R717 і R404A: переваги і недоліки

В рамках проекту «Удосконалення холодильного обладнання в Європі» (ICE-E) був опублікований звіт, в якому перераховані основні переваги та недоліки холодоагентів, найчастіше використовуваних у холодних складах та на харчовому виробництві, а саме R404A і R717 (аміак). Розбір проводився на прикладі компресійних чілерів.

Згідно зі звітом в Європі, незважаючи на зростаючу популярність аміаку, R404A залишається досить поширеним холодоагентом. У Північній Америці, навпаки, лідирує аміак, як мінімум у великих охолоджуваних складах і терміналах.

З точки зору залежності тиску від температури насичення, об'ємної холодопродуктивності і термодинамічного ККД оптимального контрольного циклу ці холодоагенти можна назвати взаємозамінними. У цьому зв'язку в інформаційному документі «Холодоагенти» з інформаційного пакету ICE-E застосовуються інші критерії аналізу основних переваг та недоліків R404A і R717: вартість хладагента, виявлення витоків, відповідність вимогам охорони навколишнього середовища або сумісність хладагента з іншими матеріалами.

Переваги аміаку перед R404A

До переваг аміаку перед R404A відносяться вартість, коефіцієнт теплопередачі, розмір трубопроводу, взаємодія з водою, простота виявлення витоків, відповідність вимогам охорони навколишнього середовища.

• Вартість. На даний момент вартість кілограма безводного аміаку, використовуваного в холодильному обладнанні, в кілька разів нижче вартості R404A. Якщо порівнювати вартість однакового обсягу двох взаємозамінних рідин, виходить, що аміак вдвічі дешевше R404A, так як в рідкому стані щільність R404A в два рази більше щільності аміаку.
• Теплопередача. Переваги, забезпечувані високим коефіцієнтом теплопередачі аміачного хладагента, можна використовувати двояко. З одного боку, зменшивши поверхню теплообміну, можна знизити вартість установки. З іншого боку, зменшивши різницю температур з рідинами в зовнішньому контурі, можна підвищити коефіцієнт теплопередачі установки і знизити вартість її експлуатації.
• ККД процесу стиснення. Завдяки використанню аміаку в поршневих компресорах підвищується ізоентропійний ККД стиснення. При цьому економія енергії відносно невелика: не вище 10%. Використання аміаку в гвинтових компресорах також позитивно впливає на ККД стиснення, але в цьому випадку економія енергії збільшується пропорційно підвищенню ступеня стиснення.
• Трубопровід. Перевага аміаку перед галоидзамещенной холодоагентами полягає в тому, що для нього потрібне трубопровід меншого діаметру, як у газоподібній фазі при високому або низькому тиску, так і в рідкій фазі в затопленому випарнику, куди холодоагент подається насосом.
• Взаємодія з водою. При нормальних робочих умовах в холодоагенті можуть бути присутніми сліди води через недостатнє осушення установки або в результаті просочування через місця витоків в ті частини холодильного контуру, де тиск нижчий атмосферного. З R404A вода не змішується і може замерзнути на вхідному або вихідному отворі дросельного пристрою, що призведе до зупинки роботи. З аміаком вода залишається в суміші, і це не має ніяких шкідливих наслідків. Для запобігання хімічної реакції з мастилом, утворення органічних кислот з корозійними властивостями, концентрація води в аміаку не повинна перевищувати 300 м. д.
• Виявлення витоків. Присутність аміаку легко відчути по запаху, відчувається вже при концентрації в повітрі 50 м. д. Оскільки у R404A запаху немає, то його витік стає помітною тільки після виходу більшій частині хладагента. Все це призводить до зупинки робочого процесу і економічним збитком.
• Взаємодія з мастилом. Оптимальним рішенням у цьому випадку є великий централізований холодильник безпосереднього випаровування із затопленими випарниками і окремими джерелами живлення. У ньому аміак і змащення не змішуються, що виключає можливість утворення бульбашок. Для видалення невеликої кількості мастила, що потрапляє в холодильний контур, використовують спеціальні маслоуловітелі, що розміщуються в тих частинах установки, де відбувається осадження мастила внаслідок її більшої щільності, ніж у рідкого аміаку. З маслоуловітеля мастило перенаправляється в картер компресора.
• Відповідність вимогам охорони навколишнього середовища. Випуск аміаку в атмосферу не приносить шкоди навколишньому середовищу. Реагуючи з вуглекислим газом і водою, присутніми у повітрі, аміак утворює нешкідливий двовуглекислий амоній (NH4HCO3). R404A ж відноситься до речовин з відносно високим потенціалом глобального потепління - 3260. Внаслідок цього використання R404A та інших ДФУ у великих кількостях обмежено законодавством, яке стає все більш і більш суворим. До переваг R404A перед аміаком відносяться взаємодію з матеріалами, кінцева температура адіабатичного стиснення і безпеку.
• Взаємодія з матеріалами. У той час як R404A повністю сумісний з поширеними металами (сталь, алюміній, мідь і їхні сплави), аміак (за наявності в ньому води) агресивно реагує з міддю, цинком і їх сплавами. Таким чином, єдиним придатним матеріалом для установок з аміаком є сталь, а використання звичайних граматичних і напівгерметичних компресорів виключено. Однак у великих централізованих установках це обмеження не грає великої ролі.
• Кінцева температура адіабатичного стиснення. Кінцева температура адіабатичного стиснення аміаку набагато вище, ніж у R404A. Висока температура вихідних газів, як правило, сильно знижує ККД внаслідок необхідності усунення перегріву, а втрати при перегріві не компенсуються втратами на дроселювання і в поршневих компресорах, що зменшує максимальну ступінь одноступінчатого стиснення в установках з аміаком. В установках з гвинтовими компресорами це властивість аміаку можна практично не приймати в розрахунок, оскільки у фазі стиснення відбувається рідинне охолодження масла, що впорскується в компресор. Слід зазначити, що високий ступінь перегріву у аміаку може стати перевагою при утилізації теплової енергії з перегрітої пари. Регенерація тепла з маслоохолоджувачів гвинтових компресорних агрегатів, в яких в якості холодоагенту використовується аміак, все частіше стає звичайною практикою.
• Горючість і токсичність. Згідно зі Стандартом 34-2010 ASHRAE ANSI / ASHRAE холодоагент R404A відноситься до групи безпеки А1, а аміак - В2 (горючі і токсичні речовини). Температура спалаху чистого R404A складає 728 ° C, аміаку - 630 ° C. Практична межа (максимальна концентрація в житловому приміщенні, що не вимагає негайного реагування, наприклад, термінової евакуації людей) R404A становить 0,48 кг/м3, аміаку - 0,00035 кг/м3. Однак запах аміаку служить застережливим сигналом, в той час як концентрація R404A може зростати непомітно.

Про проект ICE-E

Проект ICE-E організований Європейським агентством з конкуренції та інновацій. Його мета - сприяння власникам холодильних складів в скороченні споживання енергії та зменшення викидів парникових газів шляхом надання безкоштовних консультацій.

Крім математичних моделей в звітну документацію проекту входять предметні дослідження та інформаційні документи за технологіями і їх застосовності в різних типах холодильного обладнання. Робоча група проекту також тісно співпрацює з деякими власниками складів, проводячи повний аудит енергоспоживання і використання холодоагентів на місцях, а також інформуючи про нетехнічних перешкодах впровадженню нових технологій, наприклад, соціальних, політичних, економічних та організаційних аспектах.