Использование пропана в холодильной технике

АННОТАЦИЯ

В статье приведены данные по изучению экологически чистых холодильных агентов, обеспечивающие нормальное функционирование существующего парка малых холодильных установок. Освящены данные о влиянии холодильных агентов, в частности фреона R22, на разрушение озонового слоя, на глобальное потепление Земли и экспериментального исследования бытовой холодильной установки, заправляемой озонобезопасным холодильным агентом пропан, R290.

ABSTRACT

The article provides data on the study of environmentally friendly refrigeration agents that ensure the normal functioning of the existing fleet of small refrigeration units. The data on the effect of refrigerants, in particular R22 freon, on the destruction of the ozone layer, on global warming of the Earth, and on the experimental study of a household refrigeration unit fueled with the ozone-safe refrigerant propane, R290, are discussed.

Ключевые слова: ОРП - озоноразрушающий потенциал; ПГП–потенциал глобального потепления; ГХФУ – гидрохлорфторуглерод; ГФУ – гидрофторуглерод; УВ – углеводород; ВХА- воспламеняющийся хладагент; КП- коэффициент производительности (холодильный коэффициент)

Keywords: ODP - ozone depleting potential; GWP - Global Warming Potential; HCFC - hydrochlorofluorocarbon; HFC - hydrofluorocarbon; HC - hydrocarbon; VXA - flammable refrigerant; KP - performance factor (coefficient of performance)

Хладагент R290(пропан). Химическая формула С₃Н₈ (пропан). Относится к группе ГФУ (HFC). Потенциал разрушения озона ПРО(ODP)=0, потенциал глобального потепления ПГП (GWP)=3. Характеризуется низкой стоимостью и нетоксичен. При использовании данного хладагента не возникает проблем с выбором конструкционных материалов деталей компрессора, конденсатора и испарителя.

Пропан хорошо растворяется в минеральных маслах. Температура кипения при атмосферном давлении -42,1^oС. Преимуществом пропана является также низкая температура на выходе из компрессора. Однако пропан как хладагент имеет два принципиальных недостатка. Во-первых, он пожароопасен, во-вторых, размеры компрессора должны быть больше, чем при использовании в холодильной машине R22 заданной холодопроизводительности.

В промышленных холодильных установках пропан используют уже в течение многих лет. В последние годы все чаще предлагается применять пропан в холодильных транспортных установках.

Последствиями негативного воздействия на окружающую среду, которое оказывает выбросы гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ) и гидрофторуглеродов (ГФУ) является истощение озонового слоя и сопутствующее глобальное потепление. Годовое потребление озоноразрушающего ГХФУ R22 в секторе охлаждения Республики Узбекистан на 2010 год оценивается в количестве 236 метрических тонн. В соответствии с принятыми международными обязательствами, предусматривается поэтапный вывод из обращения ГХФУ R22 на 99,5% к 2020 году и окончательный вывод к 2030году. На настоящий момент разработаны и выпускаются альтернативные заменители ГХФУ 22, каковыми являются озонобезопасные смеси на основе ГФУ, это R407C, R404А и R410А и т. д. Поиск новых альтернативных хладагентов продолжается, так как, вышеуказанные ГФУ имеют высокие значения потенциала глобального потепления (ПГП). Страны Европейского союза отказывается от применения ГФУ и вводят новые, более жесткие Регламенты по фторсодержащим газам. Новый документ, который вступил в силу с начала 2015 года, вводит запрет на ГФУ в ряде устройств и к 2030 г. предусматривает сокращение оборота ГФУ на 79% в эквиваленте CO₂ по сравнению со средним уровнем 2009–2012 гг. С 2015 г. запрещено производить бытовые холодильники и морозильники с хладагентами с потенциалом глобального потепления (ПГП) выше 150. В герметичных холодильниках и морозильниках для коммерческого использования с 2020 г. будет запрещено использование веществ с ПГП от 2500[1].

По итогам 2020 года Узбекистан достиг прогресса в сокращении потребления озоноразрушающих веществ (ОРВ).

В 2017 г. потребление снизилось до 0,87 тонны с учетом озоноразрушающей способности (ОРС) (100% гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ)), т.е. на 98,8% от базового уровня (74,7 тонн ОРС в 1989 г.). Некоторое увеличение потребления – до 2,53 тонн ОРС – наблюдалось в 2018 г.[2]

В последние годы возрос интерес к использованию углеводородных хладагентов и частности к пропану (R290) в качестве альтернативы ГХФУ R22. Достоинством пропана является возможность использования его как в системах, разработанных для работы на пропане, так и в качестве замены в системах, предназначенных для работы на ГХФУ и ГФУ[3]. Это обстоятельство выгодно отличает пропан в сравнении с другими альтернативными ГХФУ хладагентами, позволяющим при определенных обстоятельствах, произвести замену хладагентов не только в новом, но и в действующем торговом холодильном оборудовании, вызванное прекращением использования озоноразрушающих хладагентов и ожидаемом ограничением использования хладагентов, влияющих на глобальное потепление.

Основными мотивами в пользу перехода торгового холодильного оборудования на пропан являются:

-увеличение энергоэффективности системы и как следствие, экономия энергии и снижение выбросов СО₂;

-уменьшение ущерба для окружающей среды путем прекращения использования озоноразрушающих веществ и ограничение использования веществ с высоким потенциалом глобального потепления;

-меньшая стоимость по сравнению с другими хладагентами, а также, наличие сырьевой и производственной базы для его производства в республике

 В промышленных холодильных установках нефтегазовой отрасли пропан (R290) используют уже в течение многих лет. Пропан рассматривается как перспективная, озонобезопасная и энергоэффективная альтернатива ГХФУ R22 в основном в торговом холодильном оборудовании и в малых установках кондиционирования воздуха с ограниченной заправкой, хотя и уже есть примеры его использования и в более крупных системах охлаждения таких как чиллеры.

Главный недостаток пропана-пожароопасность, накладывающая определенные ограничения при его применении в качестве хладагента в холодильном оборудовании. При проектировании систем, работающих на пропане, следует выполнять специальные требования безопасности, а также строго соблюдать технологию изготовления и монтажа, методы обслуживания оборудования, чтобы исключить дополнительные риски для технического персонала. Важно также соблюдать адекватные процедуры при извлечении из системы пропана и утилизации холодильного оборудования по завершению эксплуатации.

Свойства пропана: Для практического применения того или иного хладагента необходимо располагать достаточно большим объемом информации о его термодинамических, физико-химических, санитарно-гигиенических свойствах и экологических показателях, которые должны удовлетворять определенным требованиям. На сегодняшний день на первый план выходят тесно взаимосвязанные между собой экологические и энергетические показатели альтернативного хладагента. Свойства пропана изучены достаточно хорошо и подробно освещены в технической и справочной литературе. Химическая формула пропана С3Н8(R290). Относится к группе углеводородных хладагентов УВ (HC). Потенциал разрушения озона OPП=0, потенциал глобального потепления ПГП=3. Характеризуется низкой стоимостью и нетоксичен. Чистый пропан не обладает запахом. В соответствии с европейской классификацией EN–378-2, как и все другие углеводородные хладагенты, пропан (R290), относится к нетоксичным взрывоопасным, с низким пределом взрываемости, хладагентам группы А3. Степень чистоты пропана, используемого в качестве хладагента, должна быть высокой, так как, от этого зависит стабильность характеристик хладагента, что важно для работы компрессора и увеличения срока службы системы. Сжиженный газ, используемый в качестве топлива и для технических целей, с классом чистоты 95%, не подходит для заправки герметичных систем охлаждения, так как в нем содержание воды, серы и других примесей достаточно высокое и это негативно сказывается на энергетической эффективности и надежности холодильной системы. Для заправки систем охлаждения, должен использоваться пропан с классом чистоты 99,5%. Пропан с такой степенью чистоты химически не активен, поэтому никаких специфических проблем его использование не возникает. При использовании данного хладагента не возникает проблем с выбором конструкционных материалов деталей компрессора, конденсатора и испарителя, та же электроизоляция, те же уплотняющие материалы, трубы того же диаметра. Что касается процессов сервисного обслуживания то она должна строится с учетом свойства пропана воспламеняться. Температура нагнетания становится ниже, чем при работе на R22 или R502. Пропан можно сразу заправить в систему, где до этого был озоноразрушающий хладагент R22 при соблюдении особых требований. Как показали исследования, в этом случае теряется до 10% холодопроизводительности, если в системе ранее был R22, и 15%, если R502. Ряд специалистов считают, что и этого снижения можно было бы избежать, добавив к пропану пропилен. В таблице 1 приведены физические свойства пропана. 

  Таблица 1

Физические свойства R290

Применение пропана как хладагента в малом холодильном оборудовании и в небольших кондиционерах только на начальном этапе, и в связи с этим представляет практический интерес особенности и отличия его поведения в холодильной системе от R22, которые необходимо иметь в виду при проектировании и обслуживании холодильных систем. [3]

  Таблица 2.

Сопоставление пропана с основными хладагентами, используемыми в торговом холодильном оборудовании

Совместимость со смазочными маслами: Растворимость хладагента в смазочном масле является одним из его важных качеств, при хорошей растворимости обеспечивается эффективный возврат масла в компрессор и удается избежать ухудшения теплоотдачи в теплообменных аппаратах холодильной машины. Пропан обладает полной химической совместимостью почти со всеми типами смазочных масел, во всем диапазоне температур, используемых в холодильных машинах.

Нормальная температура кипения: Низкая нормальная температура кипения т.е. температура кипения хладагента при атмосферном давлении, указывает также на высокое значение давления при высоких температурах в конденсаторе. Если хладагент имеет высокую нормальную температуру кипения, давление в испарителе окажется ниже атмосферного и это может вызвать нежелательную ситуацию поступления, воздуха и влаги, содержащейся в воздухе в систему и вызвать определенные проблемы, такие как, повышение давления конденсации, температуры нагнетания, образование ледяной пробки в расширительном устройстве т.д. Нормальная температура кипения пропана близка к нормальной температуре кипения R22,и это один из основных факторов рассматривать пропан как единственный подходящий однокомпонентный заменитель.

Плотность: Плотность жидкого пропана, составляет меньше половины плотности R22 (примерно 42%) Это означает, что необходимая заправка пропаном будет существенно меньше заправки R22, так как основная часть заправки в холодильной системе находится в жидком состоянии. Соотношение между плотностью жидкого пропана и R22 можно использовать для расчета количества заправки пропаном, когда холодильная система переоборудуется с R22 на пропан.

Эффективность компрессора: Эффективность компрессора, которая учитывает все необратимые потери в компрессоре, немного выше на пропане чем на R22 при одинаковой степени сжатия Рк/Ро. Это обусловлено более низкими значениями потерь давления при прохождении паров хладагента через клапана. Кроме того, при работе на пропане, при одинаковых условиях, степень сжатия будет ниже чем на R22 и это тоже влияет на повышение эффективности как было указано выше.

Холодопроизводительность: Удельный массовый расход пропана в идентичном цикле примерно в два раза меньше удельно массового расхода R22 в то же время теплота парообразования пропана в два раза больше. В связи с этим холодопроизводительность одного и того же компрессора, в равных условиях работы, на R22 и на пропане отличается не значительно. Холодопроизводительность компрессора при работе на пропане примерно на 10% ниже.[4]

Основные элементы холодильной машины: Обычно системные компоненты холодильной машины на R22 и на пропане существенно не отличаются. Необходимо учесть воспламеняющиеся свойства пропана при выборе регуляторов давления, электромагнитных клапанов и других электрических приборов, и устройств чтобы они соответствовали условиям взрывозащиты.

Стандарты безопасности, связанные с воспламеняемостью пропана: Вопросы безопасности при проектировании и изготовлении холодильного оборудования, работающего на воспламеняющихся хладагентах (ВХА), включая пропан, отражены в соответствующих разделах международных и межгосударственных стандартов.

Список литературы:

1. Европейский опыт регулирования фторсодержащих газов. www.ozoneproram.ru.
2. Итоги 2020: Проект по полному выводу из потребления озоноразрушающих веществ в Узбекистане. https://www.uz.undp.org/content/uzbekistan/ru/home/presscenter/pressreleases 2020 /12/results-2020--complete-elimination-of-ozone-depleting-substances.html
3. Natural Refrigerants.PROKLIMA international.JoseM.Corberain.Use of hidrocarbons os working fluids in heat pums and refrigerations  eguipment. www.gts.de/proklima
4. Guidelines for the use of hydrocarbon refrigerants in static refrgerations and air-conditioning systems. ( fromACRIB) . www. airned.ni