R409A refrigerant (FORANE® FX56) for retrofit of refrigeration systems

Abstract

Basic thermophysical and operational properties of the refrigerant R409A designed for the retrofit of refrigeration systems with the replacement of R12 are described. It is shown that use of R409A instead of R12 won’t involve the necessity of change of refrigerating equipment. Cases of successful operation of refrigeration systems working on R409A after retrofit are described.

Full Text

В соответствии с Монреальским протоколом и последующими международными соглашениями во многих странах прекращено производство хладагентов группы хлорфторуглеродов (ХФУ). Компания “Атофина" (бывший концерн “Elf Atochem”) разработала широкий ассортимент хладагентов для замены в действующих холодильных системах хладагентов группы ХФУ.

Один из предлагаемых хладагентов - R409A (FORANE® FX56) предназначен для замены R12 и применяется в Европе с 1994 г.

Теплофизические и эксплуатационные свойства хладагентов R409A и R12 приведены в таблице. Компонентами R409A являются R22, R124 и R142b (массовая доля соответственно 60;25 и 15%). Хладагент R409A имеет низкий потенциал разрушения озона (ODP), равный 0,033, и незначительный потенциал глобального потепления (HGWP) относительно хладагента R11, равный 0,31.

Таблица

Свойства хладагентов	R12	R409A
Молекулярная масса, г/моль	120,9	97,4
Температура кипения при 1,013 бар, °С	-29,8	34,2
Температурный глайд при 1,013 бар. К	0	8,5
Плотность жидкости при 25 °С , кг/дм3	1,311	1,223
Плотность насыщенной жидкости при температуре кипения, кг/м3	6,33	4,94
Давление паров, бар:
при 25 °С	6,51	8,0
при 50 °С	12,2	15
Критическая температура, °С	112	107
Критическое давление, бар	41,1	46
Критическая плотность, кг/дм3	0,558	0,518
Скрытая теплота парообразования при температуре кипения. кДж/кг	165,1	221
Коэффициент теплопроводности при 25 °С:
жидкости, Вт/(м К)	0,071	0,081
пара при давлении 1,013 бар	0,0096	0,012
Поверхностное натяжение при 25 ‘С, мН•м-1	8,9	9,3
Растворимость при 25 °С, мас. %:
хладагента в воде при 1,013 бар	0,028	0,11
воды в хладагенте	0,009
Вязкость, при 25 °С, МПа•с:
жидкости	0,22	0,22
пара при давлении 1,013 бар	0,0125	0,0126
Удельная теплоемкость при 25 °С, кДж/(кг• К):
жидкости	1	1,25
пара при давлении 1,013 бар	0,606	0,703
Отношение удельных теплоемкостей С/С при 25 °С и давлении 1,013 бар	1,141	1,149
Горючесть паров на воздухе	Нет	Нет
Температура вспышки	»	»
Потенциал разрушения озона (ODP)	1	0,033
Потенциал глобального потепления (HGWP)	3,1	0,31

Рассмотрим более подробно свойства R409A в области рабочих температур, что облегчит специалистам сервисных служб выбор хладагента для ретрофита холодильных систем.

Зависимость давления паров R409A и R12 от температуры (рис. 1) показывает, что в области 0...-40 °С изменение давления паров незначительно. С повышением температуры до 90 °С оно не становится больше 20%. По оценке разработчиков хладагента, такое незначительное различие давлений R409A и R12 не требует замены оборудования при переходе с R12 на R409A.

Рис. 1. Зависимость давления паров R409A и R12 от температуры

Плотность насыщенной жидкости R409A в диапазоне рабочих температур от -40 до +90 °С ниже плотности насыщенной жидкости R12 (рис. 2), что при ретрофите R12 позволяет:

• заправлять в холодильную систему на 10...20% меньше хладагента R409A по сравнению с R12. В бытовой холодильной технике и торговом холодильном оборудовании, где в результате значительных эксплуатационных теплопритоков повышается тепловая нагрузка на компрессор, целесообразно уменьшать дозу заправки хладагента примерно на 20%, так как избыточное количество хладагента в системе приводит к повышению давления нагнетания. В крупных холодильных системах с централизованным холодоснабжением целесообразно уменьшать дозу заправки хладагента R409A по сравнению с R12 на 10%, так как теплопритоки по отношению к холодопроизводительности незначительны и благодаря инертности системы не могут заметно повлиять на ее работу;
• заправлять в емкости для хранения на 7% меньшее количество R409A по сравнению с R12, поэтому емкости, насосы и линии для перекачки R12 можно использовать и для R409A.

Рис. 2. 3ависимость плотности насыщенной жидкости R409А и R12 от температуры

Для хладагента R409A характерна большая гигроскопичность по сравнению с R12 (рис. 3). Поэтому при ретрофите следует учитывать тенденцию R409A активно поглощать влагу из воздуха. Например, перед заправкой хладагентом холодильной системы ее следует обязательно вакуумировать. При заправке жидкого хладагента из емкости для хранения в заправочный баллон необходимо предварительно продуть хладагентом заправочные шланги. При условии соблюдения соответствующих мер предосторожности нормальная работа холодильной системы не нарушается.

Рис. 3. Зависимость растворимости воды в R409A и R12 oт температуры

Удельная теплоемкость с_р насыщенного жидкого хладагента R409A выше, чем у жидкого R12. Это означает, что для охлаждения жидкого хладагента R409A перед поступлением его к дросселирующему органу потребуется большее количество энергии.

Коэффициент теплопроводности жидкого R409A в диапазоне рабочих температур в среднем на 14-22% выше, чему жидкого R12 (рис. 4). Это повышает эффективность теплообмена в аппаратах и приводит к снижению эксплуатационных затрат в холодильной системе.

Рис. 4. Зависимость коэффициента теплопроводности R409A и R12 от температуры

Изменение коэффициента кинематической вязкости R409A в рабочем диапазоне температур в среднем ниже, чем у R12, достигая 7%, а в диапазоне температур 0...40 °С значения коэффициента кинематической вязкости одинаковые, что позволяет поддерживать более низкую температуру на входе и выходе испарителя (конденсатора).

Поверхностное натяжение у R409A с понижением температуры возрастает по сравнению с той же характеристикой у R12 примерно до 8%, вследствие чего скорость потока жидкого хладагента в аппарате уменьшается в среднем на 13...20%.

При работе холодильной системы с хладоносителем холодопроизводительность на R409A в целом выше, чем на R12, а с повышением температуры, например, от -5 до +4 °С возрастает от 13 до 17% (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость холодопроизводительности компрессора от температуры хладоносителя на примере холодильной установки холодопроизводительностью Q₀ = 75 кВт

Потребляемая мощность также больше в среднем на 15%.

Холодильный коэффициент при температуре хладоносителя от -4 °С и выше возрастает при использовании R409A вместо R12 в среднем на 6%. Однако с понижением температуры хладоносителя он уменьшается и при -10 °С становится ниже, чем в случае применения R12, на 8%.

Температура на выходе из компрессора, работающего на 1409А, немного выше, чем на R12 (в среднем на 6... 12%), «то, по мнению ряда изготовителей компрессоров, несущественно и находится в допустимых пределах.

Хладагент R409A растворяется в минеральных и алкилбензольных маслах. Точка Р (рис. 6) на графиках взаимной растворимости жидких хладагентов и масел характеризует верхнюю (критическую) температуру растворимости t_p. Выше t_p хладагент и масло взаиморастворяются с образованием однородного раствора (зона полной растворимости). Ниже t_p, слева от левой ветви кривой и справа от правой, находятся зоны ограниченной растворимости. Зона нерастворимости (наличие двух фаз, не растворимых одна в другой) находится под кривой. Как следует из рис. 6, алкилбензольное масло следует применять в средне- и низкотемпературных установках при температуре кипения до -40 °С.

Рис. 6. Область растворимости R409A в маслах: а — алкилбензольных; б — минеральных; ξ - концентрация компонентов в %

Чтобы иметь представление о химической стабильности и поведении хладагента R409A при контакте с пластмассами и эластомерами, специалисты фирмы “Атофина” провести испытания в соответствии со стандартом NFT46013 при 25 °С в течение 15 сут. Испытания показали, что следует избегать применения R409A в сочетании с эластомерами VITON, NBR (нитрилбутадиеновый каучук) и HNBR (гидрированный нитрилбутадиеновый каучук), так как по отношению к данным эластомерам R409A более агрессивен, чем R12. С эластомерами “Неопрен” и хлорсульфированным полиэтиленом (HYPALON), а также с пластмассами РЕТ (полиэтилентерефталат) и PTFE (политетрафторэтилен) применять R409A можно.

По результатам испытаний хладагент R409A признан независимыми лабораториями (UL) практически негорючим.

Рассмотренные теплофизические и эксплуатационные характеристики хладагента R409A в рабочей области температур в большинстве случаев эквивалентны характеристикам хладагента R12. Хладагент R409A отвечает наиболее строгим требованиям, предъявляемым к рабочим веществам, и признан всеми крупными производителями холодильного оборудования как хладагент, предназначенный для ретрофита действующего холодильного оборудования (витрины супермаркетов, холодильные шкафы, бытовые холодильники, транспортные рефрижераторы, автоматы для охлаждения напитков).

Ретрофит включает восемь этапов.

Первый этап - запись параметров холодильной системы с R12(3Ta операция необходима для выбора рационального режима работы на новом хладагенте).

Второй этап - проверка системы на наличие утечек хладагента.

Третий этап - слив хладагента R12 из системы в сборник хладагента (баллон и др.) с помощью насоса, обеспечивающего откачку до остаточного давления 30...35 кПа.

Четвертый этап - замена сменных элементов системы (обязательна замена фильтров-осушителей и масла, если оно изменило свой состав, например, после выхода из строя электродвигателя герметичного компрессора).

Пятый этап - вакуумирование системы на стороне всасывания и нагнетания компрессора с помощью вакуумного насоса. При этой операции определяют дополнительные (возможные) места утечек хладагента.

Шестой этап - заполнение системы хладагентом R409A в количестве, не превышающем 85% количества слитого R12. Заправку следует выполнять хладагентом в жидкой фазе (во избежание изменения его состава в случае утечки из газовой фазы) в линию высокого давления при неработающем компрессоре до выравнивания давления в баллоне и в системе. Затем подсоединяют линию низкого давления, пускают компрессор и медленно освобождают баллон от оставшейся части жидкого хладагента. После слива жидкости из баллона медленно переводят холодильную систему в рабочее состояние (чтобы дать возможность хладагенту перейти в парообразное состояние до того, как он поступит в линию всасывания компрессора, и тем самым избежать гидравлического удара).

Седьмой этап - регулирование рабочих параметров и перегрева паров хладагента на входе в компрессор. На этом этапе, если система недозаправлена, постепенно добавляют хладагент (продолжая освобождать заправочный баллон) до тех пор, пока рабочие параметры не достигнут желаемых значений.

Восьмой этап - проверка работы системы, в том числе на наличие утечек хладагента, и ее маркировка с указанием массы и типа хладагента и масла.

Приведем примеры применения ретрофита с заменой R12 на R409A.

Фирма “Верко”, выпускающая широкий ассортимент торговых холодильных шкафов, выбрала R409A для замены R12. При испытаниях, например, холодильного шкафа объемом 1,3 м³, укомплектованного компрессором фирмы Aspera серии Т21134А, работающим на минеральном масле, количество R409A в системе составило 0,385 кг (вместо 0,435 кг R12), т.е. на 11% меньше. Скорость охлаждения объема шкафа повысилась с 0,37 до 0,53 °С/мин. Отмечена стабильная работа холодильной системы. В дальнейшем фирма “Верко” утвердила R409A в качестве основного для замены R12 в холодильных шкафах.

На международном научно-практическом семинаре “Сервис холодильной техники с использованием озонобезопасных хладагентов”, состоявшемся 14-16 марта 2002 г. в Ялте и организованном Министерством охраны окружающей среды Украины и ЧП "Днепротехбытсервис”, была продемонстрирована успешная работа бытового холодильника после ретрофита с заменой R12H3 R409A.