Холод из углекислоты

Хладагенты нового поколения позволяют заметно улучшить характеристики холодильного и климатического оборудования
22.01.2019
Алексей Батырь

Согласно данным Международного института холода, на долю холодильной техники и систем кондиционирования воздуха приходится до 15% мирового потребления электроэнергии. Ясно, что поиск энергоэффективных решений в этих областях крайне актуален. Не менее важны вопросы безопасности и экологичности.

Важнейший элемент любой холодильной системы, определяющий её основные параметры, - это хладагент, т. е. вещество, используемое в термодинамическом цикле. Для успешного выполнения своих функций хладагент должен удовлетворять набору требований, которые можно разделить на группы:

  • термодинамические (высокие холодопроизводительность, теплопроводность и теплоёмкость);
  • физико-химические (низкая коррозийная активность и негорючесть);
  • физиологические (безвредность для человека);
  • экономические (низкая стоимость, доступность и распространённость);
  • экологические (озонобезопасность и низкий потенциал глобального потепления).

Найти хладагент, который бы идеально удовлетворял всем требованиям, практически невозможно, поэтому проектировщики систем холодоснабжения каждый раз выбирают вещества под конкретные условия работы и параметры оборудования.

Синтетические хладагенты

Фреоны (хладоны) - техническое название группы химических соединений на основе метана и этана. Эти безвредные для здоровья человека газы не имеют цвета и запаха, плохо растворимы в воде, невзрывоопасны и негорючи... одним словом, это идеальные хладагенты. Неудивительно, что изобретение первого фреона в 1928 г. подтолкнуло бурное развитие предприятий по производству холодильников и кондиционеров. Вещества групп ХФУ (хлорфторуглеводороды) и ГХФУ (гидрохлорфторуглеводороды) заняли доминирующее положение в сферах промышленного и коммерческого холода, полностью вытеснив использовавшиеся до них природные хладагенты (в том числе аммиак).

Но, как выяснилось позже, фреоны, не нанося прямого вреда здоровью человека, вредят ему косвенно, уничтожая озоновый слой Земли и содействуя всемирному потеплению. Учёные, которые выдвинули эту теорию, получили Нобелевскую премию, а опасные фреоны были запрещены Монреальским протоколом и последующими международными нормами.

На данный момент фреоны классифицируют, исходя из степени их экологической безопасности.

1. ХФУ характеризуются сильным воздействием на озоновый слой, поэтому фреоны R-11 и R-12, которые ранее широко использовались в бытовых холодильниках, запрещены к использованию.

2. ГХФУ истощают озоновый слой в небольшой степени, поэтому Киотским протоколом их производство и применение были ограничены, но не запрещены. К 2050 г. ожидается полный вывод ГХФУ из употребления. Сейчас ведётся поиск адекватной замены опасному R-22 - некогда основному хладагенту в промышленных холодильных установках.

3. Фторуглеводороды и гидрофторуглеводороды (ГФУ), которые не содержат хлора, имеют короткий срок жизни в атмосфере и не вредят озоновому слою. Сейчас эти фреоны (например, R-134а и R-404а) считаются заменителями запрещённых, проигрывая им, однако, по технологическим характеристикам и стоимости.

На данный момент в холодильном оборудовании применяются свыше 50 фреонов и смесей. Самым распространённым хладагентом, который позиционируется как основная замена запрещённому R-12, является хладон R-134а: он используется в бытовых и промышленных холодильниках, а также в системах кондиционирования воздуха. Этот бесцветный газ, хотя проигрывает по характеристикам R-12 и обходится дороже, безопасен для здоровья человека и окружающей среды. Однако при его использовании необходима проверка холодильной системы на утечку, т. к. при попадании внутрь воздуха могут образовываться горючие смеси.

Природные хладагенты

Такие естественные соединения, как аммиак, углеводороды (пропан и бутан), вода и диоксид углерода (СО2), которые до открытия фреонов были основными хладагентами в холодильной технике, сегодня снова возвращаются в промышленность.

Аммиак

Будучи эффективным и экологически безвредным хладагентом, аммиак представляет большую опасность для человеческого здоровья. Также он огнеопасен, при некоторых условиях - взрывоопасен. Аммиак широко используется при обеспечении холодом предприятий: аммиачные холодильные установки применяются в пищевой промышленности по всему миру. Как рабочая жидкость он циркулирует в средних и крупных тепловых насосах, применяется в складах низкотемпературного хранения и для получения ледяной воды. В менее мощных установках аммиак комбинируют с другими хладагентами: он работает вместе с СО2 в каскадных системах с полугерметичными и герметичными компрессорами, а также в жидкостных охладителях для кондиционирования воздуха.

Углеводороды

Обладая великолепными термодинамическими свойствами, углеводороды прекрасно выполняют роль хладагентов. По характеристикам углеводороды близки с опасными фреонами R-12 и R-22, что позволяет переориентировать промышленные холодильные машины на углеводороды. Сейчас бутан успешно применяется в домашних холодильниках и небольших промышленных установках, а пропан широко используется в транспортных рефрижераторах и огромных холодильниках на складах. Из-за горючести и легковоспламенимости углеводородов необходимы определённые изменения в конструкции оборудования и усиленные меры безопасности. Так, размеры пропанового компрессора должны быть больше, чем компрессора R-22 (при прочих равных), а заправленный пропаном тепловой насос рекомендуется размещать в отдельном помещении.

Вода

Благодаря комплексу термодинамических свойств вода является прекрасной рабочей жидкостью для высокотемпературных промышленных тепловых насосов. Она широко используется в открытых и полуоткрытых системах, но из-за низкой теплоёмкости для её использования в герметичных системах необходимо применение особо мощных турбокомпрессоров.

В сравнении со среднетемпературной холодильной камерой, которая работает на R-134a, холодильные агрегаты на воде демонстрируют приличный потенциал экономии энергии (до 25%). Поэтому сейчас в Европе работают над прототипами радиальных и осевых компрессоров, способных обслуживать работающее на воде холодильное оборудование.

Углекислота

Углекислый газ широко распространён в природе, очень дёшев, нетоксичен, негорюч, безопасен для окружающей среды. В области субкритических температур системы с СО2 превосходят по эффективности аналоги на фреонах, а системы со сверхкритическими параметрами CO2 пока технологически не отработаны и требуют оптимизации. Сейчас всё большую популярность приобретают каскадные установки, в нижнем контуре которых циркулирует СО2, а в верхнем - аммиак. Они применяются для оборудования холодильных складов, супермаркетов, предприятий пищевой промышленности и других объектов. Также предлагается использовать СО2 в тепловых насосах и бытовых холодильниках.

Популярные сегодня ГФУ-хладагенты обходятся в десятки раз дороже CO2. При этом разница в стоимости между природными и синтетическими хладагентами неуклонно растёт. При использовании дорогостоящих фреонов значительно повышаются затраты на первоначальную заправку холодильных установок и расходы на их последующее обслуживание. Кроме того, природные хладагенты остаются самыми доступными в разных регионах и странах мира.

Промышленная холодильная установка на углекислоте

Углекислый газ, как природное вещество, не влияет на озоновый слой Земли и создаёт минимальный парниковый эффект - в тысячи раз меньший, чем у распространённых сегодня ГФУ-хладагентов. Помимо всего прочего, опасные для окружающей среды рабочие вещества ограничены в использовании международными соглашениями и, в ряде случаев, национальными законодательствами.

Опыт производителей холодильного оборудования показывает, что традиционные установки с ГФУ-хладагентами по энергоэффективности уступают системам на диоксиде углерода - как в коммерческом, так и в промышленном холодоснабжении. Уникальный комплекс характеристик, таких, как низкая вязкость, высокие плотность и теплоотдача, позволяют повысить энергоэффективность холодильных систем на СО2, а также существенно снизить их массогабаритные характеристики.

Одно из ключевых требований в мире искусственного холода - это безопасность процессов и используемых технологий. В связи с этим предпочтительно использование нетоксичных и негорючих рабочих веществ. Взрывобезопасность и относительная нетоксичность диоксида углерода особенно привлекательны в крупных холодильных системах. Используя же современные оборудование и системы управления, можно упростить монтаж и эксплуатацию таких установок.

По мнению многих специалистов, сегодня СО2 является самой перспективной альтернативой традиционным хладагентам. Системы на СО2 уже прошли несколько этапов эволюции, в промышленности накоплен достаточный опыт использования установок с этим хладагентом. В России холодильные системы на диоксиде углерода уже не новинка, процесс их внедрения в торговле, складском хозяйстве и промышленности набирает обороты.

Источник: Энерговектор

Читайте другие наши материалы