Холодильные агенты и хладоносители

Холодильные агенты.Как уже было сказано, какой-либо термо­динамический процесс или 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, где обычно температура теплоносителя t_H > 0 ⁰С. В качестве холодильного агента воду используют в установках аб­сорбционного и эжекторного типов.

Аммиак имеет малый удельный объем при температуре кипе­ния -70 °С, большую теплоту 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 — галоидопроизводные 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 хладонов, связаны зависимостью х + у + z+ u = = 2n + 2. Любой холодильный агент обозначается 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 двузначном номере или первые две цифры в трех­значном обозначают насыщенный углеводород 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 хладоне: CFC1₃ — R11, CF₂C1₂ — R12, C₃F₄C1₄ — R214, СС1₄ — R10. При наличии в хладоне незамещенных атомов водорода их число добавляют к числу десятков номера: CHFC1₂ — R21, CHF₂C1 — R22. Если в состав хладона входят атомы брома, после основного 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, начиная с 500, условно обозначают азеотропные смеси, процентный состав которых в процессе 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 обозначают соответствен­но R717 и R718.

Холодильный агент должен обладать определенными теплофизическими и физикохимическими свойствами, от которых зави­сят конструкция холодильной машины и расход энергии.

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

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

К физико-химическим свойствам относятся растворимость хо­лодильных агентов в смазочных 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 — холодильный 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 холодильной 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 машины имеют специ­альные осушительные устройства.

Хладоны при отсутствии влаги в области применяемых в холо­дильной технике температур на металлы не действуют.

Аммиак не оказывает коррозирующего действия на сталь. В при­сутствии воды он разъедает медь, цинк, бронзу и другие медные сплавы, за исключением фосфористой бронзы. 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 разлагается, и в продук­тах его разложения содержатся ядовитый фосген и вредные для человека 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, водоохлаждающих хо­лодильных машинах. Хладон R22 используют в машинах с порш­невыми и винтовыми компрессорами одно- и двухступенчатого сжатия, а также в бытовых холодильных машинах. Диапазон тем­ператур кипения от +10 до -70 °С при температуре конденсации не выше 50 ⁰С. Одноступенчатое сжатие рекомендуется применять до температур кипения не ниже -35 °С.

Холодильный агент R502 применяют в низкотемпературных одноступенчатых холодильных 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 других 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 быто­вые отходы, содержащие атомы хлора, в том числе хладоны, до­стигая атмосферы, высвобождают хлор, который участвует в раз­рушении озонового слоя. Известно, что озоновый экран (среднее содержание озона в атмосфере 0,001%) защищает поверхность Земли от избыточных ультрафиолетовых лучей, большая доза ко­торых способна уничтожить все живое. Поэтому Международной конвенцией в Вене в 1985 г., Протоколом в Монреале в 1987 г. и последующими протоколами с участием представителей крупней­ших стран мира были приняты решения о прекращении к 2000 г. производства и использования озоноопасных хладонов, в первую очередь R11, R12, R113, R114, R115. Хладагенты R22, R123, R124, R141 и R142 разрешены в качестве переходных для замены 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 разлагаются гораздо быст­рее, чем хлорфторуглеводороды, в нижних слоях атмосферы, не достигая озонового слоя. На мировом рынке такие озонобезопасные хладоны предлагает, например, фирма «Дюпон» (США) под торговой маркой «СУВА». «Дюпон» поставляет 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 удельной холодопроизводительности R12), холодильный коэффициент (98 % по сравнению с R12), увеличивается соотношение давлений кон­денсации и кипения (123%, если принять это соотношение для R12 равным 100 %). Для R134a подобраны и синтетические масла (ХС-22, ХФС-134). Температура кипения R134a при давлении 0,1 МПа составляет -26,5 °С. В выпускаемых в России холодильни­ках и морозильниках «Стинол» (г. Липецк) 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 использовали преимущественно в крупных по холодопроизводительности холодильных машинах, то теперь про­мышленность осваивает конструкции средних и малых аммиач­ных компрессоров и холодильного оборудования на их основе.

Хладоносители.Хладоносители являются промежуточным ве­ществом между источником холода и объектом охлаждения. Они подразделяются на жидкие и твердые.

К жидким хладоносителям относятся водные растворы солей — рассолы и однокомпонентные вещества, замерзающие при низ­ких температурах (этиленгликоль, кремнийорганическая жидкость). Применяют водные растворы солей NaCl, MgCl₂, СаС1₂, температура 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 замерзания от 0°С (вода) до -67,2 °С при кон­центрации 70 % по объему.

Твердые хладоносители — это эвтектический лед, образующий­ся при криогидратной температуре, представляющий собой смесь льда и соли и имеющий постоянную температуру плавления.

ГЛАВА 3