Анализ энергетической эффективности комбинированных транскритических абсорбционных циклов охлаждения

DOI: 10.17586/1606-4313-2026-25-2-36-46
УДК 621.576.5

Анализ энергетической эффективности комбинированных транскритических абсорбционных циклов охлаждения

Сулин А.Б., Ефрюшин Д. М., Дмитриев Д. О.

Ссылка для цитирования: Сулин А.Б., Ефрюшин Д.М., Дмитриев Д.О. Анализ энергетической эффективности комбинированных транскритических абсорбционных циклов охлаждения. // Вестник Международной академии холода. 2026. № 2. С. 36-46. DOI: 10.17586/1606-4313-2026-25-2-36-46 [Sulin A.B., Efriushin D.M., Dmitriev D.O. Energy efficiency of combined transcritical absorption cooling cycles. Journal of International Academy of Refrigeration. 2026. No 2. p. 36-46. DOI: 10.17586/1606-4313-2026-25-2-36-46 (in Russian)]

Аннотация
Работа посвящена анализу энергоэффективности комбинированных систем охлаждения, объединяющих транскритические парокомпрессионные циклы на диоксиде углерода (CO₂/R744) с абсорбционными холодильными машинами. Актуальность исследования обусловлена ратификацией Кигалийской поправки, требующей сокращения использования синтетических хладагентов с высоким потенциалом глобального потепления, и необходимостью перехода на природные хладагенты, такие как CO₂. Отмечена проблема низкой энергетической эффективности транскритических CO₂-систем в условиях теплого климата из-за высоких дроссельных потерь и рассеивания высокопотенциального тепла. В качестве решения рассматривается интеграция данных систем с абсорбционными для утилизации тепла от газоохладителя и его преобразования в дополнительный холод, направляемый на переохлаждение CO₂. На основе анализа научных исследований показано, что комбинирование транскритического CO₂-цикла с бромистолитиевой абсорбционной холодильной машиной (H₂O-LiBr) обеспечивает значительный прирост коэффициента преобразования СОР и эксергетического КПД, особенно при низких температурах испарения. При этом отмечается низкая эффективность и практическая нецелесообразность комбинирования транскритического CO₂-цикла с водоаммиачными абсорбционными холодильными машинами (NH₃-H₂O) из-за несовместимости оптимальных температурных режимов работы циклов. Делается вывод, что выбор оптимальной конфигурации комбинированной системы критически зависит от условий эксплуатации (прежде всего, от температуры окружающей среды), и что система CO₂/H₂O-LiBr представляет собой одно из перспективных направлений для разработки высокоэффективных и экологичных холодильных систем.

Ключевые слова: транскритический цикл, комбинированная система охлаждения, абсорбционная холодильная машина, утилизация тепла, природные хладагенты.

Список литературы

M. Baha, S. Hammami, J.L. Dupont, The Role of Refrigeration in the Global Econ omy, 3rd Edition, 60th IIR Technical Brief on Refrigeration Technologies, Tech nical Brief 60, International Institute of Refrigeration (IIR), 2025, p. 31, http:// dx.doi.org/10.18462/iir.TechBrief.04.2025, URL https://iifiir.org/en/fridoc/the-role-of-refrigeration-in-the-global-economy-3-lt-sup-gt-rd-lt-sup-gt-150413. (Последнееобращение25.10.202).
СП 60.13330.2020. Свод правил. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41-01-2003. Введ. 2021-01-01. М.: Минстрой России, 2020. 169 с. [SP 60.13330.2020. A set of rules. Heating, ventilation and air conditioning. Updated version of SNiP 41-01-2003. Introduction. 2021-01-01. Moscow: Ministry of Construction of Russia, 2020. 169 p. (in Russian)]
Guruchethana A.M. Performance evaluation of absorption cooling assisted transcritical CO₂ refrigeration systems / A.M. Guruchethana, Y. Siva Kumar Reddy, M. P. Maiya, Armin Hafner. International Journal of Refrigeration. 2024. Vol. 166. Art. 104413. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2024.104413.
Плешанов С.Ю., Катраев М.Ю.Повышение эффективности холодильной системы в условиях современного магазиностроения. Опыт реализации транскритической установки на диоксиде углерода в магазине сети «Метро» в г. Солнцево // Холодильная техника. 2019. № 2. С. 11-14. [Pleshanov S.Yu., Katraev M.Yu. Improving the efficiency of the refrigeration system in modern shop building. The experience of implementing a transcritical carbon dioxide installation in the Metro store in Solntsevo. Refrigeration technology. 2019. No. 2. pp. 11-14.(in Russian)]
Шишов В.В., Талызин М.С.Эффективность работы холодильного оборудования с учетом годового изменения температур окружающей среды. // Холодильная техника. 2019. № 6. С. 28-33.
Плешанов С.Ю., Катраев М.Ю.Опыт реализации транс критической холодильной установки на диоксиде углерода в магазине сети «Ашан» в г. Пушкино. Сравнение энергетической эффективности субкритических и транскритических схем коммерческих холодильных установок // Холодильная техника. 2020. № 1. С. 10-13.
Fazelpour F., Morosuk T. Exergoeconomic analysis of carbon dioxide transcritical refrigeration machines. International journal of refrigeration. 2014. Vol. 38, P. 128-129.DOI:10.1016/j.ijrefrig.2013.09.016
Уралвагонзавод планирует начать выпуск 40-футовых рефрижераторных контейнеров // Вагоны и вагонное хозяйство. 2020. № 1. С. 24.
Хрёкин А.С., Баранов И.В.Сравнительный анализ эффективности циклов холодильных машин // Вестник Международной академии холода. 2021. № 1. С. 12-21. DOI: 10.17586/1606-4313-2021-20-1-12-21
Zibing Luo, Weiwei Chen, Xinjun Li, Shihua Lu, Feihong Guo, Performance improvement of transcritical CO₂ refrigeration cycle by integrating vortex tube expansion: Simulation and optimization. Therm. Sci. Eng. Prog. 2023. Vol. 45 p. 102078, http://dx.doi.org/10.1016/j.tsep.2023.102078.
Bilal Ahmed Qureshi, Syed M. Zubair, Mechanical sub-cooling vapor compression systems: Current status and future directions. Int. J. Refrig. 2013. Vol. 36 (8). P. 2097-2110. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2013.07.026.
Cecchinato L., Chiarello, M., Corradi, M., Fornasieri, E., Minetto, S., Stringari, P., Zilio, C., 2009. Thermodynamic analysis of different two-stage transcritical carbon dioxide cycles. Int. J. Refrig. 32, 1058–1067. https://doi.org/10.1016/j. ijrefrig.2008.10.001.
Chen Y., Gu J. The optimum high pressure for CO₂ transcritical refrigeration systems with internal heat exchangers. Int. J. Refrig. 2005. 28(8):1238-1249. DOI:10.1016/j.ijrefrig.2005.08.009
Torrella E., Sánchez D., Llopis R., Cabello R. Energetic evaluation of an internal heat exchanger in a CO₂ transcritical refrigeration plant using experimental data. Int. J. Refrig. 2011.34(1):40-49. DOI:10.1016/j.ijrefrig.2010.07.006
Hafner A., Hemmingsen A.K., R744 refrigeration technologies for supermarkets in warm climates. In book:Proceedings of the 24th International Congress of Refrigeration. 2015.
Llopis R., Cabello R., Sánchez D., Torrella E. Energy improvements of CO₂ transcritical refrigeration cycles using dedicated mechanical subcooling. Int. J. Refrig. 2015. vol. 55. P. 129-141. DOI:10.1016/j.ijrefrig.2015.03.016
Llopis R., Nebot-Andrés L., Cabello R., Sánchez D., Catalán-Gil J. Experimental evaluation of a CO₂ transcritical refrigeration plant with dedicated mechanical subcooling. Int. J. Refrig. 2016, vol. 69, p. 361-368. DOI:10.1016/j.ijrefrig.2016.06.009
Gullo P., Elmegaard B., Cortella G. Energy and environmental performance assessment of R744 booster supermarket refrigeration systems operating in warm climates. Int. J. Refrig. 2016, vol. 64, p. 61-79. DOI:10.1016/j.ijrefrig.2015.12.016
Nebot-Andres L., Llopis R., Sánchez D., Catalán-Gil J., Cabello R. CO₂ with Mechanical Subcooling vs. CO₂ Cascade Cycles for Medium Temperature Commercial Refrigeration Applications Thermodynamic Analysis. Appl. Sci. 2017. Vol. 7(9). DOI:10.3390/app7090955
Dai B., Liu S., Li H., Sun Z., Song M., Yang Q., Ma Y. Energetic performance of transcritical CO₂ refrigeration cycles with mechanical subcooling using zeotropic mixture as refrigerant. Energy. 2018, vol. 150, p. 205-221. DOI:10.1016/j.energy.2018.02.111
Cavallini A., Cecchinato L., Corradi M., Fornasieri E., Zilio C. Two-stage transcritical carbon dioxide cycle optimisation: A theoretical and experimental analysis. Int. J. Refrig. 2005. vol. 28, 1274-1283.DOI:10.1016/j.ijrefrig.2005.09.004
Sarkar J., Agrawal N. Performance optimization of transcritical CO₂ cycle with parallel compression economization. Int. J. Therm. Sci. 2010. vol. 49(5), p. 838-843. DOI:10.1016/j.ijthermalsci.2009.12.001
Gullo P., Elmegaard B., Cortella G. Energetic, Exergetic and Exergoeconomic Analysis of CO₂ Refrigeration Systems Operating in Hot Climates. In Proceedings of the ECOS 2015: 28th International Conference on E ciency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, Pau, France, 29 June–3 July 2015.
Chesi A., Esposito F., Ferrara G., Ferrari L. Experimental analysis of R744 parallel compression cycle. Appl. Energy. 2014. vol. 135, p. 274-285. DOI:10.1016/j.apenergy.2014.08.087
Nakagawa M., Marasigan A.R., Matsukawa T., Kurashina A. Experimental investigation on the e ect of mixing length on the performance of two-phase ejector for CO₂ refrigeration cycle with and without heat exchanger. Int. J. Refrig. 2011. vol. 34 (7), p. 1604-1613. DOI:10.1016/j.ijrefrig.2010.07.021
Chen G., Volovyk O., Zhu D., Ierin V., Shestopalov K. Theoretical analysis and optimization of a hybrid CO₂ transcritical mechanical compression – ejector cooling cycle. Int. J. Refrig. 2017, vol. 74, p. 86-94. DOI:10.1016/j.ijrefrig.2016.10.002
Yang J.L., Ma Y.T., Liu S.C. Performance investigation of transcritical carbon dioxide two-stage compression cycle with expander. Energy. 2007, vol. 32 (3), p. 237-245.DOI:10.1016/j.energy.2006.03.031
Megdouli K., Tashtoush B.M., Ezzaalouni Y., Nahdi E., Mhimid A., Kairouani L. Performance analysis of a newejector expansion refrigeration cycle (NEERC) for power and cold: Exergy and energy points of view. Appl. Thermal Eng. 2017, vol. 122, p. 39-48.DOI:10.1016/j.applthermaleng.2017.05.014
Prosenjit Singha, Chayan Das, Mani Sankar Dasgupta, Souvik Bhattacharyya, Armin Hafner, New approach to improve COP and heat recovery in transcritical CO₂ refrigeration system for milk processing application. Sci. Rep. 2025. Vol. 15 (1). http://dx.doi.org/10.1038/s41598-025-90067-3.
Daniel Sánchez, P. Aranguren, A. Casi, R. Llopis, Ramón Cabello, D. Astrain. Experimental enhancement of a CO₂ transcritical refrigerating plant including thermoelectric subcooling. Int. J. Refrig. 2020. Vol. 120. p. 178-187, http://dx.doi.org/ 10.1016/j.ijrefrig.2020.08.031
Tailan Yin, Qichao Yang, Jiawei Jiang, Zeye Zheng, Yuanyang Zhao, Guangbin Liu, Liansheng Li. Energy, exergy, and economic analysis of a novel solar-assisted ejector subcooling CO₂ transcritical refrigeration system. Sol. Energy. 2024. Vol. 284. Art. 113080. http://dx.doi.org/10.1016/j.solener.2024.113080.
Shubhanshu Rai, Anil Kumar, Anish Modi. Performance evaluation of a transcriti cal CO₂ refrigeration system for supermarkets in hot climatic conditions, in: 16th IIR Gustav Lorentzen Conference on Natural Refrigerants, University of Maryland.
Бараненко А.В., Малинина О.С.Развитие систем холодоснабжения на базе абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин // Вестник Международной академии холода. 2024. № 1. С. 3-12. DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-1-3-12 [Baranenko A.V., Malinina O.S. Refrigeration supply systems based on lithium bromide absorption refrigerating machines. Journal of International Academy of Refrigeration. 2024. No 1. p. 3-12. DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-1-3-12. (in Russian)]
Arora A., Singh N.K., Monga S., Kumar O. Energy and exergy analysis of a combined transcritical CO₂ compression refrigeration and single effect H₂O-LiBr vapour absorption system. Int. J. Exergy.2011. Vol. 9(4), p. 453-471.DOI:10.1504/IJEX.2011.043916
Bellos E., Tzivanidis C. Enhancing the performance of a CO₂ refrigeration system with the use of an absorption chiller. Int. J. Refrig. 2019. Vol. 108, p. 37-52. https://doi.org/ 10.1016/j.ijrefrig.2019.09.009.
Guruchethana A.M. Performance evaluation of absorption cooling assisted transcritical CO₂ refrigeration systems / A.M. Guruchethana, Y. Siva Kumar Reddy, M.P. Maiya, Armin Hafner. International Journal of Refrigeration. 2024. Vol. 166. Art. 104413. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2024.104413.
Rai S. Performance analysis of transcritical CO₂ refrigeration systems integrated with heat-driven cooling systems / S. Rai, A. Kumar, A. Modi. Applied Thermal Engineering. 2023. Vol. 234. Art. 121301. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2023.121301.
Mohammadi S.M.H. Theoretical investigation on performance improvement of a low-temperature transcritical carbon dioxide compression refrigeration system by means of an absorption chiller after-cooler. Appl. Therm. Eng. 2018. Vol. 138. P. 264-79. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.04.006.
Aphornratana S., Eames I.W. Thermodynamic analysis of absorption refrigeration cycles using the second law of thermodynamics method. International Journal of Refrigeration. 1995. Vol. 18, no. 4. P. 244-252. DOI: 10.1016/0140-7007(95)00007-7.
Du S., Wang R. Z., Chen X. Performance analysis of a novel multi-mode ammonia–water absorption cycle. Applied Thermal Engineering. 2011. Vol. 31, no. 16. P. 3282-3291. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2011.06.006.
Herold K.E., Radermacher R., Klein S.A. Absorption Chillers and Heat Pumps. 2nd ed. Boca Raton: CRC Press, 2016. 454 p. DOI: 10.1201/b19685.