Nh3 (аммиак) как заменитель r22

Хладагент NH3 в течение более чем одного столетия применялся в промышленных и крупных установках. У него нет озоноразрушающего потенциала и прямого потенциала воздействия на глобальное потепление. Его эффективность не меньше, чем у R22, а в некоторых применениях даже лучше, поэтому его косвенный вклад в эффект глобального потепления мал. Кроме того, он стоит дешевле. Подводя итог, можно задать вопрос: является ли он идеальным хладагентом и оптимальной заменой для R22 или альтернативой ГФУ? Несомненно, NH3 обладает многими положительными качествами, которые можно использовать также и в крупных холодильных установках.

К сожалению, есть и отрицательные черты, которые ограничивают широкое коммерческое использование аммиака или требующие применения затратных, а иногда и новых технических решений.

Недостатком NH3 является высокий адиабатический показатель (NH3=1.31, R22=1.18, R12=1.14), что отражается на температуре нагнетания, которая существенно выше, чем у R22. Поэтому одноступенчатое сжатие уже невозможно при работе с температурой испарения примерно в 10ºС и ниже.

Проблемой при подборе подходящих масел является также и неудовлетворительная их растворимость в хладагенте в небольших установках в некоторых применениях. Ранее применявшиеся масла не растворялись хладагентом. Они требуют отделения с помощью изощренной технологии и сильно ограничивают применение испарителей прямого расширения из-за ухудшения качества при теплопереносе.

Из-за высоких температур нагнетания особые требования предъявляются к термостабильности смазок. Это, в частности, критично для автоматической работы, когда масло годами должно оставаться в контуре без ухудшения свойств.

NH3 обладает чрезвычайно высокой разностью энтальпии при фазовых переходах и в результате сравнительно малым массовым расходом при циркуляции (примерно от 13 до 15% по сравнению с R22). Это свойство является преимуществом для крупных установок, но усложняет регулировку впрыска хладагента на маломощных установках.

Следующим критерием, который должен быть рассмотрен, является коррозионное воздействие на медьсодержащие материалы, поэтому трубопроводы должны быть изготовлены из стали. Помехой также является требование аммиакоустойчивости обмоток двигателей. Еще одной трудностью является электропроводность хладагента при повышенном водосодержании.

Токсичность и легковоспламеняемость также являются отрицательными чертами, которые требуют особых мер безопасности при сооружении и эксплуатации установок.

Итоговые критерии проектирования и сооружения

При современном состоянии технологии промышленные системы на NH3 требуют совершенно другой технологии монтажа и эксплуатации установок по сравнению с обычными промышленному системами.

Из-за нерастворимости в масле и особых характеристик хладагента обычно применяются высокоэффективные маслоотделители и испарители затопленного вида с гравитационной или принудительной циркуляции. Из-за опасности для окружающих и охлаждаемого продукта испаритель часто не может быть установлен непосредственно в зоне охлаждения. Поэтому теплоперенос приходится осуществлять через вторичный контур хладоносителя.

Также должны применяться двухступенчатые или винтовые компрессоры с крупными маслоотделителями при средних степенях сжатия из-за неблагоприятной его характеристики. Линии хладагента, теплообменники и арматура должны изготавливаться из стали, трубопроводные линии подлежат проверке аттестованным инспекторам.

В зависимости от размеров установок и объема хладагента требуются соответствующие меры безопасности, а также специальные машинные залы.

Обычно применяют холодильный компрессор открытого типа, у которого приводной двигатель является отдельным от компрессора агрегатом. Эти меры значительно повышают затраты, связанные с установками NH3, особенно при средней и малой производительности.

Поэтому прилагаются усилия с целью разработки более простых систем, которые могли бы применяться и в коммерческой сфере.

Частью программ исследования является испытание частично растворимых смазок с целью улучшению циркуляции масла в системах. В качестве альтернативы рассматриваются также упрощенные способы автоматического возврата нерастворимых масел.

“BITZER” широко участвует в этих проектах и испытывает большое количество компрессоров. Полученный до настоящего времени опыт показал, что системы с частично растворимым маслом трудны в управлении. Содержащаяся в системе вода оказывает большое влияние на химическую стабильность контура и износ компрессора. Кроме того, высокое содержание хладагента в масле (эксплуатация при высоком влагосодержании, недостаточная температура масла) приводит к сильному износу подшипников и других подвижных частей. Это происходит из-за сильного изменения объема при испарении NH3, в зоне смазывания.

Эти разработки проводятся в программах широкого применения. Упор делается на альтернативные решения для нерастворимых масел.

Кроме того, различные производители оборудования разработали специальные испарители, в которых объем хладагента можно существенно уменьшить.

Существуют также решения с герметизацией установок NH3. Компактный жидкостный холодильник (заправка хладагента менее 50 кг) устанавливается в закрытый контейнер, аммиак поглощается при утечках встроенным водяным резервуаром. Такие компактные компоненты можно устанавливать в местах, которые из-за требований безопасности ранее были зарезервированы для установок с галогеносодержащими хладагентами.

Все же еще рано выносить окончательное решение о широком применении компактных аммиачных систем вместо установок с галогеносодержащими хладагентами и в основном традиционной технологией. С технической точки зрения в предположении приемлемых цен, можно ожидать, что вскоре будет доступен широкий ряд таких аммиачных систем.

Производственная программа “BITZER”включает сегодня большой выбор оптимизированных аммиачных компрессоров для различных видов смазок:

- Одноступенчатые поршневые компрессоры открытого типа (подача от 19 до 152 м3/ч при 1450 об/мин) для кондиционировании воздуха, для среднетемпературного охлаждения и бустер-компрессоры.

- Винтовые компрессоры открытого типа (подача от 84 до 410 м3/ч – при параллельной работе до 1500 м3/ч при 2900 об/мин)для кондиционирования воздуха, средне- и низкотемпературного охлаждения.

Опции для низкотемпературного охлаждения:

- одноступенчатая эксплуатация,

- экономная эксплуатация,

- эксплуатация в качестве бустер-компрессора.

Перевод существующих установок

Хладагент NH3 не подходит для перевода существующих установок ХФУ, они должны быть изготовлены заново со всеми компонентами.

Дополнительная информация фирмы “BITZER”по применению NH3.

www.bitzer.de

- Техническая информация КТ-640 «Применение аммиака ( NH3) в качестве альтернативного хладагента»

R723 (NH3/DME) как альтернатива NH3

Вышеописанный опыт применения NH3 в промышленных холодильных установках с прямым испарением определил необходимость проведения дальнейших экспериментов на базе NH3 с добавками малорастворимого компонента. Основными целями были улучшение показателей транспортировки масла по контуру и отвод тепла традиционными маслами наряду с уменьшением температуры нагнетания в широком диапазоне эксплуатации установок с одноступенчатыми компрессорами.

Результатом этого исследовательского проекта явилась смесь NH3 (60%) и диметилэфира “DME”(40%), разработанная “Institut fuer Luft und Kaeltetechnik”, Дрезден, Германия. Как крупный представитель ряда неорганических хладагентов, она получила обозначение R723 вследствие среднего молекулярного веса 23 кг/кмоль и в соответствии со стандартом обозначения хладагентов в списке.

DME был выбран в качестве дополнительного компонента из-за его хорошей растворимости и высокой стабильности. Он имеет точку кипения в -26ºС, обладает сравнительно низким показателем адиабаты, нетоксичен и доступен в высоком техническом стандарте чистоты. В данной концентрации NH3 и DME образуют азеотропную смесь, характеризуемую чуть повышенным уровнем давления по сравнению с чистым NH3. Точка кипения смеси -36.5ºС (у NH3 -33.4 ºС); 26 бар давления конденсации соответствуют 58.2 ºС (у NH3 -59.7 ºС).

Температура нагнетания в системах кондиционирования воздуха и среднетемпературных холодильных установках уменьшена примерно на 10-25 К (рис.25), что позволяет расширить область применения до более высоких степеней сжатия. По термодинамическим расчетам, по сравнению с NH3 получается повышение удельной холодопроизводительности. СОР аналогичен и даже выше при более высоких степенях сжатия, что подтверждается опытами. Благодаря более низким температурам нагнетания, следует ожидать улучшение эффективности объема и показателя адиабатии, по крайней мере на поршневых компрессорах в случае повышенной степени сжатия.

Благодаря большему молекулярному весу DME, массовый расход и плотность паров повышены примерно на 50% по сравнению с NH3, что не очень существенно для коммерческих установок, особенно с малыми контурами. В больших промышленных холодильных установках, однако, это является существенным критерием для обеспечения необходимого перепада давлений и циркуляции хладагента. С этой точки зрения также четко ясно предпочтительность R723 в коммерческих приложениях, особенно в водоохлаждающих чиллерах.

По совместимости материалов смесь сравнима с NH3. Хотя, благодаря минимальному водосодержанию в системе (<1000 промилле), потенциально применимы и цветные металлы (например, медно-никелевые сплавы, бронза, твердые припои), тем не менее, рекомендуется конструкция системы, соответствующая типично аммиачной эксплуатации.

В качестве смазки могут применяться минеральные масла или полиальфаолефины. Как отмечалось выше, компонент DME дает улучшение растворимости масла и частичную смешиваемость. Кроме того, сравнительно низкая плотность жидкости и повышенная концентрация DME в масле положительно влияет на циркуляцию масла. Масла PAG могли бы полностью или частично смешиваться с R723 в типичных приложениях, но они не рекомендуются по причинам, связанным с химической стабильностью и высокой растворимостью в картере компрессора (сильное парообразование в подшипниках).

Испытания показали, что коэффициент теплопередачи при испарении и удельный тепловой поток улучшаются в системах на R723 с минеральными маслами по сравнению с системами на NH3 с минеральными маслами.

Другими характеристиками являются токсичность и воспламеняемость. При содержании DME точка воспламенения в воздухе снижается с 15 до 6%, но, несмотря на это азеотроп остается в группе опасности В2.