Хладагенты и масла ХОЛОД 4 2010

ХЛАДАГЕНТЫ И МАСЛА:
ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

     Производители торгового холодильного оборудования иногда слышат от заказчика: «Хочу, чтобы в оборудовании был такой-то холодильный агент». Но это не тот случай, когда «заказчик всегда прав». Наша задача – помочь потребителю правильно сориентироваться в вопросе выбора холодильного агента и особенностей его использования. Несмотря на неновизну приводимых материалов, выводы будут полезны как для потребителей холодильного оборудования, так и для работников сервисных служб.

     Еще 25 лет назад для торгового холодильного оборудования в распоряжении холодильщиков было 3 фреона (R12, R22, R502) и одно масло – минеральное. Проблем с их использованием не было. Затем выяснилось, что фреоны наряду с другими веществами разрушают озоновый слой атмосферы. Они были признаны экологически вредными и намечены к выводу из производства, а затем из обращения. Началась срочная разработка новых экологически чистых хладагентов. Одним из первых среди них появился хладон R134a. В настоящее время существует уже более полусотни
новых хладагентов. Понятно, что разобраться во всем этом
многообразии довольно сложно.
Холодильный агент – это рабочее вещество холодильной машины. [1] В различных частях холодильного контура он меняет свое агрегатное состояние. В испарителе за счет перехода из жидкого состояния в газообразное (кипение) происходит отбор тепла у окружающей среды (вырабатывается холод). В конденсаторе, напротив, тепло отдается окружающей среде и происходит процесс конденсации.




 

Основные требования к холодильным агентам:

• низкая температура кипения при атмосферном давлении;
• не слишком высокое давление конденсации;
• достаточно высокая объемная холодопроизводительность;
• растворимость в масле;
• не агрессивность к конструкционным материалам, маслам и уплотнительным материалам;
• как можно меньшая токсичность;
• невоспламеняемость;
• невзрывоопасность;

Кроме того, холодильный агент должен быть озонобезопасным и не повышать парниковый эффект.

Наиболее широкое применение в холодильной технике нашли органические соединения, подразделяемые на три большие группы:
Хлорфторуглероды (CFC), такие как R-11, R-12, R-13, R-500, R-502 и R-503. Однако эти хладагенты разрушают озоновый слой атмосферы, их производство запрещено с 1 января 1996 г Монреальским протоколом.
Гидрохлорфторуглероды (HCFC), такие как R-22. Они в меньшей степени, чем CFC разрушают озоновый слой. Сокращение производства R-22 началось с 2004 г, а к 2030г. намечено полное его изъятие из обращения.
Гидрофторуглероды (HFC), такие как R134a, R404A, R407, R507 и др. Они не содержат хлора, не разрушают озоновый слой и являются альтернативами к CFC и HCFC.
В качестве хладагентов наряду с чистыми  веществами (R134a, R22) широко используют их смеси, состоящие из двух и более компонентов. Смеси бывают азеотропные и неазеотропные (зеотропные).
Азеотропные смеси (R502, R507) ведут себя как однородные вещества, т.е. кипят и конденсируются при постоянном давлении и температуре На рисунке 1 показана диаграмма холодильного цикла азеотропного холодильного агента. При утечке из холодильного контура процентный состав азеотропной смеси не изменяется. Заправка установки может производиться как жидкой, так и газообразной фазой.
Неазеотропные (зеотропные) смеси (R404A, R407) в процессе кипения (конденсации) изменяют процентный состав компонентов. Кипение (конденсация) при постоянном давлении сопровождается изменением температуры на определенный показатель «сдвига» (так называемый температурный глайд). На рисунке 2 показана диаграмма холодильного цикла зеотропного холодильного агента. Процесс кипения при постоянном давлении сопровождается повышением температуры с t01 до t02, в то время как в процессе конденсации происходит снижение температуры с tк1 до tк2. В этой связи для зеотропных смесей несколько меняются определения перегрева и переохлаждения. [2].

Рис. 1. Диаграмма i – lg P для азеотропных хладагентов      Рис. 2. Диаграмма i – lg P для зеотропных хладагентов                               

Перегрев всасываемого газа определяется как разность между температурой на входе в компрессор tвс и температурой на линии насыщения «парожидкость – перегретый пар» t02 при постоянном давлении всасывания.
Переохлаждение жидкости определяется как разность между температурой на линии насыщения «переохлажденная жидкость – парожидкость» tк2 и реальной температурой жидкости перед дроссельным органом tu.
Кроме того, изменяется процентный состав смеси при утечке холодильного агента, что влечет за собой изменения, порой существенные, рабочих характеристик установки. В связи с этим, заправка холодильной системы должна производиться только жидкой фазой. А при обнаружении утечки, особенно, значительной, холодильную систему следует не дозаправлять, а перезарядить полностью (естественно, после устранения утечки).
Наиболее употребляемые хладагенты
В настоящее время в качестве рабочего вещества, применяемого в холодильных машинах торгового холодильного оборудования (холодильной мебели) наиболее часто используются хладагенты R134a, R22, R404A, R507.
Рассмотрим эти хладагенты немного подробнее и вопросы, возникающие при их применении в герметичных поршневых компрессорах холодопроизводительностью от 300 до 3000 Вт.
В таблице 1 приведены краткие характеристики хладагентов. [3]
Таблица 1. Краткие характеристики наиболее применяемых хладагентов

Таблица 2. Холодопроизводительность компрессоров

Хладон R134a применяется в среднетемпературных и высокотемпературных изделиях с температурами кипения (-20…-15)°С и выше. В низкотемпературных изделиях с температурами кипения (-25…-30)°С и ниже R134a применять нецелесообразно, поскольку система будет работать при давлении ниже атмосферного. При малейшей негерметичности существует опасность засасывания воздуха в систему, что отрицательно влияет на целый ряд параметров ее работы.
Хладоны R22, R404A и R507 с успехом применяются как в среднетемпературной так и в низкотемпературной холодильной мебели. Причем, используя хладон R507 вместо R22 можно получить более низкие температуры в изделии без опасности работы холодильной системы на вакууме (таблица 1).
Возникает естественный вопрос: какому же хладону отдать предпочтение в среднетемпературных изделиях? Немаловажным фактором в выборе хладагента является его объемная холодопроизводительность. В таблице 2 приведены значения холодопроизводительности компрессоров с одинаковым объемом цилиндра (Vц = 18 cм3), но на разных хладагентах.
Как видим, холодопроизводительность компрессора на R22 по сравнению с R134a в 1,5-1,7 раза выше, а на R404A/507 – в 1,8-2,1 раза выше. Сравните также, компрессор с объемом цилиндра Vц = 10 см3 на R404А/507 имеет такую же холодопроизводительность как компрессор с объемом цилиндра Vц = 18 см3 на R134а. Вывод напрашивается сам собой: выгоднее применять компрессоры, работающие на хладоне R404A или R507, поскольку они меньше по габаритам и, следовательно, дешевле. Это утверждение не относится к компрессорам малой производительности на R134a, в которых использование хладона R404A или R507 затруднено в виду сложности изготовления мелких деталей компрессора.

Сравнение характеристик хладагентов R404A и R507
Хладон R507, в отличие от R404A является азеотропной смесью, поэтому работать с ним легче. Заправлять систему можно как жидкой так и газообразной фазой, не возникает проблем, связанных с разделением смеси при утечке хладагента. Кроме того, в зеотропной смеси состав постоянно меняется при фазовом переходе. В узлах холодильной системы, где одновременно присутствуют паровая и жидкая фазы, фазы имеют разный состав. Поэтому в установках с зеотропными смесями, каковым является R404A, применять затопленные испарителя и отделители жидкости на линии всасывания не рекомендуется. [4] Но как же быть с низкотемпературными изделиями, в которых применяется оттайка горячим газом и где наличие отделителя жидкости на линии всасывания является обязательным? Понятно, что в этом случае предпочтение отдается хладону R507.
По вопросу о холодопроизводительности компрессоров на R404A и R507. Фирмы-производители компрессоров указывают одинаковую холодопроизводительность. Однако, объемная холодопроизводительность R507 выше, чем R404A. Сделав небольшой расчет и определив соотношение холодопроизводительностей компрессора на R404A и R507 в низкотемпературном и среднетемпературном режимах, при условии равенства коэффициента подачи l на хладоне R404A и R507 и при примерно одинаковой степени сжатия Рк/Р0,  расчетный прирост холодопроизводительности на R507 по сравнению с R404A составляет
9-12%.
Практически на R507 коэффициент подачи несколько ниже, чем на R404A за счет более высокой (на 7-10°С) температуры конца сжатия tад2. Поэтому прирост холодопроизводительности может составлять 2-5%, что малозаметно и находится в пределах погрешности опыта.
Проводились сравнительные испытания витрин на R404A и на R507. В одних и тех же условиях значительной разницы в результатах не наблюдалось. В случае использования в установке R507 температура кипения была на 1,5 градуса ниже, потребляемая мощность – меньше на 6%, средняя температура в охлаждаемом объеме – ниже на 0,4 градуса.

Влияние типа хладагента на теплопередающую способность испарителя

В торговом холодильном оборудовании применяются ребристо трубные испарители с естественной (aн = 5 Вт/м2×К) или вынужденной
(aн = 17 Вт/м2×К) конвекцией. Коэффициент теплопередачи k всегда несколько меньше, чем наименьший из коэффициентов теплоотдачи. В нашем случае aн намного меньше чем aвн. [5] Каким бы высоким не был коэффициент теплоотдачи от трубки к кипящему хладону aвн, общий коэффициент теплопередачи испарителя будет не выше, чем aн. Поэтому, влияние хладона на интенсивность теплопередачи в конвективных ребристотрубных испарителях ничтожно. Это говорит о том, что один и тот же испаритель можно применять как для хладона R134а, так и для R22 и R507.

Особенности использования масел
С появлением холодильных агентов класса фторуглеводородов (HFC) возникла проблема масел. [6] Традиционно используемое ранее с хладагентами R12 и R22 минеральное масло совершенно не пригодно в сочетании с фторуглеводородами (R134а, R404А, R507). Хладагенты HFC не растворяются в минеральном масле, образуя с ним расслаивающуюся двухфазную смесь. Это приводит к неудовлетворительной смазке компрессора из-за периодического попадания в зону смазки жидкого холодильного агента вместо масла, что приводит к быстрому износу трущихся частей или заклиниванию компрессора. Кроме того, при взаимодействии HFC и минерального масла образуются парафины, забивающие капиллярные трубки и сеточки фильтров, нарушая при этом нормальную циркуляцию холодильного агента.
Компрессоры, предназначенные для работы с хладагентами HFC заправляются специальным полиэфирным маслом, растворимым в данных хладагентах. Но необходимо помнить следующее:
· Полиэфирные масла чрезвычайно гигроскопичны. Канистру с маслом можно держать открытой не более 15 минут и масло из нее желательно использовать сразу, в противном случае оно очень быстро насыщается влагой. По этой же причине нельзя оставлять не заглушенной холодильную систему (например, при монтаже или ремонте). Главная опасность в том, что смесь эфира, HFC и воды образует фторводородную кислоту, которая разъедает изоляцию обмоток электродвигателя компрессора, что приводит к его сгоранию. По этой же причине в системах должны применяться фильтры-осушители, специально предназначенные для работы с HFC, которые имеют повышенную поглощающую способность. Желательно также, чтобы они выполняли функцию антикислотных фильтров.
· Нельзя смешивать эфирные масла разных производителей. В виду различных добавок эти масла могут оказаться несовместимыми между собой. При смешивании масел может измениться вязкость смеси, что может отрицательно сказаться на процесс смазки компрессора. Также может нарушиться растворимость масла с хладоном в присутствии масел другого семейства, особенно минерального. Для работы с хладагентами СFC и HFC необходимо иметь разные комплекты манометров, чтобы избежать случайного смешивания минерального и эфирного масел, которые могут оставаться в соединениях.
Поэтому при проведении ремонтных работ, связанных с дозаправкой системы хладоном и маслом, необходимо очень точное определение марки хладона и масла.
Еще один вопрос, на котором хотелось бы заострить внимание – это вопрос о герметичности холодильной системы при использовании HFC. Молекулы HFC имеют гораздо меньшие размеры, чем молекулы СFC. Система, герметичная при работе, скажем на хладоне R22, может оказаться негерметичной при работе на хладоне R134a или R507. Поэтому в системах с HFC рекомендуется избегать резьбовых соединений. А пайку производить особенно тщательно, используя при этом припой с повышенным содержанием серебра, так как такие соединения гораздо менее пористые.

Литература:

• Мааке В., Эккерт Г.-Ю., Кошпен Ж.-Л. Ученик по холодильной технике. Издательство московского университете. Перевод с французского В.Б. Сапожников и др. 1998. С 981-983.
• Бриганти А. Руководство по техническому обслуживанию холодильных установок и установок для кондиционирования воздуха. – М. Евро климат. 2004. С 218-221.
• Бабакин Б.С., Стефанчук Е.Е., Ковтунов В.И. Альтернативные хладагенты и сервис холодильных систем на их основе. М. «Колос», 2009.
• Ольшамовский В.С. и др. Особенности проектирования, монтажа и эксплуатации холодильных систем супермаркетов. Обладн. та технології харч. вир-в. – 2008. – Вип.. 19. – С. 43-50.
• Левін І. Теплопередавання у випарнику. // Холод. – № 2, 2010. – с 30-31.
• Котзаогланиан П. Пособие для ремонтника. Справочное руководство по монтажу, эксплуатации, обслуживанию и ремонту современного оборудования холодильных установок и систем кондиционирования. Перевод с французского В.Б. Сапожникова. – М,: Эдем, 2007. С 404-411.