Если ранее хлорфторуглерод использовался в качестве хладагента в холодильных установках, то нынче это невозможно. Вернее, это стало невозможно еще в 1989 году, когда Монреальский протокол наложил запрет на использование этого вещества. Причиной этого запрета послужили разрушающие озоновый слой свойства хлорфторуглерода. С тех пор к хладагенту стали предъявлять конкретные требования, одно из которых – отсутствие в составе атомов хлора.
Введение
Последние 20 лет – это период, в течение которого происходил переход на применение гидрофторуглеродов (далее ГФУ). Однако хладагенты даже на основе этих веществ оказывают отрицательное влияние на среду, в частности, речь идет о глобальном потеплении. И если ГФУ не содержат атомов хлор в составе, они являются нестабильными и увеличивают потенциал глобального потепления. Нынче же во всем мире постепенно отказываются от использования ГФУ, отдавая все больше предпочтения гидрофторолефинам – ГФО. Прекращение применения гидрофторуглеродов ожидается, причем довольно скоро.
В состав ГФУ присутствуют атомы водорода на месте атомов хлора, что является причиной повышенной воспламеняемости вещества. ГФУ-152 и ГФУ-32 являются огнеопасными, однако, их рабочие показатели при этом весьма высокие. ГФУ-143 и ГФУ-23 характеризуются высоким потенциалом глобального потепления. Невоспламеняемым же является ГФУ-125, но и в нем есть недостаток – низкая производительность.
Предполагалось, что ГФУ успешно заменят природные хладагенты: углекислый газ, углеводород и т.д. Первый является прекрасным кандидатом на роль хладагента, ведь он практически безвреден для окружающей среды. Этот элемент не огнеопасен, он обладает низким разрушающим потенциалом и его использование никак не влияет на явление глобального потепления. Но это лишь одна сторона медали. Если говорить о термофизических свойствах элемента, то здесь уже показываются все недостатки.
Первый из них – это низкое значение критической температуры, из-за которого организация цикла охлаждения затрудняется. Иная проблема – это высокое давление насыщенности. Уровень критического давления ГФУ варьируется в пределах от 3 до 5 МПа; давление углекислого газа – 7,4 МПа. Это накладывает определенные ограничения на конструктивные особенности холодильных систем.
Гидрофторолефины (ГФО)
На данный момент происходит разработка новых видов хладагентов, которая, к слову, находится на завершающей стадии. Разрабатываемые хладагенты должны обладать прекрасными тепловыми особенностями и при этом быть дружественными к окружающей нас среде. Это главные требования.
Хладагенты HFO-1234yf и HFO-1234ze характеризуются хорошими свойствами. Они обладают низкими показателями потенциала глобального потепления, низким уровнем воспламеняемости, высоким качеством охлаждения и при этом вполне удовлетворяют требования стандарта EC 842/2006. Этот стандарт регламентирует использование парниковых газов, содержащих фтор. Применение этих хладагентов в холодильных приборах повышает их эффективность работы.
В связи с тем, что внимание к вопросам глобального потепления растет, хладагенты подвергаются строгому изучению экспертами. Во всех странах мира существуют специальные регулирующие организации, основная задача которых сводится к изучению свойств используемых хладагентов и определению степени их влияния уровень глобального потепления.
Хороший тому пример – Директива Евросоюза, которая запрещает применение хладагента R134a в кондиционерах. В 2012 году Мексика, США и Канада предложили существенно сократить уровень применения гидрофторуглеродов на 10% к 2013 году. При этом сокращение увеличилось бы на 8% к 2033 году. В результате поиска новых веществ, которые бы смогли стать прекрасной альтернативой, были созданы элементы, характеризующиеся низким ПГП: HFO-1234ze; HFO-1234yf.
Данные вещества стали называться гидрофторлефины (ГФО). В атмосфере время жизни этих элементов составляет 11-18 дней, величина ПГП равна 4 и 6 соответственно. Также они характеризуются низкой токсичностью.
Тестирование ГФО хладагентов
Тепловая устойчивость
Испытания на тепловую устойчивость гидрофторолефинов проводились с применением метода, определенного в стандарте ASHARAE 97. Он предполагает использование стеклянной герметичной трубки для теста химической стабильности элементов, применяемых в климатическом оборудовании.
При тестировании использовалось полиэфирное масло стандартного уровня вязкости, которое соответствовало стандарту ISO 10. Элементы HFO-1234ze и HFO-1234yf в течение двух недель испытывались в агрессивных для них условиях: высокая температура (до 200 С), высокий уровень влажности (1000 мг/м3). После завершения испытаний при визуальном осмотре герметичной трубки в качестве масла и хладагента изменений выявлено не было.
При анализе масла был определен низкий уровень кислотности. Хроматографический анализ веществ, который проводился до и после испытаний, также не выявил никаких изменений. Таким образом, логичен вывод: хладагент обладает высокой стабильностью.
Тестирование в рабочих условиях
Тестирование хладагентов HFO-1234ze; R134a и HFO-1234yf проводились с применением обычного торгового автомата. Стандартная охладительная система, рассчитанная на использование R134a, была представлена в виде теплообменника, поршневого компрессора, а также клапана расширения, который, в свою очередь, контролировался термостатом.
Тест с использованием HFO-1234yf проводился с применением игольчатого клапана, который представляя собой расширяющее устройство. Тестирование HFO-1234ze выявило необходимость применения игольчатого клапана и компрессора с большим рабочим объемом. Был использован компрессор высокой мощности, специально рассчитанный для работы в с хладагентом R134a.
При тестировании были выбраны такие рабочие условия, которые бы позволили определить эффективность работы каждого стенда. Тест на эффективность производился при температуре воздуха 32.2 С и влажности 65%. Температура внутри автомата поддерживалась на отметке 2 С. При определении производительности температура внутри автомата оставалась прежней, однако снаружи она достигала отметки 40,5 С при влажности 75%.
Все тесты были проведены в специальных помещениях при использовании оборудования для точного определения параметров хладагента и воздуха. Поток воздуха менялся при помощи воздушного туннеля; поток хладагента – с помощью специального расходомера Кориолиса.
HFO-1234yf и HFO-1234ze, подвергнутые тестированию в течение двух недель
Анализ результатов
Исходя из результатов, проведенных на определение эффективности и производительности, было выявлено, что хладагент HFO-1234yf представляет собой прекрасную альтернативу R134a. Разумеется, были некоторые отклонения производительности и эффективности, однако эти значения лежат в допустимых пределах и определяются как погрешности измерений. HFO-1234ze отличается более высокой производительностью (примерно на 12%), но более низкой эффективностью.
Исследования показали: HFO-1234yf и HFO-1234ze характеризуются хорошим потенциалом применения в малых холодильных установках и других областях, где уместно использование хладагента под малым давлением.
При тестировании ученые получили данные, которые определяют работы этих хладагентов в реальных условиях. Эти данные свидетельствую о том, что эффективность и производительность работы R134a достигается без значительных модификаций оборудования. Также был сделан вывод, что исследуемые хладагенты обладают высокой тепловой устойчивостью.
В сравнении с R134a и HFO-1234yf эффективность HFO-1234ze кажется немного ниже, что, однако, можно объяснить особенностями компрессора, применяемом при тестировании. Тем не менее, этот недостаток эффективности может быть компенсирован использованием компрессора нужного размера, разработанного исключительно для HFO-1234ze.
Как показывает исследование, применение гидрофторолефинов дает возможность разрабатывать автоматы, которые будут совершенно безопасными для окружающей среды. Достигается это за счет значительного снижения уровня ПГП и увеличения эффективности работы охладительных систем.
Рабочие характеристики хладагентов
Температурные параметры хладагентов
Вопрос возгораемости HFO-хладагентов
25.09.12 компания “Daimler” опубликовала результаты испытаний хладагента HFO-1234yf на предмет его возгораемости. В течение испытаний он распылялся при давлении около горячих элементов выхлопа автомобиля. По результатам этого испытаний стало ясно, что этот хладагент сможет достаточно легко воспламениться в горячей атмосфере.
Однако немного позже компания “DuPont” оспорила результаты, полученные компанией “Daimler”. Мотивировала она это тем, что: во-первых, при испытаниях отсутствовали другие автопроизводители, соответственно, коллегиальная оценка результатов попросту отсутствует. Во-вторых, “Daimler” показала данные, которые противоречат данным, полученным другими компаниями. К слову, результаты испытаний были показаны в документе, подготовленном при участии “Daimler” и представленном VDA (Немецкой ассоциацией производителей авто).
После проведения уже более обширных испытаний производительности и безопасности HFO-1234yf с участием популярных производителей автомобилей, был сделан вывод: “тестирование и независимые испытания хладагента в реальных условиях, проведенные международными компаниями, показали, что HFO-1234yf является полностью безопасным для применения в качестве автомобильного хладагента”. К тому же, была поставлена галочка по вопросам безопасности данного хладагента по результатам полностью независимых испытаний: “проведенные всесторонние испытания независимыми организациями подтверждают факт полной безопасности хладагента HFO-1234yf, который может применяться в автомобилях, специально спроектированных для его работы”.
Коммерческое использованием ГФО-хладагентов
Самый первый в мире кондиционер на основе гидрофторолефинов
Вместе с компанией “Haier”, компания “Honeywell” впервые разработала систему кондиционирования, которая в работе использовала хладагент на базе ГФО. Первый модуль был представлен в 2012 на демонстрации, на выставке в Нюрнберге. Он использовал хладагент Solstice L-41, который предварительно разработали специалисты “Honeywell”. Этот модуль - самый первый результат проекта “Haier Network Smart Appliance”. Сам же проект - это инициатива компании “Haier” и исследовательского центра “Honeywel”.
Если верить словам разработчиков, то Solstice L-41 - весьма эффективный хладагент, который способен обеспечить высокую производительность в любом регионе. При этом энергопотребление оборудования, в котором используется новый элемент, не увеличивается с ростом наружной температуры воздуха. Этим, к слову, не может похвастаться хладагент R410А. Иные показатели также лучше, в частности, речь идет о потенциале глобального потепления. Для Solstice L-41 этот показатель ниже 500, а это немного ниже, нежели у ГФУ-32 и значительно ниже, чем R410a.
Совершенно недавно (январь 2013) компания “Honeywell” объявила, что новый хладагент коммерчески доступен. По этому поводу директор отдела коммерческих разработок, заявил, что “Honeywell” очень тесно сотрудничала с мировыми производителями климатической техники с целью улучшения оптимизации нового хладагента. Совместное сотрудничество было успешным и результативным. Сейчас Solstice L-41 соответствует требованиям, которые к нему предъявляются. К тому же, Solstice L-41 - это именно тот хладагент, который предоставляет производителям возможность создавать такие модели кондиционеров, которые не вредят окружающей среде.
Самый первый в мире чиллер на основе гидрофторолефинов
Еще в ноябре 2011 года компания “Waitrose” установила в свои супермаркеты новые модели чиллеров, использующих хладагент на основе ГФО. Это были чиллеры итальянского производства “Geoclima”, оснащенные поршневыми компрессорами, и в качестве хладагента использовался HFO-1234ze.
Вся система состояла из двух чиллеров, мощность которых составляла 180 кВт. В качестве конденсирующей среды для холодильников, которые устанавливались внутри магазина, использовалась обычная вода. После установки этого оборудования расход электроэнергии сократился на 22%. После этого Джим Бернетт, представитель “Waitrose”, заявил, что оборудование на базе гидрофторолефинов имеет будущее, поскольку оно, как показывает практика, сочетает в себе высокую эффективность и является при этом экономичным. Соответственно, потенциал глобального потепления также низок, что крайне желательно для любого хладагента. Также Бернетт сказал, что в случае успешных испытаний оборудования оно в первую очередь будет использовано в собственных магазинах компании.
В свою очередь, представитель компании Klima-Therm, Тим Митчелл, сообщил, что они на данный момент сосредоточены на использовании хладагента HFO-1234ze, ведь именно он является коммерческим, доступным и эффективным. Однако долгосрочная перспектива предполагает использование HFO-1234yf, который, к слову, характеризуется еще меньшим потенциалом глобального потепления и обладает некоторыми иными преимуществами.
“Frascold” провела тест оборудования на основе хладагента HFO-1234ze. Это были 8-цилиндровые поршневые компрессоры. Результаты тестов были не очень утешительными, поскольку показали существенное снижение производительности. По сравнению с хладагентом R134a, производительность снизилась на 24%. Но при этом нужно отметить и снижение объема потребления электроэнергии на 27%. Собственно, это говорит о том, что холодильный коэффициент фактически является выше именно при использовании HFO-1234ze.
Так по результатам исследований, которые проводились в течение 2012 года, компания “Waitrose” получила национальную премию за разработанные инновации.
Чиллеры Turbomiser от производителя Klima-Therm
“Klima-Therm” - английская компания, которая произвела первую в мире установку чиллеров Turbomiser. Они отличаются тем, что оснащены компрессорами Turbocor, использующими хладагент ГФО. Чиллеры были установлены в универмаге, в городе Милтон-Кинс, причем весьма успешно. Это доказывают последующие заказы на установку этих чиллеров.
Директор компании Klima-Therm заявляет, что комбинация чиллеров Turbomiser и хладагента ГФО - это очень интересное решение, которое сулит улучшение энергоэффективности технологии. Исследования показали, что эта система позволяет экономить 60% электроэнергии и при этом отличается низким потенциалом глобального потепления. Это характерно практически для всех устройств, работающих на основе ГФО.
Компанией “Geoclima” были проведены специальные тесты, которые показали, что чиллеры ГФО данной фирмы достаточно хороши. Они демонстрируют холодильный эффект в 4 единицы, работая при этом на полную мощность. Они обладают уникальными конструктивными особенностями, оснащаются большими теплообменнками, благодаря чему компенсируется потеря эффективности.
По сравнению со стандартными чиллерами, модели Turbomiser стоят несколько дороже, однако руководство компании полагает, что более важна цена за 1 кВт используемой электроэнергии, нежели стоимость самого устройства.
Вывод
Результаты исследований неоднократно подтверждали: ГФО-хладагент - это наиболее перспективный вид фреонов на текущий момент. Многие производители уже разрабатывают оборудование под данные хладагенты. После испытаний также была подтверждена безопасность гидрофторолефинов, что дает нам полное право ожидать появление новой климатической техники в ближайшем будущем.
