Общие сведения о хладагентах

Требования кхладагентам. Прежде чем рассматривать свой­ства хладагентов, остановимся на основных требованиях, предъявляемых к ним. Требования к хладагентам подразделя­ются на следующие группы:

• экологические - низкий потенциал глобального потепле­ния,озонобезопасность,негорючесть и нетоксичность;

• термодинамические - большая объемная холодопроиз-
водительность; низкая температура кипения при атмосфер­
ном давлении; невысокое давление конденсации; хорошая
теплопроводность; малые плотность и вязкость хладагента,
обеспечивающие сокращение гидравлических потерь на тре­
ние и местные сопротивления при его транспортировке; мак­
симальная приближенность к заменяемым хладагентам (для
альтернативных озонобезопасных хладагентов) по давлени­
ям, температурам, удельной объемной холодопроизводитель-
ности и холодильному коэффициенту;

• эксплуатационные - термохимическая стабильность, хими­
ческая совместимость с материалами и холодильными масла­
ми, достаточная взаимная растворимость с маслом для обеспе­
чения его циркуляции, технологичность применения, негорю­
честь и невзрывоопасность, способность растворять воду, не­
значительная текучесть, наличие запаха, цвет и т.д.;

• экономические - наличие товарного производства, доступ­
ные (низкие) цены.

Хладагенты, отвечающие перечисленным требованиям, най­ти практически невозможно, поэтому в каждом отдельном слу­чае выбирают хладагент с учетом конкретных условий работы холодильной машины, и предпочтение следует отдавать таким, которые удовлетворяют принципиальным и определяющим тре­бованиям.

Альтернативными хладагентами могут быть чистые (про­стые) вещества и смеси. Предпочтение отдается прежде всего чистым веществам, но они имеют ряд недостатков. Например, R134a - при температуре ниже -15 °С имеет меньшую удель­ную объемную холодопроизводительность и холодильный ко­эффициент по сравнению с R12. Поэтому применяют смесевые хладагенты. Предпочтение отдается хладагентам с низким значением неизотермичности, т.е. имеющим незначительный температурный глайд (скольжение температуры).

В связи с подписанием правительством РФ Монреальс­кого протокола хладагенты группы хлорфторуглеродов (ХФУ), содержащие атомы хлора или брома, могут исполь­зоваться только для дозаправки эксплуатирующихся холо­дильных систем, но не в новом холодильном оборудовании.

По европейскому стандарту pr EN 378-I (1996 г.) «Холодиль­ные системы и тепловые насосы. Требования безопасности» хладагенты имеют двойную систему классификации: в зависи­мости от их нижнего предела воспламеняемости при атмосфер­ном давлении и комнатной температуре - группы 1-3 и в зави­симости от токсичности - группы А и В.

При высоких концентрациях хладагенты группы А1 оказы­вают вредное воздействие на человеческий организм из-за не­достатка кислорода.

Согласно европейской классификации нетоксичным призна­ется вещество, которое не оказывает неблагоприятного воздей­ствия на практически всех работающих, подвергающихся воз­действию вещества ежедневно в течение 8-часового рабочего дня или 40-часовой рабочей недели при средневзвешенной по вре­мени объемной концентрации вещества, равной или большей 400 мл/м³ (ррт).

Токсичность оценивается коэффициентом токсической опас­ности К_т.о=р"2о /ПДКр.з, где р% - плотность насыщенных па­ров хладагента при 20 °С; ПДК_Р,₃. - предельно допустимая кон­центрация хладагента в рабочей зоне, мг/м³ (ррт) [51, 59].

Справочные значения ПДК_{р з} (ррт) по системе МАК, ут­вержденные немецким Комитетом по оценке вредных ве­ществ, и TLV (ррт) - по данным американской конфедера­ции государственных гигиенистов (материалы фирм-изгото­вителей и разработчиков хладагентов) и Европейского стан­дарта (pr EN 378-1) приведены в табл.2.1.Группы хладагентов в соответствии с европейской класси­фикацией по безопасности имеют обозначения: А1 - индивиду­альные вещества; А1/А1 - смеси.

Обозначения хладагентов. ВРоссии внедрен международ­ный стандарт ИСО-817 «Органические хладагенты», согласно которому предусмотрены цифровые обозначения хладагентов в технической документации на хладагенты и масла.

Стандартом допускается несколько обозначений хладаген­тов: условное (символическое), торговое (марка), химическое и химическая формула. Обозначения основных хладагентов даны в приложении 3.

Условное обозначение хладагентов является предпочтитель­ным и состоит из буквы «R» или слова Refrigerant (хладагент) и комбинации цифр. Например, хладон-12 имеет обозначение R12 (CF₂C1₂). Цифры расшифровывают в зависимости от химической формулы хладагента. Первая цифра (1) указывает на метановый ряд, следующая цифра (2) соответствует числу атомов фтора в соединении. В том случае, когда в производных метана водород вытеснен не полностью, к первой цифре добавляют количество оставшихся в соединении атомов водорода, например, R22. Для этанового ряда вначале записывают комбинацию цифр -индекс, равный 11, для пропанового - 21, для бутанового - 31. Для этих производных ко второй цифре добавляют число ато­мов водорода, если они есть, например, трифтортрихлорэтан C₂F₃C1₃-R113.

В случае, если в составе соединения имеется бром, в его обозначе­нии появляется буква «В», за которой следует число атомов брома, например, R1ЗВ1 - трифторбромметан, химическая формула CF₃ Br.

Изомеры производных этана имеют одну и ту же комбина­цию цифр (цифровой индекс), и то, что данный изомер является полностью симметричным, отражается его цифровым индексом без каких-либо уточнений. По мере возрастания значительной асимметрии к цифровому индексу соответствующего изомера добавляют букву «а», при большей асимметрии ее заменяют буквой «Ь», затем «с», например, R34a, R142b и т.д.

Способ цифрового обозначения непредельных углеводоро­дов и их галогенпроизводных аналогичен рассмотренному выше, но к цифрам, расположенным после буквы «R», слева добавляют 1 для обозначения тысяч (например, R1150).

Для хладагентов на основе циклических углеводородов и их производных после буквы «R» перед цифровым индексом вставляют букву «С» (например, RC270).

Хладагенты неорганического происхождения имеют номе­ра, соответствующие их относительной молекулярной массе, плюс 700. Например, аммиак, химическая формула которого 1ЧНз, обозначают как R717, воду (Н₂О) - как R718.

Хладагентам органического происхождения присвоена се­рия 600, а номера каждого хладагента внутри этой серии назна­чают произвольно (например, метиламин имеет номер 30, сле­довательно, его обозначение запишется как R630).

Азеотропным смесям присвоена серия 500, например, R502. У данных смесей в процессе кипения и конденсации не меняется процентный состав, т.е. они ведут себя как однокомпонентные хладагенты.

Зеотропным, или неазеотропным смесям присвоена серия 400 с произвольным номером для каждого хладагента внутри этой серии, например, R401A. У данных хладагентов в процессе кипе­ния и конденсации меняется процентный состав компонентов. Для них характерна неизотермичность, составляющая 4 - 10 К.

К квазиазеотропным смесям относятся смеси с минималь­ной неизотермичностью, равной 0,5 - 1 К.

Хладагенты на основе предельных углеводородов, содер­жащих бром, имеют двойное обозначение. Это обозначение имеет в своем составе букву «В», например, R13B1, или букву «Н», за которой следуют цифры 1 и 3, но далее к ним добавля­ют еще две цифры, первая из которых указывает на число ато­мов хлора, а вторая - на число атомов брома. Например, трифторбромметан (CF₃Br), у которого число атомов хлора равно 0, а атомов брома - 1, может обозначаться либо R1ЗВ1, либоН1301.

В настоящее время появилась тенденция при обозначении хладагентов предварять цифровой индекс не буквой «R» или «Н», а аббревиатурой, указывающей непосредственно на груп­пу, к которой относят хладагент в зависимости от степени воз­действия его на окружающую среду. Например, предлагаются обозначения:

CFC12 для хладагента R12, принадлежащего к группе CFC (ХФУ), в которую входят хладагенты, вредные для окружаю­щей среды;

HCFC125 для хладагента R125, относящегося к группе HCFC (ГХФУ), состоящей из хладагентов, менее вредных для окружающей среды;

HFC134а для хладагента R 134а, входящего в группу HFC (ГФУ), состоящую из озонобезопасных хладагентов, безвред­ных для окружающей среды.

Каждая фирма-производитель хладагентов выпускает в про­дажу свою продукцию под собственным наименованием, напри­мер:

Фирма Торговая марка

«Du Pont de Nemour» Фреон (Freon®) или Сува (SUVA®)

«ATOFINA» Форан (FORANE®)

«Solvay, Fluor und Derivate» Кальтрон (Kaltron®)

«Montedison» Альгофрен (Algofrene®)

AZSO Allied signal®

ICI Клеа (Klea®)

«Daikin Kogyo» Дайфлон (Daiflon®)

MackFri®

Поэтому, например, R407C может поступать на рынок под марками FORANE®407C, SUVA®9000, MackFri-07C и т.д.

По давлению конденсации при температуре конденсации t_K = 30 °С хладагенты подразделяются на три группы:

хладагенты высокого давления (2 МПа < 'р_ъо < 7 МПа) или так называемые низкотемпературные хладагенты (²t₀ ниже -60 °С);

хладагенты среднего давления (0,3 МПа < р_м< 2 МПа) -среднетемпературные хладагенты (²t₀ от -10 °С до -60 °С);

хладагенты низкого давления (p_i0 < 0,ЗМПа) - высокотем­пературные хладагенты (²t₀ выше -10 °С) [59].

Хладагенты высокого давления (R744, R13, R14, R23, R170, R5O3 и др.) применяют в низкотемпературных холодильных машинах.

Хладагенты среднего давления (R717, R12, R22, R502, R134a, R152a, R500, R501, R218, R115, R290, R143, R143a, R125, R504, R32, R13B1, R401A, R401B, R401C и др.)- в среднетемпе-ратурных холодильных машинах (малые холодильные установ­ки и др.).

Хладагенты низкого давления (Rll, R142b, R718. R113, R132b, R123, R21,R133a, Rl 14, R12B1, RC318, R124a и др.) - в системах кондиционирования, тепловых насосах.

Хладагенты низкого давления RC318, R142b, R21, R133a, R123, R123a, R124a относятся к группе хладагентов с ограни­ченным сроком действия. Их рекомендуется применять в холо­дильных машинах для кондиционирования с высокими темпе­ратурами конденсации и окружающего воздуха, в крановых кондиционерах и тепловых насосах, а также холодильных ма­шинах с центробежными компрессорами небольшой произво­дительности в одно- и двухступенчатых циклах.

Хладагенты среднего давления являются наиболее распро­страненными и универсальными и применяются в широком ди­апазоне температур кипения. Их применяют в одно- и двухсту­пенчатых холодильных машинах, бытовых холодильниках, кон­диционерах, тепловых насосах, водоохлаждающих холодильных машинах для тропических условий, в центробежных и винто вых компрессорах, низкотемпературных холодильных установ­ках, в верхних ветвях низкотемпературных каскадных холодиль­ных машин.

В настоящее время наблюдается тенденция возврата к при­менению природных хладагентов в промышленности и в холо­дильных транспортных установках (R717 и др.), обладающих высокими экологическими показателями. Перспективно приме­нение хладагента R290 в тепловых насосах, в системах конди­ционирования, бытовом и торговом холодильном оборудова­нии, благодаря низкой стоимости, нетоксичности, хорошей ра­створимости в минеральных маслах, совместимости с конструк­тивными материалами и низкой температурой на стороне на­гнетания компрессора. Природные хладагенты не попадают под запрет Киотского протокола.

Экологически безопасный хладагент R152a перспективен при применении в качестве смесевого хладагента для бытовых холодильников. Применение хладагента R125 в качестве ком­понента смесевых хладагентов позволяет снизить температуру нагнетания, компрессора, работающие на R125 имеют большой коэффициент подачи.

Сервисные смеси R401 В, R401С используют для замены R12 в холодильных системах контейнеров, авторефрижераторов. Хладагенты высокого давления применяют также в ниж­них ветвях каскадных низкотемпературных холодильных ма­шин (из-за высоких давлений конденсации). Например, хла­дагент R23 перспективен для применения как в крупных про­мышленных холодильных установках, так и в автономных тер­мокамерах различного назначения, в холодильных машинах с сальниковыми, бессальниковыми и герметичными компрессо­рами.

Применение хладагента R503 позволяет расширить диа­пазон каскадной машины с поршневыми компрессорами до -100 °С, а с винтовыми до -110 °С. Основное преимущество применения R503 вместо R13 заключается в повышении хо-лодопроизводительности до 30 % и существенном снижении температурного уровня компрессора и встроенного электро­двигателя. Основная область применения - автономные низ­котемпературные термокамеры малой холодопроизводительности. Хладагент R744 находит успешное применение в каскадных холодильных системах в качестве хладагента нижнего каскада, благодаря его применению снижается диаметры всасывающих и жидкостных трубопроводов в 2-4 раза по сравнению с систе­мами, работающими на других хладагентах, например, с R404A. Перспективно применение R744 в тепловых насосах, охладите­лях воды и в автомобильных кондиционерах.

Для принятия решения о применении альтернативного хладагента в холодильных системах взамен хладагента груп­пы ХФУ или ГХФУ целесообразно иметь следующую инфор­мацию об альтернативном хладагенте:

- теплофизические свойства хладагента в рабочем интерва­
ле температур;

- данные о совместимости хладагента со смазочным мас­
лом, конструкционными материалами (электроизоляционными,
прокладочными, пластмассами и эластомерами);

- стоимость хладагента и применяемого с ним масла;

- обеспеченность хладагентом и возможностью его исполь­
зования как в настоящем, так и в будущем времени;

- данные об износостойкости сопрягаемых деталей при ра­
боте с хладагентом и совместимым с ним холодильным маслом;

- эксплуатационные характеристики хладагента при рабо­
те холодильной системы (компрессора, аппаратов, дросселиру­
ющего органа, трубопроводов);

- экологические характеристики: потенциал глобального
потепления, озоноразрушающий потенциал, токсичность, по-
жаровзрывоопасность.