Choice of hydrocarbons as refrigerants

Full Text

Обусловленная решениями Монреальского протокола необходимость замены R12 в действующем и новом холодильном оборудовании на временные альтернативные смесевые и чистые озонобезопасные хладагенты привела к появлению большого количества различных хладагентов, позволяющих решить поставленную задачу. Вместе с тем, как показывают результаты теоретических расчетов и практика, технические характеристики холодильного оборудования после ретрофита ухудшаются и возрастают эксплуатационные расходы.

Для относительной оценки эффективности холодильного цикла авторами были рассмотрены хладагенты, наиболее часто рекомендуемые в проспектах западных фирм и заводов-изготовителей в странах СНГ.

Основные термодинамические характеристики анализируемых хладагентов приведены в табл. 1. Взамен R12 и R22, значения ODP (относительная величина озоноразрушающего потенциала) которых меньше единицы, предложены смесевые хладагенты производства западных фирм и заводов России. Для ретрофита холодильного оборудования, работающего на R12, представляют практический интерес смесевые хладагенты с небольшой величиной глайда и совместимые с минеральным маслом. Менее предпочтительны хладагенты, в сочетании с которыми требуется использовать алкилбензольное или полиэфирное масла. Практически все смесевые хладагенты, за исключением "Экохола-2" и R227ea, имеют молекулярную массу, меньшую, чем у R12. В результате этого удельная работа, затрачиваемая на сжатие смесевых хладагентов, будет больше.

 

Таблица 1. Основные термодинамические характеристики временных и постоянных заменителей R12 и R22 в холодильном компрессорном оборудовании

Хладагент	Компоненты	Состав, мас.%	Молек. масса, г/м ОЛЬ	tн.к,°С	tкр, °С	pкр, МПа	ODP	GWP	Холодильное масло
R12	CCI2F2	100	120,91	-29,8	111.8	4,12	0,9	8500	М
R134a	CH2F-CF3	100	102,03	-26,1	101,1	4,06	0,0	1300	ПЭ
R404A, (НР-62)	R125/R143a/Rl34a	44/52/4	97,60	-46,5	72,1	3,73	0,0	3850	ПЭ
R407C, (К1еа 66)	R32/RI25/RI34a	23/25/52	86,20	-43,6	87,3	4,82	0,0	1370	ПЭ
R507A, (AZ-50)	R125/R143a	50/50	98,36	-46,7	70,9	3.79	0,0	3900	ПЭ
R227ea. (Fm-200)	CF3-CHF-CF3	100	170,03	-18,3	103,5	2,95	0,0	3300	ПЭ
Cl OMI A, (MILE "В")	R22/R21/R142b	65/5/30	91,0	-35	117	5,0	0,05	1805	М
"Экохол-2"	RI42b/RC318	42/58	141,3	-14	128	3,27	0,04	4600	М
"Экохол-3"	R22/R142b/RC318	40/48/12	100	-33	117	4.5	0,05	2730	М
Смесь	R22/R600a	85/15	80.6	-41	109.1	4,7	0,04	1450	М
R152a	CH3-CHF2	100	60,05	-24	113,3	4,52	0,0	140	ПЭ
R600a (изобутан)	(CH3)2CH-CH2-CH3	100	58,12	-11,8	135	3,65	0,0		М
R1270(пропилен)	CH3CH=CH2	100	42,09	-47,7	92,4	4,62	0.0		М
RC270 (циклопропилен)	-CH2 - CH2 – CH2-	100	42.08	-33,5	125,2	5,58	0,0		М
R290 (пропан)	CH3 – CH2 – CH3	100	44	-42,1	96,8	4,25	0,0		М
R22	CHClF2	100	86,5	-40,8	96,2	4,99	0,05	1700	М
Смесь	R22/R142b	60/40	91,6	-35,3	НО	4,8	0,04	2000	М
CI	R152a/R600a	70/30	63,42	-30,0	120,4	4,04	0,0	98
Смесь	R290/R600a	50/50	50,15	-33,7	113,2	3,94	0,0		М
Смесь	R290/R600	60/40	48,7	-34,7	115,6	4,08	0,0		М
С10	R22/R21	50/50	94	-29,8	134,1	5,2	0,05	1800	М

Примечание. t_н.к - температура кипения хладагента при нормальном атмосферном давлении; t_кр и р_кр - критические температура и давление хладагента; ODP - величина озоноразрушающего потенциала относительно R11; GWP — относительная величина теплового потенциала галоидопроизводных хладагентов для 100-летнсго периода; М, ПЭ — тип холодильного масла на минеральной и полиэфирной основе соответственно.

 

Проведена оценка основных показателей хладагентов, поставляемых на рынок с гран СНГ, применение которых не ограничено Монреальским протоколом.

В табл. 2 даны основные параметры идеального холодильного термодинамического цикла при температурах кипения t₀= -10°С и конденсации, t_к=30°С. Как видно из табл. 2, холодильный коэффициент в идеальном _t термодинамическом цикле достаточно высокий - ε=5,3 ± 0,3. Это говорит о том, что на данных хладагентах могут быть созданы эффективные холодильные агрегаты.

 

Таблица 2. Параметры идеального холодильного цикла при характерных температурах: t₀=-10°C, t_к=30°C

Хладагент	M, г/ моль	p1, МПа	t2, °С	p2, МПа	πк	ρ1, кг/м3	q1, кДж/кг	qv, кДж/м3	l, кДж/кг	εид	Глайд, °С
R12	120,9	0,22	37,9	0,74	3,36	12,9	119	1535	22	5,41	0
R134a	102,0	0,20	35,4	0,77	3,85	9,92	154	1528	28	5,50	0
R404A	97,6	0,43	35	1,41	3.28	21,6	121	2614	24	5,04	0,7
R407C	86,2	0,32	43,3	1,17	3,66	13,6	174	2366	32	5,44	5,5
R507A	98,9	0,45	34,4	1,46	3,24	23,4	113	2644	23	4,91	0
R227ea	170,03	0,13	30,0	0,54	3,97	11,12	82,9	922	16,5	5,02	0
C10M1A (MILE "В")	91,0	0,19	48,3	0,74	3,89	8,35	182	1520	33	5,51	9
"Экохол-2"	141,3	0,13	30	0,50	3,85	8,96	105	941	20	5,25	0
"Экохол-З"	100	0,17	39,6	0,64	3,76	7,99	166	1326	29,6	5,61	9
0.85R22/0,15R600a	80,6	0,32	44,3	1,08	3,37	13,0	174	2262	32	5,44	2,2
RI 52а	66,0	0,18	44,4	0,69	3,83	5,85	247	1445	44	5,61	0
R600a	58,12	0,11	30	0,40	3,64	3,01	289	870	53	5,45	0
R1270	42,08	0,43	40,6	1,31	3,04	9,15	291	2664	54,7	5,32	0
RC270	42,08	0,25	49,4	0,83	3,35	5,04	363	1833	64,2	5,67	0
R290	44,1	0,35	35,2	1,08	3,12	7,64	284	2168	53,2	5,32	0
R22	86,5	0,35	51,8	1,19	3,40	15,2	167	2538	30,5	5,47	0
0,6R22/0,4R142b	91,6	0,19	56,3	0,92	4,74	8,60	168	1150	38,1	4,42	8,1
0,7R152a/0,3R600a	63,42	0,22	36,4	0,77	3,51	6,81	232	1577	42,1	5,5	0,5
0,5R290/0,5R600a	51,1	0,18	40,2	0,78	4,3	4,42	279	1231	62,5	4,30	7,2
0,6R290/0,4R600	48,7	0,15	47,1	0,80	5,2	3,57	294	1050	74,5	3,95	11,8
0,5R22/0,5R21	94	0,10	88,1	0,73	8,2	3,93	190	746	55,1	3,45	20

Примечание. М - молекулярная масса хладагента; р₁ — давление хладагента в испарителе на входе в компрессор; р₂ — давление хладагента на выходе из компрессора; t₂ – температура хладагента при адиабатическом сжатии на выходе из компрессора; π_к – степень повышения давления хладагента в компрессоре; ρ₁ - плотность хладагента на входе в компрессор: q₁ и q_v — удельная массовая и объемная холодопроизводительность идеального термодинамического никла; / — удельная адиабатная работа на сжатие пара хладагента в компрессоре; ε_ид - холодильный коэффициент идеального термодинамическою цикла; Глайд - температурный диапазон фазового перехода хладагента при постоянном давлении.

 

Для замены R12 в качестве временного решения предложены смесевые хладагенты с ODP больше 0: CIO М1 А, "Экохол-2", "Экохол-3", смесь 0.85R22/0,15R600a, применение которых не связано с необходимостью замены минерального масла в холодильном оборудовании. Если при использовании хладагентов R134а, С10МІА, "Экохол-3" и смеси 0,85R22/0,15R600a холодопроизводительность оборудования практически сохраняется, то при работе на смесевом хладагенте "Экохол-2" она уменьшается на 15—20%¹. Хладагент R134а, наиболее близкий по теплофизическим свойствам к R12, используют, как правило, в новом оборудовании в сочетании с полиэфирным холодильным маслом.

Для замены R22 предлагаются R404A, R407C и R507a. Хладагент R507a бинарный и азеотропный, а из хладагентов R404A и R407C предпочтителен R404A, имеющий меньшее значение глайда. При выборе хладагента необходимо учитывать особенности конструкции и условия эксплуатации холодильного оборудования. Смесевые хладагенты рекомендуются для холодильных агрегатов с герметичным компрессором.

При использовании углеводородов из-за более низкого значения их молекулярной массы требуется разработка нового компрессорного оборудования. Термодинамические характеристики углеводородов позволяют получить по сравнению с R12 и R22 более высокие значения холодильного коэффициента в идеальном холодильном термодинамическом цикле. Вместе с тем, учитывая пожаро- и взрывоопасность углеводородов, необходимо обеспечить специальные условия для надежной эксплуатации такого оборудования.

В табл. 3 приведены паспортные характеристики некоторых холодильных компрессоров, поставляемых на рынок зарубежными фирмами и заводами-изготовителями стран СНГ. Показано, что в современных холодильных компрессорах в основном применяются хладагенты R22, R134a, R404A, R407C и R507A. К паспортным характеристикам, приводимым в рекламных проспектах, необходимо относиться критически. Так, например, холодильный коэффициент компрессоров фирмы Danfoss типа МТ-18 превышает значение, соответствующее идеальному циклу, что вызывает вопрос: за счет чего получены такие показатели? Для остальных импортных компрессоров ε_ид/ε≈0,65. Для компрессоров БелОМО (ХГВ-9,0) и Ярославского АО "Холодмаш" ε/ε_ид≈0,41, а для компрессоров фирмы "Атлант’" ε/ε_ид≈0,57. Холодильные компрессоры, производимые в странах СНГ, имеют более низкие по сравнению с компрессорами зарубежных фирм холодильные коэффициенты. Поэтому необходимо провести исследования с целью определения параметров реального холодильного цикла и теплогидравлических характеристик холодильного оборудования. Это в конечном итоге позволит разработать и внедрить технические предложения по существенному повышению его эксплуатационных характеристик на предлагаемых хладагентах.

 

Таблица 3. Характеристики компрессоров холодильного оборудования

Тип компрессора	Хладагент	t0, °С	tк, °С	Q0, кВт	L, кВт	ε	εид
Danfoss, МТ-18	R22	-10	40	5.663	1,22	4,64	4,11
Danfoss, МТ-18	R407C	-10	40	5,763	1,11	5,19	3,93
Danfoss. МТ-18	R134a	-10	40	3,883	0,84	4,62	4,03
Bitzer. 2U-3,2Y	R134a	-10	40	5,920	2,20	2,69	4,03
Bitzer. 2DL-3,2Y	R407C	-10	40	5,550	2,27	2,42	5,44
Bitzer,2 EL-2,2	R22	-10	40	5,900	2,38	2,48	4,11
ВОСК, НА 4/310-4	R22	-10	30	16.8	4,3	3,90	5,45
ВОСК, НАХ 4/310-4	R134a	-10	30	10,5	3,2	3,28	5,43
ВОСК, НАХ 3/155-4	R404A	-10	30	9,27	2,6	3,56	5,04
ВОСК, НАХ 3/155-4	R507A	-10	30	9,27	2,6	3,56	4,91
БелОМО. ХГВ-9,0	R22	-10	30	6,52	3,0	2,17	5,45
Ярославское RGP12TB	R134a	-15	30	0,545	0,28	1,95	4,61
"Атлант", C-KM120H2	R134a	-23,3	54,4	0,122	0,107	1,14	2,01
Danfoss, NL7F	R134a	-10	55	0,292	0,226	1,29	2,00
Danfoss, SC10CL	R507A	10	45	0,750	0,485	1,55	2,59
Danfoss, SC12CL	R404A	-10	45	0,940	0,595	1,58	2,91

Примечание. t₀ и t_к - температура кипения и конденсации соответственно; Q₀ - холодопроизводительность; L — адиабатная работа на сжатие пара в компрессоре; ε и ε_ид — холодильный коэффициент соответственно действительный и в идеальном цикле.

 

Следует отметить пассивность рекламы хладагентов, производимых в России, которые могут достойно конкурировать с импортными хладагентами на рынке стран СНГ. Особое внимание изготовители отечественных хладагентов должны обратить на качество и цену, которые являются для потребителя определяющими при выборе продукции.

¹Сухомлинов И.Я., Головин М.В., Славуцкий Д.Л., Тимофеев БД., Беляева О.В. Использование отечественных смесей хладагентов для ретрофита холодильных машин с центробежными компрессорами // Холодильная техника. № 6/2001.

About the authors

O. V. Belyaeva

Institute of Energy of the National Academy of Sciences of Belarus

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com

PhD in Engineering

Belarus, Minsk

A. Zh. Grebenkov

Institute of Energy of the National Academy of Sciences of Belarus

Email: info@eco-vector.com

PhD in Engineering

Belarus, Minsk

B. D. Timofeev

Institute of Energy of the National Academy of Sciences of Belarus

Email: info@eco-vector.com

D. in Engineering, Professor

Belarus, Minsk

References

Supplementary files