Максим Сергеевич Талызин, кандидат технических наук, член-корреспондент Международной Академии Холода
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 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 должно сократиться на 5%, с 2025 года — на 35%, с 2036 года — на 85%. [1]
Поскольку собственного производства хладагентов в Российской Федерации практически нет, влияние от импорта очень высоко. С апреля 2021 года был введен контроль над импортом хладагентов, который выразился в требовании оформления специальных лицензий для их ввоза на территорию России.
В конечном счете, все вылилось в рост цен и появление дефицита на рынке хладагентов в июле 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 гидрофторуглеродов на территории России. Данное обстоятельство, скорее всего, приведет к росту стоимости данных хладагентов в 2022 году. [2]
Далее мы оставим в стороне политику и перейдем к технической стороне проблемы.
Прежде всего, посмотрим на альтернативы, предлагаемые для использования в ближайшие годы.
Среди них можно выделить две группы:
1. Природные хладагенты
К ним относят аммиак (R717), диоксид углерода (R744), пропан (R290),изобутан (R600), 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 некоторые гидрофторуглероды, гидрофторолефины и смеси на их основе. 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 потенциалом глобального потепления 2500 и выше, к которым относятся широко используемые в настоящее время хладагенты R404A и R507A. Применение этих хладагентов в существующих установках допускается, но с усиленным режимом контроля над утечками. Пока в России ситуация не актуальна, но учитывая тенденции 2021 года, описанные выше, исключать возможность такого контроля также не следует.
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.
График сокращения потребления ГФУ, приведенный в таблице 1 [3]
Таблица 1. График сокращения потребления ГФУ
|
|
Группа I |
Группа II |
Группа III |
Группа IV |
|---|---|---|---|---|
|
Заморозка |
– |
– |
2024 (100%) |
2028 (100%) |
|
1 этап |
2019 – до 90% |
2020 – до 95% |
2029 – до 90% |
2032 – до 90% |
|
2 этап |
2024 – до 60% |
2025 – до 65% |
2035 – до 70% |
2037 – до 80% |
|
3 этап |
2029 – до 30% |
2029 – до 30% |
2040 – до 50% |
2042 – 70% |
|
4 этап |
2034 – до 20% |
2034 – до 20% |
– |
– |
|
5 этап |
2036 – до 15% |
2036 – до 15% |
2045 – до 20% |
2047 – до 15% |
|
Страны |
Стороны, не действующие в рамках Статьи 5 Монреальского протокола, за исключением Группы II |
Беларусь, Россия, Казахстан, Таджикистан, Узбекистан |
Стороны Статьи 5 Монреальского протокола за исключением Группы IV |
Индия, Пакистан, Иран, Ирак, Бахрейн, Кувейт, Оман, Катар, Саудовская Аравия, ОАЭ |
|
Базовый уровень |
Средний уровень потребления ГФУ за 2011 – 2013 годы + 15% от базового уровня ГХФУ |
Средний уровень потребления ГФУ за 2011 – 2013 годы + 25% от базового уровня ГХФУ |
Средний уровень потребления ГФУ за 2020 – 2022 годы + 65% от базового уровня ГХФУ |
Средний уровень потребления ГФУ за 2024 – 2026 годы + 65% от базового уровня ГХФУ |
За базовый уровень потребления гидрофторуглеродов для Российской Федерации принято 48 729 257 тонн в эквиваленте CO2.
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, несмотря на отрицательные свойства, 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 используемый до момента распространения хладонов. К отрицательным свойствам можно отнести высокое рабочее давление, отрицательное влияние на организм человека, причем, если утечку аммиака легко заметить по характерному запаху, утечка СО2 практически не заметна с помощью органов чувств. Для работы с СО2 требуется подготовка персонала в области промышленной безопасности, но поскольку R744 относится к той же группе, что и применяемые хладоны, этому аспекту не уделяется достаточного внимания.
Пропан (R290). Эффективность применения и свойства близки к хорошо известному хладагенту R22. Горюч, существуют нормы по минимальной заправки.
Изобутан (R600). Область применения ограничена бытовыми 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. [4]
Наиболее популярный 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 попадании в дыхательные пути начинается вытеснение кислорода, что может привести к печальным последствиям.
Гидрофторуглероды с пониженным потенциалом глобального потепления обладают свойствами схожими с широко применяемыми хладагентами R404A и R507A.
На что нужно обратить внимание при выборе альтернативного хладагента?
Прежде всего, стоит разделить задачу на замену хладагента в существующем оборудовании и на производство нового оборудования, предназначенного для использования с новыми хладагентами.
Если в первом случае важными моментами являются:
Та же или близкая производительность 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, которые позволяют использовать существующее или близкое техническое решение
Во втором случае нужно, прежде всего, обращать внимание на ближайшую перспективу, например, использование указанных выше хладагентов R448A и R449A не целесообразно, поскольку в ближайшем будущем они будут выводиться из использования.
Прежде всего,стоит обратить внимание, что предлагаемые альтернативы либо требуют повышенных мер безопасности (горючесть, высокое давление, токсичность), либо влекут 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).
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 R507A. [5]
Применение дополнительных мероприятий (параллельное сжатие, эжектор, системы рекуперации, алгоритмы «плавающего» давления конденсации и др) позволяют существенно увеличить эффективность, однако требуют других подходов при проектировании холодильных установок [6]
Несмотря на эти трудности, ряд отечественных компаний успешно освоили эту технологию («Ингениум», «Норд СМ», «Лэнд», «Технофрост»).
Одной из первых отечественных компаний успешно осуществившей проектирование, монтаж и пуско-наладку транскритической холодильной установки с СО2 в качестве хладагента и с применением эжектора является компания «Норд СМ» [7].
Реализованный компанией «Ингениум» в 2019 году проект по реконструкции холодильной системы гипермаркета «METRO Cash&Carry» в Ульяновске не только позволил осуществить переход на новый хладагент, но и получить экономию 130 546 кВт*ч за 6 месяцев эксплуатации [8].
Интересный проект холодопроизводительностью свыше 3 МВт на разных температурных уровнях для логистического комплекса и распределительного центра «Глобус» был реализован компанией «Технофрост» в 2020 году. [9]
Не стоит забывать и об одном из первых гипермаркетов «Лента» в г. Орел, система холодоснабжения которого была спроектирована на базе каскадного цикла с СО2 в нижней ветви каскада. Разработка технического решения и поставка оборудования была осуществлена компанией «Лэнд» в 2015 году. [10]
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 [11]. «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 определенном подходе выше. Немаловажным фактом является и то, что эти вещества производятся непосредственно в Российской Федерации, что существенно снизит зависимость от импорта.
Отрицательными факторами применение 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.
Литература
Производители заявили о риске дефицита холодильников и кондиционеров
Допустимый в 2021 г. объем потребления гидрофторуглеродов на территории России исчерпан.
С.Д. Глухов, А.А. Жердев, В.В. Лубенец и др. Малотоннажный рефрижератор с холодильной установкой нового типа//Холодильное дело. 1997. № 1. С. 21-23
Архаров А. М., Шишов В. В., Талызин М. С. Сравнение с помощью энтропийно-статистического анализа транскритических циклов СО2 с циклами на традиционных хладагентах для систем холодоснабжения предприятий торговли// Холодильная техника. 2017. № 2. С. 34-41.
Шишов В.В., Талызин М.С. Применение методов классической термодинамики в цифровой экономике // Холодильная техника. 2018. № 5. С.36-39
В гипермаркете "Магнит" запущена транскритическая холодильная система на CO2
Логистический комплекс и распределительный центр сети гипермаркетов «ГЛОБУС»
