Современное состояние и перспективы применения альтернативных хладагентов

Проводимые правительствами многих стран мероприятия по выполнению решений Венской конвенции (1985 г.), Монреальского протокола (1987 г.) и последующих поправок к ним позволили значительно сократить производство и потребление хлорфторуглеродов (ХФУ). Так, если в 1986 г. суммарное производство фреонов в мире составляло 1,123 млн т, то в 1994г. производство и потребление ХФУ снизились более чем на 50 %. Однако в странах Евросоюза к настоящему времени все еще используется в действующем холодильном оборудовании до 110 тыс. т ХФУ.

В России сектор холодильной промышленности включает 15 заводов по выпуску бытовых холодильных приборов и комплектующих к ним, 3 завода, производящих торгово-холодильное оборудование, и 6 заводов, изготовляющих промышленные холодильные машины и компрессоры.

Единовременная заправка ХФУ всего действующего парка холодильного оборудования, по оценкам Российского научного центра "Прикладная химия", составляет 30...35 тыс. т (1996г.). Рассматривая проблему замены традиционных хладагентов группы ХФУ (только в странах Евросоюза требуется около 30 тыс. т), следует отметить, что фирмами-производителями в последние годы разработано значительное количество альтернативных хладагентов, эффективных в относительно узком диапазоне рабочих температур.

Существует такое количество хладагентов, что в некоторых случаях потребителю сложно выбрать требуемый хладагент для конкретных условий применения.

Для замены R12 основные мировые производители химической продукции рекомендуют R134a и альтернативные смеси С1 и СМ1, в том числе и переходные, содержащие в своем составе R22, - R401A, R401B, R401C, R409A, а также природные хладагенты R600a, R290, пропан-бутановые смеси и R717.

R134a широко используют во всем мире в качестве основной замены R12 для холодильного оборудования, работающего в среднетемпературном диапазоне. Применяют R134a в автомобильных кондиционерах, бытовых холодильниках, торговом среднетемпературном оборудовании, промышленных установках, системах кондиционирования воздуха зданий и промышленных помещений, а также на холодильном транспорте. Энергетические показатели R134a ниже, чем у R12; для работы с R134a требуются дорогостоящие синтетические масла, отличающиеся высокой гигроскопичностью, хладагент имеет высокий параметр GWP.

В последние годы производство и потребление R134a в промышленно развитых странах происходят медленнее, чем предполагалось в прогнозах, при этом одной из причин такого медленного роста считается нелегальный экспорт ХФУ. В США и странах Западной Европы он составляет 10...15 тыс. т в год. Производственные мощности по выработке R134a в промышленно развитых странах оценивали в 1997г. в 170 тыс. т при мировом спросе 85 тыс. т. Сервисные смеси R401A, R401B, R401C, R409A группы ГХФУ рекомендуется применять для ретрофита в действующих высоко-, средне- и низкотемпературных холодильных системах. Они не смешиваются с минеральными маслами (за исключением R409A) и предназначены для работы с синтетическими маслами.

Хладагент С1 рекомендуется для использования в бытовой холодильной технике, он совместим с минеральными маслами, по термодинамическим свойствам эквивалентен R12, однако из-за пожароопасности хладагента требуется внесение конструктивных изменений в холодильные машины. Хладагент СМ1 предполагается использовать в бытовом, торговом и промышленном холодильном оборудовании. Применение его не связано с необходимостью изменения конструкции холодильных машин, СМ1 совместим с минеральными маслами, по термодинамическим свойствам близок к R12, негорюч.

В бытовых холодильных приборах и торговом холодильном оборудовании стран Западной Европы все шире используют так называемые "природные" хладагенты R290, R600a и смеси на их основе. В настоящее время расход углеводородов составляет около 0,07 кг на 1 кВт холодопроизводительности и прослеживается тенденция к дальнейшему его снижению. Это экологически чистые хладагенты, растворимые с минеральными маслами и по энергетическим показателям они сравнимы с R12. Вместе с тем требуется внесение изменений в конструкцию компрессора. Хладагенты пожаровзрывоопасны и поэтому требуется строго соблюдать меры предосторожности.

Для ретрофита R502 в действующих холодильных системах рекомендуется использовать холодильные смеси R402B, R402A, R404A, R507 и R408A. Термодинамические свойства R402A и R402B сходны со свойствами R502. Хладагенты растворимы с синтетическими маслами. Выбор типа холодильной смеси диктуется конкретным применением и характерными условиями эксплуатируемого холодильного оборудования.

Хладагент R404A предполагается применять для ретрофита действующего средне- и низкотемпературного оборудования, работающего на R502 и R22, а также для заправки нового холодильного оборудования. Совместим с синтетическими маслами, относится к группе ГФУ. Перспективен для применения в области низких температур на судовом рефрижераторном транспорте.

Хладагент R507 разработан для ретрофита низкотемпературных холодильных систем, работающих на R502, по своим характеристикам близок к R502, растворим в синтетических маслах, относится к группе ГФУ.

Применение хладагента R22, хорошо зарекомендовавшего себя в системах кондиционирования воздуха, торговых и транспортных холодильных установках, а также в воздухоохладительных системах и тепловых насосах, не отвечает долгосрочным перспективам развития холодильной техники в связи с решением Монреальского протокола. Кроме того, по энергетическим показателям R22 уступает R12 в среднетемпературных холодильных установках, поэтому не отвечает мировым тенденциям повышения энергетической эффективности оборудования и положениям Конвенции (г. Киото, 1997) по ограничению выбросов парниковых газов.

В настоящее время производство R22 находится в состоянии значительного превышения предложения над спросом. В частности, мощности по производству R22 в Западной Европе оцениваются в 150 тыс. т в год, а потребление - в 100 тыс. т в год. В будущем будет прослеживаться тенденция к сокращению его производства. Для замены R22 рекомендуются хладагенты R404A, R407C, R410A, R407A, R290 и R717.

Хладагент R410A служит для замены R22 в новых системах кондиционирования воздуха высокого давления, при этом требуется внесение конструктивных изменений в компрессор и теплообменники. Растворим в синтетических маслах. В перспективе R410A может служить альтернативным хладагентом для замены R22, поскольку имеет высокую удельную объемную холодопроизводительность и низкую критическую температуру.

Хладагент R407C по энергетической эффективности близок к R22 и рассматривается как оптимальная альтернатива R22. В настоящее время его широко используют в системах кондиционирования воздуха. Не требуется вносить значительных изменений в холодильную систему.

При эксплуатации зеотропных смесей появился ряд проблем. Это наличие "температурного глайда", изменение состава смеси в случае утечки одного из компонентов, несмешиваемость ряда хладагентов с минеральными маслами, парожидкостное разделение зеотропных смесей в каждом элементе системы: компрессоре, теплообменных аппаратах, конденсаторе и испарителе; различная растворимость компонентов смеси в холодильном масле.

В настоящее время 70 % холодильных установок для овоще- и фруктохранилищ работают на R717, 60% - в мясной промышленности, 50 % - в кондитерском производстве; 80 % - в производстве пива и напитков.

Наблюдается возврат к применению R717 в судовом рефрижераторном транспорте, важнейшем звене холодильной цепи. Объем морских перевозок к 2005 г. должен составить 64 млн т. Возрастает объем транспортировки грузов в охлаждаемых контейнерах, работающих на R134a и R404A, доля которых составляет 42 % общей массы используемых контейнеров.

Перспективно применение жидкого и газообразного азота в прямоточных охлаждающих системах.

Уровень потребления энергии холодильной системой - один из важнейших параметров, определяющих ее воздействие на степень глобального потепления. В настоящее время наблюдается тенденция согласования энергетической эффективности холодильного оборудования с полным эквивалентом глобального потепления - TEWI, предложенным Международным институтом холода.

В настоящее время в создании холодильных систем из-за опасности изменения климата начинают преобладать следующие тенденции:

• преимущественное применение хладагентов с низким потенциалом глобального потепления. К ним относятся углеводороды, аммиак, азот и диоксид углерода;
• совершенствование технологических процедур сервисного обслуживания холодильных систем;
• снижение выбросов хладагентов из холодильных систем;
• уменьшение количества хладагента, заправляемого в систему;
• повышение требований к качеству сборки холодильных машин и аппаратуры;
• совершенствование действующих холодильных машин в целях повышения их энергетической эффективности и разработка новых холодильных машин.