close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

35.Рабочие вещества малых холодильных машин

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
С.Д. Глухов, А.А. Жердев, А.В. Шарабурин
РАБОЧИЕ ВЕЩЕСТВА МАЛЫХ
ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН
Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2010
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.57
ББК 22.4
Г55
Рецензент Н.И. Фролов
Г55
Глухов С. Д.
Рабочие вещества малых холодильных машин : учеб. пособие / С. Д. Глухов, А. А. Жердев, А. В. Шарабурин. – М. : Изд-во
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. – 43, [1] с. : ил.
Учебное пособие посвящено современным хладагентам, отвечающим требованиям Монреальского и Киотского протоколов, и дополняет курсы лекций «Теоретические основы холодильной техники»,
«Холодильные машины» и «Тепловые насосы», читаемые на кафедре
«Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования и
жизнеобеспечения» (Э-4).
Для студентов, специализирующихся по кафедре Э-4, выполняющих курсовые и дипломные проекты.
УДК 621.57
ББК 22.4
Учебное издание
Глухов Станислав Дмитриевич
Жердев Анатолий Анатольевич
Шарабурин Алексей Владимирович
РАБОЧИЕ ВЕЩЕСТВА МАЛЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН
Редактор С.Ю. Шевченко
Корректор Г.С. Беляева
Компьютерная верстка В.И. Товстоног
Подписано в печать 29.03.2010. Формат 60×84/16.
Усл. печ. л. 2,56. Тираж 100 экз. Изд. № 101.
Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5.
c МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Развитие холодильной техники в настоящее время находится
под влиянием трех определяемых экологическими проблемами взаимосвязанных факторов:
1) требований Монреальского протокола о прекращении потребления веществ, разрушающих озоновый слой Земли (в первую
очередь вещества R12) и о временном и количественном ограничении применения веществ переходной группы (в том числе вещества R22), имеющих малый потенциал разрушения озонового слоя
(ODP);
2) требований Киотского протокола к «Рамочной конвенции
ООН об изменении климата» о регулировании эмиссии парниковых газов (веществ, разрушающих озоновый слой Земли и имеющих высокий потенциал глобального потепления — GWP), к которым относятся широко применяемые хладагенты R22, R134a,
R410а, R417а, R423а и многие другие вещества, используемые в
холодильной технике;
3) ГОСТ Р МЭК 66035-2-24–2001, разрешающий использование в приборах бытовой холодильной техники углеводородов (пропан, изобутан, пропан-бутан и др.) при ограниченной массе заправки до 150 г.
Анализируя наиболее известные хладагенты — заменители вещества R12, разработанные в нашей стране и за рубежом, можно
убедиться, что у каждого из них имеются недостатки с точки зрения выполнения перечисленных выше требований.
Обзор литературных источников показал, что равноценной замены вещества R12, используемого в холодильной технике, в нашей стране пока не найдено, особенно для замены действующего
холодильного оборудования способом drop in. Применения многочисленных альтернативных хладагентов, таких как R134a, R401а,
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
R401в, R401с, R409а и др. [1], предлагаемых зарубежными компаниями, вызывает определенные трудности. Предлагаемые хладагенты запатентованы компаниями-производителями и имеют высокую стоимость. Зачастую в состав хладагентов-смесей входят
редкие и, следовательно, дорогие, компоненты, что существенно
увеличивает затраты на сервисное обслуживание холодильных систем. Для применения большинства новых хладагентов требуется
изменение условий работы системы — замена масла, замена некоторых агрегатов и аппаратов холодильной машины (ретрофит).
В России разработаны более дешевые смесевые хладагенты
(R22/R142b, Cl, C10M 1 и др. [2, 3]). Преимуществами отечественных хладагентов являются их относительная дешевизна и возможность использования без изменения конструкции холодильной машины и замены масла. Однако у этих смесей имеется ряд недостатков. В состав смесевых хладагентов на основе вещества R22
нередко входят дорогостоящие компоненты. Применение таких
смесей, несмотря на относительно высокую стоимость, перспективно в холодильных машинах малой производительности, например в холодильниках, где масса заправки составляет 100. . . 150 г
(ее стоимость — около 5 % от общей стоимости холодильного аппарата). Поэтому применение смеси R22/RC318 может быть экономически оправдано для холодильных машин малой производительности. Для холодильных машин большей производительности
на Кирово-Чепецком химическом комбинате была создана смесь
«Экохол-3» (40 % R22, 12 % RC318, 48 % R142b), где для снижения концентрации дорогостоящего вещества RC318 введен третий
компонент — R142b. Но эксплуатационные и термодинамические
характеристики смеси «Экохол-3» не были исследованы. Проблемой является также пожароопасность отдельных компонентов смесевых хладагентов (R142b). Смеси, включающие этот компонент,
как правило, имеют невысокую стоимость, однако при возможной
утечке негорючего компонента концентрация горючего компонента
увеличивается и может возникнуть пожароопасная ситуация.
Решения Киотского протокола, ограничивающие применение
фреонов в холодильной технике, и новая редакция ГОСТов России,
допускающая использование углеводородов в качестве хладагентов
[4—6], открывают новые возможности для применения углеводородов в холодильных машинах малой производительности, где масса
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
заправки мала. Однако в нашей стране опыт применения углеводородов, в частности диметилового эфира (ДМЭ), в холодильной
технике ограничен, а возможность их применения в холодильных
машинах практически не исследована. Диметиловый эфир лучше,
чем рекомендованные смесевые хладоны (например, С 1); работы по применению ДМЭ проводятся в МГТУ им. Н.Э. Баумана в
течение нескольких лет. Из чистых веществ возможно применение только изобутана R600a (температура нормального кипения
ts = −11,7 ◦ С), поэтому его использование в морозильниках (рабочая температура t0 = −18 . . . − 25 ◦ C) ограничено. В то же время ДМЭ может быть использован в качестве дизельного топлива,
поэтому его цена должна быть на порядок ниже, чем у других
хладонов.
Положения Федерального закона «Об энергосбережении» обязывают производителей холодильной техники (в том числе бытовых холодильных приборов) искать пути повышения энергетической эффективности новой техники, что, в частности, может быть
достигнуто путем применения новых хладагентов [7, 8].
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. ИСТОРИЯ ВОПРОСА
С середины XVIII в. и до начала XX в. в качестве хладагентов для холодильных систем применяли различные вещества: воду,
диэтиловый и метиловый эфиры, аммиак, диоксид углерода, сернистый ангидрид, метилхлорид и др. Первыми хладагентами стали
воздух и вода (в 1755 г. воду использовали в этом качестве в лабораторной установке, которую создал В. Гален). В 1834 г. Я. Перкинсу
был выдан Британский патент на «Аппарат для производства холода и охлаждающих жидкостей», и этот год стал точкой отсчета
в истории парокомпрессионных холодильных машин. В качестве
хладагента в этом устройстве использовался этиловый эфир, отличающийся невысоким давлением пара. В дальнейшем были предложены и использованы в конкретных холодильных установках
сернистый ангидрид (Ф. Карре), диметиловый эфир (Х. Телье), и,
наконец, в 1876 г. К. Линде построил холодильную машину, работающую на аммиаке.
После выпуска в 1930 г. компанией E.I. du Pont de Nemours&Co
(США) первых партий дихлордифторметана, относящегося к группе хлорфторуглеродов (ХФУ), и организации его промышленного
производства в 1932 г. многие рабочие вещества, кроме аммиака,
почти полностью исчезли с рынка хладагентов. Эта же компания
ввела в обращение торговое наименование «фреон-12» [9]. Обозначение хладагента буквой R (refrigerant) так же, как и наименование «фреон», стало общепринятым. В середине 1930-х годов
было налажено в промышленных масштабах производство хладагентов R11, R113, R114. В 1935 г. был получен хладагент R22,
относящийся к группе гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ). Его применяли в низкотемпературных холодильных установках. В 1952 г.
был получен хладагент R502, заменивший хладагент R22 в низкотемпературных холодильных установках, что позволило снизить
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
давление нагнетания в компрессорах, характерное для хладагента
R22. Для получения очень низких температур в каскадных машинах были разработаны хладагенты R13, R503 и R13B1.
Однако только с 1960-х годов R22 и R502 стали одними из
основных хладагентов в промышленных и торговых средне- и
низкотемпературных холодильных установках, кондиционерах и
тепловых насосах.
До начала 1980-х годов ХФУ и ГХФУ заняли доминирующее
положение в холодильной промышленности (бытовое, торговое,
промышленное и транспортное холодильное оборудование).
Из всех известных раннее хладагентов только аммиак (R717),
имеющий самые высокие термодинамические и технико-эксплуатационные показатели в широком интервале температур по сравнению с хладагентами групп ХФУ и ГХФУ, в настоящее время
успешно применяется в промышленных холодильных установках.
Однако к 1980-м годам, когда специалисты ряда стран (прежде
всего США) начали заниматься вопросами изучения влияния ХФУ
и ГХФУ на окружающую среду, эти хладагенты стали предметом
беспокойства в связи с возможным разрушением озонового слоя.
Споры о причастности фреонов к разрушению озонового слоя Земли продолжаются до сих пор [10, 11].
Впервые механизм истощения озонового слоя Земли описали в
1974 г. ученые Калифорнийского университета (США) М. Молина
и Ш. Роулэнд. Они показали, что молекула оксида хлора и атом
хлора — сильнейшие катализаторы, способствующие разрушению
озона. Cтратосферы достигают только химически стабильные молекулы, которые не разрушаются под действием солнечных лучей,
химических реакций и не растворяются в воде. Именно такими
качествами обладают молекулы ХФУ. Время их жизни превышает
100 лет. Молекулы ХФУ тяжелее воздуха, и число их в стратосфере
крайне мало: 3—5 молекул ХФУ на 10 млрд молекул воздуха. Под
действием ультрафиолетового излучения от молекул ХФУ отрывается атом хлора, а оставшийся радикал легко окисляется, создавая
молекулу оксида хлора и новый радикал. Атом хлора и молекула
оксида хлора активно включаются в каталитический цикл разрушения озона. Одна молекула хлора, достигающая стратосферы,
способна разрушить от 10 до 100 тыс. молекул озона [10].
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В качестве альтернативных озонобезопасных хладагентов
фирмами-производителями были предложены гидрофторуглероды (ГФУ), не содержащие хлора. Но в дальнейшем оказалось, что
ГФУ наряду с ХФУ и ГХФУ создают при попадании в атмосферу
парниковый эффект.
Парниковый эффект возникает вследствие того, что некоторые
газы атмосферы Земли задерживают инфракрасное излучение, которое испускает земная поверхность. Явление парникового эффекта позволяет поддерживать на поверхности Земли температуру, при
которой возможно зарождение и развитие жизни. Если бы парниковый эффект отсутствовал, средняя температура поверхности
земного шара была бы на 20 K ниже существующей.
Удержание инфракрасного излучения в природе происходит
благодаря парам воды, содержащимся в воздухе и облаках. Также не дают рассеиваться инфракрасному излучению и другие газы, которые представляют собой продукты деятельности человека
(в частности, диоксид углерода и фреоны). Наличие в атмосфере
этих веществ увеличивает эффективность удержания земного инфракрасного излучения по сравнению с естественной природной
эффективностью. Поэтому средняя температура поверхности Земли повышается больше, чем нужно, обусловливая искусственный
парниковый эффект, который добавляется к природному. Хотя концентрация всех вместе взятых фреонов в атмосфере гораздо ниже,
чем концентрация диоксида углерода, их эффективность по удержанию инфракрасного излучения в несколько тысяч раз выше по
сравнению с диоксидом углерода, в частности, вследствие их очень
длительного периода жизни (60 лет для R11, 120 лет для R12 и
250 лет для R115, который входит в состав R502) [9].
Для анализа экологической целесообразности применения
хладагентов используют следующие параметры: потенциал разрушения озона ODP (Ozon Depletion Potential); потенциал глобального потепления (парникового эффекта) GWP (Global Warming
Potential) или HGWP (Halocarlon Global Warming Potential).
Потенциал разрушения озона ODP определяется наличием
атомов хлора в молекуле хладагента и принят за единицу для веществ R11 и R12. Для хладагентов группы ХФУ потенциал разрушения озона ODP > 1, для ГХФУ ODP < 0,1, а для ГФУ ODP = 0.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Потенциал глобального потепления GWP принят за единицу
для диоксида углерода (СО2 ), а потенциал HGWP подсчитывают
относительно значения этого параметра для R11, также принятого
за единицу.
В последнее время для анализа общего потенциала парникового эффекта, учитывающего и энергетические, и экологические факторы, чаще используют параметр, называемый суммарным
эквивалентным тепловым воздействием — TEWI (Total Equivalent
Warming Impact). Методика расчета TEWI была разработана Международным институтом холода. Параметр TEWI для конкретного
вещества представляет собой сумму непосредственного потенциала парникового эффекта, создающегося в результате эмиссии этого
вещества в атмосферу, и косвенного потенциала, обусловленного
эмиссией диоксида углерода в процессе производства электроэнергии, которая необходима для эксплуатации холодильных установок:
T EWI = GWP ∙ M + αBL,
где GWP — потенциал глобального потепления; М — масса эмиссии хладагента в атмосферу Земли; α — коэффициент, характеризующий эмиссию диоксида углерода в атмосферу Земли при
выработке 1 кВт ∙ ч электроэнергии; В — количество электроэнергии, потребленной за время эксплуатации конкретной холодильной
установки; L — время эксплуатации оборудования.
По степени озоноразрушающей активности озонового слоя
Земли хладоны — галоидопроизводные углеводородов разделены
на три группы.
1. Хладагенты с высокой озоноразрушающей активностью — это ХФУ R11, R12, R13, R113, R114, R115, R502, R503,
R12B1, R13B1 (или в соответствии с международным обозначением CFC11, CFC12, CFC13 и т. д.) и др.
2. Хладагенты с низкой озоноразрушающей активностью —
это ГХФУ R21, R22, R141b, R142b, R123, R124 (международные
обозначения HCFC21, HCFC22, HCFC141b и т. д.) и другие хладагенты, в молекулах которых содержится водород. Для этих веществ характерно меньшее время существования в атмосфере по
сравнению с ХФУ и, как следствие, они оказывают меньшее влияние на разрушение озонового слоя. Ряд многокомпонентных рабо9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чих тел, предлагаемых в качестве альтернативы ХФУ, содержат в
своем составе ГХФУ (например, R22).
3. Полностью озонобезопасные хладагенты — это хладагенты, не содержащие атомов хлора (фторуглероды ФУ (FC), гидрофторуглероды ГФУ (HFC), углеводороды (НС) и др.) К ним относятся R134, R134a, R152a, R143a, R125, R32, R23, R218, R116,
RC318, R290, R600, R600a, R717 и др.
В 1986 г. суммарное производство ХФУ и ГХФУ составляло
1,123 млн т (на долю США приходилось 30 %, Европы — 20 %,
России и Японии — по 10 %) [9].
Проблема регулирования производства и потребления озоноразрушающих ХФУ и ГХФУ в международном масштабе была
поднята Венской конвенцией по защите озонового слоя в 1985 г.
Дальнейшим важнейшим шагом в решении этой проблемы стало
подписание в 1987 г. всеми индустриальными странами Монреальского протокола.
Для замены хладагента R12 с начала 1990-х годов основными мировыми производителями химической продукции были
разработаны и выпускаются однокомпонентный озонобезопасный хладагент R134a и альтернативные сервисные (переходные)
смеси (R401a и др.). Для замены хладагентов R502 и R22 созданы сервисные смеси, относящиеся к группе ГХФУ (R402a
и др.), и озонобезопасные смеси группы ГФУ (R407c и др.).
Однако ни один из известных или недавно синтезированных индивидуальных хладагентов не обладает к настоящему времени в
полной мере комплексом свойств, которые присущи запрещенным
хладагентам, особенно это касается затрат энергии на получение
холода.
Запрет на производство и применение хладагента R12 привел
к увеличению мировой продажи хладагента R22: в частности, в
1994 г. она составила 207 515 т [9]. И хотя применение ХФУ в бытовой холодильной технике, транспортных холодильных установках,
торговом холодильном оборудовании, промышленных кондиционерах значительно сокращено в странах Евросоюза, в настоящее
время в действующем холодильном оборудовании используется до
110 тыс. т ХФУ. В последние годы холодильная промышленность
активно ищет замену хладагентам группы ГХФУ. Особенно остро
эта проблема осуществляется в США, где ГХФУ используются в
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
большинстве систем централизованного кондиционирования и тепловых насосов, а также во многих холодильных системах. В США
почти 80 % новых домов, рассчитанных на одну семью, оборудованы централизованной системой кондиционирования, работающей
на ГХФУ.
В разработку альтернативных хладагентов рядом государств
вложены значительные финансовые средства, которое, по некоторым оценкам специалистов, за последние несколько лет составили
2,4 млрд долл. Только затраты на изучение токсичности хладагента
R134a, по данным Международного института холода, составили
около 4,5 млн долл. за семь лет [9].
Альтернативные зеотропные сервисные смеси среднего давления МР (middle pressure) и высокого давления HP (high pressure)
и смесевых групп хладагентов группы ГФУ имеют ряд особенностей, которые необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации холодильного оборудования. Это наличие неизотермического фазового перехода при постоянном давлении; изменение
состава смеси в случае утечки одного из компонентов. В частности, при медленной утечке хладагента более летучие компоненты
вскипают и вытекают в первую очередь, а менее летучие остаются, что может изменить свойства хладагента по сравнению с
первоначальным составом. Еще одной проблемой является нерастворимость ряда хладагентов в минеральных маслах, что приводит
к необходимости замены этих масел на полиэфирные и другие синтетические дорогостоящие гигроскопичные масла.
В качестве альтернативы запрещенным к производству хладагентам Монреальским протоколом рассматриваются следующие
классы веществ:
• ГФУ;
• природные хладагенты — аммиак, диоксид углерода, вода,
углеводороды.
Монреальский протокол вступил в силу 12 января 1989 г.
К нему к 1995 г. присоединились 150 государств. В июне 1990 г.
на конференции в Лондоне было принято решение о прекращении использования промышленно развитыми странами всех видов
фреонов группы ХФУ к 2000 г.
Монреальский протокол установил жесткие экономические
ограничения не только на производство и применение ХФУ, но
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и на торговлю, экспорт и импорт любой холодильной техники,
содержащей ХФУ. Мощным движущим фактором отказа от озоноразрушающих хладагентов служит также внутреннее государственное регулирование. Так, в странах Евросоюза производство
ХФУ прекращено с января 1995 г. В ряде стран, например в США,
потребитель вынужден при покупке ХФУ заплатить государственный налог, превышающий стоимость самого хладагента.
Считается, что применение ХФУ в течение года по воздействию
на окружающую среду эквивалентно применению таких альтернативных хладагентов, как ГХФУ, в течение 10—50 лет [9].
На международном совещании в Копенгагене (ноябрь 1992 г.)
участниками Монреальского протокола было принято решение о
прекращении производства озоноопасных хладагентов R11, R12,
R502 с 1 января 1996 г. На 1 января 1994 г. выпуск соединений ХФУ
составлял 25 % выпуска 1989 г. Бывший СССР подписал Монреальский протокол, и в 1991 г. Россия, Белоруссия и Украина подтвердили преемственность этого решения.
Ряд государств Европы опережают установленные сроки. Так,
Швеция запретила применение ГХФУ в новом оборудовании с 1 января 1998 г. и при обслуживании серийного оборудования — с 1 января 2002 г., Дания — с 1 января соответственно 2000 г. и 2002 г.
В Италии законодательно установлено, что с 31 декабря 1999 г. запрещается производство и импорт ГХФУ, продукция с ГХФУ должна иметь четко различимую специальную метку и быть обязательно возвращена поставщику в конце срока эксплуатации. Германия
запретила применение ГХФУ в новом холодильном оборудовании
с 2000 г., Швейцария — с 2005 г. США планируют отказаться от
R22 с 2010 г., от R123 — с 2020 г. [9].
Проводимые правительствами многих стран мероприятия по
выполнению решений Венской конвенции (1985 г.), Монреальского
протокола (1987 г.), Киотского протокола (1997 г.) и последующих
поправок к ним позволили значительно сократить производство
и потребление ХФУ. Так, если в 1986 г. суммарное производство
фреонов составляло 1,123 млн т, то в 1994 г. производство и потребление ХФУ снизились более чем на 50 %.
Россия к моменту принятия Монреальского протокола находилась в числе крупнейших мировых производителей и потребителей озоноразрушающих веществ. Пик их производства в Рос12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сии пришелся на 1990 г. и составлял тогда 20 % мирового уровня.
Выполняя принятые на себя обязательства по международным соглашениям, Россия неуклонно снижает производство ХФУ. Так, в
1996 г. объем производств ХФУ составил 17 122 т при их производстве в 1990 г., равном 110 140 т. В России сектор холодильной промышленности включает 15 заводов по выпуску бытовых
холодильных приборов и комплектующих к ним, три завода, производящих торгово-холодильное оборудование, и шесть заводов,
изготовляющих промышленные холодильные машины и компрессоры.
Единовременная заправка ХФУ всего действующего парка
холодильного оборудования, по оценкам Российского научного
центра «Прикладная химия», составляет 30. . . 35 тыс. т.
2. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К НОВЫМ ХЛАДАГЕНТАМ
Требования к хладагентам подразделяются на следующие
группы:
Экологические — озонобезопасность, низкий потенциал глобального потепления, негорючесть и нетоксичность.
Термодинамические — большая объемная холодопроизводительность, низкая температура кипения при атмосферном давлении; невысокое давление конденсации; высокая теплопроводность;
малые плотность и вязкость хладагента, обеспечивающие сокращение гидравлических потерь на трение и местные сопротивления
при его циркуляции в холодильном контуре; максимальная приближенность к заменяемым хладагентам (для альтернативных озонобезопасных хладагентов) по давлениям, температурам, удельной
объемной холодопроизводительности и холодильному коэффициенту.
Эксплуатационные — термохимическая стабильность, химическая совместимость с материалами и холодильными маслами,
достаточная взаимная растворимость с маслом для обеспечения
его циркуляции; негорючесть и невзрывоопасность и т. д.
Экономические — возможность товарного производства, доступные цены.
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Хладагенты, отвечающие всем перечисленным выше требованиям, найти практически невозможно, поэтому в каждом отдельном случае выбирают хладагенты с учетом конкретных условий
работы холодильной машины. Для бытовой холодильной техники доза заправки мала, и ее стоимость составляет не более 5 %
от общей стоимости холодильника, поэтому допустима более высокая стоимость хладагента, если он обладает дополнительными
преимуществами по сравнению с другими хладагентами.
Альтернативными веществами могут быть чистые (простые)
вещества и смеси. Предпочтение отдается чистым веществам.
3. ОСОБЕННОСТИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
СМЕСЕЙ-ХЛАДАГЕНТОВ
В молекулярной теории растворов различают азеотропные, гетероазеотропные и зеотропные смеси [12].
На рис. 1 показаны кривые жидкости и пара бинарной смеси с
азеотропной точкой А. В точке А концентрация жидкости и равновесного пара совпадают. Если положение азеотропной области
существенно не зависит от температуры, то в процессе кипения
смесь ведет себя как чистое вещество: при постоянном давлении
температура не меняется.
Рис. 1. Диаграмма фазового равновесия (концентрация — температура)
азеотропной бинарной смеси (P = const):
1 – линия пара; 2 – линия жидкости
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2. Диаграмма фазового равновесия гетероазеотропной cмеси:
1 – зона несмесимости; 2 – линия жидкости; 3 – линия пара
Гетероазеотропная (расслаивающаяся) смесь имеет область несмесимости, т. е. бинарный жидкий раствор при определенных
условиях состоит из двух равновесных жидких фаз, и при его испарении система окажется трехфазной, состоящей из двух жидких и
одной паровой фазы. При постоянном давлении температура кипения и равновесный состав пара смеси в области расслоения будут
постоянными, пока сосуществуют обе жидкие фазы (рис. 2).
Концентрации паровой и жидкой фаз зеотропной смеси в условиях термодинамического равновесия различаются, а изотерма под
кривой насыщения в координатах «давление — энтальпия» имеет наклон, т. е. кипение при постоянном давлении происходит при
увеличении температуры хладагента от Т8 до Т11 , а конденсация —
при уменьшении температуры от Т3 до Т5 (рис. 3). Это необходимо учитывать при определении степени перегрева пара на входе
в компрессор, а также при оценке энергетических характеристик
холодильной установки.
Перегрев всасываемого пара вычисляют как разность температуры T1 на входе в компрессор и температуры точки росы Т11
хладагента при давлении всасывания P0 . Переохлаждение жидкости вычисляют как разность между действительной температурой
жидкости и температурой точки конца конденсации T5 при давлении Px .
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3. Регенеративный цикл холодильной машины на смеси веществ
в координатах «давление — энтальпия»
Неизотермичность фазового перехода при постоянном давлении (при кипении или конденсации) получила название температурного глайда. Значение температурного глайда — разности температур начала и конца процесса кипения (конденсации) — ΔTgl
зависит от состава рабочего тела и является важным технологическим параметром.
Особенно важно при регулировании давления учитывать значение температурного глайда смеси хладагентов, например хладагентов R407c, R410a и др. Кроме того, значение температурного глайда является решающим фактором при определении размеров теплообменных аппаратов. Потери давления в системе существенно
увеличивают температурный глайд. Пренебрежение данным явлением при составлении теплового баланса может привести к занижению размеров теплообменных аппаратов и других элементов
холодильной системы.
В связи с наличием температурного глайда появляется неопределенность в расчете характеристик холодильной машины,
поскольку сравнительные температурные условия по стандартам
ASHRAE 41.9, EN 12 900 (CECOMAF) и ГОСТ 17008–85 не соответствуют реальным условиям работы компрессоров в составе
холодильных машин малой производительности (в том числе бытовых холодильных приборов) [13]. Для сравнения характеристик
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
холодильных машин (компрессоров), работающих на зеотропных
смесях и моновеществах, авторами работ [13] предложен эквивалентный термодинамический цикл для смесевых хладагентов (см.
рис. 3), который характеризуется следующими особенностями:
• средняя температура Ткср в процессе конденсации зеотропной смеси соответствует температуре конденсации для моновещества Тк ;
• средняя температура Т0ср в процессе кипения зеотропной
смеси соответствует температуре кипения для моновещества Т0 ;
• температура парообразного хладагента на входе в компрессор
Твс (температура на выходе из регенеративного теплообменника)
в циклах совпадает у моновещества и зеотропной смеси;
• в цикле для зеотропной смеси учитывается докипание части
жидкого хладагента в регенеративном теплообменнике, что снижает температуру жидкого хладагента перед дросселем.
В этом цикле средняя температура кипения Т0 соответствует
условию теплового баланса i10 −i9 = i9 −i8 , а средняя температура
конденсации Тк — условию i3 − i4 = i4 − i5 . При этом удельная
массовая холодопроизводительность цикла, кДж/кг,
q0 = (i1 − i5 ) = (i10 − i8 ).
Удельная объемная холодопроизводительность цикла, кДж/м 3 ,
qv = q0 /v1 ,
где v1 — удельный объем пара на всасывании в компрессор, м3 /кг.
Изоэнтропная работа сжатия, кДж/кг,
ls = (i2 − i1 ),
холодильный коэффициент εц = q0 /ls . Холодопроизводительность
холодильной машины с данным компрессором, кВт,
Q0 = λqv Vт ,
где Vт — теоретическая объемная производительность компрессора, м3 /с; λ — коэффициент подачи.
Эквивалентный цикл для зеотропных смесей (см. рис. 3) соответствует условиям использования компрессора в однокамерных
бытовых холодильниках, морозильниках, холодильных машинах
различного назначения. Однако при расчете и проектировании холодильной установки на смеси можно рассматривать два режима:
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4. Нерегенеративный цикл холодильной машины на смеси веществ
в координатах «температура — энтальпия»
охлаждение при переменной температуре Т0 , что соответствует
охлаждению потока вещества, например потока хладоносителя,
температура которого уменьшается от T1 до Т4 (рис. 4), а также
режим термостатирования, для которого необходимо поддерживать
Т0 = T1 .
Холодильная машина на хладагенте-смеси будет более эффективна для режима охлаждения потока хладагента, а для термостатирования, например при поддержании постоянной температуры
холодильной камеры, более выгодна холодильная машина с чистым веществом (рис. 5). Однако последняя менее выгодна для
охлаждения потока вещества, поскольку весь холод вырабатывается на самом низком температурном уровне [14]. В связи с этим в
дальнейшем при анализе цикла на хладагенте-смеси необходимо
рассчитывать параметры цикла (давления, холодопроизводительности и т. д.) для следующих случаев: при температуре охлаждения Т0 = T1 (соответствует режиму термостатирования), Т0 = T1
(или Т4 ) (соответствует режиму охлаждения потока) и Т0 = Тср
(соответствует эквивалентному циклу для смесевых хладагентов;
принимают Тср = (Т1 + Т4 )/2).
Таким образом, зеотропные смеси имеют свои преимущества
и недостатки. С одной стороны, изменение состава рабочего тела при циркуляции его по контуру холодильной системы может
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5. Цикл холодильной машины на чистом веществе
привести к возрастанию холодопроизводительности и холодильного коэффициента по сравнению с этими характеристиками для
чистых хладагентов. С другой стороны, применение зеотропных
смесей приводит к снижению интенсивности теплообмена в испарителе и конденсаторе.
Еще один недостаток зеотропной смеси — потенциальная возможность изменения ее состава при появлении утечек в контуре холодильной системы, что влияет на пожаробезопасность (при утечке
негорючего компонента хладагента в контуре повышается концентрация пожароопасного компонента) и холодопроизводительность
установки.
Чтобы снизить вероятность изменения состава в области концентраций, где преобладает пожароопасный компонент, в смесь
добавляют негорючий компонент, давление насыщенных паров
которого близко к давлению паров пожароопасного компонента
или выше его.
4. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ
ХЛАДАГЕНТОВ
Уровень потребления энергии холодильной системой — один
из важнейших параметров, определяющих ее воздействие на глобальное потепление.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При проектировании холодильных систем вследствие опасности изменения климата наблюдаются следующие тенденции:
• преимущественное применение хладагентов с низким потенциалом глобального потепления (к ним относятся природные хладагенты — углеводороды, аммиак, диоксид углерода, вода, воздух);
• совершенствование технологических процедур сервисного
обслуживания холодильных систем;
• уменьшение количества хладагента, заправляемого в систему;
• снижение выбросов (утечек) хладагентов из холодильных систем;
• повышение требований к качеству сборки холодильных машин и аппаратуры;
• совершенствование действующих холодильных машин в целях повышения их энергетической эффективности.
В последние годы производство и потребление хладагента
R134a в промышленно развитых странах растет медленнее, чем
предполагалось по прогнозам, при этом одной из причин этого
считается нелегальный экспорт ХФУ. В США и странах Западной
Европы он составляет 10. . . 15 тыс. т в год. Производственные
мощности по выработке R134a в промышленно развитых странах
оценивали в 1997 г. в 170 тыс. т при мировом спросе 85 тыс. т.
Сервисные смеси R401A, R401b, R401c, R409a группы ГХФУ
рекомендуется применять для ретрофита в действующих высоко-,
средне- и низкотемпературных холодильных системах. Они не
смешиваются с минеральными маслами (за исключением R409a)
и предназначены для работы с синтетическими маслами.
Хладагент С 1 может быть использован в бытовой холодильной технике, он совместим с минеральными маслами, по термодинамическим свойствам эквивалентен R12, однако вследствие его
пожароопасности требуется внесение конструктивных изменений
в холодильные машины. Хладагент СМ1 предполагается использовать в бытовом, торговом и промышленном холодильном оборудовании. Применение его не связано с необходимостью изменения
конструкции холодильных машин, СМ1 совместим с минеральными маслами, по термодинамическим свойствам близок к R12,
негорюч.
Перспективно использование в качестве хладагента диметилового эфира RE170 (ДМЭ, химическая формула — СН3 ОСН3 ).
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для замены R502 в действующих холодильных системах рекомендуется использовать холодильные смеси R402b, R402a, R404a,
R507 и R408a. Хладагенты растворимы в синтетических маслах.
Выбор типа холодильной смеси диктуется конкретным применением и характерными условиями эксплуатируемого холодильного
оборудования.
Хладагент R404a предполагается использовать для ретрофита
действующего средне- и низкотемпературного оборудования, работающего на R502 и R22, а также для заправки нового холодильного
оборудования. Совместим с синтетическими маслами, относится к
группе ГФУ. Перспективен для применения в области низких температур на судовом рефрижераторном транспорте.
Хладагент R507 разработан для ретрофита низкотемпературных систем, работающих на R502, по своим характеристикам близок к R502, растворим в синтетических маслах, относится к группе
ГФУ.
Применение хладагента R22, хорошо зарекомендовавшего себя
в системах кондиционирования воздуха, торговых и транспортных
холодильных установках, а также в воздухоохладительных системах и тепловых насосах, не отвечает долгосрочным перспективам
развития холодильной техники в связи с решением Монреальского
протокола. Кроме того, по энергетическим показателям R22 уступает R12 в среднетемпературных холодильных установках, поэтому не отвечает мировым тенденциям повышения энергетической
эффективности оборудования и положениям Киотского протокола
по ограничению выбросов парниковых газов.
В настоящее время производство R22 находится в состоянии
значительного превышения предложения над спросом. В частности, мощности по производству R22 в Западной Европе оцениваются в 150 тыс. т в год, а потребление — в 100 тыс. т в год [15].
В будущем будет прослеживаться тенденция к сокращению его
производства. Для замены R22 рекомендуются хладагенты R404a,
R407c, R410a, R407a, R290 и R717.
Хладагент R410a служит для замены R22 в новых системах
кондиционирования воздуха высокого давления, при этом требуется внесение конструктивных изменений в компрессор и теплообменники. Растворим в синтетических маслах. В перспективе
R410a может служить альтернативным хладагентом для замены
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
R22, поскольку имеет высокую удельную объемную холодопроизводительность и низкую критическую температуру.
Хладагент R407c по энергетической эффективности близок к
R22 и рассматривается как оптимальная альтернатива R22. Сейчас его широко используют в системах кондиционирования воздуха. Не требуется вносить значительных изменений в холодильную
систему.
В настоящее время на R717 работают 70 % холодильных установок для овоще- и фруктохранилищ, 60 % — в мясной промышленности, 50 % — в кондитерском производстве, 80 % — в производстве
пива и напитков.
Наблюдается возврат к применению R717 в судовом рефрижераторном транспорте, важнейшем звене холодильной цепи. Объем
морских перевозок в 2005 г. составил 64 млн т. Возрастает объем
транспортировки грузов в охлаждаемых контейнерах, работающих
на R134a и R404a, доля которых составляет 42 % общей массы
используемых контейнеров [9].
5. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ХЛАДАГЕНТЫ,
ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЕ ДЛЯ ЗАМЕНЫ R 12
В бытовых холодильных приборах и торговом холодильном
оборудовании стран Западной Европы все шире используют углеводороды R290, R600a и смеси на их основе. В настоящее время
расход углеводородов составляет 0,07 кг на 1 кВт холодопроизводительности и прослеживается тенденция к дальнейшему его
снижению. Это экологически чистые хладагенты, растворимые
с минеральными маслами и по энергетическим показателям они
сравнимы с R12. Вместе с тем требуется внесение изменений
в конструкцию компрессора. Хладагенты пожаровзрывоопасны
и поэтому требуется строго соблюдать меры предосторожности.
Отношение к пожароопасности в мире неоднозначное. Например, в США запрещено использовать углеводороды в бытовых холодильниках. Агентство США по охране окружающей среды прогнозирует в случае их применения до 30 тыс. пожаров в год, а в
Новой Зеландии углеводороды разрешено использовать в торговом
холодильном оборудовании.
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.1. Хладагенты — чистые вещества
a. Химическая формула С4 Н10 (изобутан).
1. Хладагент R 600a
Относится к группе углеводородов (НС). По сравнению с R12 и
R134a изобутан имеет значительные экологические преимущества.
Этот природный газ не разрушает озоновый слой (ODP = 0) и не
способствует появлению парникового эффекта (GWP = 0,001).
Масса хладагента, циркулирующего в холодильном агрегате, при
использовании изобутана значительно сокращается (примерно на
30 %). Плотность изобутана в 2 раза больше плотности воздуха,
вследствие чего газообразный R600a стелется по земле. Изобутан
хорошо растворяется в минеральном масле, имеет более высокий,
чем у R12, холодильный коэффициент, что уменьшает энергопотребление. Изобутан горюч (хладагент 3-го класса, It/DIN 8975),
легко воспламеняется и взрывоопасен при соединении с воздухом
при объемной доле хладагента 1,3. . . 8,5 %. Нижняя граница взрывоопасности (1,3 %) соответствует 31 г R600a на 1 м3 воздуха;
верхняя граница (8,5 %) — 205 г R600a на 1 м3 воздуха. Температура возгорания равна 460 ◦ С [16].
В настоящее время европейские фирмы применяют R600a
в бытовой и холодильной технике. В частности, фирмы Necci
compressori и Zanussi международного концерна Electrolux compressors выпускают компрессоры, работающие на изобутане. Холодильные агрегаты с R600a характеризуются меньшим уровнем
шума ввиду низкого давления в рабочем контуре хладагента. Разрешен к применению в России, Украине, Белоруссии.
Использование изобутана в существующем холодильном оборудовании связано с необходимостью замены компрессоров на
компрессоры большей производительности, так как по удельной
объемной холодопроизводительности R600a значительно проигрывает хладагенту R12 (практически в 2 раза).
a. Химическая формула CF3 CFH2 (тетра2. Хладагент R 134a
фторэтан). Относится к группе ГФУ (HFC). Потенциал разрушения
озона ODP = 0, потенциал глобального потепления GWP = 1300.
Хладагент R143a нетоксичен и не воспламеняется во всем диапазоне температур эксплуатации. Однако при попадании воздуха в
систему при сжатии могут образовываться горючие смеси.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для R134a характерны небольшая температура нагнетания (в
среднем на 8. . . 10 ◦ С ниже, чем для R12) и невысокие значения
давления насыщенных паров.
В холодильных установках, работающих при температурах кипения ниже −15 ◦ С, энергетические показатели R134a хуже, чем
у R12 (на 6 % меньше удельная объемная холодопроизводительность при −18 ◦ С, а также холодильный коэффициент). В таких
установках целесообразно применять хладагенты с более низкой
нормальной температурой кипения либо компрессор с увеличенным описанным объемом.
В среднетемпературных холодильных установках и системах
кондиционирования воздуха холодильный коэффициент R134a выше соответствующего коэффициента R12.
В высокотемпературных холодильных установках удельная
объемная холодопроизводительность при работе на R134a несколько выше (на 6 % при t0 = 10 ◦ C), чем y R12.
Поскольку показатель GWP у R134a весьма велик, рекомендуется применять R134a в герметичных холодильных системах.
Влияние R134a на парниковый эффект в 1300 раз сильнее, чем
влияние СО2 .
Для работы с хладагентом R134a рекомендуются только полиэфирные холодильные масла, которые характеризуются повышенной гигроскопичностью.
Хладагент R134a широко используют во всем мире в качестве основной замены R12 для холодильного оборудования, работающего в среднетемпературном диапазоне. Его применяют в
автомобильных кондиционерах, бытовых холодильниках, торговом
холодильном среднетемпературном оборудовании, промышленных
установках, системах кондиционирования воздуха в зданиях и промышленных помещениях, а также на холодильном транспорте.
Хладагент можно использовать и для ретрофита оборудования, работающего при более низких температурах. Однако в этом случае,
если не заменить компрессор, то холодильная система будет иметь
пониженную холодопроизводительность.
После запрещения R12 половина всего производимого в мире R134a используется в автомобильных кондиционерах, только
15 % — в бытовых охлаждающих приборах и 35 % — в торговых
холодильных установках.
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Производство автомобильных кондиционеров — наиболее массовое из всего холодильного оборудования. Ежегодно производится около 30 млн новых систем. В типичном автокондиционере
потеря первоначально заправленных хладагентов происходит за четыре года, поскольку особенностью конструкции являются сальниковый компрессор и штуцерные соединения трубопроводов. Утечки R134a в коммерческих холодильных установках меньше, однако
достигают 40 %. По пессимистическим прогнозам эмиссия R134a
к 2025 г. может достигнуть 0,5 млн т в год, что эквивалентно 10 %
эмиссии СО2 от всех видов топлива, сожженного в базовом для
Киотского протокола 1990 г.
Анализ зарубежных публикаций и результаты исследований
отечественных специалистов свидетельствуют о том, что замена
R12 на R134a, имеющий высокий потенциал глобального потепления GWP, в холодильных компрессорах сопряжена с решением
ряда технических задач, основные из которых:
• улучшение объемных и энергетических характеристик герметичных компрессоров;
• увеличение химической стойкости обмотки электродвигателя
герметичного компрессора;
• повышение влагопоглощающей способности фильтров-осушителей ввиду высокой гигроскопичности системы R134a и применения синтетического масла.
Все это должно привести к значительному увеличению стоимости холодильного оборудования. Все сказанное выше делает
актуальным вопрос о прекращении производства автомобильных
кондиционеров и холодильных установок с хладагентом R134a.
3. Хладагент R 290. Химическая формула С3 Н8 (пропан). Относится к группе углеводородов (НС). Потенциал разрушения
озона ODP = 0, потенциал глобального потепления GWP = 3.
Характеризуется низкой стоимостью и нетоксичен. При использовании данного хладагента не возникает проблем с выбором
конструкционных материалов деталей компрессора, конденсатора
и испарителя. Пропан хорошо растворяется в минеральных маслах. Температура кипения при атмосферном давлении составляет
−42,1 ◦ С [16]. Преимуществом пропана является также низкая температура на выходе из компрессора. Однако пропан как хладагент
имеет два принципиальных недостатка. Во-первых, он пожароопа25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сен, во-вторых, размеры компрессора должны быть больше, чем
при использовании в холодильной машине хладагента R22.
В промышленных холодильных установках пропан применяют
уже в течение многих лет. В последние годы все чаще предлагается
применять пропан в транспортных холодильных установках.
В Германии еще в 1994 г. было произведено более 1000 бытовых холодильников на пропане, изобутане или их смесях. Подобные бытовые холодильники изготовляют в Китае, Бразилии,
Аргентине, Индии, Турции и Чили [15]. По оценкам создателей
этой техники, холодильный коэффициент при использовании углеводородов практически такой же (±1 %), как при работе на R12,
но требуются небольшие изменения в конструкции. Применяются
те же минеральные масла, та же электроизоляция, те же уплотняющие материалы, трубы того же диаметра, практически не изменяется процедура сервисного обслуживания. Температура нагнетания
становится ниже, чем при работе на R22 или R502. Пропан можно
сразу заправить в систему, где был озоноопасный хладагент. Как
показали исследования, в этом случае теряется до 10 % холодопроизводительности, если в системе ранее был R22, и 15 %, если
R502 [15].
4. Хладагент RE
RE170. Химическая формула СН3 ОСН3 (диметиловый эфир (ДМЭ)) [16]. Этот хладагент обладает нулевыми
значениями ODP и GW P . Диметиловый эфир — одно из первых
рабочих тел холодильных машин XIX в., предложенный для использования в парокомпрессионных холодильных машинах Х. Телье взамен этилового эфира. Это позволило повысить давление
всасывания в компрессор и избежать попадания воздуха и влаги в систему [18]. Нормальная температура кипения ДМЭ близка
к температуре кипения R12, а скрытая теплота испарения существенно выше и близка к пропан-бутановой смеси. ДМЭ в качестве
хладагента имеет ряд положительных качеств. Из чистых углеводородов ДМЭ — наиболее эквивалентный заменитель хладона
RI2. ДМЭ имеет температуру кипения при атмосферном давлении
−24,8 ◦ С, т. е. она близка к температуре кипения R12 (−29,74 ◦ С).
Хранится и транспортируется ДМЭ так же, как сжиженный нефтяной газ (пропан-бутановая смесь), под давлением 0,5. . . 0,7 МПа
при температуре окружающей среды. Удельная скрытая теплота
испарения (массовая) у ДМЭ в 3 раза больше по сравнению с
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
хладоном R12, и в 2 раза больше по сравнению с R22 и имеет величину, как у пропан-бутановой смеси (r = 450 кДж/кг). Объемная
холодопроизводительность ДМЭ приблизительно совпадает с данной величиной для R12, поскольку плотность пара ДМЭ приблизительно в 3 раза меньше плотности пара R12. Стоимость ДМЭ на
порядок ниже хлорфторуглеродов (ХФУ). Недостатком ДМЭ, как
и любого другого углеводорода, является горючесть; однако это не
столь существенно, если ДМЭ используется как топливо и залит в
баке автомобиля. По имеющимся многочисленным данным ДМЭ
не токсичен.
Определение реальных параметров холодильного цикла, таких
как холодопроизводительность, потребляемая мощность и реальный холодильный коэффициент при работе холодильной машины
на ДМЭ, и сопоставление их с аналогичными параметрами при
работе на фреоне R12 на соответствующих режимах показаны на
экспериментальном стенде, созданном в лаборатории кафедры Э4
МГТУ им. Н.Э. Баумана [19, 20, 21].
Были проведены экспериментальные исследования работы
ДМЭ в цикле холодильной установки на режимах охлаждения при
t0 = −25 . . . 5 ◦ C и температурах конденсации tк = 25 . . . 55 ◦ C, а
также исследовано влияние рекуперации теплоты в холодильном
цикле. Установлено, что рекуперативный теплообменник дает незначительное повышение холодопроизводительности и холодильного коэффициента цикла и использование его нецелесообразно в
транспортной холодильной установке.
Результаты эксперимента показывают близость значений характеристик холодильных циклов ДМЭ и R12, таких как холодопроизводительность, работа компрессора и холодильный коэффициент.
Холодопроизводительность при использовании ДМЭ меньше,
чем при использовании R12, в среднем на 10 %, мощность компрессора меньше в среднем на 12 %, а холодильный коэффициент — в среднем на уровне R12. Растворимость ДМЭ в холодильном масле ХФ-12-16 была проверена в диапазоне температур –
30. . . +60 ◦ С при объемной концентрации ДМЭ от 30 до 70 % на
специально созданном стенде. Установлено, что ДМЭ полностью
растворяется в масле при данных условиях и, следовательно, возможна замена R12 на ДМЭ в холодильной установке без замены
масла [22].
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.2. Многокомпонентные хладагенты
Смеси хладагентов обозначают согласно международному
стандарту ISO N 817—74. Для зеотропных смесей используется
цифровой ряд 400, для азеотропных смесей 500. Смеси, которые содержат одинаковые исходные компоненты, но различаются
их массовыми соотношениями, обозначаются заглавной буквой,
стоящей после цифрового обозначения. Для обозначения органических соединений, не попавших в эти ряды, предназначен ряд
600. Для обозначения неорганических соединений, используемых
в качестве хладагентов, предназначен ряд 700 [23].
Многокомпонентные хладагенты на основе углеводородов
1. Смесь изобутан-пропан (43 % R600a, 57 % R290). По результатам исследований [9] в бытовых холодильниках предлагается использовать в качестве хладагента смесь пропан-изобутан. При
этом изменений в конструкцию бытового холодильника не вносят,
а в качестве масла используют обычные минеральные масла, работающие с R12.
По энергетическим характеристикам теоретического холодильного цикла эта смесь при аналогичных условиях уступает R12.
В Германии уже несколько лет выпускают небольшими партиями холодильники, работающие на данной смеси. Смесь пропанизобутан зеотропная, такие смеси кипят при переменных температурах, это свойство может быть реализовано в холодильниках
с двумя испарителями, когда кипение зеотропной смеси начинается в низкотемпературном отделении, а выкипание происходит в
испарителе холодильной камеры при более высоких температурах.
Предлагаемая смесь пропан-изобутан горюча, но масса хладагента, находящегося в бытовом холодильнике, мала (20. . . 40 г).
Этой смесью заправляют бытовые холодильники в Германии, широко внедряют ее в Китае и в Индии. Вместе с тем американское
агентство по охране окружающей среды (ЕРА) ввело правило, запрещающее использование смеси пропан-изобутан в качестве альтернативы R12 [9].
2. Хладагент С 1. Смесь С 1 была предложена в НИИ тепловых процессов [24]. В состав смеси входят R152a (70 %) и
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
R600a (30 %). Cмесь является альтернативой R12, не требует замены масла и конструктивных изменений в холодильных агрегатах.
Обладает нулевым озоноразрушающим потенциалом (ODP = 0),
GW P = 0,029. Горючий газ, пределы горючести в воздухе составляет 3,15. . . 19 % [16]. На смеси С 1 были испытаны отечественные и зарубежные бытовые холодильники и морозильники. Испытания проходили в НИИ ТП, АО «Красноярский завод бытовых
холодильников “Бирюса”», сингапурской и американской лабораториях. При испытаниях на Красноярском заводе даже без оптимизации дозы заправки смесью суточный расход электроэнергии
при работе на смеси С 1, по сравнению с работой на R12, снижался у морозильника «Бирюса-14» на 8,7 %, а у холодильника
«Бирюса-22» — на 2,5 %. В сингапурской фирме после замены R12
смесью С 1 энергопотребление снижалось на 5,6. . . 16,9 %. Полученные в американской лаборатории экспериментальные данные
при испытаниях американского холодильника на смеси С 1 показали, что при оптимальной дозе заправки его энергопотребление
на 10 % ниже, чем при работе этого холодильника на R12 [25].
3. Хладагент С М 1. Этот хладагент разработан в МЭИ (состав
R134a/R218/R600a), представляет собой зеотропную, пожаро- и
взрывобезопасную смесь, по термодинамическим характеристикам
близкую к R12 и растворимую в минеральных маслах [26, 27, 28,
29]. Не требуется изменения конструкций холодильных машин,
применения новых смазочных масел и переоснащения производства. Как показали испытания, хладагент СМ1 можно использовать
в бытовых холодильниках вместо R12. Суточный расход энергии
в бытовых холодильниках, заправленных СМ1, на 4. . . 9 % выше,
чем в холодильниках, работающих на R12. Для повышения энергетической эффективности рекомендуется обеспечивать полноценный регенеративный теплообмен в холодильных агрегатах (между
жидкостным и всасываемым потоками хладагента).
Хладагент СМ1 предлагается также использовать в торговом
и промышленном холодильном оборудовании, выпускаемом в настоящее время для работы на R12, а также для ретрофита части
действующего парка холодильных машин [9].
4. Хладагент Ф4 (85 % R218, 15 % R600a). Хладагент Ф4 был
создан, испытан и запатентован на кафедре Э4 МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве ремонтной смеси [30, 31]. Этот хладагент пред29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ставляет собой невзрывоопасную бинарную смесь хладагентов, серийно выпускаемых в России, каждый из которых имеет нулевой
озоноразрушающий потенциал. Проведенные испытания показали,
что отказов в работе холодильника — морозильника «Stinol-101»,
заправленного смесью Ф4, не наблюдалось, а при оптимальной заправке среднесуточный расход электроэнергии не выше, чем при
работе на R12. При этом использовался капилляр с проходным
сечением в два раза большим, чем у заводского образца.
Многокомпонентные хладагенты группы ГХФУ
М 1. Хладагент С 10М 1 (ТУ 2412-003-32837395–
1. Смесь С 10М
98), разработанный компанией «АСТОР» и производимый под зарегистрированной торговой маркой АСТРОН-12 — это трехкомпонентная смесь на основе ГХФУ R22/R21/R142b, имеющих ограниченный срок применения. Предназначена смесь С 10М 1 для ретрофита холодильных систем, работающих на R12 [32—37].
Выпускают смеси двух марок (А и Б), различающихся массовыми долями компонентов: в смеси С 10М 1 марки А массовые
доли компонентов R22, R21 и R142b составляют соответственно
65,5 и 30 %; в смеси марки Б — 65, 15 и 20 % соответственно.
Состав смеси подобран таким образом, чтобы эксплуатационные характеристики оборудования с этими хладагентами минимально отличались от показателей, достигаемых при работе с заменяемым хладагентом R12.
Хладагенты С 10М 1 нетоксичны, негорючи и по основным
физико-химическим, термодинамическим и эксплуатационным
свойствам сходны с R12.
Преимущества С 10М 1 по отношению к зарубежным аналогам:
• хладагент относительно дешев, поскольку состоит из компонентов, выпускаемых заводами России, а его производство организовано компанией «АСТОР» также на территории России;
• транспортировать хладагент можно в контейнерах и баллонах, предназначенных для перевозки R12;
• перевод холодильного оборудования с R12 на С 10М 1 осуществляют путем замены самого хладагента без какой-либо модернизации холодильного оборудования, без внесения изменений
в конструкцию холодильной машины и без замены компрессорного
масла;
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
• переход на С 10М 1 не предусматривает дополнительной
подготовки системы к работе, переобучения персонала, применения специального оборудования или инструмента для сервисного
обслуживания холодильной техники — согласно международной
классификации, технология перехода на этот хладагент классифицируется как «drop in», т. е. простая замена [9].
Результаты испытаний бытового холодильника КШД 270/80
(«Мир-101») показали, что давление нагнетания компрессора, температурный режим, энергопотребление при работе на смесевых
хладагентах группы С 10М сопоставимы с аналогичными показателями при работе того же компрессора на R12 [38].
R 142bb. Хладагент представляет собой него2. Смесь R 22/R
рючую зеотропную смесь, компоненты которой имеют ограниченный Монреальским протоколом срок применения. Результаты
испытаний бытовых холодильников, заправленных смесью R22 и
R142b с массовыми долями соответственно 0,6 и 0,4, проведенные
в Астраханском государственном технологическом университете
и Московском энергетическом институте, показали, что энергопотребление осталось практически на том же уровне, что и при
использовании R12. Применение этой смеси целесообразно при
ретрофите действующего холодильного оборудования; при этом не
требуется замены масел, фильтров-осушителей, а также внесения
изменений в конструкцию холодильного агрегата. Энергетическая
эффективность этой смеси была определена в испытаниях холодильника «Ока-6М» в лаборатории МЭИ. При температуре окружающей среды 25 ◦ С и оптимальной дозе заправки 117 г энергопотребление составило 1,57 кВт ∙ ч/сут, а при работе этого же агрегата
(с компрессором ХКВ 6-1) на R12 почти с такой же дозой заправки (116 г) энергопотребление равно 1,49 кВт ∙ ч/сут [39]. Смесь
R22 и R142b может служить переходным хладагентом не только в бытовой технике, но и в другом холодильном оборудовании
[9, 40 — 43].
3. Смесь «Экохол-3» (40 % R22, 12 % RC318, 48 % R142b).
Трехкомпонентная смесь предложена Кирово-Чепецким химическим комбинатом для замены R12 в действующем холодильном
оборудовании [2]. Температура кипения составляет –29,85 ◦ С. Озоноразрушающий потенциал ODP = 0,05. Данные об энергетиче31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ских и эксплуатационных характеристиках холодильной машины,
работающей на новой смеси «Экохол-3», отсутствуют.
Для замены R12 предлагается еще целый ряд хладонов-смесей
[44—54]. Наиболее распространенные неазеотропные смеси приведены в табл. 1.
Таблица 1
∗
Хладагент
Состав
Концентрация
компонентов
Тип масла∗
R401a
R22/R152a/R124
53/13/34
АБ
R401b
R22/R152a/R124
61/11/28
АБ
R401c
R22/R152a/R124
33/15/52
АБ
R402a
R22/R125/R290
60/2/38
АБ
R402b
R22/R125/R290
38/2/60
АБ
R404a
R125/R1430/R134a
44/52/4
ПЭ
R409a
R22/R1423/R124
60/15/25
АБ, ПЭ
АБ — алкилбензольное; ПЭ — полиэфирное.
6. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ
КОМПРЕССИОННЫХ ХОЛОДИЛЬНИКОВ
И МОРОЗИЛЬНИКОВ
Развитие холодильной техники во всем мире, в частности в
России, находится не только под влиянием требований Монреальского и Киотского протоколов; постоянно повышаются требования
к энергоэффективности всех видов холодильной техники. В России
эти требования регламентируются положениями Федерального закона «Об энергоэффективности», а в сфере бытовой холодильной
техники еще и требованиями ГОСТ Р 51565–2000 [8] об обязательном определении и информировании потребителей о классе
энергоэффективности холодильников и морозильников.
Бытовые холодильники и морозильники — самые крупные потребители электроэнергии среди всех электробытовых машин. Так,
в США на их долю приходится более 30 %, в Японии — 24 %, а
в Германии — 23 % электроэнергии [55], потребляемой бытовыми
приборами. Поэтому энергопотребление имеет решающее значе32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ние при создании конкурентоспособных моделей холодильников и
морозильников.
В многообразии современных направлений технического совершенствования бытовых холодильников и морозильников четко
выделяется тенденция к созданию энергоэкономичных моделей.
В США, Японии и странах ЕЭС разработаны директивы и стандарты, нормирующие уровни потребления электроэнергии бытовыми приборами или регламентирующие минимально допустимое
значение их КПД.
С 1995 г. все холодильные и морозильные приборы европейских производителей снабжаются специальными цветными
наклейками, которые дают четкое представление об уровне потребления электроэнергии приборами: от А до G. Класс от А до С
означает от «очень экономичен» до «экономичен», цвет наклеек от
темно-зеленого до желто-зеленого, класс D — промежуточное значение, от Е до G — высокий расход электроэнергии, цвет наклеек
от оранжевого до красного. Кроме того, указывается количество
потребляемой электроэнергии в кВт ∙ ч за год.
Наиболее экономичные холодильники выпускают японские
фирмы. Сравнение технических характеристик двухкамерных холодильников полезным объемом 200. . . 300 дм3 свидетельствует о
том, что японские модели потребляют на 40 % меньше электроэнергии, чем американские и итальянские.
Современный холодильник в среднем на 33 % экономичнее моделей 1970-х годов.
Проведенные в 1985 г. в США испытания показали, что новейшие модели потребляют электроэнергии в среднем на 15 % меньше, чем холодильники образца 1980 г., и на 32,8 и 44,3 % меньше, чем холодильники и морозильники соответственно выпуска
1978 г. [55].
В ФРГ удельное потребление энергии холодильниками и морозильниками составило (к уровню, 1978 г. ), %: в 1980 г. — 90,6;
в 1982 г. — 83; в 1985 г. — 76; в 1995 г. — 50. . . 57 [55].
Намечено снижение потребления электроэнергии холодильниками еще на 10. . . 20 % после того, как будут осуществлены следующие мероприятия:
• оптимизация температурных зон внутри камеры;
• улучшение компрессионной системы (использование прямоточного всасывания, ротационного компрессора и др.);
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
• модернизация рабочего конденсатора;
• увеличение поверхности конденсации.
К 2010 г. в странах Общего рынка снижение среднего энергопотребления должно составлять в расчете на холодильник 30 %, на
морозильник — 34 % от уровня 1976 г. Среднегодовой темп снижения удельного энергопотребления в этот период должен достичь
3,1 % [55].
По оценке американских специалистов, энергопотребление
полного парка бытовых холодильных приборов в США при среднем энергопотреблении одного холодильника 1200 кВт ∙ ч в год
превышает суммарную мощность 23 крупных электростанций.
В США темп снижения может оказаться выше, так как современные американские холодильники менее экономичны по сравнению с западноевропейскими. В соответствии со стандартом США
экономия потребления электроэнергии холодильниками и морозильниками составила в 2000 г. 10 % уровня 1985 г.
Исследования, проведенные в США, показали, что совершенствование отдельных узлов холодильника позволит значительно
снизить расход электроэнергии в результате улучшения теплоизоляции холодильника и уплотнения двери на 20. . . 30 %; повышения
механического КПД герметичного компрессора — на 12. . . 16 %;
уменьшения нагрева компрессора — на 14 %; улучшения теплоотдачи испарителем и конденсатором — на 8 %; оптимизации регулирования — на 4. . . 16 %.
При реализации перечисленных мероприятий в целом можно сократить потребление электроэнергии холодильниками на
35. . . 40 %.
В 1987 г. в США принят специальный закон о введении энергосберегающих технологий при создании бытовых приборов, который привел к изменению конструкции около 75 % холодильников
и кондиционеров.
Улучшение показателей энергоэкономичности связано с дополнительными затратами производителей, что обусловливает повышение розничных цен. Вместе с тем размер надбавки к цене более эффективной модели в США ограничен максимальным сроком
окупаемости, который не должен превышать трех лет.
По рекламным данным, энергопотребление у европейских холодильников 1994—1995 гг. выпуска по сравнению с моделями
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1991 г. снижено на 33. . . 44 %, а по сравнению с моделями 1977 г. —
на 52. . . 65 %, у морозильников — соответственно на 34 и 46 %.
Одним из способов снижения энергопотребления бытовой холодильной техники является повышение эффективности теплоизоляции.
Фирма AEG (Германия) разработала новое поколение энергоэкономичных холодильников и морозильников, расход электроэнергии у которых в среднем на 25 % ниже, чем у прежних моделей.
Так, морозильник новой модели полезным объемом 213 дм 3 потребляет в сутки не более 0,7 кВт ∙ ч электроэнергии, что на 63 %
меньше энергопотребления морозильника той же вместимости выпуска 1976 г.
Новый морозильник полезным объемом 260 дм3 с теплоизоляцией толщиной 120 мм и ротационным компрессором потребляет
в сутки 0,5 кВт ∙ ч электроэнергии.
Фирмы AEG и Bosch (Германия) выпустили морозильники с
принудительной циркуляцией воздуха («No Frost») полезным объемом 215 дм3 с усиленной изоляцией. Они потребляют на 30 %
электроэнергии меньше, чем обычные модели, и более долговечны.
В результате увеличения толщины теплоизоляции (85 мм) энергопотребление морозильника с электронной системой управления
фирмы Liebherr (Германия) полезным объемом 291 дм 3 доведено
до 1,05 кВт ∙ ч/сут.
Фирма Siemens (Германия) выпустила морозильники «Комфорт
плюс», которые в процессе эксплуатации потребляют на 50 % меньше электроэнергии, чем обычные модели.
Фирмой Electrolux (Швеция) созданы модели морозильников
TF 998S и TF 1158S полезным объемом 196 и 231 дм3 , в которых вследствие увеличения толщины теплоизоляции до 90 мм и
применения ротационных компрессоров суточный расход электроэнергии снижен до 1 и 1,1 кВт ∙ ч [55].
Оснащение морозильников суперизоляцией позволило увеличить время повышения температуры от –18 до –9 ◦ С (в неработающем состоянии) до 58 ч (у обычных моделей это время составляет
24 ч, у старых моделей, изолированных стекловолокном, — 12 ч).
Масса замораживаемых продуктов у морозильников с суперизоляцией составляет 27 кг/сут, у обычных — 23 кг/сут.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В японских холодильниках снижение расхода электроэнергии
достигается путем улучшения качества теплоизоляции. Снижение энергопотребления в японской бытовой холодильной технике
осуществляется также применением более совершенных компрессоров.
7. ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ
В КАЧЕСТВЕ ХЛАДАГЕНТОВ В БЫТОВЫХ
ХОЛОДИЛЬНЫХ ПРИБОРАХ
Углеводороды используют многие годы для получения промышленного холода. Углеводороды доступны, сравнительно дешевы. Преимуществом углеводородов является их совместимость
с производимыми в России минеральными маслами и традиционно используемыми в отечественной холодильной технике материалами. Углеводороды не боятся влаги, не создают потенциальной опасности коррозии. Высоки термодинамические и теплообменные характеристики углеводородов, особенно при фазовых
переходах. Для углеводородов характерны большая в сравнении с
фреонами текучесть и соответственно до 40. . . 50 % меньшее падение давления в трубопроводах и клапанах системы. Углеводороды
снижают трение.
Многие фирмы производят углеводороды и смеси для холодильной техники. Это марки: CARE 30 (пропан/изобутан), CARE 40
(пропан), НС 12А (пропан/н-бутан), НС 22А (пропан), ECOOL-PIB
(пропан/изобутан), ECOOL-PRO (пропан), CARE 50 (этан/пропан).
Углеводороды в настоящее время широко применяют в основном в
интервале температур –35. . . +6 ◦ С, т. е. в бытовых холодильниках,
чиллерах и коммерческих холодильных установках.
Углеводороды взрыво- и пожароопасны. Как видно из табл. 2,
пожароопасность углеводородов существенно выше, чем у аммиака и фреона R152a. Поэтому при использовании углеводородов
должно строго выполняться обязательное условие — при внезапной
утечке концентрация углеводородов в помещении не должна превышать нижнего предела горючести. По стандартам Британии (BS
4434), Германии (DIN 7003), США (ASHRAE 15) требования еще
более жесткие — концентрация не должна превышать 20. . . 25 %
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нижнего предела горючести. Эти стандарты основаны на ограничении количества хладагента, заправляемого в систему [56].
Стандарты на использование пожароопасных хладагентов в
разных странах существенно отличаются. Так, стандарты США и
Франции (ASHRAE 15 и NF Е 35-400 и 402) ограничивают применение хладагентов, имеющих высокую пожароопасность в промышленном холодильном оборудовании. Напротив, европейский стандарт prEN 378, Международный электротехнический союз (IEC
60335-2-24 и 60335-2-40) и несколько национальных европейских
стандартов: Британии (BS 4434), Германии (DIN 8975 и 7003) позволяют использовать в оборудовании углеводороды при обеспечении дополнительных мер, гарантирующих безопасность эксплуатации холодильной техники [57].
Таблица 2
Пожаро- и взрывоопасность хладагентов
Показатель
Пропан
R290
Изобутан Аммиак ДМЭ
R600a
R717 RE170
Дифторэтан
R152a
Предел горючести в смеси с воздухом, об. %:
нижний
2,1
1,3
15,0
3,4
3,9
верхний
9,5
8,5
28,0
18
16,9
466
455
651
350
–
0,68
–
0,22
Температура
пламенения
самовос-
Энергия воспламенения,
2,5 ∙ 10−4 2,5 ∙ 10−4
Дж
В ряде зарубежных стандартов разрешено без ограничений использовать углеводороды при выполнении следующих условий: количество заправляемого хладагента не должно превышать 0,15 кг,
система должна быть герметична (все соединения — паяные или
сварные), а оборудование спроектировано так, чтобы предотвратить случайные утечки в холодильную камеру [58]. Таким образом, в соответствии с этими стандартами разрешается применять
углеводороды в бытовых холодильниках и морозильниках, а также в малых тепловых насосах. Масса хладагента, заправляемого
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в бытовые холодильники и морозильники, незначительна, и наблюдается тенденция к ее уменьшению. Так, количество изобутана, заправляемого в современный бытовой холодильник объемом
130 л, составляет около 20 г, из которых примерно 12 г растворено в компрессорном масле [59]. Для сравнения можно отметить,
что созданный в начале 1930-х годов первый бытовой холодильник
аналогичного объема содержал 250 г пропана [59].
Существуют данные [60] об исследовании четырех различных
смесей пропана и бутана для оценки их способности заменить
R12 в бытовом холодильном оборудовании. Смесь, содержащая
50 % пропана, 38,3 % бутана и 11,7 % изобутана оказалась самой подходящей среди изучаемых углеводородных смесей. Холодильник с предложенными альтернативными хладагентами работал удовлетворительно и не нуждался в какой-либо доработке или
регулировке. Авторы работы [61] показали, что в домашнем холодильнике эффективно применение нефтяного газа. При заправке холодильника 80 г этого хладагента удельное энергопотребление ниже, чем показатели холодильников на R12. Авторы работы [62] показали, что характеристики цикла при работе на смеси
пропан/бутан/R134а превысили соответствующие характеристики
при работе холодильника на хладагенте R12; при этом система
не нуждается в дополнительном расходе смазывающих средств.
В [63] отмечено, что смесь пропан/изобутан — перспективный вариант для замены R12 и R134a с точки зрения экономии энергии,
к тому же требующий минимальных доработок в существующих
сейчас холодильниках.
Противопожарные меры для всех элементов оборудования обязательны, и это увеличивает стоимость холодильной системы: применение углеводородов связано с необходимостью реконструкции
технологических линий, изменений в конструкциях бытовой холодильной техники, использования электрооборудования во взрывобезопасном исполнении. Повышение стоимости оборудования в
углеводородной установке может составить 30 %, не считая более
высокой страховки.
Таким образом, применение углеводородов постепенно расширяется. Бытовых холодильников и морозильников на углеводородах произведено более 10 млн штук (90 % в Германии и 25 %
в Европе от общего числа выпускаемых приборов бытовой хо38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лодильной техники [57]). Даже для эколого-термоэкономического
анализа в работе [64] был взят серийный немецкий бытовой холодильник на изобутане, потребляющий в сутки 1,19 кВт ∙ ч электроэнергии при полезном объеме 425 л. Компрессоры на изобутане
дороже фреоновых в 2,5 раза, однако, принимая во внимание высокую эффективность цикла, фирмы считают возможным окупить
затраты за два года.
С выходом в России ГОСТ Р МЭК 66035-2-24–2001 разрешается использование в бытовой холодильной технике углеводородов
при массе заправки до 150 г. Одним из наиболее перспективных
углеводородов является ДМЭ. Преимуществом является возможность использования в цикле на ДМЭ герметичных компрессоров, конденсаторов и испарителей, рассчитанных для работы на
R12 [22].
Однако высокая упругость паров ДМЭ, широкие диапазоны
концентраций ДМЭ, дающих горючую смесь с воздухом, и низкая температура воспламенения (см. табл. 2) делают обеспечение
пожаро- и взрывобезопасности систем с ДМЭ даже более актуальной задачей, чем при использовании других углеводородов. Диметиловый эфир используют в Словении и Австралии [56]. Возможно
его применение в транспортных холодильных установках [19—21],
однако данных об использовании ДМЭ в качестве хладагента для
бытовой холодильной техники нет. Идея применения ДМЭ в качестве топлива-хладагента получила всестороннюю поддержку в
правительстве Москвы и у мэра Ю.М. Лужкова. Было выпущено
постановление правительства Москвы, регламентирующее перевод
части городского малотоннажного грузового транспорта на ДМЭ.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛИТЕРАТУРА
1. Педерсен Т. Статус хладагентов – краткая сводка // Danfoss.
1996. № 3. С. 14–15.
2. Перспективы развития производства озонобезопасных хладонов на Кирово-Чепецком химическом комбинате / Н.С. Верещагина,
А.Н. Голубев, В.Ю. Захаров и др. // Холодильное дело. 1998. № 2.
С. 4–5.
3. Альтернативный хладагент С 10М для ретрофита холодильного оборудования, работающего на R12 / В.С. Зотиков, В.А. Сараев,
В.И. Самойленко и др. // Холодильная техника. 1999. № 2. С. 6–9.
4. Калнинь И.М., Смыслов В.И., Фадеков К.Н. Оценка перспектив
применения экологически безопасных хладагентов в бытовой холодильной технике / Холодильная техника. 2001. № 12. С. 4–8.
5. Цветков О.Б., Лаптев Ю.А. Углеводороды – перспективы и реалии / Холодильный бизнес. 2002. № 3. С. 8–9.
6. ГОСТ Р МЭК 60335-2-24–2001. Безопасность бытовых и аналогичных электрических приборов. Дополнительные требования к
холодильным приборам, мороженицам и устройствам для производства льда. 2-е изд. М.: Изд-во стандартов. 2002. 20 с.
7. Фадеков К.Н. Применение смесевых зеотропных хладагентов
для повышения энергетической эффективности бытовых холодильников: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд.
техн. наук. М., 2002. 18 с.
8. ГОСТ Р 5165–2000. Приборы холодильные электрические бытовые: Эффективность энергопотребления. Методы определения. –
Введен с 01.01.2000. М.: Изд-во стандартов, 2000. 5 с.
9. Бабакин Б.С., Стефанчук В.И., Ковтунов Е.Е. Альтернативные
хладагенты и сервис холодильных систем на их основе: Справочное
руководство. М.: Колос, 2000. 160 с.
10. Хаттатов В.У. Ни реабилитировать, ни помиловать хладоны
нельзя // Холодильный бизнес. 2001. № 3, 4. С. 4–5.
11. Абдульманов Х.А. О реабилитации фреона-12 // Холодильный
бизнес. 2001. № 2. С. 4–5.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12. Кириллин В.А., Шейндлин А.Е., Шпильрайн Э.Э. Термодинамика растворов. М.: Энергия, 1980. 290 с.
13. Температурные режимы калориметрических испытаний малых герметичных холодильных компрессоров / И.А. Афанасьева,
И.М. Калнинь, В.И. Смыслов и др. // Холодильная техника. 2002.
№ 2. С. 8–12.
14. Боярский М.Р., Лунин А.И., Могорычный В.И. Характеристики
криогенных систем при работе на смесях. М.: Изд-во МЭИ, 1990.
87 с.
15. Бабакин Б.С. Хладагенты, масла, сервис холодильных систем:
Монография. Рязань: Узорочье. 2003. 470 с.
16. Промышленные фторорганические продукты: Справочное издание / Б.Н. Максимов, В.Г. Барабанов, И.Л. Серушкин и др. Изд.
2-е, пер. и доп. СПб.: Химия, 1996. 544 с.
17. ASEREP fur EXCEL (Demo). Version 1.3c. Programmbeschreibung. Institut fur Luft- und Kaltetechnik, Dresden. 1999.
18. Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история
холода). М.: Энергоатомиздат, 1995. 336 с.
19. Жердев А.А., Глухов С.Д., Богаченко В.Н. Диметиловый эфир –
топливо и хладагент для дизельных авторефрижераторов // Вестник
МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Машиностроение». Специальный
выпуск. 2000. С. 182–185.
20. Поляков А.В. Применение диметилового эфира в качестве рабочего тела холодильных установок дизельных авторефрижераторов:
Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн.
наук. М, 2001. 19 с.
21. Жердев А.А. Разработка и исследование холодильных установок с использованием в качестве рабочих тел экологически безопасных топлив: Автореферат диссертации на соискание ученой степени
д-ра техн. наук. М., 2003. 35 с.
22. Жердев А.А., Глухов С.Д., Шарабурин А.В. Диметиловый эфир –
рабочее тело холодильных машин // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Серия «Машиностроение». Специальный выпуск. 2002. С. 55–62.
23. Коптелов К.А. Альтернативные смесевые хладагенты // Холодильный бизнес. 1999. № 5. С. 6–7.
24. Патент № 2088629 С 1 РФ. Рабочая смесь для холодильных
машин / В.Г. Барабанов, А.Ю. Беляев, С.Д. Егоров и др. // Б.И. 1997.
№ 24.
25. Беляев А.Ю., Егоров С.Д. Озонобезопасная смесь С 1 – альтернатива хладагенту R12 // Холодильное дело. 1997. № 6. С. 11–13.
26. Патент № 2072382 С 1 РФ. Озонобезопасная рабочая смесь /
О.Н. Подчерняев, А.И. Лунин, М.Ю. Боярский и др. // Б.И. 1997. № 3.
27. Патент № 2073058 С 1 РФ. Озонобезопасная рабочая смесь /
О.Н. Подчерняев, А.И. Лунин, М.Ю. Боярский и др. // Б.И. 1997. № 4.
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
28. А.С. SU 1781279 А1. Рабочая смесь для холодильных машин /
Е.Г. Савельев, А.А. Никонов, М.Ю. Боярский и др.// Б.И. 1992. № 46.
29. Патент № 2119937 С 1 РФ. Хладагентная композиция, способ
охлаждения / Б.В. Юдин, Р. Стивенсон, М.Ю. Боярский и др. // Б.И.
1998. № 28.
30. Патент № 2072486 С 1 РФ. Рабочий агент для холодильной
установки / А.М. Архаров, А.С. Нуждин, С.Д. Глухов и др. // Б.И.
1997. № 1.
31. Патент № 2057779 С 1 РФ. Рабочая смесь для холодильных
машин / И.М. Мазурин // Б.И. 1996. № 10.
32. Патент № 2117025 С 1 РФ. Композиция хладагента / В.Г. Барабанов, А.Ю. Беляев, В.С. Зотиков и др. // Б.И. 1998. № 22.
33. Патент № 2135541 С 1 РФ. Композиция хладагента / В.Г. Барабанов, В.С. Зотиков, Б.Н. Максимов и др. // Б.И. 1999. № 24.
34. Патент № 2140431 С 1 РФ. Композиция хладагента / В.Г. Барабанов, В.С. Зотиков, В.А. Сараев и др. // Б.И. 1999. № 30.
35. Патент № 2161637 С 2 РФ. Композиция хладагента (варианты) / В.М. Андрюшин, А.Ю. Беляев, В.С. Зотиков и др. // Б.И. 2001.
№ 1.
36. Патент № 2177491 С 2 РФ. Композиция хладагента для железнодорожного холодильного оборудования / С.Н. Науменко, В.И. Панферов, А.Ю. Беляев и др. // Б.И. 2001. № 36.
37. Патент № 2098441 С 1 РФ. Композиция хладагента / В.Г. Барабанов, А.Ю. Беляев, В.С. Зотиков и др. // Б.И. 1997. № 37.
38. Альтернативный хладагент С 10М для ретрофита холодильного оборудования, работающего на R12 / В.С. Зотиков, В.А. Сараев,
В.И. Самoйленко и др. // Холодильная техника. 1999. № 2. С. 6–7.
39. Букин В.Г., Кузьмин А.Ю. Экспериментальное исследование
малых холодильных машин на смеси R22/R142b // Холодильная техника. 1996. № 5. С. 12–13.
40. Букин В.Г. Закономерности теплообмена при конденсации и
кипении неазеотропных смесей холодильных агентов: Автореферат
диссертации на соискание ученой степени д-ра техн. наук. СПб.,
1998. 35 с.
41. Букин В.Г., Шуршев В.Ф., Данилова Г.Н. Экспериментальное
исследование теплообмена при кипении смеси R22/R142b в испарителе холодильной машины // Холодильная техника. № 3. 1996.
С. 10–11.
42. Сопоставление энергетических и эксплуатационных характеристик холодильной машины МХВ-4-1-2, работающей на R12 и смеси R22/R142b / В.И. Соломин, В.А. Мельников, Ю.Н. Алексеев
и др. // Холодильная техника. 1999. № 2. С. 10–11.
43. Патент № 2013431 С 1 РФ. Композиция хладагента / Такемаса К. // Б.И. 1994. № 10.
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
44. A.C. SU 1022979 А1. Холодильный агент / Г.Э. Одишария,
Н.И. Изотов, Ю.Г. Мутовин и др. // Б.И. 1977. № 22.
45. Патент № 2022339 С 1 РФ. Азеотропоподобная композиция /
Ф.Л. Бартлетт, Дж.Э. Криззо, В.М. Феликс и др. // Б.И. 1994. № 9.
46. Патент № 2090588 С 1 РФ. Невоспламеняющаяся охлаждающая композиция для холодильных устройств / С.Ф. Пирсон // Б.И.
1997. № 26.
47. Патент № 2092515 С 1 РФ. Озонобезопасная рабочая смесь для
холодильных машин / И.М. Мазурин, А.Я. Столяровский, А.С. Доронин и др. // Б.И. 1997. № 28.
48. Патент № 2095390 С 1 РФ. Рабочая смесь для рефрижераторных систем и тепловых насосов / О.Н. Подчерняев, А.И. Лунин,
М.Ю. Боярский и др. // Б.И. 1997. № 31.
49. Патент № 21409955 С 1 РФ. Композиция, содержащая фторидоуглерод (варианты), способ применения хладагента / Дж. С. Нимиц, Л.Х. Лэнкфорд // Б.И. 1999. № 31.
50. Патент № 2109789 С 1 РФ. Рабочая смесь для рефрижераторных систем / О.Н. Подчерняев, А.И. Лунин, М.Ю. Боярский и др. //
Б.И. 1998. № 12.
51. Патент № 2121488 С 1 РФ. Бинарная композиция / В.Ф. Антипенок, Н.С. Верещагина, А.Н. Голубев и др. // Б.И. 1997. № 4.
52. Патент № 2182819 С 2 РФ. Бинарная композиция хладагента /
В.Ф. Антипенок, Н.С. Верещагина, А.Н. Голубев и др. // Б.И. 2002.
№ 15.
53. Патент № 2184133 С 2 РФ. Композиция хладагента / В.В. Азатян, О.В. Васина, И.А. Болодьян и др. // Б.И. 2002. № 18.
54. Патент № 2024569 С 1 РФ. Холодильный агент / Н.Д. Захаров,
Н.Н. Сурьянинова // Б.И. 1994. № 23.
55. Бабакин Б.С, Выгодин В.А. Бытовые холодильники и морозильники/ 2-е изд., испр. и доп.. М.: Колос, 2000. 656 с.
56. Цветков О.Б. Природные холодильные агенты – углеводороды // Холодильная техника. 2002. № 7. С. 10–13.
57. Железный В.П., Хлиева О.Я., Быковец Н.П. Перспективы и проблемы применения углеводородов в качестве хладагентов // Холодильная техника. 2002. № 7. С. 14–16.
58. Granryd E. Hydrocarbons as refrigerant – an overview // Int. J.
Refrig. 2001. Vol. 24. P. 103–112.
59. Steimle F. HCFS’s and HFC’s Perspective // Proc. IIR Conference
«Refrigerant Management and Destruction Technologies of CFC». –
Dubrovnik (Croatia). 2001. 254 p.
60. Hammad M.A., Fessad M.A. The Use of Hydrocarbon Mixtures as
Refrigerant in Domestic Refrigerators // Appl. Therm. Eng. 1999. Vol. 19.
P. 1181–1189.
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
61. Akash B.A., Said S.A. Assessment of LPG as a Possible Alternative
to R12 in Domestic Refrigerators // Energy Conv. Manag. 2003. Vol. 44.
P. 381–388.
62. Tashtoush В., Tanat M. and Shudeifat M.A. Experimental Study of
New Refrigerant Mixtures to Replace R12 in Domestic Refrigerators //
Appl. Therm. Eng. 2002. Vol. 22. P. 495–506.
63. Jung D., Kim C.B., Song K., Park B. Testing of Propane/isobutane
Mixtures Domestic Refrigerators // Int. J. Refrig. 2000. Vol. 23. P. 517–
527.
64. Железный В.П., Хлиева О.Я., Быковец Н.П. Оценка перспектив
применения изобутана в бытовой холодильной технике с помощью
эколого-термоэкономического метода // Холодильная техника. 2001.
№ 9. С. 11–13.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1. История вопроса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. Основные требования к новым хладагентам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3. Особенности термодинамических свойств смесей-хладагентов . .
4. Перспективы применения альтернативных хладагентов . . . . . . . . .
5. Альтернативные хладагенты, предназначенные
для замены R12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1. Хладагенты – чистые вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2. Многокомпонентные хладагенты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6. Энергетические показатели компрессионных холодильников
и морозильников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7. Проблемы применения углеводородов в качестве хладагентов
в бытовых холодильных приборах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
6
13
14
19
22
23
28
32
36
40
Документ
Категория
Техника молодежи
Просмотров
154
Размер файла
282 Кб
Теги
холодильник, малыш, рабочий, веществ, машина
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа