Низкотемпературные и ультранизкотемпературные холодильники: лучшие технологии и решения для охлаждения до –80 °C
За последние годы резко вырос спрос на охлаждение в диапазоне –40…–80 °C. Такие температуры требуются в:
- медицине (вакцины, фармацевтика);
- пищевой промышленности (заморозка тунца, минтая, макрели и др.);
- промышленности (предохлаждение газа перед сжижением);
- научных установках (например, охлаждение детекторов CERN).
Обычные одноступенчатые холодильные машины не работают эффективно ниже –40 °C, так как:
- возникает слишком большой коэффициент сжатия;
- резко растёт температура нагнетания;
- многие хладагенты переходят к работе при вакууме.
Регулирование также влияет на выбор хладагентов. В ЕС действует жёсткое сокращение использования HFC (регламент F-Gas 517/2014), поэтому растёт спрос на натуральные хладагенты, углеводороды и смеси.
Хладагенты для ULT: возможности и ограничения
Натуральные хладагенты
Ключевые варианты:
- R717 (аммиак) — высокий КПД, но работа под вакуумом ниже –33 °C;
- R744 (CO₂) — высокое давление, тройная точка –56,6 °C;
- Воздух — полностью безопасен, используется в воздушных циклах.
| Хладагент | Молярная масса (кг/кмоль) | NBP (°C) | Критическая температура (°C) | Критическое давление (бар) | ODP | GWP (100 лет) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| R-717 | 17 | −33.1 | 132.3 | 113.5 | 0 | 0 |
| R-744 | 44 | −78.5 (−56.6*) | 31.1 | 73.8 | 0 | 1 |
| Воздух | 28.9 | −213.4 | −140.7 | 38 | 0 | 0 |
| R-744A | 44 | −88.7 | 36.4 | 72.5 | 0 | 240 |
Углеводороды (HC)
Преимущества HC-хладагентов:
- высокий КПД;
- низкий GWP;
- хорошая растворимость масел.
| Хладагент | Наименование | Молярная масса (кг/кмоль) | NBP (°C) | Критическая температура (°C) | Критическое давление (бар) | ODP | GWP (100 лет) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| R-290 | Пропан | 44.1 | −42.1 | 96.7 | 42.5 | 0 | 3.3 |
| R-1270 | Пропилен | 42.1 | −47.6 | 92.4 | 46.7 | 0 | 1.8 |
| R-170 | Этан | 30.1 | −88.58 | 32.2 | 48.7 | 0 | 5.5 |
| R-1150 | Этилен | 28.05 | −103.77 | 9.2 | 50.4 | 0 | 4 |
Смеси хладагентов
Плюсы:
- гибкая настройка под нужные температуры;
- возможность снижения горючести;
- эффект температурного глайда.
Минусы:
- расслоение смеси при утечках;
- снижение эффективности теплообмена.
Конфигурации ультранизкотемпературных систем
Одноступенчатые циклы (VRC)
Работоспособны до –40 °C, ниже теряют эффективность.
Двухступенчатые системы (MRS)
Плюсы: выше КПД, один хладагент. Минусы: аммиак работает под вакуумом ниже –33 °C, CO₂ работает под высоким давлением.
Каскадные системы (CRS)
Оптимальны для –40…–80 °C. Лучший КПД, нет экстремальной температуры нагнетания, можно комбинировать хладагенты.
Автокаскадные системы (ACR)
Используют смеси хладагентов, достигают температур до –200 °C одним компрессором.
Воздушные циклы (ARC)
Воздух — полностью безопасный хладагент, нет масел и утечек, но ниже КПД.
Сравнение систем для различных применений
Заморозка рыбы
Лучшие решения: CRS с CO₂, MRS с CO₂ или NH₃.
Хранение рыбы при –40 °C
CRS с R717/R744 или R290/R744 — оптимальное решение.
Заморозка тунца –50…–70 °C
Лучшее: CRS с R170 или R1150 в нижнем каскаде.
Медицинские и вакцинные хранилища –60…–80 °C
Малые мощности: ACR. Средние и большие: CRS (углеводороды), ARC в жарком климате.
Предохлаждение газа
Лучшие смеси: R170/R600, R1150/R600.
Охлаждение детекторов CERN
Требования: надёжность, отсутствие масла, радиационная стойкость. Используют CRS на CO₂.
Оборудование, которое поставляет ГК Гермес.
ГК Гермес поставляет широкий ассортимент низкотемпературных и ультранизкотемпературных морозильников, которые позволяют реализовать практические задачи, описанные в статье:
- Низкотемпературные морозильники (–20…–40 °C): хранение реагентов, продуктов, образцов.
- ULT-морозильники (до –80…–86 °C): вакцины, биоматериалы, фармацевтика.
Примеры моделей:
- DW-86L400 — вертикальный ULT-морозильник до –86 °C (400 л);
- DW-86W105 — компактный горизонтальный ULT-морозильник до –86 °C;
- DW-45W50 — морозильник –45 °C для лабораторий;
- BNCRF-40U288 — комбинированный холодильник/морозильник –40 °C.
Общие выводы
Выбор оптимальной технологии ULT-охлаждения зависит от требуемой температуры, условий эксплуатации и хладагента. В большинстве практических случаев каскадные системы (CRS) обеспечивают наилучший COP в диапазоне –40…–80 °C, а углеводороды и смеси становятся ключевыми хладагентами будущего.
