Природные хладагенты: оценка перспектив современного применения

Экологическая обстановка планеты с каждым годом, несомненно, ухудшается. Сокращение вредного воздействия на окружающую среду – приоритетное направления исследования в области холодильной техники. В качестве рабочего тела в холодильной технике, в настоящее время, получили распространения фреоны. Как бы не было, но эти вещества оказывают негативное воздействие на экологию планеты. Поэтому переход холодильной отросли на природные, экологически чистые и безопасные рабочие тела, является актуальным направлением исследования на сегодняшний день.

Природные хладагенты – это рабочие вещества, образующиеся в природе естественным путем. Сегодня к известным природным хладагентам относятся: углекислый газ, аммиак, углеводороды, вода, воздух.

Углекислый газ (диоксид углерода), обладает низкой токсичностью и негорючестью. Потенциал глобального потепления CO₂, равный 1, считается опорным значением для оценки непосредственного влияния хладагентов на глобальное потепление. Углекислый газ, используемый в качестве хладагента, это побочный продукт, образующийся при многих технологических процессах.

Несмотря на нетоксичность, при высокой концентрации в замкнутом пространстве диоксид углерода начинает замещать кислород и по прошествии некоторого времени может оказать удушающее воздействие на присутствующих людей. Благодаря продолжительному времени жизни в атмосфере CO₂ не образует побочных продуктов или продуктов распада, оказывающих значительное воздействие на окружающую среду. Рабочее давление диоксида углерода, используемого в качестве хладагента, как правило, выше, чем у других хладагентов. Эту особенность необходимо учитывать при проектировании. [1].

Благодаря благоприятным для окружающей среды характеристикам, низкой токсичности и привлекательным физико-химическим свойствам в случае «докритического» функционирования углекислота (CO₂) всё более интересует разработчиков как предпочтительный хладоноситель для вторичного контура, а также как хладагент для низкотемпературных каскадных систем. При обычном низкотемпературном применении видна особенно высокая удельная холодопроизводительность CO₂, по сравнению с другими хладагентами. [2].

Прекрасным природным хладагентом является аммиак. Он имеет низкую нормальную температуру кипения, высокую объемную холодопроизводительность, кроме этого хорошо растворяет синтетические масла. Аммиак в настоящее время активно внедряется в малые холодильные установки.

Несмотря на неоспоримо высокие показатели энергоэффективности, в силу токсичности и горючести аммиак ограничен некоторыми сферами применения и географическими регионами. Так, аммиак полностью запрещен к применению в зонах непосредственного пребывания людей, но может использоваться в безлюдных зонах или вне помещений.

Углеводороды не образуют побочных продуктов, продуктов распада, имеют нулевой озоно – разрушающий потенциал. Углеводородные хладагенты можно использовать в качестве замены в системах, предназначенных для работы на ГХФУ. Это повышает их конкурентоспособность и делает оптимальным вариантом для развивающихся стран. Перед заправкой углеводородным хладагентом систему, предназначенную для другого хладагента, при необходимости модифицируют. В этой связи необходимо учитывать вопросы совместимости смазочных материалов и воспламеняемости углеводородов. Как бы то ни было, наибольший потенциал имеют новые системы, специально разработанные для работы на углеводородных хладагентах. [1].

Углеводороды еще более взрывопожароопасны, чем аммиак, поэтому их целесообразно использовать только в малых холодильных машинах, например, в бытовой технике. [2].

В России лидером по производству углеводородов является компания «ECO – FRIZZE». Основная продукция компании хладагенты: ECO 134, ECO 22, ECO 32, ECO R600A.

Углеводородные хладагенты «Эко-Фриз» обладают целым рядом преимуществ, как для окружающей среды, так и для потребителя. Созданные природой, а не химиками, такие хладагенты не могут быть запатентованы, что делает их доступными каждому по умеренной цене. Продолжительность их пребывания в атмосфере — менее одного года; они не истощают озоновый слой и практически не способствуют глобальному потеплению. [3].

Вода – экологически чистое и безопасное вещество. Этот природный хладагент не загрязняет окружающую среду и  не создает эффекта глобального потепления, который в свою очередь несет за собой необратимые процессы в природе. [4].

Применение воды в холодильных машинах, имеет давнюю историю. Еще в 1755 году, В. Каллен замораживал воду под стеклянной колбой, откачивая из нее воздух и пары воды. [5]. Вода как холодильный агент имеет ряд особенностей, это позволяет говорить об установках, в которых она используется, как об отдельном классе холодильных машин. [4].

На воде работают самые современные холодильные системы. В качестве хладагента ранее она применялась в основном в компрессионных чиллерах с пароструйными компрессорами, двухконтурных абсорбционных системах с бромистым литием в качестве абсорбента, а также адсорбционных системах с цеолитами в качестве адсорбента. С точки зрения экологичности и термодинамики, вода представляет собой идеальный хладагент для сфер применения с температурой выше 0°С.  

Применение воды ограничено ее высокой скоростью замерзания при атмосферном давлении. Кроме того, вода приводит к коррозии и окислению многих металлов. В силу высокой, по сравнению с другими хладагентами, способностью воды вступать в химические реакции при разработке холодильных систем на воде необходимо уделять особое внимание выбору пригодных материалов.

Воздух это экологически безопасный, недорогой, совершенно безопасный и нетоксичный хладагент под названием R729. Воздушные холодильные системы это не новое изобретение: они использовались на рефрижераторных судах еще в начале предыдущего столетия.

Воздушное охлаждение основано на обратном цикле Брайтона или Джоуля. При температурах, применяемых в типовых холодильных системах, используемый в качестве хладагента воздух не подвергается фазовому переходу (конденсации или испарению). Из-за низкого веса воздух имеет невысокий СОР, однако воздушные холодильные системы обеспечивают теплоутилизацию при относительно высоких температурах без снижения эффективности, которая наблюдается в паровых компрессионных установках. По сравнению с последними установки с воздушным циклом могут обеспечить большую разность температур между горячей и холодной сторонами. В результате становится возможным охлаждение воздуха до температур, свойственных процессам, протекающим при практически криогенных условиях. [1].

Таким образом, в данной статье рассмотрены природные хладагенты. Показаны основные преимущества и недостатки природных хладагентов. Внедрение природных хладагентов в холодильную промышленность в крупных масштабах – актуальное направление современных исследований. Это положительно скажется на экологии планеты.

Библиографические ссылки

1. ElectronictextbookStatSoft [Электронный ресурс]. URL: http://www.ozoneprogram.ru/biblioteka/publikacii/o_hladagentah (дата обращения 7.09.2020).
2. Гафуров Ш. Перспективы применения углекислого газа в холодильных машинах / Молодой ученый. 2017. №7 (141). С.46-48.
3. ElectronictextbookStatSoft [Электронный ресурс]. URL: https://www.holodinfo.ru/rubrics/hladagenty/prirodnye-hladagenty-eko-friz-novaya-era-freonov (дата обращения 7.09.2020).
4. Булов А., Ермаков М. Перспективы развития вакуумных холодильных машин // Решетневские чтения : материалы XXIII Междунар. науч. конф. (11-15 ноября 2019, г.Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю.Ю. Логинова; СибГУ им. М.Ф. Решетнева - Краснярск, 2019. Ч. 1. С. 210-212.
5. The efficiency limits of water vapor compressors /N. C.D’Orsi, B. A.LeDrew, S. E.Wight // Concepts. ETI.2000.

Оригинал публикации (Читать работу полностью): Природные хладагенты: оценка перспектив современного применения