Холодильные агенты

В настоящее время известно около ста различных холодильных агентов. Самыми распространенными из них являются: воздух, вода, аммиак, диоксид углерода, чистые углеводороды (пропан, метан, изобутан и др.), хлор – фтор – бромпроизводные углеводородов (хладоны) и другие вещества.

Сокращенное обозначение холодильного агента строится по форме RN (где R – международный символ, обозначающий холодильный агент; N – присвоенный номер холодильного агента). Например R22 – хладон 22 (CHClF₂), R729 – воздух, R170 – этан (C₂H₆), R717 – аммиак (NH₃), R718 – вода (H₂O), R744 – диоксид углерода (CO₂) и т.п.

Для хладонов номер расшифровывается в следующем порядке:

Первая цифра в двухзначном номере или первые две цифры в трехзначном номере обозначают тот насыщенный углеводород С_nН_2n+2, на базе которого получен хладон. Установлены следующие цифры: 1 – СН₄ (метан); 11 – С2Н6 (этан): 21 – С3Н8 (пропан): 31 – С4Н10 (бутан). Справа пишется число атомов фтора в хладоне (например CF2Cl2 – R12, C3F4Cl4 – R214). При наличии в хладоне атомов брома после основного номера пишется буква В, а за ней число атомов брома (например СF2Br2 – R12B2, F3Br – R13B1).

Возможность применения того или иного холодильного агента для конкретных условий работы зависит от их свойств. Свойства хладагентов влияют на конструктивные особенности холодильной машины, потребляемую мощность, холодопроизводительность и другие характеристики.

К основным свойствам относятся:

1.теплофизические

2.термодинамические

3.физико-химические

4.физиологические

5.экологические

Теплофизические свойства – это теплоемкость (С), теплопроводность (λ), вязкость (μ), плотность (ρ), температуропроводность (а), поверхностное натяжение (η) и т др. Они главным образом влияют на интенсивность теплообмена в аппаратах, на потери давления в системе и на массу и габариты компрессора. С увеличением теплоемкости, теплопроводности, температуропроводности, плотности жидкости и пара увеличивается коэффициент теплопередачи теплообменных аппаратов и наоборот с повышением вязкости, поверхностного натяжения, удельного объема холодильного агента интенсивность теплообмена в аппаратах снижается. Высокие значения вязкости, плотности, поверхностного натяжения хладагента приводят к повышению гидравлических потерь в аппаратах и трубопроводах. Плотность и удельный объем всасываемого пара влияют на размеры компрессора. Чем больше удельный объем пара на всасывании, тем меньше габариты компрессора при одинаковой массовом расходе холодильного агента.

К термодинамическим свойствам относятся нормальная температура кипения, давление насыщения при температуре 30 °С, критическая температура, температура замерзания, теплота парообразования и др. Они характеризуют термодинамические параметры цикла, удельную холодопроизводительность, работу цикла, теплоту конденсации и т др. По нормальным температурам кипения холодильные агенты делятся на три группы: низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные.

К низкотемпературным холодильным агентам относятся хладагенты с температурой кипения при атмосферном давлении до – 60 °С (t_он < - 60 °С). К среднетемпературным – хладагенты с нормальной температурой кипения от – 60 °С до – 10 °С. К высокотемпературным - хладагенты с нормальной температурой кипения выше – 10 °С.

По давлениям при температуре конденсации 30 °С холодильные агенты также делятся на три группы: низкого давления с Р_к < 0,3 МПа, среднего давления с Р_к от 0,3 до 2 МПа и высокого давления с Р_к от 2 до 7 МПа.

Физико-химические свойства включают в себя термическую стабильность, взрывоопасность, воспламеняемость, электрические свойства, взаимодействие со смазочным маслом, водой и конструкционными материалами и др.

Термическая стабильность характеризуется температурой разложения, при которой происходит разложение холодильного агента на отдельные составляющие. Разложение хладонов связано с образованием хлористого и фтористого водорода и отравляющего вещества фосгена.

В современных холодильных машинах существующие предельные температуры значительно ниже температуры разложения. Так для хладоновых машин предельными являются температуры на 130 - 135 °С, для аммиачных машин максимальная температура нагнетания не должна превышать 160 °С.

Взрывоопасность и воспламеняемость рабочего вещества являются важными показателями для безопасной работы холодильных машин. Холодильные агенты в различной степени взрывоопасны и воспламеняемы. Наибольшей взрывоопасностью отличаются этан, этилен, пропан и бутан. Аммиак взрывоопасен в соединении с воздухам при концентрациях 16 - 26,8 % и воспламеним при концентрациях более 11 %. Его взрывоопасность обусловлена выделением свободного водорода при высоких давлениях. У хладонов взрывоопасность снижается с возрастанием числа атомов хлора и фтора и уменьшением числа атомов водорода. Совершенно не взрывоопасны и не воспламеняемы диоксид углерода (R744), сернистый ангедрид(SO₂),хладон 30 (R30),окись азота (R), шестифтористая сера SF₆, хладон 22 (R22), хладон 23 (R23).

Электрические свойства холодильных агентов влияют на безопасность работы бессальниковых и герметичных компрессоров, так как в них происходит непосредственный контакт хладагента с обмотками электродвигателя. Одним из наиболее важных показателей является электрическая проводимость и электрическое сопротивление хладагентов. Электрическая проводимость характеризует перенос электрических зарядов в веществе под действием внешнего электрического поля. Удельное электрическое сопротивление обратная величина электрической проводимости.

Взаимодействие холодильных агентов с маслами. По взаимной растворимости хладагенты и масла делятся на три группы. К первой группе относятся холодильные агенты и масла с ограниченной взаимной растворимостью в любых диапазонах давлений и температур. Вторая группа включает в себя растворы с неограниченной взаимной растворимостью. В третью группу входят холодильные агенты и масла с локальной взаимной растворимостью, которые в определенных диапазонах температур имеют ограниченную растворимость, а в других условиях – неограниченно растворимы друг в друге. К группе с ограниченной растворимостью относятся такие хладагенты как NH₃, SF₆, SO₂, хладон 13, хладон 14, C₄F₈, C₄F₁₀ и др. В таких смесях холодильные агенты и масла практически не растворяются друг в друге. Жидкая фаза состоит из двух слоев: один слой содержит практически чистый хладагент, другой слой является практически чистым маслом, т.е. образуется гетерогенная система. Взаимное расположение слоев зависит от их плотности. Так, например плотность масел для аммиачных холодильных машин больше плотности самого аммиака. Поэтому слой масла находится ниже слоя аммиака.

Взаимодействие с водой. По взаимной растворимости хладагентов с водой они делятся на две группы. К первой группе относятся рабочие вещества с ограниченной растворимостью, ко второй группе - с неограниченной растворимостью с водой. Холодильные агенты первой группы практически не растворяются в воде. Жидкая фаза содержит два слоя: слой практически чистого хладагента и слой воды. К первой группе относятся практически все хладоны, чистые углеводороды: метан, пропан, бутан и т.д. Во вторую группу входят холодильные агенты как аммиак (R717), которые полностью растворяются с водой, образуя однородный гомогенный раствор.

Физиологические свойства показывают степень воздействия холодильных агентов на живой организм. По международной классификации все холодильные агенты делятся на шесть классов в зависимости от величины среднесмертной концентрации для определенного вида подопытных животных. К первой самой токсичной группе относится хладагент R764 (сернистый ангидрид). Запах сернистого ангидрида в воздухе чувствуется уже при концентрации 0,0012 - 0,0015%. При концентрации 0,002 - 0,004% возникает кашель. Дальнейшее повышение концентрации приводит к удушью, воспалению легких и кровоизлиянию. При попадании SО₂ в кровь происходит коагуляция белых кровяных шариков. Ко второму классу относится R717 (аммиак), который даже при незначительных концентрациях в воздухе обладает специфическим едким запахом. Его предельная допустимая концентрация составляет 0,02 мг/м³. При наличии опасных концентрациях аммиака происходят деструктивно-воспалительные и некротические изменения слизистых оболочек дыхательных путей и кожи. Отравление аммиаком активизирует туберкулез, может вызвать паралич и глухоту. Попадание маленькой капли хладагента в глаз приводит к ожогу роговицы и даже к слепоте. К третьей и четвертой группам относятся чистые углеводороды (пропан, метан, бутан и др.) и некоторые хладоны (R20, R160). Самыми безвредными для человека являются большинство хладонов. Они относятся к пятому и шестому классам.

Выбор хладагента для конкретной холодильной машины — одна из важнейших инженерных задач. При этом учитывают назначение машины, ее холодопроизводительность, условия эксплуатации, стоимость хладагента и разнообразие его свойств. В современной отечественной и зарубежной практике наибольшее применение в стационарных холодильных машинах большой холодопроизводительности для получения температур от 0 до -40°С нашел аммиак. Это связано с его хорошими термодинамическими свойствами и низкой стоимостью. В холодильных машинах малой холодопроизводительности, в бытовых холодильниках, а также транспортных установках используют фреоны. При температурах кипения от -10 до -25°С предпочтение пока отдают R12 из-за его более низкой стоимости и доступности по сравнению с R22, а также более низкой температуры конца сжатия в компрессоре. R22 применяют главным образом в низкотемпературных машинах при температурах кипения ниже -25°С. Наиболее предпочтительным для низкотемпературных одноступенчатых машин малой и средней холодопроизводительности является R502. К сожалению, отечественная химическая промышленность не выпускает его в нужном объеме. Применение фреонов в машинах большой холодопроизводительности сдерживается из-за их текучести (способности проникать через мельчайшие неплотности) и высокой стоимости.