Более дюжины химических смесей могут служить альтернативными хладагентами, которые не нагревают атмосферу так сильно, как современные хладагенты, и не воспламеняются, согласно новому вычислительному исследованию, проведенному Национальным институтом стандартов и технологий (NIST).).
Исследование NIST выявило 22 «лучших» негорючих или слабо воспламеняющихся смеси с более низким потенциалом глобального потепления (GWP) - мерой того, сколько тепла удержит газ при выбросе в атмосферу, - чем текущий стандартный хладагент для автомобильный кондиционер (AC), называемый R-134a (тетрафторэтан).
Большинство выявленных смесей сочетают R-134a с одним или двумя другими коммерческими хладагентами.
Новый анализ NIST, который был проведен для вооруженных сил США, но также применяется к гражданским приложениям, таким как системы переменного тока для домов и автомобилей, является продолжением исследования NIST 2017 года, которое показало, что все однокомпонентные, безвредные для климата хладагенты были, по крайней мере, легко воспламеняющимися. Это исследование показало, что смеси могут предложить оптимальные решения.
«Военные настаивают на использовании негорючих смесей, но гражданские применения все больше и больше движутся к по крайней мере слабо воспламеняющимся смесям», - сказал инженер-механик NIST и ведущий автор исследования Ян Белл.
Чтобы помочь уменьшить глобальное потепление, почти 200 стран, включая Соединенные Штаты, в 2016 году согласились внести поправки в Монреальский протокол, чтобы к середине века отказаться от хладагентов, используемых в большинстве систем кондиционирования воздуха. Частичный поэтапный отказ, а не полный поэтапный отказ, признал необходимость принятия сложных решений для выбора замены.
Для нового исследования исследователи NIST выбрали 13 жидкостей в диапазоне значений давления, воспламеняемости и ПГП, которые могут дать смесь с желаемыми характеристиками. Все жидкости были малотоксичны и коммерчески доступны. Исследователи провели обширную оценку всех возможных комбинаций двух или трех из 13 жидкостей.
Жидкости включали гидрофторолефины, которые имеют очень низкий ПГП, но легко воспламеняются; негорючие гидрофторуглероды (ГФУ) с ПГП от среднего до высокого; легковоспламеняющиеся ГФУ; и двуокись углерода, которая не воспламеняется и также имеет очень низкий ПГП, равный 1, но повышает рабочее давление смеси, что нежелательно.
Исследователи NIST не нашли ни одной смеси, которая отвечала бы всем желаемым ограничениям - негорючесть, низкий ПГП, высокая эффективность (охлаждение на единицу работы) и общая охлаждающая способность, аналогичная базовой системе R-134a.
Исследование выявило 14 негорючих смесей, которые обеспечивают снижение ПГП не более чем на 51 процент по сравнению с ПГП R-134a, равным 1300. Еще восемь смесей, которые были слабо воспламеняемыми, были определены с сокращением ПГП на целых 99 процентов. Исследователи смоделировали работу этих 22 смесей в подробной модели холодильного цикла. Исследование проводилось с использованием вычислительных средств; исследователи планируют провести лабораторные эксперименты для проверки результатов.
Исследование выявило несколько тенденций. Наиболее перспективные негорючие смеси имеют несколько меньшую эффективность по сравнению с R-134a. Эти негорючие смеси имеют нижний предел GWP 640; это связано с необходимостью большого количества R-134a в смеси для подавления воспламеняемости жидкостей с низким ПГП. Другие смеси, содержащие значительное количество углекислого газа, также были негорючими, но они имели очень низкую эффективность по сравнению с R-134a и не считались жизнеспособной альтернативой.
Существует также общая тенденция повышения эффективности в тандеме с ПГП и воспламеняемостью. Это связано с тем, что жидкости с более низким ПГП, как правило, представляют собой более сложные молекулы, и эта сложность может снизить эффективность охлаждения.
«Хорошие» смеси, которые мы обнаружили, практически не воспламеняются, - предупредил Белл. «Это не означает, что они не будут гореть в подходящей среде. Мы должны быть осторожны, потому что это своего рода темное искусство. Здесь есть фундаментальный компромисс: если вы действительно хотите негорючести и эффективности, вы не получится и то, и другое. Вы получите одно или другое."