Автомобильное кондиционирование

 

Новый хладагент

Сейчас перед нами стоит  важная проблема. Какой же хладагент  использовать вместо R134a? Итак, мы уже выяснили, что хлорфторуглероды и гидрофторуглероды не подходят для использования в XXI веке. Для начала рассмотрим уже известные и широко применяемые фреоны. Начнем с зеотропной смеси — механической смеси хладагентов с различными температурами насыщения при одном и том же давлении. Следовательно, при некоторых условиях хладагенты могут разделиться на составляющие.

 

R407c

R407, состоящий из R32/R125/R134a и взятый в пропорциях 23/25/52. Потенциал глобального потепления выше на 300 по сравнению с R134a. Но и это ещё не все изъяны зеотропа. Так как это смесь, то его очень трудно заправлять, потому что необходимо сохранить пропорции. Учитывая не самые лучшие характеристики, проблемы в эксплуатации более сложное производство по сравнению с моновеществами, вы ещё можете увидеть более высокую цену по сравнению с тем же R134a. На мой взгляд, достаточно причин, чтобы не рассматривать этот хладагент, как альтернативу R134a.

 

 

 

 

 

 

 

Технические характеристики R407c:

 

 

 

 

 

 

 

 

R502

Также существует группа фреонов, именуемая азеотропами. Азеотропная смесь - это механическая смесь двух или более хладагентов, которые при правильных пропорциях составляют хладагент с одной температурой кипения, отличной от температур кипения отдельных составляющих. Азеотропная смесь кипит при постоянной температуре, сохраняя такой же состав пара, как и у жидкости. Параметры азеотропной смеси являются противоположными зеотропным хладагентам. Рассмотрим его достоинства и недостатки на примере R502 – азеотропной смеси R22 и R115, взятых в соотношении 48,8 к 51,2. Его GWP равен 5590. Ужасные показатели как в техническом, так и в экологическом смыслах. Также никуда не делись проблемы смесей: дороговизна, сложность в эксплуатации. Можно считать данный фреон совершенно нерентабельным для использования в современных автомобильных (да и не только) кондиционерах.

 

Технические характеристики R502:

 

 

 

 

 

 

 

Природные хладагенты

В природе  существует достаточно газов, обладающих свойствами, которые позволяют использовать их в качестве хладагентов. Они имеют  ряд преимуществ по отношению  к промышленным хладонам. Во-первых, они имеют очень низкую стоимость. Во-вторых, они либо безопасны для  окружающей среды либо в сотни  раз безопаснее фреонов. В-третьих, многие из них имеют высокую холодопроизводительность, не уступающую, а иногда даже превосходящую  данную у промышленных хладагентов. Предлагаю рассмотреть их подробней  и выбрать из них наиболее оптимальный.

 

CO₂

Углекислый  газ, как ни странно, тоже является хладагентом. Углекислота имеет очень низкие показатели ODP (0) и GWP (1), а ее себестоимость крайне мала. Но существует одна проблема, не позволяющая использовать в кондиционерах, а точнее использовать стандартным способом, данный хладагент. Причина проста – очень низкая критическая температура. Она равна всего 31°С. То есть, когда температура на улице достигает выше указанного значения, газ CO₂ не может конденсироваться, и осуществление холодильного цикла становится невозможным. Современным ученым удалось обойти это ограничение методом использования транскритического холодильного цикла. Но эта технология требует очень сложного строения кондиционера, а также данный кондиционер имеет массу, которая намного выше, чем у кондиционеров с использованием обычного холодильного цикла. Все это делает его не самым перспективным хладагентом для автомобиля, но из-за высоких холодильных характеристик и низкого вреда для экологии кондиционеры на углекислоте широко используются в Норвегии и частично в Японии.

 

NH₃ (R717)

Аммиак  широко используется в настоящее  время на складах и производствах  для поддержания нужной температуры  в качестве хладагента. Он не наносит  никакого вреда озоновому слою и  не имеет парникового эффекта. Также  он имеет высочайшую холодопроизводительность и большой холодильный коэффициент. Казалось бы, отличный вариант для  использования в автомобильных  кондиционерах. Но аммиак имеет ряд  свойств, делающих его неблагоприятным  для использования в автомобиле. Главное из них – это запах. Даже самая небольшая доза этого  вещества имеет сильнейший резкий запах. Это и не позволяет использовать его в автомобиле. Также можно  добавить то, что он вреден для человеческого  организма, хотя то его содержание, которое требуется для автомобильного кондиционера, едва ли будет опасно для человека. Также аммиак тяжело сжимать, поэтому использование  его в автомобиле в качестве хладагента потребовало бы более объемного  и мощного компрессора, что крайне нежелательно.

 

 

Технические характеристики R717:

 

 

 

 

 

 

 

R600a

R600a или изобутан имеет следующую химическую формулу: (CH₃)₂-CH-CH₃. Он практически безвреден для окружающей среды. Его показатель ODP равен 0, а GWP

равен 3. Это  более чем в 400 раз меньше, чем  у R134a. Данный хладагент имеет высокую холодопроизводительность и высокий холодильный коэффициент, что делает его довольно-таки привлекательным для производителей кондиционеров и холодильных машин. На сегодняшний день изобутан широко используется в холодильниках. Но почему его до сих пор не используют в кондиционерах? Возможно из-за его воспламеняемости, хотя данных об авариях домашних холодильников на R600a нет. То его количество, которое используется в кондиционере, не представляет никакой опасности и угрозы для человеческой жизни, несмотря на то, что хладагент циркулирует рядом с двигателем. Исходя из всего вышеперечисленного, я считаю, что именно изобутан должен прийти на замену “вредному” R134a. Но у ведущих производителей холодильной техники и фреонов другое мнение на этот счет.

 

Технические характеристики R600a:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1234yf 

Данный тетрафторпропилен, имеющий  формулу CF₃CF=CH₂ был представлен в 2010 году компаниями DuPont и Honeywell. Его отличительной особенностью является показатель GWP равный 4. То есть этот фреон практически не имеет парникового эффекта. В связи с этим данный хладагент будет использоваться практически во всех новых автомобилях, начиная с 2012 года, а к 2016 планируется полностью отказаться от R134a. Но R1234yf имеет ряд серьезных недостатков:

во-первых, сильно возросшая цена по сравнению с остальными хладагентами;

во-вторых, по сравнению с R134a холодопроизводительность у тетрафторпропилена ниже примерно на 5-7%;

в-третьих, для кондиционера, работающего  на R1234yf, требуются гораздо более сложные запчасти (планируется даже использовать для лучшего холодильного коэффициента транскритический цикл);

в-четвертых, из-за сложного состава  самого хладагента заправка хладагента становится сложнее по сравнению  с тем же R134a;

в-пятых, R1234yf присвоили "умеренную" степень воспламеняемости. Многие исследования показали, что он безопасен в автомобиле в разных условиях и ситуациях, поэтому многие компании не стали обращать на это внимание, но компания DAIMLER, производитель легендарного бренда Mercedes-Benz, проведя свои опыты, выяснила, что данный фреон не является безопасным, и отказывается использовать его в своих автомобилях. Также компания DAIMLER рассчитывает полностью убрать данный фреон с рынка.

 

Масло для кондиционера

В настоящее  время в компрессорных системах охлаждения применяются различные  виды масел:

1. Минеральные масла
2. Синтетические масла
3. Полусинтетические масла

Для R1234yf требуются синтетические масла, а с R600a применяют минеральные масла. Можно долго спорить о том, что в итоге лучше. Для начала стоит привести список достоинств и недостатков синтетических масел перед минеральными.

Преимущества:

• лучше смазывающие качества;
• выше термическая стабильность и стойкость в смеси с хладагентами;
• ниже температура застывания (определяет начало застывания, то есть перехода  масла из жидкого состояния в твёрдое);
• меньше агрессивность по отношению к конструкционным материалам.

Недостатки:

• относительно высокая стоимость;
• значительная гигроскопическая и избирательная агрессивность по отношению к отдельным материалам.

Определенная  агрессивность к материалам присутствует у обоих видов масел. Температура  застывания, на мой взгляд, не является серьезным преимуществом, а просто учитывается при разработке кондиционера. Более высокие термическая стабильность, стойкость и смазывающие качества, безусловно, имеют вес, но в то же время мало кто жаловался на данные характеристики минеральных масел, а вот их высокая стоимость  – это уже серьезный недостаток. Тем самым к преимуществу R600a можно также приписать использование с ним более дешевых минеральных масел.

 

Замена R134a

Пришло время подвести итог “соревнования” хладагентов. На мой взгляд "победителем” стал именно R600a. Сейчас я постараюсь объяснить почему. Во-первых, холодильные характеристики относительно тех хладагентов, которые могут быть использованы в автомобиле, очень высоки. В этом можно убедиться на представленной ниже таблице:

 

Хладагент	R600a	R134a	R502	R407c	R12	R1234yf
E	8,42	8,5	8,16	8,08	8,25	-
qₒ(кДж/кг)	286,89	153,3	107,8	170,4	121,2	-
ODP	0	0	0,33	0	1	0
GWP	3	1300	5590	1610	8500	4

 

 

Я не обладаю точными техническими данными R1234yf, но прочитал в интернете, что холодопроизводительность на 5-7% ниже, чем у R134a, а высокого холодильного коэффициента производители собираются добиваться за счет новых технологий в производствах кондиционеров. Из всего этого можно сделать вывод, что R600a является лучшим по своим холодильным качествам, по влиянию на окружающую среду, по цене (природные хладагенты самые дешевые), а его воспламеняемость, на мой взгляд, сильно преувеличена. В конце концов, R1234yf тоже воспламеняем.

 

Альтернативные способы кондиционирования

Ни для кого не секрет, что существуют способы кондиционирования, для  которых не требуются никакие  хладагенты, а значит, они не наносят  никакого вреда окружающей среде. Я  бы хотел заострить свое внимание на одном из них - термоэлектричестве. В том случае, когда через цепь двух разнородных материалов пропускается постоянный ток, один из спаев начинает нагреваться, а другой — охлаждаться. Это явление носит название термоэлектрического эффекта.

 

К сожалению, этот способ охлаждения не годится  для автомобиля по одной простой  причине. Мощность холодильных машин, построенных на термоэлектричестве, составляет всего 1500 Вт, а теперь рассчитаем сколько нужно теплоты, чтобы  охладить салон автомобиля на 20 градусов Цельсия:

 

Учитывая  низкую мощность современных термоэлектрических холодильных машин, использовать их в автомобиле совершенно неразумно.

 

Тепловой насос

Режим теплового насоса обратен  холодильному циклу, то есть испаритель выступает в роли конденсатора и  наоборот. В результате получается, что мы отопляем салон, а охлаждается (конечно, это сильно сказано) воздух на улице. Есть одно условие для данного  режима кондиционера: температура на улице не должна быть ниже, чем -10 градусов по Цельсию. Таким образом, я предлагаю  сравнить Фи (аналог холодильного коэффициента, который вычисляется по формуле ) сравниваемых ранее хладагентов:

 

В режиме теплового насоса мы также видим  явное преимущество изобутана, что  доказывает его профпригодность.

 

“Печка”

Но в автомобилях для отопления  салона используется печка, а не кондиционер  в режиме теплового насоса. Мне  кажется,  разобравшись в устройстве и принципе ее работы, станет понятно, почему печка до сих пор используется в автомобиле (с 1917 года). За приборной  панелью расположен радиатор, он соединен трубками с двигателем, по которым  циркулирует тосол (охлаждающая  двигатель жидкость). Нагреваясь, выполняя свою основную работу,  тосол поступает  в радиатор,  где его охлаждает  поступающий с улицы холодный воздух. Так и  происходит отопление  салона автомобиля. Данный способ имеет  ряд преимуществ перед работой  кондиционера в режиме теплового  насоса:

1. Мы не тратим дрполнительную энергию для нагрева  жидкости, а используем нагревание двигателя. А вот компрессор кондиционера имеет нагрузку на двигатель. 

2. ГОСТ автомобильной печки гласит, что при -50 на улице печка должна быть способна нагреть салон автомобиля до 16 градусов. В отличие от теплового насоса кондиционера, который способен работать только при температуре выше -10 печка не даст нам замерзнуть в любую погоду.