Цель этой технической статьи - понять важность новых доступных хладагентов и их применения. В этой статье основное внимание будет уделено хладагентам с низким или сверхнизким ПГП, таким как гидрофтор-олефины, смеси HFO / HFO, HC, природные хладагенты - экологически чистые хладагенты нового поколения. Более ранние изобретения - неорганические соединения, которые до сих пор используются во многих холодильных установках, кондиционерах и тепловых насосах в качестве хладагентов, таких как аммиак (NH3), вода (H2O), двуокись углерода (CO2) и двуокись серы (SO2). Синтетические хладагенты используются в холодильных системах с момента создания ХФУ и ГХФУ в 1929 году.
Охлаждение и кондиционирование играют важную роль в бытовом, коммерческом и промышленном применении, оказывая значительное влияние на нашу повседневную жизнь. Они также способствуют возникновению таких серьезных экологических проблем, как глобальное потепление и изменение климата. Развитие хладагентов с тех времен, когда холодильная техника еще не была известна, до наших дней очень интересно. Развитие различных хладагентов с течением времени происходило на основе вопросов безопасности, долговечности и воздействия на окружающую среду. Сейчас много говорят об изменении климата и глобальном потеплении.
Первым нормативным актом, касающимся истощения озонового слоя, стал Монреальский протокол, принятый 16 сентября 1987 года. В результате научной оценки разрушения озонового слоя в 2014 году было подтверждено, что озоновый слой является целебным, благодаря действиям, предпринятым Сторонами в рамках Монреальского протокола. Озоноразрушающие хладагенты были заменены на ГФУ. Однако позже выяснилось, что они приводят к повышению глобальной температуры и изменению климата.
Затем в 2016 году была принята Кигальская поправка, направленная на постепенное сокращение гидрофторуглеродов (ГФУ), мощных парниковых газов, способствующих глобальному потеплению. По состоянию на 1 июля 2024 года Кигальскую поправку ратифицировали 160 стран. Согласно поправке, все страны в течение следующих 30 лет постепенно сократят количество ГФУ более чем на 80 % и заменят их более безопасными для планеты альтернативами.
Ученые и инженеры провели исследования и разработки, чтобы создать хладагенты нового поколения, включая безопасность, которая является самым важным фактором. Согласно последнему Научному оценочному отчету, "Кигали" снизит будущее среднее глобальное потепление в 2100 году из-за ГФУ с базового уровня 0,3 °C - 0,5 °C до менее чем 0,1 °C.
Углеводороды имеют природное происхождение и состоят только из водорода и углерода. Рассмотрим текущую доступность новых хладагентов по сравнению с существующими ГФУ для применения в компрессорах низкого, среднего и высокого давления. Мы должны выбирать новые хладагенты, основываясь на влиянии на окружающую среду (GWP), безопасности, производительности (COP), доступности и возможности обслуживания.
Три основных класса воспламеняемости: класс 1 - для хладагентов, не распространяющих пламя при испытаниях в соответствии со стандартом; класс 2 - для хладагентов с низкой степенью воспламеняемости; и класс 3 - для сильно воспламеняющихся хладагентов.
Хладагенты классифицируются следующим образом:
Спрос на природные хладагенты, такие как аммиак и диоксид углерода, а также HC, растет. Хладагенты A2L являются слабовоспламеняющимися, чем A2, а A3 -сильновоспламеняющимися. B1 и B2 отличаются токсичностью. Большинство новых хладагентов относятся к A2L, поэтому мы должны серьезно подойти к проектированию и установке любого внутреннего / наружного блока, трубопроводов, клапанов, механического помещения, чтобы избежать любой аварии, так как это относится к пределу заправки хладагента, датчикам и выхлопу в соответствии с имеющимися стандартами и местными нормами.
Аммиак широко используется в пищевой, холодильной и фармацевтической промышленности. Однако местные органы власти могут ограничить использование аммиака из-за его токсичности и огнеопасности. Он обладает резким запахом.
Проектирование системы, обеспечивающее наилучшее COP, может привести к высоким затратам, особенно если учесть необходимые элементы для обеспечения безопасности. Аммиак относится к категории B2, что делает его пригодным только для систем непрямого охлаждения.
Диоксид углерода относится к группе AI, является парниковым газом и очень энергоэффективен, но работает при очень высоком давлении. CO2 и его высокое содержание энергии, которая продолжает накапливаться при более высоких температурах, могут быть рекуперированы, что повышает общую эффективность системы.
С точки зрения экологии, CO2 является очень привлекательным хладагентом с нулевым ODP и GWP 1 Диоксид углерода широко используется в крупных холодильных системах, например, в морских холодильных установках.
Углеводороды (HC) HC-хладагенты имеют потенциал разрушения озонового слоя (ODP) 0 и потенциал глобального потепления (GWP) 3. Типичными углеводородными хладагентами для линейных холодильников и морозильников являются пропан (R-290) или изобутан (R-600a), но они очень огнеопасны и относятся к категории A3. Это требует дополнительных мер безопасности.
Однако в последние годы наметилась тенденция к поиску других вариантов использования R-290, и ASHRAE предложила увеличить предел заряда до 300 или 500 граммов, в зависимости от области применения.
В стандарте ASHRAE 34 "Применение для обеспечения комфорта человека" указано, что хладагенты групп A2, A3, B1, B2 и B3 не должны использоваться в системах повышенной вероятности для обеспечения комфорта человека. В стандарте "Хладагенты повышенной воспламеняемости" говорится, что хладагенты группы A3 не должны использоваться, за исключением случаев, когда это разрешено органом, имеющим местную юрисдикцию.
Хладагенты, перечисленные как A2L в ASHRAE 34, перечислены как класс 2 в Международном механическом кодексе.
Если углубиться, то можно увидеть, что категория A2 делится на группы A2L и A2. Подгруппа A2L, согласно стандарту ASHRAE Standard 34, представляет собой класс хладагентов, которые имеют более низкую воспламеняемость (скорость распространения пламени менее 10 см/с) по сравнению с A2.
HFO относится к химическому составу хладагента. Гидрофторолефин означает, что хладагент состоит из водорода, фтора, углерода и имеет по крайней мере одну ненасыщенную двойную связь между двумя углеродами (олефиновая структура). Смесь HFO с другим типом хладагента обычно сочетается со смесями slash HFO, т.е. хладагентами нового поколения по сравнению с существующими HFC-хладагентами (R-134a, R-407c и R-410a), т.е. с высоким GWP.
R-1234yf
R1234yf более экологичен. Он имеет 4 GWP по сравнению с R-134 с 1300 GWP. R1234yf может использоваться в качестве долгосрочного экологически безопасного решения в мобильных системах кондиционирования. Также имеется комплект безопасности для обнаружения утечки. Техники должны принимать соответствующие меры безопасности для правильной транспортировки, хранения и обращения с легковоспламеняющимся газом.
R-32
Фреон R32 составляет 675, в то время как R-410 имеет 2 088 ПГП. EPA, основанное на Кигальской поправке, запрещает ХФУ с ПГП выше 700; это останавливает новое производство или импорт агрегатов R-410a к 01 января 2025 года. Кроме того, EPA, основанное на Монреальском протоколе, прекратило производство и импорт в 1996 году для оборудования R12 и в 2010 году для оборудования R22.
В составе R32 только одна молекула, температуры насыщенной жидкости и пара одинаковы. R-32 - это бесцветный слабовоспламеняющийся газ без запаха (A2L). R-32 более эффективен,
чем R-410a, и требует меньшего количества, чем R-410a. Давление R-32 высокое по сравнению с R-410a, и производители в основном используют его в сплит-системах или VRF.
При установке внутреннего блока в замкнутом пространстве с небольшим объемом помещения существует вероятность повреждения. Но для его воспламенения необходим кислород и постоянный источник, например горячая проволока, открытый огонь и т. д. Наружный блок следует устанавливать в затененном месте, особенно при высоких температурах окружающей среды. Промойте азотом и обеспечьте надлежащий вакуум, при этом внутри трубы не должно быть воздуха.
R-32 тяжелее воздуха, он опускается на пол и может накапливаться, а также имеет меньшую скорость на уровне земли, что может способствовать возникновению пожара, но для этого все равно требуется постоянный источник высокой мощности
R-452B / R-454B / R515B
R452B представляет собой смесь ГФУ и ГФО, с температурой скольжения 1,2 К. Его ПГП составляет 676. Кроме того, R452B имеет классификацию безопасности A2L и более низкое давление насыщения, чем R410A и R32
R454B имеет 466 GWP по сравнению с R-410, имеющим 2 088 GWP. R-454B - слабогорючий газ (A2L) и бесцветный. Многие производители используют хладагент R454B. Он обеспечивает легкую конверсию с минимальными изменениями в конструкции R-410a. Как и R-410A, R-454B является почти азеотропом и поэтому имеет минимальное скольжение.
Производители используют R454B в жилых помещениях, легких коммерческих системах, чиллерах и тепловых насосах. R454B расширяет возможности охлаждения и нагрева при низких температурах окружающей среды и обеспечивает более высокую температуру горячей воды на выходе. R454B имеет более широкие рабочие карты и компрессоры, т.е. более надежен. R454B, чтобы соответствовать будущим нормам и снизить выбросы углекислого газа.
R515B имеет 299 GWP. Класс А1 по классификации ASHRAE. R515B - это невоспламеняющаяся замена R134A с низким ПГП, предназначенная для среднетемпературных коммерческих холодильных установок и высокотемпературных систем охлаждения. R515B был разработан таким образом, чтобы иметь емкость, производительность и рабочий диапазон, как у HFO-1234(E), обеспечивая плавный переход для будущей потенциальной замены. Хладагент представляет собой азеотропную смесь HFO и может также использоваться в залитых системах.
R-513A
R513A - это негорючий газ среднего давления. GWP R-513A составляет 573. По классификации ASHRAE 34 ему присвоен класс безопасности A1. Он может быть альтернативой R-410a для новых средне- и высокотемпературных систем. Может использоваться в винтовых и центробежных охладителях.
Является прямой заменой R-134a в существующем коммерческом и промышленном средне- и высокотемпературном холодильном оборудовании, использующем компрессоры с принудительным вытеснением и системы прямого расширения. Совместим с синтетическими маслами POE. Совместим с оборудованием, компонентами, смазкой и соединениями существующей системы R-134a.
R-514A
Согласно стандарту ASHRAE 34, R514A относится к категории хладагентов B1, что означает, что он не воспламеняется. Это замена R-123 на основе гидрофторолефина (HFO) низкого давления, не разрушающего озоновый слой, с низким потенциалом глобального потепления (GWP). Он подходит для новых и модернизированных систем, предлагая оптимальный баланс свойств, включая высокую энергоэффективность и экологическую устойчивость.
Азеотроп с нулевым скольжением - это хладагент с низким ПГП на основе HFO, разработанный для замены R-123 в центробежных холодильниках низкого давления для коммерческого и промышленного применения. Могут применяться винтовые и центробежные охладители.
R-1234ze
R-1234ze известен как хладагент "нового поколения" и классифицируется как HFO. Он имеет категорию A2L и не предназначен для проектов ретрофита. Несмотря на то, что R1234ze имеет ультранизкое значение GWP - 1 против 1300 у R134a, он также обеспечивает очень эффективную работу чиллера. Это чистая жидкость с нулевым скольжением. Смазочным маслом является POE Oil. Он заменяет в основном хладагент R134a.
Применяется в винтовых холодильных машинах с воздушным и водяным охлаждением, а также в центробежных холодильных машинах с водяным охлаждением. Кроме того, он может использоваться в среднетемпературном коммерческом холодильном оборудовании и тепловых насосах. У этого хладагента есть будущее в условиях жесткого экологического регулирования.
R-1233zd
R-1233zd известен как хладагент "нового поколения" и классифицируется как HFO. Он имеет ультранизкое значение GWP, равное 1. R1233zd идеально подходит для центробежных чиллеров низкого давления, которые часто используются в системах охлаждения больших зданий. Кроме того, он не имеет температурного скольжения.
Хладагент R1233zd(E) классифицируется как полностью безопасный хладагент (ASHRAE Class A1). Состав этого хладагента однокомпонентный. R-1233zd является новым и широко распространенным хладагентом для высокопроизводительных, в основном центробежных, холодильных установок благодаря своим привлекательным свойствам и в основном заменяет хладагент R123.
Первоначальная стоимость новых хладагентов обычно высока, но со временем она снижается благодаря усовершенствованию производственного процесса и экономии на масштабе. Общая стоимость жизненного цикла системы в последние годы приобретает все большее значение, поскольку все большее внимание уделяется стоимости приобретения, установки, эксплуатации и обслуживания системы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ:
ГФУ обладают высоким потенциалом глобального потепления (GWP) и задерживают тепло в нашей атмосфере, что способствует глобальному потеплению. Таким образом, они наносят вред окружающей среде. В конечном счете, необходимо соблюдать сроки Кигальской поправки для соответствующих стран. Кроме того, нам необходимо следовать новым стандартам проектирования (в частности, A2L и A3), соблюдать меры предосторожности, выбирать высокоэффективное оборудование и следовать стандартам ASHRAE, а также местным нормам.
Проектирование по новым стандартам:
• Для воспламенения углеводородов требуется относительно низкий уровень энергии. Поэтому используйте оборудование меньшего размера.
• Минимальная энергия воспламенения - MIE у A2L намного выше, чем у углеводородов. • Многие потенциальные источники воспламенения углеводородов (например, статическая
искра) не воспламеняют A2L.
• Следуйте стандартам ASHRAE или местным нормам для всех хладагентов, особенно категорий A2L и A3.
Особенности безопасности:
• Обращение с хладагентами, их хранение и транспортировка должны осуществляться в соответствии с паспортами безопасности производителей.
• Не храните баллоны вблизи источников открытого огня и не допускайте, чтобы температура в контейнерах превышала 50°C. В зонах хранения, обработки и обслуживания запрещается курить.
• Перед началом работ необходимо использовать средства индивидуальной защиты (СИЗ).
• Детекторы утечки должны срабатывать в соответствии с установленным графиком стандартов.
• Вентиляция - Минимальный расход воздуха вентилятором приточной вентиляции должен соответствовать следующему уравнению:
Qmin = 1000 × M / LFL
• Пары хладагента тяжелее воздуха будут скапливаться у пола. В этом случае лучшим местом расположения является вытяжной канал под зоной дыхания.
• Каждое помещение холодильного оборудования должно содержать детектор, расположенный в зоне, где концентрируется хладагент от утечки, который включает сигнал тревоги и механическую вентиляцию.
• Заданная точка, определенная в соответствии с OEL, как определено в стандарте 34.
• Системы продувки и разгрузочные устройства должны выводиться наружу.
• Самозакрывающиеся двери и маркировка.
Природные и новые хладагенты играют ключевую роль в нашей отрасли HVACR:
• Соблюдать график поэтапного сокращения ГФУ в соответствии с Кигальской поправкой 2016 года.
• Утечка хладагентов рассматривается как прямые выбросы.
• Косвенные выбросы - это выбросы углекислого газа из-за неэффективного оборудования.
Стандарт ASHRAE 15 "Стандарт безопасности для холодильных систем" устанавливает требования по защите людей и имущества в местах расположения холодильных установок.
Стандарт ASHRAE 34, определяющий классификацию безопасности и предельные концентрации хладагентов (RCL) и OEL для хладагентов.
• Предлагаемый предел GWP составляет 150, 300 и 700 в зависимости от различных областей применения, таких как автотранспорт, жилое оборудование, коммерческие здания, промышленность, холодильные камеры и т.д.
• Следует отметить, что Кигальское соглашение является поэтапным сокращением, а не поэтапным отказом от производства, что означает отсутствие запрета на производство ГФУ.
• Производители должны обеспечить осведомленность и обучение технических специалистов, как монтажных, так и обслуживающих бригад по всем хладагентам и особенно по новым слабовоспламеняющимся хладагентам A2L.
• Климатическая эффективность жизненного цикла - это развивающийся метод оценки углеродного следа и воздействия глобального потепления систем отопления, вентиляции, кондиционирования, охлаждения и потенциально других приложений, таких как теплоизоляционная пена. Он рассчитывается как сумма прямых, косвенных и воплощенных выбросов парниковых газов, образующихся в течение всего срока службы системы, т.е. от производства до утилизации.
• Натуральные хладагенты, HC и HFO являются лучшим выбором для долгосрочной замены. Хладагенты A2L имеют низкий потенциал воспламенения. При правильном обращении, с использованием надлежащего оборудования и инструментов хладагенты A2L безопасны и надежны.