Альтернатива фреону в холодильных установках

Аннотация

В статье поднимается актуальная проблема загрязнения окружающей среды фторсодержащими производными метана. Рассматривается более экологичная и надежная замена фреонам. Также приводится детальный анализ преимуществ и недостатков использования СО2.

Ключевые слова: Холодильные установки, хладагент, экологическая безопасность, фреон, диоксид углерода.

Annotation

The article rises the actual problem of environmental pollution with fluorine-containing methane derivatives. There is a more environmentally friendly and reliable replacement for freon. There is also a detailed analysis of the advantages and disadvantages of using CO2.

Keywords: refrigeration plants, refrigerant, environmental safety, freon, carbon dioxide.

На сегодняшний день холодильная промышленность является важнейшим звеном национальной безопасности любой страны. Её продукция используется практически во всех отраслях хозяйства: агропромышленном, оборонном и ракетно-космическом комплексе, в нефтегазовом и химическом секторе, в медицине, торговле и т.д.

По данным Международной академии холода, только в промышленном секторе России работает около 170 тыс. холодильных установок, в агропромышленном комплексе - 400 тыс., в торговле - более 3 млн. В стране функционирует более 3 млн. центральных кондиционеров, около 130 тыс. транспортных рефрижераторов и более 62 млн. домашних холодильников.

В настоящее время подавляющее большинство холодильных систем работают на основе гидрофторуглерода (ГФУ). К хладагентам данного типа относятся фреоны такие как, R404A, R507A, R134A. К сожалению, они оказывают огромное влияние на истощение озонового слоя и усиление парникового эффекта.

Фреоны - техническое название фторсодержащих производных насыщенных углеводородов этана и метана, которые применяют чаще всего в качестве хладагентов и растворителей. Они могут содержать атомы фтора, хлора или брома, их известно более 40 видов, большая часть из них выпускается промышленностью.

Фреоны -- могут быть в виде бесцветных газов или же жидкостью без запаха. Также они хорошо растворимы в неполярных органических растворителях и очень плохо -- в воде и других полярных растворителях.

Фреоны не горят на воздухе, не являются взрывоопасными даже при контакте с открытым огнём, устойчивы к действию кислот и щелочей, активно взаимодействуют с щелочными металлами, чистым алюминием, магнием, а также сплавами магния.

Хладагенты (фреоны) не ядовиты, но при нагреве образуют токсичные продукты такие как фосген. При исследовании причин разрушения озонового слоя было обнаружено, что даже небольшие концентрации фреона приводят к реакциям разрушения озонового слоя. Для оценки фреона используются 2 критерия: озонразрушающий потенциал (ODP) и потенциал глобального потепления (GWP).

Одним из основных факторов потепления атмосферы, вызывающих тревожные тенденции, являются парниковые газы. Кроме миллиардов метрических тонн СО₂, ежегодно попадающих в атмосферу, на увеличение температуры у поверхности земли влияют фреоны. Это хлорфторуглеводороды, широко используемые в промышленности.

При ремонтеили утилизации холодильных установок, кондиционеров и рефрежераторов хлорфторсодержащие соединения попадают в атмосферу.

Не смотря на то, что в атмосфере количество этих соединений невелико, опасность представляет не только их концентрация, но и способность молекул улавливать тепло. Всего лишь одна молекула в 20000 раз эффективнее справляется с этой задачей, нежели молекула СО₂. Таким образом, даже при малой концентрации ХФУ, способны значительно повысить температуру у поверхности. По подсчетам, участие фреонов в потеплении климата составляет около 11%. Они эффективно взаимодействуют с лучами солнца, которое приводят к изменению терморежима атмосферы.

Не смотря на это, замещение фторов водородами и углеродами в производстве не снизит эффект потепления в ближайшие 100 лет. Именно такова продолжительность жизни молекул в атмосфере, а в верхних слоях достигает около 100 лет. Следовательно, в атмосферу они будут продолжать поступать из резервуара тропосферы даже после прекращения выбросов.

Уже имеющееся количество опасных молекул продолжает влиять на размеры дыры стратосферного озона, что приводит к нагреву океана. Теплая вода вызывает отбеливание кораллов, что является губительным для всей экосистемы мировых океанов.

Но холодильная промышленность не стоит на месте. Развитие технологий идет в сторону повышения безопасности и уменьшения негативного воздействия на окружающую среду. Следствие чего за последние годы перспективность использования CO₂ в холодильном оборудовании заметно выросла. Диоксид углерода является прекрасной альтернативой других природных хладагентов, а именно аммиака, воды, пропана, бутана и так далее, с точки зрения эффективности применения и безопасности для природы.

Таблица 1 - Сравнение СО2 с наиболее распространенными хладагентами

Дополнительная популяризация СО₂ вызвана ужесточением нормативов использования традиционных хладагентов. Поскольку они обладают рядом недостатков, например, аммиак токсичен, вода имеет ограничения в области применения, пропан горюч. Диоксид углерода наоборот лишен этих недостатков, он не токсичен, не горюч, хотя его избыток в воздухе повышает возникновения глобального потепления. Также CO₂ является эталонной единицей при расчете потенциала глобального потепления (GWP = 1), имеет нулевой потенциал разрушения озонового слоя Земли ( ODP = 0) и содержится в окружающем нас воздухе.

Диоксид углерода может использоваться в качестве хладагента в холодильных системах различных типов, как субкритических, так и транскритических. В последних СО₂ применяется для небольших и коммерческих холодильных установок: в мобильных системах кондиционирования воздуха, небольших тепловых насосах и системах охлаждения супермаркетов, а для промышленных холодильных установок практически не применяется. Также отличительной чертой транскритического холодильного цикла является возможность получать существенно больше тепла по сравнению с фреоновым циклом, при условии неизменности показаний потребления электроэнергии. Данное преимущество играет главную роль в сфере ритейла, ведь это позволяет повысить уровень энергоэффективности системы, например, обеспечивая магазин отоплением, и горячим водоснабжением. Также мы можем увидеть экономические преимущества с точки зрения эксплуатационных затрат и окупаемость вложенных инвестиций.

фторсодержащий метан холодильный углекислый

Рисунок 1 - Фазовая диаграмма СО2

Достаточно часто CO₂ используются в каскадных системах промышленных холодильных установок. Применение данного природного хладагента в каскадных системах имеет целый ряд преимуществ:

• рабочее давление СО2 в каскадных системах не высокое 40...45 бар;

• эффективность такой системы высока даже в условиях жаркого климата;

• для высокотемпературного контура требуется маленькое количество хладагента;

• разность температур у каскадного теплообменника относительно низкая;

• возможность использования стандартного оборудования (компрессоров, регуляторов, клапанов).

Существуют различные виды каскадных холодильных систем на углекислом газе: системы с непосредственным кипением, системы с насосной циркуляцией, системы на СО₂ с вторичным рассольным контуром или комбинации этих систем.

Каскадные системы, в которых рассол применяется в среднетемпературном контуре, а СО2 в низкотемпературном контуре постепенно уходят в прошлое и заменяются каскадными или транскритическими системами.

Высокая эффективность каскадных среднетемпературных систем на СО ₂ с насосной подачей и небольшим размером трубопроводов, как для низкотемпературных, так и для среднетемпературных применений, по сравнению с рассольными системами, делает эти установки уникальными.

Наиболее выгодным вариантом для применения этих систем являются установки с относительно высокой производительностью. В установках с небольшой производительностью или с сильно изменяющейся производительностью управление насосами системы является затруднительным.

Список использованных источников

1. Булавин Ю.П. Учебно-наглядное пособие - тематические иллюстрации по дисциплине «Холодильные и теплонасосные установки». РГУПС. - Ростов н/Д, 2020.

2. Учебник по холодильной технике. В. Маке, Г.-Ю. Эккрт, Ж.-Л. Кошпен.. Перевод с французского д.т.н В.Б. Сапожников. М., 1998.-1142 с.

3. Сайт - «Анером холод» Применение CO₂ как хладагента. [Электронный ресурс].

Размещено на Allbest.ru