7.4 Альтернативні однокомпонентні холодоагенти

Продовж останнього десятиріччя все більше уваги приділяється використанню як холодоагентів “натуральних” речовин. Пояснюється це не лише вимогами Монреальського протоколу, яким забороняється виробництво і застосування озоноруйнівних речовин, але й прагненням знизити непрямий і прямий внесок у загальний коефіцієнт еквівалентного потепління – ТЕWІ шляхом вибору холодоагентів, які мають високу енергетичну ефективність і низький потенціал глобального потепління – GWР. У зв’язку з цим, фахівців приваблює можливість використання таких “натуральних” холодоагентів, як діоксид вуглецю, вуглеводи й аміак. Причому найбільші перспективи застосування в різних типах холодильного обладнання завдяки своїм фізичним, термодинамічним, токсикологічним властивостям, безумовно, мають вуглеводні [33].

Холодоагент R717. Хімічна формула NH₃ (аміак). З “натуральних” холодоагентів R717 знаходиться на одному з перших місць як альтернатива R22 і R502. Виробництво аміаку у світі досягає 120 млн. т, та лише мала частина його (до 5%) використовується у холодильній техніці.

Відомі переваги аміачних холодильних установок з безпосереднім кипінням аміаку в камерних охолоджувальних пристроях [34] :

– аміак не входить до числа речовин, регульованих Монреальским протоколом і додатками до нього, а також Кіотським протоколом;

– як робоча речовина холодильних машин, аміак енергетично високоефективніший у діапазоні температур кипіння й конденсації, що використовуються;

– за роки застосування аміаку, накопичено великий практичний досвід – добре вивчені його теплофізичні, енергофізичні та гідродинамічні характеристики, результат впливу на живі організми, визначені основні компенсуючи заходи, що забезпечують практично безпечне його використання;

– розроблені Норми й Правила безпечної експлуатації АХУ.

На підприємствах агропромислового комплексу використовують холодильні установки холодопродуктивністю 30...8000 кВт, що забезпечують температури охолодного середовища -45...+ 15 °С. Маса аміаку в системах становить 3÷90 т.

Аміак не руйнує озоновий шар (ODР = 0) і не робить прямого внеску в збільшення парникового ефекту (GWР = 0). Разом з тим відомо, що аміак — токсична речовина 4-го класу небезпеки: газ, із різким задушливим запахом, шкідливий для організму людини. Гранично припустима концентрація в повітрі 0,02 мг/дм³, що відповідає об’ємній частці його 0,0028%. У поєднанні з повітрям, при об’ємній частці 16÷26,8% і наявності відкритого полум’я, аміак вибухонебез- печний. Температура спалахнення з повітрям 651 °С.

Пари аміаку легші за повітря, вони добре розчиняються у воді (один об’єм води може розчинити 700 об’ємів аміаку, що виключає замерзання вологи в системі). Мінеральні мастила аміак майже не розчиняє. На чорні метали, алюміній і фосфористу бронзу не діє, однак у присутності вологи руйнує кольорові метали (цинк, мідь і її сплави). Масова частка вологи в аміаку не повинна перевищувати 0,2%.

За термодинамічними властивостями аміак – один із кращих холодо- агентів: по об’ємній холодопродуктивності він значно перевищує R12, R11, R22 і R502, має більш високий коефіцієнт тепловіддачі, що дозволяє застосовувати в теплообмінних апаратах труби меншого діаметра при заданій холодопродуктивності. Через різкий запах аміаку, поява течі в холодильній системі легко виявляється обслуговуючим персоналом. Саме з цих причин R717 знайшов широке застосування у великих холодильних установках. Холодоагент R717 має низьку вартість.

Один із недоліків аміаку – більш високе значення показника адіабати (1,31) у порівнянні з R22 (1,18) і R12 (1,14), що приводить до значного збільшення температури нагнітання. У зв'язку із цим, вживаються жорсткі вимоги до термічної стабільності холодильних мастил, які використовуються у сполученні з аміаком протягом тривалого часу при експлуатації установки. Конденсатор повинен мати розвинену поверхню теплообміну, через що зростає його металоємність. Аміак має надзвичайно високе значення теплоти паротворення, внаслідок чого порівняно мала масова витрата циркулюючого холодоагенту (13÷15 % у порівнянні з R22). Це сприятлива якість для великих холодильних установок, але вона ускладнює регулювання подачі аміаку у випарник, при малих потужностях.

Холодоагент R744. Хімічна формула С0₂ (діоксид вуглецю). Дешева нетоксична, негорюча й екологічно чиста (ODР = 0, GWP= 1) речовина. Вартість діоксиду вуглецю в 100÷120 разів нижча, за R134а.

Діоксид вуглецю має низьку критичну температуру (31 °С), порівняно високу температуру потрійної точки (-56 °С), великий тиск в потрійній точці (більше 0,5 Мпа) та критичний (7,39 Мпа). Може слугувати альтернативним холодоагентом. Утримується в атмосфері й біосфері Землі, має наступні переваги: низька ціна, просте обслуго- вування, сумісність із мінеральними мастилами, електроізоляційними й конструкційними матеріалами. Разом з тим, при використанні діоксиду вуглецю, потрібне водяне охолодження конденсатора холодильної машини, збільшується металоємність холодильної установки. Високий критичний тиск має й позитивний аспект, пов’язаний з низьким ступенем стиснення, внаслідок чого ефективність компресора стає значнішою. Можливі перспективи застосування діоксиду вуглецю в низькотемпе- ратурних каскадних установках і системах кондиціювання повітря автомобілів та потягів. Його пропонують використовувати також у побутових холодильниках і теплових насосах.

Холодоагент R728. Хімічна формула N₂. Рідкий азот застосовують у якості криогенного охолодного засобу. При атмосферному тиску температура кипіння азоту становить -196 °С, а питома теплота паротворення 199 кДж/кг. Нетоксичний і екологічно чистий (ODP = 0, GWP = 0) холодоагент. Криогенний метод охолодження рідким азотом передбачає одноразове його використання. Цей метод реалізується в безмашиній проточній системі, у якій робоча речовина не робить замкнутого кругового процесу.

Холодоагент R290. Хімічна формула С₃Н₈ (пропан). Потенціал руйнування озону ODP = 0, потенціал глобального потепління GWP = 3. Характеризується низькою вартістю й нетоксичний. При використанні даного холодоагенту, не виникає проблем із вибором конструкційних матеріалів деталей компресора, конденсатора й випарника. Пропан добре розчиняється в мінеральних мастилах. Температура кипіння при атмосферному тиску -42,1 °С. Перевагою пропану є також низька температура на виході з комп- ресора. Однак, пропан, як холодоагент, має два принципових недоліки. По-перше, він пожежонебезпечний, по-друге, розміри компресора повинні бути більші, ніж при використанні в холодильній машині R22 заданої холодо- продуктивності

Холодоагент R600а. Хімічна формула С₄Н₁₀ (ізобутан). У порівнянні з холодоагентами R12 і R134а, ізобутан має значні екологічні переваги. Цей природний газ не руйнує озоновий шар (ODР = 0) і не сприяє появі парникового ефекту (GWР = 0,001). Маса холодоагенту, що циркулює в холодильному агрегаті при використанні ізобутану, значно скорочується (приблизно на 30%). Питома маса ізобутану в 2 рази більше питомої маси повітря – газоподібний R600а стелиться по землі. Ізобутан добре розчиняється в мінеральному мастилі, має більш високий, ніж у R12, холодильний коефіцієнт, що зменшує енергоспоживання. Ізобутан горючий, легко запалюється й вибухонебезпечний, але тільки при з'єднанні з повітрям при об’ємній частці холодоагенту 1,3...8,5%. Холодильні агрегати з R600а характеризуються меншим рівнем шуму через низький тиск у робочому контурі холодоагенту. Використання ізобутану в існуючому холодильному устаткуванні пов'язане з необхідністю заміни компресорів на компресори більшої продуктивності, тому що по питомій об’ємній холодопродуктивності R600а значно програє холодоагенту R12 (практично у два рази).

Холодоагент R125. Хімічна формула СНР₂СР₃ (пентафторетан), не містить хлору. Потенціал руйнування озону ODР = 0, потенціал глобального потепління GWР = 860. Температура кипіння при атмосферному тиску -48,1 °С. Холодоагент рекомендується застосову- вати в чистому виді або як компонент альтернативних сумішей для заміни R22, R502 і R12. Холодоагент R125 пожежебезпечний. По енергетичних характеристиках і коефіцієнту тепловіддачі він програє холодоагентам R22 і R502. У порівнянні з R502 має більш круту криву, що характеризує залежність тиску насиченої пари від температури, низьку критичну температуру й невелику питому теплоту паротворення, що приводить до необхідності підвищення ступеня тиску. У зв'язку із цим, можливості застосування R125 у холодильному устаткуванні, що використовує конденсатори з повітряним охолодженням, досить обмежені.

Разом з тим R125 має більш низьку (у порівнянні з R22 і R502) температуру нагнітання й високу масову витрату при низьких тисках усмоктування. Поршневі холодильні компресори, що працюють на R125, характеризуються оптимальним наповненням циліндра, а отже, мають великий коефіцієнт подачі.

Холодоагент R134а. Хімічна формула СРзСFН₂ (тетрафторетан). Молекула R134а має менші розміри, ніж молекула R12, що приводить до більш значної небезпеки витоків. Потенціал руйнування озону ODР = 0, потенціал глобального потепління GWP = 1300.

Холодоагент R134а нетоксичний і не запалюється у всьому діапазоні температур експлуатації. Однак, при потрапленні повітря в систему й стисненні можуть утворюватися горючі суміші. Не слід змішувати R134а з R12, тому що утвориться азеотропна суміш високого тиску з масовими частками компонентів 50 і 50%. Пара R134а розкладається під впливом полум'я з утворенням отруйних і подразнювальних з’єднань, таких, як фторводород. У устаткуванні з середніми температурами (температура кипіння -7 °С і вище) R134а має експлуатаційні характеристики, близькі до R12.

Через значний потенціал глобального потепління рекомендується застосовувати R134а в герметичних холодильних системах.

Заміну холодильного агента R12 на R134а можна легко здійснити в наступних приладах і апаратах: автомобільне кондиціювання повітря, спеціальне кондиціювання повітря або пристосування для регулювання клімату, відцентрові холодильники з підвищеним тиском, комерційні холодильники, що працюють при помірних температурах, а також транспортні рефрижератори.

Для всих систем, що використають R134а, масло грає дуже важливу роль. Здатність холодильного агента змішуватися з використовуваним для змащення маслом має критичне значення для більшості устаткувань. Змішування цих речовин необхідно, щоб гарантувати повернення масла в компресор. R134а не змішується з мінеральними маслами. Для використання з R134а різними виготовлювачами устаткування рекомендуються поліефірні масла (РОЕ) і поліалкіленглікольні (РАG) масла. РОЕ й РАG масла гігроскопічні й швидко поглинають вологу. У зв’язку з цим роботу з такими з’єднаннями варто проводити відповідним чином, щоб уникнути тривалого перебування мастильних матеріалів на повітрі.

Взагалі, нове обладнання повинне надходити від виробника вже забезпечене сумісним з R134а маслом. При роботі цього нового обладнання необхідно виконувати всі рекомендації виробника

Холодоагент R143а. Хімічна формула СР₃-СН₃ (трифтор-етан). R143а має потенціал руйнування озону ODР = 0 та порівняно високий потенціал глобального потепління GWP = 1000, нетоксичний та пожеженебезпечний, не взаємодіє з конструкційними й прокладочними матеріалами. Наявність трьох атомів водню у молекулі R143а сприяє гарній розчинності у мінеральних мастилах. Холодоагент R 143 а входить до складу багатокомпонентних альтернативних сумішей, пропонованих для заміни R12, R22 і R502.

Холодоагент R32. Хімічна формула СF₂Н₂ (діфторметан). R32 має потенціал руйнування озону ОDР = 0 та низький у порівнянні з R125 і R143а потенціал парникового ефекту GWP = 220. Нетоксичний, пожеженебезпечний. Для R32 характерна висока температура нагні- тання, найвища із всіх альтернативних холодоагентів, за винятком аміаку. Для R32, при використанні його в холодильних установках, характерні високі холодопродуктивність та енергетична ефективність, але він трохи поступається R22 і R717. Високий ступінь стиску R32 викликає необхідність у значній зміні конструкції холодильної установки та приводить до збільшення її металоємності й вартості. Тому RЗ2 рекомендується використовувати, в основному, як компонент альтернативних робочих сумішей.