HFO–хладагенты для систем кондиционирования

Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой наложил запрет на применение хлорфторуглеродов (CFC) в качестве хладагентов для холодильных установок. Одним из требований к хладагентам нового поколения, которые разрабатывались для замены CFC, стало отсутствие атомов хлора в составе веществ. Таким образом, в течение последних двадцати лет происходил плавный переход на использование гидрофторуглеродов (HFC). Однако, хладагенты на основе HFC, как и хлорфторуглероды, оказывает негативное влияние на окружающую среду, и на этот раз речь идет о проблеме глобального потепления. Не смотря на то, что HFC не содержат атомов хлора и являются крайне стабильными материалами, потенциал глобального потепления для веществ данного класса оказывается очень высоким. В настоящее время происходит постепенный отказ от таких хладагентов, как HFC-134a, в пользу гидрофтор-олефинов (HFO).

https://pharmex-market.ru где купить мухомор красный в аптеках москвы.

Значения потенциала истощения озонового слоя (ODP) и потенциала глобального потепления (GWP) для ряда наиболее часто используемых хладагентов приведены в таблице 1. В конце 1995 года в рамках Монреальского протокола было прекращено использование хлорфторуглеродов. Прекращение использования гидрофторуглеродов ожидается в ближайшем будущем. В составе HFC место атомов хлора занимают атомы водорода, с чем связана повышенная воспламеняемость веществ данного класса. HFC-32 и HFC-152a являются крайне огнеопасными, не смотря на хорошие рабочие показатели. HFC-23 и HFC-143a обладают очень высоким потенциалом глобального потепления. HFC-125 является невоспламеняемым, но обладает низкой производительностью. 

Таблица 1: свойства некоторых хладагентов.

Планировалось, что на замену HFC придут природные хладагенты (гидроуглероды, углекислый газ и т.д.). Углекислый газ можно считать хорошим выбором с точки зрения влияния на окружающую среду. Он обладает низким коэффициентом глобального потепления, нулевым потенциалом истощения озонового слоя, не является огнеопасным. Однако, если говорить о его термофизических свойствах, то здесь все далеко не так замечательно. Первая проблема состоит в слишком низком значении критической температуры, что затрудняет организацию цикла охлаждения. Еще одной проблемой является высокое давление насыщения. Уровень критического давления для HFC лежит в пределах от 3 до 5Мпа (5,8Мпа для HFC-32 ). Критическое давление для углекислого газа составляет 7,4Мпа при температуре 31°С. Высокое рабочее давление накладывает ограничения на механическую конструкцию холодильных систем.

Гидрофторолефины (HFO)

В настоящее время завершается разработка новых видов хладагентов, обладающих отличными тепловыми характеристиками и являющихся дружелюбными по отношению к окружающей среде. Хладагенты, известные, как HFO-1234yf и HFO-1234ze, отличаются низким значением потенциала глобального потепления, высоким качеством охлаждения, низким уровнем воспламеняемости (в сравнении с углеводородами), а также соответствуют стандарту EC 842/2006, который регулирует применение фторсодержащих парниковых газов. Использование данных хладагентов в небольших холодильных установках позволяет повысить энергоэффективность их работы.

В связи с растущим вниманием к вопросам влияния человечества на глобальное потепление, традиционно применявшиеся в небольших холодильных установках хладагенты попали под тщательное изучение со стороны экспертов. Регулирующие организации во всех странах мира внимательно изучают непосредственное влияние данных веществ на уровень глобального потепления. Одним из примеров может служить готовящийся в Европе указ по запрету на использование хладагента R-134a в автомобильных кондиционерах. В 2012 году США, Канада и Мексика предложили сократить уровень использования развитыми нациями гидрофторуглеродов на 10% к 2013 году. Согласно плану, к 2033 году сокращение должно достигнуть 85%. В рамках поиска новых химических веществ, которые могли бы прийти на замену хладагентам с высоким потенциалом глобального потепления, были открыты два вида молекул, обладающих низким ПГП: HFO-1234yf и HFO-1234ze. Эти молекулы принадлежат к семейству гидрофтор-олефинов, время жизни в атмосфере для них составляет 11 и 18 дней соответственно, величина ПГП равна 4 для HFO-1234yf и 6 для HFO-1234ze (значение ПГП для хладагента R-134a равно 1410). Новые хладагенты обладают низкой степенью токсичности. Некоторые свойства хладагентов приведены в таблице 2.

Таблица 2: свойства новых хладагентов.

Тестирование HFO-хладагентов

Тепловая устойчивость

Испытания гидрофтор-олефинов на тепловую устойчивость проводились с использованием метода тестирования, определяемого стандартом ASHRAE 97 (метод использования герметичной стеклянной трубки для тестирования химической стабильности материалов, используемых в холодильных установках). В ходе проведения тестирования использовалось полиэфирное масло со стандартным уровнем вязкости, соответствующее стандарту ISO 10. HFO-1234yf и HFO-1234ze на протяжении двух недель тестировались в экстремальных условиях: высокий уровень влажности (1000мг/м³) и высокая температура (200°С). Визуальный осмотр герметичной трубки после завершения тестирования не выявил изменений в качестве хладагента и масла. Результаты анализа масла показали крайне низкий уровень кислотности. Хроматографический анализ вещества и измерение молекулярной массы хладагента, выполненные до и после теста, не выявили изменений в чистоте исследуемого материала. Таким образом, был сделан вывод о высокой стабильности хладагентов.

Рисунок 1: хладагенты HFO-1234yf и HFO-1234ze после двухнедельного тестирования

Тестирование в реальных рабочих условиях

Эксперимент по изучению рабочих характеристик хладагентов R-134a, HFO-1234yf и HFO-1234ze проводился с использованием обычного торгового автомата. Стандартная система охлаждения, рассчитанная на применение R-134a, включала в себя теплообменник, поршневой компрессор и контролируемый термостатом клапан расширения. Тесты с использованием HFO-1234yf потребовали применения игольчатого клапана в качестве расширяющего устройства для воспроизведения температурного режима, наблюдаемого в случае использования R-134a. Тесты с использованием HFO-1234ze потребовали применения игольчатого клапана, а также компрессора с увеличенным на 75% рабочим объемом. Был использован компрессор повышенной мощности, рассчитанный на работу с хладагентом R-134a.

Рабочие условия в ходе проведения тестирования были подобраны таким образом, чтобы можно было оценить эффективность работы и производительность каждого тестового стенда. Тест на эффективность работы выполнялся при температуре воздуха 32,2°С и относительной влажности 65%, температура внутри торгового автомата поддерживалась на уровне 2°С. Тест на производительность выполнялся при аналогичной температуре внутри автомата, а температура воздуха поддерживалась на уровне 40,5°С при относительной влажности 75%.

Тестирование проводилось внутри специальных помещений, оснащенных оборудованием для измерения рабочих параметров воздуха и хладагента. Поток хладагента измерялся с помощью расходомера Кориолиса, поток воздуха измерялся с использованием воздушного туннеля, разработанного в соответствии с принятыми в отрасли стандартами.

Анализ полученных результатов

В результате проведения тестов было доказано, что HFO-1234yf является прекрасным заменителем для хладагента R-134a, обеспечивая сравнимую производительность и эффективность. Отклонения в полученных значениях производительности и эффективности лежат в допустимых пределах погрешности измерений. HFO-1234ze демонстрирует в среднем на 12% более высокую производительность и на 8% более низкую эффективность (COP) по причине использования на тестовом стенде более мощного компрессора.

Рисунок 2: рабочие характеристики хладагентов

На следующем графике отображены значения температур конденсации и испарения для каждого хладагента. Для гидрофтор-олефинов характерны несколько более высокие температурные показатели. Высокая температура конденсации говорит о том, что используемая конструкция системы может быть улучшена. С другой стороны, высокая температура испарения объясняется увеличением потока хладагента, что способствует повышению качества теплопередачи внутри теплообменника. 

Рисунок 3: температурные параметры хладагентов

Выводы

HFO-1234yf и HFO-1234ze обладают значительным потенциалом для использования в небольших холодильных установках, а также других областях, где может быть организовано эффективное применение хладагента под невысоким давлением, и где требуется использование хладагентов с низким потенциалом глобального потепления.

В ходе проведения тестирования были получены данные, характеризующие работу хладагентов в реальных условиях. Полученный результат свидетельствует о том, что производительность уровня R-134a может быть достигнута без необходимости в серьезной модификации оборудования. Был также сделан вывод о высокой тепловой устойчивости хладагентов.

Эффективность HFO-1234ze оказалась ниже в сравнении с R-134a и HFO-1234yf. Это объясняется, в первую очередь, потерями в испарителе и особенностями использованного для тестирования компрессора. Падение уровня эффективности может быть скомпенсировано за счет применения компрессора необходимого размера, разработанного специально для HFO-1234ze.

Исследование показало, что применение гидрофтор-олефинов позволяет разрабатывать торговые автоматы, дружелюбные по отношению к окружающей среде. Это достигается за счет низкого уровня ПГП и высокой эффективности работы систем охлаждения.

Коммерческое применение HFO-хладагентов

Первый в мире воздушный кондиционер с использованием гидрофтор-олефинов (HFO)

Компания Honeywell в сотрудничестве с Haier разработала первую в мире систему кондиционирования, использующую хладагент на базе HFO. Демонстрационный модуль, представленный в октябре 2012г. на выставке в Нюрнберге, Германия, использует для работы хладагент Solstice-41, разработанный специалистами Honeywell.

Данный модуль является первым результатом, полученным в рамках проекта Haier Network Smart Appliance, являющегося совместной инициативой расположенного в Шанхае научно-исследовательского центра Honeywell и Национальной Лаборатории компании Haier.

По словам Honeywell, новый хладагент Solstice-41 обеспечивает непревзойденную производительность в любом регионе земного шара. Энергопотребление оборудования, в котором применяется Solstice-41, не меняется с ростом температуры окружающего воздуха, как в случае с хладагентом R-410a.

Потенциал глобального потепления для Solstice-41 находится на уровне менее 500, что существенно ниже в сравнении с R-410a (2088) и HFC32 (675).

В январе 2013г. Honeywell объявила о коммерческой доступности нового хладагента. Вот что сказал по этому поводу Том Моррис, директор по коммерческим разработкам подразделения Honeywell Fluorine Products: «Наша компания тесно сотрудничала с ведущими производителями холодильного оборудования для качественной оптимизации Solstice L-41 с тем, чтобы новый хладагент мог соответствовать высоким требованиям, предъявляемым к системам кондиционирования. Более того, Solstice L-41 позволяет производителям разрабатывать оборудование, дружелюбное по отношению к окружающей среде».

Первый в мире чиллер с использованием гидрофтор-олефинов (HFO)

Компания Waitrose еще в ноябре 2011г. установила в одном из принадлежащих ей супермаркетов новые чиллеры, использующие хладагент на базе HFO. Произведенные в Италии чиллеры Geoclima оснащены поршневыми компрессорами Frascold, в качестве хладагента используется HFO-1234ze от Honeywell.

В системе установлены два чиллера мощностью 180КВ, охлаждаемая ими вода используется в качестве конденсирующей среды для установленных внутри магазина холодильников, работающих на пропене. В результате установки нового оборудования, использующего хладагент HFO, удалось добиться сокращения энергопотребления на 22%.

Представитель компании Waitrose, Джим Бернетт, заявил: «Мы считаем, что у решений на базе гидрофтор-олефинов большое будущее, поскольку им удается сочетать в себе высокую эффективность с низким потенциалом глобального потепления. Очевидно, что для хладагента подобные свойства являются крайне желательными. Если испытания нового оборудования окажутся успешными, мы планируем использовать чиллеры на базе HFO для наших магазинов в будущем».

Тим Митчелл из компании Klima-Therm сообщил следующее: «В настоящее время мы решили сосредоточиться на применении HFO R1234ze, поскольку данный хладагент уже является коммерчески доступным. В долгосрочной перспективе, мы также заинтересованы в использовании HFO R1234yf, который обладает еще более низким потенциалом глобального потепления, а также рядом других преимуществ».

Компания Frascold провела тестирование восьмицилиндровых поршневых компрессоров серии W40168Y в связке с хладагентом HFO R1234ze. Результаты тестов показали снижение производительности на 24% по сравнению с R134a. Однако, энергопотребление оборудования сократилось на 27%, так что холодильный коэффициент фактически оказался выше, чем при использовании R134a.

По результатам проводившихся в течение всего 2012 года испытаний, компания Waitrose совместно с партнерами получила премию National ACR Awards (национальная премия в области систем охлаждения кондиционирования воздуха) за внедренные инновации.

Чиллеры Turbomiser от компании Klima-Therm

Британская компания Klima-Therm выполнила первую в мире установку чиллеров Turbomiser, оснащенных компрессорами Turbocor, которые используют в работе хладагент на основе HFO. Два новых чиллера были установлены в универмаге, расположенном в г. Милтон-Кинс, находящемся в 80 километрах от Лондона. Компания также сообщила о получении второго заказа на установку Турбомайзеров в магазине, расположенном в юго-западной части Англии.

Тим Митчелл, директор по продажам в компании Klima-Therm, заявил: «Комбинация HFO и Turbomiser представляет собой очень интересное решение. В пользу данного решения говорит исключительная энергоэффективность технологии Turbomiser, позволяющей сократить энергопотребление оборудования на 60%, а также низкий потенциал глобального потепления, характерный для хладагентов на основе HFO».

В рамках реализации проекта в магазине были установлены два чиллера мощностью по 230кВт, что дает совокупную мощность системы охлаждения в 460кВт. Чиллеры полностью покрывают потребности магазина в охлаждении.

Рисунок 4: HFO Turbomiser от Klima-Therm

Проведенные компанией Geoclima тесты показали, что HFO-чиллеры Turbomiser на базе компрессоров Turbocor демонстрируют холодильный коэффициент в 4 единицы при полной загрузке. Чиллеры оснащаются увеличенным теплообменником и обладают особой конструкцией, позволяющей компенсировать потерю эффективности, связанную с использованием HFO R-1234ze в качестве хладагента.  

Стоимость новых Турбомайзеров будет несколько выше в сравнении со стандартными чиллерами, использующими хладагент R-134a. Однако, представители Klima-Therm считают, что предлагаемое компанией решение будет более привлекательным с точки зрения цены за кВт, чем предложения конкурентов.