Переход на хладагенты нового поколения с низким ПГП в кондиционерах промышленного типа, которые могут работать в тяжелых условиях и при высоких температурах окружающей среды, таких как металлургические заводы, прокатные станы

Мурат Йылдырым и Ахмет Кутсал Эрдоган

TMS Endüstriyel Soğutma Sanayi Ticaret A.Ş.

Определение и историческое развитие систем охлаждения

В системах кондиционирования воздуха сегодня широко используются циклы парового сжатия, история которых насчитывает около 200 лет. С помощью хладагента, используемого в цикле, тепло забирается из холодной зоны и передается в горячую. Таким образом, процесс охлаждения происходит за счет отвода тепла из горячей среды.  

Развитие систем охлаждения

С широким распространением циклов парового сжатия стало возможным использование систем охлаждения в любой области. Параллельно с кондиционерами комфортного типа были разработаны индивидуальные циклы охлаждения и в промышленных областях. Для процессов охлаждения были разработаны специальные хладагенты, особенно для различных температур окружающей среды. Если для устройств, используемых в таких помещениях, как холодильные камеры и морозильные камеры, и способных охлаждать при отрицательных температурах, выбирается жидкость высокого давления, то для охлаждения таких помещений, как литейные и прокатные цеха, где температура окружающей среды иногда достигает 80 °C ~ 90 °C, предпочтительны хладагенты низкого давления. Таким образом, достигается желаемая эффективность охлаждения.

В черной металлургии одной из жизненно важных потребностей является бесперебойное охлаждение кабин операторов и электрических помещений, расположенных на кранах, работающих на таких предприятиях, как литейные цеха. Кондиционеры промышленного типа, работающие в этих помещениях, должны обеспечивать непрерывный процесс охлаждения. Для достижения этой цели в конструкциях холодильных циклов до сегодняшнего дня предпочтение отдавалось хладагентам с низким рабочим давлением, таким как R227ea, R236fa, относящимся к группе HFC. Кондиционеры, использующие хладагент R227ea, могут работать в рабочей среде до 85 °C, а хладагент R236fa обеспечивает непрерывное охлаждение в рабочей среде до 90 °C.

Если обратиться к истории хладагента, то вначале в различных областях промышленности в качестве хладагентов использовались природные вещества. Однако тот факт, что большинство из этих веществ были легковоспламеняющимися, а также их токсическое воздействие замедлили их использование. В 1930-х годах использование холодильных систем получило широкое распространение в мировом масштабе с появлением синтетических хладагентов, названных хлорфторуглеродами (ХФУ), в том числе хладагента R12. Затем были разработаны гидрохлорфторуглеродные (ГХФУ) хладагенты, в том числе R22, которые широко использовались в течение длительного времени.

Влияние систем охлаждения на глобальное потепление

Несмотря на то, что системы охлаждения быстро получают широкое распространение по всему миру, было установлено, что эти жидкости играют определенную роль в разрушении озонового слоя. Чтобы измерить этот эффект на основе хладагента, был определен потенциал разрушения озонового слоя (ODP), и значение ODP для хладагента R-11 было определено как 1,0. Эффективность других хладагентов в разрушении озона была рассчитана как эквивалент. Хотя ГХФУ менее эффективны, чем ХФУ, они относятся к веществам, разрушающим озоновый слой. В сентябре 1987 года был принят Монреальский протокол о запрете озоноразрушающих химических веществ, включая хладагенты. Турция стала участником этого протокола 19 декабря 1991 года.

Чтобы устранить этот негативный эффект, в 1990-х годах в качестве альтернативы была разработана группа гидрофторуглеродов (ГФУ). ODP группы ГФУ равен нулю. Все широко используемые сегодня хладагенты, такие как R134a, R410a, R407c, R404a, относятся к этой группе. Благодаря использованию ГФУ удалось улучшить состояние озонового слоя, но вместе с этой группой жидкостей возникла проблема глобального потепления, называемая также эффектом парниковых газов. Большинство фторуглеродных химикатов относятся к группе, определяемой как парниковые газы. Хотя ГФУ имеют различные области применения, по данным 2012 года, около 80% от общего объема использования приходится на сектор кондиционирования воздуха (HVAC). [2]

Чтобы оценить влияние хладагентов на глобальное потепление, была разработана концепция потенциала глобального потепления (GWP). GWP — это мера относительного влияния различных газов на глобальное потепление. GWP показывает количество тепла, улавливаемого 1 тонной хладагента за определенный период времени, по отношению к количеству тепла, улавливаемого 1 тонной углекислого газа (CO₂ ). Здесь значение GWP для газа CO₂  определено как 1,0. Учитывая, что значение GWP хладагента R236fa составляет 9810, влияние хладагента R236fa на глобальное потепление в 9810 раз больше, чем газа CO₂ .

Значение, выраженное в тоннах CO₂  эквивалента, является взвешенным по GWP количеством хладагента и представляет собой массу хладагента, умноженную на значение GWP.

CO₂ эквивалент = масса (тонны) x GWP [2].

Например, расчет для 50 кг хладагента R236fa, используемого в кондиционере;

CO₂ эквивалент = 0,05 (тонн) x 9810

CO₂ эквивалент для данного устройства составит 490,5 тонн.

Во всем мире проводятся исследования, направленные на контроль выбросов парниковых газов, вызывающих глобальное потепление, и ограничение их использования в рамках календаря. Вслед за Монреальским протоколом, участниками которого являются 196 стран, 12 декабря 2015 года было подписано и открыто для подписания Парижское соглашение. Позже, 10-14 октября 2016 года в Кигали, столице Руанды, состоялась 28-я встреча сторонников Монреальского протокола, а 15 октября 2016 года Кигальская поправка вступила в силу 1 января 2019 года после ратификации поправки 65 участниками протокола. Хотя фторированные парниковые газы (ГФУ) не наносят вреда озоновому слою, их влияние на глобальное потепление может достигать 23 тысяч раз больше, чем у углекислого газа. Кигальской поправкой предусматривается, что выбросы этих газов будут сокращены на 80 гигатонн в углекислом эквиваленте до конца утвержденного календаря. [8]

На рисунке 1 показан график ограничения использования ГФУ.

Рисунок-1 Кигальская поправка, график сокращения ГФУ [2]

Страны группы А5 определены в статье 5 Монреальского протокола. Стороны, которые соответствуют определению, данному в Статье 5 Монреальского протокола, как правило, являются экономически развивающимися странами. Стороны, которые не являются странами Статьи 5 (не A5) или не соответствуют определению, данному в Статье 5 Монреальского протокола, как правило, являются экономически развитыми странами. [9]

В рамках этого календаря ставится задача уменьшить углеродный след за счет сокращения квот, устанавливаемых каждый год. [6] В этом календаре определены 4 категории в соответствии с группами стран. Категория A5 охватывает развивающиеся страны. В категории, не относящейся к A5, находятся развитые страны (A2). Турция входит в число развивающихся стран группы А51.

В рамках Кигальской поправки использование используемых ГФУ-газов будет сокращено на 85% до 2047 года. Таким образом, планируется снизить глобальное потепление на 0,4 °C ~ 0,5 °C и удержать его на уровне 1,5 °C.

В соответствии с публикацией регламента F-Gas и законодательством ЕС, с 1 января 2020 года производство систем охлаждения с использованием хладагентов с потенциалом глобального потепления (GWP) более 2500 запрещено и разрешено только для целей технического обслуживания. Разрешается использовать их для сервисных операций. Использование заправки жидкостью в целях обслуживания также ограничено 40 тоннами CO₂  эквивалента. [5] К 2030 году использование новых хладагентов для технического обслуживания или перезарядки будет полностью запрещено.

Кигальская поправка и Турция

В нашей стране Кигальская поправка была представлена в Большом национальное собрание Турции 25 мая 2019 года и принята 4 марта 2021 года. Наша страна также вступила на этот путь с принятием закона о F-газе, который вступил в силу в начале 2020 года. Наконец, 7 октября 2021 года Турция подписала Парижское соглашение по климату. [4]

С принятием Кигальской поправки в области хладагентов возникла необходимость в новых альтернативных жидкостях: после ХФУ и ГХФУ было введено ограничение на использование ГФУ. Исследования по разработке новых альтернатив продолжаются в двух категориях. В первой категории изучаются природные альтернативы хладагентам, такие как CO₂  (R744), пропан (R290), аммиак (R717), которые были известны ранее. Во второй категории находятся хладагенты группы гидрофторолефинов (HFO), которые называют экологически чистыми хладагентами нового поколения. Наиболее известными из них являются хладагенты R1234yf и R1234ze. Эти жидкости были разработаны в качестве альтернативы R134a, который является одним из наиболее используемых в настоящее время в группе ГФУ. [3] Значения GWP этих жидкостей, которые рассматриваются в качестве альтернативы, очень низкие по сравнению с жидкостями группы ГФУ. Если вы хотите сравнить пример, можно обратиться к таблице 1;

Таблица — 1 Значения GWP для различных хладагентов

Природные жидкости имеют существенные ограничения, особенно с точки зрения условий рабочей среды и обслуживания. Высокая воспламеняемость, например, R290 (пропан), ограничивает их использование в кондиционерах. Опять же, когда температура окружающей среды выше 20 °C, системы CO₂ работают в транскритическом режиме, который определяется как система охлаждения, испаритель которой работает ниже критической температуры, а конденсатор — выше критической температуры.

Несмотря на то, что недавно разработанные альтернативные жидкости (HFO) оказывают незначительное влияние на глобальное потепление, их классы горючести и токсичности выше, чем у группы ГФУ, что препятствует их использованию. Для устранения этих негативных характеристик разрабатываются новые хладагенты путем смешивания жидкостей группы HFO и HFC в определенных пропорциях. Эти новые смеси жидкостей разрабатываются для использования в цикле парового сжатия. Таким образом, жидкости с классами воспламеняемости A3 и A2, определенными ASHREA и представленными на рисунке 2, переходят в безопасный класс, классифицируемый как A2L и A1.

Рисунок-2 Классы ASHRAE по воспламеняемости и токсичности

Например, вместо прямого использования хладагента R1234yf, относящегося к группе HFO, в качестве альтернативы R134a, который широко используется в промышленных системах охлаждения, таких как чиллеры, был разработан хладагент R513a, относящийся к классу воспламеняемости A1. Он представляет собой азетропную смесь, полученную из 56% R1234yf и 44% R134a. График давление — энтальпия (p-H) и холодопроизводительность очень близки к R134a. С другой стороны, учитывая, что значение GWP составляет 631, влияние жидкости R513a на глобальное потепление было улучшено примерно на 55 % по сравнению с R134a. Эти разработки вносят положительный вклад в чрезвычайно важный с экологической точки зрения жизненный цикл продукта и его утилизацию.

Схожие термодинамические свойства альтернативно разработанных смесительных жидкостей и жидкостей ГФУ позволяют осуществлять переход на хладагенты в существующих кондиционерах при небольших затратах.

Использование хладагентов R227ea (GWP: 3220) и R236fa (GWP: 9810) в кондиционерах, используемых для охлаждения в высокотемпературных рабочих средах, было запрещено в Европе в соответствии с регламентом F-Gas. Производство и импорт новых устройств с использованием этих жидкостей запрещены на территории Европы. Кроме того, введены новые санкции в отношении существующих хладагентов, которые широко используются в кондиционерах. Например, для хладагента R134a (GWP: 1430), который является одним из наиболее широко используемых в промышленных кондиционерах, в Норвегии начал взиматься дополнительный налог в размере 1 095,38 норвежских крон (около 2 000 TL) за килограмм. Сумма налога увеличивается в зависимости от значения GWP хладагента и достигает более 10 000 норвежских крон за кг. Аналогичные меры были приняты и во многих других европейских странах. По этой причине были разработаны альтернативные хладагенты нового поколения с низким ПГП. В связи с этим возможен переход на невоспламеняющиеся альтернативные жидкости. Основными новыми альтернативными хладагентами, которые могут быть использованы, являются:

• R513a (56% R1234yf / 44% R134a – GWP : 631) – вместо R134a
• R450a (58% R1234ze / 42% R134a – GWP : 605) – вместо R227ea
• R515b (91.1% R1234ze / 8.9% R227ea – GWP : 293) – вместо R227ea и R236fa

Процесс перехода продолжается в Турции. Предполагается, что этот переход будет ускорен благодаря принятым ранее поправке Кигали и правилам F-Gas, а также Парижскому климатическому соглашению, подписанному в октябре 2021 года. В частности, 2024 год будет рассматриваться как начало для группы A5 1, включенной в календарь мер по снижению выбросов ГФУ в соответствии с Кигальской поправкой. Кроме того, процесс перехода был ускорен в Турции, где 29 июня 2022 года было опубликовано «Положение о фторированных парниковых газах». Коммерческие холодильники и морозильники (герметичное оборудование), содержащие гидрофторуглероды с ПГП 2500 и более (герметичное оборудование) с 1/1/2025 и коммерческие холодильники и морозильники, содержащие гидрофторуглероды с ПГП 150 и более (герметичное оборудование) с 1/1/2029, будут запрещены.

Компания TMS Industrial Refrigeration Inc. начала исследования хладагентов с низким ПГП в 2019 году. В результате исследований и разработок был принят ассортимент нашей продукции — охладители крановых кабин серии VKS.  В охладителях крановых кабин серии VKS, специально разработанных для суровых условий работы на металлургических заводах, использовались хладагенты R134a, R227ea и R236fa.  Были завершены альтернативные разработки для нового поколения хладагентов с низким ПГП и представлены новые линейки продукции. (Рисунок-3) TMS Industrial Refrigeration Inc. предлагает своим клиентам кондиционеры, в которых в качестве альтернативы используются хладагенты R513a, R450a или R515b, в соответствии с температурой рабочей среды. В связи с этим, начиная с 2020 года, для разных стран мира, особенно для европейских, выпускаются продукты, содержащие хладагенты с низким значением GWP.  

Рисунок — 3 Охладители кабины крана марки TMS разработаны для тяжелых условий работы (высокая температура и агрессивная среда)

По прогнозам, в ближайшем будущем переход на хладагенты нового поколения будет происходить очень быстро, что обусловлено как нормативными актами и соглашениями, участником которых является наша страна, так и растущей экологической сознательностью.

Ссылки:

• Danfoss –Варианты хладагентов сейчас и в будущем  (Август 2018)
• gov.tr –Информационная записка о Кигальской поправке
• Йылдыз, Р. Йылдырым «Энергетический и экологический анализ парокомпрессионных холодильных систем с использованием хладагента, альтернативного R134a (R513A)» Журнал науки и техники Университета Дузче, 8 (2020) 1817-1828
• Парижское соглашение по климату — Официальный вестник 7 октября 2021 г. Выпуск: 31621 (Повтор)
• «Холодильное и морозильное оборудование: Изменения в используемых хладагентах» gov.uk/environment-agency
• Доцент Семра Серит Мазлум «Глобальная климатическая политика» Анкара, 2019 г.
• Şen, «Турецкий проект постановления о газообразном топливе для реализации Кигальской поправки», https://turkishlawblog.com/read/article/269/turkish-draft-f-gas-regulation-to-implement-kigali-amendment
• «Турция ратифицировала Кигальскую поправку».https://yesilekonomi.com/turkiye-kigali-degisikligini-onayladi/
• https://tr.frwiki.wiki/wiki/Protocole_de_Montr%C3%A9al