Классификация холодильных машин
1) По виду физических процессов, используемых для получения холода,
и роду хладагентов, холодильные машины делятся на две группы:
1. - машины, использующие фазовые переходы хладагентов из жидкого
в парообразное состояние (паровые ХМ);
2 - машины, в которых хладагенты, совершая холодильный цикл,
остаются в газовой фазе (газовые ХМ).
2) По виду энергии, затрачиваемой на работу ХМ. Различают ХМ
использующие:
2.1) - механическую энергию (компрессорные);
2.2) - тепловую энергию (эжекторные, абсорбционные);
2.3) - электрическую энергию (термоэлектрические)
3) В зависимости от холодопроизводительности, все ХМ условно
разделяются:
3.1) - малые (холодопроизводительность Qо до 15 кВт);
3.2)- средние (Qо от 15 до 120 кВт);
3.3)- крупные (Qо выше 120 кВт).
4) В зависимости от температурного уровня, до которого осуществляется отвод тепла, ХМ подразделяются:
4.1) - на низкотемпературные (tо ниже - 300С);
4.2) - на среднетемпературные (tо от -100С до -300С);
4.1) - высокотемпературные (tо от -100С и выше).
5) В зависимости от сложности схемы и вида холодильного цикла, различают ПКХМ:
- одноступенчатые;
- двухступенчатые;
- многоступенчатые;
- каскадные
6) В зависимости от типа применяемых компрессоров, различают
ХМ с компрессорами:
6.1) - поршневыми;
6.2)- ротационными (с пластинчатыми или катящимся ротором);
6.4)- винтовыми;
6.5)- центробежными (турбокомпрессорными ХМ);
6.6)- химическими компрессорами (абсорбционные ХМ).
Ответ на вопрос 2. Основные параметры холодильных установок.
1) - холодопроизводительность, (Q0) (кВт) (ккал/час);
2) - температура кипения и конденсации хладагента (То;Т1),
3) - давление кипения и конденсации хладагента (Ро;Р1),
|
|
4) - энергия, потребляемая при работе установки,
5) - массогабаритные характеристики холодильной установки.
Холодопроизводительность: Q0 – это количество тепла, которое холодильная установка отбирает у охлаждаемого объекта в единицу времени, измеряемое в киловаттах (кВт.) или килокалориях в час (ккал/час):
Q0 = q0М или Q0 = qυV
где q0 – удельная массовая холодопроизводительность, т.е. количество
тепла, отводимое от охлаждаемой среды одним килограммом
хладагента в процессе его кипения кДж/кг (ккал/кг);
qυ – удельная объемная холодопроизводительность, т.е.
холодопроизводительность 1 м3 паров хладагента, отсасываемого
компрессором (эжектором), кДж/м3 (ккал/ м3);
М и V – соответственно массовая и объемная производительность
компрессора (эжектора), кг/с, м3/с.
Температура кипения t0 – температура хладагента в испарители холодильной установки, определяемая величиной давления в испарители и физическими свойствами хладагента.
Температура конденсации tк – температура паров хладагента в конденсаторе холодильной установки, определяемая физическими свойствами хладагента, а также температурой и количеством охлаждающей забортной воды, прокачиваемой через конденсатор.
Давление кипения ро - давление, при котором происходит кипение хладагента в испарителе.
Величина его обусловлена заданными пределами температур охлаждаемой среды и физическими свойствами применяемого хладагента.
Давление конденсации р1 – давление, при котором происходит конденсация паров хладагента в конденсаторе.
|
|
Величина его определяется температурой и количеством подаваемой охлаждающей забортной воды, прокачиваемой через конденсатор, и физическими свойствами хладагента.
Энергия, потребляемая при работе установки, является одной из важнейших эксплуатационных характеристик холодильной установки.
Примечание. В зависимости от принципа действия и состава холодильной установки для ее работы подводится электрическая энергия (компрессоры, насосы, приборы автоматики), пар или одновременно электроэнергия и пар.
Электроэнергию измеряют в единицах мощности, энергию подводимого пара косвенно выражают через давление, температуру и расход пара на установку.
Экономичность холодильной установки выражают через отношение холодопроизводительности установки к количеству условного топлива, расходуемого в единицу времени для обеспечения энергией холодильной установки.
Под условным топливом понимают топливо с теплотворной способностью 10.000 ккал/кг (41.870 кДж/кг).
Конец лекции №1
Лекция №2
Тема: «Хладагенты судовых холодильных установок».
Рассматриваемые вопросы:
1. Хладагенты судовых холодильных установок.
2.Современные хладагенты и проблемы экологии.
Ответ на вопрос 1. Хладагенты судовых холодильных установок.
Хладагентами может быть любое вещество, поглощающее теплоту из другой среды или тела.
В цикле паровой компрессорной ХМ хладагент - это рабочее вещество, которое попеременно выкипает при поглощении и конденсируется при отдаче теплоты.
|
|
С точки зрения безопасности, эксплуатационных качеств и экономической целесообразности, особенно на судах хладагент должен обладать определенными химическими, физическими и термодинамическими свойствами для безопасности и экономичной эксплуатации парокомпрессорной ХМ.
В настоящее время не существует идеального хладагента, который можно было бы применять во всех случаях, так как условия и потребности многогранны. Поэтому, хладагент приближается к идеальному состоянию только в том смысле, что его свойства соответствуют потребностям эксплуатации.
Важнейший вопрос при выборе хладагента для судовой ПКХУ - это его безопасность.
Хладагент должен быть химически инертным, не воспламеняющимся, взрывобезопасным и нетоксичным как в чистом виде, так и в смеси с любым количеством воздуха. Кроме того, хладагент не должен воздействовать отрицательно на смазочное масло или любой материал, используемый в холодильном оборудовании.
Хладагент не должен отрицательно реагировать на присутствие влаги, наносить вред окружающей среде, портить пищевые продукты или любые другие изделия при утечке из системы.
Токсичность - это относительное свойство, которое проявляется, если создается опасная степень концентрации данного вещества в воздухе. Хладагенты по степени токсичности разделены на пять групп. Самые вредные хладагенты относятся к первой группе. В таб. 1.1 приведены значения допустимой концентрации хладагентов в воздухе (в % по объему) вызывающие различную степень отравления.
Таблица 1.1
| Холодильный агент | Класс вредности | Легкая степень отравления | Тяжелая степень отравления или гибель | ||
| Концентрация по объему,% | Время воздействия на человека | Концентрация по объему,% | Время воздействия на человека | ||
| Сернистый ангидрит | 0.001- 0.01 | 5-8 мин | 0,5-0,1 | 0,1 час | |
| Амиак | 0.01 | 5-8 мин | 0,5-0,1 | 0,5 час | |
| Хлорметил | больше 0.01 | 5-8 мин | 2,0-2,5 | 2 час | |
| Углекислота | 2-3 | 5-8 мин | 29-30 | 0,5 час | |
| R-22 | 2-3 | 5-8 мин | 10-15 | 0,5 час | |
| R-12 | 5-8 мин | 25-30 |
Если рассмотреть ХУ с точки зрения экономической эксплуатации, то желательно, чтобы хладагент имел такие физические и термодинамические свойства, которые обеспечивали минимальный расход энергии на единицу холодопроизводительности, то есть создавали бы высокий холодильный коэффициент.
Наиболее важными свойствами хладагента, влияющими на производительность и коэффициент полезного действия, является:
1) скрытая теплота парообразования;
2) удельный объем парообразования;
3) степень сжатия,
4) удельная теплоемкость в жидкой и паровой фаз.
Производительность и коэффициент полезного действия компрессора увеличивается в том случае, когда:
- высокое значение скрытой теплоты сочетается с низким удельным объемом пара, в результате чего уменьшается расход энергии, а также уменьшается требуемая объемная производительность компрессора, что позволяет применять более компактное оборудование.
Низкая удельная теплоемкость жидкости и высокая теплоемкость пара хладагента желательны, они повышают удельную массовую производительность, причем в первом случае увеличивается переохлаждение жидкости, а во втором - уменьшается перегрев пара.
Желательно, чтобы давление хладагента в испарителе было выше атмосферного. Если давление на стороне всасывания ниже атмосферного, то значительное количество воздуха и влаги может попасть в систему при наличии неплотностей в ней.
Относительно низкое давление конденсации при нормальных атмосферных условиях позволяет использовать тонкостенные конструкции конденсаторов, в результате чего уменьшаются масса, размеры и стоимость оборудования.
Критические температура и давление хладагента должны быть выше максимальной температуры и давления в системе.
Температура замерзания хладагента должна быть значительно ниже температуры в рабочем цикле.
Фреоновой и вода в системе.
В холодильной системе всегда имеется влага, которая может быть в свободном состоянии или в смеси с хладагентом. Когда влага находится в системе в свободном состоянии, она замерзает на участках системы с отрицательной температурой. Следовательно, образование льда прекращает движение потока хладагента по системе, то есть холодильная машина прекращает функционирование.
Свободная вода может находиться в системе только в том случае, когда ее количество превышает максимум того что хладагент может удерживать в растворе. Желательно иметь такой хладагент, который обладает хорошей поглощающей способности к влаге.
Хладагент и масло.
По вопросу о соотношении хладагента и масла необходимо отметить, что смешиваемость масла с различными хладагентами неодинакова.
По своей способности растворяться в масле хладагенты делятся на три группы:
1) - полностью растворимые;
2) - частично растворимые (при высоком давлении);
3) - не растворимые.
В любом случае смешиваемость масла, или ее отсутствие, является важным фактором при выборе хладагента.
Однако степень растворимости хладагента в масле - это важная характеристика, так как она значительно влияет на конструкцию компрессора и других систем, включая трубопроводы подачи хладагента.
Хладагент, растворяясь в масле, которое находится в картере компрессора, снижает его вязкость, ухудшая смазочные свойства. Для компенсации смазочное масло, используемое в компрессоре, должно иметь более высокую начальную вязкость.
Масло, циркулирующее через систему вместе с хладагентом, отрицательно влияет на коэффициент полезного действия и производительность установки из-за образования пленки на поверхностях теплообмена, в результате чего уменьшается коэффициент теплопередачи.
Стоимость хладагента.
Важными факторами выбора хладагента является также его стоимость и не дефицитность.
На ранней стадии развития холодильной техники почти единственными хладагентами были амиак NH3 и углекислота СО2. Позднее стали применяться сернистый ангидрид SO2 и хлористый метил СН3Сl. За исключением аммиака, все эти хладагенты в настоящее время не используются. Аммиак используется на рефрижераторных судах и в стационарных холодильных установках большой мощности.
Поиск полностью безопасных рабочих веществ с хорошими термодинамическими свойствами привел в начале 30-х годов к созданию фторированных хладагентов.
Фторированные хладагенты - это галоидные производные ряды насыщенных углеводородов. Они синтезируются замещением одного или большего числа атомов водорода в молекулах метана СН4, этана С2Н6 и других из этого ряда атомами хлора, фтора, брома.
Общее торговое название галогенизированных углеводородов - фреоны. Во всех странах, где производятся эти вещества, им присваиваются свои торговые названия, например, арктон, фриген, в СССР - хладон.
Общая химическая формула хладонов СmНnFpСlqВrr
где: индексы: m, n, p, q, r обозначают число атомов в молекуле, причем m ≥ 1, p ≥ 1,
а остальные индексы могут принимать значения 0, 1, 2 ….
Для обозначения хладагентов в России и за границей принята специальная система стандартов, разработанная Международной Организацией по Стандартизации (ИСО).
Этой системой в 1974 г. был закреплен Международный Стандарт - МС ИСО 817 «Органические хладагенты».
МС ИСО 817 допускает несколько обозначений хладагентов:
- условное (символическое);
- торговое название (марка) химическое название или химическая формула.
При этом условное обозначение хладагентов является предпочтительней. Оно состоит из символа R (начальной буквы слова Refrigerant - хладагент) и определяющего числа.
Определяющее число формируется следующим образом:
- последняя цифра показывает число атомов фтора;
- предпоследняя - число атомов водорода, увеличенное на единицу;
- третья цифра справа - число атомов углерода, уменьшенное на единицу.
Для производных метана третья цифра справа - ноль, его принято опускать, поэтому определяющее число производных метана - двух цифровое.
Число атомов хлора в молекуле хладона равно разности между числом атомов водорода и числом атомов углерода и суммой чисел атомов водорода и фтора.
В бромсодержащих хладонах атомы хлора замещаются атомами брома, поэтому к обычному определяющему числу справа добавляют букву В и цифру, указывающую число атомов брома.
В парокомпрессорных холодильных машинах на судах в качестве хладагентов используются только R-12 и R-22,
R-12(хладон-12) - наиболее распространенный хладагент, используется почти во всех областях холодильной техники.
Характеризуемый умеренными р0 и р1 и довольно большой удельной объемной холодопроизводительностью qv.
Применяется в ПКХМ при температуре кипения до - 250С. В простом одноступенчатом холодильном цикле при стандартном температурном режиме (t0 = -150С. t1 = +300С) он имеет следующие параметры:
р0 = 0,183 МПа; р1 = 0,7435 МПа; 
= 4,06; qv =1280 кДж/кг; 
= 0,82.
В жидкой и паровой фазах R-12 бесцветен, почти не имеет запаха (слабый сладковатый запах ощущается только при массовой доле хладагента в воздухе 20%).
Плотность жидкого R-12 выше плотности воды, а парообразного - выше плотности воздуха. В рабочем диапазоне температур R-12 химически стабилен, негорюч, взрывобезопасен, нетоксичен.
Разлагается только при температуре свыше 330 0С и в открытом пламени с образованием следов отравляющего газа - фосгена. В связи с этим в отделениях холодильных машин запрещается установка открытых электронагревательных приборов, работа с открытым пламенем и курение.
Обезвоженный R-12, как и другие хладоны, нейтрален ко всем металлам, применяемым в кораблестроении, за исключением сплавов, содержащих более 2% магния. В присутствии воды R-12 образует кислоты, действующие на большинство металлов.
R-12 растворяется в воде крайне незначительно. Это его отрицательное свойство, так как вода попавшая в систему хладагента (даже в небольшом количестве) не только способствует коррозии но и замерзает при низких температурах, образуя ледяные пробки в узких проходах, чаще всего в дроссельных устройствах, что приводит нарушению нормальной работы установки.
Как большинство хладонов, R-12 является хорошим растворителем органических веществ, разъедает обычную резину, снимает с поверхности металлов окалину, ржавчину, песок, обладает повышенной текучестью, способен проникать через малейшие не плотности, даже через поры чугуна. В связи с этим холодильные машины изготовляют из газоплотного (мелкозернистого) чугуна, а уплотняющие прокладки - из хладономаслостойких материалов.
Со смазочным маслом R-12 взаиморастворим. Взаиморастворимость с маслом увеличивается при повышении давления и при снижении температуры. Масло абсорбирует пары хладагента, при этом его вязкость уменьшается.
R-12 не агрессивен к определенным видам электрической изоляции, что позволяет его применять в компрессорах с приводными электродвигателями омываемыми фреоном в герметичных моноблоках.
Ответ на вопрос 2. Современные хладагенты и проблемы экологии
Вступление
2.1. Эволюция в области хладагентов
2.2.Защита озонового слоя
2.3. Глобальное потепление
2.4. Использование природных хладагентов
2.5. Природные хладагенты R717 и R723 как альтернатива ГХФУ и ХФУ
Список литературы
Введение
Всем нам хорошо известно, что искусственное охлаждение связано с осуществлением термодинамических циклов холодильных машин, которые основаны главным образом на фазовых превращениях тел, называемых рабочими веществами или хладагентами. Хладагенты, являясь неотъемлемой частью холодильной машины, существенно влияют на ее конструкцию. Так, отдельные термодинамические характеристики хладагента (например, давление кипения, давление конденсаций) определяют конструкцию основного элемента машины - компрессора. Разность давлений определяет нагрузку на рабочие элементы компрессора. От свойств хладагента зависит выбор материала для основных элементов, а также для труб, соединяющих их. Вместе с тем, хладагент должен отвечать таким требованиям, как растворимость в масле, не токсичность, не взрывоопасность, низкая цена и т. п. Таким образом, от вида хладагента зависят многие параметры холодильной машины. Выбор хладагента осуществляется в каждом конкретном случае, основываясь на анализе совокупности всех качеств и факторов, характеризующих как работу холодильной машины, так и конструктивные особенности ее отдельных элементов, и по существу является целой проблемой.
Однако в конце прошлого столетия появилась новая проблема, связанная с рабочими веществами - проблема экологий. Судьбоносными для холодильной техники стали Монреальский (сентябрь 1987 г.) и Киотские (декабрь 1997 г.) протоколы. Лексикон обогатился новыми понятиями: «озоновые дыры», «глобальное потепление», «парниковые газы». Озоноразрушающими веществами (ОРВ) оказались фреоны, в молекулах которых имелись атомы хлора и брома, так называемые CFC-хладагенты. Парниковые газы - виновники глобального потепления - тоже фреоны, причем не только разрушающие озоновый слой (CFC- и HCFC-хладагенты и бромфреоны), но и озонобезопасные (HFC-хладагенты). К парниковым газам отнесены полностью фторированные углеводороды (PFC-хладагенты) и шестифтористая сера SF6 (R846). В «корзине» парниковых газов - диоксид углерода, метан и закись азота.
Эволюция в области хладагентов
Эволюцию в области хладагентов можно условно разделить на четыре поколения.
Первое поколение хладагентов: «все, что работает». Наиболее распространенными хладагентами в течение первых 100 лет искусственного охлаждения были обычные растворители и другие летучие вещества. Они и составили первое поколение хладагентов, которое включало «все, что работало», среди доступных в то время веществ. Почти все эти ранние хладагенты были токсичными или горючими, или и то, и другое вместе, а некоторые еще и очень химически активными. Обычными были несчастные случаи. В дальнейшем (20-е годы прошлого столетия) многие компании характеризовали пропан (R290) как «безопасный хладагент без запаха» в отличие от аммиака (R717).
Второе поколение: «безопасность и долговечность». Второе поколение отличается растущим внедрением галогенсодержащих химических продуктов, мотивируемым их безопасностью и долговечностью. Промышленное производство R12 началось в 1931 г., а R11 - в 1932 г. Хлорфторуглероды (CFC), а позднее, начиная с 50-х годов, в системах кондиционирования и тепловых насосах как бытовых, так и коммерческих гидрохлорфторуглероды (HCFC) доминировали во втором поколении хладагентов. Аммиак был и все еще оставался наиболее распространенным хладагентом в системах промышленного холода, особенно для производства и хранения продуктов и напитков.
Третье поколение: «защита озонового слоя». Связь, обнаруженная между выбросами CFC, в том числе CFC-хладагентов, и разрушением озонового слоя, стала катализатором появления третьего поколения хладагентов, нацеленного на защиту озона стратосферы. Венская конвенция и Монреальский протокол обязывают отказаться от озоноразрушающих веществ (ODS). Химические галогенсодержащие вещества, прежде всего, стали объектом ограничения с акцентом на применение HCFC в переходный период и HFC в более далекой перспективе. Эти изменения спровоцировали возобновление интереса к природным хладагентам, в частности к аммиаку, диоксиду углерода, углеводородам и воде, и в месте с тем к более широкому использованию абсорбционной техники и других способов получения холода (без применения парокомпрессионных машин, работающих на галогенсодержащих хладагентах). Производители поставили на рынок первые альтернативные хладагенты в конце 1989 г. В течение 10 последующих лет были выпущены хладагенты для замены большей части озоноразрушающих рабочих веществ.
Четвертое поколение: «глобальное потепление». Ситуация, касающаяся изменения климата обусловила переход к четвертому поколению хладагентов. Четвертый оценочный доклад (AR4) межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC) отражает последнюю согласованную научную точку зрения, в соответствии с которой «потепление климата неоспоримо, как теперь очевидно из наблюдающегося роста средних мировых температур воздуха и океана, повсеместного таяния снежного покрова и льдов и высокого среднего уровня Мирового океана». В докладе сделано заключение, что «рост наблюдавшихся средних мировых температур с середины ХХ в. вызван увеличением концентрации парниковых газов антропогенного происхождения» и что «видимое влияние человечества сейчас расширяется и на другие климатические аспекты, включая потепление океанов, средние континентальные температуры, температурные экстремумы и розу ветров». Таким образом, проблема глобального потепления вследствие эмиссии (выброса) в атмосферу парниковых газов, к которым относятся большинство используемых сейчас хладагентов, является сейчас наиболее актуальной и ждет своего решения.
В связи с вышесказанным, предлагаю обсудить вопрос: «современные хладагенты и проблемы экологии», так как считаю что, дальнейшее развитие холодильных машин как отрасли холодильной техники напрямую связано с решением проблемы использования хладагентов.
Уже 100 лет как люди научились создавать искусственный холод, используя его в самых различных областях своей деятельности. Но по-настоящему массово холодильные и климатические установки начали применяться с 30-х годов прошлого века. И связано это было в первую очередь с началом промышленного производства хладагентов, относящихся к группе хлорфторуглеродов (ХФУ): R12, R11, R113, R114. Позже появился гидрохлорфторуглерод (ГХФУ) R22, который стал вскоре одним из основных хладагентов в промышленных и торговых средне- и низкотемпературных холодильных установках. Для очень низких температур были созданы хладагенты R13, R503. Казалось, химики решили для человечества вопрос с подбором безопасного и дешевого хладагента. Но в 1974 г. В США ученые Калифорнийского университета сделали открытие, согласно которому ХФУ могут разрушать озоновый слой на высоте 15…50 км над Землей, защищающий ее поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, губительного для земной жизни. Содержание озона в атмосфере составляет всего 0,001%, но он поглощает 99% вредного излучения, поэтому даже незначительное уменьшение содержания озона в атмосфере может иметь существенные негативные последствия. Принцип воздействия ГХФУ (R22) на озоновый слой такой же, как ХФУ. Разница лишь в том, что благодаря наличию атомов водорода молекулы ГХФУ разлагаются гораздо быстрее и, как правило, в нижних слоях атмосферы.
К моменту открытия пагубного воздействия ХФУ на атмосферу Земли производство хладагентов имело уже значительные объемы: в 1976 г. выпуск R12 достиг 340 тыс. т, а в 1986 г., предшествовавшем году подписания Монреальского протокола о запрете озоноразрушающих веществ, суммарное производство фреонов составило более 1,1 млн. т. Приоритет фреонов был нарушен Монреальским протоколом 1987 г. Производство CFC-хладагентов в развитых странах теперь прекращено, а Китай пообещал прекратить выпуск R12 с 2010 г. Но в миллионах бытовых холодильниках, десятках тысяч чиллеров и в тепловых насосах находятся тысячи тонн R11 и R12. R22 еще разрешен в развитых и развивающихся странах.
Сегодня проблема защиты озонового слоя по-прежнему актуальна. В 2006 г. над Антарктидой возникла самая большая из всех отмеченных за более чем 30 лет наблюдений «озоновая дыра». Ожидают ее затягивание до уровня хотя бы 1980 г. лишь к 2065 г. Но, несмотря на ежегодные отчеты о рекордном размере «озоновой дыры» над Антарктидой, озоновый слой восстанавливается. Научные оценки во всем мире подтверждают, что как новые выбросы ODS, так и остаточные прежние выбросы имеют тенденцию к снижению. Ученые отмечают, что минимальная концентрация озона и площадь зоны с его минимальной концентрацией уже в течение нескольких лет стабильны и даже начинается восстановление озонового слоя по сравнению с 1998 г., когда его состояние оценивалось как наихудшее (рис.2). Несомненно, это связано с мерами, принимаемыми мировым сообществом для защиты озонового слоя Земли. Так, многие развитые страны прекратили применение CFC-хладагентов в новом холодильном оборудовании, начиная с 1996 г., как того требовал Монреальский протокол. Развивающиеся страны должны сделать это до 2010 г. Исключая случаи, когда это регламентировано национальными нормами, разрешено применение и обслуживание оборудования с CFC до полного износа. Замена HCFC тоже производится. Монреальский протокол предусматривает поэтапное ограничение производства HCFC в 1996, 2004, 2010, 2015 и 2020 гг. с полным его запрещением к 2030 г. для развитых стран и предполагает начало замораживания производства в 2016 г. и прекращение его в 2040 г. для развивающихся стран. Отдельные страны по-разному откликаются на эти требования. Большинство стран Западной и Центральной Европы ускоренными темпами отказываются от применения HCFC, тогда как основная часть других развитых стран ограничивается быстрым прекращением использования вспенивателей и пропеллентов (особенно R141b), требуя замены R22 (наиболее используемого в наши дни) с 2010 г. в новых системах с последующим полным запретом применения всех HCFC в новом оборудовании с 2020 г. По графику начало сокращения HCFC для развивающихся стран - 2016 г., окончательный запрет - 2040 г. И как в случае с CFC, использование HCFC в действующих установках разрешено до полного исчерпания ресурса оборудования, если другое не предусмотрено национальными нормами.
В ряде индустриально развитых государств с момента подписания Монреальского протокола начались разработки альтернативных хладагентов, не разрушающих атмосферный озон. В начале 90-х годов были запущены в промышленное производство озонобезопасные хладагенты на основе ГФУ, которые и сейчас в основном применяются в коммерческом холоде и климатическом оборудовании. Наиболее удачной заменой для R12 можно считать ГФУ-134а. Однокомпонентный хладагент, использование которого хотя и несколько снижает удельную холодопроизводительность, но позволяет не задумываться об изменении состава рабочего вещества при дозаправке системы.
Таким образом, благодаря Монреальскому протоколу, а также мерам, принимаемым для разработки новых озонобезопасных хладагентов, проблема защиты озонового слоя Земли должна найти свое решение в недалеком будущем. Новое поколение хладагентов - фреоны R134a, R125, R152a, R32, R23, смеси R404A, R407C, R410A, R507, R508 - не разрушают озонового слоя Земли. Тем не менее, в Киото в декабре 1997 г. в числе парниковых газов были названы и озонобезопасные синтетические хладагенты.
хладагент озоновый температура холодильный
Глобальное потепление
Вторым негативным фактором воздействия хладагентов на атмосферу Земли является парниковый эффект. Им обладают абсолютно все синтетические хладагенты без исключения, в том числе и не относящиеся к озоноразрушающим веществам. Этот эффект возникает вследствие того, что определенные газы поглощают инфракрасное излучение, исходящее от поверхности Земли, задерживая его в атмосфере. В результате у поверхности Земли сохраняется температура, пригодная для зарождения и развития жизни. Такой способностью поглощения обладают пары воды, имеющиеся в нижних слоях атмосферы в больших количествах, и диоксид углерода - один из основных составляющих компонентов окружающего нас воздуха. Кроме того, человек синтезировал химические вещества, которые, находясь в атмосфере, поглощают инфракрасное излучение в тысячи раз эффективнее, чем диоксид углерода. К таким веществам относятся ХФУ и ГХФУ. Их эмиссия в атмосферу приводит КУРЬЕРОМ глобальному потеплению климата на Земле.
Успешный ответ на проблему разрушения озонового слоя остро контрастирует с ситуацией, касающейся изменения климата (рис. 3). С 1850 г. 11 из 12 самых теплых лет пришлись на период 1995-2006 г. Исключение составляет только 1996 г., а 1998 г. был самым теплым за этот период с аномальным отклонением температуры +0,58 оС.
К 2015 г. эмиссии CFC, HCFC, HFC и PFC составят около 18 Гт СО2 в эквиваленте при общей оценке эмиссий парниковых газов в 55 Гт СО2. Только эмиссии R22 и сопутствующего его производству R23 оценивают к 2015 г. в 1 Гт СО2. В 1970 г. эмиссии парниковых газов составляли 28,7 Гт в эквиваленте СО2.
Вместе с тем, хотя R22 разрешен до 2030 и даже 2040 гг., эти рамки сдвинуты на 10 лет вперед. Задача - избежать увеличения температуры атмосферы Земли более чем на 2 оС к 2050 г. Рост эмиссии СО2 идет сегодня главным образом в Африке, Китае, Индии и Бразилии. Промышленно развитые страны в такой ситуации пытаются компенсировать этот рост, что фактически означает снижение эмиссии в пересчете на диоксид углерода к 2050 г. на 50% в сравнении с уровнем 1990 г. Китай начал планировать снижение эмиссий парниковых газов к 2010 г. на 20% от уровня 2005 г.
Рис. 3. Глобальный рост температуры: анализ изменения годичных колец деревьев, коралловых рифов, ледников и других показательных факторов приводит к заключению, что 1990-е годы были самым теплым десятилетием в последнем тысячелетии, а ХХ в. - самым теплым веком
Потребление синтетических хладагентов в 1991 г. оценивалось в полмиллиона тонн, причем одна треть этого количества использовалась для заполнения новых холодильных систем. Евросоюз вводит запрет на применение HCFC- и HFC-хладагентов. Франция, сегодня расходующая 16 тыс. т хладагентов, собирается снизить этот уровень до 2 тыс. т в год. С января 2008 г. вводится ограничение на эмиссию хладагентов из автомобильных кондиционеров. ЕС собирается просто преследовать по закону любые виды эмиссии синтетических хладагентов в атмосферу. Запрещается применение в автомобилях хладагентов с GWP>150. Все эти меры необходимы, но не достаточны для успешного решения проблемы глобального потепления. Для этого, я считаю, нужны кардинальные решения, одним из которых, как мне представляется, является использование природных хладагентов.
Использование природных хладагентов
В сложившейся ситуации важным фактором становится использование природных хладагентов: воздуха, воды, углеводородов, диоксида углерода и аммиака. Диоксид углерода (R744) стал применяться в тепловых насосах для систем горячего водоснабжения. Япония купила соответствующую технологию у норвежцев и, пользуясь государственной системой субсидий, предполагает к 2010 г. эксплуатировать 5 млн. подобных систем. Идея Г. Лоренцена об использовании СО2 в автомобильных кондиционерах уже реально воплощена в Норвегии. У диоксида углерода высокие показатели теплообмена, объемная холодопроизводительность почти на порядок выше, чем у любого синтетического хладагента, и в 5 раз выше, чем у аммиака. Системы на СО2 компактны, проблем с его утечками, рециклированием и тем более с возгоранием нет. R744 используют в нижних ветвях каскадов с аммиаком, R404А, R410А, углеводородами - в верхних. Благодаря усилиям МГУИЭ, МЭИ и НПО «Гелиймаш» в России создается мощный (до 20 МВт) тепловой насос на СО2. Диоксид углерода в цикле, где теплота подводится при переменной температуре (например, при нагреве воды от 50 до 90 оС), оказывается энергетически выгоднее синтетических хладагентов.
Диоксид углерода перспективен также для щадящей сушки термолабильных материалов. Системы с СО2 требуют, однако, больших инвестиций, применение определенных масел, тщательной осушки.
Создание аммиачных установок малой холодопроизводительности, тем более герметичных установок на аммиаке, находится в стадии проработок. Промышленные аммиачные системы всегда вне конкуренции. Аммиак - лучший хладагент после воды, хотя небезопасен. Проблема, как показывает многолетний опыт знакомства с этим хладагентом, прежде всего, в его количестве. В промышленных холодильниках сегодня содержится более 3000 т аммиака. Аммиак на предприятиях нередко хранится в резерве, в том числе и вблизи жилых массивов. Не удивительно, что на 1 кВт холодопроизводительности может приходиться до 100 кг аммиака. Задача - снизить на несколько порядков этот показатель, имея в перспективе «хрустальную» мечту: на 1 кВт 80-100 г NH3. Пример решения этой задачи - ФГУ «Комбинат Монолит», где после реконструкции с 10 т аммиака перешли, не снижая показателей, на 300 кг.
Одним из удачных новых хладагентов можно назвать R723 - азеотроп аммиака (60%) и диметилового эфира (RE170). Диметиловый эфир улучшает поведение аммиака с минеральными маслами, снижает на 10…20 оС температуру конца сжатия, повышает плотность пара и в некоторой степени холодильный коэффициент. Как отмечают исследователи, R723 толерантен к цветным металлам, для него можно использовать имеющиеся варианты аммиачных компрессоров.
Природные хладагенты R717 и R723 как альтернатива ГХФУ и ХФУ
Основная информация о хладагенте R723. Азеотропная смесь R723 содержит 60 % аммиака и 40 % диметилэфира. Такое сочетание обладает лучшей смешиваемостью с маслами, чем аммиак, так как типы масел, ограниченно растворимые в аммиаке, становятся полностью растворимыми в R723. Кроме улучшения смазки в холодильном компрессоре это способствует повышению коэффициента теплопередачи в испарителе. Основная информация об аммиаке. Как известно, правительства некоторых европейских государств планируют ввести налог даже на применение хладагентов, не содержащих молекул хлора в своем составе (таких, как Rl34a, R404A, R407A,B,C, R5O7 и др.). Поэтому аммиак, как хладагент, становится более привлекательным благодаря его низкой стоимости. Конечно, все еще есть заказчики и монтажные организации, которых нужно убеждать в преимуществах аммиака. Это связано с тем, что с точки зрения безопасности аммиак требует к себе большего внимания, чем другие хладагенты.