CC BY
92
УДК621.56
Замена хладагента К22 на альтернативный в регионах с высокой температурой окружающей среды
Канд. техн. наук А. П. ЦОЙ, А. С. ФИЛАТОВ, Д. А. ЦОЙ
Алматинский технологический университет Республика Казахстан, 050012, г. Алматы, ул. Толе би, 100
The refrigerant R22 as a result of its influence on the ozone layer of the earth (ODP = 0,05) cannot be used in the long-term perspective in accordance with the government regulation of the turnover of ozone depleters and goods containing them. Based on the research performed the most appropriate substitutes for R22 are Refrigerants: R404A, R407, R507 and R134a.
Reviewed refrigerants R404A, R407B, R507 used on the refrigerating machines operating on the condensation temperature oftc = 650 °C have the condensing pressure higher than of refrigerant R22 for approximately 19%. Therefore in the given temperature it is recommended to use refrigerant R134a, which has the 30 % lower condensation pressure than R22.
Keywords: ozone depletion potential (ODP), ozone depleters, hydrofluorocarbon, haloid free, chlorine free (HFC). Ключевые слова: потенциал озонобезопасности (ODP), озоноразрушающие вещества, гидрохлорфторуглероды, безгалоидные, хлорнесодержащие (HFC).
В настоящее время хладагент Я22 является одним из основных хладагентов, используемых в холодильных системах. Однако данный хладагент ввиду его влияния на озоновый слой Земли (потенциал озонобезопасности ООР = 0,05) не может быть использован в долгосрочной перспективе в соответствии с государственным регулированием оборота озоноразрушающих веществ и содержащей их продукции [1,2].
В данной статье представлен структурный обзор, а также анализ основных преимуществ однокомпонентных и смесевыххладагентов с ООР, равным нулю, которые являются альтернативой Р22 в регионах с высокой температурой окружающей среды (рис. 1). Также принимается во внимание потенциал воздействия на глобальное потепление
(GWP), определяющий суммарное эквивалентное воздействие на потепление — TEWI (total equivalent warming impact).
Согласно стандарту 34—1997 ASHRAE «Классификация по группам безопасности», введены две категории хладагентов по токсичности (А, В) и три группы пожарной безопасности в каждой из этих категорий. Первую группу в каждой категории составляют негорючие хладагенты (А), вторую — хладагенты с «умеренной» воспламеняемостью (А2), третью — высокогорючие хладагенты (АЗ). Токсичным хладагентом считают индекс В1. Для смесевых хладагентов вводится двойная индексация. Первый индекс дается для смеси исходного состава, второй индекс означает оценку безопасности для худшей ситуации при фракционировании
Альтернативные
хладагенты
Рис. 1. Классификатор однокомпонентных и смесевых хладагентов с ODP = О
смеси. Наличие у смеси индекса безопасности, к примеру А1/А2, означает, что возможна ситуация, когда воспламенение смеси становится реальным.
Хладагент К161. По термодинамическим параметрам хладагент Ю61 подобен И22, но является озонобезопасным (СЮР = 0) и имеет низкий потенциал глобального потепления (С\УР = 12). Однако данный хладагент является легковоспламеняющимся (категория А2).
Хладагент Ш52а. Указанный хладагент уже в течение некоторого времени рассматривается как альтернативная замена Я134а в автомобильных кондиционерах воздуха.
Однако хладагент К152а легко воспламеняется из-за низкого содержания фтора и классифицируется по категории опасности А2. Недостатком в случае более высокой степени сжатия является сравнительно высокая температура нагнетания в компрессоре, лежащая между уровнями температур для Р134а и К22, известного своей высокой тепловой нагрузкой (рис. 2) [3]. .
Хладагенты Н32, 11143а, М25. Данные хладагенты также относятся к хлорнесодержащим (ОБР = 0) альтернативным. Хлорнесодержащий (НБС) хладагент Р32 первоначально рассматривался как альтернатива для 1122.
Главным преимуществом КЗ2 является чрезвычайно низкий потенциал воздействия на глобальное потепление (С\УР = 650). Хладагенты И32 и К143а относятся к легко воспламеняющимся (категория опасности А2), следовательно, не могут являться прямыми заменителями Ы22. Кроме того, Я32 характеризуется весьма высокими уровнями давления конденсации (рис. 3) [3].
Хладагент Ш25 является невоспламеняю-щимся, температура его кипения составляет минус 48,5 °С, а показатель адиабаты сравнительно низок. Недостатками К125 являются крутая кривая давления конденсации (рис. 3), требующая более высокой степени сжатия, и весьма низкая критическая температура, равная 66 °С. В связи с этим, область его применения в установках с конденсаторами воздушного охлаждения ограничена, а эф-
Испарение, °С
фективность охлаждения при высоких температурах конденсации относительно невелика.
Хладагенты ЯбООа, 1*170. Пропан предлагается в виде смеси с изобутаном (КбООа) или этаном (Ш70), поэтому эти хладагенты являются легко воспламеняющимися.
Хладагент К1270. Пропилен «высокогорючий» Ю270 относится к группе АЗ по пожароопасности; имеет место частичное ограничение применения ввиду более высокой температуры нагнетания.
Хладагент К290. В качестве хладагента-заменителя может использоваться также и 11290 (пропан), представляющий собой органическое вещество (углеводород). Данный хладагент не обладает озоноразрушающим потенциалом, а также каким-либо существенным прямым воздействием на глобальное потепление.
Уровни давлений конденсаций аналогичны Я22 (рис. 4) [4].
Ввиду весьма благоприятной характеристики давления конденсации вплоть до температур испарения около минус 40 °С в установках с Я290 могут применяться одноступенчатые компрессоры.
Недостатком углеводородов является высокая горючесть, поэтому они отнесены к категории опасности АЗ. Так как для установки, работающей на 11290, требуется принятие мер пожаровзрывобез-
Температура, °С Рис. 3. Сравнение уровней давления конденсации для хладагентов 1132, Я125, К 143а
Температура, °С
Рис. 2. Сравнение температур нагнетания в компрессоре для хладагентов Я22, Я 152а, К 134а
Рис. 4. Сравнение уровней давления конденсации для хладагентов Я22, Я290, К1270
опасности, перевод существующих установок целесообразен лишь в исключительных случаях.
Хладагент К723. Данный хладагент является токсичным и легко воспламеняющимся. Относится к группе опасности В2 и имеет по сравнению с Я22 высокую температуру нагнетания (рис. 5) [3].
Хладагент 11717. Недостатком К717 (МН3)
является высокий адиабатический показатель (Т^Н., = 1,31; Л22 = 1,18), что отражается на температуре нагнетания, которая существенно выше, чем у Ы22 (рис. 6). Аммиак является токсичным и относится к группе В2, поэтому в связи с легкой воспламеняемостью и токсичностью по категориям А2, АЗ, В2 применение хладагентов 1132, К] 61, Ю43а, Ш52, 11600а, Ш70, Ш270, Я290, 11723, Я717 требует специального рассмотрения.
Хладагент Я419А. Данный хладагент является смесью базовых компонентов К125 и 11134а с более высоким содержанием Л125 и диметилэфиром (Я-Е170) в качестве третьего компонента вместо бутана. Следует принять во внимание критерии, описанные для Я125 ранее. Аналогичны также и термодинамические свойства с вытекающими из них следствиями.
Хладагент К410А. Данный хладагент представляет собой азеотропную смесь (С\УР = 1720). Существенной особенностью является удельная холодопроизводительность, которая почти на 50 % выше, чем у 1122, однако происходит пропорциональное повышение рабочих давлений в системе (см. рис. 6) [4]. Ввиду незначительного температурного скольжения (< 0,2 К) практичность применения смеси представляется аналогичной однокомпонентным хладагентам. Однако следует учитывать уровни давления конденсации и более высокую удельную нагрузку на узлы системы.
Высокие уровни давления конденсации для Я410А требуют внесения коренных изменений в конструкции компрессора, теплообменников, органов управления, трубок и шлангов наряду с обращением особого внимания на общие правила безопасности, регламентирующие качество и размеры шлангов и гибких элементов (для температуры конденсации около 60 °С, давление 38 бар).
Другим критерием является сравнительно низкая критическая температура, равная 73 °С. Тем самым, независимо от конструкции узлов на стороне высокого давления, существенно ограничивается температура конденсации.
Хладагент Л744 (С02). Данный хладагент стал менее популярен и практически исчез с рынка. Основными причинами являются относительно неблагоприятные для обычных применений в холодильной технике и установках кондиционирования термодинамические характеристики. Давление нагнетания С02 чрезвычайно высокое, а критическая температура, равная 31 °С при давлении 74 бар, — слишком низкая.
Хладагенты И404А, 11507. Смесевые хладагенты К404А, К507А являются хлорнесодержащими (ООР = 0) и поэтому долгосрочными альтернати-
Испарение, °С Рис. 5. Сравнение температур нагнетания хладагентов
Температура, °С
Рис. 6. Сравнение уровней давления конденсации хладагентов
вами Я22. Особенностью всех трех ингредиентов (Я143а, Ш25, Ю34а) признан чрезвычайно низкий показатель адиабатического сжатия, что выражается низкой температурой нагнетания. Поэтому эффективность применения одноступенчатых компрессоров при низких температурах испарения гарантирована.
Благодаря одинаковым точкам кипения Я143а и Ю25 и относительно малому содержанию Я134а температурное скольжение трехкомпонентной смеси Я404А в значимых областях применения меньше одного градуса Кельвина. Поэтому поведение этой смеси в теплообменниках мало отличается от поведения азеотропов.
Хладагент Я507А. Данный хладагент — двухкомпонентное сочетание, обнаруживающее азеотроп-ное поведение в сравнительно широком диапазоне. Некоторое препятствие представляет относительно высокий потенциал воздействия на глобальное потепление (С\\/Р = 3260...3300), определяемый главным образом наличием Ш43а и Ш25.
Хладагенты Я407А, Я407В. В качестве альтернативы ранее описанным заменителям были разработаны дополнительные разновидности смесей на основе 1132, которые не содержат хлора (ООР = 0). Важным фактором является значительное температурное скольжение (2—3 К), которое может отрицательно влиять на производительность и разность температур испарения и конденсации.
Хладагент 11407(1 Смеси фторуглеродов Я32, К125 и 134а наиболее предпочтительны для краткосрочной замены Я22, так как их производительность и эффективность весьма схожи.
Недостатком при обычном применении является высокое температурное скольжение, что требует соответствующего проектирования систем и может отрицательно влиять на эффективность теплообменников.
Хладагент Я134а. Данный хладагент является первым всесторонне проверенным хлор-несодержащим (НРС) хладагентом с СЮР = О и С\¥Р = 1300. В настоящее время он успешно используется во многих холодильных установках и системах кондиционирования в чистом виде, а также в качестве компонентов множества смесей.
Всесторонние испытания показали, что производительность Я 134а превышает теоретические прогнозы в широком диапазоне режимов работы компрессоров. Уровни температур нагнетания и масла существенно ниже, чем у Я22, поэтому широк спектр его применения в системах кондиционирования и среднетемпературных холодильных установках. Для экономической эффективности применения благоприятствуют хорошие показатели теплопередачи в испарителях и конденсаторах в отличие от зеотропных смесей, например Я407С, используемых в настоящее время как заменитель.
В регионах с высокой температурой окружающей среды предпочтительнее заменять Я22 на Я134а (гк = 101,1 °С), так как диапазон применения Я^2 в подобных установках ограничен высоким уровнем давления конденсации (рис. 7) [4].
Однако более низкая удельная объемная холодопроизводительность Я134а требует применения компрессора большей объемной производительности, чем при применении 1122. Необходимо также принимать во внимание ограничения, имеющие место в установках с низкой температурой испарения.
Как уже показал опыт, Я134а хорошо под-
Температура, °С
Рис. 7. Сравнение уровней давления конденсации для хладагентов 1122 и К134а
ходит и для перевода на него существующих установок, работающих на 1122, однако применение процедуры такого ретрофита не всегда возможно, поскольку не все ранее установленные компрессоры пригодны для работы на Я 134а. Кроме того, перевод на Я134а требует производить замену масла, что не подходит, например, для большинства герметичных компрессоров.
Возникают также и экономические соображения, особенно в отношении старых установок, для которых затраты на перевод на Я 134а сравнительно высоки. Химическая стабильность таких установок часто недостаточна, что ставит под вопрос успешность перевода. Поэтому существующие установки, работающие на 1122, без замены вспомогательных узлов могут быть переведены на Я 134а только ограниченно. При техническом обслуживании компрессора (не считая замены масла) теплообменник и сосуд высокого давления пригодны для работы на Я 134а, однако холодопроизводительность и потребляемая мощность при той же объемной производительности компрессора после перевода установки на Я134а существенно уменьшаются. Разность температур испарения и конденсации будет значительно меньше.
Кроме того, необходимо встраивать в холодильный контур относительно крупные фильтры-осушители, которые должны также соответствовать более малому размеру молекул Я134а.
Хладагент Я1234уГ. Недавно синтезирован новый хладагент — тетрафторпропилен Я1234уГ (СЮР = 0), имеющий низкий потенциал глобального потепления С\¥Р = 4.
В нормативе ЕС указано, что с 1 января 2011 г. все транспортные средства новой модели должны использовать для систем кондиционирования воздуха хладагент Я1234уГ критическая температура которого / = 95,65 °С, поэтому он может быть рекомендован для применения в регионах с высокой температурой окружающей среды. Этот новый газ со временем заменит традиционный Я134а, который будет еще использоваться концернами-производителями до 2017 г. в транспортных средствах старых моделей. Хладагент Я1234у1"прошел все надзорные инстанции в США и рекомендован для автомобильных кондиционеров.
Поскольку хладагент Я1234уГ оказывает меньший вред окружающей среде, то его применение требует рассмотрения на долгосрочную перспективу использования, так как в будущем Европа планирует применять холодильные агенты с С\УР не более 50. Однако Я1234уГ был признан как легковоспламеняющийся. Данный факт требует принятия специальных конструктивных решений, во избежание пожара. Для этого надо иметь систему высоконапорных вентиляторов большой производительности, чтобы исключить возможность застаивания газа внутри помещения.
Таким образом, на основе проведенного обзора можно сделать заключение, что в настоящее время наиболее приемлемыми в регионах с высокой температурой окружающей среды в качестве альтернативных для Я22 являются хладагенты Я404А, 11407, Я507 и Я 134а.
Оптимальные температурные области применения хладагентов показаны на рис. 8 [3].
Термодинамический расчет эффективности разных хладагентов с учетом условий эксплуатации
Термодинамические параметры цикла холодильной машины, работающей в режиме кондиционирования (температура кипения /0 = 10 °С, расчетная температура конденсации ?р к = 65 °С) для различных хладагентов, применяемых для замены хладагента Я22, приведены в табл. 1.
Расчет относительных термодинамических параметров произведен относительно заменяемого хладагента 1122. В таблице даны следующие обозначения: относительный удельный объем VI, относительный объем V, относительный массовый расход 0. Холодильный коэффициент ё у всех холодильных агентов, кроме Я134а—меньше, чем у К22. Массовая удельная холодопроизво-дительность у всех холодильных агентов меньше единицы, но наиболее близкая к 1122 у хладагента ИЛ34а (<?„ = 0,92). Сравнение циклов с различными хладагентами показано на рис. 9.
Удельная объемная холодопроиз-водительность изменяется ОТ СIV = 0,65
до единицы. Самая низкая объемная холодопроизводительность у 11134а (ду = 0,65). Давление конденсации у всех хладагентов выше, чем у 1122 кроме Ш34а. Максимальное давление конденсации рк= 1,19 у хладагентов 11404А, Я407В и 11507 и минимальное рк = 0,70 у Ш34а. Удельная работа ё у всех хладагентов отличается незначительно и изменяется от 0,78 до 0,91. Потребляемая мощность N у всех машин, работающих на рассматриваемых хладагентах, повышается относительно 1122 от 17 до 44 %.
В результате проведенного термодинамического расчета эффективности различных хладагентов с учетом условий эксплуатации были сделаны следующие заключения:
1. Все рассматриваемые холодильные агенты (Я404А, Я407В, 11507 и Ш34а) за исключением Ю34а имеют давление конденсации выше, чем у существующего хладона 1122, на 19 %.
2. Рекомендуется применять хладон Ю34а, у которого при заданном температурном режиме давление конденсации на 30 % ниже, чем у хладона 1122 (при заданных условиях эксплуатации).
3. При работе на хладоне Я134а по сравнению с И.22 повышение потребляемой мощности на 28 % связано с увеличением объемной производительности компрессора. Удельная энергия, затрачиваемая на сжатие пара, на 9 % меньше, а холодильный коэффициент на 1 % больше.
Таблица 1
Относительные термодинамические характеристики холодильной машины
Тип Є V Ра е в N
К22 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Я404А 0,69 0,60 0,722 0,842 1,187 1,19 0,875 1,644 1,44
Я407В 0,76 0,59 0,888 0,668 1,497 1,19 0,781 1,686 1,32
11507 0,85 0,66 0,666 0,996 1,004 1,19 0,781 1,507 1,17
Ш34а 1,01 0,92 1,416 0,646 1,547 0,70 0,906 1,092 1,28
Хладагент Температура, °С
40 20 0 -20 | -40 -60
Я22 *
ЯІ24; Я142Ь
Ю34а 1
Я404А; І1507А; Я407В 1
Ы407А « 1
І1407С І
Я410А 1
Рис. 8. Оптимальные температурные области применения хладагентов: 111111 — оптимальная зона; ЯШ — применение с ограничениями; I I — непригодно
Рис. 9. Сравнение циклов с различными хладагентами
Максимальные температуры конденсации для разных типов компрессоров при применении различных холодильных агентов даны в табл. 2 [3].
С учетом условия, что холодильные машины работают при расчетной температуре конденсации /к = 65 °С, обеспечивается стабильная и гарантированная работа компрессора, заправленного только хладагентом И. 134а:
— поршневой компрессор работоспособен
до / =80 °С;
^ к шах 7
— спиральный компрессор работоспособен
до / =70 °С;
^ к шах ’
— винтовой сальниковый компрессор работоспособен до гк тах = 70 °С;
— винтовой полугерметичный компрессор работоспособен до / =65 °С.
1 к гпах
Таблица 2
Максимальные температуры конденсации для компрессоров с разными хладагентами
Наименование Тип г т
компрессора хладагента
Я22 62
11407С 62
Поршневой Я404А 55
Я507А 55
Я717 55
Я134а 80
Я22 65
Я407С 65
Спиральный Я404А 55
Я507А 55
Я 134а 70
Винтовой сальниковый Я404А 55
Я507А 55
Я 134а 70
Я404А 55
Винтовой Я507А 55
полугерметичный Я22 60
Я134а 65
Выводы
В результате обзорного и расчетно-теоретического анализа альтернативных для Я22 хладагентов в регионах с высокой температурой окружающей среды наиболее оптимальным в настоящее время является хладагент Ю34а с категорией пожароопасности А1; (ЮР = 0; С\УР= 1300; 1 = 101,1.
5 5 5 кр ’
В долгосрочной перспективе, для использования в холодильных машинах из известных на сегодняшний день хладагентов наиболее приемлемым является хладагент К1234уГ с категорией пожароопасности А2; ОПР = 0; С\\'Р = 4; / = 95,65.
кр
Список литературы
1. Цветков О. Б. СБС-, НСРС- и НРС-хладагенты в перспективе экологического алар-мизма // Холодильная техника. 2011. № 8.
2. Целиков В. Н. Организация системы государственного регулирования оборота озоноразрушающих веществ и содержащей их продукции на территории Российской Федерации в 2011—2015 гг. // Холодильная техника. 2011. № 8.
3. Вкгег. Обзор хладагентов. Издание 13. А-501—13. 2004.
4. Термодинамические диаграммы /—1%Р для хладагентов. — М.: АВИСАНКО, 2003.
