Хладагент является легко летучим веществом, играющим роль передатчика тепла при циркулировании внутри контура охлаждающей системы, поглощает тепло от тел с низкой температурой, для того, чтобы передать его телам с более высокой температурой.
В различных частях холодильного контура он изменяет своё агрегатное состояние. При переходе из жидкого состояния в газообразное, которое осуществляется в испарителе, хладагент отбирает тепло у окружающей среды, вырабатывая тем самым холод. Потом отобранное тепло удаляется из холодильной машины в результате последующей конденсации хладагента в конденсаторе и передаётся другой среде. Чтобы какое-то вещество могло выполнять функции хладагента, необходимо, чтобы при атмосферном давлении его температура кипения была как можно ниже, объёмы паров, образующихся при испарении, были незначительными, а давление конденсации — не слишком высоким и легко достижимым. Кроме того, хладагент должен быть неагрессивным по отношению к конструкционным материалам и маслам, как можно менее токсичным, невоспламеняемым и взрывобезопастным. Другими словами, найти такое вещество, удовлетворяющее всем этим требованиям одновременно, невозможно.
В качестве первых хладагентов использовались вода, диэтиловый и метиловый эфир, аммиак, углекислый газ и двуокись серы. Но после внедрения в США в 1930 году новой категории хладагентов — хлорфторуглеродов (CFC), все ранее употребляющиеся хдадагенты, за исключением аммиака, почти полностью исчезли. Однако с 1980 года учёные стали подавать тревожные сигналы, привлекая внимание общественности к вредному воздействию CFC на окружающую среду, поэтому производители начали разработку менее вредных хладагентов — фторхлорсодержащим углеводородам (HCFC) и фторуглеводородам (HFC).
Хотя число широкомасштабных хладагентов было сокращено, их номенклатура остаётся ещё достаточно многочисленной. Чтобы облегчить их распознавание было введено буквенно-цифровое обозначение (например,R22, R404A). Характеристики и свойства CFC, HCFC и HFC очень близки, их основное отличие заключается в том, что вредное воздействие хладагентов HCFC и HCF на окружающую среду гораздо слабее. Чистые холодильные агенты, такие как R12 или R22, не меняют своего состава при изменении состояния в холодильном контуре при переходе из жидкого в газообразное и наоборот. Исключение составляет R134а. В поисках более экологически безопасных хладонов, были разработаны различные смеси, состоящие из одного или двух холодильных агентов, смешанных в определённой пропорции. По своим характеристикам они делятся на азеотропные, квази-азеотропные и зеотропные.
Воздействие хладагентов на организм человека. Хладагенты разлагаются под воздействием высоких температур, вызванных открытым пламенем, либо электрическими нагревателями. При разложении могут выделяться токсичные и раздражающие соединения, в частности хлориды водорода и фтора. Силиный запах разложившегося хладагента вызывает сильное раздражение слизистой горла и носа. Альтернативные хладагенты не вызывают острых или хронических отравлений, если их концентрация не превышает допустимых норм. При большом выбросе хладагента, его пары могут сконцентрироваться у поверхности пола или на низкорасположенных участках, вытеснив кислород, что может вызвать удушение. Попадание на кожу или в глаза жидкого хладагента прводит к их сильному охлаждению, вызывая обморожение.
Озоновые слои атмосферы. Под атмосферой понимается слои различных газов, не способных залететь во внешнюю систему из-за земного тяготения. Эти слои, в зависимости от высоты расположения разделяются на тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу. В стратосфере, на высоте 15 — 35 км от поверхности Земли, существуют плотные слои O3, которые называются «озоновыми слоями» атмосферы. Поглощая ультрафиолетовые лучи, излучаемые Солнцем, озоновые слои защищают Землю от их вредного влияния, которое они оказывают: заболевание раком кожи, катарактой глаз, сокращение производства сельскохозяйственной продукции, исчезновение морских планктонов, изменение расцветки и прочности пластмасовых изделий и красок, повышение уровня морской воды от таяния ледников из-за «тепличного эффекта». Разрушение озонового слоя и глобальное потепление (точнее — изменение климата) — это две главные проблемы, оказывающие серьезное влияние на будущее развитие производств, связанных с холодильной техникой.
Наступление XX тысячелетия, развитие науки и техники и рост промышленности породили проблему загрязненя окружающей среды. Холодильная индустрия подвергается обвинениям в разрушении озонового слоя в связи с выделением искусственных химических веществ в атмосферу. Началось всё с того, что в 1974 г. Rowland и Molina предположили, что выделение в атмосферу искусственно созданных хлорированных соединений может повредить стратосферный озоновый слой. В результате была создана широкая программа сохранения озона стратосферы, основанная на этой гипотезе. В наибольшей степени разрушение озонового слоя наблюдалось в весеннее время над Антарктикой. В связи с ростом таких факторов, как как разрушение озонового слоя, появление «тепличного эффекта» (повышение температуры атмосферы Земного шара), кислотные дожди, загрязнение морских вод, был принят Монреальский протокол от 29 июня 1990 года, который регламентирует правила ограничения применения веществ, разрушающих озоновые слои атмосферы. Монреальский протокол уже ратифицирован большинством правительств. В настоящее время выпуск и производство галоидопроизводных и фторуглеводородов уже прекратились в индустриально развитых странах (за исключением «существенно важных применений» и использования «озоноразрушающих соединений как исходного сырья для другой химической продукции»). Полностью производство озоноразрушающих веществ должно было закончиться к 2006 г., однако есть основания считать, что это станет возможно лишь к 2010 г. Продолжается экспорт продукции в развивающиеся страны, в которых используются фторуглеводороды. В развитых странах действует черный рынок фторуглеводородов, что неизбежно затягивает осуществление соглашений о неприменении озоноразрушающих веществ. В Монреале (UNEP, 1999) участники протокола приняли предложение о системе лицензий, контролирующих торговлю озоноразрушающими веществами. Что касается соединений типа НСFС, то официальный срок их полного запрещения датируется 2030 г. для индустриально развитых стран и 2040 г. для развивающихся. В Монреале (UNEP, 1999) Евросоюз настаивал на запрещении соединений типа НСРС к 2015 г., но это встретило возражение со стороны представителей США, Канады и некоторых развивающихся стран. Предложение Евросоюза базировалось на убеждении, что многие соединения типа НСРС действительно оказывают озоноразрушающее действие, а будущее — за их безвредными заменителями. Тем временем различные страны приняли собственные стратегии: в Германии, например, НСFС-22 будет использоваться в новых установках и после 2000 г. Избыточное производство СFС и затягивание сроков их полного запрещения вносят изменения в прогнозы, относящиеся к разрушению озонового слоя. Первоначальные исследования показывают, что при введении некоторых ограничений озоновый слой может восстановиться к 2045 г., однако более поздние расчеты могут внести свои коррективы.
Вторая главная проблема, относящаяся к защите окружающей среды, — изменение климата в результате глобального потепления. Этот вопрос стал главным, когда возникла реакция на информацию о разрушении озонового слоя. Сейчас вопросы глобального потепления и разрушения озонового слоя объединяют в общую проблему. Глобальное потепление возникает вследствие «парникового эффекта». Распределение частот в солнечном излучении близко к излучению абсолютно черного тела при температуре около 5800 К. Около 30 % солнечной радиации (1360 Вт/м2), прошедшей через атмосферу, отражается в космическое пространство, а остальная часть достигает земной поверхности. Она нагревает Землю, которую в данном случае можно рассматривать как абсолютно черное тело, испускающее инфракрасное излучение, которое не может пройти через атмосферу, так как поглощается парами воды, диоксидом углерода и другими его поглотителями. В результате тепловой поток попадает в ловушку и температура на поверхности Земли устанавливается более высокой, чем она была бы без изолирующего слоя атмосферы.
Этот эффект представляет собой положительное явление, поскольку создает возможность существования жизни во всех ее проявлениях. Однако в результате жизнедеятельности населения планеты возрастает концентрация СО2 и других парниковых газов в атмосфере, что увеличивает количество поглощенной инфракрасной радиации и неизбежно ведет к повышению температуры самой атмосферы и последующему долговременному изменению климата. Изучение глобального потепления было основано на создании компьютерной модели атмосферной циркуляции, а не с результатами наблюдений или экспериментов. Расчеты этих моделей были крайне сложны и подвержены тем же ограничениям, что и компьютерное моделирование в любой другой области. Точность расчетов соответствует точности заложенных в них данных, которые отражают реальное изменение атмосферы. Даже самый ярый сторонник компьютерных моделей не может не согласиться с тем, что их достоверность ограниченна. Тем не менее прогнозирование, базирующееся на математических моделях, начинает приниматься во внимание и работы по его усовершенствованию постоянно ведутся. Заключения об очевидности глобального потепления и о других необычных физических явлениях убедительно показывают, что климатические изменения действительно наступают. На практике физические наблюдения дают весьма сомнительные и противоречивые результаты.
Существуют разногласия между различными подходами к измерению глобальной температуры. Непосредственные измерения температуры поверхности Земли показывают, что ее глобальная температура возрастает. Однако данные, полученные за последние 20 лет со спутников, этого не подтверждают. Температуру поверхности Земли определяют на многочисленных станциях, расположенных в разных частях света, и дополняют данными по измерению температур воды у поверхности океана. Существует критическое отношение к точности этих данных по разным причинам — таким, как тепловое воздействие островов, неоднородность расположения измерительных станций, локальность температур на измеряемом пространстве и то, что использовались показания температур у поверхности океана, чтобы восполнить отсутствующие данные. Спутниковые измерения основаны на использовании ультразвука. Поверхность Земли охватывается достаточно полно, поскольку спутники пересекают ее за короткий период времени. Отдельные показатели уровня температур могут быть составлены как для тропосферы, так и атмосферы в целом и достаточно достоверно показывают небольшое охлаждение атмосферы за последние 20 лет. Радиозонды, установленные на аэростатах, дают тот же результат. Спутниковые измерения показывают, что температурная структура атмосферы намного сложнее, чем представляется на моделях.
Имеются и другие теории, утверждающие, что температурные колебания связаны не с парниковым эффектом, а с вариациями числа солнечных пятен и возрастанием солнечной активности. При всей его очевидности положение о том, что повышение концентрации примесей служит причиной глобального потепления, подвергается сомнению в связи с выборочным использованием данных. Соглашаясь, что концентрация диоксида углерода в атмосфере и ее температура возрастают одновременно, трудно определить, что является главной причиной. Сложность заключается еще и в том, что приходится предсказывать на достаточно длительную перспективу поведение очень сложной, хаотической и нелинейной системы, основываясь на кратковременных зависимостях.
Несмотря на отсутствие единого мнения на все эти проблемы, в обществе существует убеждение о необходимости снижения выхода в атмосферу парниковых газов. Это касается не только диоксида углерода, но и метана и хладагентов, что сказывается также на индустрии холода. Акция была начата «зеленым» движением, закрепившим убеждение, что риск глобального потепления настолько велик, что меры необходимо принимать немедленно. Независимо от того, грозит планете глобальное потепление или нет, каждый из нас должен стремиться снижать количество выделяемых в окружающую среду загрязнений, сохранять ресурсы и способствовать поддержанию требований экологии в возможно лучших условиях.
Теперь хорошо известны меры, принимаемые для сохранения озонового слоя. Постепенно соединения типа СFС должны быть изъяты из применения, за ними должны последовать соединения типа НСFС. Ведется значительная работа, направленная на замену этих хладагентов другими, отвечающими озоносберегающим требованиям, и на преодоление смежных задач, включающих ретрофит. Проблемы возникают также в связи с изменениями КПД и производительности, потерей температурного уровня, трудностями с маслами и их совместимостью с хладагентами. Потенциальные альтернативные рабочие вещества включают три вида углеводородов (два фторированных классов НFС, РFС и один, не содержащий фтора, НС), а также диоксид углерода СО2 аммиак NH3 и воздух. Соединения типа РFС едва ли смогут играть существенную роль, поскольку имеют очень высокий потенциал глобального потепления и длительный срок существования в атмосфере. Хладагенты типа НFС также включены в Киотское соглашение, как подлежащие выведению из употребления.
Единственной заменой СFС-12 явился свободный от хлора хладагент НРС-134а. Однако после нескольких испытаний он был включен в число запрещенных хладагентов. Эта серьезная проблема остается, поскольку замена СРС-12 на НРС-134а не решает задачи ретрофита. Не удалось найти однокомпонентного хладагента для замены НСFС-22 и азеотропной смеси R505, но были предложены смеси, которые могут подойти для многих случаев. Охлаждение и кондиционирование воздуха в настоящее время требуют в сумме около 10% производимой энергии, поэтому даже небольшое повышение эффективности этого оборудования дает ощутимый глобальный эффект.
Если рассматривать возможности замены одних хладагентов на другие, то следует начать с того, что для НСFС-22 и R502 нет однокомпонентных заменителей. Такая замена возможна для СFС-11, СFС-12 и СFС-114, но при этом возникают вопросы, связанные с их стоимостью и пригодностью. Углеводороды и их смеси годятся во всех случаях, а циклы на воздухе и СО2 активно разрабатываются. Применение аммиачных и водоаммиачных систем тоже вновь активно рассматривается. С применением углеводородов в холодильной индустрии проблем не возникает. Углеводороды — хорошие хладагенты, удобные в эксплуатации и совместимые с минеральными маслами, они с успехом могут заменить соединения типа СFС. Главная проблема при их использовании связана с огнеопасностью. Возникает противоречие между позициями разных стран в этой области, и нет особых надежд на введение международного стандарта в ближайшем будущем. Страховые компании (в частности, в США) возражают против использования пропана или бутана в холодильных установках, хотя соглашаются с существованием гораздо более опасных баллонов с этими газами, предназначенных для отопления или приготовления пищи. Это приводит к нелогичным запретам. Например, транспорт не может быть использован для перевозки установок, работающих на углеводородном хладагенте, но на нем разрешено перевозить 50 кг баллоны с бутаном для отопления.
Аммиачные компрессионные и абсорбционные установки хорошо известны, и водоаммиачный ресорбционный цикл обещает положительные результаты при высокотемпературном применении. Другие направления развития включают возрождение воздушных циклов, в частности сверхкритических циклов на СО2. В этой области достигнуто значительное продвижение и имеются возможности для практического применения. Циклы на СО2представляют интерес, особенно своей высокотемпературной частью, связанной с конденсацией. Заслуживает внимания также термоэлектрическое и акустическое охлаждение. Первое из них занимает определенную нишу на рынке, но высокая стоимость и низкий КПД пока сдерживают его распространение.
Парниковое воздействие утечек хладагентов типа НFС незначительно по сравнению с тем, что выделяет в атмосферу движущийся поезд. Есть ли серьезные основания отказаться от НFС? Существует две главные движущие силы, воздействующие в направлении замены хладагентов типов СFС и НСFС на более приемлемые альтернативные вещества: признание роли хлоридов в разрушении атмосферного озонового слоя и признание СFС как главного источника хлоридов в стратосфере, что привело к подписанию Монреальского протокола и последующим мерам, направленным на их скорейшую замену озонобезопасными хладагентами. Внимание, обращенное на глобальное потепление и соответственно на хладагенты, сделало их главными объектами атаки. Однако, понимая необходимость ограничить влияние холодильной техники на разрушение озонового слоя, очень важно рассматривать проблему в перспективе глобального потепления. Необходимо разделить относительно небольшую долю влияния хладагентов на разрушение озонового слоя по сравнению с энергопотреблением растущей холодильной индустрии.
