Требования, предъявляемые к хладагентам

Рабочее тело, которое циркулирует в замкнутой холодильной машине и обеспечивает отвод тепла от объекта охлаждения, называется хладагентом. В качестве хладагентов в парокомпрессионных холодильных машинах, начиная с 1874 года, используется аммиак, с 1930 – фреоны.

В общем случае к хладагентам относятся рабочие вещества, нормальная температура кипения (при давлении 1 бар) которых находится в пределах от 283 до 145К [14-16, 23]. При более низких температурах рабочие вещества принято называть криоагентами. Требования к хладагентам подразделяются на следующие группы:

экологические — главное экологическое требование - это озонобезопасность, а также не горючесть и не токсичность;

термодинамические— высокая объемная холодопроизводительность; низкая нормальная температура кипения и сравнительно низкое давление конденсации; высокий коэффициент теплопроводности; низкая вязкость хладагента, обеспечивающая малые гидравлические потери;

эксплуатационные— термохимическая стабильность, химическая совместимость с конструкционными материалами и холодильными маслами, высокая растворимость в масле;

экономические— наличие промышленного производства, низкие цены.

Условное обозначение хладагентов включает букву R или слова Refrigerant (хладагент) и цифры, значение которых устанавливаются в зависимости от способа получения и химической формулы хладагента. Например, хладон-12 имеет условное обозначение R-12, химическая формула записывается как (CF₂CL_2, дифтордихлорметан). При этом 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 R-22 (CHF₂CL).

Хладагенты неорганического происхождения имеют номера, соответствующие их молекулярной массе, плюс 700. Например, аммиак обозначают R717, воду — R718.

Хладагенты в зависимости от нормальной температуры кипения и давлении (при Р = 1 кгс/см²) подразделяются на три группы: высокого, среднего и низкого уровня охлаждения. Классификация хладагентов и предпочтительные области их применения указаны в таблице 13. Из анализа данных приведенных в таблице следует, что к первой группе относятся хладагенты с нормальной температурой кипения выше 273 К (⁰С), и давлением в конденсаторе от 0,2 до 0,3 МПа (Хладон – 11, Хладон –21, Хладон –113, Хладон -114).

Вторую группу составляют хладагенты, имеющие нормальную температуру кипения до 200 К (минус 73⁰С) и давление в конденсаторе в пределах от 0,5 до 1,5 МПа (аммиак, хладон –12 и хладон -22).

Хладагенты третьей группы имеют нормальную температуру кипения ниже 200 К (минус 73⁰С) и давление в конденсаторе 2,0—4,0 МПа (Хладон - 13, Хладон – 23, Этан и Этилен). Поскольку в настоящее время на железнодорожном транспорте в основном применяются аммиак и фреон - 12, поэтому более подробно рассмотрим их теплофизические свойства.

Таблица 13.

Классификация хладагентов и предпочтительные области их применения

Номер группы	Тип хладагента	Температура кипения при 0,1МПа (0С).	Давление в конденсаторе МПа	Область применения
	Хладон – 11, Хладон –21 Хладон –113, Хладон -114	Выше 273 К (00С)	0,2¸0,3	Для ротационных и турбокомпрессоров
	Хладон –12, R-134 а RC 318 С10М1 Хладон –22, Аммиак	273 200К (00С минус 730С)	0,5¸1,5	Для поршневых и турбокомпрессоров
	Хладон-13, Хладон –23, Этан, Этилен.	Ниже 200 К минус 730С	2¸4	На нижней ступени каскадной холодильной машины

Аммиак - R-717 (NН₃, молекулярная масса - 17,0) бесцветный газ с резким удушливым запахом. Температура кипения при атмосферном давлении равна Т_кп=239,75К (минус 33,3⁰С), температура затвердевания Т_тр=195,45К (минус 77,6⁰С), критическая температура Т_кр=405,55К (плюс 132,5⁰С) и критическое давление Р_кр= 11,5МПа. При нормальной температуре кипения аммиак имеет теплоту парообразования Q = 1333,6 кДж/кмоль и плотность жидкости r = 682 кг/м³. Аммиак является дешевым хладагентом, обладает большой объемной холодопроизводительностью, что определяет небольшие размеры компрессоров и теплообменных аппаратов, нашел применение в абсорбционных и поршневых машинах средней и большой производительности.

Аммиак интенсивно поглощается водой и почти не растворяется в масле. На черные металлы, алюминий и фосфористую бронзу он не действует, однако в присутствии влаги разрушает медь и ее сплавы. Вреден для здоровья человека, а его предельно-допустимая концентрация в помещении составляет 0,003 % об. При концентрации его в воздухе от 16 до 27% об. аммиак образует взрывоопасную смесь. Для обнаружения утечек аммиака пользуются лакмусовой бумагой (природный краситель на основе лишайника).

Хладон-12 R-12 (химическая формула – CF₂Cl₂ — молекулярная масса составляет 104,5 г/моль) - это бесцветный газ, в 4,2 раза тяжелее воздуха. Температура кипения при нормальном давлении Т_кп =207,35К (минус 66⁰С), температура затвердевания Т_тр =118,15К (минус 154,9⁰С), критическая температура Т_кр =384,65К (плюс 111,6⁰С), критическое давление Р_кр = 4,1 МПа, теплота парообразования Q = 1140,5 кДж/кмоль. Хладон -12 невзрывоопасен, но при температуре выше 555К разлагается с образованием хлористого водорода и фосгена. Хладон -12 плохо растворяется в воде, имеет повышенную растворимость в масле и не проводит электрический ток.

При обращении с жидким хладоном требуется особая осторожность, поскольку он может вызвать обмораживание кожи. Из-за отсутствия у хладона-12 запаха определить его утечку в системе очень трудно. Поэтому в холодильных машинах, работающих на хладоне, утечки определяют галоидными течеискателями.

Следующим хладагентом, широко используемым в холодильной технике, является Хладон-22 R-22 (CHF₂CL). Это — бесцветный газ со слабым запахом хлороформа, более ядовит, чем R-12, невзрывоопасен и негорюч. По сравнению с R-12 хладагент R-22 хуже растворяется в масле, но более легко проникает через неплотности и нейтрален к металлам. При температуре выше 600 К в присутствии металлов R-22 разлагается, образует те же вещества, что и R-12. Хладагент R-22 слабо растворяется в воде. Предельно допустимая концентрация R-22 в воздухе 3000 мг/м³ при длительности его воздействия в течение 1 ч. Этот хладагент широко применяют для получения низких температур в холодильных компрессионных установках.

По степени воздействия на озоновый слойхладагенты делятся на две группы: это хлорсодержащие хладагенты (R12, R13, R113, R114, R115, R502), которым в течение длительного времени отдавали благодаря высоким их эксплуатационным характеристикам. Однако, проведенные в последние годы исследования показали, что эти хладагенты оказывают интенсивное разрушение на защитный озоновый слой Земли.

Под действием ультрафиолетового излучения от молекул перечисленных хладонов отрывается атом хлора, а оставшийся радикал легко окисляется, образуя молекулу оксида хлора и новый радикал. Атом хлора и молекула оксида хлора активно включаются в каталитический цикл разрушения озона (одна молекула хлора способна разрушить до десяти тысяч молекул озона).

Все хладагенты, не содержащие атомов хлора, считаются полностью озонобезопасными (R134, R134a, R152a, R143a, R125, R32, R23, R218, R116, RC318, Е290, R600, R600a, R717).

В настоящее время вместо хладона–12 находит применение озонобезопасный хладагент R134a (C₂H₂F₄). Анализ зарубежных публикаций и результаты исследований отечественных специалистов показывают, что замена R-12 на R-134a в компрессорных агрегатах холодильной техники потребовала решить ряд технических задач направленных на:

- повышение объемных и энергетических характеристик существующих компрессоров;

- улучшение энергетических и функциональных показателей холодильников, создание новых синтетических смазочных масел, совместимых с R-134a, увеличение химической стойкости эмали проводов электродвигателя,

– повышение емкости по воде фильтров-осушителей, что связано с высокой гигроскопичностью системы R-134a — синтетическое масло.

– переоборудование заводов для выпуска холодильных установок, работающих на R-134a, требует значительных затрат из-за серьезных изменений технологии, связанных с повышенными требованиями к чистоте внутренних поверхностей и высокой гигроскопичностью специального масла и др. Поэтому в государственном институте прикладной химии (ГИПХ, город Санкт-Петербург) на протяжении последних лет ведутся работы по созданию новых типов хладагентов. К их числу относятся RC 318 и его аналоги типа С10М1и др.

В последнее время в холодильной технике наряду с применением чистых хладагентов все шире используются многокомпонентные хладагенты, представляющие собой азеотропные смеси.

При определенной концентрации веществ азеотропные смеси также как и чистые хладагенты, имеют постоянную температуру кипения. Например, смесь, состоящая из 74,2% (по массе) хладона-12 и 25,8% хладона-152, имеет нормальную температуру кипения 239,65К (минус 33,4⁰С), в то время как отдельные ее компоненты входящие в состав этой смеси кипят при более высоких температурах (R12, нормальная температура кипения составляет Тк =243,5К (минус 29,5⁰С), а R-152 – Тк =248,1К (24,9⁰С).

Перечень наиболее широко применяющихся многокомпонентных хладагентов, приведен в таблице 14.

Таблица 14.

Перечень многокомпонентных хладагентов