системы защиты грунта от промерзания, что снижает энергозатраты и делает объект более устойчивым к сезонным нагрузкам.

Диоксид углерода (R744) продолжает подтверждать свой статус хладагента будущего — не только благодаря нулевому потенциалу разрушения озонового слоя (ODP = 0) и минимальному потенциалу глобального потепления (GWP = 1), но и благодаря своим термодинамическим свойствам. CO₂ идеальный выбор для современных энергоэффективных систем холодоснабжения — от промышленных чиллеров и систем центрального кондиционирования до коммерческого холода и тепловых насосов.

Выбор в пользу СО₂ сегодня — это уже не просто про экологию, а про современный подход к жизни, инженерно-техническим решениям, инвестициям. Будущее холодоснабжения уже наступило, и оно работает на углекислом газе.

Эта статья вышла в отраслевом издании «Холодильная индустрия». С полным выпуском можно ознакомиться по ссылке.