Разработка хладагентов нового поколения

Требования, предъявляемые к хладагентам, касаются их безопасности, экологичности, производительности и экономической эффективности. Безопасность подразумевает нетоксичность и малый риск воспламенения, экологические требования включают нулевую озоноразрушающую способность (ОРС) и низкий потенциал глобального потепления (ПГП), с точки зрения производительности хладагент должен производить большое количество скрытой теплоты испарения, а фазовый переход должен происходить при постоянном давлении, экономическая эффективность требует, чтобы хладагент имел разумную цену и был доступен даже в развивающихся странах.

Также важно рассматривать хладагенты комплексно с точки зрения их воздействия на климат в течение всего жизненного цикла (LCCP). LCCP выражает экологическое воздействие на всех этапах от производства до утилизации (рис. 1).

Парниковое воздействие и воспламеняемость хладагентов

Большинство современных хладагентов представляют собой углеводороды, часть атомов водорода в молекуле которых заменена атомами фтора. Чем больше атомов водорода остается в молекуле, тем более горючим получается хладагент. Замена атомов водорода делает молекулу более стабильной, однако увеличение числа атомов фтора повышает ПГП.

Таким образом, парниковое воздействие хладагента находится в обратной зависимости от его горючести. Уменьшение воздействия на климат требует внедрения умеренно горючих хладагентов.

Многие предложенные хладагенты нового поколения умеренно горючи. Умеренно горючие хладагенты не создают угрозы возгорания, если величина утечки не слишком велика, их нелегко поджечь, поскольку для воспламенения требуется значительная энергия. В эту категорию попадают ГФУ-хладагент R32 и ГФО R1234yf.

Проблемы природных хладагентов

С тех пор, как фторсодержащие хладагенты стали рассматриваться как нежелательные, все больше внимания уделяется природным хладагентам, которые уже нашли применение в некоторых видах оборудования. Однако использование природных хладагентов сопряжено с различными проблемами, затрудняющими внедрение во всё оборудование для кондиционирования воздуха и охлаждения.

К таким проблемам относятся следующие:

1. Углеводородные (УВ) хладагенты, такие как пропан (R290), крайне горючи, и при утечке и воспламенении создают угрозу взрыва, поэтому их сложно использовать где-то кроме маломощного герметичного оборудования. Для безопасного применения УВ-хладагентов необходимы специальные технологии и совершенствование законодательства.

2. Аммиак токсичен, что ограничивает возможность его применения в густонаселенных районах.

3. Диоксид углерода (CO₂) нельзя использовать в оборудовании для кондиционирования воздуха из-за высокого давления и ограниченного диапазона рабочих температур. В то же время он уже применяется в холодильном оборудовании и тепловых насосах для нагрева воды.

4. Воздух и воду можно назвать абсолютными природными хладагентами, однако они имеют крайне низкий холодильный коэффициент, и процесс охлаждения с их использованием очень энергозатратен. Тем не менее, они уже применяются в специальных видах оборудования, таких как криогенные морозильники.

У природных хладагентов имеется множество проблем с точки зрения производительности и безопасности, однако совершенствование соответствующих технологий способно обеспечить их успешное внедрение и расширение области применения.

Текущее состояние разработки хладагентов нового поколения

Гидрофторолефины (ГФО) и смеси на их основе считаются хладагентами нового поколения, пришедшего на смену ГФУ. И хотя идеально, чтобы хладагенты были негорючими, многие ГФО умеренно горючи.

Сектора бытовых и полупромышленных кондиционеров воздуха уже переходят на использование умеренно горючего хладагента R32. Рассматривается возможность применения его и в VRF-системах, однако в этом случае проблемой является обеспечение безопасности из-за большего объема заправки. Кроме того, идет оценка рисков, связанных с пожароопасностью, при использовании R290 в маломощных системах кондиционирования.

ГФУ-хладагенты R404A и R410A по-прежнему широко используются в торговом холодильном со встроенными и выносными холодильными агрегатами, однако CO₂, нашедший применение в тех же сегментах, также набирает популярность. В таких сегментах, как холодильные склады, идет переход на аммиак.

Проблемы хладагентов нового поколения

Разработка хладагентов нового поколения ведется хаотически, и производители предлагают самые разные варианты.

В текущей ситуации наиболее перспективными выглядят смеси ГФО, однако смесевые хладагенты сложнее восстанавливать, и велика вероятность, что после извлечения они будут уничтожаться и выбрасываться. Кроме того, предлагаются хладагенты, содержащие хлор и йод, но в профессиональном сообществе нет единого мнения относительно их допустимости с точки зрения ОРС и других факторов.

Кажется, обойтись без использования горючих хладагентов не получится, однако для их безопасного применения требуются особые технологии и может понадобиться создание новых систем кондиционирования на основе новых принципов работы.

Таким образом, на сегодняшний день не существует хладагента, решающего все проблемы, и представляется, что для разных типов оборудования и областей применения в будущем будут использоваться свои специфические хладагенты. На самом деле, разные производители холодильных и климатических систем уже создают образцы оборудования, использующие разные хладагенты. Если дело так пойдет и дальше, если каждый производитель и продукт будут использовать свои собственные хладагенты, есть риск, что обращение с хладагентами и обслуживание оборудования сильно усложнятся.

При обсуждении того, какой из вариантов больше других соответствует званию хладагента нового поколения, основное внимание уделяется значениям ПГП. Однако безопасность не менее важна. Кроме того, важна эффективность охлаждения для каждого хладагента, и ее необходимо учитывать, так как низкая эффективность ведет к дополнительным выбросам CO₂, связанным с генерацией энергии. Есть надежда, что в 2030-2040-х годах появятся совершенно новые хладагенты, лишенные перечисленных недостатков.

Таблица 1. Примеры хладагентов нового поколения для каждого вида холодильного и климатического оборудования

Примечание: значения ПГП со знаком * приводятся по 5-му оценочному докладу (ОД) МГЭИК, прочие – по 4-му ОД МГЭИК.

По материалам статьи председателя НКО ENET21 Тецуро Кисимото для журнала JARN