Методика выбора альтернативных хладагентов
(по статье И.М. Мазурина, представленной на 20 международном конгрессе по холоду, Сидней, ICR. 1999г.).

Методика ставит целью разработку обоснованной концепции безопасных хладагентов с сохранением приоритета человека в рамках Конституции России, Гражданского и Трудового права, закона о правах потребителей, а также законов о санитарно-эпидемиологическом благополучии и экологической безопасности, т.е. с учётом обязательств России по Монреальскому протоколу (ратифицированной озоновой версии).

Ввиду многофакторности рассматриваемой задачи предлагается выполнение анализа осуществлять на трёх основных картах решений, где по абсциссе откладываются различного вида ограничения и требования к хладагентам, а по ординате связанные факторы в виде гарантированных возможностей или типов серийных машин. Целью такого анализа является определение действующих факторов в многомерном пространстве практических задач. Выделение действующих факторов и определение их приоритетов является основой для создания Технического Задания на альтернативный хладагент и чёткое разграничение техники и политики.

Количество карт решений зависит от широты постановки задачи, но во всех случаях законодательные, технические и экономические аспекты будут присутствовать как основа с несомненным приоритетом законодательного аспекта.

В состав законодательных ограничений входят и медицинские, характеризующие пять видов контакта человеческого организма с хладагентом:


Карта решений 1-го уровня - Законодательный аспект

Связанные факторы Ограничения
ЗаконодательныеМедицинские
АБВГДЕ12345
Опасность для здоровья+++-++++++-
Пожаро-взрывобезопасность+++-++++++-
Радиационная опасность+++-++++++-
Озонобезопасность--+++++++++
Цена и наличие на рынке-+--++-++++
Эксплуатационные расходы----++-++++
Технология и цена рецикла--++-+--+++
Возможность замены ОРВ-+-+---++++

Здесь обозначено:

Карта решений первого уровня позволяет сделать первичный анализ пригодности хладагента по законодательным запретам, которые техническими решениями не преодолеваются. Кроме того, каждый из связанных факторов имеет развитие. Например, требования по безопасности имеют конкретные показатели в зависимости от качества хладагента, условий его применения и количества вещества в агрегате. Самым необеспеченным является фактор "Технология и цена рецикла". В России рецикл фреонов был освоен только в атомной промышленности и в промышленной энергетике для SF6. Первым шагом в этой задаче является создание Технических Условий на рециклированный хладагент.

Карта решений первого уровня наглядно иллюстрирует известное ранее отличие хладагентов, разрешённых для контакта с организмом человека и не разрешённых. В России на космической орбитальной "МИР" используется R-218 с небольшой примесью SF6, как наиболее безопасные для человека хладагенты. В категории хладагентов, пригодных для непосредственного контакта с пищевыми продуктами по санитарным нормам России (СанПиН 2.3.2 стр. 50-96) разрешено использовать R-12, R-115, R-318, пропан, бутан и азот и углекислоту. Другие хладагенты использовать запрещено.

В третьей группе для непрямого и недлительного контакта с человеком и пищевыми продуктами в бытовых холодильниках использовался R-12. Известный хладагент R-22 в бытовых холодильниках не применяли. R-22 использовали в четвёртой группе на бытовых кондиционерах, где нет контакта с пищевыми продуктами. Однако для автомобильных кондиционеров R-22 не используют из-за слишком низкой температуры разложения. И, наконец, в пятой группе, где исключён контакт с человеком, можно применять практически любые хладагенты, за исключением радиоактивных.

Аммиак для прямого контакта с пищевыми продуктами запрещён, а в бытовых холодильниках используется при малых объёмах заправки.

Истинные причины столь жёстких ограничений связаны как с реакционными свойствами, так и с качеством хладагентов. Наиболее безопасные фторсодержащие хладагенты имеют качество не хуже 99,995%, при условии наличия фтористых примесей (кислотных и гидролизуемых) на уровне 0,00005-0,0001%. Кроме того температура разложения для них не должна быть ниже 200оС. Они не должны взрываться или гореть, или быть ядовитыми. Если новые озонобезопасные хладагенты имеют такие свойства, то их применение в качестве альтернатив для запрещённых вполне возможно, если они подойдут по техническим и экономическим требованиям.

Технические аспекты задачи.

Карта решений 2-го уровня рассматривает технические аспекты задачи. Непременное условие её рассмотрения наработка эксплуатационного ресурса холодильной машины, достаточного для подтверждения применимости хладагента для обсуждаемого типа машин. В зависимости от её конструкции и размеров это может быть 250, 1000 и/или 10000 часов. Номинальный рабочий ресурс наиболее распространённых малых герметичных машин составляет 50000 часов.

На карте решений 2-го уровня рассмотрены только 8 основных видов холодильного оборудования без учёта различий по типам компрессоров.


Карта решений 2-го уровня

Критерии сравнения с альтернативой Виды массовой холодильной техники
12345678
Удельное потребление электроэнергии++-++-++
Постоянство состава хладагента в цикле-+-+++++
Сохранение параметров цикла при замене-+-+++++
Коррозионная пассивность к материалам++++++++
Совместимость с недорогими маслами---++-++
Изменение температуры по длине испарителя-+-+++++
Наличие технологии рециклирования++++++++
Наличие таблиц теплофизических свойств----++++

Карта решений второго уровня имеет менее универсальный характер и всегда конкретна, т.е. связана с конкретным типом машин. Однако в критериях сравнения она гораздо шире, поскольку всегда отслеживает Техническое Задание на проектирование холодильной машины с новым хладагентом. В любом случае маломощные герметичные холодильные машины технически проще перевести на новые хладагенты, нежели крупные полугерметичные машины с большими теплообменными аппаратами и сложной автоматикой. Очевидно и то, что хладагенты с малым пробивным напряжением, такие как аммиак, для малых герметичных холодильных агрегатов со встроенным двигатем принципиально не подойдут, равно как и для автомобильных кондиционеров, но уже по признаку безопасности человека. Аммиаку остаётся традиционная ниша – средние и крупные машины в циклах, исключающих прямой контакт с пищевыми продуктами и с минимальными объёмами заправки этого небезопасного вещества.

Производственно-экономические аспекты задачи.

На карте решений 3-го уровня сравниваются те же виды массовой холодильной техники при выборе хладагента с позиций производственно-экономических требований.

Карта решений 3-го уровня

Критерии сравнения с альтернативой Виды массовой холодильной техники
12345678
Цена хладагента---++-++
Проектные расходы++++++++
Удельные эксплуатационные расходы++++++++
Расходы на подготовку производства++++++++
Расходы на рециклирование++++++++
Цена масла при замене на альтернативу---++-++
Цена автоматики при замене на альтернативу---++-++

Понятно, что отнесённые на год расходы при замене хладагента на альтернативный должны быть не выше и для производителя, и для потребителя. Иначе альтернатива переходит в разряд суррогата и вся операция приводит к убыткам. Это означает нарушение Гражданского законодательства и Закона о правах потребителей, упоминаемых в карте решений первого уровня.

Требования по термодинамическим свойствам хладагентов здесь не рассматриваются, т.к. они неплохо изложены у Мак Линдена. К тому же ясно, что без их выполнения достичь ресурсных показателей на уровне 250 или 10000 часов просто невозможно. Рассматривая аммиак, как наиболее дешёвый из всех хладагентов, нельзя не учитывать всего перечня расходов, связанных с его реальным применением. Даже при рекордной для хладагентов удельной холодопроизводительности аммиак в технических решениях далеко не во всех случаях по удельным затратам является самым выгодным, особенно при малой длительности эксплуатации и небольшой производительности по холоду.

Приведённая схема решения задачи выбора альтернативных хладагентов не решает всего перечня задач, возникающих в реальной ситуации. Однако даже на основе приведённой схемы можно исключить субъективный характер экспертной оценки предлагаемых решений и избежать проектных ошибок или убытков при покупке альтернативных хладагентов для замены R-12.

О рециклировании, упоминаемом во всех трёх картах решений стоит сказать подробнее. Решение этой задачи для каждого нового хладагента занимает несколько лет исследований, подготовки нормативных документов, согласования стандартов, разработки Технических Условий на рециклируемый газ, разработки и создании оборудования и служб, осуществляющих рецикл. Для неазеотропных смесей задача существенно усложняется, а в некоторых случаях просто невыполнима из-за непомерных расходов. Однако рецикл является обязанностью изготовителя по ISO-9001. Поэтому десятилетнее игнорирование обязательств по рециклированию со стороны изготовителей хладагентов неизбежно закончится и выполнять эту обязанность придётся.

Важно, что при выполнении условия по рециклированию хладагентов ограничения Монреальского протокола теряют смысл, по крайней мере для герметичных машин.

В отношении аммиака проблема рецикла пока всерьёз не воспринимается, поскольку его низкая цена определяет судьбу быть выброшенным в атмосферу после использования. Однако в современных условиях городской застройки рецикл аммиака является условием безопасного обслуживания холодильных машин. Техническое осуществление этой задачи на порядок проще, если сравнивать её с задачей рецикла фреонов.

В отношении озонобезопасных хладагентов, таких как R-134a или R-123 можно утверждать, что пока ещё задача даже не поставлена, поскольку изученность этих веществ крайне скудна, особенно в медицинском аспекте. Неизвестны продукты разложения этих веществ, не определены все реально существующие примеси в состоянии поставки, не разработаны надёжные методы анализа состава примесей до и после использования этих веществ. В отсутствии этих данных достоверного заключения об их влиянии на человека выполнить невозможно, без чего их применение противозаконно в любой стране, если следовать санитарным нормам и правилам в рамках Трудового Права. Примером корректного решения всего перечня прикладных задач по применению в технике фторидов являются международные нормативы по элегазу, например МЭК376 и МЭК480 на новый и бывший в употреблении элегаз. Эти нормативы были разработаны в 73-78 г.г. и используются поныне во всех технически развитых странах.

Перспективы альтернативных хладагентов.

Развивая методику выбора альтернативных хладагентов в рамках известных и вновь появившихся ограничений законодательного, технического и экономического характера, нетрудно составить карту решений по оценке перспектив известных и исследованных химических соединений, которые могут быть использованы в качестве хладагентов.

Среди хладагентов, используемых в холодильных компрессионных машинах на сегодня известны: - несколько групп фторсодержащих соединений, группа углеводородов, аммиак, двуокись серы (сильно токсичное соединение, использовалось в 30-40х годах), углекислота (используется в ограниченных объёмах).

В абсорбционных холодильных машинах используется аммиак и бромистый литий. В воздушных холодильных машинах используется воздух. В качестве транспортируемых хладагентов используется азот и углекислота. В испарительных и аккумулирующих холодильных устройствах используется вода в жидком и твёрдом состоянии. Если не считать спирты и производные хлора, то это весь набор хладагентов, реально известный и достаточно изученный на практике.

При рассмотрении этого перечня в картах решения законодательного, технического и экономического уровней значительная часть из них не имеет перспективы в силу физических свойств, которые присущи этим веществам.

Но помимо ограничений по физическим свойствам сегодня надо ещё учитывать и общественное мнение, выражаемое средствами массовой информации. Рассмотрим эти ограничения в карте решений "Общественное мнение". Введём в карту решений по абсциссе:

Дополнительно введём в карту решений диапазоны температур кипения хладагентов.

Карта решений 4-го уровня - "Общественное мнение"

Группы и отдельные хладагентыТемпературы кипения оС12345
CF (R-14, R-116, R-218, R-318,R-31-10)-100оС +100оСxx--x
CFCl (R-12, R-13, R-11, R-115, R-114 …)-100оС +90оСx---x
CHFCl (R-22, R-21, R-31, R-124, R-123 …)-20оС +60оСx-x-x
CHF (R-23, R-125, R-134a, R-143a … )-90оС +10оС-x--x
CFBr (13B1, 12B2, 114B2)-80оС +80оСx---x
CFBrCl (12B1, 11В1)+20оС +100оСx---x
CH (R-50, R-170, R-290, R-1150, …)-90оС +100оС-xxx-
SF6 (R-847)-30оС -20оС (сублимация)xx--x
NH3 (R-717)-30оС -20оСxxxxx
CO2 (R-744)-50оС -40оС (сублимация)xxxxx
N2 (R-717)-196оСxxxxx
H2O (R-717)+100оСxxxxx

Даже поверхностный взгляд на карту "Общественное мнение" даёт наглядное представление о перспективах основной массы рабочих хладагентов и неизбежности катастрофических последствий для пищевой промышленности любой из стран-участниц Монреальского протокола, если к принятым ограничениям и запретам относиться в рамках формальной логики. Однако надо заметить, что Монреальский протокол является общественным событием мирового уровня, решения по которому принимались участниками не обладающими исчерпывающими знаниями о причинах гибели озона. Но они хотели понять эти причины и оказывали влияние, подгоняя реальность под их желание. В итоге потенциалы озоновой опасности (ODP) принимались голосованием в соответствии с их желаниями. При этом гипотеза гибели озона приобрела характер финансовой гипотезы, ценность которой определяется не истинностью, а размером прибыли от её реализации. Общепринятость стала условием её существования, заменив понятие разумности. Перефразируя Гегеля, сегодня следует утверждать "Всё общепринятое действительно, всё действительное общепринято". Без поддержки средств массовой информации такие гипотезы не существуют. Но при этом роль и место науки сводится на нет, её место занимает информация от СМИ. По мере исчерпания потенциала очередной гипотезы, на её смену необходимо готовить следующую, не менее броскую. Так появилась идея парниковой опасности, высказанная Д. Тиндалем в середине прошлого века. Её облекли в форму потенциала парниковой опасности (GWP). Следующая за ней версия уже тоже озвучена в виде "Duble zero". Всё это не без основания внесено в категорию общественного мнения, поскольку к научно обоснованным идеям они никакого отношения не имеют.

Но если следовать по пути созданного за последние десять лет общественного мнения, то единственно возможным решением этой сложнейшей научно-технической задачи осталось использование углеводородов (пропана, бутана, этилена и др.) в качестве хладагентов. При всей внешней простоте решения, не следует забывать, что по силе разрушений при взрыве, 1 кг углеводородов эквивалентен 1 кг тротила, а начальная концентрация взрывоопасной смеси с воздухом для углеводородов находится на уровне 3%. По этой причине в большинстве стран мира углеводороды давно законодательно запрещены к применению в качестве хладагентов, а в России разрешённое количество заправляемых углеводородов в герметичную холодильную машину ограничивается 50 граммами. Этого хватает для заправки бытового холодильника малой мощности, эксплуатация которого разрешена лишь на кухне площадью больше 6м2. На остальные семь(условных) классов холодильного оборудования с заправкой от 0,05 кг до 2-3 тонн хладагента остаются эффективный, хорошо изученный, но взрывоопасный аммиак (взрывается в диапазоне концентраций в воздухе от 15% до 27%) и углекислота, каждый из которых имеют очень узкий диапазон применения. О решении всей гаммы конкретных задач промышленного и бытового холода на оставленных для применения хладагентах не может быть и речи. Реально аммиак и углекислота могут обеспечить лишь 15-25% всего объёма холодообеспечения по номенклатуре машин и до 60-70% по общему объёму вырабатываемого холода, за счёт крупномасштабности агрегатов.

В итоге, не претендуя на новизну, можно безошибочно прогнозировать неизбежность жесточайшего кризиса в холодильной технике и пищевой промышленности, если общественное мнение не оценит последствия принятия запретов по признаку GWP, и особенно по версии "Double zero", т.е. внешне красивой идеи перехода на "природные" хладагенты. Этот вывод иллюстрируется таблицей 1 реальных температурных режимов наиболее известных хладагентов.

Таблица 1.

Рабочий диапазон температур основных хладагентов


В заключение методики выбора можно отметить угасающий характер публикаций по поводу озоновых дыр в связи с досрочным возвращением концентрации тропосферного озона на домонреальский уровень. Однако методические основы выбора хладагентов остаются неизменными.

Приложения

Hosted by uCoz