Как известно, из принципа действия теплового насоса с замкнутым циклом сжатия, для обеспечения эффективной работы требуется рабочая жидкость для тепловых насосов. Эти жидкости еще называют: хладонами, фреонами, хладагентами. Эти рабочие жидкости обеспечит стабильную работу и высокую эффективность теплового насоса с заданными параметрами. Традиционно, наиболее распространенные рабочие жидкости для тепловых насосов являются:
- R12 (Хлорфторуглерод CFC-12) малая и средняя температуры (макс. 80 ° C);
- R114 (Хлорфторуглерод CFC-114) Высокая температура (макс. 120 ° C);
- R500 (Фреон R500) средняя температура (до 80 ° C);
- R502 (Фреон R500) низкая и средняя температуры (макс. 55 ° C);
- R22 (Хлорфторуглеводород HCFC-22), применяется практически во всех обратимых и низкотемпературных тепловых насосах (макс. 55 ° C).
CFC (Хлорфторуглероды)
В связи высокой химической активностью и содержанием в составе этих рабочих жидкостей хлора Хлорфторуглероды (CFC) вредны для окружающей среды. Данные рабочие жидкости обладают высоким озоноразрушающим потенциалом и способствуют глобальному потеплению. Негативное воздействие на окружающую среду и озоновый слой определяется «Общим эквивалентным воздействием потепления (TEWI)».
CFC относятся к группе запрещенных хладагентов. Это означает, что они запрещены к использованию в новых объектах. Однако по-прежнему разрешено их использование в существующих холодильных и теплонасосных установках. Эта группа включает в себя следующие хладагенты: R11, R12, R13, R113, R114, Р115, R500, R502, R13B1.
Общее требование к модернизированным тепловым насосам при переходе на альтернативные рабочие жидкости заключается в том, что такие установки должны обладать более высокой надежностью и экономической целесообразностью, чем системы, использующие CFC хладоны. Так же тепловые насосы должны обладать высокой энергетической эффективностью, что бы теплонасосные системы оставались интересны с точки зрения энергосберегающей альтернативы традиционным видам получения энергии. В дополнении к поиску экологически чистых рабочих жидкостей важна модернизация и усовершенствование самих тепловых насосов. Поскольку эффективность теплонасосной системы больше зависит от конструкции самого теплового насоса и системы распределения энергии, чем от рабочей жидкости используемой в контуре сжатия.
HCFC (гидрохлорфторуглероды)
HCFC так же содержат в своем составе хлор, но имеют гораздо более низкий потенциал разрушения озонового слоя чем CFC, около 2-5% от показателей R12. Так же у HCFC в пять раз ниже потенциал способствия глобальному потеплению. Хладагенты группы HCFC являются, так называемыми переходными рабочими жидкостями. Они предназначены только для модернизации теплонасных систем. В группу входят следующие хладагенты: R22, R401, R402, R403, R408 и R409. Таблица 1 показывает график поэтапного отказа от CFC и HCFC для промышленно развитых стран, которая была согласована в рамках Монреальского протокола его поправок и корректировок. От применения HCFC в промышленно развитых странах планируется отказаться к 2020 году и отказаться во всем Мире к 2040 году.
HFC (гидрофторуглероды)
HFC рассматриваются в промышленности как перспективные альтернативные хладагенты. Данные рабочие жидкости не содержат хлора. В группу HCF входят такие хладоны как: R134a, R152a, R32, R125 и R-507. Однако эти хладагенты все же не полностью безопасны для окружающей среды, так как их применение способствует глобальному потеплению. Особенностью этих рабочих жидкостей является то, что традиционные минеральные смазочные масла не растворяются в них. Поэтому необходимо использовать сложные эфирные масла для корректной работы теплового насоса. В процессе замены хладагента необходимо обратить особое внимание, что бы все остатки минеральных масел были удалены из теплового насоса.
График поэтапного отказа от HCFC и CFC в развитых странах.
| Дата | Меры контроля |
|---|---|
| 1 января 1996 | CFC запрещено к Использованию использование HCFC заморожено на уровне 1989 года. HCFC+ 2,8% в 1989 году от уровня потребления CFC (базовый уровень) |
| 1 января 2004 | Использование HCFC сократилось на 35% ниже базовых уровней |
| 1 января 2010 | Использование HCFC сократилось на 65% |
| 1 января 2015 | Использование HCFC сократилось на 90% |
| 1 января 2020 | Использование HCFC прекращено. Использование для сервисных служб позволяет применять до 0,5% до 2030 года для существующего холодильного оборудования и оборудования кондиционирования воздуха. |
- R134a по своим теплофизическим свойствам схож с фреоном R12. Коэффициент преобразования (COP) теплового насоса с R134a будет практически такой же, как для R12 при низкой температуре кипения (ниже -1 ° С). С ростом температуры кипения COP будет снижаться.
- R152a используется главным образом как один из компонентов в смеси R-500, но он также успешно применяется в ряде малых теплонасосных систем и бытовых холодильниках.
- R32 обладает невысокой горючестью. А так же практически не способствует глобальному потеплению. Он рассматривается как заменитель фреону R22 в области кондиционирования, тепловых насосах и в промышленном холодильном оборудовании. Благодаря малой горючести R32 применяют в смесях как основной компонент.
- R125 и R143a имеют схожие свойства с фреонами R502 и R22. Эти хладоны чаще всего используют в тройных смесях.
Смеси
Смеси представляют собой хорошую альтернативу для замены фреонов CFC и HCFC. Смесь состоит из двух или более чистых рабочих жидкостей, и может быть зеотропная, азеотропной или близкой к азеотропной. Азеотропной смеси испаряются и конденсируются при постоянной температуре, остальные в определенном диапазоне температур (температура скольжения). Температура скольжения может быть использована для повышения производительности, но для этого требуется изменение конструкции оборудования. Преимуществом смесей является то, что они могут быть выполнены под каждую систему индивидуально, чтобы соответствовать конкретным потребностям.
Старые смеси призванные заменить фреоны R22 и R502 обычно содержали в своем составе небольшую часть R22 или другие хлорсодержащие рабочие жидкости. Поэтому они являются переходными хладонами.
Новое поколение смесей для замены R502 и R22 не содержат в своем составе хлор. Наиболее часто для использования в смесях используют хладоны группы HFC (R32, R125, R134a, R143a) и углеводороды (например, пропан). R410a и R407с наиболее распространенные хладоны используемые в долгосрочных перспективных объектах, призванные, в конечном итоге, заменить все хлорсодержащие рабочие жидкости. Основные различия между этими рабочими жидкостями заключаются в их химическом составе. R410a представляют собой смесь R32 и R125 и имеет минимальную температуру скольжения. R407c состоит из смеси хладонов R32, R125 и R134a и имеет большую температуру скольжения. При замене хладонов в уже существующих установках необходимо учитывать множество особенностей. Режимы работы, такие как давление и температура скольжения у R410a и R407c различаются с R22 и R502, поэтому возникает необходимость замены некоторых компонентов теплонасосных систем или проводить существенною реконструкцию при замене хладонов в существующих установках.
Природные рабочие жидкости
Природные рабочие жидкости – это вещества, содержащиеся в биосфере в естественном состоянии. Как правило, они не имеют негативного влияния на окружающую среду. Поэтому их применение может быть хорошей альтернативой хлорсодержащим фреонам. Примерами природных рабочих жидкостей являются: Аммиак (NH3), углеводород (пример пропан), двуокись углерода (CO2), воздух и вода. Некоторые из природных рабочих жидкостей являются горючими или токсичными. Поэтому их применение весьма ограничено.
- Аммиак (NH3) является широко распространенным во многих странах как рабочая жидкость в средних и крупных тепловых насосах. Аммиак имеет высокую горючесть, поэтому существую жесткие правила и нормы при использовании его как хладагента в теплонасосных системах. Высокие термодинамические показатели и легкодоступность аммиака могут стать хорошей альтернативой фреонам для применения аммиака в новых системах. Обычно его используют в системах высокого давления позволяющие достичь температуры конденсации до 78 ° C. Медь является несовместимой с аммиаком, поэтому все элементы, контактирующие с рабочей средой должны быть выполнены из стали.
- Углеводороды (УВ) хорошо известные горючие рабочие жидкости с хорошими термодинамическими свойствами. В настоящее время пропан, пропилен и смеси пропана, бутан, изобутан и этан рассматриваются инженерами как перспективные рабочие жидкости для использования в теплонасосных системах. «УВ» широко используется в нефтяной промышленности, эпизодически применяется в холодильном транспорте, бытовые холодильниках / морозильниках и бытовых тепловых насосов. В связи с высокой горючестью углеводородов необходимы усиленные меры безопасности и особые конструкции теплонсосного и холодильного оборудования.
- Вода является отличной рабочей жидкостью для высокотемпературных промышленных тепловых насосов благодаря её высоким термодинамическим свойствам. Так же вода не является горючей и токсичной. Обычно воду используют в открытых и полуоткрытых системах и изредка в замкнутых системах. Рабочая температура находится в диапазоне от 80 ° C до 150 ° C. Недостатком воды является низкая теплоемкость по сравнению с традиционными хладонами, это требует применения мощных компрессоров особенно в диапазоне низких температур.
- CO2 является потенциально хорошим хладагентом, который привлекает все большее внимание во всем мире. CO2 является нетоксичной, негорючей и совместима с множеством смазочных материалов и не подвергается негативному воздействию при контакте с металлами применимыми в отрасли. Однако термодинамические свойства CO2 как рабочей жидкости невысоки и требуют особых подходов к конструированию тепловых насосов.
