Prospects and problems of application of hydrocarbons as refrigerants

Full Text

Отсутствие научно обоснованных методов эколого-энергетического анализа и системы индикаторов для менеджмента в области охраны окружающей среды в значительной мере сдерживает технологический прогресс в холодильном машиностроении.

Учитывая ограниченные возможности термодинамических методов анализа эколого-энергетической эффективности применения пожароопасных хладагентов, авторы ряда работ [5, 6] предлагают проводить экономическую оценку перспектив использования углеводородов. Так, в работе [7] подчеркивается, что дальнейшее расширение области применения углеводородов в качестве хладагентов в значительной мере будет зависеть от экономической целесообразности перехода на пожароопасные рабочие вещества. В соответствии с [7] использование углеводородов экономически оправдано только в бытовых холодильниках и малых тепловых насосах.

В экономических методах анализа учитывают, как правило, только увеличение стоимости оборудования для обеспечения мер безопасности, но не проводят оценку экологических факторов применения углеводородов.

В других работах авторы [8, 9, 11] для анализа экологической целесообразности применения пожароопасных веществ предлагают рассчитывать полный эквивалент глобального потепления TEWI. Но при этом, как правило, не учитывают дополнительных энергозатрат на обеспечение мер пожаробезопасности.

Попытку расширить возможности экономических методов анализа можно найти в работе сопредседателя UNEP Кьюперса [10]. Предлагается при оценке перспектив применения пожароопасных хладагентов определять TEWI за весь жизненный цикл оборудования (lifecycle cost/TEWI analysis), что, по-видимому, послужит толчком к развитию современных методов анализа эколого-энергетической эффективности холодильного оборудования.

В настоящей работе авторы предлагают при оценке перспектив применения пожароопасных хладагентов использовать методику эколого-термоэкономического анализа [1, 3], которая является практической реализацией концепции (life-cycle cost/TEWI analysis). Основополагающий принцип эколого-термоэкономического анализа - полномасштабный учет эмиссии парниковых газов при производстве и эксплуатации холодильной техники, т. е. за полный жизненный цикл машины. Применительно к анализу холодильного оборудования полный эквивалент глобального потепления можно рассчитать по формуле

$TEW{I}_N=GW{P}_R{L}_{R}N+GW{P}_R{m}_R\times (1-\alpha )+GW{P}_{В.А}{М}_{В.А}+\beta EN+\sum _{i=1}^n\beta E_i$,

где GWP_R и GWP_в.a - потенциалы глобального потепления соответственно хладагента и вспенивающего агента, кг СО₂/кг;

L_R — утечка хладагента, кг/год;

N— время эксплуатации оборудования, год;

m_R — масса хладагента в установке, кг;

α — доля хладагента, утилизированного после окончания эксплуатации;

М_в.а — масса вспенивающего агента, кг;

ß — эмиссия СО₂ при производстве 1 кВт • ч электроэнергии, кг СО₂/(кВт • ч);

Е— годовые затраты электроэнергии на эксплуатацию оборудования, кВт-ч/год; Е, - дополнительные энергетические затраты на создание оборудования и обеспечение мер безопасной эксплуатации, кВт • ч.

При выполнении эколого-термоэкономического анализа рассчитывают удельные эколого-энергетические коэффициенты. Применять такие коэффициенты при выполнении эколого-энергетического анализа очень удобно, поскольку они не зависят от производительности системы (в отличие от TEWI_N). Эти коэффициенты чувствительны к изменению различных факторов, влияющих на TEWI_N, причем учитывают необратимые потери энергии при получении холода в холодильной установке.

Метод эколого-термоэкономического анализа позволяет принять во внимание такие факторы, как энергетическая эффективность применения того или иного хладагента, энергоемкость установки, пожароопасность и потенциал глобального потепления хладагента, качество эксплуатации холодильного оборудования. Полученные результаты отражают антропогенное влияние холодильной техники на природу.

Понятно, что при таком подходе результаты анализа будут зависеть не только от применяемого хладагента, но и от типа рассматриваемого оборудования. При значительном возрастании энергоемкости оборудования и повышении уровня потребляемых энергоресурсов вполне возможен результат, при котором ГФУ окажутся лучшей альтернативой [2, 10] при замене ХФУ и ГХФУ хладагентов.

Как показывают исследования, холодильное оборудование небольшой холодопроизводительности, в котором используют ГФУ (при непосредственном кипении хладагента и минимальных его утечках), может оказаться более предпочтительным по сравнению с оборудованием на углеводородах [2]. Причем эти выводы в полной мере согласуются с результатами экономического анализа, выполненного в рамках современных ГОСТов серии ISO 14, регулирующих выполнение анализа жизненного цикла продукции и услуг (ISO 14040.1997. Environmental Management — Life Cycle Assessment — Principles and Framework; ISO 14041. 1998. Environmental Management — Life Cycle Assessment — Goal and Scope Definitions and Inventory Analysis; 1SO/DIS 14042. 1998. Environmental Management — Life Cycle Assessment — Life Cycle Impact Assessment).

Продемонстрируем справедливость данного заключения на примере рассмотрения перспектив замены хладагента R22 на R290 и R600a в холодильной машине 2МВВЗ-2-2 производства ОАО «РЕФМА» в рамках экономического расчета за полный жизненный цикл оборудования и эколого-термоэкономического анализа [1, 3]. Поскольку исследование носит характер сравнительного анализа, расчеты проводили для среднетемпературного спецификационного режима: t₀=—15 °С, t_к=30 °С. Температура хладагента на входе в компрессор была принята равной 5 °С, перед дросселем 25 °С, температура окружающей среды 25 °С. Для расчета TEWI_N и эколого-термоэкономических показателей были приняты следующие исходные данные: время работы установки 10 лет, себестоимость оборудования около 1900 долл. США; стоимость электроэнергии примерно 0,04 долл. США; количество заправляемого хладагента 4 кг; GWP_R22=1900; уровень утечек хладагента для данного типа оборудования 10 %/год; утилизация хладагента после окончания срока службы оборудования не предусматривается.

На первом этапе исследования не учитывали необходимые изменения в конструкции оборудования при переходе на пожароопасные хладагенты. В холодильной машине 2МВВЗ-2-2 компрессор ІП10-2-02 сальниковый с регулируемой частотой вращения вала (от 6,33 до 24,1/с). Поэтому при выполнении расчетов частоту вращения вала компрессора и объемный расход хладагента при его работе на различных хладагентах подбирали из условий обеспечения одинаковой производительности холодильной машины (Q₀=2,3 кВт). В рамках перечисленных условий можно считан стоимость машины неизменной. Результаты расчетов приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Экономические и эколого-термоэкономические показатели холодильной машины 2МВВ3-2-2

Показатель	Хладагент
	R22	R290	R600a
q0, кДж/кг	168,9	291,9	276,1
la, кДж/ кг	38,4	67,5	61,6
εr	4,398	4,324	4,482
Nэ, кВт	1,13	1,14	1,12
εд	2,14	2,12	2,17
Nn, кВт	1,30	1,31	1,28
ΣП, кВт	0,984	0,986	0.972
ηэкс	0,129	0,135	0,129
ЗЖЦ, долл. США	5160	5194	5125
TEWIN, кг СО2	129142	114918	113211
TEWlp. кг СО2	79642	80458	78751
ΔTEWI э.п, кг СО2	15200	160	160
ΔTEWIЭ.K, кг СО2	34300	34300	34300
ΔTEWIР.ВНУТ, кг СО2	43746	41401	40767
ΔTEWIР.ВНЕШ, кг СО2	16595	19087	18859
ΔTEWIBСП, кг CO2	10388	10494	10272
TEWIQ, кг СО2	8912	9475	8853
tewi	14,491	12,129	12,788
δ	0,617	0,700	0,696
γ	0,112	0,118	0,112
φ	0,069	0,082	0,078

Примечание. q₀ - удельная холодопроизводительность, кДж/кг; l_п — удельная адиабатная работа сжатия, кДж/кг; ε_r - теоретический холодильный коэффициент; N_э - электрическая мощность, потребляемая холодильной машиной, кВт; ε_д - действительный холодильный коэффициент; N_п - полная мощность, потребляемая холодильной установкой (с учетом вспомогательного оборудования), кВт; ΣП - сумма эксергетических потерь в холодильной машине, кВт; η_экс - эксергетический КПД; ЗЖЦ - затраты за полный жизненный цикл, долл. США; TEWI_N- полный эквивалент глобального потепления, кг СО₂; TEWI_p - эмиссия СО₂, от рационально использованной энергии на производство холода, кг СО₂; TEWI_Q- эмиссия СО2, от части энергии, преобразованной в холод, кг СО₂; ΔTEWI_Р.ВНЕШ и ΔTEWI_Р.ВНУТ - косвенный вклад в TEWI_N ot внешней и внутренней необратимости процессов в холодильном оборудовании соответственно, кг СО₂; ΔTEWI_Э.П - прямой вклад в TEWI_N от эмиссии хладагента, кг СО₂; ΔTEWI_Э.К - косвенный вклад в TEWI_N от затрат энергии на получение конструкционных материалов, изготовление оборудования, обеспечение мер пожаробезопасности, кг СО₂; ΔTEWI_BСП - вклад в TEWI_N от эксплуатации вспомогательного оборудования (насосы, вентиляторы), кг СО₂; tewi - коэффициент приведенной эмиссии парниковых газов; γ - коэффициент соответственно прямого и косвенного экологического действия холодильной установки; φ - коэффициент эколого-термодинамического совершенства.

 

Как видно из табл. 1, определив целесообразность использования углеводородов, сравнивая величин) затрат на создание и эксплуатации оборудования, достаточно трудно в связи с незначительным отличием этой величины для разных хладагентов. Напротив, сравнение величины TEWI_N и эколого-термоэкономических коэффициентов свидетельствует о явных преимуществах, применения углеводородов. Такое отличие в полученных результатах связано прежде всего с тем, что экономические методы не могут учитывать таких экологических факторов, как эмиссия парниковых газов. Вместе с тем обоснование целесообразности применения углеводородов но результатам проведенного анализа представляется не вполне корректным, поскольку не были учтены все энергетические затраты на создание и эксплуатацию оборудования за его полный жизненный цикл. К сожалению, такая методическая ошибка совершается достаточно часто.

Поэтому на втором этапе исследования для учета мер, обеспечивающих пожаробезопасность при работе оборудования па углеводородах, проанализировали работу системы с промежуточным хладоносителем. При этом учитывали повышение стоимости оборудования на 30 %, снижение температуры кипения хладагента в испарителе на 5 °С, а также увеличение расхода электроэнергии машиной, связанное с работой насоса хладоносителя. По оценкам специалистов (с учетом энергозатрат на привод насоса хладоносителя), понижение температуры кипения на 1 °С приводит к увеличению потребляемой мощности в среднем на 5—7 % [4]. Результаты расчета, выполненные с учетом этих факторов, приведены в табл. 2.

 

Таблица 2. Экономические и эколого-термоэкономические показатели холодильной машины 2МВВ3-2-2 с учетом мер, связанных с использованием пожароопасных хладагентов

Показатель	Хладагент
	R22	R290	R600a
q0, кДж/кг	168,9	286,1	269,5
la, кДж/кг	38,4	76,6	69,4
εr	4,398	3,735	3,883
Nэ, кВт	1,13	1,26	1,23
εД	2,14	1,88	1,92
nп, кВт	1,30	1,77	1,72
ΣП, кВт	0,983	1,113	1,082
ηэкс	0,129	0,120	0,118
ЗЖЦ, долл. США	5160	6914	6777
TEWIN, кг СО2	129080	153316	149963
TEWIp, кг СО2	79580	108566	105213
ΔTEWI э.п, кг СО2	15200	160	160
ΔTEWI э.к, кг СО2	34300	44590	44590
ΔTEWIР.ВНУТ, кг СО2	43726	45534	44352
ΔTEWIР.ВНЕШ, кг СО2	16574	22718	21967
ΔTEWIВСП, кг СО2	10380	31019	30061
ΔTEWIQ, кг СО2	8901	9294	8833
tewi	14,502	16,496	16,978
δ	0,617	0,708	0,702
γ	0,112	0,086	0,084
φ	0,069	0,061	0,059

 

Как видно из табл. 2, при более полном учете экономических, энергетических и экологических факторов углеводороды, используемые как хладагенты в холодильной машине 2М ВВ3-2-2, уже не могут рассматриваться в качестве альтернативы R22. Такой результат связан с большим вкладом в величину ЗЖЦ и TEWI энергетических и экономических затрат на обеспечение пожаробезопасности. Результаты расчетов показывают, что увеличение TEWI_N для оборудования на пожароопасных хладагентах на 12,6 % обусловлено возрастанием энергопотребления холодильной системой, вызванным работой насоса для промежуточного хладоносителя. Приблизительно 6,8 % от значения TEWI_N приходится на увеличение энергоемкости оборудования. И приблизительно 5,5 % обусловлено повышением энергопотребления компрессором в связи с необходимостью снижения температуры в испарителе. Наглядно вклад различных факторов, связанных с обеспечением мер пожаробезопасности, в величину TEWI_N демонстрирует рисунок.

 

Рис. 1

 

Наибольший вклад в увеличение TEWI_N вносит энергопотребление насосом промежуточного хладоносителя (см. рисунок). Причем мощность, потребляемая насосом, будет зависеть от многих факторов, таких, как конструкция теплообменников, расход хладоносителя, гидравлические сопротивления и т. п. Поэтому имеются реальные возможности снижения уровня энергетических затрат на работу насоса хладоносителя.

К полученным результатам расчета по-прежнему необходимо относиться осторожно. Как уже было сказано выше, результаты подобных анализов всегда будут определяться типом рассматриваемого оборудования. Так, для оборудования крупной производительности, характеризующегося большим количеством заправляемого в него хладагента и очень значительными (до 30—35 %/год) его утечками, альтернативой может стать система с промежуточным хладоносителем, которая использует в качестве рабочего вещества углеводороды. Это можно объяснить, во-первых, существенным уменьшением прямого вклада в величину TEWI_N при переходе на углеводороды в качестве хладагента; во-вторых, относительно незначительным влиянием на TEWI_N повышения энергоемкости оборудования, связанного с обеспечением мер пожаробезопасности; в-третьих, высокой эффективностью применения углеводородов в холодильном оборудовании.

Оценивая перспективы применения углеводородов, в первую очередь отмечают их высокую по сравнению, например, с R22 термодинамическую эффективность. Вместе с тем из результатов расчета, приведенных в табл. 1 видно, что уровни потребляемой мощности дня холодильной машины 2МВВ3-2-2 при использовании хладагентов R22 и R600a близки. Потребляемая мощность оборудования на R290 даже ниже, чем на R22. Следовательно, переводить холодильную машину 2МВВ3-2-2 на углеводороды при выбранном для данной машины температурном режиме нецелесообразно. Этот вывод нельзя распространять на другие режимы работы оборудования. Кроме того, применение регенеративного теплообменника в машинах, использующих углеводороды, также может повлиять на заключение о целесообразности применения последних.

Многие предприятия холодильного машиностроения (в частности, ОАО «РЕФМА») выпускают оборудование для охлаждения промежуточного хладоносителя, работающего на ГХФУ или ГФУ. Перевод этого оборудования на углеводороды представляется практически полезным, поскольку затраты на обеспечение пожаробезопасности будут минимальными.

Для подтверждения этого вывода рассмотрим целесообразность применения углеводородов в холодильной машине МВТ20-2-0, которая предназначена для охлаждения воды, используемой в качестве промежуточного хладоносителя. В настоящее время данная машина работает на R22. Расчеты проводили при тех же исходных условиях, что и для машины 2МВВЗ-2-2, за исключением следующих показателей: себестоимость оборудования -3700 долл. США, количество заправляемого хладагента 25 кг.

В холодильной машине установлен полугерметичный (бессальниковый) компрессор 5ПБ14 с постоянной частотой вращения вала. При переводе машины на изобутан для обеспечения требуемой холодопроизводительности Q) и с целью соблюдения условий сопоставимости необходимо использовать компрессор с большим объемным расходов, например, 5ПБ50. В рамках указанных изменений стоимость машины МВТ20-2-0 изменится незначительно. Результаты выполненных расчетов приведены в табл. 3.

 

Таблица 3. Экономические и эколого-термоэкономические показатели холодильной машины МВТ20-2-0

Показатель	Хладагент
	R22	R290	R600a
q0, кДж/кг	168,9	291,9	276,1
/a, кДж/кг	38,4	67,5	61,6
εr	4,398	4,324	4,482
Q0, кВт	16,10	14,33	14,02
Nэ, кВт	5,34	4,89	5,86
εд	3,17	3,08	2,52
Nп, кВт	7,47	6,85	8,20
ΣП, кВт	4,321	3,929	4,975
ηэкс	0,191	0,197	0,150
ЗЖЦ, долл. США	22346	20787	24150
TEWIN, кг СО2	619441	487112	569792
TEWIp, кг СО2	458291	419962	502642
ΔTEWIЭ.П. кг СО2	95000	1000	1000
ΔTEWIЭ.К., кг СО2	66150	66150	66150
ΔTEWIР.ВНУТ, кг СО2	148814	121958	190129
ΔTEWIР.ВНЕШ кг СО2	116157	118962	114945
ΔTEWIВСП кг СО2	130940	119989	143612
TEWIQ, кг СО2	62380	59053	53956
tewi	9,930	8,249	10,560
δ	0,740	0,862	0,882
γ	0,136	0,141	0,107
φ	0,101	0,121	0,095

 

Заключение о целесообразности применения углеводородов в оборудовании различной холодопроизводительности с использованием экстенсивных величин TEWI_N ЗЖЦ не может быть корректным. В данном случае значительно большую информацию несут предложенные в работе [1, 3] эколого-термоэкономические коэффициенты, сравнение которых показывает, что перевод холодильной машины МВТ20-2-0 на пропан можно считать практически полезным. Машина на изобутане, несмотря на достаточно высокий теоретический холодильный коэффициент, все же уступает по эколого-термоэкономическим характеристикам оборудованию на R22.

В связи с изложенным можно прийти к заключению, что на оценку целесообразности применения углеводородов в холодильном оборудовании определяющим образом влияют различные термодинамические, экономические, энергетические и экологические факторы. Научно обоснованное заключение о перспективах применения углеводородов в холодильном оборудовании можно сделать только в рамках современных методов эколого-энергетического анализа. Благодаря тому что ГФУ обладают уникальным сочетанием безопасности, химической инертности и ценных термодинамических свойств, они и впредь будут востребованы для создания холодильных систем с высоким энергетическим КПД. Тем не менее количество оборудования, использующего в качестве хладагентов углеводороды, будет в дальнейшем увеличиваться.

About the authors

V. P. Zhelezny

Odessa State Academy of Refrigeration

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

Candidate of Technical Sciences, Professor, Academician of the International Academy of Refrigeration

Ukraine, Odessa

O. Ya. Khlieva

Odessa State Academy of Refrigeration

Email: info@eco-vector.com
Ukraine, Odessa

N. P. Bykovets

Odessa State Academy of Refrigeration

Email: info@eco-vector.com
Ukraine, Odessa

References

Supplementary files