ГЛАВА 2 ХОЛОДИЛЬНЫЕ АГЕНТЫ И ХЛАДОНОСИТЕЛИ

Холодильные агенты

К холодильным агентам предъявляют определенные термодинамические, физико-химические, физиологические и экономические требования. Они должны иметь низкую температуру кипения при атмосферном давлении, большую теплоту парообразования, большую объемную холодопроизводительность, низкую температуру затвердевания, высокую критическую температуру, быть нейтральными к маслам, металлам и прокладочным материалам.

Холодильные агенты должны быть негорючими и невзрывоопасными, неядовитыми, растворяться в воде без образования ледяных пробок в системе, обладать слабым запахом и цветом (для обнаружения утечек), но запах не должен передаваться продукту.

Стоимость холодильных агентов должна быть невысокой.

Выбор холодильного агента зависит от типа холодильной машины (поршневая компрессорная, турбокомпрессорная, абсорбционная и др.), от температуры, которую следует получить с помощью холодильной машины, и от ее назначения (судовая холодильная машина для охлаждения трюмов, для охлаждения провизионной камеры; холодильная машина, смонтированная в компрессорном цехе отдельно стоящего холодильника, и т. д.). Ни один холодильный агент полностью не удовлетворяет перечис­ленным требованиям.

Кроме чистых химических соединений в качестве холодильных агентов применяют также смеси веществ, например азеотропную смесь, состоящую из 48,8% хладона-22 и 51,2% хладона-15, называемую хладоном-502. Азеотропной называют смесь, которая не изменяет своего состава при кипении, а парообразная и жидкая фаза имеют одинаковый состав.

Использование смесей холодильных агентов позволяет интенсифицировать работу холодильных машин без кон­структивных изменений и дополнительных капитальных затрат, причем объемные и энергетические показатели холодильных машин, работающих на некоторых смесях хладонов, оказываются выше, чем при работе на чистых хладонах.

Наиболее распространенными холодильными агентами судовых холодильных машин являются хладон-22 (R-22), хладон-502 (R-502) хладон-12 (R-12), аммиак (R-717)¹.

Хладон-22 (R-22), (CHF₂C1). Его применяют в средних и крупных судовых холодильных машинах. Преиму­щества его по сравнению с другими холодильными аген­тами: малая токсичность, достаточно большая объемная холодопроизводительность, сравнительно низкая темпе­ратура кипения. Близкие значения давления насыщения у хладона-22 и аммиака £-717 позволяют промышленности выпускать унифицированные холодильные машины для использования их на аммиаке и на хладоне-22.

Хладон-22 представляет собой бесцветный газ со слабым запахом хлороформа, летуч, проникает через самые незначительные неплотности. Утечки определяют посредством специальных газоанализаторов, например УРАС-2, галоидного электронного течеискателя, галоидной лампы, путем обмыливания соединений, по появлению следов V масла на соединениях. Большая текучесть и нерастворимость в воде создают повышенные требования к осушке и герметичности системы. Хладон-22 мало растворяется в воде, безводный, нейтрален к металлам, при высоких температурах неограниченно растворяется в масле. При температурах -10-20°С из хладона-22 выделяется ма­сло. В испарителе смесь хладона-22 и масла разделяет­ся на два слоя: более тяжелый - раствор масла в хладоне (с преобладающим содержанием хладона) - опускается вниз, а более легкий - раствор хладона в масле. (с преобладающим содержанием масла) - всплывает вверх. В конденсаторе смесь холодильного агента и масла однородна и масло отделить нельзя. Хладон-22 разрушает обычную резину, поэтому для уплотнений применяют специальные марки резины.

Хладон-22 не горит и невзрывоопасен. При значитель­ном его содержании в помещении он вытесняет воздух и человек испытывает удушье. При температуре 550° С в присутствии железа хладон-22 распадается, причем одним из продуктов распада является фосген.

При давлении 0,098 МПа температура кипения хладона-22 40,8° С. Давление в испарителе обычно равно или выше атмосферного. Давление в конденсаторе 0,8 - 1,2МПа. Сравнительно большая объемная холодопроиз-водительность (табл. 2.1) обусловливает небольшой объем паров холодильного агента, поступающих в компрессор, а высокий коэффициент теплоотдачи (на 25—30% выше, чем у хладона-12) - небольшие размеры теплообменных аппаратов.

Таблица 2.1 – Термодинамические и физические свойства холодильных агентов

Хладон-502 (R-502) -это перспективный холодильный агент для низкотемпературных бессальниковых компрессоров. При давлении 0,098 МПа имеет температуру кипения ¾45,6° С.

Объемная холодопроизводительность на 20% больше, чем у хладона-22, негорюч и невзрывоопасен, растворимость в масле меньше, чем у хладона-22, химически инертен к металлам. Коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации примерно такие, как у хладона-22, но менее токсичен.

Хладон-12 (R-12) (CF₂Cl) – бесцветный газ со слабым запахом, ощутимым при содержании в воздухе более 20%, значительно тяжелее воздуха (в 4,18 раза). При давлении 0,098 МПа кипит при температуре -29,8°С. Хладон-12 не растворяется в воде, поэтому влага, попавшая в систему, остается свободной, вызывая усиленную коррозию труб и оборудования. При попадании влаги в проходное сечение регулирующего вентиля она там замерзает, образуя ледяную пробку, и закрывает доступ холодильному агенту в испаритель. Содержание влаги в хладоне-12 не должно превышать 0,0025% по массе. Безводный хладон нейтрален ко всем металлам, но растворяет некоторые органические вещества, в частности резину, поэтому в качестве прокладочного материала используют специальную маслобензостойкую резину – севанит. Хладон-12 неограниченно растворяется в масле, растворимость увеличивается с повышением давления и пониже­нием температуры.

При больших (свыше 39%) или меньших концентрациях, но длительном воздействии хладон-12 вызывает понижение кровяного давления, человек ощущает удушье, першение в горле, металлический вкус во рту, головокружение, резкую слабость. При температуре 400°С хладон-12 разлагается с выделением отравляющего веществa фосгена. В помещениях, в которых возможны утечки хладона, нельзя курить. Он очень летуч, проникает через любые неплотности и даже через поры крупнозернистого чугуна. Хладон-12 применяется в холодильных машинах малой и средней холодопроизводительности.

Аммиак (R-717) (NH₃). Это бесцветный газ с резким удушающим запахом. Обладает хорошими термодинамическими свойствами. При давлении 0,098 МПа жидкий аммиак имеет температуру кипения — 33,4° С. Объемная холодопроизводительность аммиака примерно одинакова хладоном-22 и в 1,5 раза больше, чем у хладона-12, потому габариты аммиачной холодильной машины в 1,5 раза меньше машины, работающей на хладоне-12, одинаковой холодопроизводительности.

Аммиак не взаимодействует с черными металлами, алюминием и фосфористой бронзой, разрушает медь, медные сплавы, цинк и бронзу. Растворяется в воде, безводном состоянии со смазочными маслами не взаимодействует, в присутствии влаги их окисляет, поэтому Содержание влаги в аммиаке не должно превышать 0,2%. при содержании аммиака в воздухе от 16 до 25% образуется опасная смесь, которая при наличии открытого пламени дает взрыв. Поэтому в соответствии с правилами техники безопасности запрещается пользоваться «серным шнуром» для обнаружения мест утечки, а также открытым пламенем при осмотре внутренней полости аппаратов во время ремонта.

Аммиак вреден для человека, он поражает слизистые оболочки горла, носа, дыхательных путей и вызывает удушье. Допустимая концентрация в воздухе 0,02 мг/л. Пребывание человека в течение 60 мин в помещении с концентрацией 0,5—1% приводит к смертельному исходу.

Аммиак сравнительно дешев.

Для обнаружения утечек аммиака применяют специальные индикаторы, например, лакмусовую бумагу, которая при наличии аммиака приобретает малиновый цвет.

До последнего времени аммиак был самым распространенным холодильным агентом, применяемым в крупных холодильных установках для получения температур кипения до —50÷60°С. Большая токсичность обусловила вытеснение его менее вредными хладонами. В таблице 2.1 приведены некоторые термодинамические и физические свойства холодильных агентов.

Холодильные агенты на судне хранятся в баллонах. Аммиачные баллоны должны быть окрашены в желтый цвет и иметь надпись черной краской «Аммиак», баллоны для хладона-12 и хладона-22 серебристого цвета и имеют соответствующую надпись «Хладон-22».

Каждый баллон должен иметь исправный вентиль, закрытый колпаком, навинченным на горловину баллона. На баллоне должны быть четко выбиты следующие данные: марка завода-изготовителя, тип баллона, номер баллона, фактическая масса баллона, дата (месяц и год) проведенного испытания и следующего освидетельствования, рабочее давление, пробное гидравлическое давление, емкость баллона (в л), клеймо ОТК завода-изготовителя. Баллоны, предназначенные для хранения холодильных агентов, подлежат освидетельствованию (гидравлическому испытанию) не реже 1 раза в пять лет.

Дата освидетельствования на баллоне указывается следующим образом: 6-78-83. Это значит, что освидетельствование производилось в июне 1978 г., последующее должно быть в 1983 г.

Баллоны, пригодные к эксплуатации, заполняют хо­лодильным агентом из расчета: 0,9 кг на 1 л емкости баллона для хладона-22; 1,1 кг на 1 л емкости баллона для хладона-12; 0,50 кг на 1 л емкости баллона для аммиака (емкость указана на баллоне). При температуре воздуха выше 15° С норма наполнения баллона уменьшается на 25%. Баллоны с холодильным агентом должны храниться в особых огнестойких кладовых с открывающимися наружу дверями и иметь естественную или искусственную вентиляцию.

Баллоны могут быть установлены в вертикальном положении на башмаках и огорожены барьерами, защищающими их от падения, или уложены в горизонтальном положении на специальных прокладках с гнездами в штабеля высотой не более 5 шт. В любом случае каждый баллон должен быть надежно закреплен на случай шторма.

Хладоносители

Хладоносителями называют вещества, отбирающие те­плоту от охлаждаемой среды и передающие ее кипящему холодильному агенту. При этом хладоносители не изменяют своего агрегатного состояния. Хладоносители должны быть дешевы, химически нейтральны по отношению is металлам и прокладочным материалам, безвредны, а се иметь низкую температуру замерзания, большую теплоемкость.

Наиболее дешевые хладоносители — вода и воздух, но применение их ограниченно, так как вода имеет высокую температуру замерзания — 0° С, а воздух — малую теплоемкость. Практически применяют рассолы — водные растворы солей хлористого кальция СаСl₂ или хлористого натрия NaCl.

Выбор рассола зависит от требуемой температуры охлаждаемой среды и технологического процесса, в котором его используют. Для таких низких температур, как -20 ÷-25° С, и при отсутствии непосредственного контакта рассола и рыбы применяют СаС1₂; NaCl — для получения температур воздуха 10°С и выше, а также при непосредственном контакте рассола и рыбы, например, при охлаждении или замораживании рыбы в танках с холодным рассолом. Это обусловлено тем, СаС1₂ обладает неприятным горько-соленым вкусом и при попадании на продукт портит его.

Температура замерзания рассола зависит от его концентрации. Под концентрацией понимают число массовых частей соли, приходящихся на 100 массовых частей воды, С увеличением концентрации до определенного предела температура замерзания рассола понижается. (рисунок 2.1)

Рисунок 2.1 – Зависимость температуры замерзания растворов NaCl и CaCl₂

от концентрации

Наиболее низкая температура замерзания рассола — 21,2° С при концентрации 23,1 кг соли на 100 кг раствора или 30,1 кг соли на 100 кг воды, а рассола СаС1₂ — 55° С при концентрации 29,9 кг соли на 100 кг раствора или 42,7 соли на 100 кг воды.

Указанные значения соответствуют состоянию криогидратной точки.

Если понизить температуру рассола ниже указанной, рассол замерзнет в виде однородной смеси кристаллов льда и соли. При концентрации рассола выше криогидратной температура замерзания его вновь повышается.

Концентрацию рассола определяют с помощью арео­метра по плотности (ρ) или в градусах Боме (n). Пере­счет плотности рассола в градусы Боме производят па формуле:

n=144,3

Концентрация рассола должна быть такой, чтобы при работе холодильной машины он не замерзал.

Рассолы вызывают сильную коррозию оборудования, поэтому рН рассола стремятся поддерживать в пределах 7—10, при котором он наименее агрессивен.

Для уменьшения коррозии пользуются двумя спосо­бами: на поверхности металла создают защитную пленку, предохраняющую его от разрушения, или пользуются протекторной защитой.

Кроме применения специальных средств для защиты от коррозии необходимо следить за тем, чтобы соль, из которой готовят рассол, и сам рассол были чистыми. Рас­сол должен возможно меньше соприкасаться с воздухом, так как увеличение растворенного в нем воздуха способ­ствует коррозии.