Обзор хладагентов

Содержание

3. Общие аспекты развития хладагентов

3. Введение

4. Альтернативные хладагенты (обзор)

5. Экологические аспекты

6. Глобальное потепление и фактор TEWI

7. Эко-эффективность

8. ГХФУ хладагенты

8. R-22 как переходной хладагент

10. Хлор-несодержащие хладагенты (ГФУ хладагенты)

11. R-134a как заменитель R12 и R22. Смазочный материал для ГФУ

12. Альтернативы R-134a

13. R-152a- альтернатива R-134a

14. Хладагенты «с низким потенциалом воздействия на глобальное потепление»

Смесевые хладагенты

15. Смеси как замена R-502

16. Смеси как замена R12 (R500)

17. Хладагент R502 без хлора и альтернативы R22 (смеси)

17. R404А и R507А как заменители R502 и R22

18. R407А и R407В как заменители R502

19. R422А и R22 как заменители R502

20. Альтернативы без хлора R22

20. R407С как заменитель R22

21. R410А как заменитель R22

22. R417А и R422D как заменители R22

22. FX100 как заменитель R22

23. Безгалоидные хладагенты

23. NH3 (аммиак) как заменитель R22

24. R723 (NH3 и DME) как альтернатива NH3

25. R290 (пропан) как заменитель R502 и R22

26. Пропилен (R1270) как альтернатива пропану

27. СО2 как альтернативный хладагент и вторичный хладоноситель

32. Специальные приложения

34. Свойства хладагентов

36. Области применения смазочных материалов

Это издание полностью заменяет все предыдущие выпуски.

Общие аспекты развития хладагентов

Введение

Разрушение стратосферного озона и атмосферный парниковый эффект из-за выбросов хладагентов привели, начиная с 90-х годов, к радикальным изменениям в технологиях кондиционирования воздуха и искусственного охлаждения.

В частности, это утверждение справедливо для промышленных установок охлаждения и кондиционировании воздуха с их широкой областью применения. Несколько лет назад в основном в этих системах использовались хладагенты, которые являются озоноразрушающими веществами, а именно R12, R22, R502; для особых целей применялись R114, R12В1, R13В1, R13 и R502.

В промышленных странах применение этих химикатов больше не разрешается, кроме R22. Однако в настоящее время в странах Европейского Союза уже действует поэтапная программа отказа и от R22. (См. страницу 7 для пояснений)

Главной причиной раннего запрета R22, в отличие от международных соглашений является его озоноразрушающий потенциал, хотя он и незначительный. Такая ситуация приводит к значительным последствиям для всей отрасли искусственного охлаждения и кондиционировании воздуха.

Несмотря на то, что хлор-несодержащие хладагенты, такие как R134а, R404А, R507А, R407С, R410А, NH3, а также другие углеводороды уже были внедрены, до сих пор существуют проблемы, которые следует решить, особенно в отношении воздействия на глобальное потепление. Главной целью является существенное сокращение прямых выбросов от утечки хладагентов за счет использования высокоэффективных установок, смонтированных из надежных компонентов с высоким качеством соединений трубопроводов.

В связи с этим существует тесное сотрудничество с научными институтами, с предприятиями холодильной и химической промышленности, производителями компонентов, а также с рядом новых компаний в области охлаждения и кондиционировании воздуха.

Большое количество решений уже разработано - доступен широкий диапазон компрессоров и оборудования для различных альтернативных хладагентов.

В данном обзоре рассматриваются возможности по переходу в краткосрочном и среднесрочном периоде на экологически безопасные хладагенты в средних и крупных промышленных холодильных установках и системах кондиционирования воздуха. Также рассмотрен уже существующий опыт и происшедшие перемены в холодильной технике.

Результаты ряда исследований подтверждают, что обычно применяемые в промышленных целях (парокомпрессионные) холодильные установки с паровыми компрессорами, значительно превосходят по эффективности установки, принцип действия которых основан на других процессах, при температурах кипения около -40ºС.

Сегодня особое значение имеет выбор альтернативных хладагентов и конструкций системы охлаждения. Кроме требований отсутствия озоноразрушающего потенциала (ОРП=0) и потенциала воздействия на глобальное потепление, главным критерием выбора является величина энергопотребления систем охлаждения, которая косвенно воздействует на возникновение парникового эффекта. Поэтому был разработан метод расчетов для квалифицированной оценки системы, который позволит делать анализ общего воздействия на парниковый эффект.

По этому поводу был представлен так называемый фактор «TEWI» (Total equivalent warming impact- суммарное эквивалентное воздействие на потепление), хотя результат определяется главным образом выбросами СО2 в зависимости от применяемого способа привода или выработки энергии. Тем временем, был разработан другой экстенсивный метод оценки под аспектом «Экоэффективность». Таким образом, учитываются как экологические, так и экономические критерии.

Поэтому вполне возможно, что в будущем оценка воздействия хладагентов на окружающую среду может меняться в зависимости от местоположения установки и способов привода.

Тщательное изучение ГФУ заменителей показывает, что возможности полностью сопоставимых однокомпонентных хладагентов ограничены. Ситуация замены хладагента R12 на R134а сравнительно благоприятна, так же как и с хладагентом R502 на альтернативы R404А и R507А. Хуже обстоит ситуация с заменителями для других хлорсодержащих ХФУ, а также ГХФУ хладагентов, например с R22.

Хладагенты R32, R15 и R134а относятся к прямым заменителям ГФУ. Однако, из-за их особых характеристик, к которым относятся воспламеняемость, термодинамические свойства и потенциал воздействия на глобальное потепление, эти хладагенты могут применяться в чистом виде лишь в исключительных случаях. Эти вещества гораздо более пригодны в качестве компонентов смесей, в которых их индивидуальные характеристики путем варьирования пропорций смеси могут быть приведены в соответствие требованиям.

Кроме ГФУ хладагентов, в качестве заменителей также рассматриваются аммиак и углеводороды. Однако их промышленное применение ограничивается строгими требованиями техники безопасности.

Диоксид углерода (СО2) также приобретает важное значение как альтернативный хладагент и вторичный хладоноситель. Однако его повсеместное применение ограничено из-за его особых характеристик.

На следующих страницах в иллюстрациях показан структурный обзор альтернативных хладагентов, а также подробная информация о доступных в настоящее время однокомпонентных или смесевых хладагентах. Далее рассматриваются отдельные категории.

Из-за растущего интереса к заменителям для R114, R12В1, R13В1, R13, R503, в этом обзоре также рассмотрены возможные альтернативы и для них. Данные по хладагентам, области их применения и характеристики холодильных масел приведены на страницах с 34 по 37.

Альтернативные хладагенты - обзор

Переходные хладагенты

Хлор-несодержащие ГФУ хладагенты и смеси (альтернативы для долгосрочного периода)

Безгалоидные хладагенты (альтернативы для долгосрочного периода)

(Таблица)

Глобальное потепление и фактор TEWI

Как уже упоминалось во введении, была разработана методика оценки воздействия отдельных холодильных установок на эффект глобального потепления (TEWI – Total equivalent warming impact – cуммарное эквивалентное воздействие на потепление)

Все углеводородные хладагенты, включая хлор-несодержащие ГФУ, относятся к категории парниковых газов. Выбросы этих веществ существенно влияют на глобальный парниковый эффект. К тому же их воздействие значительно больше по сравнению с СО2, который считается основным парниковым газом (в дополнение к водяным парам). Например: если взять временной интервал в 100 лет, выброс 1 кг R134а равняется выбросу 1300 кг СО2 (Потенциал глобального потепления GWP100= 1300). Из этих фактов уже очевидно, что уменьшение выбросов хладагентов должно стать одним из главных задач в будущем.

С одной стороны, основной вклад в воздействие, оказываемое холодильными установками на глобальное потепление, вносят выбросы СО2 в результате выработки электроэнергии. Средняя величина выброса СО2 в Европе составляет около 0,6 кг/кВт электроэнергии с учетом высокого процента использования ископаемого топлива на электростанциях. В результате установка за время ее службы вносит существенный вклад в парниковый эффект.

Кроме требования применения альтернативных хладагентов с термодинамически благоприятным энергопотреблением, также необходимо сделать принять во внимание необходимость применения высокоэффективных компрессоров и сопутствующего оборудования, а также оптимальных компонентов систем из-за их значимой доли в общем балансе.

Когда сравниваются различные конструкции компрессоров, можно видеть, что косвенные выбросы СО2 вследствие более высокого энергопотребления могут оказывать большее суммарное воздействие на парниковый эффект, чем выбросы хладагентов.

На рисунке 5 показана стандартная формула расчета фактора TEWI с соответствующим выделением различных направлений воздействия на глобальное потепление.

Кроме того, пример на рисунке 6 показывает воздействие на величину TEWI различных объемов хладагента, потерь на утечки и величины энергопотребления.

В примере суммарная величина утечек упрощенно принята в процентном соотношении от объема хладагента. Как известно на практике величина утечек сильно меняется, вследствие чего особенно высок потенциальный риск при эксплуатации индивидуально сконструированных систем и сильно разветвленных установок.

По всему миру прилагаются большие усилия для того, чтобы сократить выбросы парниковых газов; и уже частично разработаны правовые положения. В настоящее время в странах ЕС разрабатывается «Положение о фторированных парниковых газах», в котором также есть строгие требования к системам искусственного охлаждения и кондиционировании воздуха. Это положение, вероятно, для всех стран ЕС получит правовой статус в июле 2007 г..

Экоэффективность

Как отмечалось выше, оценка величины TEWI также учитывает воздействие на глобальное потепление во время эксплуатации холодильного оборудования, кондиционеров воздуха или насосных установок. Таким образом, экологические и экономические аспекты не рассматриваются.

Но, кроме экологических аспектов, также важную роль играют экономические аспекты, когда оцениваются технологии и решаются инвестиционные вопросы. В промышленных системах сокращение величины воздействия на окружающую среду влечет большие затраты, в то время как небольшие затраты часто приводят к увеличению негативных экологических последствий. Для многих компаний инвестиционные расходы играют важную роль, несмотря на то, что они часто остаются в стороне во время дискуссий об уменьшении экологических проблем. С целью получения объективной оценки, в 2005 г. было представлено исследование, где были приведены примеры холодильных установок в супермаркетах для оценки экоэффективности. Это исследование было основано на взаимосвязи между добавленной стоимостью (экономическая стоимость продукции) и величиной воздействия на окружающую среду. С этой системой оценки полный срок службы системы учитывался исходя из:

- экологического требований в соответствии с оценкой срока службы по ISO14040,

- экономических характеристик посредством анализа затрат во время срока службы оборудования.

Это означает, что также учитывается величина воздействия на окружающую среду, инвестиционные расходы, эксплуатационные расходы, и капитальные затраты.

Исследование также подтвердило, что увеличение экоэффективности можно достичь капиталовложениями в оптимизированные промышленные установки (с минимальными эксплуатационными расходами). Таким образом, важную роль играет выбор хладагента и соответствующей технологии.

Экоэффективность может быть представлена графическим примером (Рисунок 8). Результаты оценки экоэффективности приводятся в системе координат, которые отмечены по Х, а результаты анализа стоимости срока службы отмечены по У. Здесь четко видно, что система показывает в большей мере наилучшую экоэффективность, выше поднимается в правом квадрате, и, наоборот, в левом нижнем квадрате становится менее эффективной.

Диагонали в системе координат представляют линии равной экоэффективности. Это означает, что системы или процессы с различной стоимостью срока службы и различной величиной воздействия на окружающую среду, вероятно, могут представлять одинаковую экоэффективность.

Рис.7 и 8

R-22 как переходный хладагент

Несмотря на то, что хлор-несодержащие заменители R134а и R404А, R507А стали самыми распространенными альтернативами R12 и R502, во многих областях холодильной промышленности до сих пор продолжается применение R22 как в новых установках, так и для модернизации старых систем.

Причинами являются не только сравнительно небольшие капиталовложения, особенно по сравнению с системами R134а, но и широкий диапазон применения этого хладагента, его подходящие термодинамические свойства и низкое потребление энергии. Кроме того, можно добавить повсеместную доступность R22 и установленных компонентов для него, что пока еще не гарантировано для хлор-несодержащих альтернативных хладагентов. Последнее утверждение справедливо также и для «зеотропных хладагентов» (рис.1 и 2). Кроме того, многие смесевые хладагенты содержат в основном R22, поэтому следует их применять лишь там, где неоптимально применять R22 в чистом виде, из-за его высоких рабочих температур. Для этих смесей требуются специальные процедуры обращения.

Несмотря на благоприятные свойства, R22 уже ограниченно применяется в новых системах из-за его озоноразрушающего потенциала, хотя он и невелик.

В отношении компонентов и технологий монтажа холодильных систем необходимо принять во внимание ряд характерных особенностей. Хладагент R22 обладает удельной холодопроизводительностью и уровнями давления приблизительно на 55% выше по сравнению с R12. Существенно высокая температура нагнетания газа также является критическим фактором при сравнении R12 и R502 (рис. 5).

Есть такие же взаимосвязи в области тепловой нагрузки по сравнению с ГФУ хладагентами R134а, R404а и R507а. Для установок, работающих на R22, требуются подходящие компрессоры, которые доступны и испытаны временем для средних температур и для кондиционирования воздуха.