CC BY
42
УДК 621.56
Холодильные агенты — без границ*
Д-р техн. наук, О. Б. ЦВЕТКОВ, канд. техн. наук Ю. А. ЛАПТЕВ Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9
The current situation concerning HCFC-refrigerants, regulation and behaviour related to the ozone layer and the global warning problems are reviewed. The main challenges for use HFC-based and natural refrigerants with regard to the performance optimization of refrigeration, including the environmental aspects, research and technological development are discussed.
Key words: chlorofluorocarbons, Montreal Protocol, refrigerants, thermophysical properties.
Ключевые слова: хлорфторпроизводные углеводороды, Монреальский протокол, холодильные агенты, теплофизические свойства.
«Холодильные агенты на все времена. Евроожидания и российский опыт» — с таким названием в Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий (СПбГУНиПТ) 2 февраля 2010 г. состоялась научно-техническая конференция с международным участием. Организаторы конференции: Международная академия холода (МАХ), СПбГУНиПТ, Рабочая группа «Свойства хладагентов и теплоносителей» Научною совета РАН по проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика». Генеральные спонсоры — ООО «Технологии низких температур» и ООО «Балтэнергомаш».
В конференции участвовали: Национальный институт стандартов и технологий (НИСТ), г. Баулдер, США; Объединенный институт энергетических и ядерных исследований — Сосны Национальной академии наук Беларуси, ОАО «Оргпищепром» (Минск), Одесская государственная академия холода (ОГАХ), Донецкий национальный университет экономики и торговли им. М. Туган-Барановского (ДонНУЭТ), Донецкий НТУ, холдинг «Группа Норд» (все — Украина); МГТУ им. Н. Э. Баумана, МЭИ (ТУ), МГУ технологий и управления, ГНУ «ВНИХИ», ОАО «POLAIR», Научноиспытательный центр — филиал Центрального института авиационного моторостроения им. П. И. Баранова, ГНЦ ФГУП «Акустический институт им. академика Н. Н. Андреева», ООО «Терминал Столица» (все — Москва); Институт проблем геотермии РАН, г. Махачкала; Петрозаводский ГУ; ОАО «Гран», г. Волжск, Республика Марий Эл; ООО «Трансхолодмаш», г. Воронеж; ООО «Техно-
" Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект Л? 08-08-00350).
логии низких температур», ОАО «Гипрорыбфлот», ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, СПбГПУ, СПбГАСУ, СПбГУНиПТ, ОАО «НИПИИ "Ленметрогипротранс"», ЗАО «СМУ-9 Метростроя» (все — Санкт-Петербург), преподаватели, научные сотрудники, аспиранты и докторанты вузов.
Приветствуя участников конференции, президент Международной академии холода (МАХ), ректор СПбГУНиПТ А. В. Бараненко отметил актуальность, особенно в эти дни, проблем экологической безопасности и сохранения климата Земли. На саммите в декабре 2009 г., посвященном этим вопросам, не удалось согласовать «Копенгагенское соглашение», которое планировали принять после завершения срока действия Киотского протокола. Докладчик напомнил, что прошедший
2009 год был годом 100-летнего юбилея Национального комитета России по холодильному делу, созданною по инициативе участников 1-го Международного конгресса по холоду в Париже в 1908 г. Президент МАХ пожелал участникам конференции успехов и плодотворной работы.
С докладом «Холодильные агенты. Утопии и идентификация устойчивого развития» выступил Цветков О.Б. (СПбГУНиПТ). Всем памятен 1996 год, когда, следуя Монреальскому протоколу, было запрещено производство хлорфторбромуглеродов (ХФУ) — хладагентов Rll, R12, R113 и многих других. Последующие поправки к Монреальскому протоколу производство гид-рохлорфторуглеродов (ГХФУ) планировали прекратить с 2030 года, однако в сентябре 2007 г., когда Протоколу исполнялось 20 лет, произошла его корректировка. В итоге запрещено потребление ГХФУ с 2020 года, и коснется это хладагентов, разрушающих озоновый слой —
1*22, 1*141Ь, 1*21, И142Ь и Я123. Известно, что после введения запрета на ХФУ именно гидрохлорфторуглеро-ды стали основными для России, многих стран Европы, Азии и Америки, составляя иногда до 70 % всех веществ, используемых для получения холода, в тепловых насосах, при создании высокоэффективной тепловой изоляции.
В России в так называемые «тучные» годы XXI века, по разным оценкам, потребление ГХФУ приблизилось к 40 тыс. метрических тонн в год, что включало собственное производство плюс импорт за минусом экспорта. Оценки количества 1*22, уже заправленного в холодильных системах, крайне разноречивы и колеблются от 20 до 60 тыс. метрических тонн. Последняя цифра более чем значительна, но не удивительна, если учесть парадоксальную тенденцию последних десяти лет, когда аммиачные установки переводили на 1*22 и к тому же строили новые промышленные холодильники и склады на 1*22.
Новые лимиты Монреальского протокола 2007 года для России известны: с 1 января 2010 года потребление ГХФУ — не более 1000 условных тонн (одна условная тонна равна произведению метрической тонны на потенциал разрушения озонового слоя для данного хладагента), т. е. речь идет о менее 20 тыс. метрических тонн в год. Однако с 1 января 2015 года разрешенное по Протоколу потребление 1122 в России станет гораздо меньше — около 400 условных тонн в год, т. е. примерно 7 тыс. метрических тонн. С 1 января 2020 года потребление ГХФУ в России практически должно прекратиться.
Нетрудно понять, что уже через пять лет запланированного количества 1*22 (а в коммерческих установках этому хладагенту альтернативы нет!) едва хватит на сервисное обслуживание. Расставаясь с Я12, в 1996 году мы имели тыл — хладагент 1*22. После 2015 года резервов, похоже, не будет.
Переходе 1*22 на гилрофторуглероды (ГФУ), естественно, реален, но это «радостное» событие снова означает вливание российских миллиардов в экономику других стран. С ГФУ тоже не все просто, в том числе с хладагентом 1*134а. Снижение потребления Я134а уже обсуждается, и к 2033 году планируют довести его потребление до 15 % от уровня 2004—2006 годов.
Производить ГФУ крайне затратно, а из-за планируемых на них запретов, похоже, станет и нерентабельно. Самое время сконцентрировать имеющиеся ресурсы на производстве природных хладагентов, хотя времени не осталось. И, конечно, очень бы хотелось, чтобы регламентирующие органы России прониклись судьбоносностью сложившейся ситуации и пониманием того, что цивилизованное и срочное ее решение по природным хладагентам отвечает национальным интересам России, а призывы к модернизации относятся, в том числе, и к системам надзора и регулирования.
Технологии градиентной теплометрии, основанные на реализации поперечного эффекта Зеебека в градиентных датчиках теплового потока, рассмотрены в докладе Са-пожникова С. 3. (СПбГПУ) «Градиентная тспломстрия: техника, результаты, перспективы в холодильной технике». Созданы два семейства датчиков: из анизотропных монокристаллов висмута и на основе косослойных композитов, в которых использованы металлы, сплавы и полупроводники. ТермоЭДС, генерируемая датчиком, линейно связана с тепловым потоком в его сечении. Установлена аномально низкая постоянная времени градиентных датчиков (1—10 не), делающая их практически безынерционным измерительным средством для большинства видов теплообмена.
Накопленный большой опыт применения градиентной теплометрии позволяет рекомендовать ее к использованию в холодильной технике, например, для контроля обмерзания приборов охлаждения, скопления масла в нижних секциях батарей и испарителей и т. д. Интересны перспективы теплометрии для контроля процессов охлаждения и замораживания пищевых продуктов, как датчиков систем управления и защиты низкотемпературных установок и др.
«Современная эффективность промышленных и малоемких аммиачных систем. Реальность их безопасной эксплуатации» — тема доклада Полевого А. А. (ООО «Технологии низких температур»). Докладчик отметил явный парадокс в современной холодильной технике России: с одной стороны, непримиримая борьба с экологически вредными веществами, с другой — радикальное запрещение аммиака. Не комментируя доказательную базу влияния фреонов на окружающую среду, ясно одно: курс на запрещение аммиака объективно ведет к увеличению доли фреоновых холодильных установок. Аммиачные холодильные системы повсеместно переводят на хладагент 1*22, признаваемый опасным для окружающей среды. Аммиачные холодильные установки не опасны для окружающей среды, поскольку аммиак — природный хладагент. И тем не менее, из-за жесточайших и часто просто не поддающихся логике регламентов для аммиачных холодильных систем создавать их в России просто нерентабельно, а озоноопасные, создающие парниковый эффект фреоны проталкивают в промышленность все шире и шире. Заправка промышленных холодильных установок составляет тонны и даже десятки тонн уже «обреченного» фреона К22.
Основа регламентов аммиачных установок создавалась в середине прошлого века, отдавая дань ужасающему качеству арматуры того времени, полному отсутствию автоматизации, ненадежным и аварийно-опасным компрессорам. В мире сегодня изменилось решительно все, кроме непоколебимых правил по разработке, а самое главное — по оформлению и эксплуатации аммиачных систем. Явный нонсенс, когда для небольшой аммиач-
ной установки стоимость проектной документации из-за крайне сложного ее оформления практически равна стоимости всего оборудования.
В докладе Миронова М. А. и Пятакова П. А. (Акустический институт) «Акустические технологии получения холода» рассмотрены проблемы, связанные с практическим использованием акустических холодильников. Разработаны действующие модели термоакустических преобразователей с различными мощностями. Акустические технологии получения холода являются экологически безопасными, так как в качестве рабочего тела используется сжатый гелий или его смеси с другими благородными газами.
Доклад «Малогабаритные конденсаторы передвижных холодильных установок с динамично-дисперсным слоем» представили Пеленко В. В., Антуфьев В Т., Тата-ренко Б. А. (СПбГУНиПТ). С целью обеспечения работы холодильной установки при температурах наружного воздуха до 60 °С и выше предложена конструкция конденсатора с использованием виброслоя нейтральных частиц, омывающих трубки конденсатора, за счет вибрации компрессора. Вибрация частиц в интервале частот от 25 до 50 Гц способствует повышению коэффициента теплоотдачи от стенок труб конденсатора в окружающую среду до 2,7—4,0 раз.
Эффективность теплонасосных установок, как показано в докладе Тимофеева Б. Д. и Волкова В. В. (ОИЭЯИ-Сосны, ОАО «Оргпищепром») во многом зависит от соотношения цен на электрическую и тепловую энергию. Рекомендован интервал температур так называемых бросовых тепловых потоков, в котором могут эффективно работать теплонасосные системы при существующих региональных ценах на энергоносители.
Возможность применения абсорбционной холодильной машины, использующей отходящие газы газотурбинного двигателя (ГТД) для повышения его КПД, — тема доклада Ананьева В. В., Ведешкина Г. К., Князева А. Н., Назаренко Ю. Б. (ЦИАМ, МГУТУ) «Применение абсорбционных холодильных машин в составе ту рбоприводов газоперекачивающих агрегатов». В настоящее время на магистральных газопроводах в качестве привод-ныхдвигателей нагнетателей (компрессоров) газоперекачивающих станций широко используются выработавшие ресурс авиационные ГТД. Расчеты, проведенные для случая привода на базе ГТД НК-86, показывают, что при снижении температуры газа на входе в ГТД с 15 до -5 °С КПД возрастаетдо 37,6 %, а мощность—до 37,6 М Вт. Для пойижения температуры может быть применена мощная абсорбционная холодильная машина, использующая теплоту уходящих из ГТД газов, температура которых достигает 390 °С.
Доклад «Численное моделирование процесса рассольного замораживания ледогрунтового ограждения при движении подземных вод» представил коллектив ав-
торов: Маслак В. А., Малышев А. А., Марков В. А., Артюхов Д. Ю., Петрова М. С. (Ленметрогипротранс, СПбГУНиПТ). Рассматривалась двумерная задача теп-ломассопереноса в пористой флюидонасыщенной среде с возможностью перехода флюида в твердое состояние (промерзание) с изменением проницаемости. Предположение, что флюид распространяется в пористой среде по закону Дарси, было проверено в серии численных экспериментов, моделирующих промерзание грунта. Показано, что исследуемая среда имела выраженную неоднородность проницаемости по внешней поверхности ледогрунтового ограждения. На модели было наглядно проиллюстрировано предположение специалистов по замораживанию грунтов о том, что в зоне шахтного ствола имеется интенсивное движение подземных вод. Расчеты, выполненные на модели, хорошо коррелируются с данными натурных измерений в контрольных скважинах в процессе рассольного замораживания грунтов шахтного ствола метро.
Обустройство фундаментов и оснований объектов промышленного и гражданского строительства на газоконденсатных и нефтяных месторождениях Ямала и Таймыра представил Ананьев В. В. (ООО «НПП "Мед-газ"») в докладе «Комплексы термостатирования грунтов Крайнего Севера». Обсуждаются технологии изготовления сезонных охлаждающих устройств (СОУ) с глубиной охлаждения и промерзания пластично-мерзлых грунтов 10—15 м. Основными хладагентами для них являются R22 и аммиак. Определены главные направления дальнейшего развития: агрегатирование сезонно действующих устройств; переход к заправке СОУ от R22 к природным хладагентам — диоксиду углерода и аммиаку; разработка глубинных (до 100 м) охлаждающих устройств. Представлены материалы по программным продуктам на базе энтальпийного метода и метода элементарных объемов для теплотехнических расчетов и прогнозирования процессов в системах атмосфера — СОУ — грунт (СПбГУНиПТ, ООО «НПП "Медгаз"»).
В докладе Улитина В. В. (СПбГУНиПТ) «Влияние изменения климата на состояние мерзлых грунтов» сделан акцент на процессах, происходящих в верхних (активных или деятельных) слоях грунта, лежащих на мощном слое вечной мерзлоты. Согласно прогнозу, на территории криолитозоны России к 2100 году среднегодовая температура приземного воздуха может повыситься на 4—8 °С в зависимости от географического положения района. Актуальным становится решение вопросов, связанных с увеличением производительности термостабилизаторов грунтов (ТСГ), с надежностью работы ТСГ и особенно СОУ в условиях потепления климата, с альтернативными техническими решениями в условиях интенсивной деградации верхних слоев мерзлоты. Предлагается описание процессов в мерзлых грунтах на уровне компью-
терного моделирования с помощью метода элементарных объемов
Коллективом авторов (Осокин В. В., Железный В. П., Ржесик К. А., Селезнева Ю. А., Матвиенко В. Г., Лан-дик А. В., Жидков Ю. В., Соколов Г. В., Демин М. В., Брюшков Р. В., Мазур В. А., Радионенко В. Н., Данько В. П., Карнаух В. В. - ДонНУЭТ, ОГАХ, ДонНТУ, холдинг «Группа Норд», Украина) представлены доклады: «Научно-технические основы обеспечения надежности, технической и экологической безопасности малой холодильной техники, работающей на углеводородах (на примере изобутана)»; «Об опасности разрушения линии нагнетания работающей компрессорной системы, заправленной изобутаном, при наличии сквозного повреждения в линии всасывания»; «Обусловиях снижения энергопотребления малой холодильной техникой при обдуве конденсатора малогабаритным вентилятором»; «Оптимальное проектирование модулей с модифицированной атмосферой»; «О методике определения коэффициента теплоотдачи при кипении хладагентов в бытовых холодильных приборах»; «Об использовании солнечных коллекторов в системе теплоснабжения на предприятиях пищевых производств».
«Метод повышения эффективности тепловых аппаратов пищевой промышленности» рассмотрели авторы доклада Громцев С. А., Антуфьев В. Т., Амосова М. А. (СПбГУНиПТ). Предложено сжигать газ в виде ионизированной смеси, воздействуя на нее постоянным электрическим полем, что позволяет снизить количество окиси углерода в дымовых газах до 28 %, а расход топлива — до 12%.
На конференцию были представлены доклады, посвященные актуальным исследованиям теплофизических и термодинамических свойств холодильных агентов и хладоносителей. Устюжанин Е. Е., Шишаков В. В., Абдулагатов И. М., Френкель М., Рыков В. А. (МЭИ; Институт проблем геотермии, НИСТ, СПбГУНиПТ) представили доклад «Скейлинговые модели для описания давления насыщения в широком интервале температур». Рассматривались модели термодинамических свойств Р = (р1,ря,Р,) на линии насыщения. Сделан анализ моделей, описывающих плотность жидкости и газа на линии насыщения, предложенных Ландау (1964), Вегнером (1985), Анисимовым и др. (1990), Рабиновичем и Шелудяком (1995), Шиманской и др. (1996), Железным и др., Абдулагатовым и др. (2007). Детально исследовалась комбинированная модель, которая состоит из масштабной Ь',с0;е и регулярной Ргед частей. Выполнено сравнение ряда упомянутых моделей, представляющих термодинамические свойства для веществ, имеющих точные экспериментальные данные: Я134а, Ш43а, 1*236еа, метанол, этанол, вода, аммиак и др.
«Анализ термодинамических циклов и теплосиловых схем для геотермальных электростанций» дан в до-
кладе Устюжанина Е. Е., Янькова Г. Г., Абдулагато-ва И. М., Френкеля М. (МЭИ; Институт проблем геотермии, НИСТ). Рассмотрены теплосиловые схемы бинарных геотермальных электрических станций (БГеоЭС), которые используют низкокипящие рабочие вещества в виде смеси (аммиак и вода), а также индивидуальные хладагенты Ю34а и аммиак. Опробована методика численного моделирования параметров БГеоЭС. Среди параметров моделирования рассматриваются термодинамические критерии цикла, представляющие собой теплоту, работу расширения в турбине, КПД, эксергети-ческий КПД и др. Предложена модель для оценки теплогидравлических характеристик блоков БГеоЭС, входящих в теплосиловую схему.
Среди докладов, представленных СПбГУНиПТ: «Использование асимметричных единых уравнений состояния холодильных агентов» (Кудрявцева И. В., Рыков В. А.); «Выбор сглаживающих функций при построении уравнений состояния, описывающих критическую точку» (Рыков С. В.); «Уравнение линии фазового равновесия аммиака» (Кудрявцева И. В., Рыков А. В ). Показано, как асимметричное единое уравнение состояния, разработанное на основе метода псевдокритических точек, использовано для расчета равновесных свойств технически важных хладагентов Ш34а, Я218, Я.23, Я717.
В сообщении Кириллова В. В., Сивачева А. Е. «Пути повышения энергетической эффективности работы системы хладоснабжения с промежуточным хладо-носителем» рассмотрена методология выбора хладоносителей с прогнозируемыми свойствами, основанная на учете физико-химических взаимодействий между компонентами раствора. Отмечено, что созданные водно-пропиленгликолевыс электролитные хладоноси-тели по теплофизическим и технико-эксплуатационным свойствам превосходят широко используемые водно-пропиленгликолевые и водосолевые хладносители.
Сообщение Клейкого А. А. посвящено второму ви-риальному коэффициенту озонобезопасного хладагента Я23, а доклад Цветкова О. Б., Лаптева Ю. А. — теплопроводности ряда НРС-хладагентов на линии фазового равновесия.
По итогам работы в 2009 году и планам на 2010 год Рабочей группы «Свойства хладагентов и теплоносителей» Научного совета РАН и секции МАХ «Теоретические основы холодильной и криогенной техники» выступил ее председатель О. Б. Цветков.
Участники конференции подтвердили актуальность ежегодных встреч на улице Ломоносова, 9, в Санкт-Петербурге, особо памятуя о предстоящем в декабре
2010 года саммите, который будет посвящен Киотскому протоколу.
