Рабочие вещества малых холодильных машин

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

С.Д. Глухов, А.А. Жердев, А.В. Шарабурин

РАБОЧИЕ ВЕЩЕСТВА МАЛЫХ
ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2010

УДК 621.57
ББК 22.4
Г55

Г55

Рецензент Н.И. Фролов

Глухов С. Д.
Рабочие вещества малых холодильных машин : учеб. пособие / 
С. Д. Глухов, А. А. Жердев, А. В. Шарабурин. – М. : Изд-во
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. – 43, [1] с. : ил.

Учебное пособие посвящено современным хладагентам, отвечающим 
требованиям Монреальского и Киотского протоколов, и дополняет 
курсы лекций «Теоретические основы холодильной техники»,
«Холодильные машины» и «Тепловые насосы», читаемые на кафедре
«Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования и
жизнеобеспечения» (Э-4).
Для студентов, специализирующихся по кафедре Э-4, выполняющих 
курсовые и дипломные проекты.

УДК 621.57
ББК 22.4

Учебное издание

Глухов Станислав Дмитриевич
Жердев Анатолий Анатольевич
Шарабурин Алексей Владимирович

РАБОЧИЕ ВЕЩЕСТВА МАЛЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Редактор С.Ю. Шевченко
Корректор
Г.С. Беляева
Компьютерная верстка В.И. Товстоног

Подписано в печать 29.03.2010. Формат 60×84/16.
Усл. печ. л. 2,56. Тираж 100 экз. Изд. № 101.
Заказ

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5.

c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010

ВВЕДЕНИЕ

Развитие холодильной техники в настоящее время находится
под влиянием трех определяемых экологическими проблемами вза-
имосвязанных факторов:
1) требований Монреальского протокола о прекращении потре-
бления веществ, разрушающих озоновый слой Земли (в первую
очередь вещества R12) и о временном и количественном ограни-
чении применения веществ переходной группы (в том числе веще-
ства R22), имеющих малый потенциал разрушения озонового слоя
(ODP);
2) требований Киотского протокола к «Рамочной конвенции
ООН об изменении климата» о регулировании эмиссии парнико-
вых газов (веществ, разрушающих озоновый слой Земли и имею-
щих высокий потенциал глобального потепления — GWP), к ко-
торым относятся широко применяемые хладагенты R22, R134a,
R410а, R417а, R423а и многие другие вещества, используемые в
холодильной технике;
3) ГОСТ Р МЭК 66035-2-24–2001, разрешающий использова-
ние в приборах бытовой холодильной техники углеводородов (про-
пан, изобутан, пропан-бутан и др.) при ограниченной массе заправ-
ки до 150 г.
Анализируя наиболее известные хладагенты — заменители ве-
щества R12, разработанные в нашей стране и за рубежом, можно
убедиться, что у каждого из них имеются недостатки с точки зре-
ния выполнения перечисленных выше требований.
Обзор литературных источников показал, что равноценной за-
мены вещества R12, используемого в холодильной технике, в на-
шей стране пока не найдено, особенно для замены действующего
холодильного оборудования способом drop in. Применения много-
численных альтернативных хладагентов, таких как R134a, R401а,

3

R401в, R401с, R409а и др. [1], предлагаемых зарубежными ком-
паниями, вызывает определенные трудности. Предлагаемые хлад-
агенты запатентованы компаниями-производителями и имеют вы-
сокую стоимость. Зачастую в состав хладагентов-смесей входят
редкие и, следовательно, дорогие, компоненты, что существенно
увеличивает затраты на сервисное обслуживание холодильных си-
стем. Для применения большинства новых хладагентов требуется
изменение условий работы системы — замена масла, замена некоторых 
агрегатов и аппаратов холодильной машины (ретрофит).
В России разработаны более дешевые смесевые хладагенты
(R22/R142b, Cl, C10M1 и др. [2, 3]). Преимуществами отечественных 
хладагентов являются их относительная дешевизна и возможность 
использования без изменения конструкции холодильной машины 
и замены масла. Однако у этих смесей имеется ряд недостатков. 
В состав смесевых хладагентов на основе вещества R22
нередко входят дорогостоящие компоненты. Применение таких
смесей, несмотря на относительно высокую стоимость, перспективно 
в холодильных машинах малой производительности, например 
в холодильниках, где масса заправки составляет 100. . . 150 г
(ее стоимость — около 5 % от общей стоимости холодильного аппарата). 
Поэтому применение смеси R22/RC318 может быть экономически 
оправдано для холодильных машин малой производительности. 
Для холодильных машин большей производительности
на Кирово-Чепецком химическом комбинате была создана смесь
«Экохол-3» (40 % R22, 12 % RC318, 48 % R142b), где для снижения 
концентрации дорогостоящего вещества RC318 введен третий
компонент — R142b. Но эксплуатационные и термодинамические
характеристики смеси «Экохол-3» не были исследованы. Пробле-
мой является также пожароопасность отдельных компонентов сме-
севых хладагентов (R142b). Смеси, включающие этот компонент,
как правило, имеют невысокую стоимость, однако при возможной
утечке негорючего компонента концентрация горючего компонента
увеличивается и может возникнуть пожароопасная ситуация.
Решения Киотского протокола, ограничивающие применение
фреонов в холодильной технике, и новая редакция ГОСТов России,
допускающая использование углеводородов в качестве хладагентов
[4—6], открывают новые возможности для применения углеводоро-
дов в холодильных машинах малой производительности, где масса

4

заправки мала. Однако в нашей стране опыт применения углево-
дородов, в частности диметилового эфира (ДМЭ), в холодильной
технике ограничен, а возможность их применения в холодильных
машинах практически не исследована. Диметиловый эфир лучше,
чем рекомендованные смесевые хладоны (например, С1); рабо-
ты по применению ДМЭ проводятся в МГТУ им. Н.Э. Баумана в
течение нескольких лет. Из чистых веществ возможно примене-
ние только изобутана R600a (температура нормального кипения
ts = −11,7 ◦С), поэтому его использование в морозильниках (ра-
бочая температура t0 = −18 . . . − 25 ◦C) ограничено. В то же вре-
мя ДМЭ может быть использован в качестве дизельного топлива,
поэтому его цена должна быть на порядок ниже, чем у других
хладонов.
Положения Федерального закона «Об энергосбережении» обя-
зывают производителей холодильной техники (в том числе быто-
вых холодильных приборов) искать пути повышения энергетиче-
ской эффективности новой техники, что, в частности, может быть
достигнуто путем применения новых хладагентов [7, 8].

1. ИСТОРИЯ ВОПРОСА

С середины XVIII в. и до начала XX в. в качестве хладаген-
тов для холодильных систем применяли различные вещества: воду,
диэтиловый и метиловый эфиры, аммиак, диоксид углерода, сер-
нистый ангидрид, метилхлорид и др. Первыми хладагентами стали
воздух и вода (в 1755 г. воду использовали в этом качестве в лабора-
торной установке, которую создал В. Гален). В 1834 г. Я. Перкинсу
был выдан Британский патент на «Аппарат для производства хо-
лода и охлаждающих жидкостей», и этот год стал точкой отсчета
в истории парокомпрессионных холодильных машин. В качестве
хладагента в этом устройстве использовался этиловый эфир, отличающийся 
невысоким давлением пара. В дальнейшем были предложены 
и использованы в конкретных холодильных установках
сернистый ангидрид (Ф. Карре), диметиловый эфир (Х. Телье), и,
наконец, в 1876 г. К. Линде построил холодильную машину, работающую 
на аммиаке.
После выпуска в 1930 г. компанией E.I. du Pont de Nemours&Co
(США) первых партий дихлордифторметана, относящегося к группе 
хлорфторуглеродов (ХФУ), и организации его промышленного
производства в 1932 г. многие рабочие вещества, кроме аммиака,
почти полностью исчезли с рынка хладагентов. Эта же компания
ввела в обращение торговое наименование «фреон-12» [9]. Обозначение 
хладагента буквой R (refrigerant) так же, как и наименование «
фреон», стало общепринятым. В середине 1930-х годов
было налажено в промышленных масштабах производство хладагентов 
R11, R113, R114. В 1935 г. был получен хладагент R22,
относящийся к группе гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ). Его применяли 
в низкотемпературных холодильных установках. В 1952 г.
был получен хладагент R502, заменивший хладагент R22 в низ-
котемпературных холодильных установках, что позволило снизить

6

давление нагнетания в компрессорах, характерное для хладагента
R22. Для получения очень низких температур в каскадных маши-
нах были разработаны хладагенты R13, R503 и R13B1.
Однако только с 1960-х годов R22 и R502 стали одними из
основных хладагентов в промышленных и торговых средне- и
низкотемпературных холодильных установках, кондиционерах и
тепловых насосах.
До начала 1980-х годов ХФУ и ГХФУ заняли доминирующее
положение в холодильной промышленности (бытовое, торговое,
промышленное и транспортное холодильное оборудование).
Из всех известных раннее хладагентов только аммиак (R717),
имеющий самые высокие термодинамические и технико-эксплуата-
ционные показатели в широком интервале температур по сравне-
нию с хладагентами групп ХФУ и ГХФУ, в настоящее время
успешно применяется в промышленных холодильных установках.
Однако к 1980-м годам, когда специалисты ряда стран (прежде
всего США) начали заниматься вопросами изучения влияния ХФУ
и ГХФУ на окружающую среду, эти хладагенты стали предметом
беспокойства в связи с возможным разрушением озонового слоя.
Споры о причастности фреонов к разрушению озонового слоя Зем-
ли продолжаются до сих пор [10, 11].
Впервые механизм истощения озонового слоя Земли описали в
1974 г. ученые Калифорнийского университета (США) М. Молина
и Ш. Роулэнд. Они показали, что молекула оксида хлора и атом
хлора — сильнейшие катализаторы, способствующие разрушению
озона. Cтратосферы достигают только химически стабильные мо-
лекулы, которые не разрушаются под действием солнечных лучей,
химических реакций и не растворяются в воде. Именно такими
качествами обладают молекулы ХФУ. Время их жизни превышает
100 лет. Молекулы ХФУ тяжелее воздуха, и число их в стратосфере
крайне мало: 3—5 молекул ХФУ на 10 млрд молекул воздуха. Под
действием ультрафиолетового излучения от молекул ХФУ отрыва-
ется атом хлора, а оставшийся радикал легко окисляется, создавая
молекулу оксида хлора и новый радикал. Атом хлора и молекула
оксида хлора активно включаются в каталитический цикл разру-
шения озона. Одна молекула хлора, достигающая стратосферы,
способна разрушить от 10 до 100 тыс. молекул озона [10].

7

В
качестве
альтернативных
озонобезопасных
хладагентов
фирмами-производителями были предложены гидрофторуглеро-
ды (ГФУ), не содержащие хлора. Но в дальнейшем оказалось, что
ГФУ наряду с ХФУ и ГХФУ создают при попадании в атмосферу
парниковый эффект.
Парниковый эффект возникает вследствие того, что некоторые
газы атмосферы Земли задерживают инфракрасное излучение, ко-
торое испускает земная поверхность. Явление парникового эффек-
та позволяет поддерживать на поверхности Земли температуру, при
которой возможно зарождение и развитие жизни. Если бы пар-
никовый эффект отсутствовал, средняя температура поверхности
земного шара была бы на 20 K ниже существующей.
Удержание инфракрасного излучения в природе происходит
благодаря парам воды, содержащимся в воздухе и облаках. Так-
же не дают рассеиваться инфракрасному излучению и другие га-
зы, которые представляют собой продукты деятельности человека
(в частности, диоксид углерода и фреоны). Наличие в атмосфере
этих веществ увеличивает эффективность удержания земного ин-
фракрасного излучения по сравнению с естественной природной
эффективностью. Поэтому средняя температура поверхности Зем-
ли повышается больше, чем нужно, обусловливая искусственный
парниковый эффект, который добавляется к природному. Хотя кон-
центрация всех вместе взятых фреонов в атмосфере гораздо ниже,
чем концентрация диоксида углерода, их эффективность по удер-
жанию инфракрасного излучения в несколько тысяч раз выше по
сравнению с диоксидом углерода, в частности, вследствие их очень
длительного периода жизни (60 лет для R11, 120 лет для R12 и
250 лет для R115, который входит в состав R502) [9].
Для анализа экологической целесообразности применения
хладагентов используют следующие параметры: потенциал разру-
шения озона ODP (Ozon Depletion Potential); потенциал глобаль-
ного потепления (парникового эффекта) GWP (Global Warming
Potential) или HGWP (Halocarlon Global Warming Potential).
Потенциал разрушения озона ODP определяется наличием
атомов хлора в молекуле хладагента и принят за единицу для ве-
ществ R11 и R12. Для хладагентов группы ХФУ потенциал разру-
шения озона ODP > 1, для ГХФУ ODP < 0,1, а для ГФУ ODP = 0.

8

Потенциал глобального потепления GWP принят за единицу
для диоксида углерода (СО2), а потенциал HGWP подсчитывают
относительно значения этого параметра для R11, также принятого
за единицу.
В последнее время для анализа общего потенциала парни-
кового эффекта, учитывающего и энергетические, и экологиче-
ские факторы, чаще используют параметр, называемый суммарным
эквивалентным тепловым воздействием — TEWI (Total Equivalent
Warming Impact). Методика расчета TEWI была разработана Меж-
дународным институтом холода. Параметр TEWI для конкретного
вещества представляет собой сумму непосредственного потенциа-
ла парникового эффекта, создающегося в результате эмиссии этого
вещества в атмосферу, и косвенного потенциала, обусловленного
эмиссией диоксида углерода в процессе производства электроэнер-
гии, которая необходима для эксплуатации холодильных устано-
вок:

TEWI = GWP ∙ M + αBL,
где GWP — потенциал глобального потепления; М — масса эмис-
сии хладагента в атмосферу Земли; α — коэффициент, характе-
ризующий эмиссию диоксида углерода в атмосферу Земли при
выработке 1 кВт ∙ ч электроэнергии; В — количество электроэнер-
гии, потребленной за время эксплуатации конкретной холодильной
установки; L — время эксплуатации оборудования.
По степени озоноразрушающей активности озонового слоя
Земли хладоны — галоидопроизводные углеводородов разделены
на три группы.
1. Хладагенты с высокой озоноразрушающей активно-
стью — это ХФУ R11, R12, R13, R113, R114, R115, R502, R503,
R12B1, R13B1 (или в соответствии с международным обозначе-
нием CFC11, CFC12, CFC13 и т. д.) и др.
2. Хладагенты с низкой озоноразрушающей активностью —
это ГХФУ R21, R22, R141b, R142b, R123, R124 (международные
обозначения HCFC21, HCFC22, HCFC141b и т. д.) и другие хлад-
агенты, в молекулах которых содержится водород. Для этих ве-
ществ характерно меньшее время существования в атмосфере по
сравнению с ХФУ и, как следствие, они оказывают меньшее влия-
ние на разрушение озонового слоя. Ряд многокомпонентных рабо-

9

чих тел, предлагаемых в качестве альтернативы ХФУ, содержат в
своем составе ГХФУ (например, R22).
3. Полностью озонобезопасные хладагенты — это хладаген-
ты, не содержащие атомов хлора (фторуглероды ФУ (FC), гидро-
фторуглероды ГФУ (HFC), углеводороды (НС) и др.) К ним отно-
сятся R134, R134a, R152a, R143a, R125, R32, R23, R218, R116,
RC318, R290, R600, R600a, R717 и др.
В 1986 г. суммарное производство ХФУ и ГХФУ составляло
1,123 млн т (на долю США приходилось 30 %, Европы — 20 %,
России и Японии — по 10 %) [9].
Проблема регулирования производства и потребления озоно-
разрушающих ХФУ и ГХФУ в международном масштабе была
поднята Венской конвенцией по защите озонового слоя в 1985 г.
Дальнейшим важнейшим шагом в решении этой проблемы стало
подписание в 1987 г. всеми индустриальными странами Монреаль-
ского протокола.
Для замены хладагента R12 с начала 1990-х годов основ-
ными мировыми производителями химической продукции были
разработаны и выпускаются однокомпонентный озонобезопас-
ный хладагент R134a и альтернативные сервисные (переходные)
смеси (R401a и др.). Для замены хладагентов R502 и R22 со-
зданы сервисные смеси, относящиеся к группе ГХФУ (R402a
и др.), и озонобезопасные смеси группы ГФУ (R407c и др.).
Однако ни один из известных или недавно синтезированных ин-
дивидуальных хладагентов не обладает к настоящему времени в
полной мере комплексом свойств, которые присущи запрещенным
хладагентам, особенно это касается затрат энергии на получение
холода.
Запрет на производство и применение хладагента R12 привел
к увеличению мировой продажи хладагента R22: в частности, в
1994 г. она составила 207 515 т [9]. И хотя применение ХФУ в быто-
вой холодильной технике, транспортных холодильных установках,
торговом холодильном оборудовании, промышленных кондицио-
нерах значительно сокращено в странах Евросоюза, в настоящее
время в действующем холодильном оборудовании используется до
110 тыс. т ХФУ. В последние годы холодильная промышленность
активно ищет замену хладагентам группы ГХФУ. Особенно остро
эта проблема осуществляется в США, где ГХФУ используются в

10