Холодильные агенты (хладагенты): виды, свойства и применение

Что такое холодильные агенты? Это специальные жидкости. Они используются в кондиционерах и холодильниках. Хладагент подвергается фазовым изменениям от жидкости к газу, при поглощении тепла и обратно к жидкости, когда компрессор сжимает газ. Выбор идеального хладагента производится на основе термодинамических свойств. Он должен быть неагрессивным, безопасным, нетоксичным и негорючим.

Краткая история хладагентов

Бельгийский ученый Фредерик Свортс впервые выступил с синтезом ХФУ в конце 1890-х годов. Его открытие произошло после замены хлорида в четыреххлористом углероде футуридом на синтез ХФУ-11 и ХФУ-12. В конце 1920-х годов Томас Мидгли-младший улучшил процесс синтеза и поставил задачу использовать ХФУ в качестве хладагента для замены аммиака, хлорметана и диоксида серы, которые в то время обычно использовались.

Они были вредными, легковоспламеняющимися, а некоторые даже токсичными. Наиболее распространенным хладагентом был ХФУ, называемый фреоном - фирменное наименование Дюпон для холодильника «R-12». По требованиям 30-х годов прошлого столетия эти хладагенты казались идеальными, научно обоснованными и более безопасным, некоррозирующими газами и дешевыми в производстве.

Только в 1970-х годах было установлено, что молекулы хлора полностью разрушают озоновый слой, и их запретили. В 1970-х годах ученые обнаружили, что холодильный агент аммиак мешает проникновению инфракрасных лучей в них, так как они накапливаются в атмосфере и вызывают теплообмен, что приводит к изменению климата, поэтому этот состав был запрещен.

В 1990-х и 2000-х годах ХФУ были заменены на ГХФУ (гидрохлорфторуглеродом), а наиболее распространенным ГХФУ является «Р-22», который имел гораздо менее разрушительные последствия для озона, однако, он все еще оставался опасным. Для решения проблемы разрушения озона ученые придумали HFC, которые не содержали хлор. Однако позже они поняли, что HFC по-прежнему наносит ущерб окружающей среде через парниковые газы.

Современные виды холодильных сред

Европейская комиссия потребовала, чтобы хладагент R134A не использовался для сертифицированных легковых автомобилей, продаваемых в Европейском союзе. Первоначально этот мандат предназначался на 1 января 2011 года. Однако поскольку новый хладагент еще был не доступен широкому рынку, этот срок был продлен до 1 января 2013 года.

Начиная с января 2017 года все вновь зарегистрированные транспортные средства должны были использовать альтернативный хладагент. В 2018 году только 60% новых легковых автомобилей европейского производства используют безопасный хладагент. Транспортные средства, продаваемые за пределами Европейского Союза, продолжают использовать R134A или еще более опасный хладагент.

Основные типы хладагентов:

1. ХФУ – хлорфторуглероды.
2. HCFC – HydroChloroFluoroCarbons.
3. HFC – HydroFluoroCarbons.

Однако все они были или будут заменены в ближайшем будущем из-за воздействия на окружающую среду. В настоящее время хладагент HFO начинает заменять ХФУ, поскольку они имеют гораздо более низкие потенциалы глобального потепления и не разрушают озон, хотя некоторые из них легко воспламеняются. В настоящее время на рынок выходит 4-е поколение хладагентов, которые обладают большими термодинамическими свойствами и являются экологически чистыми.

Выбор альтернативы для R12

Хладагент R12 все еще является широко используемым для холодильных установок. Действительно, очень сложно было подобрать такой, который смог бы заменить этот универсальный хладагент в условиях эксплуатации. Больше всего для этих целей подходит R134A.

Сравнение R134A и R12:

1. Мощность при температуре испарителя -7 °С для обоих хладагентов одинакова, а ниже -7 °C, если R12 заменяется на хладагент r134A, будет значительная потеря охлаждающего эффекта. В таких случаях рекомендуется применять смеси хладагентов вместо замены R134A. Фреон 134 также может использоваться для низкотемпературных ситуаций.
2. Коэффициенты теплопередачи для R134A выше, чем R12. Если они существуют в одной жидкой фазе, коэффициент теплопередачи хладагента R134A выше на 27–37%, а в газовой фазе он выше на 37–45%. Если они существуют в двух фазах, жидкой и газообразной, коэффициент теплопередачи для R134A выше на 28–34% в испарителе и от 35 до 41% в конденсаторе.
3. Эффект охлаждения R134A примерно на 22% больше, чем у R12. Таким образом, массовый расход R134A, требуемый на тонну охлаждения, примерно на 18% меньше R12. Это означает, что для данной мощности холодильной системы требуемое его количество на 18% меньше, чем при использовании R12. То есть во всем оборудовании, где R12 заменяется на фреон 134, количество хладагента, которое должно быть зарядом, меньше R12. Однако удельный объем R134A несколько больше, чем R12, поэтому для того же количества хладагента объем, занимаемый R134A, больше R12.
4. Увеличение охлаждающего эффекта R134A компенсируется увеличением его удельного объема. Таким образом, R134a, заряженный в модифицированных системах, должен быть на 5–10% меньше R12.

Конвертация R12 в R134A

Некоторые ранние установки использовали аммиак в качестве холодильного агента. Однако в большинстве современных автомобилей, построенных до 1995 года, использовался R12. R12 был технологичным и эффективным хладагентом ic2, однако позже было обнаружено, что он является озоноразрушающим газом, и его производство и использование ограничили.

После 1995 года ему на смену пришел R134A, и он до сих пор используется во многих автомобилях. Если в хозяйстве есть старая машина с системой кондиционирования R12 то автолюбители испытывают большие проблемы с пополнением такой системы при утечках или обслуживании. Промышленность наладила выпуск специальных переходников, после чего процесс преобразования системы в R134A стал простым.

Изменения системы охлаждения

Чтобы преобразовать R12 в R134A , необходимо внести лишь несколько небольших изменений в систему. К счастью, компрессор, который используется в старой системе R12, по-прежнему будет работать с хладагентом R134A и будет столь же эффективным. Конденсатор и испаритель — это просто теплообменники, поэтому их также не нужно менять для запуска другого хладагента.

Одним из компонентов, который необходимо изменить, является сушилка. Последним элементом системы, который нужно будет изменить, являются порты давления. R134A использует разные порты для зарядки системы и измерения давления, поэтому старые порты R12 необходимо удалить и заменить или дополнить адаптерами. После приобретения необходимого оборудования следует удалить старый хладагент и масло. При установке нового хладагента ic2 необходимо также добавить масло PAG, совместимое с R134A, для поддержания смазки компрессора.

После преобразования системы с R12 в R134A важно проверить давление в системе в течении нескольких дней, чтобы убедиться, что все работает правильно. Если были замечены какие-либо небольшие утечки в системе, нужно применить Red Angel A / C Stop Leak для герметизации системы.

Хладагенты безопаснее фреона

Общий гидрохлорфторуглеводородный R-22, использующийся в течение десятилетий, не так полезен для окружающей среды, как когда-то считали эксперты. Агентство по охране окружающей среды работало над поэтапным отказом от этого хладагента, и в конце концов полностью его запретило. Отказ от R-22 начался в 2010 году. К 2020 году использование хладагента будет сильно ограничено, а к 2030 году — полностью запрещено.

Самыми экологически чистыми холодильными агентами, которые сейчас доступны на рынке, являются «R-290» и «R-600A». Они представляют собой НС, или углеводороды, а их химические названия — «Пропан» для R-290 и «Изобутан» для R-600A. Они полностью не содержат галогенов, не имеют потенциала истощения озона и являются самыми малоопасными с точки зрения возможности глобального потепления. Они также обладают высокой энергетической эффективностью, но при этом легковоспламеняющиеся, поскольку являются углеводородами. В настоящее время самые «зеленые» виды холодильных агентов - R134A, R-407C, R-410A. Производители, которые выпускают эти хладагенты, утверждают, что вещества абсолютно безопасны.

Баллон с фреоном R134A

С обнаружением разрушающего воздействия хладагентов ХФУ и ГХФУ на озоновый слой эта группа широко использовалась в качестве замены. Хладагент в холодильнике R134A представляет собой гидрофторуглерод (HFC), который имеет нулевой потенциал для истощения озонового слоя и практически не влияет на парниковый эффект.

Хладагент R134A представляет собой химическое соединение тетрафторэтан, состоящее из двух атомов углерода, двух атомов водорода и четырех атомов фтора. Его химическая формула — CF3CH2F. Молекулярная масса хладагента R134A составляет 133,4, а его температура кипения - 26,1 °C. R134A является негорючим и невзрывоопасным, имеет токсичность в пределах нормы и хорошую химическую стабильность, несколько высокое сродство к влаге.

По общим физическим и термодинамическим свойствам хладагент R134A очень напоминает R12. Поэтому он считается отличной заменой. Свойства холодильных агентов R134 следующие:

1. Температура самовоспламенения - 770 °C.
2. Уровень истощения озонового слоя - 04.
3. Растворимость в воде 0,11 мас.% 25 C.
4. Критическая температура - 122 °C.
5. Цветовой код: светло-синий.
6. Потенциал глобального потепления (GWP)1200.
7. Температура хладагента, точка кипения —26,1 °C.

Термодинамические свойства R-407C

По своим свойствам он соответствуют характеристикам, доступным в R-22. R-407C является обычным заменителем хладагента для тех, кто хочет модернизировать оборудование R-22. Смесь гидрофторуглеродов включает пентафторэтан, дифторметан и 1,1,1,2-тетрафторэтан. Широко распространенный альтернативный хладагент популярен в упакованных кондиционерах и бесщеточных системах разделения, а также в системах легкого кондиционирования воздуха и прямого расширения, имеющихся в жилых, коммерческих и промышленных помещениях. R-407C также работает в холодильных системах средней температуры и во многих новых приборах.

Новое оборудование, использующее азот в качестве удерживающего заряда, лучше всего работает с R-407C из-за использования эфирного масла полиола. В то время как наиболее распространено применение новых приборов и холодильных систем, R-407C может быть модернизирован в некоторых системах R-22, если в процедуру входит замена масла. Эта альтернатива фреону считается безопасной для окружающей среды из-за ее потенциала разрушения озонового слоя, равного нулю.

Потенциал истощения озонового слоя R-404A

В этом хладагенте он равен 0, так же как R-407C и R-134A. Он часто используется для холодильных систем, для которых требуется температура от -45 °C до 15 °C. Это наиболее полезно в коммерческих и промышленных отраслях транспорта из-за его широкого диапазона рабочих температур. Он очень похож на R-22 и предлагает более улучшенные характеристики. Поскольку R-404A не имеет быстрой реакции на воздух или воду, он считается безопасным для многих целей. Он также негорючий, бесцветный и без запаха.

Однако, как и в случае с любым хладагентом, пользователи должны всегда принимать соответствующие меры предосторожности, чтобы защитить себя. Прямой контакт с R-404A все еще может вызвать обморожение, а чрезмерное воздействие на него огня или высокой температуры может привести к разрыву резервуара. R-404A довольно распространен и доступен для покупки в магазинах, которые специализируются на предоставлении продуктов для отопления и охлаждения.

Смесь двух гидрофторуглеродных хладагентов, дифторметана и пентафторэтана, представляет собой неозоноразрушающий хладагент, который обеспечивает лучшую энергетическую эффективность, чем R-22 и R-407C, и не использует хлор в своем составе. Он считается более подходящим как замена R-22 из-за его более высокого давления и холодопроизводительности.

Характеристика R-410A

Если пользователи решают приобрести устройства, которые используют R-410A, процесс, как правило, довольно прост. Фактически многие компании, производящие кондиционеры и холодильное оборудование, изготавливают блоки специально для использования с R-410A. Хотя он наиболее популярен в коммерческих холодильных установках, кондиционерах и холодильниках, важно отметить, что эта альтернатива фреону не будет работать в блоках A / CR-22.

Характеристика холодильных агентов R-410A, говорит о том, что они имеют более высокое давление, поэтому требуется другой манометр коллектора, чем тот, который обычно используется с R-22. Хладагент должен заряжаться в жидкой форме и только в коротких очередях. R-410A продается под несколькими торговыми марками: AZ-20, Suva410A, GenetronR410A, Forane410A, EcoFluo rR410 и Puron. Его довольно легко купить в Интернете и в специализированных магазинах.

Кондиционирование транспортных средств

Директива ЕС 2006 года требует, чтобы все новые автомобили, продаваемые в ЕС, были оснащены хладагентами с низким потенциалом глобального потепления (GWP). Предел установлен на значение GWP 150, которое в настоящее время может обеспечить YF. Преимуществом его является свойство самоутилизации - он полностью разлагается в атмосфере примерно через одиннадцать дней.

Несмотря на то, что HFO1234yf был принят в качестве нового хладагента, у Германии появились сомнения. Daimler и некоторые другие немецкие производители и также надзорные ведомства считают, что YF опасен из-за высокой воспламеняемости. В ответ Германия утвердила некоторые автомобили Daimler для продолжения работы на R134A, что противоречит директиве ЕС.

Европейская комиссия даже угрожала судебными исками против Германии за то, что она не смогла полностью реализовать новые правила выбросов для хладагентов. GM и Toyota публично заявили о своей поддержке YF и заявили, что считают это вещество безопасным.

Стоимость новых систем

Дополнительная стоимость нового хладагента YF находится в диапазоне EUR30–50. Системы YF менее эффективны, и для этого требуется дополнительное использование внутреннего теплообменника.

Поскольку стоимость производственного процесса для YF выше, чем R134A, предполагается "зеленый тариф" на этот товар в течение многих лет, особенно начиная с 2018 года, когда все вновь зарегистрированные транспортные средства в Европейском Союзе должны будут использовать хладагент, отличный от R134A.

Повышение цен с 1 февраля 2018 года:

1. R452a + 20%.
2. R410a + 20%.
3. R448a + 15%.
4. R449a + 15%.

Модернизация системы R-22

Замена R22 на R134A — довольно простой процесс. Прежде всего, полный R22 следует удалить из системы. Затем необходимо удалить все смазочное масло из системы (максимальное количество масла, оставшегося внутри системы, составляет 5% от общего количества, присутствующего в ней). Минеральное масло следует заменить синтетическим на основе сложного эфира. Осушитель и масляный фильтр также должны быть заменены.

Количество R134A, требуемое в системе, составляет от 90 до 95% R22. Этикетки следует размещать в системах, которые были модернизированы с помощью R134A, описывающих новый хладагент и смазочное масло. Несмотря на легкий процесс, его важно выполнить тщательно. Остатки R-22 в системе могут привести к перекрестному загрязнению. Оно для R-22 и R-134A может сделать систему охлаждения автомобиля менее надежной и повысить давление головки компрессора до опасных уровней, что приведет к полному сбою системы. Кроме того, R-134A требует специальной масляной смеси - полиарилена.

В 1987 году был объявлен Монреальский протокол, который является международным договором во многих странах, призванным помочь в борьбе с поврежденным слоем О-зоны. Одна из его инициатив заключалась в поэтапном отказе от ХФУ во всем мире. В 1994 году США прекратили использование R-12 в автомобильной промышленности. R-12 был заменен альтернативой HFC R-134a. В 2010 году в соответствии с Монреальским протоколом США объявили о прекращении использования R-22 в будущих приложениях. Все новые машины будут ориентированы на HFC R-410A, который не содержит хлора.