Монтаж и сервис оборудования по использованию возобновляемых источников энергии. Том 4. Монтаж и сервис тепловых насосов

Почанин Юрий

Первое поколение характеризуется первоначальными попытками человека создавать новые виды холодильных машин. В процессе поиска оптимума используется все, что попадается под руку, в том числе опасные вещества (токсичные, взрывоопасные, горючие).

Второе поколение рабочих жидкостей представляет собой фреоны (углеводороды с галогена замещенными атомами водорода). Временной отрезок хладагентов второго поколения приходится на 1930-1990-е годы, который иногда называют эрой фреонов. Ключевыми показателями фреонов становятся энергоэффективность и безопасность для человека (в отличие от агентов первого поколения).

Дальнейшее развитие стремительно форсируется открытиями

озонового слоя и эффектами его разрушения. Все фреоны, содержащие хлор (основной разрушитель озона) объявляются вне закона, и начинается срочный поиск альтернатив. Типичным представителем синтетических хладагентов третьего поколения является озон безопасный R134a (который, однако, утепляет окружающую среду). Внедрение хладагентов четвертого поколения (с 2010 года) связано с необходимостью не только защитить озоновый слой, но и минимизировать эффекты глобального потепления, за которые ответственны холодильные агенты. Наиболее известным представителем хладагентов четвертого поколения является R1234yf (Opteon™ yf), представляющий собой гидрофторолефин.

Решения Монреальского протокола коренным образом изменили подход к традиционным озон разрушающим хладагентам, и начиная с 90-х годов на одно из первых мест вышел вопрос об опасности изменения климата и сохранения эмиссии парниковых газов, вызванной применением таких хладагентов. По степени озон разрушающей активности озонового слоя Земли галоидопроизводные углеводороды разделены на три группы:

1.хладагентами, с высокой озон разрушающей активностью, являются хлорфторуглероды (ХФУ) R11, R12, R13, R113, R114, R115, R502, R503, R12B1, R13B1 (или по международному обозначению CFC11, CFC12, CFC13 и т. д.) и др.;

2. хладагенты с низкой озон разрушающей активностью- гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) R21, R22, R141b, R142b, R123, R124 (или по международному обозначению HCFC21, HCFC22, HCFC141b и т. д.) и др., в молекулах которых содержится водород. Для этих веществ характерно меньшее время существования в атмосфере по сравнению с ХФУ, и, как следствие, они оказывают меньшее влияние на разрушение озонового слоя. Ряд многокомпонентных рабочих тел, предлагаемых в качестве альтернативы ХФУ, содержат в своем составе ГХФУ, например R22;

3. хладагенты, не содержащие атомов хлора – это, фторуглероды ФУ (FC), гидрофторуглероды ГФУ (HFC), углеводороды (НС) и др. считаются полностью озон безопасными. Таковыми являются хладагенты R134, R134a, R152a, R143a, R125, R32, R23, R218, R116, RC318, R290, R600, R600a, R717 и др.

В качестве альтернативы запрещенным к производству хладагентам Монреальским протоколом рассматриваются следующие классы веществ: гидрохлорфторуглероды (ГХФУ), гидрофторуглероды (ГФУ) и природные хладагенты – аммиак, диоксид углерода, вода, углеводороды.

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 озон разрушающим потенциалом и способствуют глобальному потеплению. CFC относятся к группе запрещенных

хладагентов. Так же тепловые насосы должны обладать высокой энергетической эффективностью, что бы тепловые насосные 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 тепловой насосной системы больше зависит от конструкции самого теплового насоса и системы распределения энергии, чем от рабочей жидкости, используемой в контуре сжатия.

HCFC (гидрохлорфторуглероды) 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 способствующего глобальному потеплению. Хладагенты группы HCFC являются, так называемыми переходными рабочими жидкостями. Они предназначены только для модернизации теплонасных систем.

Тепловые насосы заполняются различными безопасными хладагентами. В таблице 2 приведены характеристики хладагента R407C.

Таблица 2 Характеристики хладоагента R407C.

Если тепло отводится водой или воздухом, то различные хладагенты позволяют достичь следующих температур:

R717около+50°С, R502 около+50°С, R22 около+53°С, R134a около+72°С, R142 около+100 °С.

2. Высокопроизводительный испаритель. Испаритель как конструктивный элемент представляет собой емкость, в которой происходит превращение в пар жидкого хладагента. Хладагент, циркулируя по замкнутому контуру, проходит через испаритель. В нем хладагент разогревается и превращается в пар. Образующийся пар под низким давлением направляется в сторону компрессора. Для передачи тепла применяется пластинчатый теплообменник из нержавеющей стали, состоящий из множества наслоенных друг на друга и спаенных металлических пластин. Благодаря большой поверхности теплообменника и незначительной вместимости имеющаяся тепловая энергия может быстро переноситься от источника тепла к хладагенту. Теплообменник работает по принципу противотока с целью оптимального использования энергии. Пластинчатый теплообменник имеет изоляцию, защищающую от накапливающегося конденсата.

Технология, равномерно распределяющая хладагент через специальную систему впрыскивания по всем пластинам, позволяет добиться существенно лучшего теплообмена и тем самым более высокого коэффициента полезного действия.

3.Компрессор. В компрессоре пары хладагента подвергаются действию давления, и их температура возрастает. Компрессор перекачивает под большим давлением разогретый пар в сторону конденсатора. Обычно, в тепловых насосах используются объемные компрессоры, которые можно разделить на следующие типы: поршневые, роторные, спиральные и винтовые.

Компрессоры, в которых конечное давление перекачиваемой среды достигается в одном процессе сжатия, называются одноступенчатыми компрессорами. Соответственно компрессоры, в которых конечное давление достигается в нескольких последовательных процессах сжатия, между которыми охлаждается хладагент, называются многоступенчатыми компрессорами. Так же существует ряд других классификаций, однако мы рассмотрим 4 основных типа, перечисленных выше, которые чаще всего используются в тепловых насосах.