Особенности проектирования холодильных систем на альтернативных хладагентах (часть 2)

Марина МАРЧЕНКО, главный специалист по разделу «Холодоснабжение», индивидуальный предприниматель

Данная статья завершает цикл статей, касающихся проектирования систем холодоснабжения на так называемых альтернативных хладагентах.
Сегодня миру не известен единый озонобезопасный хладагент с низкими потенциалом глобального потепления, который был бы взрыво- и пожаробезопасен, обладал высокими термодинамическими свойствами, низкой стоимостью, при эксплуатации систем требовал бы минимум вспомогательного оборудования, простые системы автоматизации, да еще и применялся во всех температурных диапазонах — от низкого холода до области кондиционирования. Для каждой задачи пока приходится подбирать наиболее оптимальный хладагент, обладающий как достоинствами, так и недостатками.
Стоит напомнить, что к альтернативным хладагентам наиболее часто относят следующие основные: R744 (CO2), R717 (аммиак), R32, R1234ze, R600a (изобутан), R290 (пропан) и R1270 (пропен или пропилен). Альтернативными эти вещества называются не потому, что сейчас их не применяют (например, аммиак в холодильной технике используется уже более 160 лет), а потому, что мировое сообщество во главе с экологами активно призывают переходить на данные хладагенты, как альтернативу ныне распространенным фторсодержащим фреонам, которые хотя и являются озонобезопасными, но имеют высокий потенциал глобального потепления (ПГП, или GWP). Сравнение значений ПГП различных хладагентов представлено в табл. 1 (ОРП — озоноразрушающий потенциал).


ПГП — коэффициент, определяющий степень воздействия различных парниковых газов на глобальное потепление. Альтернативные хладагенты, помимо неразрушающего воздействия на озоновый слой, имеют низкий ПГП, наряду с хорошими термодинамическими свойствами. Большинство из альтернативных являются природными хладагентами и разлагаются на природные компоненты. Вопрос лишь в их концентрации в случае аварии и в рабочих давлениях. Эти два показателя напрямую связаны со степенью необходимых мер безопасности, уровнем автоматизации систем и со стоимостью основного оборудования, материалов и систем предотвращения чрезвычайных ситуаций.
Рассмотрим альтернативный хладагент R290 (пропан). Он относится к углеводородам — природным газам, которые безопасны для озонового слоя атмосферы и не способствуют развитию парникового эффекта. 
Пропан (R290) в чистом виде — бесцветный газ, не имеющий запаха. Однако в технический газ могут добавляться компоненты для сигнального оповещения в целях безопасности. Пожаро- и взрывоопасен. Образует с воздухом взрывоопасные смеси при концентрации паров от 1,7 до 10,9 %. Для человека газ малотоксичен, но оказывает пагубное воздействие на центральную нервную систему. Малорастворим в воде. Легко переходит в жидкое состояние при повышении давления. Критическая температура пропана Tкр = 370 К, критическое давление Pкр = 4,27 МПа.
Стандартное максимально допустимое давление в системе (PS):
— на стороне высокого давления — 18,1 бар для R290;
— на стороне низкого давления — 10,4 бар для R290.
R290 имеет сопоставимое с R404A соотношение температуры и давления, а также удельную холодопроизводительность. Основное конструкционное отличие обусловлено более высокой воспламеняемостью этого хладагента. В связи с последним, объем заправки пропана ограничен (об этом — чуть ниже), некоторые электрические компоненты должны быть предназначены для использования во взрывоопасной среде. Группа опасности R290 в соответствии с ГОСТ EN 378-1 соответствует А3. 
Основные технические особенности, относящиеся к системам на пропане (R290) следующие.
1. Компрессор. Большинство компрессоров подходит для работы на R290, обязательное условие — наличие четкого указателя на компрессоре о допустимости его применения углеводородными хладагентами. Также эти компрессоры должны быть оснащены внутренними устройствами защиты и пусковыми устройствами, исключающими возникновение искр в примыкающем к компрессору пространстве. На компрессоре должна быть маркировка о наличии в системе пропана. Обогрев картера компрессора допускается (для предотвращения чрезмерного растворения пропана в смазочном масле).
2. Теплообменные аппараты. Испарители и конденсаторы допускается применять как пластинчатые, так и кожухотрубные, по типу охлаждения — водяные и воздушные.
3. Дросселирующие устройства. В качестве терморегулирующих вентилей допустимо применять все типы, что и для R404a или R22, имеющие близкое соотношение давления. В качестве электронных регулирующих вентилей должны применяться специальные, соответствующие требованиям взрывопожарной безопасности электрических компонентов.
4. В качестве фильтра-осушителя на стороне жидкого хладагента применяются осушители типа «молекулярное сито» и поглотители (цеолит, силикагель).
5. Трубопроводы медные.
Основной недостаток R290 — его пожароопаснсть.
В соответствии с ГОСТ IEC 60335-2-24–2016 холодильные системы, в первую очередь бытовые холодильники, малое торговое оборудование, бытовые кондиционеры и подобные устройства, ограничиваются заправкой легковоспламеняющимися хладагентами (к которым относится R290) в количестве не более 150 г на одну единицу оборудования, и при таких условиях могут быть размещены в тех же помещениях, что и холодильные системы, заправленные синтетическими хладагентами без дополнительных ограничений.
Количество заправляемых воспламеняемых хладагентов в системах кондиционирования воздуха и тепловых насосов регламентируется ГОСТ EN 378-1 и имеет формульную зависимость от варианта размещения внутреннего блока (на полу, на стене, на окне, на потолке), от высоты монтажа (до 2,2 м), от площади поверхности пола с учетом значения 20 % от нижнего концентрационного предела воспламенения НКПВ = 0,038 кг/м3 (для R290 это табличная величина — по ГОСТ EN 378-1).
Наряду с общими знаниями по обслуживанию холодильного оборудования, персонал, выполняющий работы на холодильных системах, использующих горючие хладагенты, должен пройти обучение и получить соответствующие знания по правилам обращения с горючими хладагентами. Особенно важны и специфичны при работе с R290 правила обращения с тарой, правила заправки и контроля утечек, извлечение хладагента и утилизация оборудования. Эти операции требуют четкого знания, понимания и ответственности от исполнителей работ, так как в работе с пропаном на кону стоит их здоровье, а в некоторых случаях — жизнь.
По термодинамическим свойствам пропан R290 схож с ГХФУ R22, поэтому в ряде случаев его можно использовать как хладагент прямого замещения в устройствах, изначально спроектированных для работы с R22. При этом плотность пропана почти в десять раз меньше, то есть тот же объем пропана, заправленного в систему, будет весить меньше, чем при заправке ГХФУ. Такая модернизация холодильного оборудования по замене озоноразрушающих фреонов на современные аналоги называется ретрофит.
Пропан допустимо использовать в системе, в которой ранее применялся озоноразрушающий хладагент (в случае соответствия требованиям взрывопожарной безопасности электрических компонентов в соответствии с классом исполнения этого оборудования), поскольку пропан при этом не требует замены минерального масла, электроизоляции, уплотняющих материалов или изменения диаметра труб. По данным исследований, при ретрофите наблюдается уменьшение холодопроизводительности до 10 %, если в системе ранее использовался R22. 
До принятия решения о переводе холодильной установки на R290 необходимо тщательно оценить технические возможности и экономическую целесообразность такого перевода, взвесить риски и выгоды.
Ретрофит невозможен в следующих случаях:
— во взрывопожароопасных помещениях (категории А и Б);
— для мульти-сплит-систем и канальных систем кондиционирования, которые содержат, как правило, большое количество хладагента в системе (более 1,5 кг);
— холодильных установок с разветвленной системой трубопроводов, имеющих более одного испарителя, а также двухступенчатых холодильных установок. 
Но пропан применяется не только для ретрофита на существующих системах как способ продлить срок службы холодильного оборудования. R290 в последние годы получил распространение в Европе в качестве хладагента для торгового холода, а в последний год такие торговые объекты появились и в Республике Беларусь.
Ввиду строгого ограничения веса заправляемого хладагента в единице оборудования для помещения с неконтролируемым количеством людей — супермаркеты (не более 150 г R290 в одной единице), в описываемых установках применены системы с водяным контуром. Такие системы обычно включают в себя агрегатированные витрины с конденсаторами водяного охлаждения и моноблочные холодильные камеры, также оснащенные конденсаторами с водяным охлаждением. Расположенные снаружи гликолевые чиллеры охлаждают гликоль, необходимый для витрин и моноблоков для отвода тепла от конденсаторов с водяным охлаждением.
Плюс подобной системы — минимальная интенсивность утечек, которая обычно составляет 1 % от общего объема заправки хладагента в год (для сравнения, в системах централизованного холодоснабжения нормативно допустимы утечки хладагента в пределах 10–15 % объема заправки системы в год). Поэтому увеличение потребления энергии из-за утечек и выбросов хладагента в атмосферу не происходит. Также значительным плюсом применения гликолевого охлаждения конденсаторов является возможность использования трасс гликоля из пластиковых трубопроводов вместо медных — при варианте воздушного охлаждения пропана. Такой тип системы более устойчив — он менее подвержен изменениям заданных параметров при обслуживании, что в значительной степени влияет на энергопотребление. 
Минусом данной системы можно считать потенциальную опасность от наличия компрессора и элементов системы со взрывопожароопасным агентом в помещении с массовым пребыванием людей, а также хоть и незначительный, но шум в торговом зале от самих компрессоров витрин.
С учетом всего сказанного, системы холодоснабжения на пропане имеют значительные преимущества по сравнению с системами на «классических» фреонах (R507a, R134A и др.). Преимуществами систем на пропане можно считать:
— стоимость R290 (примерно в 2–2,5 раза меньше), к тому же для заправки требуется значительно меньшая масса пропана (из-за его меньшей плотности);
— возможность применения водяных конденсаторов и градирен для охлаждения гликоля, снижается риск утечки пропана ввиду сокращения трасс с хладагентом, зачастую трассы ограничиваются объемами теплообменных аппаратов (витрин либо моноблоков для камер);
— из предыдущего пункта следует, что возможна экономия и на материалах: вместо медных нагнетательных трубопроводов могут применяться пластиковые, что значительно дешевле. К тому же в таком случае водяного конденсатора в аппарате минимален риск утечки хладагента, поскольку сторона нагнетания, где давление системы максимально (от компрессора до конденсатора), находится в пределах оборудования, что также сокращает объем заправки R290.
Основным недостатком проектирования систем на R290 является необходимость подбора специальных по степени взрывопожарной безопасности электротехнических устройств (двигатель компрессора, электронный регулирующий вентиль). А также усложняется монтаж — в части требований техники безопасности.
В целом можно сказать, что в настоящее время технологии в области холода шагают вперед. Известные мировые производители оборудования и компонентов систем осваивают все новые энергосберегающие технологии, постоянно повышая надежность работы элементов и систем автоматизации, совершенствуют свойства материалов и отдельных компонентов, уменьшая число «тонких» мест, что способствует внедрению новых технологий и применению их на практике.
 
Копирование и переработка любых материалов этого сайта для публичного использования их (размещение на других сайтах, публикации в печатных изданиях, размещение в электронных СМИ и проч.) разрешается исключительно при получении письменного согласия Дирекции АПИМХ (017) 357 43 32, e-mail: apimh@tut.by
 

 

КАРТА САЙТА ГЕОГРАФИЯ ЧЛЕНОВ ПРАВИЛА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРЕИМУЩЕСТВА ЧЛЕНСТВА
Разработан при финансовой поддержке проекта
ПРООН/ГЭФ
© Copyright 2014 apimh.by. All Rights Reserved
Developed by Alla Neskina, 2014

 адрес:              220007, г. Минск, ул. Артиллеристов, 8, к.11

телефон:         (017) 205 43 32

                          (017) 222 14 95

e-mail:              apimh@tut.by