ЖІЖЖ және ауа кондиционері жүйелері үшін R410, R134a, R404a тоңазытқыш газы

Салқындатқыш газ — бұл критикалық, арнайы жылу алмасу сұйығы, ол қазіргі өмірдің тағы да әртүрлі саласындағы механикалық салқындату, ауа кондиционерлеу және тоңазыту процестерін іске қосатын негізгі жұмыс ортасы болып табылады. Кейде оны салқындату жүйелерінің «қаны» немесе «тіршілік қаны» деп атайды; бұл құбылыс құрылған тұйық контурлар бойынша үздіксіз айналып, сұйық пен газ күйлері арасында қайталанып фазалық өзгерістерге ұшырап, жылу энергиясын өте тиімді түрде сіңіреді, тасымалдайды және босатады. Салқындатқыш газсыз біздің тез бұзылатын өнімдерімізді сақтайтын тоңазытқыштар, үйлер мен офислерді салқындататын ауа кондиционерлері, тоңазытылған тауарларды сақтайтын мұздатқыштар, континенттер аралығында жаңа өнімдерді жеткізетін салқындатылған тізбектер мен өндірістік процестерді қолдауға арналған өнеркәсіптік салқындатқыштар жай ғана жұмыс істемейтін болар еді. Оның қолданылу аясы өте кең: үйде пайдаланылатын тоңазытқыштар, шарап салқындатқыштары, тасымалдауға ыңғайлы ауа кондиционерлері сияқты шағын тұрмыстық құрылғылардан бастап, тоңазытылған автокөліктер, контейнерлі теңіз кемелері, қоймалардағы салқындатылған бөлмелер мен супермаркеттердегі көрсету витриндарын қамтитын кең көлемді коммерциялық салқындатылған тізбектерге дейін. Ол сонымен қатар фармацевтикалық өндіріс, химиялық өңдеу, дерекорталарын жылумен басқару, сондай-ақ ауруханаларда, сауда орталықтарында, офис ғимараттарында және әуежайлар мен теміржол станциялары сияқты көлік орталықтарында ауа температурасы мен ылғалдылығын реттеуге арналған күрделі HVAC жабдықтарын қамтитын ірі өнеркәсіптік салқындату жүйелері үшін де маңызды.

Соңырағыш газдың өте маңызды рөлін толық бағалау үшін оның жұмыс істеуіне негізделген әдемі, бірақ қуатты термодинамикалық принципті түсіну керек: булар – бу-компрессорлық салқындату циклы, яғни төмен температурадағы қажетті ортадан жоғары температурадағы сыртқы кеңістікке жылу беруді қамтамасыз ететін төрт негізгі сатыдан тұратын үздіксіз, тұйық цикл. Бұл цикл бір ғасырдан астам уақыт бұрын ойлап табылған және инженерлік жаңалықтардың бірнеше ұрпағы арқылы жетілдірілген; қазіргі уақытта ол ең тиімді және ең кең таралған жасанды салқындату әдісі болып табылады.
Бұл циклдың бірінші сатысы — булану, ол салқындатылатын бөлмедегі буландырғыш шығыршығында жүзеге асады. Мұнда жылдамдығы төмен, салқын сұйық рефригерант көбінесе ішкі немесе қажетті ішкі кеңістіктің температурасынан әлдеқайда төмен температурада кіреді. Ол буландырғыш арқылы өткен кезде айналасындағы ауадан жылу сіңіреді — сіздің тоңазытқыш қорабыңыздағы немесе бөлмедегі жылы ауа желдеткіш арқылы шығыршықтың бетіне үрленеді — осылайша рефригерант қайнап, төмен қысымды, төмен температурадағы газға немесе буға айналады. Сұйықтан газға айналу процесі қоршаған ортадан тікелей алынатын, булану энтальпиясы деп аталатын қосымша жасырын жылу мөлшерін талап етеді. Нәтижесінде буландырғыштың айналасындағы ауа жылу энергиясын жоғалтады және айтарлықтай салқындайды, осылайша тамақты сақтау немесе адамдарға ыңғайлылық қамтамасыз ететін салқындату әсері пайда болады. Бұл сатыда рефригерант жылулық сүлгі ретінде әрекет етеді, яғни артық жылуды сіңіріп, циклдың келесі сатысына дайын газ тәрізді күйге айналдырады.

Екінші кезең — компрессорда жүзеге асатын сығылу, оны жиі қайтадан салқындату жүйесінің жүрегі деп атайды. Булардан шығатын төмен қысымды, төмен температуралы будаған булдырғыштан шығатын салқындатқыш зат компрессорға сорылады, мұнда ол поршень, спиральді, винтті немесе центрифугалды импульстер арқылы механикалық түрде сығылады. Бұл сығылу жұмысы газдың қысымы мен температурасын едәуір көтереді және оны жоғары қысымды, жоғары температуралы астам қыздырылған будаған затқа айналдырады; оның температурасы жүйенің конструкциясы мен жұмыс істеу шарттарына байланысты әдетте 65°C пен 120°C (150°F пен 250°F) арасында болады. Компрессор бұл қысымды көтеру үшін қуатты электрлік энергия жұмсайды, бірақ бұл энергия шығындалмайды; ол дәл сол энергия салқындатқыш заттың температурасын сыртқы ауа ортасының температурасынан жоғары көтереді, сондықтан кейінгі жылу шығару кезеңі физикалық тұрғыдан мүмкін болады. Қысымды жоғарылатылған ыстық газ қазір ішкі кеңістіктен сорылған бастапқы жылумен қатар сығылу жұмысы нәтижесінде пайда болған қосымша жылу да тасиды.

Үшінші саты — конденсация, ол көбінесе суытылатын кеңістіктен тыс немесе ғимараттың сыртқы жағында орналасқан конденсаторлық орамда жүзеге асады. Жоғары температурадағы, жоғары қысымдағы астам қыздырылған бу конденсатор арқылы ағады, мұнда ол суықтауыш ауамен (сумен суытылатын жүйелерде — сумен) әсер етеді. Конденсатордың желдеткіші сыртқы ауаны орамға үрлейді немесе суыту суы орамдардың айналасында айналады, осылайша булардан жылу энергиясын алады. Жылу алынған кезде булар өзінде жинаған жасырын жылуын босатады және газдан сұйыққа қайта фазалық өзгеріске ұшырайды, жылы, жоғары қысымдағы сұйыққа айналады. Бұл сатыда тоңазытқыш, мұздатқыш немесе ғимарат ішінен сіңірілген жылу соңында сыртқы ортаға — сыртқы ауаға, жақын су көзіне немесе суыту башына шығарылады. Үйдегі тоңазытқыштың артқы жағынан немесе сыртқы ауа-кондиционерінің конденсаторлық блогынан шығатын жылу — дәл осы шығарылған жылу. Тоңазытудың "суықты жасамайтынын", оның орнына жылу энергиясын бір орыннан екінші орынға жылжытатынын және конденсатордың осы жылжытылған жылу жүйеден шығатын шығу нүктесі екенін түсіну маңызды.

Төртінші және соңғы кезең — кеңею немесе шектеу. Конденсатордан шығатын жоғары қысымды сұйық буландырғыш кеңейту құрылғысы арқылы өтеді — әдетте капиллярлық түтікше, термиялық кеңейту клапаны (TXV) немесе электрондық кеңейту клапаны (EEV). Бұл құрылғы қысымның қатыгүл құлауын туғызады, ол буландырғыштың жедел кеңеюіне және төмен қысымды сұйық пен бу қоспасының шашыраған түріне айналуына әкеледі. Бұл қатыгүл қысымның төмендеуі буландырғыштың температурасын әлдеқайда төмендетеді, сондықтан ол келесі рет енгізілетін кеңістіктен әлдеқайда суық болады. Содан кейін суық, төмен қысымды қоспа қайтадан буландырғышқа қайта оралады және қайтадан жылу сіңіруге дайын болады, осылай цикл аяқталады. Бұл үздіксіз қайталанатын тізбек — булану, сығылу, конденсация және кеңею — әр сағат сайын ондаған рет қайталанып, тиімділігі өте жоғары болатын тұрақты және дәл температураны реттеуді қамтамасыз етеді.

Бұл үздіксіз цикл бойынша жылулық сұйықтық «тұтылып кетпейді» немесе жанбайды; ол тұрақты түрде герметикалық жабық жүйенің ішінде ұсталады және шексіз айналып, кезектесіп жылу сіңіреді және босатады. Бұл тұйық циклдық жобалау заманауи салқындату жүйелеріне тұрақты температураны тиімді түрде реттеуге мүмкіндік береді, сонымен қатар сыртқы ортаның температурасы өзгерген кезде де мақсатты температураны ±0,5 °C (±1 °F) дәлдікпен сақтауға болады. Бұл циклдың тиімділігі өнімділік коэффициенті (COP) арқылы өлшенеді, оның қазіргі заманғы жылулық сұйықтық жүйелері үшін типтік мәні 3-тен 5-ке дейінгі аралықта болады, яғни компрессор мен желдеткіштердің тұтынатын электр энергиясының бір бірлігіне салыстырғанда, салқындатылатын кеңістіктен сыртқы ортаға үштен беске дейінгі жылу энергиясының бірлігі тасымалданады — бұл қарапайым кедергілік электрлік жылыту немесе мұзға негізделген салқындату әдістеріне қарағанда әлдеқайда тиімді.

Суытқыш газдардың химиялық құрамын таңдау озон қабатының жойылуы мен глобалдық жылыну потенциалына қатысты экологиялық мәселелерге байланысты ондаған жылдар бойы қатты өзгерді. Озон қабатын жойғыш әсеріне байланысты Монреаль протоколымен тыйым салынған R-12 және R-502 сияқты хлорфторкөміртектер (CFC) бастапқыда олардың тұрақтылығы мен тиімділігі арқасында кеңінен қолданылды. Кейінірек олардың орнына озон қабатын жойғыш қасиеттері бар, бірақ осы қасиеттері төменірек болған R-22 сияқты гидрохлорфторкөміртектер (HCFC) келді, бірақ қазір олар да біртіндеп жойылып келеді.

Қазіргі заманғы жүйелер негізінен озон қабатын жоймайтын (бірақ глобалдық жылыну потенциалы жоғары) гидрофторкарбондарды (ГФК), мысалы, R-134a, R-404A және R-410A заттарын қолданады; бұл жағдай келесі ұрпақ шешімдерін дамытуға ынталандырды. Қазір өнеркәсіп төмен ГЖП (глобалдық жылыну потенциалы) альтернативаларына, яғни гидрофторолефиндерге (ГФО), мысалы, R-1234yf және R-1234ze заттарына, сондай-ақ табиғи салқындатқыштарға — аммиакқа (R-717), көмірқышқылына (R-744), пропанға (R-290) және изобутанға (R-600a) ауысуда; бұл заттар әртүрлі қолданыстарға арналған өзіндік жұмыс сипаттамаларын ұсынады. R-290 және R-600a гидрокарбондары әлсіз жанғыштыққа қарамастан, ерекше термодинамикалық тиімділік пен төменгі экологиялық әсер көрсетеді, сондықтан олар үйде пайдаланылатын салқындатқыш жабдықтар мен кіші коммерциялық жүйелерде барынша танымал болып келеді. Ал аммиак өзінің тамаша жылу алмасу қасиеттері мен глобалдық жылыну потенциалы нөлге тең болуы салдарынан үлкен өнеркәсіптік орнатпалар үшін «алтын стандарт» болып қала береді, ал көмірқышқылы (CO₂) автокөліктердегі ауа кондиционерлері мен супермаркеттердегі транскритикалық жүйелерде қолданылуын кеңейтуде, себебі ол улы емес, жанбайды және өнеркәсіптік процестердің табиғи өнімі ретінде қолжетімді.

Температураны реттеу газын дұрыс өңдеу, зарядтау және қайта өңдеу үшін арнайы дайындық, сертификатталған жабдықтар мен қауіпсіздік пен экологиялық нормаларға қатаң сәйкес келу қажет, өйткені көптеген температураны реттеу газдары жоғары қысымда болады, терімен тікелей жанасқанда суықтануға әкелуі мүмкін және тұйық кеңістіктерде оттегін ығытуы мүмкін. Алайда, сапалы мамандардың дұрыс орнатуы мен қолданылуы кезінде температураны реттеу газы барлық салада — суыту мен ауаны кондиционерлеу қолданыстарында — ешбір заттың орынбаспайтын суыту өнімділігін, энергиялық тиімділігін және сенімділігін қамтамасыз етеді. Оның әрі қарай дамуы экологиялық жауапкершілік пен технологиялық жетістіктерге негізделген, сондықтан суыту жүйелері әлем бойынша тазара барып, тиімдірек және қолжетімдірек болып келеді; бұл күнделікті тамақ өнімдерін сақтаудан бастап, адам өмірін құтқаруға арналған медициналық сақтау жүйелері мен ең ыстық климатта да ыңғайлы құрылыстардың ішкі ортасын қамтамасыз етеді. Нәтижесінде температураны реттеу газы — бұл тек химиялық зат емес, сонымен қатар заманауи цивилизациямыздың суыту инфрақұрылымын қозғайтын динамикалық, маңызды жұмыс істейтін сұйықтық; бұл көрінбес, бірақ өте қажетті күш, ол денсаулық, тамақ қауіпсіздігі, өндіріс және ыңғайлылық тіршіліктің негізі болып табылатын тұрақты төмен температурадағы ортаны үнемі, үзіліссіз және тиімді түрде қамтамасыз етеді.



Өнім параметрлері кестесі