Choice of hydrocarbons as refrigerants
- Authors: Belyaeva O.V.1, Grebenkov A.Z.1, Timofeev B.D.1
-
Affiliations:
- Institute of Energy of the National Academy of Sciences of Belarus
- Issue: Vol 91, No 7 (2002)
- Pages: 17-18
- Section: Articles
- URL: https://freezetech.ru/0023-124X/article/view/105752
- DOI: https://doi.org/10.17816/RF105752
- ID: 105752
Cite item
Full Text
Abstract
For the substitutes of R12 and R22 refrigerants the basic thermodynamic characteristics and calculated parameters of an ideal refrigeration cycle are given at the temperatures of -10 C and 30 °С for boiling and condensation, accordingly. For some compressors the data reported by manufacturers are analyzed and compared with the values of refrigerating factor evaluated for an ideal refrigeration cycle.
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. tн.к - температура кипения хладагента при нормальном атмосферном давлении; tкр и ркр - 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, tк=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, tк=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; πк – степень повышения давления хладагента в компрессоре; ρ1 - плотность хладагента на входе в компрессор: q1 и qv — удельная массовая и объемная холодопроизводительность идеального термодинамического никла; / — удельная адиабатная работа на сжатие пара хладагента в компрессоре; εид - 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 εид/ε≈0,65. Для компрессоров БелОМО (ХГВ-9,0) и Ярославского АО "Холодмаш" ε/εид≈0,41, а для компрессоров фирмы "Атлант’" ε/εид≈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 tк - температура кипения и конденсации соответственно; Q0 - холодопроизводительность; L — адиабатная работа на сжатие пара в компрессоре; ε и εид — 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, MinskA. Zh. Grebenkov
Institute of Energy of the National Academy of Sciences of Belarus
Email: info@eco-vector.com
PhD in Engineering
Belarus, MinskB. D. Timofeev
Institute of Energy of the National Academy of Sciences of Belarus
Email: info@eco-vector.com
D. in Engineering, Professor
Belarus, Minsk