Проблемы перехода на альтернативные хладагенты

Текст подготовлен на основании материалов статьи Талызина М.А, опубликованной в журнале «Холодильная Индустрия»

Проблема выбора хладагента в последнее время становится очень острой. Принимаемые в европейских странах законы требуют использования новых хладагентов, что ведет к появлению нового оборудования, предназначенного для работы с ними. К сожалению, в России практически нет производства некоторых важных компонентов для холодильной техники (компрессоры, приборы автоматики), что ведет к косвенной зависимости от принимаемых в странах Европы нормативных документов.

Последней тенденцией стал переход к использованию хладагентов с низким потенциалом глобального потепления. Директива ЕС 517/2014 описывает процесс перехода и альтернативы применяемым хладагентам. Поиску альтернатив было посвящено много публикаций, однако действительно острой проблема перехода стала сейчас.

В 2020 году Россия ратифицировала поправку к Монреальскому протоколу, согласно которой потребление гидрофторуглеродов (R134a, R404a, R407a, R410a и др.) с 2020 года в пересчете на потенциал глобального потепления (ПГП) должно сократиться на 5%, с 2025 года — на 35%, с 2036 года — на 85%.

Поскольку собственного производства хладагентов в Российской Федерации практически нет, влияние импорта очень высоко. С апреля 2021 года был введен контроль за оборотом ГФУ, который выразился в необходимости оформления специальных лицензий для их ввоза на территорию России.

В конечном счете, все вылилось в рост цен и появление дефицита на рынке ГФУ с весны 2021 года.

21 сентября 2021 года на межведомственном совещании в Минприроды России с участием представителей Минпромторга, Федеральной таможенной службы и Росприроднадзора был подтвержден факт исчерпания предельно допустимого уровня импорта гидрофторуглеродов на территорию России. Данное обстоятельство, скорее всего, приведет к росту стоимости данных хладагентов в 2022 году.

Далее перейдем к технической стороне возникшей проблемы.

Альтернативные хладагенты

Как когда-то ранее возникла необходимость отказа от озоноразрушающих хладагентов, так и в этот раз требуется переход с привычных уже ГФУ на альтернативные вещества, которые можно было бы обоснованно использовать в обозримом будущем.

Для этих целей можно выделить две группы:

1. Природные хладагенты

К ним относят аммиак (R717), диоксид углерода (R744), пропан (R290), изобутан (R600а), пропилен (R1270). Данные хладагенты практически не оказывают отрицательного влияния на глобальное потепление, но, несмотря на эффективность применения, обладают рядом недостатков.

2. Синтетические хладагенты

Синтетические хладагенты с пониженным потенциалом глобального потепления. К ним относят гидрофторуглероды с низким уровнем ПГП, гидрофторолефины и смеси с их применением. К этой группе относятся хладагенты R32, R1234yf, R1234ze, R1233zd, R454B, R513A, R455A, R448A, R449A, R452B и другие.

В странах Европы с 2020 года запрещается применение в новых установках хладагентов с ПГП 2500 и выше, к которым относятся широко используемые в настоящее время хладагенты R404A и R507. Применение этих хладагентов в существующих установках допускается, но с усиленным режимом контроля над утечками.

Следующим этапом в Европе с 2022 года будет запрет на использование хладагентов с потенциалом глобального потепления 1500 и выше, к которым относятся R410A и некоторые из предлагаемых альтернатив. Во многом Россия идет по пути гармонизации технических регламентов с ЕС, и исключать применения некоторых тенденций в области холодильной и климатической техники не стоит.

График сокращения потребления ГФУ, приведенный в таблице 1

Таблица 1. График сокращения потребления ГФУ

За базовый уровень потребления гидрофторуглеродов для Российской Федерации принято 48 729 257 тонн в эквиваленте CO₂ (ПГП).

Рассмотрим некоторые особенности применения природных хладагентов.

Аммиак (R717). Один из самых «старых» хладагентов, обладает самыми высокими показателями эффективности, токсичен, при определенной концентрации может образовывать взрыво- и пожароопасные смеси, агрессивно взаимодействует с некоторыми материалами. Холодильные установки, использующие аммиак, подлежат обязательному контролю со стороны государственных органов. Стоит отметить тот факт, что, в стране существует система подготовки специалистов для работы с данным хладагентом, а также проверенная практикой нормативная документация.

СО₂ (R744). Наряду с аммиаком, также является одним их первых хладагентов, широко использовавшимся еще до широкого распространения синтетических веществ. К отрицательным свойствам можно отнести высокое рабочее давление, отрицательное влияние на организм человека. И если утечку аммиака легко можно заметить по характерному запаху, утечка СО2 практически не заметна с помощью органов чувств и требует использования дополнительных средств автоматизации для ее контроля. Для работы с СО₂ требуется подготовка персонала в области промышленной безопасности.

Пропан (R290). Эффективность применения и свойства близки к хорошо известному хладагенту R22. Горюч, существуют нормы по максимальному объему заправки в систему.

Изобутан (R600а). Область применения ограничена герметичными системами с малой заправкой, поэтому такие отрицательные свойства, как горючесть, не сильно актуальны.

Пропилен (R1270). Похож на пропан как с точки зрения положительных, так и отрицательных свойств.

Также стоит отметить такой хладагент как диметиловый эфир и смеси на его основе, исследования которого широко проводились в нашей стране, особенно для применения в транспортных холодильных установках.

Синтетические хладагенты также имеют положительные и отрицательные особенности применения.

Наиболее перспективный гидрофторуглерод R32, как и большинство чистых гидрофторолефинов, мало токсичен, трудно горюч.

Синтетические хладагенты не имеют запаха и тяжелее воздуха, что не позволяет обнаружить утечку органами чувств, а при их попадании в дыхательные пути человека начинается замещение кислорода, что может привести к удушающему эффекту.

Новые смесевые хладагенты, как правило, в своем составе имеют ГФО, в результате чего обладают пониженным ПГП. Некоторые из них своими свойствами схожи с широко применяемыми сейчас хладагентами R404A и R507A.

На что нужно обратить внимание при выборе альтернативного хладагента?

Сначала надо разделить задачу на:

1) замену хладагента в существующем оборудовании;

2) производство нового оборудования, предназначенного для использования с новыми хладагентами.

В первом случае важными моментами являются:

- та же или близкая холодопроизводительность установки при использовании существующих компонентов, что включает в себя такие параметры хладагентов как скрытая теплота парообразования при рассматриваемой температуре, объемная производительность, теплота конденсации и т. д.;

- совместимость с используемыми материалами;

- меры безопасности при эксплуатации, которые позволяют использовать существующее или близкое техническое решение.

При выборе хладагента для нового оборудования и с учетом сроков его эксплуатации теперь надо обращать внимание на жизненный цикл хладагента. Например, использование хладагентов R448A, R449A, R452a и т.п. не целесообразно в длительной перспективе, поскольку с большой вероятностью они будут выведены из оборота ввиду относительно высокого уровня ПГП.

Какие хладагенты стоит рассматривать в качестве альтернативных?

Прежде всего, стоит обратить внимание, что предлагаемые альтернативы либо требуют повышенных мер безопасности (горючесть, высокое давление, токсичность), либо ведут к проблемам при эксплуатации установки.

Отдельно стоит упомянуть смесевые хладагенты. Если при использовании азеотропов (R513A) проблем меньше, то при использовании зеотропов (R450A) возникает много проблем, как при эксплуатации, так и при проектировании новых установок (ограничения при использовании в затопленных схемах, двухступенчатых циклах, при пороговых температурах кипения).

Применение природных хладагентов таких, как аммиак, СО₂, пропан требует пересмотра подхода к проектированию систем как с точки зрения безопасности, так и с точки зрения эффективности.

Например, применение базового транскритического цикла с хладагентом R744 (CO₂) с привычными расчетными параметрами не позволяет обеспечить схожую эффективность по сравнению с традиционно применяемыми хладагентами R404A и R507.

Применение дополнительных проектных решений (параллельное сжатие, эжектор, системы рекуперации, алгоритмы «плавающего» давления конденсации и др.) позволяют существенно увеличить эффективность системы, однако требуют более высокого технического уровня при конструировании холодильных установок.

Применение пропана в качестве хладагента для коммерческих холодильных установок ограничивается допустимым объемом заправки, что заставляет производителей проектировать систему с несколькими независимыми контурами и с увеличенными температурными напорами в теплообменных аппаратах, что ведет к снижению эффективности работы холодильной установки.

Также для указанных выше (R717, R744, R290) хладагентов требуется следовать повышенным мерам безопасности, что требует дополнительного обучения персонала, и, главное, неотъемлемое следование правилам эксплуатации.

Единственным хладагентом в РФ, правила безопасности работы с которым и система подготовки кадров являются отработанными, а также эффективность холодильных установок при его применении не вызывает сомнений, является аммиак. «Правила устройства и безопасной эксплуатации аммиачных холодильных установок» написаны с учетом многолетнего опыта разработки и эксплуатации аммиака в качестве хладагента на территории бывшего СССР. Специалисты, занятые проектированием, монтажом и эксплуатацией аммиачных холодильных установок должны проходить аттестацию и регулярные проверки на знание вышеуказанных правил, а также других нормативных документов, связанных как с общими правилами промышленной безопасности, так и с правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением, технологических трубопроводов и других элементов холодильного контура.

Проблемами при использовании непредельных углеводородов, гидрофторолефинов и смесей на их основе является высокая стоимость и «частичная горючесть» при более низком по сравнению с гидрофторуглеродами отрицательном влиянии на окружающую среду.

Подводя итог можно сказать, что нужно обратить внимание на более широкое использование природных веществ в качестве хладагентов и смесей на их основе, поскольку запреты хладагентов данной группы, с большой вероятностью, не коснуться. Стоимость их ниже, а эффективность, при грамотном конструировании установки, выше. Немаловажным фактом является и то, что эти вещества производятся непосредственно в Российской Федерации, что существенно снизит зависимость от импорта.

Осложняющими факторами применения природных хладагентов являются проблемы безопасности и новые подходы к проектированию установок. Однако, эти проблемы могут быть и положительными с точки зрения технического развития холодильной техники.