Внимание — гидрофторолефины

Николай Петрович ЖУК, эксперт АПИМХ, старший преподаватель БНТУ, Советник МАХ, почетный холодильщик Беларуси

Федор Денисович САПОЖНИКОВ, кандидат технических наук, доцент БГАТУ



В начале XXI века после ряда международных соглашений по ограничению выбросов парниковых газов возник спрос на экологически безопасные хладагенты, которые смогли бы заменить существующие гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) и гидрофторуглероды (ГФУ), отличающиеся высоким парниковым воздействием. В качестве ответа на возникший спрос появилась интересная группа хладагентов, с которыми многие холодильщики уже столкнулись. Закономерно возникли вопросы: что это за вещества, какими свойствами обладают, как с ними правильно работать, какие особенности имеет оборудование на их основе, чем отличаются инструменты и материалы для этих веществ и другие? В рамках статьи постараемся ответить на эти вопросы.

Химические свойства
Гидрофторолефины (ГФО, HFO) — коммерческое наименование ряда ГФУ и гидрохлорфторолефины (ГХФО, HСFO) считаются отдельным, отличным от традиционных ГФУ и ГХФУ классом синтетических хладагентов.
Традиционные хладагенты представляют собой ациклические насыщенные алифатические углеводороды (алканы: метан, этан, пропан и т. д.), а также на их основе галогенные производные под общим названием фреоны (содержащие фтор (F), хлор (Cl)). Алканы имеют незамкнутую цепь с линейным или разветвленным строением молекулы, в которой только простые (одинарные) связи; они образуют гомологический ряд с общей формулой CnH2n+2 (n — число атомов углерода). Фреоны на основе углеводородов также имеют только простые связи, молекула полностью заполнена химическими элементами. К этой группе фреонов относится большинство традиционных чистых (однокомпонентных) фреонов, а также большое количество смесевых хладагентов на их основе (многокомпонентных) из серий 400 и 500.
Отличием ГФО и ГХФО является то, что они ациклические непредельные углеводороды (алкены или более знакомое название — олефины) и их галогенные производные. Алкены содержат в молекуле, помимо одинарных связей, одну двойную связь между атомами углерода и соответствуют общей формуле CnH2n. Их также называют ненасыщенными, поскольку их молекулы имеют меньшее число атомов, чем насыщенные. Сегодня известно более десяти ГФО, которые используются в различных отраслях. Подробнее об олефинах-хладагентах будет изложено далее.
Способ обозначения всех фреонов подчиняется общему правилу согласно ГОСТ ISO 817–2014 «Хладагенты. Система обозначений». Отличительной особенностью обозначения группы олефинов является то, что после буквы R добавляется цифра 1 для обозначения тысяч. Пример — на рис. 1 для пропилена. Также на рис. 1 указано главное отличительное свойство в строении молекул насыщенных и ненасыщенных углеводородов.

Рис. 1. Отличительные свойства в строении молекул углеводородов

 
И еще немного про обозначения олефинов. Даже при одном и том же составе атомов в молекуле возможно различное их взаимное расположение по отношению к нескольким атомам углерода — это существенно сказывается на свойствах хладагента. Поэтому в дополнительных обозначениях данной группы веществ после цифр добавляются строчные буквы (x, y, z, с, d, e, f, m), которыми обозначают расположение атомов водорода и фтора по отношению ко всем атомам углерода. Имеются также изомеры в рамках одного вещества. В данном случае дополнительно указывается заглавная буква в скобках (E, Z). Сегодня в качестве хладагентов наиболее часто используются олефины R1234yf и R1234ze(Е). В качестве примеров их общее строение приведено на рис. 2.

Рис. 2. Примеры обозначения некоторых ГФО

Физические и термодинамические свойства
Остановимся на основных свойствах ГФО, которые сегодня наиболее часто используются в качестве хладагентов. ГФО были специально разработаны для замены озоноразрушающих и/или парниковых холодильных и вспенивающих агентов (ГХФУ и ГФУ), и потому их физические (в частности, термодинамические) свойства схожи.
HFO-1234yf (2,3,3,3-тетрафторпропен — химическое наименование, товарный знак — Solstice® yf, торговая марка — Opteon™). Однокомпонентный хладагент. Представляет собой прозрачный бесцветный, сжиженный под давлением газ, не имеет запаха, тяжелее воздуха. Нетоксичен. Применяется в качестве хладагента в холодильном и климатическом оборудовании, а также в автомобильных кондиционерах (как альтернатива ГФУ-134а). Может использоваться для изготовления смесевых хладагентов.
HFO-1234ze(Е) (транс-1,3,3,3-тетрафторпропен — химическое наименование, товарный знак — Solstice® ze). Однокомпонентный хладагент. Прозрачный бесцветный газ, не имеет запаха, тяжелее воздуха. Термически устойчив до 200 °С. В качестве хладагента предназначен для применения в чиллерах, системах централизованного холодоснабжения, еще используется как компонент смесевых хладагентов.
Как и R134а, олефины R1234yf и R1234ze являются хладагентами среднего давления. Основные химические, физические, термодинамические и некоторые экологические характеристики этих ГФО в сравнении с R134а указаны в табл. 1.

Физиологические свойства
ГФО относятся к категории A по токсичности (ASHRAE 34 «Классификация по группам безопасности»), то есть малотоксичные (нетоксичные для человека), предел допустимого воздействия >400 ppm, малая вероятность отравления. Группа пожарной безопасности ГФО — 2L, то есть трудновоспламеняемые, горючие, с низкой скоростью горения. Для воспламенения требуется концентрация более 100 г/м3 (как правило, не менее 300 г/м3). Удельная теплота сгорания — менее 19000 кДж/кг. Низкая скорость распространения пламени (менее 10 см/c). Как правило, для воспламенения необходимы особые условия. На практике низкая скорость распространения пламени означает, что смесь воздуха c хладагентом не взорвется, а лишь воспламенится при зажигании (в том числе от искры), что требует менее строгих правил при его использовании.
Следует избегать прямого контакта с жидким хладагентом. Температура испарения (особенно у R1234yf) достаточно низкая, хладагент может повредить кожу, глаза и дыхательные пути. Для работы с хладагентом необходимо использовать средства индивидуальной защиты (защитную одежду, перчатки, очки).
Опасность для человека (помимо горючести) представляет и то, что ГФО, несмотря на малую токсичность, непригодны для дыхания. ГФО являются асфиксантами — веществами, способствующими вытеснению кислорода из воздуха и вызывающими его нехватку для дыхания человека. При этом они в четыре раза тяжелее воздуха, бесцветны и не имеют запаха. В связи с чем очень важно обеспечить вентилирование рабочего места, особенно, если хладагент используется ниже уровня земли (в подвалах, шахтах, котлованах).

Экологические свойства
ГФО имеют очень хорошие экологические характеристики: нулевой озоноразрушающий потенциал и относительно низкий потенциал глобального потепления. Распадаются на безвредные компоненты и исчезают из атмосферы в течение нескольких дней, в отличие от хладагента R134a, который остается в окружающей среде несколько лет.

Производство и использование
ГФО разработаны и производятся компаниями DuPont и Honeywell (США). В настоящее время эти фирмы расширяют производство ГФО, вводя в эксплуатацию новые предприятия как в США, так и за их пределами: в Китае, Мексике, что в перспективе должно способствовать их большей доступности. Производство ГФО на территории иных государств и другими компаниями в течение ближайших лет не планируется из-за патентных ограничений.
Область применения данных веществ достаточно широка. Это и экологически безопасные альтернативные хладагенты, и пропелленты, вспениватели, технологические средства очистки, обезжириватели, промывочные жидкости, растворители и др.

Экономические свойства
Следует отметить, что практически все ГФО стоят заметно дороже классических хладагентов, которые призваны заменить. Однако за счет повышения энергоэффективности холодильных систем затраты могут быть скомпенсированы. Кроме того, большинство ГФО горючи, что накладывает ограничения на размер систем, размещаемых внутри помещений.
Для обеспечения безопасности при работе с ГФО-хладагентами необходимы высокая квалификация и опыт персонала. При работе с этими веществами потребуются другое оборудование для заправки, комплектующие, инструменты, материалы и т. д.
Об особенностях, с которыми придется столкнуться при эксплуатации холодильных систем с ГФО, расскажем в следующем номере журнала.


Журнал "Микроклимат и холод" (3 номер 2020)

 

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