Współczesne wymagania ekologiczne, poparte ustawodawstwem zarówno polskim jak i unijnym, zalecają stosowanie w urządzeniach chłodniczych czynników naturalnych. Jest to możliwe np. w urządzeniach kaskadowych. W niniejszym artykule dokonano oceny wpływu temperatury międzystopniowej na efektywność energetyczną urządzenia oraz przedstawiono kilka metod jej wyznaczania. 

     W celu osiągania niskiej temperatury, poniżej -40^oC, gdy efektywność urządzeń jednostopniowych jest niewystarczająca stosuje się urządzenia wielostopniowe lub kaskadowe. W urządzeniach wielostopniowych w nisko- i wysokociśnieniowej części krąży ten sam czynnik chłodniczy, natomiast w urządzeniach kaskadowych w części nisko- i wysoko -temperaturowej mogą krążyć dowolne czynniki. Czynniki chłodnicze dobiera się do poszczególnych stopni kaskady, tak aby ich własności termodynamiczne odpowiadały zakresom pracy poszczególnych stopni kaskady. Zastosowanie różnych czynników w poszczególnych stopniach urządzenia kaskadowego prowadzi do zmniejszenia strat nieodwracalności obiegu. Poszczególne stopnie urządzenia kaskadowego połączone są wymiennikiem ciepła nazywanym skraplaczo-parowaczem. Urządzenie kaskadowe może być zbudowane z dowolnej liczby stopni tworzonych przez urządzenia jedno- lub wielostopniowe. Należy jednak zauważyć, że ze względu na skończoną powierzchnię wymiany ciepła w skraplaczo-parowaczu i wynikającą z tego różnicę temperatury układ kaskadowy może charakteryzować się niższą efektywnością energetyczną niż urządzenie wielostopniowe działające w tym samym zakresie temperatur. Dla nieskończenie dużej powierzchni wymiany ciepła w skraplaczo-parowaczu różnica temperatury skraplania niższego stopnia i parowania wyższego stopnia jest nieskończenie mała – w takiej sytuacji układ kaskadowy jest równoważny termodynamicznie układowi wielostopniowemu. [5] Wynika z tego, że zastosowanie układu kaskadowego należy poprzedzić wnikliwą analizą techniczno-ekonomiczną, szczególnie, jeśli dane zagadnienie może być zrealizowane za pomocą urządzeń wielostopniowych.

Zasada działania urządzeń kaskadowych
     Schemat urządzenia kaskadowego o dwóch stopniach składających się z jednostopniowych urządzeń chłodniczych przedstawiony jest na rys. 1. (...)

Naturalne czynniki chłodnicze w urządzeniach kaskadowych
     Popularną parą czynników stosowanych w urządzeniach kaskadowych jest amoniak (NH₃, R717) i dwutlenek węgla (CO₂, R744). Oba czynniki wykorzystywane były w chłodnictwie już w XIX wieku. Amoniak używany jest do tej pory głównie w instalacjach przemysłowych, natomiast dwutlenek węgla został zastąpiony w latach 30. XX wieku przez chlorofluorowęglowodory (CFCs), a obecnie przeżywa renesans. Oprócz wspomnianych czynników w kaskadach często wykorzystywany jest również propan (C₃H₈, R290).
     W przypadku amoniaku zarówno wartość wskaźnika ODP jak i GWP wynosi zero. Amoniak jest stosowany głównie w urządzeniach wielostopniowych do temperatury parowania -35^oC. W tej temperaturze, ciśnienie parowania amoniaku jest niższe od ciśnienia atmosferycznego, co powoduje znaczne trudności eksploatacyjne. Ponadto zastosowanie amoniaku wiąże się z określonymi problemami m. in. koniecznością ograniczenia kontaktu z żywnością, niskim ciśnieniem w niskich temperaturach. Propan charakteryzuje się własnościami termodynamicznymi zbliżonymi do amoniaku, przy czym jego ODP=1 a GWP=20. Jego główną zaletą w porównaniu do amoniaku jest brak toksyczności. Natomiast wadą propanu jest palność, w związku z czym konieczne jest zachowanie szczególnych warunków bezpieczeństwa. Propan może być stosowany do uzyskiwania bardzo niskiej temperatury do -60^oC.
     Wskaźnik ODP dla dwutlenku węgla również wynosi zero, natomiast wskaźnik GWP = 1,0. Jednak wartość ta w porównaniu z GWP dla czynników CFC, HCFC oraz HFC jest znikoma. Faktem jest, że CO₂ stanowi główne zagrożenie odnośnie globalnego ocieplenia (rzędu 63% wszystkich gazów mających wpływ na ten proces), ale dzieje się tak na skutek emitowania go w wielkich ilościach przez przemysł. Wykorzystywany w urządzeniach chłodniczych dwutlenek węgla jest produktem ubocznym powstającym w wielu procesach przemysłowych, np. w przemyśle chemicznym, w cementowniach oraz głównie w siłowniach energetyki zawodowej. Otrzymywany jest także ze źródeł naturalnych. Stosowanie CO₂ jako czynnika chłodniczego w szczelnie zamkniętej – na kilkanaście lat – instalacji, jest niczym innym, jak opóźnieniem jego emisji do atmosfery – podobnym do absorbowania dwutlenku węgla przez wzrastające rośliny. Z tych względów CO₂ jako gaz całkowicie bezpieczny i nieszkodliwy dla środowiska staje się znowu popularny.
     Do ważnych zalet dwutlenku węgla należą m. in. [3, 4, 8]:
● wysoka jednostkowa objętościowa wydajność chłodnicza qv [kJ/m3]. Wydajność ta jest 5 do 10 razy wyższa od analogicznej wydajności innych czynników. Prowadzi to do miniaturyzacji sprężarek, aparatury oraz rurociągów i armatury,
● niski stosunek sprężania CO₂ i w związku z tym wysoka sprawność objętościowa sprężarek,
● małe spadki temperatury dla wysokich spadków ciśnienia w parowaczach. Ta właściwość pozwala na stosowanie w aparatach strumieni przepływającej masy CO₂ o wysokiej gęstości. W ten sposób wymiana ciepła ulega intensyfikacji,
● kompatybilność z wszelkimi materiałami konstrukcyjnymi,
● mieszalność z olejami mineralnymi,
● wysokie ciepło parowania i wysokie ciepło właściwe,
● niska lepkość dynamiczna cieczy – prowadząca do niskich oporów przepływu w rurociągach, armaturze i wymiennikach ciepła,
● wysoka trwałość chemiczna, niska cena i powszechna dostępność,
● bezpieczeństwo dla produktów spożywczych i środowiska naturalnego.

     Jednak dwutlenek węgla jest cięższy od powietrza i może zalegać w piwnicach, ładowniach statków itp. – grożąc uduszeniem, dlatego w przypadkach dużych urządzeń eksploatowanych w takich warunkach powinna być zapewniona intensywna wentylacja pomieszczeń.
     Główną wadą CO₂ są wysokie ciśnienia robocze – kilkakrotnie przewyższające występujące w klasycznych instalacjach chłodniczych. Oznacza to konieczność przekonstruowania urządzeń. Jednakże, ponieważ zastosowanie

CO₂ zapewnia znacznie wyższą wydajność objętościową, istnieje wiele możliwości minimalizacji i optymalizacji elementów instalacji (generalnie będą one znacznie mniejsze, ale wytrzymalsze i masywniejsze).

Obliczenia parametrów międzystopniowych
     Jednym z istotnych zagadnień wpływających na efektywność realizacji obiegu kaskadowego jest odpowiedni dobór parametrów spięcia międzystopniowego. W literaturze brak jest jednak ścisłych wytycznych dotyczących obliczenia temperatury międzystopniowej dla urządzeń kaskadowych działających na różnych czynnikach chłodniczych. Istnieją tylko ogólne wytyczne, aby posługiwać się wartościami średnimi. W ostatnich latach można zaobserwować intensyfikację badań w tym zakresie, jednak nie opracowano analitycznego rozwiązania umożliwiającego obliczenie optymalnej temperatury międzystopniowej dla urządzenia kaskadowego działającego z dwoma dowolnymi czynnikami. Metodę obliczenia temperatury międzystopniowej dla sprężarkowych urządzeń kaskadowych działających na jednym czynniku chłodniczym polegającą na minimalizacji przyrostu entropii zaproponowali Ratts i Brown [10]. Optymalizację urządzenia kaskadowego z dwutlenkiem węgla i propanem przedstawia Bhattacharyya et al [1, 2]. Natomiast optymalizację temperatury międzystopniowej w kaskadzie z CO₂ i NH₃ opisuje Lee et al [6]. Opracowany wzór daje wyniki bardzo zbliżone do wyników badań przeprowadzonych przez Yabusita i Kitaura [12] na urządzeniu o wydajności 175 kW. Należy jednak zauważyć, że opracowana metoda bazuje na szeregu założeń upraszczających m.in. nie uwzględnia strat ciepła i ciśnienia podczas przepływu przez rurociągi – czynnik wypływający ze skraplacza, skraplaczo-parowacza i parowacza jest w stanie nasycenia (brak dochłodzenia i przegrzania). (...)

Wnioski
     W rozważanym zakresie temperatury międzystopniowej tm = -24÷-6ºC różnica pomiędzy maksymalną i minimalną wartością pracy dla całego urządzenia wynosi 10%. Wynika z tego, że optymalizacja wartości temperatury międzystopniowej jest zabiegiem celowym, gdyż w sposób istotny wpływa na efektywność urządzenia i koszty eksploatacyjne związane z jego użytkowaniem.
     W związku z powyższym konieczne jest opracowanie analitycznego rozwiązania umożliwiającego wyznaczenie parametrów międzystopniowych dla urządzenia kaskadowego działającego na dwóch dowolnych czynnikach chłodniczych.

LITERATURA
[1] S. BHATTACHARYYA, S. MUKHOPADHYAY, A. KUMAR, R.K. KHURANA and J. SARKAR: Optimization of a CO₂–C₃H₈ cascade system for refrigeration and heating, International Journal of Refrigeration Volume 28, Issue 8, December 2005.
[2] S. BHATTACHARYYA, S. BOSE, J. SARKAR: Exergy maximization of cascade refrigeration cycles and its numerical verification for a transcritical CO₂–C₃H₈ system International Journal of Refrigeration Volume 30, Issue 4, June 2007.
[3] Z. GRUDA: Zastosowanie CO₂ jako czynnika chłodniczego, Chłodnictwo 1999, t. 34, nr 7, str. 16-19.
[4] Z. GRUDA: Dwutlenek węgla (CO₂) jako czynnik chłodniczy. Międzynarodowy Instytut Chłodnictwa – Paryż, 15 Nota Informacyjna nt. czynników chłodniczych, Chłodnictwo 2000, t. 35, nr 8, str. 6-8.
[5] red. nauk. E. KOCH: Poradnik chłodnictwa, praca zbiorowa, tłum.: St. KOSIAK, J. LATKOWSKI, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1965 r.
[6] T. S. LEE, C. H. LIU, T.W. CHEN: Thermodynamic analysis of optimal condensing temperature of cascade-condenser in CO₂/NH₃ cascade refrigeration systems, International Journal of Refrigeration Volume 29, Issue 7, November 2006.
[7] Wł. Merc: Chłodnictwo. Teoria chłodziarek, cześć I, wydanie II, Warszawa, PWN 1972 r.
[8] A. PALIWODA: Naturalne czynniki chłodnicze. Własności termodynamiczne i użytkowe, zastosowania. Część III. Dwutlenek węgla (R 744) (1), Technika chłodnicza i klimatyzacyjna 1997, nr 5, str. 199-203.
[9] N. PETTER, D. FILIPPO, R. HARVARD, B. ARNE: Measurements and experience on semi-hermetic CO₂ compressors, Fifth International Conference on Compressors and Coolants, IIR, Slovakia 2004.
[10] E. B. RATTS, J. S. BROWN: A generalized analysis for cascading single fluid vapor compression refrigeration cycles using entropy generation minimization method, International Journal of Refrigeration 23 (2000), str. 353-365.
[11] W.F. STOECKER: Industrial Refrigeration Handbook, McGraw Hill, 1998.
[12] T. YABUSITA, T. KITAURA: CO₂/NH₃ Cascade Refrigeration System (Technical Report), Toyo EngineeringWorks, LTD., 2005.