Холодильные агенты и хладоносители.

Холодильные агенты.Как уже было сказано,какой-либо термодинамический процессили цикл совершается с помощью холодильного агента (рабочего тела).

При нормативном атмосферном давлении 0,1 МПа холодильный агент должен иметь достаточно низкую температуру кипения, чтобы при работе холодильной машины не было разрежения в испарителе. Например, для аммиака NH₃ температура кипения при давлении 0,1 МПа составляет 33,4°С.

Основными холодильными агентами являются вода, аммиак, хладоны и воздух.

Воду применяют главным образом в установках кондиционирования воздуха,гдеобычно температура теплоносителя t_H > 0 ⁰С. В качестве холодильного агента воду ис-пользуют в установках абсорбционного и эжекторного типов.

Аммиак имеет малый удельный объем при температуре кипения-70 °С,большую теп-лоту парообразования, слабую растворимость в масле и другие преимущества. Его применяют в поршневых компрессионных и абсорбционных установках. К недостаткам аммиака следует отнести ядовитость, горючесть, взрывоопасность при концентрациях в воздухе 16 — 26,8 %.

Хладоны (фреоны)химически инертны,мало-или невзрывоопасны.Хладоны—галои-допроизводные предельных углеводородов, получаемые путем замены атомов водорода

в насыщенном углеводороде С_nН_{2n + 2} атомами фтора, хлора, брома (С_nН_x, F_y, С1_z, Вг_u). Число молекул отдельных составляющих, входящих в химические соединения хладо-нов, связаны зависимостью х + у + z+ u = = 2n + 2. Любой холодильный агент обозна-чается символами RN, где R — символ, указывающий на вид холодильного агента, N

— номер хладона или присвоенный номер для других холодильных агентов.

Для хладонов номер расшифровывается следующим образом. Первая цифра в двузнач-ном номере или первые две цифры в трехзначном обозначают насыщенный углеводо-

род С_nН_{2n + 2}, на базе которого получен хладон: 1 — СН₄ (метан); 11 — С₂Н₆ (этан); 21

— С₃Н₈ (пропан); 31 — С₄Н₁₀ (бутан). Справа указывают число атомов фтора в хладо-

не: CFC1₃ — R11, CF₂C1₂ — R12, C₃F₄C1₄ — R214, СС1₄ — R10. При наличии в хладо-

не незамещенных атомов водорода их число добавляют к числу десятков номера: CHFC1₂ — R21, CHF₂C1 — R22. Если в состав хладона входят атомы брома, после ос-новного номера пишут букву В, а за ней число атомов брома: CF₂Br₂ — R12B2.

В качестве рабочих тел могут использоваться азеотропные смеси, составляемые из двух холодильных агентов. Например, азеотропную смесь, состоящую из 48,8 % R22 по массе и 51,2 % R115 (C₂F₅Cl), называют хладоном R502, его температура кипения при давлении 0,1 МПа -45,6 ⁰С.

В обозначениях смесей холодильных агентов указывают названия составляющих и их массовые доли. Хладон R502 можно обозначить R22/R115 (48,8/51,2). Цифрами, начи-ная с 500, условно обозначают азеотропные смеси, процентный состав которых в про-цессе кипения и конденсации практически не изменяется.

Холодильным агентам неорганического происхождения (аммиак, вода) присваивают номера, равные их молекулярной массе, увеличенной на 700. Так, аммиак и воду обо-значают соответственно R717 и R718.

Холодильный агент должен обладать определенными теплофизическими и физикохи-мическими свойствами, от которых зависят конструкция холодильной машины и рас-ход энергии.

К теплофизическим свойствам относятся вязкость µ, теплопроводность λ, плотность ρ и др. Они, как и теплота парообразования r, оказывают влияние на коэффициент тепло-отдачи при кипении и конденсации. Большим значениям λ, ρ, r и малой вязкости соот-ветствуют большие значения коэффициентов теплоотдачи.

На гидравлическое сопротивление при циркуляции холодильного агента в системе влияют µ и ρ: чем они больше, тем больше сопротивление. Количество циркулирующе-го в системе холодильного агента уменьшается с ростом теплоты парообразования.

К физико-химическим свойствам относятся растворимость холодильных агентов в сма-зочных маслах и воде, инертность к металлам, взрывоопасность и воспламеняемость. При ограниченной растворимости холодильных агентов в масле в жидкой фазе смеси наблюдаются два слоя, из которых в одном преобладает масло, в другом — холодиль-ный агент. К холодильным агентам с ограниченной растворимостью относятся аммиак R717, диоксид углерода R44 и ограниченно растворимые хладоны R13, R14, R115.

К холодильным агентам с неограниченной растворимостью относятся R11, R12, R21, R40. В этом случае для смеси хладона и масла требуется поддержание более низкого давления кипения, поэтому на сжатие пара затрачивается излишняя работа.

Хладоны R22 и R114 составляют промежуточную группу.

Аммиак неограниченно растворяет воду. При небольшом количестве воды работа хо-лодильной машины заметно не нарушается. Хладоны почти не растворяют воду. Избыточная влага в хладоне при прохождении через дроссель превращается в лед (если t₀< 0°С)и«запаивает»дроссельное отверстие.По этой причине холодильные машиныимеют специальные осушительные устройства.

Хладоны при отсутствии влаги в области применяемых в холодильной технике темпе-ратур на металлы не действуют.

Аммиак не оказывает коррозирующего действия на сталь. В присутствии воды он разъ-едает медь, цинк, бронзу и другие медные сплавы, за исключением фосфористой брон-зы. Хладоны R11, R12, R13, R22 невзрывоопасны.

Хладоны с большим содержанием атомов фтора или полностью фторированные (R13, R113) практически безвредны для человека. Хладон R12 на открытом пламени разлага-ется, и в продуктах его разложения содержатся ядовитый фосген и вредные для челове-ка фтористый и хлористый водород.

Рассмотрим область применения холодильных агентов. Аммиак (R717), хладоны R12 и R22 используют в компрессионных холодильных машинах для получения температур кипения от -30 до -40 °С без вакуума в системе охлаждения. Хладон R12 применяют в одноступенчатых холодильных машинах с температурой конденсации не более 75 °С и температурой кипения не ниже -30 ⁰С, в бытовых холодильниках, кондиционерах, во-доохлаждающих холодильных машинах. Хладон R22 используют в машинах с порш-невыми и винтовыми компрессорами одно- и двухступенчатого сжатия, а также в бы-товых холодильных машинах. Диапазон температур кипения от +10 до -70 °С при тем-пературе конденсации не выше 50 ⁰С. Одноступенчатое сжатие рекомендуется приме-нять до температур кипения не ниже -35 °С.

Холодильный агент R502 применяют в низкотемпературных одноступенчатых холо-дильных машинах при температуре конденсации до 50 °С, кипения до -45 °С. Широкое распространение получили появившиеся в 1930-е годы галогенизированные хладагенты R12, R22 и др. Только в России в начале 1990-х годов работало более 50 млн бытовых холодильников и сотни тысяч единиц промышленного, торгового и дру-

гих видов холодильного оборудования, в которых использовались эти хладоны. Однако

в ходе исследований «озоновых дыр» (значительного уменьшения содержания озона на высоте 20 — 25 км в земной атмосфере) было установлено, что промышленные и быто-вые отходы, содержащие атомы хлора, в том числе хладоны, достигая атмосферы, вы-свобождают хлор, который участвует в разрушении озонового слоя. Известно, что озо-новый экран (среднее содержание озона в атмосфере 0,001%) защищает поверхность Земли от избыточных ультрафиолетовых лучей, большая доза которых способна унич-тожить все живое. Поэтому Международной конвенцией в Вене в 1985 г., Протоколом

в Монреале в 1987 г. и последующими протоколами с участием представителей круп-нейших стран мира были приняты решения о прекращении к 2000 г. производства и ис-пользования озоноопасных хладонов, в первую очередь R11, R12, R113, R114, R115. Хладагенты R22, R123, R124, R141 и R142 разрешены в качестве переходных для заме-ны запрещаемых. Но и они должны быть исключены из использования к I 2040 г., а по возможности и раньше (к 2020 г.)

Взамен вышеперечисленных хладонов предлагаются гидрофторуглеводороды (ГФУ) и гидрохлорфторуглеводороды (ГХФУ), которые благодаря содержанию водорода разла-гаются гораздо быстрее, чем хлорфторуглеводороды, в нижних слоях атмосферы, не достигая озонового слоя. На мировом рынке такие озонобезопасные хладоны предлага-ет, например, фирма «Дюпон» (США) под торговой маркой «СУВА». «Дюпон» постав-ляет на рынок хладагент НР62 (R404a), имеющий при давлении 0,1 МПа температуру кипения порядка -46 °С, гидрофторуглеводород R134a (CH₂FCF₃) и др. В России также освоен выпуск R134a. Он может полностью заменить R12, хотя при его использовании несколько снижаются удельная холодопроизводительность установки (92 % от удель-ной холодопроизводительности R12), холодильный коэффициент (98 % по сравнению с R12), увеличивается соотношение давлений конденсации и кипения (123%, если при-нять это соотношение для R12 равным 100 %). Для R134a подобраны и синтетические масла (ХС-22, ХФС-134). Температура кипения R134a при давлении 0,1 МПа составля-ет -26,5 °С. В выпускаемых в России холодильниках и морозильниках «Стинол» (г. Ли-пецк) используется преимущественно R134a.

Разработаны заменители и для других хладонов. Так, альтернативным для R22 может быть R407C или R290. Холодильный агент R407C представляет собой смесь R32/125/134a в соотношениях 23/25/52%. Хладон R502 может быть заменен на R125 (CHF₂CF₃), имеющий температуру кипения -48,5 °С. Для низкотемпературных машин (каскадных) может быть рекомендован озонобезопасный R23.

Расширяется использование аммиака, не влияющего на окружающую среду. Аммиак в два раза легче воздуха и при утечке быстро поднимается в атмосферу, где разлагается в течение нескольких дней. При выбросе жидкий аммиак немедленно испаряется. Но следует иметь в виду, что он ядовит, горюч и взрывоопасен. Если ранее аммиак исполь-зовали преимущественно в крупных по холодопроизводительности холодильных ма-шинах, то теперь промышленность осваивает конструкции средних и малых аммиач-ных компрессоров и холодильного оборудования на их основе.

Хладоносители.Хладоносители являются промежуточным веществом между источни-ком холода и объектом охлаждения. Они подразделяются на жидкие и твердые.

К жидким хладоносителям относятся водные растворы солей — рассолы и однокомпо-нентные вещества, замерзающие при низких температурах (этиленгликоль, кремнийор-ганическая жидкость). Применяют водные растворы солей NaCl, MgCl₂, СаС1₂, темпе-ратура замерзания которых до известного предела (состояния криогидратной точки) зависит от концентрации рассола. Для раствора NaCl криогидратная точка -21,2°С, для MgCl₂ -33,6°С, для СаС1₂ -55°С. Для уменьшения коррозирующего действия рассолов на металлические части оборудования в них добавляют пассиваторы: силикат натрия, хромовую соль, фосфорные кислоты.

Этиленгликоль в зависимости от концентрации в воде может иметь температуру замер-зания от 0°С (вода) до -67,2 °С при концентрации 70 % по объему.

Твердые хладоносители — это эвтектический лед,образующийся при криогидратнойтемпературе, представляющий собой смесь льда и соли и имеющий постоянную темпе-ратуру плавления.