7.7 Який же холодоагент значніший ?

У зв’язку зі вступом з 16 лютого 2005 р. в силу Кіотського протоколу, що забороняє емісію парникових газів, питання про вибір холодоагенту для холодильних машин стоїть гостріше, ніж раніше. На сьогоднішній день у холодильній техніці при переході з традиційних холодоагентів на озонобезпечні з низьким потенціалом глобального потепління лишається відкритою проблема їх оптимального вибору з урахуванням усіх вимог до безпечності, термодинамічних властивостей та економічної доцільності. Враховуючи це, серед всіх відомих на сьогоднішній день озонобезпечних фреонів найвигіднішим з погляду енергетики “Євродизайн Маркет” називає R404А.

Зіставлення техніко-економічних і енергетичних показників холодильних установок, що працюють на фреоні R22 і його заміннику R404А, виконано в роботі [30]. Доцільність заміни холодильного агента R22 на озонобезпечну суміш R404А варто розглядати з урахуванням наступних факторів:

– питома холодопродуктивність в R404А нижче, ніж в R22, що приводить до перевитрати електроенергії;

– при рівних температурах конденсації, тиск в R404А на 18% вище, ніж в R22, що вимагає підвищених розрахункових тисків апаратів і приводить до зниження терміну служби компресорів на 20-25%;

– при рівних поверхнях конденсатора температура конденсації в R404А на 5 С вище, ніж в R22, що приводить до додаткової перевитрати електроенергії на 11%;

– вартість R404А в 10 разів вище вартості R22.

Охолоджувальні речовини на основі гідрофторуглеродів, таких як R404А і R507, все частіше приходять на зміну застарілим холодоагентам. Питання їхньої порівняльної ефективності розглядається в роботі [35].

Обидва холодоагенти підходять для інтервалу температур випару від - 45 до + 10 С, однак коефіцієнт теплопередачі в азеотропної суміші (R507), як правило вище, ніж у неазеотропної (R404А). Тому теплообмінник, у якому використовується R507, за інших рівних умов характеризується меншою площею теплообміну або більш високою температурою випару й більш низькою температурою конденсації, що приводить до значної економії енергії.

Холодоагент R507 задовольняє основну вимогу по заміні R502 у модернізованих системах: холодопродуктивність нового холодоагенту така ж, як у замінного, або навіть вище. Крім цього, використання R507 підвищує надійність роботи компресорів, оскільки температура нагнітання в цьому випадку на 1–2 °С нижче, ніж для R404А, на 11–12 ⁰С нижче, ніж для R502 і ще більш низька – для R22.

Перспективним є використання холодоагенту R407С, основна перевага якого полягає в тім, що при переході з R22 на R407С, не потрібно значної зміни холодильної системи та він є оптимальною альтернативою R22 по холодопродуктивності й тиску насиченої пари (табл.7.1).

Як видно з таблиці 7.1, у порівнянні з R22 холодоагент R407С робить значно менше шкоди навколишнюму середовищу. У той же час, при більш низькій температурі нагнітання й трохи більшому високому тиску нагнітання, енергетична ефективність R407С близька до енергетичної ефективності R22.

Разом з тим, більшість компаній стурбовано великим температур- ним глайдом Δt_g1 = 5-7 К, характерним для R407С. Тому, масові частки компонентів пропонованих сумішей варіюють у широких межах. Дана обставина ускладнює обслуговування холодильних систем. Так, у системах з декількома випарниками, можливе порушення вихідної концентрації робочої речовини, заправленої в систему.

Таблиця 7.1 Основні фізичні властивості та експлуатаційні характеристики R407С порівняно з R22

Параметри	R407С	R22
Середня температура кипіння при атмосферному тиску, °С Тиск насиченої рідини при 25 0С, бар Густина рідини при 25 °С, кг/м3 Холодильний коефіцієнт Відносна холодопродуктивність Потенціал руйнування озону (ОDР) Потенціал глобального потепління (GWP)	-43,56 1174 41,98 6,27 1,00 0 1600	- 40,80 1043 44,21 6,43 1,00 0,05 1700

Аналогічні труднощі виникають і в холодильних системах із затопленим випарником.

При використанні R407С, не потрібно вносити істотні зміни в конструкцію холодильної установки – доводиться лише замінити холо- дильне масло на поліефірне, а також еластоміри, адсорбенти фільтрів-осушувачів та запобіжні клапани. Однак, сумісні з R407С поліефірні масла надзвичайно гігроскопічні. Це висуває жорсткі вимоги до технології зборки холодильної машини. Крім того, для R407С характерні низькі (на 25-30% нижче, ніж для R22) значення коефіцієнта тепловіддачі, тому теплообмінні апарати холодильних систем, що працюють на R407С, виявляються більш металоємними.

Витікання з холодильної системи приводять до зміни складу холодоагенту і його розчинності в холодильному маслі, що відбивається на енергетичній ефективності та умовах теплообміну у випарнику й конденсаторі. Зміна складу холодоагенту в процесі експлуатації ускладнює регулювання й процедуру дозаправлення.

Як довгострокова заміна R22, у побутових кондиціонерах німецькою компанією Ноnеуwе11 був розроблений холодоагент R410А [36]. У Європі на ньому працюють майже всі побутові кондиціонери й спліт-системи .

Розширюється його використання в чилерах для систем конди- ціювання й у xолодильних установках. Спроектовані під нього уста- новки мають більш високу енергетичну ефективність та мають нижчу ціну, завдяки інтенсивній теплопередачі й меншим гідравлічним опорам.

Однак, незважаючи на очевидні переваги й потенційні вигоди, застосування R410А в кондиціюванні, вважається, що з R410А важко працювати, оскільки установки, де він використовується, повинні бути розраховані на більш високий робочий тиск. При більшій питомій продуктивності, ніж у R22, діапазон нормальних робочих тисків для R410А приблизно в 1,5 рази вище, ніж у R22.

Більш висока об’ємна холодопродуктивність R410А, порівняно з R22, у сполученні з більш високим коефіцієнтом теплопередачі, дозволяє конструювати компактне устаткування, знижуючи тим самим вартість установки й розширюючи можливості монтажу. Холодильна установка, спеціально сконструйована для роботи з R410А, на 5% енергетично більш ефективна в порівнянні з R22, і на 12% - з R407С.

Малі холодильні машини, що працюють на озоноруйнівному R12, перезаправляються R134a. Недоліками R134a при заміні ним R12 є нижчий холодильний коефіцієнт дійсних циклів, менша питома об‘ємна холодопродуктивність компресорів. Широкомасштабне використання R134a для ретрофіту утруднюється через складну технологію ощищення устаткування й трубопроводів, пов’язану з застосуванням нових поліефірних мастил [37].

І, все-таки, який із холодоагентів найбільш доцільний?

Ефективність циклів холодильних машин на озонобезпечних фреонах, які порівнюють традиційно із циклами на R12 і R22, нерідко нижче ніж у циклів з колишніми холодоагентами. Фактично, перехід із ХФУ й ГХФУ на озонобезпечні холодоагенти, вніс додатковий вклад у глобальне потепління за рахунок збільшеного споживання енергії. Виключивши прямі емісії тих же ГХФУ в атмосферу, можна не менш ефективно боротися із глобальним потеплінням. Отже, має сенс удосконалювання холодильних систем на наявних холодоагентах при зіставленні вартості здійснення заходів по найбільш повному виключенню емісій холодоагентів і рівня енергетичних вигід від цього. Це особливо важливо для країн із низьким економічним рівнем розвитку. Для таких країн, до яких, на жаль, відноситься й наша Україна, недоцільність переходу на альтернативні холодоагенти можна аргументувати наступно:

– жоден з альтернативних фреонів, а також холодильні масла до них, не виробляються в Україні, тому, при переході на ці холодоагенти, вітчизняні споживачі опиняються в повній залежності від закордонних виробників фреонів;

– несумісність ряду мінеральних мастил з холодоагентами викликає необхідність їхньої заміни на дорогі й гігроскопічні синтетичні мастила [38];

– фреони певної міри шкідливі, у зв’язку з чим необхідно дотримуватися особливих вимог, які висуваються до розміщення холодильних установок, у яких вони використовуються;

– експлуатація холодильного обладнання, яке працює на нових багатокомпонентних сумішах, потребує високої технічної культури обслуговуючого персоналу. Ускладнюється процедура заправки та дозаправки холодильних агентів. Це обумовлено зміною початкового співвідношення ходильної суміши, внаслідок неминучого утікання холодоагенту, що призводить до зміни термодинамічних характеристик суміши і, як наслідок, до порушення умов експлуатації обладнання.

– широкому застосуванню холодильних агентів на основі сумішей речо­вин заважає також недостатня кількість даних щодо теплофізичних властиво­стей, взаємної розчинності холодоагентів і мастил та їх впливу на ефектив­ність роботи холодильної установки. Дослідники з Японії, Німеччини, Кореї, Ірландії та інших країн свідчать про суттєве зменшення (інколи до 50% і бі­льше) коефіцієнтів тепловіддачі при кипінні та конденсації бінарних і потрій­них сумішей, компонентний склад яких відповідає R404А, R407С тощо [39].

– вплив фреонів груп ХФУ й ГХФУ на руйнування озонового шару ще неповністю досліджено, можливо, це бажання компаній, які виробляють фреони, збільшити свій прибуток.

Основна провина приписується хлорфторвугецям, які використо- вуються в аерозолях, та холодоагентам, зокрема R12. У дослідах західних дослідників R12 справді руйнував лабораторну дозу озону. Однак, як R12 самостійно піднімається на висоту ЗО км і руйнує там озоновий шар. коли він у 4,18 рази важчий за повітря, відповіді не було дано.

Американський економіст Ліндон Ларуш жартома заявив: “Дірки не в озоні, а в головах тих, хто їх придумав”[30].

Попри протести груп авторитетних вчених, які вказували на недостатню наукову обгрунтованість положень майбутнього договору, Монреальский протокол було ухвалено, а групу хіміків, які підготували наукову базу під цю заборону, було визнано гідною Нобелівської премії.

Досі деякі дослідники висловлюють великі сумніви з приводу доцільності прийняття заборони хлорфторвуглеців. Найкатегоричніші критики оголошують протокол грандіозною аферою, ініційованою групою хімічних концернів з метою монополізувати ринок та витіснити національних виробників, більш помірковані вказують на суперечливість деяких положень та закликають до корекції протоколу з урахуванням часу.

Існуючі прогнози по використанню холодильних агентів у май бут-ньому вказують на розширення області застосування аміачних холо- дильних машин. У такій ситуації інтерес представляє порівняння ефективних холодильних коефіцієнтів, наведених на рис. 7.2. Де наведені значення ефективного холодильного коефіцієнта при роботі гвинтових компресорів фірми Grasso на різних холодильних агентах при температурі конденсації +35 ⁰С. Як видно з рисунку, при роботі на R404А перевитрата електроенергії в порівнянні з роботою на R22 становить від 13 до 20 %. При порівнянні R22 з аміаком видно, що при більш високих по температурі киніння режимах, аміак має істотні переваги перед R22. При низькотемпературних режимах, їхні енергетичні показники зрівнюються.

Переваги аміаку у всьому діапазоні температур очевидні. До цієї переваги варто додати низьку вартість аміаку й екологичну бездоган- ність. Але тут залишаються проблеми пожежевибухобезпечності і отруєнь.

При дотриманні усіх правил експлуатації холодильних установок, утворювання вибухобезпечних сумішей з повітрям практично неможливе. Проте низька розчинність мастила і висока температура кінця тиску є серйозними вадами, які ускладнюють експлуатацію та сприяють більш швид­кому зносу обладнання і виникненню аварійних ситуацій.

Для вирішення цієї проблеми НДІ ILК (Германія, Дрезден) було за­пропоновано використовувати як холодоагент суміш, яка складається з 60% аміаку і 40% діметилового ефіру [37]. У зв'язку з тим, що компоненти суміші є природними речовинами, а її середня молекулярна маса дорівнює 23 г/моль, новий холодоагент отримав умовне позначення R723. Склад і властивості суміші надано в таблиці 7.2.

6

5

4

3

2 R717

R22

1 R404A

0

0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 t, ⁰C

Рис. 7.2 Ефективний холодильний коефіцієнт при роботі на різних холодоагентах

У термодинамічних розрахунках фазових переходів R723 може роз­глядатися як самостійна речовина. Для інтервалу температур (-60 ÷ +60) °С, який найбільш широко використовується в головних галу- зях промисловості, є всі необхідні дані для розрахунку холодильних циклів. Для практичного застосування R723 можна використовувати те ж апаратне оформлення, що для R717.

При застосуванні R723, на відміну від R717, проблеми, що зв'язані з поверненням мастила до компресору, практично не існують, а теплопередача у випарнику покращується у зв’язку з відсутністю мастильних забруднень.

У випадку заміни R717 на R723 з застосуванням того ж мастила, та при однакових температурних умовах (t₀ = -10°С), коефіцієнт тепло- передачі зростає практично на 100%. Ця тенденція посилюється при більш низьких температурах та зростанні теплового навантаження.

Розглядаючи тривалу перспективу використання холодильної техніки, має сенс зупинити вибір на R404А та R507. Це, звичайно, не дешеві, але дуже перспективні холодоагенти.

У даний час повертається інтерес до використовування вуглекислоти як холодоагенту в холодильних системах. С0₂ має чудові теплофізичні властивості, негорючий та невибухонебезпечний. Його використання дозволяє істотно понизити металоємність компресорних агрегатів, апаратів і трубопроводів системи холодопостачання. Але однією з проблем, що стоїть на шляху широкого застосування вуглекислоти, є високий тиск кипіння при позитивних температурах. Тому для промислових систем С0₂ доцільно застосовувати у області температур кипіння від -50 до -20°С.

Табл. 7.2 - Властивості суміші R723 порівняно з властивостями компонентів.

Показник	Аміак (R717)	Суміш (R723)	Діметиловий ефір (R170Е)
Молекулярна маса,	17	23	46
Точка кипіння, tо °С	-33,4	-36,6	-24,9
Точка плавлення ,°С	-77,7	<-90	-141,0
Критична	132	131	127
Критичний тиск, бар	113	ПО	50
Межа вибухобезпечності, об.% у повітрі
нижня		6,5	3,4
верхня	28,0		26,0
Макс. tк при Рк = 28	64	63	94

На закінчення хочеться сказати кілька слів про переваги R22. Це єдиний широкомасштабно використовуваний холодоагент категорії HCFC, що входить до числа традиційних холодоагентів (крім аміаку). Заслуговують на увагу його фізичні властивості й термодинамічні характеристики, однак, Монреальским протоколом строки використання R22 обмежені. На сьогодні ніщо не вказує на те, що цьому холодоагенту зможуть знайти підходящу заміну.