Санкт-Петербург, ул. Севастьянова д. 14, пом. 12-Н
Загрузка...

Хладогенты холодильные агенты

Холодильный агент, хладагент, рабочее вещество холодильной машины, которое при кипении или в процессе расширения отнимает теплоту от охлаждаемого объекта и затем после сжатия передаёт её охлаждающей среде (воде, воздуху и т. п.). К хладагентам предъявляется ряд требований: они должны иметь низкую температуру кипения при давлениях выше атмосферного (во избежание подсоса воздуха), умеренные давление и температуру конденсации, низкую температуру затвердевания и высокую критическую температуру, большую теплоту парообразования при малых удельных объёмах паров, малую теплоёмкость и высокую теплопроводность. Кроме того, желательно, чтобы хладагенты были взрывобезопасными, нетоксичными, негорючими, нейтральными к конструкционным материалам, инертными к смазке и т. д. В зависимости от температуры кипения при атмосферном давлении Х. а. подразделяют на 3 группы: высокотемпературные (выше —10 °С), умеренные (ниже —10 °С) и низкотемпературные (ниже —50 °С). Основными холодильными агентами являются аммиак, фреоны (хладоны) и некоторые углеводороды. Аммиак относится к группе умеренных холодильных агентов Достоинствами аммиака являются его низкая стоимость и высокие теплофизические показатели. К недостаткам относятся токсичность, взрывоопасность. Аммиак также разрушительно воздействует на медь и её сплавы. Фреоны в большинстве случаев безвредны и негорючи; насчитывается свыше 50 различных фреонов и их смесей, применяемых во всех температурных группах. Наиболее распространены фреон-12, фреон-22 (относятся к умеренным хладагентам) и фреон-13 (низкотемпературный Х. а.). Углеводороды (этан, пропан, этилен) имеют низкую температуру замерзания, но взрывоопасны; применяются в крупных и средних холодильных установках в нефтехимической и газовой промышленности. В пароэжекторных и работающих на водном растворе бромистого лития (бромистолитиевых) абсорбционных холодильных машинах холодильным агентом служит вода. В холодильно-газовых машинах в качестве хладагентов в основном используются такие газы, как гелий, водород, азот, воздух.

 

Замена хладагентов в действующем оборудовании

Развитие холодильной техники в насто­ящее время находится под влиянием трех определяемых экологическими пробле­мами взаимосвязанных факторов:

• требований Монреальского протоко­ла о прекращении потребления веществ, разрушающих озоновый слой (в первую очередь широко распространенного хла­дагента R12) и о временном и количе­ственном ограничении применения ве­ществ переходной группы, имеющих ма­лый потенциал разрушения озонового слоя (ОDP)

• требовании Киотского протокола к «Рамочной конвенции ООН об измене­нии климата» о регулировании эмиссии парниковых газов (веществ, имеющих высокий потенциал глобального потепле­ния — GWP), к которым относятся ши­роко применяемый хладагент R134a и многие другие вещества, используемые в холодильной технике;

• традиционного требования к повы­шению энергоэффективности всех видов холодильной техники, что обус­ловлено растущей конкуренцией на отечественном рынке и положениями определенных законов «Об энергоэффективности» и требованиями стандартов об обязательном определе­нии и информировании потребителей о классе энергоэффективности холодильных установок.

Анализируя наиболее известные, раз­работанные в различное время в нашей стране и за рубежом,  хладагенты — за­менители R12, R 22, R 502 и других, можно убедиться, что у каждого из них имеются уязвимые ме­ста с точки зрения выполнения пере­численных требований. По­этому в перспективе все они могут ока­заться объектами разного рода экологи­ческого регулирования, которое в конеч­ном итоге сведется к запретам их произ­водства и потребления.

Кроме того, для осознанного примене­ния альтернативных веществ в производ­стве новой техники и сервисе эксплуати­руемого парка холодильного оборудова­ния необходимо иметь достаточно боль­шой объем информации о термодинами­ческих свойствах этих веществ, их взаи­модействии с другими материалами и ве­ществами в холодильной машине, а так­же данные о санитарно-гигиенических свойствах и т.д. Эти сведения не всегда имеются для предлагаемых на рынке ве­ществ, в том числе и отечественных.

Немаловажными факторами успешно­го внедрения новых хладагентов являют­ся также наличие отечественного произ­водства как самих веществ, так и комп­рессоров, предназначенных для работы на них, и возможность экспорта холо­дильной техники, работающей на таких веществах.

 

Прежде чем рассматривать свойства хладагентов, остановимся на основных требованиях, предъявляемых к ним. Требования к хладагентам подразделяются на следующие группы:

экологические – озонобезопасность (ODP), низкий потенциал глобального потепления (GWP), негорючесть и нетоксичность;

термодинамические - большая объемная холодопроизводительность; низкая температура кипения при атмосферном давлении; невысокое давление конденсации; хорошая теплопроводность; малые плотность и вязкость хладагента, обеспечивающие сокращение гидравлических потерь на трение и местные сопротивления при его транспортировке; максимальная приближенность к заменяемым хладагентам (для альтернативных озонобезопасных хладагентов) по давлениям, температурам, удельной объемной холодопроизводительности и холодильному коэффициенту;

эксплуатационные - термохимическая стабильность, химическая совместимость с материалами и холодильными маслами, достаточная взаимная растворимость с маслом для обеспечения его циркуляции, технологичность применения; негорючесть и не-взрывоопасность; способность растворять воду, незначительная текучесть; наличие запаха, цвет и т. д.;

экономические - наличие товарного производства, доступные (низкие) цены.

Хладагенты, отвечающие перечисленным требованиям, найти практически невозможно, поэтому в каждом отдельном случае выбирают хладагент с учетом конкретных условий работы холодильной машины, и предпочтение следует отдавать таким, которые удовлетворяют принципиальным и определяющим требованиям.

Альтернативными веществами могут быть чистые (простые) вещества и смеси. Предпочтение отдается прежде всего чистым веществам.

Обозначения хладагентов.

Стандартом допускается несколько обозначений хладагентов: условное (символическое), торговое (марка), химическое и химическая формула.

Условное обозначение хладагентов является предпочтительным и состоит из буквы "R" или слова Refrigerant (хладагент) и комбинации цифр. Например, хладон-12 имеет обозначение R12 (CF2C12). Цифры расшифровывают в зависимости от химической формулы хладагента. Первая цифра (1) указывает на метановый ряд, следующая цифра (2) соответствует числу атомов фтора в соединении. В том случае, когда в производных метана водород вытеснен не полностью, к первой цифре добавляют количество оставшихся в соединении атомов водорода, например R22.

Для этанового ряда вначале записывают комбинацию цифр - индекс, равный 11, для пропанового - 21, для бутанового - 31. Для этих производных ко второй цифре добавляют число атомов водорода, если они есть, например трифтортрихлорэтан C2F2C13 - R113.

В случае, если в составе соединения имеется бром, в его обозначении появляется буква "В", за которой следует число атомов брома, например R13B1 - трифторбромметан, химическая формула CF3Br.

Изомеры производных этана имеют одну и ту же комбинацию цифр (цифровой индекс), и то, что данный изомер является полностью симметричным, отражается его цифровым индексом без каких-либо уточнений. По мере возрастания значительной асимметрии к цифровому индексу соответствующего изомера добавляют букву "а", при большей асимметрии ее заменяют буквой "b", затем "с", например R134a, R142b и т. д.

Способ цифрового обозначения непредельных углеводородов и их галогенопроизводных аналогичен рассмотренному выше, но к цифрам, расположенным после буквы "R", слева добавляют 1 для обозначения тысяч (например, R1150).

Для хладагентов на основе циклических углеводородов и их производных после буквы "R" перед цифровым индексом вставляют букву "С" (например, RC270).

Хладагенты неорганического происхождения имеют номера, соответствующие их относительной молекулярной массе, плюс 700. Например, аммиак, химическая формула которого NH3, обозначают как R717, воду (Н2О) - как R718.

Хладагентам органического происхождения присвоена серия 600, а номер каждого хладагента внутри этой серии назначают произвольно (например, метиламин имеет номер 30, следовательно, его обозначение запишется как R630).

Зеотропным, или неазеотропным, смесям присвоена серия 400 с произвольным номером для каждого хладагента внутри этой серии, например R401A.

Хладагенты на основе предельных углеводородов, содержащих бром, имеют двойное обозначение. Это обозначение имеет в своем составе букву "В", например R13B1, или букву "Н", за которой следуют цифры 1 и 3, но далее к ним добавляют еще две цифры, первая из которых указывает на число атомов хлора, вторая - на число атомов брома. Например, трифторбромметан (CF3Br), у которого число атомов хлора равно 0, а атомов брома - 1, может обозначаться либо R13B1, либо Н1301.

В настоящее время появилась тенденция при обозначении хладагентов предварять цифровой индекс не буквой "R" или "Н", а аббревиатурой, указывающей непосредственно на группу, к которой относят хладагент в зависимости от степени воздействия его на окружающую среду. Например, предлагаются обозначения:

CFC12 для хладагента R12, принадлежащего к группе CFC (ХФУ), в которую входят хладагенты, вредные для окружающей среды;

HCFC125 для хладагента R125, относящегося к группе HCFC (ГХФУ), состоящей из хладагентов, менее вредных для окружающей среды;

HFC134a для хладагента R134a, входящего в группу HFC (ГФУ), состоящую из хладагентов, безвредных для окружающей среды.

Каждая фирма - производитель хладагентов выпускает в продажу свою продукцию под собственным наименованием, например такой деятельностью занимаются такие фирмы/торговая марка как:

"MackDown Chemical Inc" / MackFri®,
            "Du Pont de Nemour" / Фреон (Freon) или Сува (SUVA®),
             "Elf Atochem" / Форан (FORANE®),
             "Solvay" / Кальтрон (Kaltron),
             "Montedison" / Альгофрен (Algofrene),
              AZSO / Allied Signal,
              ICI / Клеа (Klea),
              "Daikin Kogyo" / Дайфлон (Daiflon).

#

Наименование
хладагента

ASHRAE
Number

Аналоги фирм DuPont,
Atofina, Solvay и др.

Заменяет

1

MackFri®-01a

R401a

SUVA MP39

R12

2

MackFri®-01b

R401b

SUVA MP66

R12, R500

3

MackFri®-01c

R401c

SUVA MP52

R12

4

MackFri®-06a

R406a

Autofrost, GHG R-12, GHG X3, R-406a

R12, R500

5

MackFri®-09a

R409a

SUVA 409a, FX56, Genetron 409a, Forane FX56

R12

6

MackFri®-09b

R409b

Forane FX57

R12

7

MackFri®-14a

R414a

GHG X4

R12, R500

8

MackFri®-R01a

R415a

New

R12, R500

9

MackFri®-R01b

R415b

New

R12

10

MackFri®-R22

R22

Freon-22, Genetron-22

 

11

MackFri®-04a

R404a

SUVA HP62, FX70, Genetron 404a, Forane 404a, Solkane 404a

R22, R502

12

MackFri®-07c

R407c

Klea 66, SUVA 9000, Genetron 407c, Forane 407c, Solkane 407c

R22, HFC's

13

MackFri®-10a

R410a

SUVA 9100, AZ 20, Forane 410a, Solkane 410

R22, HFC's

14

MackFri®-502

R502

Freon-502

R502 (Only for countries of class "5")

15

MackFri®-02a

R402a

SUVA HP80

R502

16

MackFri®-02b

R402b

SUVA HP81

R502

17

MackFri®-07a

R407a

Klea 60

R502, HFC's

18

MackFri®-07b

R407b

Klea 61

R502, HFC's

19

MackFri®-08a

R408a

SUVA 9100, FX 10, Genetron 408a, Forane FX10

R502

20

MackFri®-507

R507

SUVA 507, AZ 50, Forane 507, Solkane507

R502, HFC's

21

MackFri®-141b

R141b

Solkane-141b, Genetron-141b

R11, R113

22

MackFri®-123

R123

SUVA-123, Genetron-123

R11, R113, in blends

23

MackFri®-523a

New

New

R11, R113, R141b, R123

24

MackFri®-523b

New

New

R11, R113, R141b, R123

25

MackFri®-523c

New

New

R11, R113, R141b, R123

26

MackFri®-523d

New

New

R11, R113, R141b, R123

27

MackFri®-142b

R142b

Freon-142b, Genetron-142b

R12, in blends

28

MackFri®-143a

R143a

Genetron-143a

in blends

29

MackFri®-152a

R152a

Freon-152a, Genetron-152a

R12, in blends

30

MackFri®-200

R227ea

FM-200, FE-227ea

R11, Halon 1301, in blends

31

MackFri®-ZCI A

R595

NAF S III

Halon 1301

32

MackFri®-32

R32

Freon-32

in blends

33

MackFri®-124

R124

SUVA-124, Genetron-124, FE-241

R12, R114, in blends

34

MackFri®-125

R125

FE-25, Halocarbon-125

Halon 1301, in blends

35

MackFri®-134a

R134a

FORANE®, 134a, HFC-134a, SUVA-134a, Genetron-134a, Dymel-134a, Solkane-134a, Halocarbon-134a

R12, in blends

36

MackFri®-200Pharma

R227ea

Solkane-227ea

R12 as propelant, in blends

37

MackFri®-36fa

R236fa

FE-36ea

Halon 1301

38

MackFri®-23

R23

Halocarbon-23, FE-13, GLC-23, Solcane-23

R13

39

MackFri®-600a

R600a

Isobutane

R12

40

MackFri®-601

R601

Pentane

R113, R11

41

MackFri®-601a

R601a

Isopentane

R113, R11

42

MackFri®-601b

R601b

Neopentane

R113, R11

43

MackFri®-601c

R601c

Cyclopentane

R113, R11

44

MackFri®-11a

R411a

 

R502

45

MackFri®-17a

R417a

Isceon-59, NU22

R22

46

MackFri®-245fa

R245fa

Genetron-245fa

R11, R113, R141b, R123, in blends

Хладагенты других производителей

Номер

Торговая марка

Фирма-производитель

Состав смеси

Содержа
ние, %

Заменяемый хладагент

R403A

ISCEON 69S

RHODIA

R22-R218-R290

75-20-5

R502

R403B

ISCEON 69L

RHODIA

R22-R218-R290

56-39-5

R502

R405A

G2015

GREENCOOL

R22-R142b-R152a-RC318

45-5.5-7-42.5

R12, R500

R407D

KLEA 407D

ICI

R32-R125-R134a

15-15-70

R12, R500

R407E

KLEA 407E

ICI

R32-R125-R134a

25-15-60

R22

R411B

G2018B

GREENCOOL

R22-R152a-R1270

94-3-3

R502

R411C

G2018C

GREENCOOL

R22-R152a-R1270

95.5-1.5-3

R502

R412A

ARCTON TP5R

ICI

R22-R142

70-25-5

R12, R500

R413A

ISCEON 49

RHODIA

R134a-R218-R600

88-9-3

R12

pR-415A

 

MONCTON

R22-R23-R152a

80-5-15

R502

pR-415B

 

MONCTON

R22-R23-R152a

90-5-5

R502

pR-416A

FR-12

ICI

R124-R134a-R600

39.5-59-1.5

R12, R500

pR-416A

DI24

AUSIMONT

R124-R134a-R600

39.5-59-1.5

R12, R500

R508A

KLEA 5R3

ICI

R23-R116

39-61

R13, R503

R508B

SUVA 95

DUPONT

R23-R116

46-54

R13, R503

R509A

ARCTON TP5R2

ICI

R22-R218

44-56

R502

C10M1A

АСТРОН 12

АСТОР (Россия)

R22-R21-R142b

62-3-28

R12

C1

Хладагент-С1

ИНТЕРТЕК (Россия)

R152a-R600

70-30

R12

 

Большая политика и амбиции мировых монополистов во многом определяют судьбу таких на первый взгляд далеких от конечного потребителя продуктов, как хладагенты.  

Казалось бы, свойства тех или иных холодильных агентов, или, как их называют по привычке, фреонов, должны интересовать только узкий круг специалистов, занимающихся холодильной техникой. С одной стороны, так и есть. Однако поистине гигантский рынок холодильного оборудования, требующий ежегодного производства около 100 тыс. тонн хладонов, приковывает к этой отрасли алчные взгляды крупнейших химических концернов, способных лоббировать свои интересы на уровне национальных правительств даже самых развитых стран. Рядовой потребитель холодильной техники вряд ли будет интересоваться химическим составом начинки своей покупки. Однако если подобная халатность и простительна для частного покупателя бытового холодильника, то для владельца торгового предприятия оборудование с "неправильным" хладоном может оказаться домокловым мечом. Все соглашаются, что холодильные агенты должны обладать высокой надежностью и холодопроизводительностью, низкой ценой, малым энергопотреблением, а также быть безопасными и соответствовать санитарным нормам. Кажется, что оценка перечисленных свойств и должна быть определяющей при выборе хладона, но не тут то было. С 1989 года основным критерием, стоящим выше и медицинских норм, и цены, стало отношение хладона к такой на первой взгляд далекой от холодильной тематики проблемы, как озоновый слой над нашей планетой.

Протоколы монреальских мудрецов

Первым международным документом, ставящим проблему сохранения озонового слоя Земли, была Венская конвенция 1985 года. Этот документ, по своей сути, носил декларативный характер. Подписавшие его государства не брали на себя никаких обязательств; были лишь очерчены контуры общечеловеческой проблемы, которую следовало как можно быстрее решить. Однако прошло чуть более двух лет, и в 1987 году международное сообщество приняло куда более жесткий документ, получивший название Монреальского протокола. Согласно его положениям, основными виновниками разрушения озонового слоя объявлялись атомы хлора или брома, которые отделились от молекул химических соединений, синтезированных человеком. Основная вина отводилась хлорфторуглеродам, использующимся в качестве распылителей в аэрозолях, и хладагентам, в том числе небезызвестному R12, которым в те времена было заправлено подавляющее большинство холодильных машин и кондиционеров. Несмотря на протесты немногочисленных групп авторитетных ученых, указывающих на недостаточную научную обоснованность положений предстоящего договора, Монреальский протокол был принят, а группа химиков, подготовившая научную базу под этот запрет, была удостоена Нобелевской премии. До сих пор некоторые исследователи выражают большие сомнения по поводу целесообразности принятия запрета хлорфторуглеродов. Самые жесткие критики объявляют протокол грандиозной аферой инициированной группой химических концернов с целью монополизировать рынок и вытесненить национальных производителей, более умеренные - говорят о спорности некоторых положений и призывают к корректировке протокола с учетом времени. Конечно, глупо было бы отрицать, что альянс Du Pont - ICI, обладающий фактической монополией на производство оборудования для синтеза хладона R-134а, который в период подписания Монреальского протокола позиционировался как единственная достойная альтернатива озоноразрушающим веществам получил небывалую прибыль после введения законодательных ограничений на R12. Однако если даже это было бы и так, то Du Pont наступил на собственные грабли - развязанная экологическая охота за вредными веществами обернулась и против R-134а (сегодня мы можем наблюдать, как Европейское сообщество вводит все более жесткие дискриминационные законы против этого хладона). "Одна из трагедий последних лет состоит в том, что политика все больше проникает в ранее не свойственные ей сферы, в том числе и технику, - говорит заведующий отделом "Энергоресурсосбережение" ОКБ-1 Энергетического института им Г.М. Кржижановского, председатель Научно-исследовательского и проектного кооператива "Элегаз" Игорь Мазурин. - Подписание Монреальского протокола сопровождалось массированной и агрессивной PR-кампанией. Любые сомневающиеся голоса замалчивались. Проблемы глобальных изменений в связи с появлением озоновой дыры стали предметом политических спекуляций. Политики устанавливали сроки постепенного вывода из производства хладагентов, а озоновый слой над Антарктидой пришел тем временем опять в свое нормальное состояние... По сути, Монреальский протокол утратил предмет своего обсуждения". Заметим, что сегодня похожая ситуация складывается и с Киотским протоколом, посвященным вопросам глобального потепления на планете. Из стран-участниц этого договора пока только США официально объявили о выходе из него в связи с недостаточной научной обоснованностью отдельных положений.  Монреальский же протокол за время своего существования обогатился целым рядом поправок (Лондонская, 1990., Копенгагенская, 1992 г. и др.), ужесточающих условия вывода из производства и потребления озоноразрушающих веществ.

По степени озоноразрушающей активности озонового слоя Земли галоидопроизводные углеводороды разделены на 3 группы:

 

Хлорфторуглероды ХФУ (CFC)

Обладают высокой озоноразрушающей активностью. Хладагенты этого типа включают: R11, R12, R13, R113, R114, R115, R500, R502, R503, R12B1, R13B1.

 

Гидрохлорфторуглероды ГХФУ (HCFC)

Это хладагенты с низкой озоноразрушающей активностью. К ним относятся: R21, R22, R141b, R142b, R123, R124.

 

Гидрофторуглероды ГФУ (HFC), фторуглероды ФУ (FC), углеводороды (HC)

Не содержащие хлора хладагенты, считаются полностью озонобезопасными. Таковыми являются хладагенты R134, R134a, R152a, R143a, R125, R32, R23, R218, R116, RC318, R290, R600, R600a, R717 и др.

 

Особенности термодинамики смесей хладагентов. В молекулярной теории растворов различают зеотропные (неазеотропные) и азеотропные смеси.

Термодинамическое поведение смеси азеотропного состава подобно поведению чистого вещества, поскольку состав паровой и жидкой фаз у нее одинаков, а давления в точках росы и кипения совпадают.

Концентрации паровой и жидкой фаз зеотропной смеси в условиях термодинамического равновесия различаются, а изотерма под бинодалью в p--h-координатах имеет наклон, т.е. кипение при постоянном давлении происходит при увеличении температуры хладагента от t01 до t02, а конденсация - при падении температуры от tК1 до tК2 (см. диаграмму ниже).

 Это необходимо учитывать при определении степени перегрева пара на входе в компрессор, а также при оценке энергетических характеристик холодильной установки.

Таким образом, температуру кипения и температуру конденсации следует находить по-другому. Температуру кипения вычисляют как среднюю температуру t0 между температурой точки росы t02 при постоянном давлении всасывания рВС и температурой, при которой хладагент поступает в испаритель t01.

Температуру конденсации определяют как среднюю температуру tк.ср между температурой точки росы tк1 (температура начала процесса конденсации при постоянном давлении нагнетания pH) и температурой tк2 жидкости на выходе из конденсатора. Разность температур фазового перехода при постоянном давлении (при кипении или конденсации) получила название Dtgl или температурный глайд (от англ, glide - скольжение). Значение Dtgl зависит от состава рабочего тела и является важным технологическим параметром.

Перегрев всасываемого пара вычисляют как разность температуры tBC на входе в компрессор и температуры точки росы t02 хладагента при давлении всасывания рвс. При регулировании холодопроизводительности холодильных установок с помощью регулирующих вентилей все изложенное выше необходимо учитывать.

Переохлаждение жидкости вычисляют как разность между действительной температурой жидкости и температурой точки конца конденсации tк2 при давлении нагнетания рн.

Особенно важно при регулировании давления учитывать температурный глайд смеси хладагентов, например хладагентов 407С, R410A и др. Кроме того, температурный глайд - решающий фактор при определении размеров теплообменных аппаратов.

Потери давления в системе существенно увеличивают температурный глайд. Пренебрежение данным явлением при составлении теплового баланса может привести к занижению размеров теплообменных аппаратов и других элементов холодильной системы. Влияние этого фактора особенно существенно, когда холодильная система эксплуатируется на пределе своих возможностей.

Таким образом, зеотропные смеси имеют свои преимущества и недостатки. С одной стороны, изменение состава рабочего тела при циркуляции его по контуру холодильной системы может привести к возрастанию холодопроизводительности и холодильного коэффициента по сравнению с этими характеристиками для чистых хладагентов. С другой стороны, применение зеотропных смесей приводит к снижению интенсивности теплообмена в испарителе и конденсаторе.

Еще один недостаток зеотропной смеси - потенциальная возможность изменения ее состава при появлении утечек в контуре холодильной системы, что влияет на пожаробезопасность и холодопроизводительность установки. Чтобы снизить вероятность изменения состава в области концентраций, где преобладает пожароопасный компонент, в смесь добавляют негорючий компонент, давление насыщенных паров которого близко к давлению паров пожароопасного компонента или выше него. Если смесь содержит хотя бы один горючий компонент, то необходимо при заправке избегать попадания воздуха в систему.

Основные механизмы изменения состава многокомпонентного хладагента в холодильной установке следующие:

парожидкостное разделение зеотропных смесей в компрессоре и теплообменных аппаратах;

различная растворимость компонентов смеси в холодильном масле;

селективная потеря какого-либо компонента из-за утечки компонента вследствие негерметичности системы; изменения массы многокомпонентного рабочего тела в отдельных элементах холодильной системы при различных тепловых нагрузках.

При практическом использовании зеотропных смесей рекомендуется:

заправлять холодильную систему из баллона, заполненного жидким хладагентом;

смеси с отчетливо выраженным температурным "глайдом" не следует рекомендовать для применения в холодильных установках с затопленным испарителем;

учитывать неодинаковую растворимость каждого компонента смесевого хладагента в холодильных маслах;

при расчете характеристик холодильной машины следует принимать во внимание изменение состава многокомпонентного хладагента.

 

Традиционные хладагенты групп ХФУ и ГХФУ

Хладагент R12. Дифтордихлорметан относится к группе ХФУ (CFC). Характеризуется высоким потенциалом разрушения озона (ODP = 1) и большим потенциалом глобального потепления (GWP = 8500). Бесцветный газ со специфическим запахом, в 4,18 раза тяжелее воздуха. Один из наиболее распространенных и безопасных при эксплуатации хладагентов. Обезвоженный R12 нейтрален ко всем металлам. Характеризуется повышенной текучестью, что способствует проникновению его через мельчайшие неплотности и даже через поры обычного чугуна. В то же время благодаря повышенной текучести R12 холодильные масла проникают во все трущиеся детали, снижая их износ. Поскольку R12 хороший растворитель многих органических веществ, при изготовлении прокладок применяют специальную резину - севанит или паронит. В холодильной технике R12 широко применяли для получения средних температур.

Хладагент R11. Фтортрихлорметан, тяжелый газ (в 4,74 раза тяжелее воздуха), относится к группе ХФУ (CFC). Характеризуется высокой озоноразрушающей активностью (ODP = 1). Согласно Монреальскому протоколу с 1 января 1996 г. прекращено производство R11 (Копенгаген, 1992г.). Для организма человека R11 безвреден, он невзрывоопасен, неограниченно растворяется в минеральном масле. В воде R11 нерастворим, допустимая массовая доля влаги не более 0,0025%. Обезвоженный хладагент нейтрален ко всем металлам, за исключением сплавов, содержащих более 20% магния. Нормальная температура кипения 23,8 °С. Объемная холодопроизводительность R11 мала; применяют его в холодильных машинах при температуре кипения до -20 °С. Хладагент R11 широко применяли в промышленных кондиционерах, турбокомпрессорах средних и больших мощностей.

Хладагент R502. Азеотропнаяя смесь хладагентов R22 и R115. Массовая доля R22 составляет 48,8%, a R115 - 51,2%. Относится к группе ХФУ (CFC), имеет следующие экологические характеристики: ODP = 0,33; GWP = 4300. Невзрывоопасен, малотоксичен и химически инертен к металлам. Растворимость R502 в маслах, коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации близки к соответствующим значениям для R22. Характерная особенность: R502 малорастворим в воде.. Объемная холодопроизводительность его выше, а температура нагнетания ниже примерно на 20°С, чем у R22, что положительно сказывается на температуре обмотки электродвигателя при эксплуатации герметичного холодильного компрессора. Хладагент R502 широко применяли в низкотемпературных компрессионных холодильных установках.

Хладагент R22. Дифторхлорметан относится к группе ГХФУ (HCFC). Имеет низкий потенциал разрушения озона (ODP = 0,05), невысокий потенциал парникового эффекта (GWP = 1700), т. е. экологические свойства R22 значительно лучше, чем у R12 и R502. Это бесцветный газ со слабым запахом хлороформа, более ядовит, чем R12, невзрывоопасен и негорюч.. По сравнению с R12 хладагент R22 хуже растворяется в масле, но легко проникает через неплотности и нейтрален к металлам. Для R22 холодильной промышленностью выпускаются холодильные масла хорошего качества. Хладагент R22 слабо растворяется в воде. Коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации на 25...30% выше, чем у R12, однако R22 имеет более высокие давление конденсации и температуру нагнетания (в холодильных машинах).. Этот хладагент широко применяют для получения низких температур в холодильных компрессионных установках, в системах кондиционирования и тепловых насосах. В холодильных установках, работающих на R22, необходимо использовать минеральные или алкилбензольные масла. Нельзя смешивать R22 с R12 - образуется азеотропная смесь.

По энергетической эффективности R502 и R22 достаточно близки. Холодильную установку, использующую в качестве рабочего тела R502, можно адаптировать к применению R22. Однако, как отмечалось ранее, R22 имеет более высокое давление насыщенных паров и, как следствие, более высокую температуру нагнетания.

Хладагент R123. Относится к группе ГХФУ (HCFC). Температура кипения при атмосферных условиях 27,9 °С. Потенциал разрушения озона ODP = 0,02, потенциал глобального потепления GWP = 90. Хладагент предназначен для ретрофита (замена хладагента на озонобезопасный) холодильных установок - водоохладителей, работающих на R11. Теоретическая холодопроизводительность цикла с R123 составляет 0,86 относительно холодопроизводительности цикла с R11, температура и давление конденсации ниже на 10...15% по сравнению с R11. В сочетании с R123 рекомендуется использовать алкилбензольное холодильное масло или смесь минерального и алкилбензольного.

Хладагент R13. Хладон - 13 (ТРИФТОРХЛОРМЕТАН, CF3Cl, CFC - 13, R13) Хладон - 13 Бесцветный газ со слабым запахом тетрахлорметана.  Хладон - 13 Хладагент высокого давления в технике средних и низких температур. ODP=1; GWP=11700. При соприкосновении с пламенем разлагается с образованием высокотоксичных продуктов. Негорючий газ.

Критическое давление, МПа

3,878

Температура кипения,ºС

-81,5

Критическая температура,ºС

28,8

Хладон снят с производства . Заменяется хладоном R23

Альтернативные многокомпонентные хладагенты групп ГХФУ

Хладагент R401A(-B,-C). Это зеотропная смесь среднего давления с температурным глайдом Dtgl= 4...5К.

В зависимости от условий эксплуатации холодопроизводительность холодильной системы, в которой ранее был R12, увеличивается на 5...8 %. Хладагент R401 несовместим с минеральными маслами, поэтому во время ретрофита необходимо заправлять холодильный агрегат алкилбензольным маслом. Требуется также замена фильтра-осушителя.

Хладагент рекомендуется применять для ретрофита в высоко- (выше О oС) и среднетемпературных торговых холодильных установках (герметичные, бессальниковые компрессоры и компрессоры с открытым приводом), бытовых холодильниках и стационарных кондиционерах воздуха для замены R12.

Холодопроизводительность холодильной системы, работающей на R401, сопоставима с холодопроизводительностью систем на R12 при температурах кипения выше -25 oС.

Хладагент R404а. Это близкозеотропная смесь R125/R143a/R134a с соотношением массовых долей компонентов 44/52/4. Температурный глайд менее 0,5К.  В зависимости от условий эксплуатации обеспечиваются повышение холодопроизводительности на 4...5 % и снижение температуры нагнетания в компрессоре до 8 % по сравнению с аналогичными характеристиками R502. После поступления в продажу с конца 1993 г. R404A первоначально использовали в новом оборудовании, рассчитанном на низкие и средние температуры кипения. В настоящее время R404A применяют в качестве заменителя R502 при ретрофите систем. При этом необходима замена минерального масла на полиэфирное и фильтра-осушителя.
Изменение состава смеси, циркулирующей в холодильной системе, может привести к ухудшению ее энергетических характеристик, особенно в схемах с ресивером или при значительной длине коммуникационных линий. Компонентом служит R143a, который в чистом виде становится горючим при давлении 1*105 Па и температуре 177 oС, а в смеси с воздухом - при объемной доле 60 %. При низких температурах для возникновения горючести требуются высокие давления. Поэтому R404а также не следует смешивать с воздухом или пользоваться и допускать присутствия высоких концентраций воздуха с давлением выше атмосферного или при высоких температурах.

Температура кипения при атмосферном давлении, oС

-46,7

Критическая температура, oС

72,7

Критическое давление, кПа (абс.)

3735

Потенциал разрушения озона ODP

0,0

Потенциал глобального потепления HGWP

0,94

 

Хладагент R409A. Представляет собой смесь на основе ГХФУ: R22, R124 и R142. Массовые доли компонентов составляют соответственно 60; 25 и 15. Температура кипения при атмосферных условиях -34 oС. Потенциал разрушения озона ODP = 0,05. Хладагент негорюч и неядовит, совместим с минеральными, а также с алкилбензольными маслами. Предназначен для ретрофита холодильных систем мобильного торгового транспортного оборудования, бытовых холодильников, промышленных холодильных установок с поршневыми и винтовыми компрессорами.

Хладагент С10М1. Хладагент С10М1 (ТУ 2412-003-32837395-98), разработанный компанией "АСТОР" и производимый под зарегистрированной маркой АСТРОНТМ 12, - это трехкомпонентная смесь на основе гидрохлорфторуглеродов R22/R21/R142b, имеющих ограниченный срок применения. Предназначена смесь С10М1 для ретрофита холодильных систем, работающих на R12.

Выпускают смеси двух марок (А и Б), различающихся массовыми долями компонентов: в смеси С10М1 марки A - R22, R21 и R142b массовые доли компонентов соответственно 65; 5 и 30%; в смеси С10М1 марки Б - 65; 15 и 20%.

Состав смеси подобран таким образом, чтобы эксплуатационные характеристики оборудования с этими хладагентами минимально отличались от показателей, достигаемых при работе с заменяемым хладагентом R12.

Хладагенты С10М1 нетоксичны, негорючи и по основным физико-химическим, термодинамическим и эксплуатационным свойствам сходны с хладагентом R12.

В качестве заменителя R12 хладагенты прошли трехлетние испытания в отечественном торговом холодильном оборудовании, в том числе в бытовых холодильниках производства заводов "Атлант", ЗИЛ и др.:

С10М1 марки А - в рефрижераторах железнодорожного транспорта (5-вагонные рефрижераторные секции ЦБ-5 производства завода "Дессау" и РС-4, выпускаемые на БМЗ), кондиционерах железнодорожного транспорта (установки типа МАБ-II);

С10М1 марки Б - в торговом холодильном оборудовании (холодильные агрегаты ВСР400, ВС500, ВС3800, ФАК-1,65МЗ, ФАК1,5МЗ, АК-4,5, АКФМ-4М и др.); в бытовых холодильниках (ЗИЛ-64, ЗИЛ-227, МХМ152, КШД270/280 и др.).

Преимущества хладагента С10М1 (АСТРОНТМ 12) по отношению к зарубежным аналогам следующие:

относительная дешевизна - хладагент состоит из компонентов, выпускаемых заводами России, а его производство организовано компанией "АСТОР" также на территории России;

транспортировать хладагент можно в контейнерах и баллонах, предназначенных для перевозки R12;

перевод холодильного оборудования с R12 на смеси С10М1 осуществляют исключительно путем замены самого хладагента без какой-либо модернизации холодильного оборудования, без внесения изменений в конструкцию холодильной машины и без замены компрессорного масла (в холодильном оборудовании, работающем на R12, используют минеральное масло ХФ12-16);

переход на хладагент С10М1 не предусматривает дополнительной подготовки холодильной системы к работе, переобучения персонала, применения специального оборудования или инструмента для сервисного обслуживания холодильной техники - согласно международной классификации, технология перехода на этот хладагент классифицируется как "drop in", т. е. простая замена.

Технология перевода действующей холодильной техники с хладагента R12 на смеси С10М1 отработана и оптимизирована в процессе опытной эксплуатации соответствующего оборудования. Обязательное условие применения смесей - заправка оборудования хладагентом в жидкой фазе. В случае утечки до 30...35 % хладагента С10М1 из системы в процессе эксплуатации проводят дозаправку смесью того же состава.

Хладагент R142b. При нормальной температуре и давлении HCFC-142b - бесцветный газ. Температура кипения при нормальном давлении  -9,8oС. Характеризуется невысокими давлениями при высоких температурах конденсации:

60

8,819

70

11,182

80

13,999

90

17,329

Используется в кондиционерах и тепловых насосах.   

Смесь R22/R142b. Хладагент представляет собой негорючую зеотропную смесь, компоненты которой имеют ограниченный Монреальским протоколом срок применения. Результаты испытаний бытовых холодильников, заправленных смесью R22 и R142b с массовыми долями соответственно 0,6 и 0,4показали, что энергопотребление осталось практически на том же уровне, что и при использовании R12. Применение этой смеси целесообразно при ретрофите действующего холодильного оборудования; при этом не требуется замены масел, фильтров-осушителей, а также внесения изменений в конструкцию холодильного агрегата. Смесь R22 и R142b может служить переходным хладагентом не только в бытовой технике, но и в другом холодильном оборудовании.

Хладагент R408A. Разработан концерном "ElfAtochem" в качестве альтернативы R502 при ретрофите в действующих холодильных системах. Близкоазеотропная смесь, состоит из компонентов R22, R143a и R125. Состав по массе (%) соответственно 44; 4 и 52. Предназначен для применения в мобильных транспортных холодильных системах, а также в промышленных холодильных установках с поршневыми и винтовыми компрессорами. У R408A и R502 при одной и той же температуре давления близки, температура конденсации выше на 10 К. Холодопроизводительность цикла примерно на 1...10 % выше, чем при работе на R502.

Плотность жидкости R408A ниже, чем у хладагента R502, а, следовательно, требуемая масса заправки, т. е. имеющиеся в установке ресиверы, трубопроводы и насосы, предназначенные для R502, можно использовать для R408A.

Кроме того, уменьшение массы заправки важно учитывать в малых установках, чтобы не допустить перезаправки во избежание превышения давления и потребляемой мощности. В малых установках снижение заправки может достигать 25 %, а в больших - 15 %.

R408A более гигроскопичен, чем R502, что связано с необходимостью тщательного соблюдения правил перекачки этого хладагента, заправки систем и т. п. Теплоемкость жидкости при постоянном давлении больше у R408A, что привозит к значительным потерям при дросселировании. Этого можно избежать, увеличив переохлаждение жидкости в конденсаторе. Теплопроводность насыщенной жидкости также больше у R408A. Это повышает эффективность теплообмена, а следовательно, улучшает термодинамические характеристики установки, что и подтвердили испытания.

Потребляемая мощность при отрицательных температурах ниже на 7 %, что важно при ретрофите, так как уменьшает опасность замыкания или сгорания электродвигателя. Поэтому для применения R408A даже в малых герметичных компрессорах нет ограничений.

Из-за высокой полярности молекул одного из компонентов (R143a) хладагент R408A взаимно растворим и с алкилбензольными, и с минеральными маслами. В компактных холодильных системах при стандартных условиях этого достаточно, чтобы обеспечить возврат масла в компрессор. Хладагент R408A можно использовать также в сочетании с полиэфирными маслами.

По отношению к уплотнительным материалам R408A менее агрессивен, чем R502.

В качестве фильтров-осушителей используют молекулярные сита, применяемые для R502 и R22. 

Альтернативные многокомпонентные хладагенты на основе углеводородов

Хладагент С1. В результате комплексных исследований в НИИ тепловых процессов им. В. М. Келдыша (Россия) разработан ряд многокомпонентных озонобезопасных хладагентов взамен R134a в качестве альтернативы R12. Наиболее перспективный из них хладагент С1 (азеотропная смесь R152/R600a), представляющий собой смесь углеводородов и фторуглеродов. Результаты исследований свидетельствуют о высоких теплофизических и эксплуатационных свойствах хладагентов и низком энергопотреблении холодильников, где используют эти хладагенты.

Зависимость холодопроизводительности и холодильного коэффициента от температуры кипения для С1, а также для R12 и R134a приведена на рисунке ниже. Эксперименты показали, что холодопроизводительность и холодильный коэффициент компрессоров ХКВ-6 и V1040G, заправленных смесью С1 в диапазоне температур кипения, характерных для бытовых холодильников и морозильников, соответствуют аналогичным параметрам для R12 и тем более для R134a.

Исследования, проведенные в НИИ тепловых процессов им. В. М. Келдыша, позволили сделать следующие выводы:

бытовые холодильники, заправленные хладагентом С1, работают устойчиво, их энергетические характеристики не хуже, чем при работе на R12, даже несколько превосходят их;

совместимость С1 с минеральным маслом ХФ 12-16 и конструкционными материалами позволяет максимально упростить процесс перехода с R12 на многокомпонентные хладагенты;

компоненты, входящие в С1, нетоксичны, их потенциал глобального потепления GWP низок; они освоены промышленностью развитых стран;

хладагент С1 горюч, но, как считают разработчики, необходимая доза для заправки бытовых холодильников и морозильников столь мала (28...56 г), что даже при полной утечке С1 из агрегата его концентрация (например, в кухне объемом 20 м3) будет ниже порога горючести в десятки раз.

Смесь пропан-бутан. По результатам исследований предлагается также использовать в бытовых холодильниках в качестве хладагента смесь пропан-бутан: при этом изменений в конструкцию бытового холодильника не вносят, а в качестве масла используют обычные минеральные масла, работающие с R12.

По энергетическим характеристикам теоретического холодильного цикла смесь пропан-бутан при аналогичных условиях уступает R12. Смесь пропан-бутана зеотропная.

Как было сказано ранее, такие смеси кипят при переменных температурах, но при постоянном давлении, т. е. это свойство может быть реализовано в холодильниках с двумя испарителями, когда кипение зеотропной смеси начинается в низкотемпературном отделении, а выкипание происходит в испарителе холодильной камеры при более высоких температурах.

Предлагаемая смесь пропан-изобутан (43 % R600a) горюча, но масса хладагента, находящегося в бытовом холодильнике, мала (20...40 г). Этой смесью заправляют бытовые холодильники в Германии, широко внедряют ее в Китае и Индии. Вместе с тем американское агентство по охране окружающей среды (ЕРА) ввело правило, запрещающее использование смеси пропан-изобутан (НС-12а) в качестве альтернативы R12.

Хладагент СМ1. Этот хладагент разработан в МЭИ (состав R134a/R218/R600), представляет собой зеотропную, пожаро- и взрывобезопасную смесь, по термодинамическим характеристикам близкую к R12 и растворимую в минеральных маслах. Не требуется изменения конструкций холодильных машин, применения новых смазочных масел и переоснащения производства.

Хладагент СМ1 предлагается также использовать в торговом и промышленном холодильном оборудовании, выпускаемом в настоящее время для работы на R12, а также для ретрофита части действующего парка холодильных машин.

Примерная потребность хладагента СМ1 (в новом производстве и при ретрофите) в 2000г.:

в бытовой холодильной технике 900 т;

в торговых холодильных машинах с воздушным охлаждением конденсаторов 600 т;

в промышленных холодильных машинах с воздушным охлаждением конденсатора 500 т.

Вместе с тем при имеющейся сырьевой базе промышленное производство хладагента СМ1 пока не организовано.

Альтернативные однокомпонентные хладагенты

Хладагент R717. Химическая формула NH3 (аммиак). Относится к группе ГФУ (HFC). Из "натуральных" хладагентов R717 стоит на одном из первых мест в качестве альтернативы R22 и R502. Производство аммиака в мире достигает 120 млн. т, и лишь малая часть его (до 5%) используется в холодильной технике.

Аммиак не разрушает озоновый слой (ODP = 0) и не вносит прямого вклада в увеличение парникового эффекта (GWP = 0). Газ с резким удушливым запахом, вредный для организма человека. Предельно допустимая концентрация в воздухе 0,02 мг/дм3, что соответствует объемной доле его 0,0028%. В соединении с воздухом при объемной доле 16...26,8% и наличии открытого пламени аммиак взрывоопасен.

Пары аммиака легче воздуха, он хорошо растворяется в воде (один объем воды может растворить 700 объемов аммиака, что исключает замерзание влаги в системе). Минеральные масла аммиак почти не растворяет. На черные металлы, алюминий и фосфористую бронзу не действует, однако в присутствии влаги разрушает цветные металлы (цинк, медь и ее сплавы). Массовая доля влаги в аммиаке не должна превышать 0,2%.

По термодинамическим свойствам аммиак - один из лучших хладагентов: по объемной холодопроизводительности он значительно превышает R12, R11, R22 и R502, имеет более высокий коэффициент теплоотдачи, что позволяет применять в теплообменных аппаратах трубы меньшего диаметра при заданной холодопроизводительности. Из-за резкого запаха аммиака появление течи в холодильной системе легко обнаруживается обслуживающим персоналом. Именно по этим причинам R717 нашел широкое применение в крупных холодильных установках. Хладагент R717 имеет низкую стоимость.

Один из недостатков аммиака - более высокое значение показателя адиабаты (1,31) по сравнению с R22 (1,18) и R12 (1,14), что приводит к значительному увеличению температуры нагнетания. В связи с этим предъявляют жесткие требования к термической стабильности холодильных масел, используемых в сочетании с аммиаком в течение длительного времени при эксплуатации установки. Конденсатор должен иметь развитую поверхность теплообмена, в результате чего возрастает его металлоемкость.

Характеристики хладагента R717, относящегося к группе ГФУ, а также некоторых хладагентов групп ХФУ и ГХФУ на линии насыщения приведены в таблице.

Аммиак имеет чрезвычайно высокое значение теплоты парообразования, вследствие чего сравнительно мал массовый расход циркулирующего хладагента (13... 15% по сравнению с R22). Это благоприятное качество для крупных холодильных установок, но затрудняет регулировку подачи аммиака в испаритель при малых мощностях.

Дополнительные сложности при создании холодильного оборудования вызывает высокая активность аммиака по отношению к меди и медным сплавам, поэтому трубопроводы, теплообменники и арматуру выполняют из стали. Из-за высокой токсичности и горючести аммиака сварные соединения тщательно контролируют. Вследствие высокой электропроводности R717 затруднено создание полугерметичных и герметичных компрессоров. Вместе с тем для промышленных холодильных установок мощностью более 20 кВт аммиак - лучшая альтернатива.

На аммиаке работают многие тепловые насосы. Ожидается применение аммиака в малых холодильных машинах для коммерческих установок.

Используемые в настоящее время масла не растворяются в аммиаке, поэтому в схему холодильной машины приходится включать маслоотделители, что увеличивает ее стоимость. В последние годы ведутся интенсивные исследования по разработке растворимого в аммиаке масла и созданию холодильного оборудования с "сухим" испарителем. Растворимость масла в аммиаке исключает образование пленки масла на теплообменных поверхностях, что повышает коэффициент теплоотдачи с 2700 до 9100 Вт/(м2*К).

Достигнутый в последние годы прогресс в разработке растворимых в аммиаке R717 холодильных масел может кардинально изменить тенденции в развитии холодильного машиностроения.

Хладагент R744. Химическая формула СО2 (диоксид углерода). Относится к группе ГФУ (HFC). Дешевое нетоксичное негорючее и экологически чистое (ODP = 0, GWP= 1) вещество. Стоимость диоксида углерода в 100...120 раз ниже, чем R134a.

Диоксид углерода имеет низкую критическую температуру (31 oС), сравнительно высокую температуру тройной точки (-56 oС), большие давления в тройной точке (более 0,5 МПа) и критическое (7,39 МПа). Может служить альтернативным хладагентом. Содержится в атмосфере и биосфере Земли, имеет следующие преимущества: низкая цена, простое обслуживание, совместимость с минеральными маслами, электроизоляционными и конструкционными материалами. Вместе с тем при использовании диоксида углерода требуется водяное охлаждение конденсатора холодильной машины, увеличивается металлоемкость холодильной установки (по сравнению с металлоемкостью установок, работающих на галоидопроизводных хладагентах). Высокое критическое давление имеет и положительный аспект, связанный с низкой степенью сжатия, вследствие чего эффективность компрессора становится значительной. Возможны перспективы применения диоксида углерода в низкотемпературных двухкаскадных установках и системах кондиционирования воздуха автомобилей и поездов. Его предлагают использовать также в бытовых холодильниках и тепловых насосах.

Хладагент R728. Химическая формула N2. Относится к группе ГФУ (HFC). Жидкий азот применяют в качестве криогенного охлаждающего средства в некоторых странах (Англия, США и др.). При атмосферном давлении температура кипения азота составляет -196 oС. Нетоксичный и экологически чистый (ODP = О, GWP = 0) хладагент. Криогенный метод охлаждения жидким азотом предусматривает одноразовое его использование. Этот метод реализуется в безмашинной проточной системе, в которой рабочее вещество не совершает замкнутого кругового процесса.

В связи с открытием в России значительных запасов (около 340 млрд м3) подземных газов с высоким содержанием азота себестоимость природного азота становится на порядок ниже, чем азота, полученного методом сжижения и разделения воздуха, что позволит применять в промышленных масштабах безмашинный способ охлаждения в аппаратах для быстрого замораживания пищевых продуктов. Для повышения степени использования низкотемпературного потенциала газообразного азота специалистами МГУПБ предложена система мобильного хладоснабжения.

Хладагент R290. Химическая формула С3Н8 (пропан). Относится к группе ГФУ (HFC). Потенциал разрушения озона ODP = 0, потенциал глобального потепления GWP = 3. Характеризуется низкой стоимостью и нетоксичен. При использовании данного хладагента не возникает проблем с выбором конструкционных материалов деталей компрессора, конденсатора и испарителя. Пропан хорошо растворяется в минеральных маслах. Температура кипения при атмосферном давлении -42,1 oС. Преимуществом пропана является также низкая температура на выходе из компрессора. Однако пропан как хладагент имеет два принципиальных недостатка. Во-первых, он пожароопасен, во-вторых, размеры компрессора должны быть больше, чем при использовании в холодильной машине R22 заданной холодопроизводительности.

В промышленных холодильных установках пропан используют уже в течение многих лет. В последние годы все чаще предлагается применять пропан в холодильных транспортных установках.

В Германии в 1994 г. было произведено более 1000 бытовых холодильников на пропане, изобутане или их смесях. Подобные холодильники изготовляют в Китае, Бразилии, Аргентине, Индии, Турции и Чили. По оценкам создателей этой техники, холодильный коэффициент при использовании углеводородов практически такой же (+(-)1%), как при работе на R12. Требуются только небольшие изменения в конструкции компрессора. Применяются те же минеральные масла, та же электроизоляция, те же уплотняющие материалы, трубы того же диаметра, практически не изменяется процедура сервисного обслуживания. Температура нагнетания становится ниже, чем при работе на R22 или R502. Пропан можно сразу заправить в систему, где до этого был озоноопасный хладагент. Как показали исследования, в этом случае теряется до 10% холодопроизводительности, если в системе ранее был R22, и 15%, если R502. Ряд специалистов считают, что и этого снижения можно было бы избежать, добавив к пропану полипропилен.

В США же запрещено использовать углеводороды в бытовых холодильниках. Агентство США по охране окружающей среды прогнозирует в случае их применения до 30 000 пожаров в год.

В Новой Зеландии углеводороды разрешено использовать в торговом холодильном оборудовании.

При размещении торгового холодильного оборудования, работающего на пропане, в общедоступных помещениях необходимо соблюдать правила безопасности. В случае превышения указанных норм заправки (более 2,5 кг R290) холодильное оборудование следует устанавливать в отдельном, специально оборудованном помещении, что увеличивает капитальные затраты. Пропан применяют и в тепловых насосах. В системе теплового насоса масса пропана чуть больше 1 кг, оборудование находится в отдельном здании. По мнению специалистов, контроль за пожароопасностью возможен.

Хладагент R600a. Химическая формула С4Н10 (изобутан). По сравнению с хладагентами R12 и R134a изобутан имеет значительные экологические преимущества. Этот природный газ не разрушает озоновый слой (ODP = 0) и не способствует появлению парникового эффекта (GWP = 0,001). Масса хладагента, циркулирующего в холодильном агрегате при использовании изобутана, значительно сокращается (примерно на 30%). Удельная масса изобутана в 2 раза больше удельной массы воздуха - газообразный R600a стелется по земле. Изобутан хорошо растворяется в минеральном масле, имеет более высокий, чем R12, холодильный коэффициент, что уменьшает энергопотребление. Физические свойства R600a в сравнении с хладагентами R12 и R134a приведены в таблице.

Изобутан горюч [хладагент 3-го класса (It/DIN 8975)], легко воспламенятся и взрывоопасен, но только при соединении с воздухом при объемной доле хладагента 1,3...8,5%. Нижняя граница взрывоопасности (1,3%) соответствует 31 г R600a на 1 м3 воздуха; верхняя граница (8,5%) - 205 г R600a на 1 м3 воздуха. Температура возгорания равна 460 oС.

В настоящее время итальянские и немецкие фирмы применяют R600a в бытовой холодильной технике. В частности, фирмы "Necci compressori" и "Zanussi" международного концерна Electrolux compressors" выпускают компрессоры, работающие на изобутане. Холодильные агрегаты с R600a характеризуются меньшим уровнем шума из-за низкого давления в рабочем контуре хладагента.

Использование изобутана в существующем холодильном оборудовании связано с необходимостью замены компрессоров на компрессоры большей производительности, так как по удельной объемной холодопроизводительности R600a значительно проигрывает хладагенту R12 (практически в два раза).

Долгое время в R600 или изобутане не было особой необходимости, и его производили в крайне ограниченных количествах. Сегодня это вещество снова напоминает о себе как популярный холодильный агент. Этот хладон связан больше не с Монреальским, а с Киотским протоколом по глобальному потеплению, призывающим отказаться от производства химических хладагентов. В этом отношении R 600 имеет большую перспективу. Практически любые нефтеперерабатывающие заводы могут приступить к выпуску изобутана в необходимых количествах.  Основной его недостаток - взрывоопасность, что накладывает ограничение на его использование в пределах допустимых норм концентрации. По счастью, большинство бытового и торгового холодильного оборудования содержит допустимую концентрацию R600. Кроме того, распространению изобутана будут способствовать принятые в июле 2002 года новые нормативные документы, регламентирующие применение этого вещества.

Хладагент R23. Химическая формула CHF3  (трифторметан). По сравнению с хладагентом R13 имеет значительные экологические преимущества. Потенциал разрушения озона ODP = 0, потенциал глобального потепления GWP = 12100. При соприкосновении с пламенем разлагается с образованием высокотоксичных продуктов. Негорючий газ. Хладон - 23 Хладагент высокого давления для получения температуры от -100ºС.
Температура кипения при атмосферном давлении -82,2oС. Критическая температура 25,85oС. Критическое давление 4,82 МПа

Хладагент R125. Химическая формула СНР2СР3 (пентафторэтан). Относится к группе ГФУ (HFC), не содержит хлора. Потенциал разрушения озона ODP = 0, потенциал глобального потепления GWP = 860. Температура кипения при атмосферном давлении -48,1 oС. Хладагент рекомендуется применять в чистом виде либо в качестве компонента альтернативных смесей для замены R22, R502 и R12. Хладагент R125 непожароопасен. По энергетическим характеристикам и коэффициенту теплоотдачи он проигрывает хладагентам R22 и R502. По сравнению с R502 имеет более крутую кривую, характеризующую зависимость давления насыщенных паров от температуры, низкую критическую температуру и небольшую удельную теплоту парообразования, что приводит к необходимости повышения степени сжатия. В связи с этим возможности применения R125 в холодильном оборудовании, использующем конденсаторы с воздушным охлаждением, весьма ограничены.

Вместе с тем R125 имеет более низкую (по сравнению с R22 и R502) температуру нагнетания и высокий массовый расход при низких давлениях всасывания. Поршневые холодильные компрессоры, работающие на R125, характеризуются оптимальным наполнением цилиндра, а следовательно, имеют большой коэффициент подачи.

Хладагент R134a. Химическая формула CF3CFH2 (тетрафторэтан). Молекула R134a имеет меньшие размеры, чем молекула R12, что делает более значительной опасность утечек. Относится к группе ГФУ (HFC). Потенциал разрушения озона ODP = 0, потенциал глобального потепления GWP = 1300. Хладагент R134a нетоксичен и не воспламеняется во всем диапазоне температур эксплуатации. Однако при попадании воздуха в систему и сжатии могут образовываться горючие смеси. Не следует смешивать R134a с R12, так как образуется азеотропная смесь высокого давления с массовыми долями компонентов 50 и 50%. Давление насыщенного пара этого хладагента несколько выше, чем у R12 (соответственно 1,16 и 1,08 МПа при 45 oС). Пар R134a разлагается под влиянием пламени с образованием отравляющих и раздражающих соединений, таких, как фторводород.

По классификации ASHRAE этот продукт относится к классу А1. В среднетемпературном оборудовании (температура кипения -7 oС и выше) R134a имеет эксплуатационные характеристики, близкие к R12.

Для R134a характерны небольшая температура нагнетания (она в среднем на 8...10 oС ниже, чем для R12) и невысокие значения давления насыщенных паров.

В холодильных установках, работающих при температурах кипения ниже -15 oС, энергетические показатели R134a хуже, чем у R12 (на 6% меньше удельная объемная холодопроизводительность при -18 oС), и холодильный коэффициент. В таких установках целесообразно применять хладагенты с более низкой нормальной температурой кипения либо компрессор с увеличенным часовым объемом, описываемым поршнями.

В среднетемпературных холодильных установках и системах кондиционирования воздуха холодильный коэффициент R134a равен коэффициенту для R12 или выше его.

В высокотемпературных холодильных установках удельная объемная холодопроизводительность при работе на R134a также несколько выше (на 6% при t0 = 10 oС), чем у R12. Диапазоны применения хладагента R134a приведены на рис., а зависимость холодопроизводительности и холодильного коэффициента от температуры кипения показана далее на рисунке.

Из-за значительного потенциала глобального потепления GWP рекомендуется применять R134a в герметичных холодильных системах. Влияние R134a на парниковый эффект в 1300 раз сильнее, чем у СО2. Так, выброс в атмосферу одной заправки R134a из бытового холодильника (около 140 г) соответствует выбросу 170 кг СО2. В Европе в среднем 448 г СО2 образуется при производстве 1 кВт*ч энергии, т.е. этот выброс соответствует производству 350 кВт*ч энергии.

Для работы с хладагентом R134a рекомендуются только полиэфирные холодильные масла, которые характеризуются повышенной гигроскопичностью.

R134a широко используют во всем мире в качестве основной замены R12 для холодильного оборудования, работающего в среднетемпературном диапазоне. Его применяют в автомобильных кондиционерах, бытовых холодильниках, торговом холодильном среднетемпературном оборудовании, промышленных установках, системах кондиционирования воздуха в зданиях и промышленных помещениях, а также на холодильном транспорте. Хладагент можно использовать и для ретрофита оборудования, работающего при более низких температурах. Однако в этом случае, если не заменить компрессор, то холодильная система будет иметь пониженную холодопроизводительность.

R134a совместим с рядом уплотняющих материалов. Как показал анализ, проведенный фирмой "Du Pont", изменение массы и линейное набухание таких материалов, применяемых в отечественном холодильном оборудовании, как фенопластовые и полиамидные колодки, текстолит, паронит и полиэтилентерефталатовые пленки, при старении в смеси SUVA R134a с полиэфирным маслом "Castrol SW100" при 100 oС в течение 2 недель были незначительными.

Анализ зарубежных публикаций и результаты исследований отечественных специалистов свидетельствуют о том, что замена R12 на R134a, имеющий высокий потенциал глобального потепления GWP, в холодильных компрессорах сопряжена с решением ряда технических задач, основные из которых:

улучшение объемных и энергетических характеристик герметичных компрессоров;

увеличение химической стойкости эмаль-проводов электродвигателя герметичного компрессора;

повышение влагопоглощающей способности фильтров-осушителей из-за высокой гигроскопичности системы R134a - синтетическое масло.

Все это должно привести к значительному увеличению стоимости холодильного оборудования. Вместе с тем в водоохладительных установках с винтовыми и центробежными компрессорами применение R134a имеет определенные перспективы.

Хладагент R143a. Химическая формула CF3-СН3 (трифтор-этан). Относится к группе ГФУ (HFC).

R143a имеет потенциал разрушения озона ODP = 0 и сравнительно высокий потенциал глобального потепления GWP = 1000, нетоксичен и пожароопасен, не взаимодействует с конструкционными и прокладочными материалами. Наличие трех атомов водорода в молекуле R143a способствует хорошей растворимости в минеральных маслах. Температура нагнетания ниже, чем у R12, R22 и R502. Как показал эксергетический анализ, энергетическая эффективность двухступенчатого цикла с R143a близка к эффективности цикла с R502, ниже, чем у R22, и выше, чем у R125. Хладагент R143a входит в состав многокомпонентных альтернативных смесей, предлагаемых для замены R12, R22 и R502.

Хладагент R32. Химическая формула CF2H2 (дифторметан). Относится к группе ГФУ (HFC). R32 имеет потенциал разрушения озона ODP = 0 и низкий по сравнению с R125 и R143a потенциал парникового эффекта GWP = 220. Нетоксичен, пожароопасен. Имеет большую удельную теплоту парообразования 20,37 кДж/моль при нормальной температуре кипения и крутую зависимость давления насыщенных паров от температуры, вследствие чего для R32 характерна высокая температура нагнетания, самая высокая из всех альтернативных хладагентов, за исключением аммиака. R32 растворим в полиэфирных маслах.

Для R32 при использовании его в холодильных установках характерны высокие холодопроизводительность и энергетическая эффективность, но он несколько уступает R22 и R717. Высокая степень сжатия R32 вызывает необходимость в значительном изменении конструкции холодильной установки при ретрофите и, следовательно, приводит к увеличению ее металлоемкости и стоимости. Поэтому R32 рекомендуется использовать в основном в качестве компонента альтернативных рабочих смесей. Вследствие малых размеров молекулы R32 по сравнению с молекулами хладагентов этанового ряда возможна селективная утечка R32 через неплотности в холодильной системе, что может изменить состав многокомпонентной рабочей смеси.

Разговор о современных хладонах был бы неполон без упоминания R510, разработанного российскими учеными из исследовательского кооператива "Элегаз". Достоинство этого хладона - в хорошей совместимости с R12, R22, R134а, безопасности, энергетической эффективности, низкой чувствительности к загрязнениям трубопроводов, наличию остаточной влаги и простоте обнаружения утечек. Минусом же является отсутствие промышленного производства в крупных объемах, что определяет достаточно высокую цену R510 - около 20 долларов за килограмм.

 

Другие малоиспользуемые хладаагенты

 

Хладагент - заменитель

Компоненты

Состав (%масс)

t нк.

t с.

Pc. МПа

ODP

GWP

Glide, гр.С

Холод. масло

Что заменяет

Примечание

R218

218

100

-36.7

71.9

2.68

0

>34000

0

ПЭ

R22

НО

RC318

C318

100

-7.0

115.4

2.78

0

9100

0

ПЭ

R12

НО

AZ смесь

134a/152a

80/20

-25.8

105.4

4.17

0

1070

0

ПЭ

R12

НО МО

ИПЭ НАНБ

22/218

60/40

-46

80

3.9

<0.05

19800

0.5

ПЭ

R12

МО

"Экохол-2"

142b/C318

42/58

-14

126.3

3.44

0.04

4600

0

М

R12

МО

"Экохол-3"

22/142b/C318

40/48/12

-28.9

 

 

0.05

 

8

М

R12

МО

С-10

22/21

48/52

-29

139

5.3

0.05

1860

21

М

R12

МО

С10М2А

22/134a/21

45/33/22

-34

124

 

<0.05

 

13

ПЭ

R12

НО МО

С10М2Б

22/134a/21

56/35/9

-35

114

 

<0.05

 

7

ПЭ

R12

НО МО

"Астор"

22/218/21

45/50/5

-47

90

3.8

<0.05

17900

5

М

R12

МО

R510 НИПК"Элегаз"

218/7146

95/5

-41.7

70.7

2.68

0

33000

0

М

R12

МО

Состав химических групп:     ХФУ(CFC) -11,12     ГХФУ(HCFC) -22,123,124,142b      ГФУ(HFC) -23,32,125,134a,143a,152a       Углеводороды: (HC)- 290(пропан), 600А(изобутан), 1270(пропилен)        400 - зеотропные смеси     500 - азеотропные смеси.

Примечание:  НО - новое оборудование   МО - модернизирумое оборудование   М - минеральное масло    ПЭ - полиэфир  АБ - алкилбензол                     

 

Хладагент

Условное обозначение по Международному стандарту

Химическая формула

Воздух

R729

-

Вода

R718

H2O

Сернистый ангидрид

R764

SO2

Водород

R702

H2

Гелий

R704

He

Неон

R720

Ne

Кислород

R732

O2

Аргон

R740

Ar

Шестифтористая сера

R846

SF6

Метан

R50

CH4

Этан

R170

C2H6

Бутан

R600

С4Н10

Этилен

R1150

C2H4

Пропилен

R1270

C3H6

Фреоны

R10

CCl4

R14

CF4

R13B1

CF3Br

R20

CHCl3

R21

CHCl2F

R30

CH2Cl2

R31

CH2ClF2

R40

CH3Cl

R41

CH3F

R110

C2Cl6

R111

C2FCl5

R112

C2F2Cl4

R112a

CCl3CClF2

R113

CCl2FCClF2

R113a

CCl3CF3

R114

CClF2CClF2

R114a

CCl2FCF3

R114B2

CBrF2CBrF2

R115

CCl2F2CF3

R116

C2F6

R120

C2HCl5

R123

C2HCl2F3

R124

C2HClF4

R124a

CHF2CCl2F2

R133a

CH2ClCF3

R140a

CH3CCl3

R150a

CH3CHCl2

R152a

CH3CHF2

R160

CH3CH2Cl

R218

C3F8

RC316

C4Cl2F6

RC317

C4ClF7

R500

CCl2F2 (73,8 %) + C2H4F2 (26,2 %)

R501

R22(75 %) + R12 (25 %)

R503

R23(40,1%) + R13(59,9%)

R504

R32 (48,2 %) + R115 (51,8%)

R505

R12(78,0%) + R31 (22,0%)

R506

R31 (55, 1%) + R114(44,9%)

 

Туманные перспективы

Сегодняшняя ситуация на рынке хладонов такова, что выделить продукт, который бы отвечал всем предъявляемым требованиям, невозможно. Каждый из имеющихся хладонов хоть в чем-то, но не дотягивает до идеала. Ужесточение экологических требований, скрепленных международными договорами, может только усугубить ситуацию, выкинув с рынка зарекомендовавшие себя с хорошей стороны продукты и открыв дорогу малоизученным и опасным хладонам. Последние же должны в любом случае попасть под более пристальное внимание Санэпиднадзора. Возможно, от этого пострадают владельцы оборудования, заправленного многокомпонентными смесями, которые признают токсичными и опасными. Нельзя исключать и появления новых, пока неизвестных холодильных агентов. Однако длительные затраты на их изучение и, тем более, внедрение в производство не позволят им сколь либо сильно влиять на существующую расстановку сил.