Альтернативные хладагенты - стратегия выбора

Аннотация

Выбор хладагентов с желательным сочетанием таких свойств, как вклад в парниковый эффект, воспламеняемость, токсичность, термодинамическое поведение, производительность, является одним из важнейших этапов при модернизации холодильных систем на базе R12 на альтернативные хладагенты. Рассматриваются переходные смеси (ГХФУ) как альтернативы R12. Проводится многокритериальный анализ наиболее удачных заменителей для применения ХФУ-12. Обсуждаются преимущества FORANE FX56 (R409A) (лучшая эффективность, лучшая холодопроизводительность, совместимость с минеральным маслом).

Полный текст

Вывод из обращения в холодильной отрасли озоноразрушающих веществ ставит задачу выбора альтернативных хладагентов из представленных на мировом рынке. Множество критериев выбора (экологические и энергетические, экономические и эксплуатационные) не позволяет однозначно отдать предпочтение единственному кандидату, в связи с чем необходимо принимать решение, отражающее компромисс между вышеперечисленными критериями.

В настоящее время общепринято использовать в новом холодильном оборудовании озонобезопасный хладагент R134a в сочетании с синтетическим маслом. Однако в стационарном низкотемпературном (—23...—25 °С) торговом холодильном оборудовании применение R134a нецелесообразно из-за снижения холодопроизводительности. Кроме того, действующее холодильное оборудование на R12 работает на более дешевом минеральном масле, которое не удается полностью удалить из системы при замене на синтетическое, что приводит к значительным проблемам при эксплуатации. Поэтому применение процедуры «drop in», когда проводится только замена хладагента, предпочтительнее, чем ретрофит (retrofit), при котором замене подлежат и хладагент, и масло.

Для бытовой холодильной техники, фризеров, водоохладителей и т.п., где в основном используются герметичные и полугерметичные компрессоры, возможность избежать замены масла особенно актуальна. К сожалению, чистых озонобезопасных веществ, аналогичных по своим свойствам R134a, в природе не существует и поиск возможных альтернатив осуществляется в классе смесей, где базисным компонентом служит R22.

К настоящему времени вещества, использующие многокомпонентные системы, представлены на рынке стран СНГ такими переходными хладагентами, как R401А (МР39) — смесь R22/R152a/R124; R406A (GHG12) - смесь R22/R600a/R142b; R409A (FORANE FX56) - смесь R22/R124/ R142b и C10M - смесь R22/R21/ R142b. Перечисленные смеси содержат компоненты, включающие атомы хлора, и в долгосрочной перспективе (до 2030 г.) должны быть также выведены из обращения.

Для названных выше смесей был проведен многокритериальный анализ с целью отбора хладагентов для ретрофита холодильного оборудования, работающего на R12 при температурах кипения —25...+5 °С.

В качестве критериев отбора были выбраны следующие:

• экологические — потенциал глобального потепления (GWP) и потенциал разрушения озонового слоя (ODP), отражающие прямое воздействие хладагентов на окружающую среду;
• энергетические — холодопроизводительность (С_о) и холодильный коэффициент (СОР);
• экономический — цена хладагента;
• эксплуатационный — совместимость со смазочными маслами.

Все исследуемые вещества удовлетворяют строгим требованиям стандартов ASHRAE и западноевропейских стран по воспламеняемости и токсичности, поэтому эти критерии не были включены в многокритериальный анализ отбора хладагентов, проведенный ранее [2].

Локальные критерии, которые описывают степень близости между реальными показателями для альтернативных хладагентов и показателями для «идеального» вещества, выбирали для заданных температур конденсации (+35 °С) и кипения (-25...+5 °С), холодильного коэффициента, холодопроизводительности, отношений давлений конденсации/кипения и др.

Для формирования обобщенного векторного критерия использовали технику целевого программирования (метод идеальных точек). Оптимальное значение векторного критерия искали из условия минимума функции

$\stackrel{\rightharpoonup }{К =} \sum _{j=1}^N\left|1-K_j/K_j^0\right|$,

где $\overline{K}$ — обобщенный векторный критерий;

$K_j^0$ — идеальная точка (выбирается как наилучшее решение для j-го критерия K_j на множестве возможных решений для каждого из хладагентов в заданном классе веществ).

Вещество, для которого значение обобщенного векторного критерия оказывается минимальным, является компромиссным между противоречивыми критериями различной природы. Для определенности все задачи поиска экстремума сведены к задаче минимизации.

В качестве теоретической модели холодильной системы рассматривали одноступенчатый цикл парокомпрессионной холодильной машины, основные параметры которого рассчитывали по программе CoolPack Датского технологического института (www.et.du.dk/ CoolPack) для R401A, 406А и R409A. Экспериментальная верификация энергетических характеристик базировалась на сравнительном анализе работы водоохлаждающей машины мощностью 15 кВт с полугерметичным компрессором фирмы Copeland. В качестве хладагентов использовали R12, R401A, R409A. Свойства хладагента С10М отсутствовали в базе данных пакета CoolРаск, поэтому сопоставление доводили косвенно по ограничений информации, имеющейся в [1]. Сравнительный анализ осуществляли по трем критериям: экологическому, энергетическому и экономическому. Так как совместимость хладгентов с маслом не может быть выражена в численной форме, она рассматривалась как качественный показатель.

Результаты анализа показали, что сопоставляемые хладагенты в порядке предпочтительности ранжируются следующим образом:

• по экологическим критериям ODP и GWP R401А> R409А> R406A>С10М;

• по энергетическим критериям Q₀ и СОР R409A> R401А> R406A>C10М ;

• по экономическому критерию — существующим ценам на хладагенты С10М >R409A> R406A >R401A;
• по эксплуатационному критерию — совместимости хладагентов с маслами R409А> R406А> С10М > R401 А.

При эксплуатации холодильного оборудования в течение 10 лет прямой вклад хладагентов в разрушение озонового слоя в принципе практически одинаков для всех перечисленных веществ. Более дешевый С ЮМ при оценке жизненного никла (Life Cycle Assessment ) холодильного оборудования оказывается менее предпочтительным с экономической точки зрения, поскольку цена на электроэнергию возрастает с течением времени и энергетически неэффективный хладагент за достаточно большой промежуток времени становится экономически невыгодным для потребителя. Поэтому при выборе хладагента с учетом жизненного цикла изделия следует отдать предпочтение энергетическим и эксплуатационному критериям. С этой точки зрения R409A обнаруживает следующие преимущества: более высокую холодопроизводительность, более высокую энергетическую эффективность, уменьшение заправочной массы на 10—15% по сравнению с R12, а также совместимость с минеральными маслами, что позволяет реализовать процедуру «drop in».

Указанные преимущества позволяют рекомендовать R409A в качестве компромиссного решения для ретрофита бытовой холодильной техники, работающей на R12 в диапазоне температур кипения -20...+5 °С.