О природных хладагентах

• 25 Июня 2013

Природные хладагенты это вещества, образующиеся в природе естественным путем, а неприродные или синтетические — искусственные химические вещества, которые в природе не встречаются. Поскольку используемые в качестве хладагентов аммиак, углекислый газ и углеводороды подвергаются процедуре промышленной очистки и переработки, время от времени поднимаются споры о точности термина «природные хладагенты». Тем не менее, сегодня проводится четкое различие между веществами, чьи химические свойства и характеристики безопасности были полностью изучены, и теми хлор и фторсодержащими газами, чьи негативное воздействие на озоновый слой, вклад в глобальное потепление и угроза экологической безопасности в силу химической сложности и сравнительно непродолжительного периода использования этих веществ определены с той или иной степенью достоверности. Как следствие, ведется постоянное обсуждение проблемы использования этих газов.

Среди наиболее распространенных природных хладагентов можно назвать аммиак (NH₃, R717), углекислый газ (CO₂, R744) и такие углеводороды (HC), как пропан (R290), изобутан (R600a) и пропилен (R1270), известный как пропен.

Кроме того, следует отметить, чтобы была создана смесь аммиака и диметилового эфира (R723) и разнообразные углеводородные смеси, которые отличаются оптимизированными эксплуатационными свойствами и характеристиками безопасности (изобутан и пропан R441 и т.д.). Менее распространены вода и воздух, использующиеся в адсорбционных чиллерах и низкотемпературных системах. Благодаря широкой распространенности, нетоксичности, негорючести и идеальным экологическим параметрам вода и воздух стали объектом пристального внимания исследователей. Два природных хладагента (двуокись серы (SO₂) и хлористый метил (CH₃Cl) уже вышли из употребления.

Диоксид углерода или углекислый газ (ОРП = 0, ПГП = 1)

Диоксид углерода (химическая формула CO₂, название хладагента R744) не имеет цвета, запаха и тяжелее воздуха. Потенциал глобального потепления CO₂, равный 1, считается опорным значением для оценки непосредственного влияния хладагентов на глобальное потепление. Как и большинство хладонов, по стандарту ASHRAE «Классификация по группам безопасности» диоксид углерода имеет индекс А1, что означает низкую токсичность и негорючесть. CO₂, используемый в качестве хладагента, это побочный продукт, образующийся при многих технологических процессах. Несмотря на нетоксичность, при высокой концентрации в замкнутом пространстве диоксид углерода начинает замещать кислород и по прошествии некоторого времени может оказать удушающее воздействие на присутствующих людей. Благодаря продолжительному времени жизни в атмосфере CO2 не образует побочных продуктов или продуктов распада, оказывающих значительное воздействие на окружающую среду. Рабочее давление диоксида углерода, используемого в качестве хладагента, как правило, выше, чем у других хладагентов. Эту особенность необходимо учитывать при проектировании.

Диоксид углерода совместим лишь с некоторыми распространенными смазочными веществами, используемыми в холодильном оборудовании. Он несовместим с полиолэфиром (POE) и поливинилэфиром (PVE) и ограниченно совместим с полиалкиленгликолем (PAG). Диоксид углерода традиционно считается дешевым и доступным хладагентом.

Аммиак (ОРП = 0, ПГП = 0)

Аммиак (химическая формула NH3, название хладагента R717) при атмосферном давлении представляет собой бесцветный газ. Благодаря нулевым ПГП и ОРП и короткому времени жизни в атмосфере аммиак не образует побочных продуктов или продуктов распада, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду. Аммиак совместим лишь с некоторыми распространенными смазочными веществами, используемыми в холодильном оборудовании. Он несовместим с полиолэфиром (POE) и поливинилэфиром (PVE) и ограниченно совместим с полиалкиленгликолем (PAG).

Несмотря на неоспоримо высокие показатели энергоэффективности, в силу токсичности и горючести аммиак ограничен некоторыми сферами применения и географическими регионами. Так, R717 полностью запрещен к применению в зонах непосредственного пребывания людей, но может использоваться в безлюдных зонах или вне помещений.

За последние годы риски здоровью человека, в частности, при использовании аммиачных систем в зонах пребывания людей, были существенно снижены. Это стало возможным за счет сочетания аммиака с другими хладагентами (системы со вторичным контуром с изолированным небольшим количеством аммиака), применения современных защитных средств, герметичных кожухов или использования аммиачных абсорбционных систем.

Следует отметить, что благодаря сильному запаху утечку аммиака легко обнаружить.

Необходимость применения защитных средств, несомненно, удорожает аммиачные системы, хотя по убеждению производителей экономия энергии и сокращение затрат на техническое обслуживание в долгосрочной перспективе перевешивают высокие первоначальные расходы.

Углеводороды (ОРП = 0, ПГП < 4)

Углеводороды не образуют побочных продуктов, продуктов распада, имеют нулевой ОРП и очень низкий ПГП. Углеводородные хладагенты можно использовать в системах, разработанных под эти вещества, либо в качестве замены в системах, предназначенных для работы на ГХФУ. Это повышает их конкурентоспособность и делает оптимальным вариантом для развивающихся стран. Перед заправкой углеводородным хладагентом систему, предназначенную для другого хладагента, при необходимости модифицируют. В этой связи необходимо учитывать вопросы совместимости смазочных материалов и воспламеняемости углеводородов. Как бы то ни было, наибольший потенциал имеют новые системы, специально разработанные для работы на углеводородных хладагентах.

Эти хладагенты горючи, но низкотоксичны и, следовательно, по классификации ASHRAE имеют индекс А3. Очень часто в отношении углеводородов применяются более жесткие требования к безопасности, ограничивающие, в частности, количество вещества, разрешенное к применению в системах, обслуживающих зоны пребывания людей.

Углеводородные хладагенты полностью совместимы практически со всеми смазочными веществами, применяемыми в холодильных и климатических системах, за исключением веществ, содержащих силиконы или силикаты (добавки, обычно используемые в качестве антивспенивателей).

Вода (ОРП = 0, ПГП = 0)

Вода (химическая формула H₂O, название хладагента R718) это один из самых древних хладагентов, используемых для охлаждения. Вода или водяной пар, также называемые термином «дигидромонооксид», — одно из наиболее распространенных на Земле веществ. Вода находит разное применение: как технологическая среда при дистилляции и сушке, для теплопередачи или накопления энергии в системах центрального отопления, системах охлаждения двигателя и ледниках, как рабочая жидкость в цикле Ренкина. R718 это экологически безопасный хладагент с нулевыми ОРП и ПГП, не имеющий цвета, запаха, нетоксичный, негорючий, невзрывоопасный, легкодоступный и крайне дешевый.

На воде работают самые современные холодильные системы. В качестве хладагента ранее она применялась в основном в компрессионных чиллерах с пароструйными компрессорами, двухконтурных абсорбционных системах с бромистым литием в качестве абсорбента, а также адсорбционных системах с цеолитами в качестве адсорбента. С точки зрения экологичности и термодинамики, вода представляет собой идеальный хладагент для сфер применения с температурой выше 0°С. По сравнению с другими природными хладагентами R718 имеет более высокую скрытую теплоту парообразования: 2 270 кДж/кг. При переходе из жидкого в газообразное состояние без изменения температуры R718 поглощает очень большие количества тепловой энергии.

Применение воды ограничено ее высокой скоростью замерзания при атмосферном давлении. Кроме того, вода приводит к коррозии и окислению многих металлов. В силу высокой, по сравнению с другими хладагентами, способностью воды вступать в химические реакции при разработке систем на R718 необходимо уделять особое внимание выбору пригодных материалов.

Воздух (ОРП = 0, ПГП = 0)

Воздух это экологически безопасный, недорогой, совершенно безопасный и нетоксичный хладагент под названием R729. Проблемы разрушения озонового слоя, глобального потепления и ужесточающегося законодательства вернули интерес к альтернативным хладагентам во всем мире. Однако воздушные холодильные системы это не новое изобретение: они использовались на рефрижераторных судах еще в начале предыдущего столетия.

Воздушное охлаждение основано на обратном цикле Брайтона или Джоуля. При температурах, применяемых в типовых холодильных системах, используемый в качестве хладагента воздух не подвергается фазовому переходу (конденсации или испарению). Из-за низкого веса воздух имеет невысокий СОР, однако воздушные холодильные системы обеспечивают теплоутилизацию при относительно высоких температурах без снижения эффективности, которая наблюдается в паровых компрессионных установках. По сравнению с последними установки с воздушным циклом могут обеспечить большую разность температур между горячей и холодной сторонами. В результате становится возможным охлаждение воздуха до температур, свойственных процессам, протекающим при практически криогенных условиях.

При работе за пределами проектных значений производительность систем с воздушным циклом снижается не столь сильно, как паровых компрессионных установок. В холодильном цикле система с воздушным циклом может вырабатывать тепло.

В течение долгого времени системы с воздушным охлаждением использовались на воздушных судах. Низкий СОР здесь не является большим недостатком, поскольку воздух отвечает множеству особых условий эксплуатации воздушных судов (доступность сжатого воздуха и поддув) и жестких требований (небольшой вес, малый размер, абсолютная безопасность, нулевая токсичность и др.). Кроме того, воздух использовался как хладагент в системах кондиционирования и охлаждения жилых помещений и автомобилей. В ряде холодильных установок воздух служит для быстрого замораживания продуктов питания.

Характеристики природных хладагентов

Источник: shecco.com