Тенденции развития техники низких температур

Организаторы конференции: Международная академия холода (МАХ), Рабочая группа «Свойства хладагентов и теплоносителей» Научного совета РАН по проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика», ИХиБТ Университета ИТМО, Международная академия наук высшей школы.

Президент МАХ, директор Института холода и биотехнологий Университета ИТМО, Александр Бараненко предложил почтить память недавно ушедшего из жизни известного ученого-холодильщика, заведующего кафедрой «Техника низких температур» им. П.Л. Капицы Московского государственного машиностроительного университета, Игоря Мартыновича Калниня.

Приветствуя участников конференции, президент МАХ, отметил, что холодильная и криогенная техника играет все более значимую роль в хозяйственной, научной и повседневной деятельности человека. Масштабы применения техники низких температур постоянно расширяются. Многие важнейшие технологии не могут развиваться без искусственного охлаждения.

За минувший год в области низкотемпературной техники прошли несколько знаковых событий. В июне 2014 г в Лондоне состоялась 3-я международная конференция МИХ «Устойчивое развитие и холодильная цепь». 16-я МНТК по компрессоростроению проведена в сентябре 2014 г. в Санкт-Петербурге. В октябре 2014 г на выставке Chillventa 2014 в Нюрнберге, Германия, были представлены последние образцы машин и оборудования по холодильной технике. О минимизации заправки холодильных систем хладагентом говорилось в 25-й информационной записке МИХ, которая была распространена в Париже в мае 2014 г, что напрямую перекликается с названием нашей конференции. В изданном в ноябре 2014 г распоряжении Правительства РФ установлены нормы потребления и производства ОРВ в 2015 г, в том числе и хладагентов.

Докладчик анонсировал некоторые значимые для холодильщиков мероприятия 2015 г и призвал активно в них участвовать: в августе в Йокогаме состоится 24-й международный конгресс МИХ, девиз которого — «Улучшение качества жизни, сохранение планеты Земля»; в апреле пройдет 6-я международная конференция «Холодильные системы на аммиаке и диоксиде углерода» в Республике Македония, а в ноябре в Санкт-Петербурге — 7-я МНТК «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке».

Конференция проходила в Санкт-Петербурге уже в 33 раз, и неоднократно на повестке дня стояли судьбоносные экологоэнергитические аспекты низкотемпературной техники, в частности, переход на экологически безопасные и энергетически эффективные рабочие вещества.

С докладом  «Климатические тренды и индустрия холода»  выступил  О.Б. Цветков  (Университет ИТМО). Он напомнил, что Правительство РФ издало Постановление № 228 «О мерах государственного регулирования потребления и обращения веществ, разрушающих озоновый слой». В списке запрещенных гидрофторхлоруглеродов (ГХФУ) 40 веществ, среди которых столь известные хладагенты R22, R123, R141b, R21 и R142b. С 1 января 2015 г введена нулевая квота на ввоз ГХФУ, обязательны учет и отчетность за обращением этих веществ в стране и лицензирование причастных организаций. Только в России существуют около 10 тыс предприятий по изготовлению и ремонту холодильных установок и систем кондиционирования, еще примерно тысяча организаций производит пеноматериалы и использует для вспенивания хладагент R141b.

Квота, установленная на производство ГХФУ для России с 1 января 2015 г — чуть более 7000 метрических тонн. Для сравнения Китай ежегодно произ5 водит 800 тыс м.т. ГХФУ. Не попадают под действие квот две страны Тамо5 женного Союза — Казахстан и Армения.

В Евросоюзе озабочены другой проблемой — гидрофторуглероды (ГФУ). С декабря 2013 г Евросоюз ввел систему сокращения оборота ГФУ в перспективе до 79% в эквиваленте диоксида углерода от уровня 2009-2012 гг. В череде сроков этих сокращений под раздачу попали R404А, R507А и R422А, у которых потенциал глобального потепления более 2500. Среди всех производимых хладагентов ГФУ5 класса почти половину составляет R404А.

Сегодня мировой рынок фторсодержащей продукции как никогда активен и предполагает достичь $25 млрд оборота к 2020 г, причем 60% составляют хладагенты ГХФУ-класса, поскольку превалирующую роль начинают играть страны Азиатско-Тихоокеанского региона

Серьезность проблемы климатических катаклизмов — главный лейтмотив прошедшей в Лиме в декабре 2014 г конференции Сторон, подписавших конвенцию по изменению климата в Рио-де-Жанейро и Киотский протокол 1997 г (СОР 20). Чтобы рост температуры не превысил 2^оС от уровня 1906 г, СОР 20 призывает полностью отказаться даже от ископаемого топлива к концу XXI века, сохранять леса и парки, развивать экологически чистый транспорт.

Черновик нового Киотского протокола ООН обещают подготовить до лета 2015 г, чтобы окончательно принять его на Саммите в декабре 2015 г в Париже. Пока что, по мнению делегатов СОР 20, рост выбросов парниковых газов двадцати крупнейших стран мира соответствует тренду роста температуры атмосферы Земли к концу XXI века в +40°C.

Современная компрессорная техника претерпела существенные конструктивные изменения. В основном модификация коснулась системы регулирования производительности, причем как для поршневых, так и для винтовых компрессоров. В докладе  Алексея Полевого  (ООО «Технологии низких температур»)  «Современные тенденции укрупнения холодильной мощности коммерческих систем охлаждения» отмечалось, что наметились два принципиально разных подхода, связанных с региональными особенностями производителей.

Оба основаны на росте цены на электроэнергию и попытке рационализировать ее потребление. Европейский подход основан на применении все более доступных частотных регуляторов азиатского производства (часто называемых инверторами), встраиваемых непосредственно в компрессоры. Такой подход применим лишь при надежной эксплуатации электросетей, малодоступных в Азии. Поэтому азиатские производители, имеющие преимущество в низкой оплате труда, используют в коммерческих компрессорах золотниковые регуляторы производительности, более характерные для промышленных компрессоров.

В совокупности с применением встроенных маслоотделителей (компактов), коммерческие винтовые компрессоры смогли повысить максимальную холодильную мощность на порядок и выйти в области ранее недоступных температур кипения и конденсации.

Все это позволило изменить конфигурацию так называемых централей, собираемых ранее на простых рамах из множества небольших компрессоров и привести ее к классическому виду промышленных гнутых рам. Увеличение мощности позволило создавать мегаваттные низкотемпературные агрегаты и чиллеры на одном или максимум двух полугерметичных компрессорах. Коммерческие серии компрессоров, таким образом, приблизились к промышленным сериям по энергоэффективности и мощности, будучи лишены многих недостатков сальниковых компрессоров.

«Результатам экспериментального исследования работоспособности озонобезопасной смеси «Экохол-1» с использованием минерального холодильного масла»  посвящен доклад  Тимофеева Б.Д., Нагулы П.К., Зайца Т.А.  (ГНУ «ОИЭЯИ-Сосны») и  Акулича Д.А.  (ЧП «Хладагент»).

На модернизированном теплонасосном стенде ТН-10 проведено исследование работоспособности смеси «Экохол-1» (R125/R600a/R134a) для замены хладагента R12 с использованием холодильного минерального масла марки Mobil Cargoyl Arctic Oil300. Регулировкой ТРВ достигнуты температурные значения хладагента на входе в испаритель от -8 до -31°C.

По данным газохроматографических исследований хладагента «Экохол-1» до и после проведенных испытаний на стенде ТН-10 наблюдалась стабильность компонентного состава смеси. Данный хладагент предлагается для ускоренного вывода из обращения озоноопасных веществ в холодильном оборудовании.

В сообщении  Тимофеевского А.Л.  (Университет ИТМО),  Байчикова Е.Ю.  (Представительство Daikin в РФ) рассмотрен  «Хладагент R32 как рабочее вещество ближайшего будущего».

В настоящее время продолжается поиск холодильных агентов, совокупность свойств которых позволит обеспечить приемлемое соотношение эффективности, экологии, безопасности эксплуатации и стоимости компрессорных систем охлаждения. Очередным этапом стал выбор рабочих веществ с высокой термодинамической эффективностью и низким значением GWP.

Корпорация Daikin, одна из крупнейших производителей климатического оборудования и хладагентов, реализовала более 3 млн систем, работающих на R32 (GWP = 675), в том числе и в Европе.

Вслед за Daikin c 2013 г о применения R32 в своем оборудовании объявили другие ведущие производители кондиционеров (Mitsubishi Electric, Fujitsu General, Hitachi, Panasonic, Toshiba, Sharp) и, что не менее важно, известные производители компрессоров, холодильных компонентов и инструмента (Copeland, Danfoss, Guangdong Meizhi Compressor, Dalian Sanyo, Sanhua, Mastercool и др.).

R32 имеет ряд преимуществ по сравнению с R410А: уменьшенный в 3 раза потенциал GWP, более высокая теплопроводность и меньшая вязкость, повышенный на 3-6% холодильный коэффициент, однокомпонентный состав и более низкая стоимость.

Кроме того, удельная холодопроизводительность R32 на 100 кДж/кг больше, чем у R410А, за счет чего заправка холодильной системы хладагентом снижается на 20-30%, значительно уменьшаются вес и габариты оборудования (до 18%).

Основные недостатки R32 по сравнению с R410А — рост температуры нагнетания на 15-20 К и горючесть в смеси с воздухом в диапазоне объемных концентраций 14-31% (температура воспламенения 648°C).

Международный стандарт ISO 817:2014 относит R32 к классу горючести А2L, т. е. к медленно горящим веществам, у которых фронт пламени при горении быстрее распространяется вверх, чем по горизонтали. Это позволяет считать R32 невзрывоопасным хладоном и при монтаже кондиционера ограничиться относительно простыми мерами безопасности.

Для хладагента R32 необходимы иные масла, нежели для R410A, из-за его меньшей растворимости и изменения смазывающих свойств традиционных полиэфирных масел при их смешивании с R32. Для хладагента R32 уже существуют полиэфирные масла RM32, RM46, RM56 и др.

В течение ближайших двух лет фирма Daikin планирует значительно расширить модельный ряд кондиционеров на R32, включив в него не только бытовые, но и полупромышленные сплит-системы. Этому будет способствовать то обстоятельство, что в обновленный европейский стандарт ISO 514951:2014 «Системы холодильные механические для нагрева и охлаждения. Требования безопасности» увеличил максимально допустимые заправки для умеренно воспламеняющихся хладагентов категории A2L до 10-12 кг.

«О комплектации холодильной техникой судов новой постройки в Российской Федерации»  рассказал  Бирин С.А.  (ОАО «Гипрорыбфлот»).

Стратегия развития судостроения и анализ имеющегося отечественного и зарубежного опыта эксплуатации судов рыбопромыслового флота диктуют необходимость совершенствования систем холодоснабжения с применением экологически безопасных и энергосберегающих методов получения холода на судах.

Основной проблемой на сегодняшний день является практически полное отсутствие производства в РФ современного судового холодильного оборудования. Существует большая проблема с выбором хладагентов для низкотемпературной техники. Следует отметить, что наиболее предпочтительной для судостроения является комплектная поставка холодильного оборудования для конкретного судна, включая компрессорные агрегаты, теплообменную и емкостную аппаратуру, запорную и регулирующую арматуру, приборы и средства автоматизации, щиты управления и сигнализации и т.п.

Поставщики судового отечественного холодильного оборудования, способные обеспечить комплектную поставку холодильных установок на суда, в настоящее время отсутствуют и для комплектации приходится использовать технику зарубежных фирм. Ориентация же только на импортную технику может привести к возникновению новых проблем.

Целесообразно включение в программу импортозамещения Правительства РФ 2015 г создание отечественной холодильной техники (в т. ч. судовой), а также формировать ее с учетом мнения заинтересованных организаций, в частности, Минсельхоза РФ и Росрыболовства РФ, включая ОАО «Гипрорыбфлот», ученых и специалистов отраслевых вузов, НИИ и предприятий, а также членов МАХ.

«Влияние примесей масла на показатели энергетической эффективности компрессорной системы бытовых холодильников» оценили в своем докладе  Лукьянов Н.Н.,  Железный В.П.  (Одесская НАПТ).

Спроектирована и создана установка по исследованию показателей эффективности компрессорной системы. На установке реализуются условия и параметры работы (расход рабочего тела, тепловые потоки) бытового холодильника. Проведены эксперименты по исследованию влияния примесей компрессорного масла на показатели эффективности компрессорной системы.

Результаты исследования показали, что общее негативное влияние масла в рабочем теле на холодопроизводительность зависит как от температуры кипения, так и от концентрации масла в хладагенте R600a. Фиктивный перегрев рабочего тела R600a/минеральное масло не превышал на 5-7°C. Показано, что относительный вклад масла в уменьшение холодопроизводительности компрессорной системы бытовых холодильников составляет 2-3% и холодильного коэффициента на 6-8% на 1% примесей масла в хладагенте.

Большой интерес вызвал доклад  Сухих А.А.  и  Гинзберг Ю.В.  (НИУ МЭИ)  «Разработка схемы комбинированного теплоснабжения на основе теплонасосной установки (ТНУ) на диоксиде углерода».  В нем представлены результаты теплотехнических испытаний в системе ТЭЦ МЭИ для подогрева подпиточной воды. На основе опытных данных рассчитаны коэффициенты преобразования теплоты на различных режимах работы ТНУ. Подтверждена высокая энергетическая эффективность включения ТНУ в подобные системы подогрева холодной воды, в том числе и для горячего водоснабжения. Определены коэффициенты теплопередачи в газоохладителе-подогревателе, а также в испарителе установки. Отмечены достоинства теплообменных аппаратов витого типа «пучок труб в трубе».

Проведен анализ проблем при использовании ТНУ в системах отопления, на основании которого выполнена разработка комбинированных схем ТНУ с низкотемпературным потребителем теплоты. Такими потребителями могут быть подогреватели воздуха (например, от 10 до 40°С).

Показана высокая термодинамическая эффективность подобных схем, отмечены особенности ТНУ на СО₂:  уникальные технологические возможности, например, для производства горячей воды и пара до 120°С, широкий диапазон проектируемых мощностей от 10 кВт до 50 МВт, возможность проектирования компактных центробежных нагнетателей большой мощности.

Об итогах работы в 2014 г Рабочей группы «Свойства хладагентов и теплоносителей» Научного совета РАН и секции Международной академии холода «Теоретические основы холодильной и криогенной техники» рассказал профессор Цветков О.Б.

Участники конференции заинтересованы в проведении следующей конференции в 2016 г