Робочі рідини для теплових насосів

Для забезпечення ефективної роботи теплонасосного циклу потрібна певна робоча рідина з добрими теплофізичними властивостями. Ці рідини ще називають: хладон, фреон, холодоагентами. Ці робочі рідини забезпечать стабільну роботу та високу ефективність теплового насоса із заданими параметрами. Традиційно найбільш поширені робочі рідини для теплових насосів є:

• R12 (Хлорфторвуглець CFC-12) мала та середня температури (макс. 80°C);
• R114 (Хлорфторвуглець CFC-114) Висока температура (макс. 120 ° C);
• R500 (Фреон R500); середня температура (до 80 ° С);
• R502 (Фреон R500) низька та середня температури (макс. 55 ° C);
• R22 (Хлорфторвуглеводень HCFC-22), застосовується практично у всіх оборотних і низькотемпературних теплових насосах (макс. 55°C).

CFC (Хлорфторвуглеці)

У зв’язку з високою хімічною активністю та  містом у складі цих робочих рідин хлору  Хлорфторвуглеці (CFC) шкідливі для навколишнього середовища. Дані робочі рідини мають високий озоноруйнівний потенціал і сприяють глобальному потеплінню. Негативний вплив на довкілля та озоновий шар визначається «Спільним еквівалентним впливом потепління (TEWI)».

CFC відносяться до групи заборонених холодоагентів. Це означає, що вони заборонені для використання у нових об’єктах. Однак, як і раніше, дозволено їх використання в існуючих холодильних та теплонасосних установках. Ця група включає наступні холодоагенти: R11, R12, R13, R113, R114, Р115, R500, R502, R13B1.

Загальна вимога до модернізованих теплових насосів при переході на альтернативні робочі рідини полягає в тому, що такі установки повинні мати більш високу надійність і економічну доцільність, ніж системи, що використовують CFC хладони. Так само теплові насоси повинні мати високу енергетичну ефективність, щоб теплонасосні системи залишалися цікавими з погляду енергозберігаючої альтернативи традиційним видам енергії. На додаток до пошуку екологічно чистих робочих рідин важлива модернізація та вдосконалення самих теплових насосів. Оскільки ефективність теплонасосної системи більше залежить від конструкції самого теплового насоса та системи розподілу енергії, ніж від робочої рідини, що використовується в контурі стиснення.

HCFC (гідрохлорфторвуглеці)

HCFC також містять у своєму складі хлор, але мають набагато нижчий потенціал руйнування озонового шару ніж CFC, близько 2-5% від показників R12. Також у HCFC у п’ять разів нижчий потенціал сприяння глобальному потеплінню. Холодагенти групи HCFC є, так званими перехідними робочими рідинами. Вони призначені лише для модернізації теплоносних систем. До групи входять такі холодоагенти: R22, R401, R402, R403, R408 та R409. Таблиця 1 показує графік поетапної відмови від CFC та HCFC для промислово розвинених країн, яка була погоджена в рамках Монреальського протоколу його поправок та коригування. Від застосування HCFC у промислово розвинених країнах планується відмовитися до 2020 року та відмовитися у всьому світі до 2040 року.

HFC (гідрофторвуглеці)

HFC розглядаються у промисловості як перспективні альтернативні холодоагенти. Дані робочі рідини не містять хлору. До групи HCF входять такі хладони як: R134a, R152a, R32, R125 та R-507. Однак ці холодоагенти все ж таки не повністю безпечні для навколишнього середовища, так як їх застосування сприяє глобальному потеплінню. Особливістю цих робочих рідин є те, що традиційні мінеральні мастила не розчиняються в них. Тому необхідно використовувати складні ефірні олії для коректної роботи теплового насоса. У процесі заміни холодоагенту необхідно звернути особливу увагу, щоб всі залишки мінеральних масел були видалені з теплового насоса.

R134a за своїми теплофізичними властивостями схожий на фреон R12. p align=”justify”> Коефіцієнт перетворення (COP) теплового насоса з R134a буде практично такий же, як для R12 при низькій температурі кипіння (нижче -1 ° С). Зі зростанням температури кипіння COP знижуватиметься.

R152a використовується головним чином як один із компонентів у суміші R-500, але він також успішно застосовується в ряді малих теплонасосних систем та побутових холодильниках.

R32 має невисоку горючість. А також практично не сприяє глобальному потеплінню. Він розглядається як замінник фреону R22 в області кондиціювання, теплових насосах та в промисловому холодильному устаткуванні. Завдяки малій горючості R32 застосовують у сумішах як основний компонент.

R125 і R143a мають схожі властивості з фреонами R502 та R22. Ці хладони найчастіше використовують у потрійних сумішах.

Суміші

Суміші є гарною альтернативою для заміни фреонів CFC і HCFC. Суміш складається з двох або більш чистих робочих рідин, і може бути зеотропною, азеотропною або близькою до азеотропної. Азеотропні суміші випаровуються і конденсуються при постійній температурі, інші в певному діапазоні температур (температура ковзання). Температура ковзання може бути використана для підвищення продуктивності, але для цього потрібна зміна конструкції обладнання. Перевагою сумішей і те, що можуть бути виконані під кожну систему індивідуально, щоб відповідати конкретним потребам.

Старі суміші покликані замінити фреони R22 і R502 зазвичай містили у своєму складі невелику частину R22 або інші робочі рідини, що містять хлор. Тому є перехідними хладонами.

Нове покоління сумішей для заміни R502 та R22 не містять у своєму складі хлор. Найчастіше для використання у сумішах використовують хладони групи HFC (R32, R125, R134a, R143a) та вуглеводні (наприклад, пропан). R410a і R407с найбільш поширені хладони використовуються в довгострокових перспективних об’єктах, покликані, зрештою, замінити всі робочі рідини, що містять хлор. Основні відмінності між цими робочими рідинами полягають у їхньому хімічному складі. R410a є сумішшю R32 і R125 і має мінімальну температуру ковзання. R407c складається із суміші хладонів R32, R125 і R134a і має велику температуру ковзання. При заміні хладонів у існуючих установках необхідно враховувати безліч особливостей. Режими роботи, такі як тиск і температура ковзання R410a і R407c різняться з R22 і R502, тому виникає необхідність заміни деяких компонентів теплонасосних систем або проводити істотну реконструкцію при заміні хладонів в існуючих установках.

Природні робочі рідини

Природні робочі рідини – це речовини, які у біосфері у природному стані. Як правило, вони не мають негативного впливу на довкілля. Тому їх застосування може бути гарною альтернативою хлорсодержащим фреонам. Прикладами природних робочих рідин є: Аміак (NH3), вуглеводень (приклад пропан), двоокис вуглецю (CO2), повітря та вода. Деякі з природних робочих рідин є горючими чи токсичними. Тому їх застосування дуже обмежене.

Аміак (NH3) є широко поширеним у багатьох країнах як робоча рідина в середніх та великих теплових насосах. Аміак має високу горючість, тому є жорсткі правила і норми при використанні його як холодоагенту в теплонасосних системах. Високі термодинамічні показники та доступність аміаку можуть стати гарною альтернативою фреонам для застосування аміаку в нових системах. Зазвичай його використовують у системах високого тиску, що дозволяють досягти температури конденсації до 78 °C. Мідь є несумісною з аміаком, тому всі елементи, що контактують з робочим середовищем, повинні бути виконані зі сталі.

Вуглеводні (УВ) добре відомі горючі робочі рідини з хорошими термодинамічні властивості. В даний час пропан (R290) вже активно застосовується як у промислових, так і в побутових теплових насосах. З його допомогою коефіцієнт сезонної ефективності SCOP може досягати значення 5,2. Пропілен та суміші пропану, бутан, ізобутан та етан розглядаються інженерами як перспективні робочі рідини для використання в теплонасосних системах. Вуглеводні широко використовується в нафтовій промисловості, епізодично застосовується в холодильному транспорті, побутових холодильниках/морозильниках і побутових теплових насосах. У зв’язку з високою горючістю вуглеводнів необхідні посилені заходи безпеки та спеціальні конструкції теплонсосного та холодильного обладнання.

Вода є чудовою робочою рідиною для високотемпературних промислових теплових насосів завдяки її високим термодинамічних властивостей. Так   ж вода не є горючою і токсичною. Зазвичай воду використовують у відкритих та напіввідкритих системах і зрідка у замкнутих системах. Робоча температура знаходиться в діапазоні від 80 ° C до 150 ° C. Недоліком води є низька теплоємність у порівнянні з традиційними хладонами, це вимагає застосування потужних компресорів особливо в діапазоні низьких температур.

CO2 є потенційно добрим холодоагентом, який привертає все більшу увагу у всьому світі. CO2 є нетоксичною, негорючою і сумісна з безліччю мастил і не піддається негативному впливу при контакті з металами, що застосовуються в галузі. Однак термодинамічні властивості CO2 як робочої рідини невисокі і вимагають особливих підходів до конструювання теплових насосів.