Издательский Центр Аква-Терм

Хладагенты и требования к ним

Опубликовано: 19 июня 2019 г.

3434

Хладагенты – летучие вещества, использующиеся в роли передатчика тепла при циркулировании внутри контура охлаждающей системы, к которым принципиально относятся и кондиционеры. Хладагент поглощает тепло от тел с низкой температурой, для того, чтобы передать его телам с более высокой температурой, при этом в различных частях холодильного контура изменяется агрегатное состояние хладагента.

Система обозначения

Система обозначения хладагентов (ГОСТ ISO 817-2014) включает наименование и число. Хладагент обозначается буквой R (refrigerant), за которой следует набор цифр и букв, которые определяют молекулярную структуру холодильного агента. Предельные углеводороды и их галогенные производные обозначаются буквой R с тремя цифрами после неё, то есть в виде R-xyz, где:

  • x (сотни) равно числу атомов углерода, уменьшенному на единицу;
  • (десятки) равно числу атомов водорода, увеличенному на единицу;
  • z (единицы) равно числу атомов фтора.

Число атомов хлора Ncl вычисляется по формуле:

Ncl = k•NC – (NH +NF)

где:

  • NC – число атомов углерода в молекуле хладагента,
  • NH – число атомов водорода
  • NF – число атомов фтора
  • k – максимальное число атомов хлора, которое может быть присоединено к предельному углеводороду путем замены водорода, так если NC = 1, 2, 3 то k = 4, 6, 8 – соответственно.  

Буквы в конце индекса хладагента, например, «а» или «б», указывают изомер. Это важно, потому что разные изомеры веществ с одинаковым химическим составом обладают разными свойствами.

У хладагентов неорганического происхождения цифры соответствуют их молекулярной массе, увеличенной на 700.

Для хладагентов органического происхождения соединения без атомов водорода записывают цифрой 1, к которой прибавляют цифру, определяющую число атомов фтора. Их серия 600.

Серии R-400, R-500 обозначают смеси хладагентов.

Кроме того, для обозначения структуры хладагентов используется система префиксов.

Требования к хладагентам

В испарителе хладагент при переходе из жидкого состояния в газообразное, отбирает тепло у окружающей среды, вырабатывая тем самым холод. Потом в конденсаторе происходит конденсация хладагента до жидкого состояния, при этом отобранное тепло удаляется из холодильной машины и передается другой среде. Чтобы какое-то вещество могло выполнять функции хладагента, необходимо, чтобы при атмосферном давлении его температура кипения была как можно ниже, а давление конденсации - не слишком высоким и легко достижимым.

Таким образом, к хладагентам предъявляется три типа основных требований: экологические, термодинамические и эксплуатационные.

Экологически хладагенты не должны способствовать разрушению озонового слоя в атмосфере (характеризоваться низким потенциалом разрушения озонового слоя (ОРП)), как можно меньше влиять на развитие глобального потепления (низкий потенциал глобального потепления(ПГП)) и быть нетоксичными.

Термодинамические требования заключаются в высокой теплопроводности хладагента, низкой температуре кипения, малых плотности и вязкости.

Эксплуатационные требования предполагают для хладагента – негорючесть, взрывобезопасность, термохимическую стабильность и химическую совместимость с материалами и холодильными маслами.

Путем экологической безопасности

Озонобезопасность – одно из главных экологических требований к хладагентам. Наиболее разрушительными для озонового слоя являются хладагенты группы ХФУ (HFC) – хлорфторуглероды. В частности, к ним относятся хладагенты – R113, R11, R12 и другие, содержащие более одной молекулы хлора. Все они запрещены к применению в кондиционерах и холодильных установках еще Монреальским протоколом по веществам, разрушающим озоновый слой, вступившим в силу в 1989 году. На территорию Таможенного союза ввоз не только озоноразрушающих веществ, но и продукции их содержащей запрещен с 1 января 2013 г. 

К ограниченному применению в переходный период к новым безопасным хладагентам разрешены ГХФУ (HCFC) – хлористоводородные фторуглероды (R21, R22, R141b, R142b, R123, R124). В эту группу входит и R22 широко использовавшийся ранее (рис. 1), и теперь на нем работает много действующих кондиционеров. Замена хладагента, уже заправленного в кондиционер, нецелесообразна из-за необходимости внесения конструктивных изменений в компрессор и теплообменники. Однако новые модели, поступающие на рынок, не могут работать на R22, роль хладагента должно выполнять в них более безопасное вещество.

Одним из требований к новым хладагентам стало отсутствие атомов хлора в составе веществ. Не содержат хлора и не реагируют с озоном гидрофторуглероды – ГФУ (HFC). Хладагенты этой группы разрабатывались как альтернатива ГХФУ и ХФУ. К ним относятся такие хладагенты как: R134, R134a (рис. 2), R152a, R143a, R125, R32, R23, R218, R116, RC318, R290, R600, R600a, R717 и др.

Сегодня на рынок поставляется очень много моделей кондиционеров, заправляющихся и работающих на R 32 (рис. 3). Экологическая безопасность в этом случае обеспечивается лучше, но не полностью, потому что вещества данного класса характеризуются довольно высоким ПГП и, соответственно, способствуют развитию глобального потепления. В связи с этим в EC ограничен объем производства ГФУ, к 2031 г. их объем производства должен быть сокращен на 79 %. Стало быть, и ГФУ надо искать замену.

Относительно низким ПГП характеризуется такой природный хладагент, также входящий в группу ГФУ, как пропан или R290. ЕГО ПГП равен 3, потенциал разрушения озона и вовсе нулевой. Ко всему прочему пропан нетоксичен и относительно дешев. При использовании данного хладагента не возникает проблем с выбором конструкционных материалов деталей компрессора, конденсатора и испарителя. Пропан хорошо растворяется в минеральных маслах. Температура кипения при атмосферном давлении -42,1 oС. Преимуществом R290 является также низкая температура на выходе из компрессора.

 Однако и он не лишен недостатков на фоне предъявляемых к хладагентам требований. Пропан пожароопасен, а также размеры компрессора должны быть больше, чем при использовании в холодильной машине, работающей на R22 с той же холодопроизводительностью.

Все же компании GREE (Китай) удалось разработать кондиционер, получивший в 2011 г. сертификат VDE, позволяющий использовать хладагент R290 в бытовых кондиционерах. И с 2012 года начался серийный выпуск бытовых кондиционеров на пропане, который стали использовать и в некоторых холодильных установках других производителей, но поиск альтернативы ГФУ продолжается.

Смеси хладагентов также могут обладать улучшенными свойствами по сравнению с их компонентами, взятыми по отдельности. Таким перспективным хладагентом на основе квазиазеотропной смеси R125 и R32 является К410а (рис. 4).

Он обладает рядом преимуществом перед такими хладагентами как R22. Потенциал истощения озонового слоя атмосферы R410а равен нулю, в то время как у R22 он составляет 0,05. ПГП примерно такой же, как и у R22, но с учетом более высокой эффективности установок с использованием R-410a, общее влияние на глобальное потепление ожидается существенно ниже, чем при использовании R-22. R-410A не токсичен (при концентрации менее 400 мг/кг) и не пожароопасен. Физические и теплотехнические свойства R 410a и R 22 различны, поэтому систему, рассчитанную на R-22, нельзя заправлять фреоном R410A, система должна быть изначально спроектирована под фреон R 410A. Этим он отличается от хладагентов R422D и R407C, которые специально предназначены для замены R-22 в старых системах. Еще одним минусом R410a является несовместимость с минеральным маслом. Если R22 растворяется в любом минеральном масле, то для R410a нужно полиэфирное масло, которое дороже. При этом R-410a обладает высокой удельной хладопроизодительностью (в полтора раза выше чем R-407C и R22, в два раза выше чем R-134а, что позволяет использовать компрессор с меньшей объемной производительностью.

В поисках замены

Как альтернатива ГФУ предлагался и такой природный хладагент как углекислый газ CO2. Он обладает низким коэффициентом глобального потепления, нулевым озоноразрушающим потенциалом, неогнеопасен. Однако термодинамические свойства этого вещества не столь хороши для использования его в качестве хладагента замены ГФУ – слишком низкое значение критической температуры затрудняет организацию цикла охлаждения. Еще одной проблемой является высокое давление насыщения. Уровень критического давления для ГФУ лежит в пределах от 3 до 5 МПа (5,8 МПа для ГФУ-32). Критическое давление для углекислого газа составляет 7,4 МПа при температуре 31 °C, а высокое рабочее давление накладывает ограничения на механическую конструкцию холодильных систем.

В настоящее время как перспективный вариант замены хладагентам из группы ГФУ рассматриваются вещества из группы гидрофтор­олефинов (ГФО). Они обладают хорошими тепловыми характеристиками и безопасны по отношению к окружающей среде. Например, такие хладагенты, как HFO-1234yf и HFO-1234ze (см. табл.), отличаются низким значением потенциала глобального потепления, высоким качеством охлаждения и низким уровнем воспламеняемости в сравнении с углеводородами, а также соответствуют стандарту EC 842/2006, который регулирует применение фторсодержащих парниковых газов.

Таблица. Некоторые хладагенты и их влияние на экологию.

Хладагент

Группа

ОРП

ПГП

Комментарии

R12

ХФУ

1

10600

Запрещен в рамках Монреальского протокола

R22

ГХФУ

0,055

1810

Подлежит запрету, так как содержит хлор

R134a

ГФУ

0

1430

Альтернатива ХФУ для автомобильных кондиционеров

R32

ГФУ

0

675

Огнеопасен

R290

ГФУ

0

3

Огнеопасен

R407C

Смесь ГФУ

0

1600

Создан для замены R22 в работающих установках, несовместим с минеральными маслами, температурный глайд (изменение t кипения при фазовом переходе) в случае утечки одного из компонентов

R410a

Смесь ГФУ

0

1890

Температурным глайдом можно пренебречь, несовместим с минеральными маслами

HFO-1234yf

ГФО

0

4

Низкая воспламеняемость

HFO-1234ze

ГФО

0

6

Низкая воспламеняемость

Компания Honeywell в сотрудничестве с Haier разработала первую в мире систему кондиционирования, использующую хладагент на базе ГФО еще в 2012 г. Сегодня эта же компания предлагает, например, хладагент R-452В, представляющий собой неазеотропную смесь газов ГФO и предназначенный для замены R-410a в новых установках, и в частности в тепловых насосах, коммерческих крышных климатических системах и системах VRF, а также в охладителях жидкости среднего давления (чиллеры воздух/вода).

R-452 имеет такое же рабочее давление, что и R-410a, что избавляет от необходимости изменения системы трубопроводов, пайки и установки оболочек. Характеризуется более низким массовым расходом, чем R-410a, что означает уменьшение заправки на 10-15 % по сравнению с существующим оборудованием. Превосходит R-32 в режиме нагрева и в условиях высокой температуры окружающей среды из-за более высокой критической температуры (77,1°C) и более широкого рабочего диапазона при низких температурах испарения.

Статья  из журнала "Аква-Терм", №3/2019.Рубрика "Вентиляция и кондиционирование".




Поделиться:

вернуться назад