История СО2 как хладагента

Array
(
    [PREVIEW] => Array
        (
            [SRC] => /upload/iblock/8e7/5yr4kt7qp1pubibdm0yw3b7j202fbqso.jpg
            [WIDTH] => 800
            [HEIGHT] => 600
        )

    [DETAIL] => Array
        (
            [SRC] => /upload/iblock/8e7/5yr4kt7qp1pubibdm0yw3b7j202fbqso.jpg
            [WIDTH] => 800
            [HEIGHT] => 600
        )

)

С момента изобретения парокомпрессионного цикла Эвансом и Перкинсом (Evans and Perkins) в 1834 году диоксид углерода (R744) был отличным кандидатом на роль хладагента. Задокументированные исследования утверждают, что Александр Твининг (Alexander Twining) был первым, кто предложил СО2-охлаждение с использованием системы сжатия пара в своем британском патенте 1850 года.

Тем не менее, Тадеуш Лоу (Thaddeus Lowe, на фото) был первым, кто реально построил холодильную установку, работающую на R744, в 1866 году. Лоу обнаружил потенциал углекислоты при ее использовании в военных воздушных шарах. Благодаря своим исследованиям он изобрел машину для производства льда на СО2 и получил британский патент № 952. Впоследствии Тадеуш Лоу открыл несколько фабрик по производству льда и стал миллионером.

Карл Линде (Carl Linde) последовал его примеру и построил улучшенный холодильник, работающий на R744, в 1881 году, сразу после того, как Виндхаузен (Windhausen) построил первый компрессор R744 в 1880 году.

В 1884 году Райдт (Raydt) построил холодильную систему R744 для производства льда с использованием механизма сжатия пара, в то же время Харрисон (Harrison) был первым человеком, создавшим устройство для производства R744 исключительно для использования в холодильных установках.

Британская компания J and E Hall построила первый морской холодильник на R744 в 1890 году, используя компрессоры конструкции Windhausen. А промышленное производство подобных холодильных машин было начато в 1897 году, в основном компанией Kroeschell Bros. Ice Making.

Благодаря своим аспектам безопасности по сравнению с другими хладагентами в конце 18 – начале 19 века количество холодильных установок на СО2 увеличилось, особенно в морском секторе. В то же время технология совершенствовалась.

Например, в 1889 году в компании J and E Hall создали двухступенчатый компрессор R744, который был более эффективным, а в 1905 году Вурхис (Voorhees) создал испарительную камеру, очень похожую на сепаратор жидкость-пар.

4 – 7% раствор хлорида кальция использовался в большинстве холодильных установок в качестве теплоносителя. Солевой раствор охлаждали примерно до –10 ºC (температура кипения –15 ºC).

Первоначально в испарителях и конденсаторах использовались оцинкованные стальные трубы диаметром 32 мм для небольших холодильников и диаметром 51 мм для больших холодильных систем. До того как в 1902 году была внедрена технология "труба в трубе" (двойная труба), использовались погружные и змеевиковые теплообменники.

Кожухотрубный тип теплообменных аппаратов был изобретен в начале 1930-х годов, а технология оребрения — в 1920-х годах. Медь также заменила стальные трубы в течение этого десятилетия, при этом диаметр труб был уменьшен до 13 мм из-за увеличения теплопередачи за счет оребрения и лучших материалов. Примерно в это же время было начато использование вентиляторов с циркуляцией воздуха для улучшения охлаждения, особенно в холодильных камерах. R744 в начале 19 века стоил около 9 центов за кг, но в конце 1920-х годов цена выросла до 12 центов за кг.

С изобретением компрессоров сначала использовались вертикальные цилиндрические компрессоры мощностью до 42 кВт (325 об/мин), но позже они были заменены горизонтальными компрессорами мощностью до 176 кВт (120 об/мин). Обе эти конструкции были аналогичны конструкции паровой машины. Для оборудования на СО2 требовались детали клапаны, фитинги, компрессоры и теплообменники, пригодные для использования в условиях высокого давления. К 1916 году мощность холодильных систем на углекислоте увеличилась до 704 кВт. 

Использование кондиционеров на R744 началось в 1900-х годах. Из-за токсичности и/или воспламеняемости NH3 и SO2 популярность диоксида углерода как хладагента возросла, особенно в пищевой промышленности и в сферах, обеспечивающих комфорт человека, например, в жилых домах. в театрах, барах, больницах, кораблях и отелях. 

В 1900 году только 25% всех судов использовали R744 в качестве хладагента, но к 1930-м годам эта доля увеличилась до 80%.

Хотя на кораблях использовалась старая технология, оборудование на R744 работало успешно, хотя и не очень эффективно, особенно потому, что они использовали конвекционный докритический холодильный цикл. Кроме того, были проблемы с уплотнением и потерей производительности, связанные с высоким давлением СО2. Эти недостатки стимулировали поиск безопасных и эффективных (особенно при высоких температурах нагнетания в теплом климате) хладагентов, который завершился открытием хлорфторуглеродов (ХФУ) в 1930-х годах.

Изобретение фреонов в сочетании с отсутствием технологических усовершенствований в холодильной промышленности привело к сокращению использования диоксида углерода. Последняя крупная холодильная система на R744 была установлена в 1935 году в штаб-квартире Commonwealth Edison Company. 15 лет спустя система была заменена фреоновым оборудованием.

ХФУ-хладагенты устранили проблемы, возникающие при использовании R744, такие как необходимость герметизации под высоким давлением, потери производительности и эффективности, высокая стоимость компонентов. В конце концов, к 1950-м годам использование хладагента R744 было полностью прекращено.

Однако, после обнаружения негативного влияния синтетических хладагентов на озоновый слой Земли в конце 1980-х интерес к R744 возродился. Пионером возрождения холодильного оборудования на R744 стал профессор Норвежского университета науки и техники Густав Лоренцен (Gustav Lorentzen). Лоренцен заново открыл, как CO2 можно использовать в качестве хладагента в системах отопления и охлаждения.  В 1988-1991 годах он разработал современный термодинамический транскритический цикл.  В 1988 году Лоренцен разработал концепцию нового, но простого и эффективного способа регулирования систем на R744. Эта идея стала поворотным моментом в повторном изобретении технологии охлаждения на CO2.

По материалам: researchgate.net