Alternative refrigerants - selection strategy

Full Text

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.

About the authors

V. A. Mazur

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

References

Supplementary files