Альтернативные многокомпонентные хладагенты групп ГФУ

Хладагент R404A. Это близкозеотропная смесь R125/R143a/R134a с соотношением массовых долей компонентов 44/52/4. Температурный глайд менее 0,5 К. Основные физические свойства R404A приведены в таблице, а характеристики на линии насыщения - в приложении 13.

В зависимости от условий эксплуатации обеспечиваются повышение холодопроизводительности на 4...5 % и снижение температуры нагнетания в компрессоре до 8 % по сравнению с аналогичными характеристиками R502.

После поступления в продажу с конца 1993 г. R404A первоначально использовали в новом оборудовании, рассчитанном на низкие и средние температуры кипения. В настоящее время R404A применяют в качестве заменителя R502 при ретрофите систем. При этом необходима замена минерального масла на полиэфирное и фильтра-осушителя.

Изменение состава смеси (R404A), циркулирующей в холодильной системе, может привести к ухудшению ее энергетических характеристик, особенно в схемах с ресивером или при значительной длине коммуникационных линий.

Компонентом R404A служит R143a, который в чистом виде становится горючим при давлении 1*10⁵ Па и температуре 177 ^oС, а в смеси с воздухом - при объемной доле 60 %. При низких температурах для возникновения горючести требуются высокие давления. Поэтому R404A также не следует смешивать с воздухом или пользоваться и допускать присутствия высоких концентраций воздуха с давлением выше атмосферного или при высоких температурах.

Хладагент R407C. Торговая марка SUVA^® 9000. В качестве альтернативы хладагенту R22 фирма "Du Pont" для использования в системах кондиционирования воздуха разработала хладагент R407C, у которого значения давлений кипения и конденсации близки соответствующим значениям для R22. Основные характеристики R407C приведены в приложении 18, а характеристики на линии насыщения - в приложении 15.

Хладагент R407C - зеатропная смесь R32/R125/R134a (массовые доли компонентов соответственно 23/25/52%). Вначале был создан хладагент следующего состава: 30/10/60 %. Позднее с целью уменьшения пожароопасности массовые доли компонентов были изменены: 23/25/52% (R407C); 20/40/40% (R407A); 10/70/20% (R407B); 10/45/45 % (FX40).

Основное преимущество заключается в том, что при переходе с R22 на R407C не требуется значительного изменения холодильной системы. В настоящее время R407C рассматривают как оптимальную альтернативу R22 по холодопроизводительности и давлению насыщенных паров.

На рынке хладагентов R407C широко представлен и покупают его в тех случаях, когда необходимо либо заменить R22 в действующем оборудовании (при незначительных изменениях), либо подобрать хладагент вместо R22 для нового оборудования.

Вместе с тем большинство компаний озабочены большим температурным глайдом Dt_gl = 5...7 К, характерным для R407C, поэтому массовые доли компонентов предлагаемых смесей варьируют в широких пределах. Данный недостаток значительно затрудняет обслуживание холодильных систем. Так, в системах с несколькими испарителями возможно нарушение исходной концентрации рабочего вещества, заправленного в систему. Аналогичные трудности возникают и в холодильных системах с затопленным испарителем.

При использовании R407C не требуется вносить существенные изменения в конструкцию холодильной установки - приходится лишь заменить холодильное масло на полиэфирное, а также эластомеры, адсорбенты фильтров-осушителей и предохранительные клапаны. Совместимые с R407C полиэфирные масла чрезвычайно гигроскопичны. Это предъявляет жесткие требования к технологии сборки холодильной машины. Кроме того, для R407C характерны очень низкие (на 25...30 % ниже, чем для R22) значения коэффициента теплопередачи, поэтому теплообменные аппараты холодильных систем, работающих на R407C, оказываются более металлоемкими.

Утечки из холодильной системы будут приводить к изменению состава хладагента и его растворимости в холодильном масле, что отразится на энергетической эффективности и условиях теплообмена в испарителе и конденсаторе. Изменение состава хладагента в процессе эксплуатации затруднит регулирование и усложнит процедуру дозаправки. Отсутствие контроля за концентрацией масла в испарителе может отразиться на эффективности протекающих в нем процессов теплообмена. Так, присутствие в рабочем веществе 0,2 % полиэфирного масла снижает коэффициент теплопередачи R407C на 2 %. При содержании 2 % масла в хладагенте коэффициент теплопередачи уменьшается на 14 %.

Характеристики R407C в сравнении с R22 представлены в таблице.

Основные физические свойства и эксплуатационные характеристики R407C в сравнении с R22 Показатель R407C R22 Средняя температура кипения при атмосферном давлении, oС -43,56 -40,80 Давление насыщенной жидкости при 25 oС 1174 1043 Плотность жидкости при 25 oС, кг/м3 41,98 44,21 Потенциал разрушения озона ODP 0 0,05 Относительная холодопроизводительность Q0 R407C/Q0 R22 1,00 1,00 Потенциал глобального потепления GWP 1600 1700 Холодильный коэффициент 6,27 6,43

Примечания: 1.Температура кипения 7,2 ^oС, температура конденсации 43,3 ^oС, температура перегрева на всасывании в компрессор 15,5 ^oС, температура переохлаждения перед регулирующим вентилем 40,6 ^oС. 2. Q_{0 R407C}, Q_{0 R22} - xoлoдопроизводительность при работе соответственно на R407C и R22.

Как видно из таблицы, по сравнению с R22 хладагент R407C оказывает значительно менее вредное воздействие на окружающую среду (значение потенциала глобального потепления GWP у R407 почти такое же, как и у R22, потенциал разрушения озона ODP равен нулю).

При более низкой температуре нагнетания и немного более высоком давлении нагнетания энергетическая эффективность R407C близка к энергетической эффективности R22.

В таблице приведены действительные сравнительные характеристики различного оборудования, изготовленного для работы на R22, при эксплуатации на R407C как в режиме холодильной машины, так и в режиме теплового насоса (оборудование не претерпело никаких изменений при переводе на R407C).

* Условия испытаний (А и В) при работе в режиме охлаждения установлены Министерством энергетики США.
** Условия испытаний (Е и Н) при работе в режиме нагрева - тем же ведомством.
Примечание. За 100 % приняты показатели при работе на R22.

Из таблицы следует, что холодопроизводительность этой зеотропной смеси примерно на 2...5 % меньше, чем у R22.

Важно, что R407C не предназначен для работы в смеси с другими хладагентами. Добавление R407C к любому другому хладагенту может вызвать существенные изменения в показателях эффективности работы холодильной системы. Диапазоны применения хладагента R407C представлены на рисунке.

Перед проведением операций по замене смеси традиционный хладагент + минеральное масло на смесь R407C + полиэфирное масло обращают внимание на химическую совместимость последней с пластиками и эластомерами. Как показали исследования, не существует ни одной группы эластомеров или пластиков, которая бы подходила ко всем альтернативным хладагентам. Рекомендуется перед заменой хладагента и внесением конструктивных изменений в холодильную систему по отношению к таким ее элементам, как прокладки, уплотнения и поршневые кольца, проконсультироваться с производителем оборудования.

Холодильное масло подбирают с учетом трех факторов: возврата масла в компрессор; смазывающей способности и совместимости с материалами элементов холодильной установки. Для использования в сочетании с R407C рекомендуются полиэфирные масла. Производителей полиэфирных масел много, поэтому перед выбором масла необходимо проконсультироваться с представителем фирмы-изготовителя компрессора, а также другого оборудования, входящего в холодильную систему. Так, фирма "Copeland" рекомендует масла "Mobil EAL Arctic 22 СС" и "ICI Emkarate RL 32 CF".

Недостаток полиэфирных холодильных масел - большая гигроскопичность по сравнению с минеральными (рис. выше). Для поглощения влаги маслом достаточен лишь кратковременный контакт его с окружающей средой, что делает масло непригодным для использования в холодильной системе. Поскольку полиэфирное масло более предрасположено к удерживанию влаги, чем минеральное, ее гораздо труднее удалить, применяя вакуум. Поэтому рекомендуется заправлять систему полиэфирным маслом, массовая доля влаги в котором не более 50 млн^-1. При помощи фильтра-осушителя соответствующего размера можно поддержать массовую долю влаги в системе на уровне менее 50 млн^-1. Если содержание влаги в масле, заправленном в холодильную систему, достигает недопустимо высокого уровня, то это может привести к появлению коррозии и осаждению меди на сопряженных деталях.

Хорошее вакуумирование снижает остаточные следы влаги до 10 млн^-1. Систему вакуумируют до давления 0,3*10²Па или ниже. Если неизвестно, какое количество влаги присутствует в системе, следует взять пробу масла и проверить его на наличие влаги.

Обычно смотровое стекло (индикатор влаги), которое есть в действующей установке, можно использовать с новыми хладагентами и маслами. Однако индикатор влаги может давать неправильные показания. Действительный уровень влаги в масле будет выше, чем видно в смотровом стекле. Это происходит в результате высокой гигроскопичности полиэфирного масла.

Так как полиэфирные смазочные масла обладают гигроскопичностью и абсорбируют воду, особое внимание следует уделять их транспортированию и хранению. Контакт этих масел с воздухом должен быть сведен к минимуму, хранить их следует в герметичных металлических емкостях. При замене во время ретрофита смеси R22 + минеральное масло на смесь R407C + полиэфирное масло для достижения эквивалентной растворимости хладагента и масла остаточное количество минерального масла в системе не должно превышать 5 % общего количества масла в системе. Допустимое остаточное количество минерального масла в холодильной системе зависит от ее конфигурации и от рабочих условий. Если в холодильном контуре появляются признаки падения интенсивности теплообмена в испарителе или наблюдается ухудшение возврата масла в компрессор, то, возможно, требуется дальнейшее снижение количества остаточного минерального масла. После проведения ряда смен масла с использованием полиэфирного масла остаточная концентрация минерального масла обычно снижается до минимального уровня. В настоящее время производителями масла разработана методика определения в "полевых" условиях содержания минерального масла в полиэфирном.

Как уже было сказано, снижение эффективности работы холодильной системы может происходить из-за утечек хладагента.

Если в работающей холодильной системе происходит утечка и жидкости, и пара R407C из той части, где находится парожидкостная смесь (теплообменники или ТРВ), состав оставшейся части хладагента практически остается таким же, каким он был первоначально. После дозаправки до первоначального количества хладагента в системе ее производительность восстанавливается. Однако если происходит утечка пара из парожидкостной зоны неработающей системы, состав оставшейся части хладагента изменяется. В оставшейся части повышается концентрация высококипящего компонента (R134a), концентрация низкокипящих компонентов (R32 и R125) понижается. Следствием изменения концентраций компонентов, составляющих хладагент, является изменение состава смеси R407C и зависящих от него параметров работы холодильной системы (табл. ниже). Данные, приведенные в этой таблице, относятся к работе холодильной компрессионной машины, где хладагентом служил R407C, по теоретическому циклу, причем после 50%-ной (по массе) утечки из паровой фазы были проведены многократные дозаправки.

На основании исследования процессов утечки и дозаправки R407C, проведенного фирмой "Du Pont", сделаны три важнейших вывода:

• при утечке из паровой фазы уменьшается концентрация R32 (воспламеняемого компонента смеси), поэтому смесь остается негорючей;
• в процессах утечки и дозаправки энергетическая эффективность системы остается неизменной, а температура и давление нагнетания уменьшаются;
• после четырех циклов 50%-ной утечки и дозаправки производительность снижается на 9 %.

Данные, приведенные в таблице, относятся к теоретическому исследованию работы холодильной системы в наихудших условиях. На практике же происходящие с хладагентом изменения, как правило, менее значительны. Есть экспериментальные данные о том, что для теплового насоса после второй дозаправки производительность стабилизировалась на значении, на 4 % меньшем, чем при первоначальной заправке.

* Относительный холодильный коэффициент при первоначальной заправке R407C принят за 100%.
** Относительная холодопроизводительность при первоначальной заправке принята за 100%.

Хладагент R507. Торговая марка "Genetron AZ50" ("Allied Signal"). Состав смеси: R125 и R143a соответственно по массе 50 и 50 %. Температура кипения -46,7 ^oС (приложение 16). Молекулярная масса 98,86 г/моль. Потенциал разрушения озона ODP = О, потенциал глобального потенциала GWP = 3900. Хладагент разработан для ретрофита низкотемпературных холодильных систем, работающих на R502, и для заправки нового оборудования в сочетании с применением полиэфирных масел. Характеристики хладагента R507 приведены ниже:

По характеристикам азеотропный хладагент R507 близок к R502. При использовании R507 холодильный коэффициент цикла меньше на 8... 11 %, а холодопроизводительность - на 1...3 %, чем в холодильных системах, работающих на R502. Однако более низкие (на 6...9 ^oС) значения температуры нагнетания позволяют применять этот хладагент в тех низкотемпературных системах, где использование R502 встречает ограничения. Близкие к R502 значения плотности альтернативного хладагента R507 на входе в компрессор и степени сжатия указывают на необходимость самых минимальных изменений в конструкции действующих компрессоров.

Хладагент R410A. Торговая марка SUVA^® 9100. Представляет собой двойную азеотропную смесь гидрофторуглеродов R32 и R125 при равных массовых долях компонентов (50 и 50 %). Потенциал разрушения озона ODP = 0. Потенциал глобального потепления HGWP = 0,45. Он служит хладагентом, альтернативным R22, и предназначен для заправки новых систем кондиционирования воздуха высокого давления. Удельная холодопроизводительность R410A примерно на 50 % больше, чем у R22 (при температуре конденсации 54 ^oС), а рабочее давление в цикле на 35...45 % выше, чем у R22, что приводит к необходимости внесения конструктивных изменений в компрессор и теплообменники, а следовательно, к возрастанию капитальных затрат. Характеристики хладагента R410A на линии насыщения и его физические свойства приведены в приложениях 17, 18.

Поскольку плотность R410A выше, чем R22, компрессоры, коммуникационные линии и теплобменники должны иметь меньшие размеры.

В холодильных системах, работающих на R410A, рекомендуется использовать полиэфирные масла.

Хладагент R508B. Торговая марка SUVA^® 95. Представляет собой азеотропную смесь R23 и R116 при соотношении массовых долей компонентов 46 и 54 %. Температура кипения -88,3 ^oС. Потенциал разрушения озона ODP = 0. Предназначен для замены R503, R13 и R23 в низкотемпературном оборудовании. В качестве холодильного масла рекомендуется полиэфирное. Физические свойства R508B приведены в приложении 18.