2.5.9.3. Холодильные агенты и их свойства.

Хладагентом (сокращение от слов «холодильный агент») принято называть рабочее вещество с низкой температурой кипения (испарения), с помощью которого осуществляется процесс охлаждения в холодильных камерах. В паокомпрессорных холодильных машинах применяют разные марки хладагентов.

В1931году американская фирма «Дюпон» синтезировала безвредный для человека хладагент – фреон. Впоследствии было синтезировано более 4-х десятков различных фреонов, отличающихся друг от друга по своим свойствам и химическому составу. Наиболее дешевыми и эффективными оказались фреон-12 и фреон-22, которые долгое время всех устраивали.

В настоящее время действует Международный стандарт (МС): ИСО 817. «Органические хладагенты». Стандарт предусматривает цифровые обозначения хладагентов в технической документации на холодильное оборудование, характеристики хладагентов, масел, тары для транспортирования хладагентов и масел, приборов автоматики и контроля, терминологию холода.

Стандарт допускает несколько обозначений хладагентов: условное название, торговое название (марка), химическое название, химическая формула. При этом международное условное обозначение хладагентов является предпочтительным и состоит из символа R и определяющего числа. Например, фреон 12 имеет обозначение R12, фреон 22 - R22.

К хладагентам предъявляют термодинамические, физико-химические, физиологические и экономические требования. К термодинамическим требованиям относят минусовую температуру кипения при атмосферном давлении, низкое давление конденсации, высокую объемную холодопроизводительность, высокий коэффициент теплопроводности и теплопередачи. Физико-химическими требованиями к хладагентам являются: малая плотность и вязкость, обеспечивающие незначительное сопротивление хладагента при циркуляции в агрегате; химическая пассивность к металлам, материалам изоляции обмоточных проводов электродвигателя; химическая стойкость; негорючесть; малая способность проникать через неплотности; способность растворять воду и т.д.

Холодильные агенты должны быть безвредными для здоровья человека (физиологическое требование) и низкой стоимости (экономическое требование). При одинаковых температурных условиях размеры компрессора пропорциональны объемной холодопроизводительности хладагентов. Так, если размеры углекислотного компрессора принять за единицу, то размеры компрессора на аммиаке и хладоне R22 будут в 4 раза больше, на хладонах R12 и R134a в 6 раз больше. Объемная холодопроизводительность влияет также и на размеры теплообменной аппаратуры. Так, испаритель холодильной машины, работающей на хладоне R12, в 1,5 раза больше испарителя холодильной машины, работающей на хладоне R22.

Аммиак ядовит, пожаро- и взрывоопасен, хладон R12 экологически опасен. Углекислотные машины опасны из-за высоких давлений конденсации.

До недавнего времени наибольшее применение в холодильной технике имели:

- хладон 12 - R12 (CF2 Cl2)- дифтордихлорметан и

- хладон 22 – R22 (CНF2 Cl) - дифтормонохлорметан

R12 - это тяжелый бесцветный газ, не имеет запаха, инертен к металлам; взрывоопасностью не обладает. Однако при высокой концентрации в помещении может вызвать отравление и удушье от недостатка кислорода (более 30% по объему). При температуре выше 330°С R12 разлагается с образованием фосгена, хлористого и фтористого водорода. Поэтому курить и вносить открытый огонь в помещения с R12 запрещается. Температура кипения при атмосферном давлении -29,8°С. А это значит, что можно получить температуру охлаждаемого объекта порядка -19°С.

Пар R12 тяжелее воздуха в 4,3 , а жидкий хладон тяжелее воды. Он хорошо растворяется в масле и плохо в воде, как и все фреоны. Обладает большой проникающей способностью – легко проходит через мельчайшие неплотности.

По своим физико-химические свойствам хладон 22-R22 (CНF2 Cl)-дифтормонохлорметан близок к R12, но имеет лучшие холодильные свойства, поэтому также получил более широкое применениие в холодильной технике, чем R12. (Температура его кипения при атмосферном давлении -40,8°С) Однако хладоны R12 и R22 относятся к группе хлорсодержащих хладагентов, т. е. содержат хлор и являются экологически опасными хладагентами, подлежащими замене на экологически безопасными. На основе решения Венской конвенции об охране озонового слоя применение R12 запрещено, а R22 должен быть постепенно заменен до 2020 года озонобезопасными хладагентами. (Монреальский Протокол по веществам, разрушающим озоновый слой; Принят в сентябре 1987 г.)

К озонобезопасным хладагентам (HFC), которые не содержат хлор (Cl) относятся:

-фторуглероды ФУ – международное обозначение FC

- гидрофторуглероды ГФУ – международное обозначение HFC

- углеводороды (УН) - международное обозначение HC

 На замену фреону R22 пришел фреон R410A, а также R407C.

Хладагент R410A представляет собой смешанные в равных массовых долях хладагенты R32 и R125. Смесь характеризуется нулевым значением потенциала разрушения озонового слоя

К этой же группе относится и хладагент R407C - смесь R32, R125 и R134a (массовые доли компонентов соответственно 23/25/52%)

В последние годы в холодильную технику стал широко внедряться хладагент R600а – изобутан (С4Н10).Это устойчивый газ с хорошими холодильными свойствами, срок службы – более 20 лет, температура кипения -11,7°С. В современном 130 литровом холодильнике используется всего 25г R 600а. Недостаток R600а – взрывоопасен.

Особого внимания требует проблема, связанная с возвратом в холодильную технику аммиака (NH3) - R717.

Аммиак по сравнению с углеводородами менее опасен. При нулевых потенциалах разрушения озона он:

-легкий (легче воздуха, не опускается); - имеет запах (легко обнаруживается при утечке); - обладает высокой теплотой парообразования, и поэтому при утечке из сосуда с жидким аммиаком давление в нем быстро снижается до атмосферного и утечка сокращается; - воспламеняется только при 650 °С, и для его воспламенения требуется подвод значительного количества теплоты.

При этом аммиак как хладагент обеспечивает высокую энергетическую эффективность производства холода. Сейчас аммиак, после того как во второй половине XX века настойчиво вытеснялся фреонами и стал уделом почти только крупных береговых промышленных установок, возвращается. Все более широко применяются малые аммиачные холодильные машины В опубликованном в 2006 г. обзоре проанализирован европейский опыт работы с аммиачными холодильными установками, с использованием современных технических решений (герметичные кожухи, оборудование с малой заправкой хладагента, сигнализация, системы эвакуации аммиака, качество изготовления и эксплуатации) и разумных, обоснованных требований безопасности. Должна быть создана такая техническая, экономическая и правовая обстановка, чтобы предприятия хотели и практически могли выпускать аммиачные машины высокого технического уровня, а потребители хотели и могли их применять.

Диоксиду углерода (СО2) - (R744) как и рабочему веществу холодильных машин и тепловых насосов, а также как к вторичному теплоносителю в низкотемпературных холодильных установках, в мире уделяется пристальное внимание. Основной стимул - абсолютная безопасность этого вещества (если не учитывать высокие рабочие давления в системах). Исследовательские и конструкторские работы ряда последних лет перешли в стадию практического применения. Уникальность этих машин состоит в том, что для них не может быть использовано существующее базовое холодильное оборудование - компрессоры, теплообменные аппараты и другое -, а должно быть создано новое. Основная проблема состоит в обеспечении достаточной энергетической эффективности. В цикле холодильной машины на R744 чрезвычайно трудно компенсировать перерасход затрачиваемой работы, связанной с надкритическим протеканием процесса охлаждения сжатого газа. Тем не менее, с учетом безвредности эмиссии R744 в атмосферу начато его применение в таком массовом оборудовании, как автомобильные кондиционеры. Можно ожидать широкого применения диоксида углерода в тепловых насосах. В цикле теплового насоса (ТН) высокая энергетическая эффективность, более высокая чем у фреоновых (углеводородных) ТН, может быть обеспечена при соответствующем выборе параметров нагреваемой среды и оптимизации других параметров цикла