Хладагент R717

Хладагент R717 — это аммиак (NH₃), бесцветный газ с резким характерным запахом, используемый в качестве рабочего тела в холодильных машинах и тепловых насосах. Относится к классу природных хладагентов, обладает нулевым потенциалом разрушения озонового слоя (ODP = 0) и нулевым потенциалом глобального потепления (GWP = 0). В силу своих термодинамических свойств и энергоэффективности R717 является одним из наиболее распространённых промышленных хладагентов, особенно в крупных системах холодоснабжения.

Физико-химические свойства

Аммиак (NH₃) — неорганическое соединение азота и водорода. В стандартных условиях (температура 20 °C, давление 101,325 кПа) представляет собой газ легче воздуха (плотность 0,7714 кг/м³). Температура кипения при атмосферном давлении составляет −33,34 °C, температура замерзания — −77,73 °C. Критическая температура R717 равна 132,4 °C, критическое давление — 11,33 МПа.

Основные термодинамические характеристики:

Удельная теплота парообразования при 0 °C: 1260 кДж/кг (одна из самых высоких среди хладагентов).
Объёмная холодопроизводительность: примерно на 60–70 % выше, чем у R22 (хлордифторметан), что позволяет использовать компрессоры меньшего размера при равной холодопроизводительности.
Высокая температура нагнетания (до 150–160 °C в одноступенчатых компрессорах), что требует применения масел с высокой термической стабильностью и систем охлаждения компрессора.

Аммиак хорошо растворим в воде (до 900 г/л при 20 °C) и ограниченно растворим в минеральных маслах. С водой образует гидроксид аммония (NH₄OH), обладающий щелочными свойствами. В присутствии влаги аммиак вызывает коррозию меди, цинка и их сплавов, поэтому в системах с R717 применяются стальные или алюминиевые трубопроводы и арматура.

История применения

Использование аммиака в холодильной технике началось в середине XIX века. В 1859 году французский инженер Фердинанд Карре создал первую абсорбционную холодильную машину, работающую на аммиаке. В 1873 году немецкий инженер Карл фон Линде разработал первую компрессионную холодильную машину на аммиаке, что положило начало промышленному холоду. К концу XIX века аммиачные холодильные установки стали доминирующими в мясной, молочной и пивоваренной промышленности.

С появлением в 1930-х годах фреонов (хлорфторуглеродов) аммиак постепенно вытеснялся из бытовых и малых коммерческих систем из-за токсичности и взрывоопасности. Однако в крупных промышленных установках R717 сохранил лидирующие позиции благодаря высокой энергоэффективности и низкой стоимости. После подписания Монреальского протокола (1987) и Киотского протокола (1997) интерес к аммиаку как к экологически чистому хладагенту возобновился, и он активно применяется в современных системах холодоснабжения.

Классификация и маркировка

По классификации ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) аммиак обозначается как R717, где:

R — refrigerant (хладагент);
7 — указывает на неорганическое соединение (группа 700);
17 — молекулярная масса, округлённая до целого числа (17,03 г/моль).

По стандарту ISO 817:2014 R717 относится к классу A1 (нетоксичный, негорючий) для чистого аммиака, однако в реальных условиях эксплуатации он считается токсичным и горючим газом. В России и странах Таможенного союза аммиак классифицируется как:

токсичное вещество 4-го класса опасности (ПДК в воздухе рабочей зоны — 20 мг/м³);
горючий газ (температура самовоспламенения 650 °C, концентрационные пределы воспламенения в воздухе 15–28 % объёмных).

Устройство и принцип работы системы с R717

Типовая парокомпрессионная холодильная машина на R717 состоит из четырёх основных элементов: компрессора, конденсатора, регулирующего вентиля (терморегулирующего вентиля или электронного расширительного клапана) и испарителя. Принцип работы основан на циклическом изменении агрегатного состояния хладагента:

Компрессор (поршневой, винтовой или центробежный) сжимает пары аммиака, повышая их давление и температуру (до 80–150 °C).
Конденсатор (воздушный или водяной) охлаждает и конденсирует горячий пар в жидкость, отводя теплоту в окружающую среду.
Регулирующий вентиль дросселирует жидкий аммиак, снижая его давление и температуру (до −10…−50 °C).
Испаритель (кожухотрубный, пластинчатый или оребрённый) — жидкий аммиак кипит, отбирая теплоту от охлаждаемой среды (воздуха, рассола, воды).

Для смазки компрессоров применяются специальные аммиачные масла на основе минеральных или синтетических (полиалкиленгликолевых) баз, не образующих эмульсий с аммиаком.

Применение

R717 используется в следующих областях:

Промышленное холодоснабжение: мясокомбинаты, молокозаводы, пивоварни, рыбоперерабатывающие предприятия, склады замороженных продуктов. По оценкам, до 80 % крупных промышленных холодильных систем в России и странах СНГ работают на аммиаке.
Ледовые арены и катки: системы охлаждения ледовых покрытий (например, в спортивных комплексах «Мегаспорт» в Москве, «Ледовый дворец» в Санкт-Петербурге).
Химическая и нефтехимическая промышленность: охлаждение реакторов, конденсация газов, кристаллизация продуктов.
Тепловые насосы: аммиачные тепловые насосы используются для отопления и горячего водоснабжения (например, в системах централизованного теплоснабжения в Скандинавии).
Сельское хозяйство: охлаждение молока на фермах, хранение зерна и овощей в регулируемой атмосфере.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Нулевое воздействие на озоновый слой и парниковый эффект (GWP = 0, ODP = 0).
Высокая энергоэффективность: COP (коэффициент производительности) на 10–20 % выше, чем у синтетических хладагентов (R404A, R507).
Низкая стоимость: аммиак дешевле большинства синтетических хладагентов (цена на 2024 год — около 60–80 рублей за кг).
Простота обнаружения утечек: резкий запах ощущается при концентрации 5–10 ppm (частей на миллион), что значительно ниже предельно допустимой концентрации.
Хорошая теплопередача и высокая скрытая теплота парообразования.

Недостатки

Токсичность: при высоких концентрациях (свыше 500 ppm) вызывает раздражение дыхательных путей, отёк лёгких, при 2500–5000 ppm — смерть в течение нескольких минут.
Взрывопожароопасность: в смеси с воздухом в диапазоне 15–28 % объёмных образует взрывоопасные смеси.
Коррозионная активность: разрушает медь, латунь, цинк, требует применения специальных материалов (сталь, алюминий, полимеры).
Несовместимость с некоторыми маслами: требует использования специальных аммиачных масел.
Необходимость строгого соблюдения правил безопасности: проектирование, монтаж и эксплуатация аммиачных установок регулируются нормативными документами (в РФ — «Правила безопасности аммиачных холодильных установок», ПБ 09-595-03).

Безопасность и регулирование

В Российской Федерации аммиак (R717) относится к опасным химическим веществам. Эксплуатация аммиачных холодильных установок регламентируется:

Федеральным законом № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов»;
«Правилами безопасности аммиачных холодильных установок» (ПБ 09-595-03);
ГОСТ 12.1.007-76 «Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности».

Помещения, в которых размещаются аммиачные агрегаты, должны быть оборудованы:

системами автоматического газоанализа (датчики аммиака с порогом срабатывания 20–50 ppm);
аварийной вентиляцией с кратностью воздухообмена не менее 10 объёмов в час;
системами пожаротушения (водяные завесы, пенные огнетушители).

Персонал, обслуживающий аммиачные установки, обязан проходить обучение и аттестацию по промышленной безопасности, а также иметь средства индивидуальной защиты (противогазы марок КД или М, защитные костюмы).

Экологические аспекты

Аммиак является природным веществом, входящим в естественный круговорот азота в биосфере. Его утечки в атмосферу не наносят долговременного ущерба озоновому слою и не усиливают парниковый эффект. Однако при попадании в водоёмы аммиак токсичен для водных организмов (ПДК для рыбохозяйственных водоёмов — 0,05 мг/л по аммоний-иону). Поэтому аммиачные холодильные установки должны быть оснащены системами сбора и нейтрализации проливов.

Перспективы развития

В условиях глобального перехода к экологически безопасным хладагентам (Кигалийская поправка к Монреальскому протоколу, 2016) R717 рассматривается как одна из основных альтернатив синтетическим фторсодержащим хладагентам (HFC). Развитие технологий идёт по следующим направлениям:

создание компактных герметичных аммиачных компрессоров (спиральных, винтовых) для малых и средних систем;
разработка систем с малым заполнением (charge reduction) — до 0,1–0,5 кг аммиака на кВт холодопроизводительности;
использование аммиака в комбинированных системах (каскадные установки с CO₂ — R744);
внедрение цифровых систем управления и мониторинга для повышения безопасности.

Источники

ASHRAE Handbook — Refrigeration. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2018.
ISO 817:2014 Refrigerants — Designation and safety classification.
«Правила безопасности аммиачных холодильных установок» (ПБ 09-595-03). Госгортехнадзор России, 2003.
Курылев Е. С., Оносовский В. В., Румянцев Ю. Д. Холодильные установки. — Л.: Машиностроение, 1980.
Бараненко А. В., Бухарин Н. Н., Пекарев В. И. Холодильная техника. — СПб.: Политехника, 2006.
Российский регистр хладагентов. НИИхиммаш, 2020.
IPCC/TEAP Special Report on Safeguarding the Ozone Layer and the Global Climate System. Cambridge University Press, 2005.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →