Хладагенты и хладоносители

Холодильный агент (рабочее тело) - вещество, без которого невозможен какой-либо термодинамический цикл или процесс. Основными холодильными агентами являются аммиак, вода, хладоны и воздух.

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.

Вода применяется чаще всего в установках кондиционирования воздуха, где обычно температура теплоносителя больше нуля. 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_nH_x, Cl_z, F_y, Вr_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. В качестве рабочих тел могут использоваться азеотропные смеси, составляемые из двух холодильных агентов.

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 физико-химическими свойствами, от которых зависят конструкция холодильника и расход энергии.

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

К физико-химическим свойствам относятся растворимость холодильных агентов в смазочных маслах и воде, инертность к металлам, взрывоопасность и воспламеняемость. 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.

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 R7I7, диоксид углерода R44 и ограниченно растворимые хладоны R13, R14, R115.

К холодильным агентам с неограниченной растворимостью относятся Rl1, 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 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 цинк, медь, 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 °С, 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 °С. Одноступенчатое сжатие рекомендуется применять до температур кипения не ниже -35 °С.

Холодильный агент R502 применяют в низкотемпературных одноступенчатых холодильниках 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, R124, R141, R123 и R142 разрешены в качестве переходных для замены запрещаемых. Но и они должны быть исключены из использования к 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 выпускается R134a. Он может полностью заменить R12, хотя при его использовании 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 R134а при давлении 0,1 МПа составляет -26,5 °С. В выпускаемых в России (г. Липецк) холодильниках и морозильниках "Stinol" используется преимущественно R134a.

Сегодня расширяется использование аммиака, который не влияет 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 холодильниках, то теперь промышленность осваивает конструкции средних и малых аммиачных компрессоров и холодильников 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, СаСl₂, температура замерзания которых до известного предела (состояния криогидратной точки) зависит от концентрации рассола. Для уменьшения коррозирующего действия рассолов на металлические части оборудования в них добавляют пассиваторы: хромовую соль, фосфорные кислоты, силикат натрия.

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 - эвтектический лед, имеющий постоянную температуру плавления и образующийся при криогидратной температуре, который представляет их себя смесь льда и соли.