Озонобезопасное холодильное оборудование

Монреальским Протоколом по веществам, разрушающим озоновый слой (в рамках Венской Конвенции об охране окружающей среды), введены ограничения на производство и использование озоноразрушающих веществ, а также всей продукции с этими веществами.

К озоноразрушающим веществам относятся наиболее распространенные в холодильной технике хладагенты. Их озоноразрушающая активность определяется наличием атомов хлора в молекуле и оценивается потенциалом разрушения озона ODP.

По степени озоноразрушающей активности хладагенты делятся на две группы:

  • хладагенты с высокой озоноразрушающей активностью (ODP>1,0)-это хлорфторуглероды (ХФУ или , по международному обозначению, CFC)Rll, R12, R13, R113, R114, R115, R502, R503, R12B1, R13B1 (или иначе CFC11, CFC12, CFCI3 и т.д.) и др.;
  • хладагенты с низкой озоноразрушающей активностью (ODP<0,1)- это гидрохло/хрторуглероды (ГХФУ или , по международному обозначению, HCFC) R21, R22, R141b, R142b, R123, R124 (или иначе HCFC21, HCFC22, HCFCHlb и т.д.) и др.

Все хладагенты, не содержащие атомов хлора (фторуглероды FC, гидрофторуглероды HFC, углево¬дороды НС и др.),, считаются полностью озонобезопасными (ODP=0). Таковыми являются хладагенты R134, R134a, R152a, R143a, R125, R32, R23,R218, R116, RC318, R290, R600, R600a, R717 (аммиак)и др. Монреальским Протоколом запрещено использование всех озоноопасных хладагентов группы CFC с 1 января 1996 г.

Для менее озоноопасных хладагентов группы HCFC установлены более отдаленные сроки сокращение их производства и использования с 2005 г. и полный запрет с 2020 г.(возможно ужесточение сроков). Это определило пути современного развития холодильной техники на многие годы. В основе лежит поэтапный перевод всего холодильного оборудования на озонобезопасные хладагенты. 

На первом этапе (переходный период) наряду с заменой хладагентов CFC озонобезопасными (HFC, FC) допускается замена их хладагентами HCFC, которые названы переходными. Альтернативные хладагенты HCFC с низким потенциалом ODP не являются полностью озонобезопасными, однако в переходный период их разрешенного легального существования все выпускаемое и действующее холодильное оборудование на HCFC(например, R22) условно можно считать озонобезонасным.

На втором этапе (после переходного периода) в результате перестройки и модернизации химической промышленности и всего холодильного сектора (производство и эксплуатация) все холодильное оборудование будет переведено на полностью озонобезопасные хладагенты. Задача выбора альтернативных хладагентов в последнее время стала усложняться другим, наряду с озонобезопасностью, экологическим фактором влиянием на глобальное потепление климата планеты.

Хладагенты стали оценивать еще и по потенциалу глобального потепления GWP (его называют также потенциал парникового эффекта). Прогрессирующая роль оценки экологичности всех технических решений заставляет специалистов уже в настоящее время, до закрепления законодательных актов, отдавать предпочтение альтернативным хладагентам с более низким значением GWP.

Проблема озонобезопасной холодильной техники решается по двум направлениям: создание и организация производства холодильных машин нового поколения, в которых используются озонобезопасные или переходные хладагенты и совместимые с ними холодильные масла, адсорбенты, материалы и комплектующие изделия; перевод парка действующего холодильного оборудования на озонобезопасные или разрешенные переходные хладагенты. Каждое направление имеет свои технические и экономические сложности и особенности, которые, в свою очередь, зависят от типа холодильного оборудования (бытовое, торговое или промышленное). 

Общей и первоочередной задачей в обоих направлениях является разработка (подбор) новых или освоение уже предлагаемых на мировом рынке (товарных ) хладагентов, удовлетворяющих требованиям потребителей. В таблице приведена номенклатура альтернативных хладагентов для различных групп холодильного оборудования в переходном и после переходном периодах.

Поскольку термодинамические основы работы холодильной техники на альтернативных хладагентах принципиально не меняются, требования к ним во многом остаются такими же, как и к традиционным хладагентам.  Основные требования:экологические озонобезопасность,низкий потенциал глобального потепления (желательно), не горючесть, не токсичность; термодинамические максимальная приближенность к заменяемым хладагентам по давлениям, температурам, удельной объемной холодопроизводительности, холодильному коэффициенту; эксплуатационные термохимическая стабильность, химическая совместимость с материалами и холодильными маслами, достаточная взаимная растворимость с маслом для обеспечения его циркуляции, технологичность при применении; экономические наличие товарного производства, доступные цены

Практически невозможно выбрать альтернативный хладагент, отвечающий всем перечисленным требованиям, поэтому предпочтение следует отдавать таким, которые удовлетворяют принципиальным и определяющим требованиям. Альтернативными веществами могут быть чистые (простые) вещества и смеси (см. таблицу). Предпочтение прежде всего отдается чистым веществам.

Наиболее близким по термодинамике и практически единственно возможным из чистых веществ озонобезопасным заменителем для R12является R134a (HFC 134а). Его недостатки: меньшие удельная объемная холодопроизводительность и холодильный коэффициент при температурах кипения ниже 15С. Поэтому в холодильных машинах, работающих при температурах кипения ниже —15С, целесообразно применять хладагенты с более низкой нормальной температурой кипения либо компрессор с увеличенным часовым объемом, описываемым поршнями.

Для каскадных машин единственным полноценным заменителем R13 является чистый озонобезопасный R23(HFC23). Для замены R502 имеется близкий по термодинамике чистый хладагент R125 (HFC125), но его применение ограничено.Среди чистых веществ пока не существует удовлетворительного заменителя для R22 (HCFC22):

хладагент R218(FC21S) имеет огромный потенциал GWP и очень высокую стоимость; R143a (HFC143a)горючее вещество с повышенными давлениями конденсации и на¬гнетания; R32 (FC32)также горючее вещество с очень высокими давлениями конденсации и нагнетания.

Требуется кардинальная модернизация и упрочнение компрессоров и аппаратуры (именно по этой причине для HCFC22 и других HCFC Монреальским Протоколом установлены более поздние сроки прекращения их применения). Вместе с тем хладагент R125 может служить альтернативным заменителем для R22 при допустимых условиях применения (умеренная температура конденсации, наличие регенеративного теплообменника и др.).

Недостатки чистых HFC — заменителей традиционных хладагентов обусловливают необходимость широкого применения смесей веществ. Если ранее в качестве хладагентов применяли только азеотропные двухкомпонентные смеси (R502, R503), ведущие себя в диапазоне температур кипения-конденсации почти как чистые вещества, то в качестве альтернативных хладагентов вынужденно предлагаются квазиазеотропные (близкие к азеотропным) и неазеотропные двух,трех и четырехкомпонентные смеси.

Предпочтение отдается смесям с меньшими значениями неизотермичности кипения и конденсации при постоянном давлении. Неизотермичность иначе называется глайдом или скольжением температуры, т.е. изменением ее на пути от входа к выходу испарителя (или конденсатора) в результате постепенного раздельного выкипания (конденсации) компонентов смеси. У квазиазеотропных смесей минимальная неизотермичность 0,5.-1 К, у неазеотропных смесей она на уровне 6..10 К.

Многокомпонентные неазеотропные смеси, в отличие от двухкомпонентных (бинарных), обеспечивают более выгодный термодинамический цикл, более плавное протекание процессов кипения-конденсации, их состав меньше изменяется при утечках. Для двух этапов перехода на новые хладагенты оказываются необходимыми оба типа смесей.

Квазиазеотропные и неазеотропные смеси с компонентами FC, HFC и чистыми углеводородами полностью озонобезопасны. Добавление горючего углеводорода повышает термодинамическую эффективность смеси и обеспечивает необходимую взаимную растворимость ее с минеральным маслом. Большое содержание углеводорода в смеси делает ее горючей. Применять горючие смеси пока еще допускается только в герметичных системах бытовых холодильников и морозильников, в остальной холодильной технике запрещается.

Эксплуатационно-технологической особенностью всех альтернативных полностью озонобезопасных хладагентов, как чистых, так и смесей, является их плохая взаимная растворимость с существующими минеральными, алкилбензольными и углеводородными маслами. Для холодильных машин на этих хладагентах разработаны новые синтетические полиэфирные масла различной вязкости, отличающиеся химической совместимостью с хладагентами, хорошими смазывающими свойствами.

Главное достоинство этих масел хорошая растворимость, в том числе при низких температурах, в жидкой фазе всех озонобезопасных хладагентов, что гарантирует устойчивую циркуляцию масла в системе.

Недостаток большая гигроскопичность, что осложняет эксплуатацию холодильных машин. Кроме того, эти масла дорогостоящие.

Для переходного периода разработаны бинарные и многокомпонентные переходные смеси, содержащие хотя бы один компонент из группы HCFC. Основное назначение этих смесей упростить перевод действующей холодильной техники, работающей на R12 и R502,на разрешаемые хладагенты. Эти смеси называют также сервисными, или ретрофитными от слова ретрофит, обозначающего процедуру замены хладагента альтернативным в действующем оборудовании по специальной технологии.

При формировании сервисных смесей выдерживаются два принципа:максимальное приближение к заменяемым хладагентам по термодинамическим свойствам;совместимость с традиционно применяемыми минеральными и алкилбензольными маслами (новые полиэфирные масла очень капризны). Большинство сервисных смесей неазеотропные на базе R22. В отличие от чистых хладагентов они эффективны в более узком диапазоне температур кипения. Для получения сопоставимой эффективности с заменяемым R12 во всем диапазоне температур кипения и конденсации разрабатываются две смеси на одних и тех же компонентах: одна для умеренных температур кипения, другая для низкотемпературной области.

Например, фирма «Дюпон» для этих температурных областей предлагает сервисные смеси СУВА МР39 и СУВА МР66; фирма «Эльф Ато-кем» смеси Forane FX56 и Forane FX57. По такому же принципу разрабатываются сервисные смеси заменители для R502. Необходимая растворимость смесей с применяемыми маслами обеспечивается базовым компонентом R22 и включением в их состав компонента с еще лучшей (неограниченной) растворимостью с маслами, например R21,R142b,R290(пропан), R600a(изобутан).

При включении горючего компонента в смесь ее состав для обеспечения негорючести должен быть сбалансирован введением негорючих компонентов. В России разработана программа создания озонобезопасной холодильной техники. Первоочередной задачей программы на первом этапе является перевод всего парка действующей холодильной техники с R12 и R502 на разрешаемые хладагенты. Задача сложная, объемная и долговременная. В связи с чем нельзя исключить возможность продления эксплуатации холодильного оборудования на R12 путем создания его запасов.

Перевод на полностью озонобезопасные чистые хладагенты, прежде всего R134а, или смеси кардинальное направление ретрофита. Однако широкомасштабное использование их для рстрофита, по-видимому, будет затруднено из-за сложной технологии, связанной с применением новых полиэфирных масел. Кроме того, необходимо учитывать, что при работе на R134a снижается холодопроизводительность.

Для турбо холодильных машин перевод на любой хладагент сопровождается модернизацией компрессора. Основным вариантом перевода действующей холодильной техники на альтернативный хладагент является применение переходных смесей. Перед ретрофитом необходимо тщательно обследовать конструкцию и техническое состояние объекта.

В машинах с непроточными теплообменными аппаратами применение неазеатропных смесей нецелесообразно. В целостности для принятия решения по модификации и адаптации любого действующего оборудования необходимо оценить многие факторы, в том числе: наличие запаса холодопроизводительности машины или установки при заданной технологии потребителя; размеры, конструктивное исполнение холодильной системы каждой конкретной машины или серии машин; срок службы и степень герметичности системы; типы нового хладагента и масла; затраты на хладагент и другие расходуемые материалы; обеспеченность рабочими веществами и возможность их использования в настоящем и будущем; стоимость замены устаревшего оборудования на новое озонобезопасное; производственные и технологические трудности при проведении ретрофита.

Перевод холодильного оборудования на новые дорогостоящие хладагенты должен проводиться при соблюдении, целевых инструкций и рекомендаций.