ГФО-хладагенты для систем кондиционирования

Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой, вступивший в силу в 1989 году, наложил запрет на применение хлорфторуглеродов (ХФУ) в качестве хладагентов для холодильных установок. Одним из требований к хладагентам нового поколения, которые разрабатывались для замены ХФУ, стало отсутствие атомов хлора в составе веществ.

ВВЕДЕНИЕ

В течение последних двадцати лет происходил плавный переход на использование гидрофторуглеродов (ГФУ). Однако хладагенты на основе ГФУ, как и хлорфторуглероды, оказывают негативное влияние на окружающую среду — и на этот раз речь идет о проблеме глобального потепления. Несмотря на то что ГФУ не содержат атомов хлора и являются крайне стабильными веществами, потенциал глобального потепления веществ данного класса оказывается очень высоким. В настоящее время происходит постепенный отказ от таких хладагентов, как ГФУ-134a, в пользу гидрофтор­олефинов (ГФО).

Значения озоноразрушающего потенциала истощения озонового слоя (ОРП) и потенциала глобального потепления (ПГП) для ряда наиболее часто используемых хладагентов приведены в таб. 1. В конце 1995 года в рамках Монреальского протокола было прекращено использование хлорфторуглеродов. Прекращение использования гидрофторуглеродов ожидается в ближайшем будущем.

В составе ГФУ место атомов хлора занимают атомы водорода, с чем связана повышенная воспламеняемость веществ данного класса. ГФУ-32 и ГФУ-152a являются крайне огнеопасными, несмотря на хорошие рабочие показатели. ГФУ-23 и ГФУ-143a обладают очень высоким потенциалом глобального потепления. ГФУ-125 не воспламеняется, но обладает низкой производительностью.

Планировалось, что на замену ГФУ придут природные хладагенты: углеводороды, углекислый газ и другие. Углекислый газ можно считать хорошим выбором с точки зрения влияния на окружающую среду. Он обладает низким коэффициентом глобального потепления, нулевым озоноразрушающим потенциалом, неогнеопасен. 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 ГФУ лежит в пределах от 3 до 5 МПа (5,8 МПа для ГФУ-32). Критическое давление для углекислого газа составляет 7,4 МПа при температуре 31 °C, а высокое рабочее давление накладывает ограничения на механическую конструкцию холодильных систем.

Таблица 1. Свойства некоторых хладагентов

ГИДРОФТОРОЛЕФИНЫ (ГФО)

В настоящее время завершается разработка новых видов хладагентов, обладающих отличными тепловыми характеристиками и являющихся «дружественными» по отношению к окружающей среде.

Хладагенты, известные как HFO-1234yf и HFO-1234ze, отличаются низким значением потенциала глобального потепления, высоким качеством охлаждения и 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 эффективность их работы.

В связи с растущим вниманием к вопросам влияния человечества на глобальное потепление хладагенты, традиционно применявшиеся в небольших холодильных установках, подверглись тщательному изучению со стороны экспертов. Регулирующие организации во всех странах мира внимательно изучают непосредственное влияние данных веществ на уровень глобального потепления.

Одним из примеров может Директива Евросоюза, запрещающая использование хладагента R134a в автомобильных кондиционерах. В 2012 году США, Канада и Мексика предложили сократить уровень использования гидрофторуглеродов развитыми странами на 10 % к 2013 году. При этом к 2033 году сокращение достигло бы уровня в 85 %. В процессе поиска новых химических веществ, которые могли бы прийти на замену хладагентам с высоким потенциалом глобального потепления, были созданы два соединения с низким ПГП: HFO-1234yf и HFO-1234ze.

Эти вещества получили название гидрофторолефины (ГФО). 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 R134a равно 1410). Новые хладагенты обладают низкой степенью токсичности. Некоторые свойства хладагентов приведены в таб. 2.

Таблица 2. Сравнение свойств ГФО и R134a

ТЕСТИРОВАНИЕ ГФО-ХЛАДАГЕНТОВ

Тепловая устойчивость

Испытания гидрофторолефинов на тепловую устойчивость проводились с использованием метода, определяемого стандартом ASHRAE 97. Это метод использования герметичной стеклянной трубки для тестирования химической стабильности материалов, используемых в холодильных установках.

В ходе тестирования использовалось полиэфирное масло со стандартным уровнем вязкости, соответствующим стандарту ISO 10. HFO-1234yf и HFO-1234ze на протяжении двух недель испытывались в экстремальных условиях: высокий уровень влажности (1000 мг/м ³ ) и высокая температура (200 °C). 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.

Тестирование в реальных рабочих условиях

Рис. 1. Хладагенты HFO-1234YF и HFO-1234ze после двухнедельного тестирования

Эксперимент по изучению рабочих характеристик хладагентов R134a, HFO-1234yf и HFO-1234ze проводился с использованием обычного торгового автомата. Стандартная система охлаждения, рассчитанная на применение R134a, 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 R134a. Тесты с хладагентом HFO-1234ze выявили необходимость использования не только игольчатого клапана, но и компрессора с увеличенным на 75 % рабочим объемом. Был выбран компрессор повышенной мощности, рассчитанный на работу с хладагентом R134a.

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 °C и относительной влажности 65 %, температура внутри торгового автомата поддерживалась на уровне 2 °C. Тест на производительность выполнялся при аналогичной температуре внутри автомата, а температура воздуха поддерживалась на уровне 40,5 °C 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 R134a, 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.

На рис. 3 отображены значения температур конденсации и испарения для каждого хладагента. Для гидрофторолефинов 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.

Результаты тестирований

Рис. 2. Рабочие характеристики хладагентов

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 тестирования были получены данные, характеризующие работу хладагентов в реальных условиях. Результаты испытаний свидетельствует о том, что производительность уровня R134a может быть достигнута без серьезной модификации оборудования. Был также сделан вывод о высокой тепловой устойчивости хладагентов.

Эффективность HFO-1234ze оказалась ниже в сравнении с R134a 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 гидрофторолефинов позволяет разрабатывать торговые автоматы, безопасные для окружающей среды. Это достигается за счет низкого уровня ПГП и высокой эффективности работы систем охлаждения.

ВОПРОС ВОЗГОРАЕМОСТИ HFO-ХЛАДАГЕНТОВ

Рис. 3. Температурные параметры хладагентов

25 сентября 2012 г. компания Daimler опубликовала пресс-релиз о результатах испытаний нового хладагента HFO-1234yf на возгораемость. В процессе испытаний хладагент распылялся под высоким давлением вблизи от горячих элементов выхлопной системы тестового автомобиля. Как показали результаты испытаний, трудновоспламеняемый в лабораторных условиях хладагент HFO-1234yf может легко загореться в горячей атмосфере моторного отсека.

Однако компания DuPont оспорила данные компании Daimler. Во-первых, в проведенных Daimler испытаниях не принимали участие представители других автопроизводителей и их результатам не была дана коллегиальная оценка. Во-вторых, данные компании Daimler противоречат результатам всесторонних испытаний. Кстати, результаты этих испытаний отражены в документе, который был подготовлен при участии Daimler и 17 сентября 2012 года представлен Немецкой ассоциацией автопроизводителей (VDA).

После проведенных обширных испытаний безопасности и производительности хладагента HFO-1234yf с участием ведущих автопроизводителей был сделан следующий вывод: «Тестирование, проведенное международными организациями, в том числе задокументированные независимые испытания в реальных условиях, показало, что HFO-1234yf безопасен для использования в качестве автомобильного хладагента».

Более того, была поставлена точка в вопросе безопасности HFO-1234yf и по результатам независимых испытаний: «Всесторонние испытания, проведенные независимыми организациями, подтверждают, что HFO-1234yf безопасен для использования в автомобилях, спроектированных для работы на HFO-1234yf».

КОММЕРЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ГФО-ХЛАДАГЕНТОВ

Первый в мире воздушный кондиционер с использованием гидрофторолефинов

Компания Honeywell в сотрудничестве с Haier разработала первую в мире систему кондиционирования, использующую хладагент на базе ГФО. Демонстрационный модуль, представленный в октябре 2012 г. на выставке в Нюрнберге, использует для работы хладагент Solstice L-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 представителей Honeywell, хладагент Solstice L-41 обеспечивает непревзойденную производительность в любом регионе земного шара. Энергопотребление оборудования, в котором применяется новый хладагент, не меняется с ростом температуры окружающего воздуха, как в случае с хладагентом R410А.

Потенциал глобального потепления для Solstice L-41 — менее 500, что существенно ниже, чем у R410a (2088) и ГФУ-32 (675).

В январе 2013 г. 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, дружественное по отношению к окружающей среде».

Первый в мире чиллер с использованием гидрофторолефинов

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

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

Представитель компании Waitrose Джим Бернетт заявил: «Мы считаем, что у решений на базе гидрофторолефинов 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 ГФО для наших магазинов в будущем».

Тим Митчелл из компании Klima-Therm сообщил следующее: «В настоящее время мы решили сосредоточиться на применении HFO-1234ze, поскольку данный хладагент уже является коммерчески доступным. В долгосрочной перспективе мы также заинтересованы в использовании HFO-1234yf, 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-1234ze. 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

Рис. 4. HFO Turbomiser от Klima-Therm

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

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

Проведенные компанией Geoclima тесты показали, что ГФО-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-1234ze в качестве хладагента.

Стоимость новых чиллеров Turbomiser несколько выше в сравнении со стандартными чиллерами, использующими хладагент R134a. Однако представители Klima-Therm считают, что предлагаемое компанией решение будет более привлекательным с точки зрения цены за 1 кВт, чем предложения конкурентов.

ВЫВОДЫ

Как следует из результатов исследований и экологических характеристик ГФО-хладагентов, данный вид фреонов является на данный момент наиболее перспективным. Некоторые производители холодильной техники уже начали разрабатывать оборудование под эти хладагенты.

После ряда исследований была подтверждена безопасность использования гидрофторолефинов в автомобильной технике. Таким образом, в этой отрасли климатической техники также ожидается внедрение ГФО.

Юрий Хомутский, технический редактор журнала «МИР КЛИМАТА»