Кровеносная система холодильной установки: хладагенты

Кровеносная система холодильной установки: хладагенты

Поговорим про холодильные агенты. Они же хладагенты, они же фреоны. Что это, зачем нужны и как применялись в разное время.

Даем прогноз на дальнейшее развитие ситуации с хладагентами. Поэтапно описываем сложности, с которыми сталкивались и сталкиваются специалисты при производстве и проектировании холодильных установок. Материал носит ознакомительный характер и будет интересен как холодильным специалистам, так и конечным пользователям.

Рынок холодильного оборудования сильно перестраивается. Меняется законодательство, мировая политическая обстановка и требования заказчиков. Прямо или косвенно всё это задает тон и направление рынка.

На законодательном уровне произошли изменения в правилах использования хладагентов. В силу вступило несколько важных документов:

  • принятие Монреальского протокола запретило использование озоноразрушающих веществ (документ);

  • подписание Киотского протокола Россией запретило использование парниковых газов (документ);

  • постепенное вступление в силу Кигалийской поправки вынуждает сокращать производство ГФУ и полностью перестраивать нашу отрасль в настоящее время (документ).

Мы прикрепили полные официальные тексты документов на русском языке для ознакомления.

Все эти инициативы изменили развитие многих отраслей и напрямую коснулись нашей.

Изменения заставляют холодильных инженеров постоянно обучаться и применять новые знания на объектах.

Например, наши сотрудники регулярно проходят обучения и получают опыт как на российских площадках, так и обмениваются опытом с зарубежными коллегами. Это помогает нам внедрять инновационные технологии в холодостроении, подстраиваться под изменения отрасли и конечно же гордиться своими объектами.


Хладагент – рабочее вещество, используемое в холодильной установке для поглощения и отдачи тепла. Переносит тепло от охлаждаемого объекта к источнику высокопотенциальной теплоты (например, к воздуху).

Таким образом, функция хладагента идентична функции крови в организме.

Принято выделять три группы хладагентов. Они классифицируются по влиянию на озоновый слой Земли.

  1. Хлорфторуглероды (ХФУ, английская аббревиатура CFC).

К этой группе относятся: R-11, R-12, R-13, R-111, R-112, R-113, R-113а, R-114, R-115.

Накапливаются в верхних слоях атмосферы и истончают озоновый слой. Производство и использование данных веществ запрещено

  1. Хлорфторуглеводороды (ГХФУ, английская аббревиатура HCFC)

К этой группе относятся: R-21, R-22, R-31, R-121, R-122, R-123, R-124, R-131, R-132, R-133, R-141, R-142в, R-151, R-221, R-222, R-223, R-224, R-225, R-231, R-232, R-233.

Вызывают слабое истощение озонового слоя. Производство и потребление данных фреонов ограниченно.

  1. Фторуглеводороды (ГФУ, английская аббревиатура HFC).

К этой группе относятся: R-23, R-32, R-41, R-125, R-134, R-143, R-152, R-161, R-227, R-236, R-245, R-254.

Безопасные хладагенты, для части из них использование разрешено, но потребление сокращается с принятием Кигалийской поправки.

Поколения хладагентов

Историческая справка о применении

До 1990

В бытовом, малом и среднем холоде были распространены хладагенты хлорфтоуглероды (ХФУ) и гидрофторуглероды (ГФХУ). В крупном промышленном секторе – аммиак. Но он агрессивен к меди и медным сплавам. Использовалась только стальная арматура и трубопроводы.

Баллон с фреоном

Часто применялись схемы с промежуточным хладоносителем хлорида кальция (CaCl2). Он обладает хорошими теплофизическими свойствами, но чрезвычайно коррозионно активен.

Инженеры использовали наработанные десятилетиями стандартные технические решения. Специалистам практически не требовалось проходить переподготовку. Никаких иных радикальных изменений не происходило.

В это время появились электронные контроллеры и системы управления на базе программируемых логических контроллерах (ПЛК).

Винтовые компрессоры с объемной производительностью более 1000 м3/час  возникли тогда же. Они позволили расширить зону применения фреонового оборудования.

Начало 2000-х

В это время происходил активный переход с ХФУ и частично ГХФУ хладонов на ГФУ. Законодательство запретило использование хладонов типа R12, R13, R502, и т.п. Они больше не используются.

Это потребовало коренной перестройки отрасли. Новые хладагенты были не совместимы с минеральным маслом. Для ГХФУ применяли алкилбензольные масла и полусинтетические. Для ГФУ были синтетические масла.

Новые установки проектировались на ГФУ, а старые модернизировались. Это требовало дополнительных действий от специалистов:

  • Заменяли ряд компонентов автоматики, в части ТРВ, вставок фильтров и пр.

  • Инженеры промывали холодильные системы до полного удаления остатков минерального масла, заново заправляли синтетическим маслом и новым хладоном

  • Устанавливали новые приборы КИПиА, вспомогательное оборудование — манометрические станции, коллекторы и т.п.

Производители проектировали вновь строящиеся холодильные системы на ГФУ или на аммиаке, но были исключения в виде использования ГХФУ R22.

Крупные предприятия и большие склады при этом использовали в качестве хладагента аммиак. В связи с тем, что в России действовали строгие правила безопасности для опасных производственных объектов с аммиаком, многие предпочитали переходить на фреоны.

Для промежуточных хладоносителей стали активно применять водные растворы этилен- и пропиленгликоля. Этиленгликоль ядовит, а пропиленгликоль является разрешённой пищевой добавкой. Поэтому пропиленгликоль получил широкое распространение на предприятиях, связанных с переработкой, хранением, производством продуктов питания и в области фармацевтики.

До 2019 года

До 2019 года в холодильной отрасли установилось определённое равновесие.

  • В новых холодильных системах использовали ГФУ хладоны или аммиак. Наблюдалось чёткое структурирование по температурным диапазонам и областям применения.

  • В области высоких температур специалисты использовали R134a — для тепловых насосов или высокотемпературных кондиционеров.

  • В области средних температур для обычного кондиционирования инженеры применяли смесевые зеотропные R407C и R410A. У R407C температурный глайд значительно выше по сравнению с R410A.

  • В зоне низкого холода активно использовался R404A или R507A. R507 является азеотропной смесью. Не имеет температурного глайда, хотя и является смесевым. Это позволяет производить дозаправку холодильной системы при любых степенях утечек (при использовании зеотропных смесей не более 15-20%).

  • При чрезвычайно низких температурах переходили на каскадные схемы R404A, R507A/R23 на нижнем каскаде.

На промышленных объектах с мощностями более 1 МВт (1000 кВт) пальму первенства продолжал держать аммиак. Особенно он был популярен при использовании насосной подачи.

Активно использовались комбинированные гибридные схемы хладагент/хладоноситель.

Наметились тенденции к сокращению объемов заправки хладагента.

Использовались:

  • чиллеры с компактной заправкой аммиака — фреона.

  • подача холода к потребителям насосной схемой с использованием хладоносителей.

Активно применялся фрикулинг, особенно на кондиционерных чиллерах с использованием промежуточного хладоносителя.

Были реализованы первые коммерческие проекты на каскадных системах СО2, коммерческие и промышленные объекты на транскритических системах СО2.

Появились новые хладагенты класса HFO (ГФО). Они имели более низкий потенциал глобального потепления по сравнению с ГФУ.

Система управления стала чрезвычайно гибкой, перенастраиваемой. Большинство крупных объектов начали строить на базе энергосберегающих технологий. Особенный акцент на этом делали крупные сетевые ритейлеры.

Применяли свободно программируемые электронные контроллеры (ПЛК). Они обеспечивали автоматическую перенастройку (подстройку) основных параметров работы холодильной системы. Это позволяло достичь максимального холодильного коэффициента (COP) и автоматически минимизировало энергопотребление.

Примеры других энергосберегающих технологий:

  • Использование частотных преобразователей для электродвигателей компрессоров, вентиляторов конденсаторов.

  • Применение электронных расширительных вентилей. Они обеспечивают поддержание перегрева в испарителе на минимально допустимом уровне.

  • Рекуперация тепла — особенно низкопотенциального для системы подогрева воды, водных растворов гликолей.

  • Оттайка воздухоохладителей горячими газами или теплым гликолем с использованием системы рекуперации.

  • Бустерные холодильные установки — на фреонах и СО2.

  • Применение регенеративных теплообменников. Применяли разные схемы:

    • с экономайзером для винтовых агрегатов;

    • с дополнительным переохлаждением жидкого хладагента;

    • выпаривание жидкости с линии всасывания и прочее…

С 2020 года

В это время вступила в силу Кигалийская поправка. Она предусматривает поэтапное сокращение потребления ГФУ до уровня 15%. С 2019 года перед инженерами очень остро встал вопрос о дальнейшем развитии отрасли в соответствии с законодательством.

Этапы снижения ГФУ в соответствии с Кигалийской поправкой:

Этапы сокращения потребления фреонов ГФУ

Источник: Вывод озоноразрушающих веществ и фторсодержащих газов в Российской Федерации

В настоящее время подавляющее большинство холодильных систем работает на ГФУ или аммиаке.

Бытовой и малый коммерческий холод использует в качестве хладагентов углеводороды — пропан или бутан. Однако применение их в области промышленного холода будет сдерживаться. Причина — высокая взрывоопасность даже при небольших концентрациях в отличие от аммиака.

При давлении 0,1 МПа (1 атм.) и при температуре 15-20°С опасная концентрация  газов по объему:

  • аммиак от 15% до 28%

  • пропан от 2,3% до 9,5%

  • бутан от 1,8% до 9,1%

Количество транскритических установок СО2 в Европе

Происходит активное проектирование и внедрение транскритических схем на R744 газе (СО2). Европа — лидер по распространению СО2 систем в мире.

Появляются линейные компоненты и автоматика, выдерживающие давления до 120-140 бар. Этот мощный толчок в развитии СО2 произошел благодаря разработкам мировых лидеров холодильного рынка, в частности компании Danfoss. Они смогли наладить массовое производство компонентов, работающих на столь высоком давлении.

Так же активно используются ГФО хладагенты, которые имеют минимальный  Потенциал Глобального Потепления наравне с R744.

Количество систем с малой заправкой аммиака

Вторую жизнь и значительный толчок в развитии получили и аммиачные системы — системы с минимальным объемом заправки. В графике приведены данные за четыре года, как по системам на CO2, так и на аммиаке.

Перспективы развития

Сейчас уже известна дальнейшая перспектива развития отрасли.

  1. К 2030 году нас ждет постепенное сокращение и полный отказ от использования гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ) хладонов типа R.

  2. Поэтапное сокращение до 15% ГФУ хладонов типа R134a, R404А, R410A, R507A к 2036 году.

  3. Замена ГФУ на ГФО, например вместо R134a — R1234yf или R1234ze,

  4. Возврат к природным хладагентам:

  • углекислый газ (CO2-R744);

  • аммиак (NH3-R717);

  • углеводороды (пропан R290, бутан R600, изобутан R600a).

Область применения холодильных агентов

Возникает много споров между приверженцами той или иной технологии проектирования холодильных систем. Но факт остается фактом: в ближайшие десятилетия ожидаются серьёзные перемены в области использования хладагентов. Сложившаяся ситуация требует перестройки всех отраслей промышленности и науки. Затронет это всех специалистов холодильного рынка — занимающихся монтажом, пусконаладкой, обслуживанием систем, работающих на природных хладагентах, в особенности на CO2 (R744).

Диаграмма фазовых состояний СО2

Уже сейчас следует обратить особое внимание на принципиальные отличия свойств углекислого газа от традиционных хладагентов. Особенно это касается фреонов. На всех этапах — от проектирования и разработки, до их эксплуатации и обслуживания следует тщательно анализировать решения. Необходим постоянный контроль на всех стадиях реализации холодильных проектов. Особое внимание стоит уделить на компоненты, в том числе сосуды, работающие под высоким давлением.

В таблице приведены характеристики природных хладагентов:

Таблица сравнения свойств хладагентов

Источник: Вывод озоноразрушающих веществ и фторсодержащих газов в Российской Федерации

Очень важно применять качественное, проверенное и сертифицированное оборудование. Фаренгейт консультирует своих клиентов по подбору и проектированию. Всегда подскажем в какой системе какой хладагент применить выгоднее и закажем необходимые компоненты на ваш объект. Обучаем как применять энергоэффективные и современные решения для всех типов применений холодильных систем. Работаем и консультируем как лидеров рынка, так и небольшие инжиниринговые компании. Мы стояли у истоков проектирования и создания первых СО2 холодильных установок в мире! О самых интересных объектах написано тут.

Традиционный лидер промышленного холода аммиак все больше и больше получает конкурента в виде СО2 транскритических систем. Их доля в промышленном холодоснабжении растет.

Производители СО2 комплектующих направляют свои усилия на их укрупнение. Создаются более крупные компрессоры, клапаны. Это дает импульс создания ещё более мощных СО2 транскритических установок, создавая большую конкуренцию традиционным аммиачным решениям.

Диапазон применения холодильных агентов


В ближайшие 10-15 лет параллельно будут проектироваться и развиваться системы, работающие как на ГФУ, так и на ГФО, СО2, так и на аммиаке. Они будут использоваться в  коммерческом и промышленном холоде.

Бытовой холод уже практически полностью перешёл на использование углеводородов, так что здесь каких-либо принципиальных изменений не будет.

Стремительное развитие ожидается в транскритических системах СО2. По нашему мнению в ближайшем будущем это станет ключевым решением для таких сфер, как магазиностроение (супер и гипермаркеты), логистические центы, хранение и переработка продуктов питания

— Серавин Александр, руководитель компании Фаренгейт


Давтян Александр
Филатова Анна
Серавин Александр

Автор: ООО «Фаренгейт»

Комментарии 0

При поддержке
Международный центр научной и технической информации
Ассоциация предприятий индустрии микроклимата и холода
Международная академия холода
Россоюзхолодпром
Ассоциация холодильной промышленности и кондиционирования воздуха Республики Казахстан
Всероссийский научно-исследовательский институт
холодильной промышленности