Хладон-510 представляет собой азеотропную (с равенством составов равновесных жидкой и паровой фаз) смесь двух безхлорных хладагентов: перфторпропана (С3F8) и элегаза (SF6). Поскольку упругость паров этой смеси ниже упругости пара для идеального раствора образующих веществ, то такой азеотроп относят к отрицательному типу, а удельная теплота его испарения будет выше, чем у любого из образующих веществ. Причина этого явления связана с разрушением ассоциативных связей при испарении. Для разрушения ассоциативных связей необходима дополнительная тепловая энергия. Этот эффект для хладона-510 вблизи атмосферного давления достигает 4,5%, если сравнивать с перфторпропаном, содержание которого в смеси 95%.

Для хладона-510, с учётом температурного напора при теплообмене, реально достижимым диапазоном температуры охлаждения в камере с испарителем можно считать −44…-42°C. Этот температурный уровень неоднократно наблюдался в морозильных камерах при различных испытаниях хладона-510 на бытовых и промышленных холодильных агрегатах. При температуре окружающей среды +43°C температурный уровень, достигаемый в камере холодильника, несколько меньше (-38…-36°C), однако работоспособность агрегатов бытовых машин сохранялась не менее 500 ч, что подтверждено длительными испытаниями.

Помимо высокой удельной теплоты испарения, хладон-510 имеет аномально низкий измеренный показатель адиабаты (К = 1,06) и высокую молекулярную массу (186 отн. ед.), что обеспечивают понижение на 25–30°C температуры обмоток встроенного электродвигателя компрессора и низкую температуру нагнетания (до +92°C при температуре окружающей среды +43°C).

Кроме того, благодаря присутствию элегаза хладон-510 совместим практически со всеми известными маслами.

Основные свойства хладона-510 представлены в табл. 1.

Характеристики хладона R510 и перспективы его применения в качестве замены R12 и R22. 11/2019. Фото 1

Хладон-510 является одним из нескольких вариантов решения задачи по созданию хладагентов с заданной кривой упругости пара, защищённой патентами в нескольких странах. Суть решения состоит в том, что основу композиции составляют углефториды, как вещества одного гомологического ряда с общей формулой СnF2n+2. Это известные хладагенты R14, R116, R218, R318, R31-R10.

Поскольку у этой группы веществ есть один общий недостаток (исключительно низкая растворимость минеральных и синтетических масел), раньше их использовали только в холодильных безмасляных циклах (на турбомашинах либо на «сухих» компрессорах), и для них был необходим носитель масла в цикле. Таким носителем оказался элегаз, который прекрасно растворяет любые масла, а с R218 образует азеотроп определённой области температур и концентраций.

Кроме того, элегаз имеет аномально низкое значение показателя адиабаты К = 1,01, высокую плотность пара 6,13 г/л и молекулярную массу 146 отн. ед., что близко к показателям углефторидов. Эти свойства обеспечивают практически постоянный состав смесей элегаза с углефторидами в обратном цикле даже и не для азеотропов.

Поскольку хладагенты в холодильном подвергаются сжатию в компрессоре и последующей конденсации до жидкого состояния перед дросселем, то наиболее существенной характеристикой хладагента является его стабильность в повторяющемся процессе сжатия газа.

Для газов характерно свойство разогрева при сжатии, и фреоны не являются здесь исключением.

Характеристики хладона R510 и перспективы его применения в качестве замены R12 и R22. 11/2019. Фото 2

Рассматривая фреоны с точки зрения их устойчивости в процессе длительной эксплуатации, нетрудно сделать выводы о приоритетах веществ с высокими значениями энергии диссоциации и малыми значениями показателя адиабаты. Это прежде всего углефториды — CF4 и C2F6, C3F8 и C4F10. Неустойчивыми являются фреоны, содержащие Br в связи с хлором и углеродом. Новые фреоны, содержащие в молекуле одновременно Н-С-F, имеют тенденцию замены слабой связи С-Н (413 Дж/моль) на более стабильную связь Н-F (567 Дж/моль). При этом вещество резко меняет свои коррозионные и токсические свойства. Этот эффект присущ известным хладагентам R22, R134а и R125. По этой причине водородои фторосодержащие хладагенты не имеет смысла использовать в циклах с высокими степенями сжатия и нагревом выше +100°C, если речь идёт о длительной эксплуатации оборудования. Практически эти хладагенты удобны для кондиционеров, где коэффициенты сжатия невелики и нагрев газа после компрессора незначителен.

По основному критерию сравнения (удельному энергопотреблению) на бытовых холодильниках зафиксировано уменьшение потребления электрической энергии на 14% (холодильник Shivaki, лаборатория МЗДХ, город Москва). Испытания холодильного компрессора ХКВ 6,65–1м, проведённые в Донецком национальном университете экономики и торговли (ДонНУЭТ, город Донецк, ДНР), показали удельный расход электроэнергии на 12% меньше в сравнении с R12 и на 24% меньше в сравнении с R134a при температуре кипения −30°C.

При прямой замене R12 на машине МХВ-4–2-2 (мощность привода 4 кВт) зафиксировано уменьшение потребления энергии на 14% при температуре в испарителе −25°C (испытательный стенд завода «Искра», Москва).

В большинстве испытаний при прямой замене меньшие по удельному расходу электроэнергии показатели в сравнении с R12 наблюдались при температурах кипения ниже −20°C. При более высоких температурах кипения R510 по энергопотреблению уступал R12.

Другие важные критерии сравнения:

  • температура обмоток электродвигателя для R510 ниже на 25–29°C;
  • температура нагнетания для R510 ниже на 10–40°C;
  • достигаемая температура в испарителе для R510 ниже на 5–15°C;
  • температура корпуса компрессора для R510 ниже на 10–30°C.

Эти показатели взяты из протоколов сравнительных испытаний R12 и R510. На испытаниях винтового компрессора 31МКТ-40–2-0 на заводе «Компрессор» (Москва) R510 проходил испытания в сравнении с R22. Заправка компрессора составила 160 кг R510. На испытаниях машина проработала без замечаний 270 ч. Обработка экспериментальных данных показала, что диапазон рабочих температур в аппаратах соответствует нормативам, а хладагент вполне подходит для замены R22. Хотя по холодопроизводительности R510 уступил R22 от 10 до 15% в диапазоне −33…+5°C, однако удельное энергопотребление было на 5–15% меньше в том же диапазоне температур. При −40°C зафиксирована одинаковая холодопроизводительность для R22 и R510. При этом удельное энергопотребление для R510 было на 30% ниже, чем у R22.

Вопрос энергосбережения при использовании хладагентов является ключевым, поскольку за год холодильник в нормальном режиме эксплуатации потребляет электроэнергию в течение 6000 ч (при Краб = 0,7). Хладон-510 позволяет уменьшить энергопотребление на 10–12% в сравнении с фреоном-12, при этом годовая экономия на 1 кВт установленной мощности компрессора холодильной машины составит 600 кВт/ч в сравнении с R12. По отношению к R134а экономия электроэнергии при температуре в испарителе −30°C определена в 24%, поэтому экономия в год на 1 кВт мощности может достичь 1440 кВт/ч.

Экономия электроэнергии при сравнении R22, как следует, например, из испытаний среднего по мощности винтового компрессора на московском заводе «Компрессор», достигает 30% при температуре −40°C. Минимальное значение — 3% при 0°C. Для простоты расчётов принята величина 20%. Для холодильной машины на 1 кВт мощности компрессора годовая экономия энергопотребления составит 1200 кВт/ч.

Для винтовой машины в сравнении с R22 эффективность хладона-510 при −40°C в испарителе составляет 30%, при −30°C — 14%, при −20°C — 20%, при −10°C — 12% и при 0°C составляет 3%.

Выводы

1. Высокая энергетическая эффективность хладона-510 объясняется теплофизическими свойствами азеотропных смесей отрицательного типа, к которым относится данный хладагент.

2. Многолетняя эксплуатационная практика подтверждает применимость хладона-510 в качестве заменителя хладона-12, хладона-22 и R134а. 3. Важным аспектом программы применения хладона-510 является её полная независимость от внешнеторговых поставок и зарубежного сырья, поскольку она базируется только на российских технологических разработках.