Эволюция холода: хладагенты в современных холодильниках

Хладагент — это рабочее вещество холодильной машины, которое при кипении и в процессе испарения отнимает тепло от охлаждаемого объекта, а затем после конденсации передаёт его окружающей среде.

Современные холодильники в основном компрессионные и, как следует из названия, имеют компрессор (а некоторые модели даже два). Кроме этого, конструкция предусматривает испаритель. Меж ними циркулирует хладагент. Сначала сжатый компрессором хладагент, находясь в газообразном состоянии, поступает в конденсатор — длинную зигзагообразную трубку. Там он превращается в жидкость и отдаёт тепло окружающей среде. Через специальный регулирующий вентиль жидкий хладагент поступает в испаритель, который находится внутри теплоизолированной морозильной или холодильной камеры. Там давление падает, он начинает кипеть, испаряется, снова превращаясь в газ, отбирая при этом тепло у окружающего воздуха. Камера холодильника охлаждается. Испарившийся хладагент опять сжимается компрессором и попадает в конденсатор. И так цикл повторяется снова и снова. Этот принцип охлаждения используется в большинстве холодильников уже десятки лет.

трубопровод" src="http://pics.rbc.ru/img/cnews/2008/02/15/1.jpg">

Схема компрессионного холодильника:
1 — компрессор; 2 — нагнетательный трубопровод; 3 — конденсатор; 4 — фильтр-осушитель; 5 — капиллярная трубка; 6 — испаритель холодильной камеры; 7 — испаритель морозильной камеры; 8 — всасывающий трубопровод

Однако есть и другой тип холодильников, пусть и менее популярный сегодня, — абсорбционные. Циркуляция рабочих веществ: абсорбента (воды) и хладагента (как правило, аммиака), имеющих разную температуру кипения при атмосферном давлении, осуществляется посредством абсорбции. Аммиак поглощается водой, получившаяся смесь подогревается с помощью электрического или газового нагревателя. При этом происходит выпаривание аммиака, который, испаряясь, потребляет теплоту камеры холодильника, то есть способствует её охлаждению. Абсорбционные холодильники в основном маленькие, однокамерные. Яркий пример такой техники — великолукские холодильники «Морозко».

Схема устройства абсорбционного холодильника

Как всё начиналось

История появления холодильников, конечно, не сравнится с историей цивилизации, но всё-таки насчитывает несколько веков. В древности снег и лёд помогали людям сохранять пищу (этот способ длительного хранения продуктов питания пришёл в Европу из северных широт). У народов, населявших те края, замороженные рыба, оленина и ягоды хранились месяцами. Однако в более тёплом климате нужны были специальные ледяные шкафы, а поставлять лёд для них стоило очень дорого. Те, кто не мог себе это позволить, вынуждены были хранить продукты по-другому: квасить капусту, солить мясо, сушить фрукты и грибы. Так продолжалось довольно долго. Постепенно начали проводиться различные исследования, способствующие поиску решения вопроса сохранения пищи. Но прорыва удалось достигнуть только в 19 веке. В 1834 году появилась первая холодильная компрессионная машина. Тогда-то мир и столкнулся впервые с хладагентами. В этой машине использовался диэтиловый эфир.

Серийное производство холодильников в начале XX века активнее всего развивалось в США. Практически во всех машинах того времени в качестве хладагента использовались аммиак, различные эфиры и некоторые другие весьма токсичные и опасные для человека вещества. Из-за поломок таких агрегатов и контакта людей, в частности, с аммиаком высокой концентрации нередки были даже смертельные случаи. Поэтому учёные стали искать другие вещества, которые можно использовать в качестве хладагентов. Так появились фреоны.

Один из первых серийных американских холодильников — Frigidaire

Воцарение фреонов

Фреоны — это химические соединения на основе метана или этана. Их физическое состояние — газы без цвета и запаха, безвредные для человека. Первой фреон синтезировала американская компания «Кинетик Кемикалз Инк» в начале 30-х годов прошлого века. Эта же фирма и дала название новому веществу. Тогда же было введено его обозначение: латинская буква «R» (по первой букве английского слова Refrigerant) — и цифры: код, определяющий свойства. Первый фреон назывался R-12 (дифтордихлорметан). Фреон из чистого метана имеет марку R-50, а из этана — R-70. Все остальные фреоны получаются смешением этих двух газов и замещением атомов водорода атомами хлора или фтора.

Сейчас в мире синтезировано более четырех десятков различных фреонов, отличающихся по свойствам и химическому составу. Основные требования, которые предъявляются к фреонам, — это минусовая температура кипения при атмосферном давлении, конденсация при низком давлении, а также высокая хладопроизводительность. Кроме этого, необходимы высокий коэффициент теплопроводности и теплопередачи. Желательна и низкая стоимость. Таким требованиям лучше других раньше отвечали фреоны R-12 и R-11 (фтортрихлорметан), использовавшиеся обычно в бытовых холодильниках, а также R-22 (дифторхлорметан), применявшийся в низкотемпературных промышленных холодильных установках. Для получения очень низких температур были разработаны хладагенты R-13, R-503 и R-13B1.

Скрытая угроза

Всё шло прекрасно: и производители, и потребители были довольны. К 1976 году объём производства того же R-12 достиг почти 340 тысяч тонн. Определённая часть из этого количества предназначалась как раз для холодильных систем, систем охлаждения воздуха, баночек с аэрозолями… Но 80-е годы прошлого века стали началом «тяжелых времён» для уже привычных фреонов. Ученые, исследовавшие причины нарушения озонового слоя Земли, пришли к выводу, что многие фреоны наносят ему ощутимый вред. Также оказалось, что фреоны участвуют в возникновении парникового эффекта, потому что задерживают инфракрасное излучение, которое испускает земная поверхность, а следовательно, способствуют глобальному потеплению.

Вообще, «экологическая опасность» фреонов зависит от содержания трех составляющих: хлора, фтора и водорода. Чем меньше атомов водорода, тем дольше фреон не разлагается и не наносит вред окружающей среде. А по мере увеличения числа атомов хлора растёт токсичность и озоноразрушающая способность фреонов. Вред, наносимый такими веществами озоновому слою, оценивается величиной озоноразрушающего потенциала. Чем он больше, тем вреднее фреон. Так, самый распространённый ранее — R-12 — имеет потенциал равный 1, R-22 — 0,05, а наиболее вредными являются фреоны R-10, R-110, у которых озоноразрушающий потенциал достигает 13.

Чтобы защитить нашу планету от разрушительной деятельности человека, в 1987 году в соответствии со специальной программой ООН вступил в действие «Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой», предусматривающий постепенное сокращение производства и потребления ряда вредных фреонов. Поэтому с тех пор в холодильниках не используют R-10, R-110. В 1992 году на конференции в Копенгагене было принято решение и о прекращении производства озоноопасных фреонов R11, R12 и R502 с 1 января 1996 года. Заменой им стали озонобезопасные хладагенты, такие, как R-410A, R-407C или R-134a (все три: гидрофторуглеродные соединения). Правда, безопасные агенты, например, R134а зачастую не отличаются прекрасными физическими и термодинамическими свойствами, и к тому же стоят довольно дорого, например, килограмм R-410A в 7 раз дороже такого же количества обычного R-22. Также используются смеси, из нескольких хладагентов.

Озоновый слой планеты всё ещё под угрозой, хотя за 20 лет, прошедших с подписания монреальского протокола, есть ощутимые позитивные изменения. Фото сделано спутником NASA

Альтернатива фреонам

Однако и сегодня постоянно ведутся исследования, учёные пытаются синтезировать новые, максимально экологичные, более качественные по своим свойствам хладагенты. Разработкой альтернативных хладагентов озабочены многие государства, вкладывающие значительные финансовые средства в соответствующие исследования. По оценкам специалистов, за последние шесть лет на синтез новых хладагентов было потрачено свыше 2,4 миллиардов долларов.

Синтезированы хладагенты из пропана (R290), этилена (R1150), пропилена (R1270), изобутана (R600a). Производство холодильников, работающих на изобутане, освоили многие производители, причём не только в Европе или в Америке, но и на просторах бывшего СССР. Например, белорусская фирма Atlant предлагает покупателям модель 1842—38 за 15000 рублей, да и остальные свои модели этот производитель «перевёл» на безопасный изобутан.

Примеры моделей с хладагентом R600A:

Atlant 1842-38 Объём: 354 литра Стоимость: 15000 рублей	Liebherr CN 4013 Объём: 369 литров Стоимость: 28000 рублей	Bosch KGS 39V25 Объём: 348 литров Стоимость: 22000 рублей

Фирмой Du Pont был разработан ряд новых смесей хладогентов, известных под марками SUVA MP, SUVA МР39 (R401A), SUVA MP52 (R401C) и некоторые другие.

В качестве экологичных хладагентов довольно часто применяют углеводороды, азот и диоксид углерода. Сегодня в бытовых холодильниках чаще всего используются различные смеси и агент R-134a, причём как в бюджетных моделях, например, в Indesit B 16 за 13800 рублей, так и в дорогих, таких, как Sharp SJPV-50 HW за 63000 рублей, а в промышленных — хладагенты R507, R717, R-407C и их аналоги.

Увы, пока говорить о каком-то идеальном по своим характеристикам хладагенте рано. Сегодня главное то, что удалось разработать хладагенты безопасные для человека и окружающей среды. Именно они и используются в бытовых холодильниках и кондиционерах. Ну, а дальнейшее их совершенствование — дело времени.

Ольга Агуреева