Природные хладагенты

Испаритель для CO₂ (R744):
транскритический цикл, высокое давление

Кожухотрубные испарители для CO₂: транскритический и субкритический циклы, рабочее давление до 120 бар, требования к конструкции, применение в торговле и промышленности.

📅 Март 2026 ⏱ 14 мин чтения 📚 Для холодильных инженеров

Содержание

CO₂ как хладагент Транскритический цикл Рабочие давления Требования к конструкции Типы испарителей ИУ Применение Каскадные схемы Типоразмеры FAQ

CO₂ (R744) как хладагент

Углекислый газ CO₂ (R744) — природный хладагент с уникальными экологическими характеристиками: ODP = 0 (не разрушает озоновый слой), GWP = 1 (базовое значение, по которому оцениваются все остальные хладагенты). Нетоксичен, негорюч, доступен и дёшев. Основной недостаток — исключительно высокое рабочее давление.

—

GWP (базовое значение)

—

ODP (озоновый потенциал)

31,1

°C

Критическая температура

73,8

бар

Критическое давление

276

кДж/кг

Теплота испарения при 0°C

-56,6

°C

Тройная точка (мин. T кипения)

⚠ Особенность: давление насыщения CO₂ при 20°C

Если система CO₂ нагревается до комнатной температуры (без работающей холодильной машины), давление в испарителе достигает 57 бар. При +30°C — 72 бар (близко к критическому). Все компоненты системы (испаритель, трубопроводы, клапаны) должны выдерживать это давление даже в нерабочем состоянии. Предохранительные клапаны обязательны.

57 бар

Давление насыщения при 20°C

35 бар

P кипения при -5°C

120 бар

Макс. P в транскрит. цикле

5×

Выше давление vs R410A

Транскритический цикл CO₂

Критическая точка CO₂ — всего 31,1°C при 73,8 бар. При температуре окружающей среды выше 25–28°C нормальный конденсационный цикл невозможен: CO₂ не переходит в жидкость при разумных давлениях. Это приводит к необходимости работы в транскритическом режиме.

Схема транскритического цикла CO₂

Испаритель

25–40 бар
-5...-30°C

→

Компрессор

80–120 бар
нагнетание

→

Газоохладитель

80–120 бар
охлаждение

→

РВД

расширит. вентиль

→

Испаритель

25–40 бар

■ Высокая сторона: 80–120 бар, CO₂ — сверхкритический флюид ■ Низкая сторона: 25–40 бар, кипение CO₂ в испарителе

Субкритический цикл (каскад)

Если CO₂ работает на низкотемпературной ступени каскадной системы, температура конденсации CO₂ поддерживается ниже 31°C (обычно -5...-10°C). Это возможно благодаря испарению хладагента высокотемпературной ступени (NH₃ или HFC). Давление конденсации CO₂ при -5°C — 35 бар. Система остаётся в субкритическом режиме, что значительно проще.

Рабочие давления CO₂-систем

Температура	Давление насыщения, бар	Состояние	Применение
-40°C	10,1	Кипение НТ-ступени	Глубокое замораживание
-30°C	16,0	Кипение НТ-ступени	Морозильные камеры
-10°C	26,5	Кипение	Среднетемпературная холодильная
-5°C	34,5	Кипение или конденсация (каскад)	Конденсация в CO₂/NH₃ каскаде
+20°C	57,3	Конденсация (субкрит.)	Предел субкритического цикла
+31,1°C	73,8	Критическая точка	Граница субкрит./транскрит.
Транскрит. цикл	80–120	Сверхкритический флюид	Газоохладитель при Т_ок > 30°C

Требования к конструкции испарителя CO₂

Высокое рабочее давление CO₂ предъявляет принципиально иные требования к конструкции по сравнению с обычными хладагентами.

Толщина стенок

Для R410A (расчётное P = 32 бар) толщина стенки трубки: 0,9–1,2 мм. Для CO₂ при расчётном давлении 80–120 бар толщина стенки стальной трубки из 09Г2С диаметром 20 мм составляет 3–5 мм — в 3–4 раза больше. Толщина стенки кожуха при диаметре 400 мм и P = 80 бар: 18–25 мм.

Конструктивные требования для испарителей CO₂

Трубки: стальные бесшовные 09Г2С, диаметр 14–25 мм, толщина стенки 3–5 мм (vs 1–2 мм для обычных хладагентов)
Кожух: сталь 09Г2С, толщина стенки 16–30 мм в зависимости от диаметра и давления
Трубные решётки: толщина 40–60 мм, материал 09Г2С или нерж. 316L
Фланцевые соединения: PN 100–200 (vs PN 16–40 для обычных хладагентов)
100% НК сварных швов: УЗК + РГК кольцевых швов; МПК или ВИК — все швы
Гидравлическое испытание: 1,5 × P_расч (например, 1,5 × 80 = 120 бар)

Предпочтительная конструкция: U-образные трубки (ИУ)

Тип ИУ (U-образные трубки) наиболее подходит для CO₂:

Преимущества ИУ для CO₂

Одна трубная решётка — меньше высоконапорных соединений (каждый фланец при 100 бар — потенциальная утечка)
U-изгиб трубок компенсирует тепловое расширение без плавающей головки (нет уплотнений под высоким давлением)
Компактность: меньшая длина аппарата при той же площади теплообмена
Упрощённое гидравлическое испытание: оба конца труб выходят в одну плеть

Применение CO₂-испарителей

Отрасль	Тип установки	T_кип, °C	Цикл	Преимущество CO₂
Торговля (ритейл)	Централизованная система супермаркета	-8...-35	Транскрит. или каскад	GWP=1, единая система НТ и СТ
Транспорт	Рефрижераторные прицепы	-20...-25	Транскрит.	GWP=1, безопасность при утечке
Промышленность	CO₂/NH₃ каскад	-35...-50	Субкритический	CO₂ в зоне продукта, NH₃ — в машзале
ГВС / тепловые насосы	CO₂ тепловой насос	+10...+20	Транскрит.	COP до 4,5, нагрев воды до 80°C
Пищевая промышленность	Быстрое замораживание	-40...-45	Каскад	Естественный хладагент, нет ограничений ф-газов

Каскадные схемы: CO₂ + NH₃

Каскадная система CO₂/NH₃ — одна из наиболее эффективных схем для промышленного холода с температурами ниже -30°C при высоких требованиях к безопасности.

Принцип каскадной системы CO₂/NH₃

Низкотемпературная ступень (CO₂): испарение при -35...-50°C (P = 10–16 бар), конденсация при -5...-10°C (P = 35 бар) в каскадном теплообменнике
Высокотемпературная ступень (NH₃): испарение при -10...-5°C (поглощение тепла CO₂-конденсатора), конденсация при +30...+35°C (P = 11–14 бар)
Каскадный теплообменник: специальный испаритель, где CO₂ конденсируется с одной стороны, NH₃ испаряется с другой
Безопасность: NH₃ (токсичный) только в машинном зале; CO₂ (безопасный) в зоне хранения продукта

Преимущества и недостатки CO₂/NH₃ каскада

+ GWP системы близок к 0 (NH₃ GWP=0, CO₂ GWP=1)
+ CO₂ работает в субкритическом режиме (P < 40 бар) — проще конструкция
+ Безопасность: NH₃ изолирован в машинном зале
+ Высокий COP системы — NH₃ на высокой ступени эффективен
− Два контура хладагента — сложнее система управления
− Дополнительный каскадный теплообменник — доп. инвестиции
− Оба хладагента требуют специалистов (аттестация по NH₃)

Типоразмеры испарителей ИУ для CO₂

Тип / серия	Диаметр, мм	P_расч, бар	F, м²	Q, кВт	Применение
ИУ-CO2-80	200–350	80	5–40	30–250	Торговые установки, субкрит. каскад
ИУ-CO2-120	300–600	120	20–150	100–1000	Промышленные системы, транскрит.
ИУ-CO2-200	400–800	200	50–300	300–2500	Испытания давлением, пиковые нагрузки
ИУ-CO2-кск	300–500	45 (CO₂) / 20 (NH₃)	15–80	80–600	Каскадный теплообменник CO₂/NH₃

📌 Важно при заказе CO₂-испарителя

Обязательно указывать: расчётное давление хладагентной стороны (80/120/200 бар), температурный диапазон (для выбора материала: 09Г2С при T до -60°C или 316L), тип цикла (субкритический или транскритический — влияет на конструкцию газоохладителя), наличие каскадного теплообменника.

Частые вопросы: испарители CO₂ (R744)

В транскритическом цикле температура на высокой стороне превышает критическую 31,1°C. Нет конденсации — вместо конденсатора используется газоохладитель, где CO₂ охлаждается как сверхкритический флюид при давлении 80–120 бар. Испаритель при этом работает в субкритическом режиме (25–40 бар) — как обычный испаритель.

CO₂ имеет критическую точку при 31,1°C и 73,8 бар. Давление кипения при -5°C — 35 бар, при -30°C — 16 бар. В транскритическом цикле высокая сторона достигает 80–120 бар. R410A для сравнения: кипение при -5°C — 9 бар, конденсация при 40°C — 24 бар. CO₂ требует специальной конструкции всего оборудования.

Сталь 09Г2С: хладостойкость до -60°C, расчётное давление до 120 бар при толщине стенки 4–6 мм. Нержавейка 316L: при коррозионных требованиях. U-образные трубки 09Г2С диаметром 14–25 мм, толщина стенки 3–5 мм. Все сварные швы — 100% неразрушающий контроль.

CO₂ работает на низкотемпературной ступени (кипение при -35...-50°C), NH₃ — на высокотемпературной (конденсация CO₂ = испарение NH₃ при -5...+5°C). CO₂ безопасен в зоне продукта, NH₃ изолирован в машинном зале. CO₂ работает в субкритическом режиме (P < 40 бар).

Централизованные системы супермаркетов (НТ и СТ витрины от одной установки), транспортные рефрижераторы, тепловые насосы CO₂ для ГВС (COP до 4,5, нагрев до 80°C), пищевая промышленность. Основное преимущество: GWP=1 — полная свобода от ограничений ф-газов.

ИУ предпочтителен: одна трубная решётка (меньше соединений под 100+ бар), U-изгиб компенсирует тепловое расширение без плавающей головки, проще НК-контроль. ИНВ (неподвижные решётки) при давлении выше 80 бар требует компенсатора теплового расширения и двух трубных решёток — конструктивно сложнее и дороже.

По ГОСТ Р 52857: s = P×d/(2×[σ]×φ + P). При P=12 МПа, d=20 мм, сталь 09Г2С [σ]=160 МПа: s = 12×20/(2×160+12) = 0,72 мм. С прибавками (коррозия, допуск): s = 1,5–2,0 мм расчётно, но на практике минимум 3 мм с учётом запаса прочности и производственных допусков.

Газоохладитель — аппарат, где сверхкритический CO₂ охлаждается водой или воздухом при давлении 80–120 бар. Нет фазового перехода — CO₂ остаётся газообразным (или сверхкритическим флюидом). COP транскритического цикла на 10–20% ниже субкритического при тех же условиях — это основной недостаток при высоких температурах наружного воздуха.

ПК настраивается на 105–110% P_расч. При P_расч = 80 бар: P_ПК = 84–88 бар. При P_расч = 120 бар: P_ПК = 126–132 бар. Сброс ПК — в безопасное место (не в атмосферу внутри помещения: CO₂ при 5% вызывает гибель). Для обнаружения утечки — датчики CO₂ > 0,5% об.

NH₃: выше COP, ниже давление (до 16 бар), дешевле в эксплуатации. Недостаток — токсичность, требования ОПО. CO₂ в каскаде с NH₃: безопасен в зоне продукта, GWP=1. Для объектов вблизи людей (торговые центры, больницы) CO₂/NH₃ каскад предпочтителен по безопасности. Для изолированных промышленных объектов — чистый NH₃ проще и экономичнее.

Подобрать испаритель для CO₂ (R744)

Кожухотрубные испарители ИУ для CO₂: расчётное давление 80, 120, 200 бар. Сталь 09Г2С, НК 100% сварных швов, ТР ТС 032/2013. Расчёт бесплатно.

Запросить расчёт CO₂-испарителя

Испаритель для CO₂ (R744):транскритический цикл, высокое давление