7.2.Хладагенты.

В работе любой холодильной техники важнейшим элементом является ее рабочее вещество - хладагент, свойства которого определяют тип, состав, условия эксплуатации и область применения холодильной установки.

В конце ХIХ и начале XX вв. в качестве хладагентов использовались различные природные вещества: воздух, вода, аммиак, диоксид углерода, эфир, углеводороды, сернистый ангидрид и др. Многие из них не получили распространения, но некоторые использовались в течение десятилетий. Например, аммиак широко применяется и сегодня в промышленных холодильных установках и в абсорбционных холодильниках

В 1928 г. группа американских ученых под руководством Т. Мигли впервые создала синтетический хладагент дихлордифторметан, относящийся к группе хлорфторуглеродов (ХФУ), а в 1930 г. совместное предприятие компании «Дженерал моторc» и фирмы «Дюпон» под названием «Кинетик кемикал инк» выпустило для холодильной промышленности первые партии этого хладагента - фреон-12 (R12). Буква R, обозначающая хладагент (Refrigarant) стало общепринятой.

С этого времени началась эра господства в хладагентах различных видов фреонов. Эти вещества обладают хорошими термодинамическими свойствами, негорючие, малотоксичные, химически инертны. Поэтому выпуск в атмосферу летучих паров фреонов при ремонте и обслуживании холодильного оборудования, при производстве вспенивающихся веществ в качестве аэрозольных пропеллентов и растворителей, в парфюмерной промышленности считался нормой и ничем не ограничивался. Однако принятое за положительное свойство фреонов - высокая химическая стабильность - обусловило их длительное существование в атмосфере Земли. Данный фактор в сочетании с резко усилившейся эмиссией этих хлорфторуглеродов усугубил причину разрушения озонового слоя в стратосфере Земли (рис.7.1).

Рис.7.1 . Озоновая дыра.

Незамедлительная реакция международного сообщества в 80-х годах получила отражение в Монреальском протоколе по веществам, разрушающим озоновый слой, - документе, который оказал фундаментальное влияние на развитие холодильной техники в конце прошлого и начале современного столетиях. Его принятие привело к пересмотру критериев выбора хладагентов, интенсивному поиску заменителей запрещенных озоноразрущающих веществ - альтернативных хладагентов и разработку новых видов холодильной техники, а также условий и средств ее эксплуатации.

7.2.1. Критерии выбора хладагентов.

Экологический эффект

. Разрушение озонового слоя в стратосфере Земли и содействие развитию парникового эффекта составляют два основных фактора воздействия хладагентов на окружающую среду

К озоноразрушающим веществам относятся наиболее распространенные в холодильной технике хладагенты. Их озоноразрушающая активность определяется наличием атомов хлора в молекуле и оценивается потенциалом разрушения озона ODP (Ozon Depletion Potential), принятым за единицу для R11 и R12.

По степени озоноразрушающей активности хладагенты разделены на три группы:

1. Хладагенты с высокой озоноразрушающей способностью (ODP > 0,1) - хлорфторуглероды (ХФУ): R11, R12, R502 (международное обозначение ХФУ-CFC: CFC11, CFC12, CFC502) и др.

2. Хладагенты с низкой озоноразрушающей активностью (ODP < 0,1) - гидрохлорфторуглероды (ГХФУ): R22, R142B (международное обозначение ГХФУ- HCFC: HCFC22, НСFС142В) и др.

3. Все хладагенты, не содержащие атомов хлора, считаются полностью озонобезопасными (ODP = 0) и являются альтернативными хладагентами. К ним относятся гидрофторуглероды (ГФУ) R134a, R404A, R407C, а также природные хладагенты диоксид углерода СО₂, вода, углеводороды и R717 (аммиак).

С 01 января 1996 г., согласно Монреальскому протоколу, запрещено производство всех озоноопасных хладагентов группы CFC. Взамен их разработаны и введены в эксплуатацию новые, полностью озонобезопасные вещества. Наблюдения, проведенные рядом исследователей в последнее время, показали, что первоочередные меры, принятые мировым сообществом в отношении наиболее опасных озоноразрушающих веществ - хлорфторуглеродов (ХФУ), принесли свои плоды и в верхних слоях атмосферы их содержание начало сокращаться со скоростью около 3 % в год. Одновременно, - из-за значительной отсрочки в Монреальском протоколе сроков выведения из применения веществ с низким потенциалом озоноопасности - и, поэтому возросшим их использованием , содержание гидрохлорфторуглеродов стало возрастать со скоростью до 3 % в год.

Поэтому на очереди – запрещение производства и потребления гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ). Среди ГХФУ по масштабам применения выделяется фреон R22, который имеет широкое распространение в судовых холодильных установках. Уже сейчас в странах ЕС с 01.01. 2015 года вводится запрет на заход в порты Европы судов, холодильные установки которых работают на фреоне R22.

Несмотря на то, что переход на озонобезопасные синтетические хладагенты (ГФУ) поможет остановить разрушение озонового слоя, эти хладагенты в большой степени содействуют развитию парникового эффекта.

Рис.7.2 . Образование парникового эффекта.

Появление паров хладагентов в атмосфере Земли (рис. 7.2.) связано с его утечками, начиная с процесса производства, затем использования по прямому назначению, включая процедуру заправки и, наконец, при его утилизации. . Из-за высокого влияния на парниковый эффект фторсодержащих хладагентов (ГФУ) выброс 1 кг хладагента , например, R404А, равносилен выпуску в атмосферу 3,9 метрических тонн СО₂.В совокупности ежегодные выбросы фторсодержащих газов оцениваются более чем в 1000 миллионов эквивалентных метрических тонн СО₂ , что сравнимо с выбросами от компьютерной и авиационной отраслей промышленности.

Поэтому при выборе критерия пригодности альтернативных хладагентов наряду с озонобезопасностью необходимо учитывать и другой экологический фактор - влияние на глобальное потепление климата планеты. Это влияние оценивается по потенциалу глобального потепления GWP (Global Warning Potential), за единицу которого принят эффект 100- летнего влияния диоксида углерода (СО₂) на потепление климата. Обычные озонобезопасные синтетические хладагенты из группы (ГФУ) имеют значения GWP от 1300 до 4000 и все больше подвергаются ограничению в применении при помощи законодательства по снижению этого показателя до 150 и менее. Например, Директива Евросоюза запрещает с 1 января 2011 года использование любых хладагентов с показателем GWP выше 150 в автомобильных системах кондиционирования воздуха для новых моделей существующих автомобилей и, начиная с 1 января 2017 года, для всех новых автомобилей.

Энергоэффективность.

Кроме прямого влияния на глобальное потепление, связанного с утечками хладагентов в атмосферу во время всего их жизненного цикла, присутствует и косвенное влияние, обусловленное затратами энергии на производство хладагентов и работу оборудования при использовании хладагентов для целей охлаждения. Сумма этих двух факторов называется «полным эквивалентом влияния на глобальное потепление» (TEWI). Таким образом, величина (TEWI) учитывает не только прямое влияние утечек хладагента, но и эффективность работы холодильного оборудования, его потребление электроэнергии, а значит потребление тепловой энергии, при производстве которой выделяется определенное количество СО₂.

TEWI = влияние прямых утечек в пересчете на эквивалент СО₂ + выброс СО₂ от косвенных затрат на производство электроэнергии для работы холодильной установки.

Уменьшение косвенных затрат напрямую зависит от совершенства используемого холодильного оборудования и теплофизических свойств хладагента. Чем выше к.п.д. составных частей холодильной установки, тем меньшие косвенные затраты и тем более высокая эффективность работы всей холодильной установки. Требования к теплофизическим свойствам хладагента направлены на уменьшение необратимых потерь при теплообмене и движении хладагента. Так, хорошая теплопроводность повышает интенсивность теплообмена в аппаратах холодильных машин, а малая вязкость хладагента сокращает гидравлическое сопротивление в трубопроводах, что также приводит к росту энергоэффективности работы холодильной установки.

Безопасность

Безопасность включает в себя негорючесть, нетоксичность и высокие значения рабочего давления. Требование негорючести служит основным сдерживающим фактором при внедрении в холодильную технику углеводородов (пропан R290, изобутан R600а, пропилен R1270) . Они имеют высокую пожароопасность и требуют осторожного обращения с ними. На сегодняшний день около 60% произведенных новых бытовых холодильников заправляются хладагентом R134a и около 40% заправляются изобутаном. Прогнозируется, что в течение следующих 10 лет как минимум 75% мирового производства бытового холодильного оборудования будет работать на изобутане. Изобутан уже является основным хладагентом в бытовых холодильниках, используемых в Европе. Завершен переход на R600а при производстве бытовых холодильников в Японии и начат переход в таких странах как США, Китай и в странах Латинской Америки.

При использовании углеводородов необходимо строгое выполнение одного условия - при внезапной утечки из домашних холодильников концентрация их в помещении не должна превышать нижнего предела горючести. Согласно стандартам Британии (BS4434), Германии (DIN7003), США (ASHRAE15), условия применения имеют еще более жесткие требования - она не должна превышать 20 -25 % нижнего предела горючести. Выполнение этого условия привело к уменьшению массы заправляемого изобутана до 150 г, причем половина его растворена в смазочном масле. Соблюдение противопожарных требований увеличило стоимость оборудования в углеводородной установке примерно на 30 %.

Учет токсичности до недавнего времени ограничивал применение аммиака в холодильной технике, несмотря на его прекрасные термодинамические и экономические свойства. И только в конце XX в. начали наблюдаться серьезные тенденции к возврату аммиака в качестве хладагента в промышленную холодильную технику при существенном повышении безопасности его использования. Одним из способов обеспечения безопасности является использование аммиака как хладагента в комбинации с CO₂ в качестве хладоносителя.

Высокие значения рабочего давления характерны при использовании CO₂ в качестве хладагента и холодоносителя. Это свойство должно учитываться при проектировании, сервисном обслуживании и эксплуатации.

Термодинамические требования.

Термодинамические требования к хладагентам отражают стремление к увеличению теплоты парообразования, что приводит к уменьшению массы и объема циркулирующего хладагента, а следовательно, уменьшению размеров компрессора, а также стремление к понижению температуры кипения при атмосферном давлении (нормальная температура кипения), которая определяет глубину охлаждения без работы на вакууме в испарительных аппаратах. Эксплуатация холодильных установок при давлении выше атмосферного позволяет избежать проникновения воздуха в систему, ухудшающего работу холодильной машины. Другие термодинамические требования, в зависимости от назначения, включают критические параметры хладагента, его температуру затвердевания, теплоемкости жидкости, сухого насыщенного пара и перегретого пара.

Эксплуатационные характеристики.

Эксплуатационные требования включают термохимическую стабильность, зависящую от температуры разложения хладагента, его воспламеняемость и взрывоопасность, химическую совместимость с материалами и холодильными маслами, достаточную взаимную растворимость с маслом для обеспечения его циркуляции, способности растворить воду и т.д.

Экономические аспекты.

Экономические требования сводятся к доступным ценам и наличию товарного производства. Хладагенты ГФУ в настоящее время имеют наименьшую первоначальную стоимость для большинства применений в связи с относительно низкими уровнями давления и отсутствием проблем с огнеопасностью и токсичностью вещества.

Поскольку идеального хладагента, полностью удовлетворяющего перечисленным требованиям, найти практически невозможно, при выборе отдают предпочтение тому, который отвечает наиболее важным условиям эксплуатации и экологическим требованиям.

7.2.2. Обозначение хладагентов.

Для обозначения хладагентов используют как общие названия, применяемые в органической химии, так и специальные. В России, в соответствии с международным стандартом ИСО-817 «Органические хладагенты», допускается несколько обозначений: условное, торговое, химическое и химическая формула

Условное обозначение хладагентов является предпочтительным и состоит из буквы «R» (Refrigerant) и числа. Цифры связаны со структурой молекулы хладагента и расшифровываются следующим образом. Последняя цифра равна числу атомов фтора в молекуле, предпоследняя — увеличенному на единицу числу атомов водорода, третья справа - уменьшенному на единицу числу атомов углерода

Начиная с галогенопроизводных этана, появляются изомеры. Симметричный изомер изображается только комбинацией цифр. По мере возрастания асимметрии к цифровой комбинации соответствующего изомера добавляют букву «а», при большей асимметрии её заменяют буквой «в». Например, R134 - (CHF₂-CHF₂), R134a -(CF₃CH₂F).

Хладагенты неорганического происхождения имеют номера, соответствующие их молекулярной массе плюс 700. Например, аммиак (NНз) обозначают как R717, воду (Н₂О) - как R718, двуокись углерода (СО₂) - как R744.

Хладагентам органического происхождения присвоена серия 600, например, изобутан (R600а), а номер каждого хладагента внутри этой серии обозначают произвольно.

Азеотропные смеси, т.е. смеси, которые кипят и конденсируются при постоянной температуре как однородные вещества, имеют серию 500 с нумерацией внутри нее, например R502.

Зеотропным смесям, у которых температуры кипения и конденсации изменяются в процессе фазовых превращений, присвоена серия 400 с произвольным номером для каждого хладагента внутри нее, например, R404A. Иногда дается подробная расшифровка этого условного обозначения, например, R404A (R143а/R125/R134а 52/44/4), в которой указываются виды хладагентов, входящих в смесь, расположенные в порядке повышения нормальной температуры кипения, затем указывается их процентное содержание в смеси. В настоящее время все чаще букву «R» заменяют аббревиатурой группы, указывающей на степень её воздействия на окружающую среду:

ХФУ (CFC) — хладагенты, имеющие высокий потенциал разрушения озонового слоя атмосферы;

ГФХУ (HCFC) - переходные хладагенты, имеющие низкий потенциал разрушения озона атмосферы;

ГФУ (HFC, FC, НС и др.) - хладагенты, безвредные для озонового слоя атмосферы.

Каждый производитель хладагентов выпускает в продажу свою продукцию под собственным названием. Некоторые из этих названий даны при описании хладагентов. В настоящее время хладагенты расфасовываются в стандартные емкости по 9,8 - 13,6 кг (рис. 7.24), окрашенные в соответствующие цвета.

7.2.3.Синтетические хладагенты.

R22 (Хладон-22 (Россия), Freon-22 (Du Pont)). Химическая формула – CHCLF₂ (дифторхлорметан).

Относится к группе переходных хладагентов с ODP, равным 0,05. Это бесцветный газ, невзрывоопасен и негорюч. Растворимость хладагента R22 в масле зависит от его температуры: при высокой температуре растворимость его в масле практически неограниченна, а при низкой температуре она заметно снижается. Эту особенность следует учитывать при эксплуатации холодильных установок. Благодаря повышенной текучести R22 холодильное масло проникает во все трущиеся детали, снижая их износ. Не проводит электрический ток, слабо растворяется в воде. Даже небольшое количество влаги вызывает его гидролиз с образованием соляной и плавиковой кислот, которые разрушают электрическую изоляцию встроенных электродвигателей в герметичных и бессальниковых компрессорах и поражают коррозией элементы холодильной установки. Он нейтрален к металлам, легко проникает через неплотности, даже через поры обычного чугуна. Поэтому корпусы компрессоров для R22 отливают из мелкозернистого чугуна. При температуре выше 330 °С в присутствии металлов R22 разлагается с образованием хлорида водорода, фтористого водорода и следов отравляющего газа - фосгена. Хладагент R22 слабо растворяется в воде, объемная доля влаги в нем не превышает 0,0025%. R22 имеет повышенные давление конденсации и температуру нагнетания. Парообразный хладагент тяжелее воздуха и вытесняет его из легких человека. Вдыхание чрезмерного количества газа при концентрации кислорода 12 – 14% вызывает приступ удушья. Предельно допустимая концентрация R22 в воздухе составляет 3000 мг/м3 при длительности воздействия 1 ч. Этот хладагент широко применяют для получения низких температур в холодильных компрессионных установках, в системах кондиционирования и тепловых насосах. В холодильных установках, работающих на R22, необходимо использовать минеральные или алкилбензольные масла. Поскольку R22 хороший растворитель многих органических веществ, при изготовлении прокладок используют специальный материал – клингерсил (см. п. 3.4.6.).

Хладагенты группы гидрофторуглеродов (ГФУ).

R134a (SUVA 134a). Химическая формула CF₃CFH₂ (тэтрафторэтан).

Предназначен для замены запрещенного R12. Он единственный синтетический однокомпонентный озонобезопасный хладагент. Ввиду малых размеров молекул, повышается опасность утечек из-за чрезвычайно высокой проникающей способности. Она даже большая, чем у R22, молекулы которого проходят через структуру обыкновенного чугуна. Хладагент R134а нетоксичен и не воспламеняется во всем диапазоне температур эксплуатации. Однако при попадании воздуха в систему и последующем сжатии могут образовываться горючие смеси. Пар R134а разлагается при воздействии пламени с образованием отравляющих и раздражающих соединений, таких как фторводород.

В среднетемпературном оборудовании (температура кипения -7°С и выше) R134a имеет эксплуатационные характеристики близкие к R12. Для R134a характерны небольшая температура нагнетания (она в среднем на 8-10°С ниже, чем для R12) и невысокие значения давления насыщенных паров. Не следует смешивать R134a и R12, т.к. образуется азеотропная смесь высокого давления с одинаковыми массовыми долями компонентов 50% и 50%.

В холодильных установках, работающих при температурах ниже -15°С, холодильный коэффициент R134a хуже, чем у R12 (на 6% меньше удельная объемная холодопроизводительность при -18°С). Из-за значительного потенциала глобального потепления GWP, R134a рекомендуется применять в герметичных холодильных системах. R134a широко используется во всем мире в качестве основной замены R12 для холодильного оборудования, работающего в среднетемпературном диапазоне. Его применяют в автомобильных кондиционерах, бытовых холодильниках, торговом среднетемпературном оборудовании, промышленных установках, системах кондиционирования воздуха в зданиях и промышленных помещениях, а также на холодильном транспорте.

При переводе существующих установок - “ретрофите” (см. §. 7.9.) - с R12 на R134a компрессоры и другие узлы в большинстве случаев могут быть оставлены в системе. На практике меры по ретрофиту главным образом сводятся к смене хладагента и масла с сопутствующими процедурами и возможной настройке величины перегрева в ТРВ.

Особенностью R134a, как и других альтернативных озонобезопасных хладагентов, является их плохая взаимная растворимость с существующими минеральными, алкилбензольными и углеводородными маслами. Для холодильных машин, работающих на этих хладагентах, разработаны синтетические полиолэфирные масла различной вязкости, отличающиеся химической совместимостью с хладагентами. Главным достоинством этих масел является хорошая растворимость во всем рабочем диапазоне температур, что гарантирует устойчивую циркуляцию масла в системе. Однако на них крайне негативное влияние оказывает остаточное содержание влаги в системе. В связи с этим предъявляются высокие требования к удалению остаточного хлора и воды и установке фильтров-осушителей. Холодильная установка должна быть тщательно обезвожена. По этой же причине должно быть сведено к минимуму попадание влаги при заправке или замене холодильного масла. Для удаления влаги из системы необходимо заменять фильтры-осушители, которые должны соответствовать более малому размеру молекул R134a. Поэтому необходимо проявлять осторожность при обращении с системой и ее сушке, не оставлять открытой емкость с полиолэфирным маслом.

В таблице 7.1. приведено сравнение некоторых характеристик R134a, заменившего фреон-12.

Таблица 7.1. Сравнительные характеристики R 134a и R 12:

Показатель	R 134a	R 12
Нормальная температура кипения , oС	- 26,5	-29,8
Критическое давление, МПа	4,06	4,119
Критическая температура, ⁰С	101	112
Потенциал разрушения озона ODP	0	1
Потенциал глобального потепления GWP	1300	8500
Удельная теплота парообразования, кДж/кг	216	165,2
Холодильный коэффициент	3, 06	4,88

Несмотря на то, что хладагент R134а был представлен, как самая подходящая замена R12, из таблицы 7.1. видно, что холодильный коэффициент, а значит и энергоэффективность хладагента R134a ниже, чем у прежнего фреона-12. Кроме того, нормальная температура кипения (температура кипения при атмосферном давлении) также уступает прежнему хладагенту. Однако по экологическим факторам он несомненно обладает решающим преимуществом.

R404A (SUVA HP62). (R143а/R125/R134а; 52/44/4)

Среди однокомпонентных хладагентов нет озонобезопасных заменителей для R22 и R502. Поэтому разработано новое поколение многокомпонентных хладагентов, состоящее из смесей рабочих веществ, обладающих набором определенных характеристик. При обозначении состава смесевого хладагента его компоненты располагаются в порядке повышения нормальной температуры кипения, затем указывается их процентное содержание.

Различают так называемые “азеотропные”смеси с термодинамическими свойствами, аналогичными свойствам однокомпонентных веществ, у которых температуры кипения и конденсации не меняются во время этих процессов и “зеотропные” смеси со “скользящими” параметрами фазовых переходов. Такое температурное скольжение (глайд)” на практике означает определенное повышение температуры в процессе кипения и уменьшение ее в процессе конденсации (рис.7.3).

Рис.7.3. К понятию температурного глайда.

Так, при постоянном давлении кипения (изобара показана красной линией) температура окончания кипения (точка 5′) выше температуры начала кипения (точка 5) на величину температурного глайда ∆t, а температура окончания конденсации (точка 3) ниже температуры начала конденсации (точка 2′). Величину температурного глайда обязательно нужно учитывать при настройке ТРВ в связи с повышением температуры в процессе кипения. Для каждого вида зеотропного хладагента она разная и наиболее распространенные рабочие вещества имеют глайд в пределах от 0,5⁰С до 7⁰С. Учитывая глайд, сравнение температуры кипения и конденсации для зеотропных смесей ведется по средним значениям начала и конца фазового перехода

R404A - это трехкомпонентный озонобезопасный хладагент с ODP = 0. Введен в эксплуатацию в начале 1992 г. Имеет широкое применение в качестве заменителя R22 и R502

Основные компоненты R404A относятся к группе гидрофторуглеродов, причем R143a относится к категории легковоспламеняемых (категория опасности А2). Воспламеняемость, равно как и проблемы, связанные с возможными утечками, эффективно нейтрализуются введением в смесь значительного количества R125. R125 является невоспламеняемым, температура его кипения минус 48,5°C, а показатель адиабаты сравнительно низок. Особенностью всех трех составляющих смеси является чрезвычайно низкий показатель адиабатного сжатия, что выражается в пониженной температуре нагнетания по сравнению с R502, не говоря уже об R22. Это свойство позволяет эффективно применять одноступенчатые компрессоры при низких температурах кипения. Благодаря одинаковым точкам кипения R143a и R125 и относительно малому содержанию R134a температурный глайд трехкомпонентной смеси R404A в значимых областях применения меньше одного градуса Кельвина. Поэтому поведение этой смеси в теплообменниках мало отличается от поведения азеотропов.

К отрицательным свойствам следует отнести высокое значение GWP и требование применения полиолэфирных масел.. Хими­ческая совместимость R404A с большинством деталей существующих холодильных установок не отличается от химической совместимости заменяемых хладагентов групп ХФУ и ГХФУ.

В табл. 7.2. приведены некоторые характеристики R404A, который широко используется в настоящее время для замены R22 в рефрижераторных установках.

Таблица 7.2. Сравнительные характеристики R404A и R22

Показатель	R 404А	R 22
Средняя нормальная температура кипения , °С	-47	-40,80
Температурный глайд, °С	0,7	0
Критическое давление, МПа	37,4	49,9
Критическая температура, ⁰С Удельная теплота парообразования, кДж/кг	72,4 199	96 234
Потенциал разрушения озона ОDР	0	0,05
Потенциал глобального потепления GWP	3850	1700
Холодильный коэффициент Компрессорное масло	3, 92 С	4,27 М

*С – синтетическое; М – минеральное.

Как видно из сравнительных характеристик R 404А и R22, их термодинамические характеристики примерно одинаковые. Энергоэффективность находится также на близком к друг другу уровне при ODP = 0 у R 404А.

Кроме рассмотренного хладагента, для замены R22 применяются R407C (в основном, в системах кондиционирования воздуха), R410 (в новых холодильных установках), R422D с более приемлемыми и удобными свойствами при замене R22 ( см. табл. в Приложении). Более обширную информацию о свойствах рассмотренных хладагентов группы ГФУ можно получить из диаграмм i–lg р (энтальпия – давление) в Приложениях 1,2,3.

При эксплуатации хладагентов из группы ГФУ следует иметь в виду некоторые их характерные особенности.

Так, наряду с учетом температурного глайда при настройке ТРВ, особенно для R407C, следует учитывать возможное изменение соотношения долей компонентов в смесевых хладагентах при утечках. Утечки в чисто газовой и жидкой фазах не приводят к изменению состава смеси. Более существенны утечки в области фазовых переходов, например, после ТРВ, в испарителе и в конденсаторе. В этом случае в первую очередь из смеси уходят более летучие компоненты, изменяя процентный состав и свойства хладагента. Это отражается на холодопроизводительности установки, параметрах ее работы, на растворимости хладагента в холодильных маслах и надежности его возврата в картер компрессора. Поэтому в этих узлах рекомендуется применять паяные или сварные соединения.

Во избежание изменения состава смеси холодильная установка всегда должна заправляться жидким хладагентом. Иначе при отборе пара из зарядного цилиндра в заправляемой установке может произойти изменение соотношения долей компонентов хладагента.

С точки зрения безопасности смесевые хладагенты группы ГФУ относятся к не токсичным и не огнеопасным. Так как все смеси содержат, по меньшей мере, один легковоспламеняемый компонент, следует избегать попадания воздуха в систему. При наличии большой доли воздуха и высоком давлении или разрежении точка воспламенения может подойти к критическому уровню.

Контакт хладагента ГФУ с огнем или горячей поверхностью (с температурой выше 250⁰С приводит при распаде выделение токсичных газов, содержащих фторид водорода и фосген.

И, наконец, пары всех хладагентов группы ГФУ тяжелее воздуха и вытесняют его из легких человека. При сравнительно малых концентрациях они могут вызвать головокружение, тошноту и потерю координации движения. Вдыхание чрезмерного количества паров хладагента может снизить понижение концентрации кислорода в легких до 12 – 14% и вызвать приступ удушья.

7.2.4. Природные хладагенты.

Другая альтернатива озоноопасным фреонам — так называемые "природные" холодильные агенты. К природным отнесены аммиак, углеводороды, диоксид углерода, вода и воздух.

R717 (аммиак, NH₃).

Применяется в промышленных и крупных холодильных установках в течение более чем ста лет. Его озоноразрушающий потенциал и потенциал глобального потепления равны нулю. Его стоимость весьма низкая. С термодинамической точки зрения аммиак очень хороший хладагент. Теплообменные аппараты, работающие на аммиаке, обеспечивают высокие значения коэффициентов теплоотдачи. Использование аммиака снижает расход энергоресурсов для получения единицы холода (соотношение 40 : 60), что делает более эффективными энергетические показатели холодильных установок. NH₃ обладает чрезвычайно высокой разностью энтальпии при фазовых переходах (при кипении и конденсации) и поэтому требуется малое количество для холодильной установки (примерно от 13 до 15% по сравнению с R22). Это свойство является преимуществом для крупных установок, но усложняет регулировку заполнения испарителя на маломощных установках.

Таблица 7.3. Некоторые характеристики аммиака.

Нормальная температура кипения, ⁰С - 33,4

Критическая температура, ⁰С 132,5

Критическое давление,МПа 11,336

Удельная теплота парообразования, кДж/кг 1372

Температура вспышки,⁰C 651

Пожароопасная концентрация в воздухе, % 15 - 28

Озоноразрушающий потенциал ODP 0

Потенциал глобального потепления GWP 0

Аммиак очень хорошо растворяется в воде. При эксплуатации нужно учитывать, что попадание влаги в систему хладагента образует гидроокись аммония, которая при взаимодействии с маслом компрессора вступает в реакцию с цинком, медью и ее сплавами. Поэтому цинк, медь и ее сплавы для элементов аммиачных холодильных установок не применяют, а трубопроводы хладагента, теплообменники и арматуру изготавливают из стали. Наоборот, слабое растворение аммиака в минеральных маслах приводит к образованию масляной пленки в теплообменных аппаратах, что затрудняет теплопередачу в них и повышает потребление эл. энергии на 12 – 20%. Поэтому в настоящее время разработаны и успешно применяются для смазки аммиачных машин полигликолевые масла (PAG), растворяющие аммиак. Улучшение циркуляции масла в системе хладагента , а также уменьшение температуры нагнетания в широком диапазоне эксплуатации установок с одноступенчатыми компрессорами достигнуто смесью R723, состоящей из NH3 (60%) и диметилэфира “DME” (40%).

Хладагент R717 – бесцветный газ с резким удушливым запахом, вызывает раздражение слизистой оболочки глаз и дыхательных путей. Пребывание более получаса в атмосфере с концентрацией 0,5 – 1% может привести к смертельному исходу. ПДК аммиака в воздухе машинного отделения составляет 0,02 мг/л. В пожарном отношении воздушно-аммиачные смеси с концентрацией аммиака 16 – 25% взрываются при соприкосновении с открытым пламенем. Любая авария с аммиаком ведет к серьезным последствиям. Причины происшествий - утечки аммиака, гидравлические удары, разрывы трубопроводов, пожары. По статистике более чем одна треть аварий связана с человеческим фактором.

В связи с повышенной токсичностью, пожаро- и вырывоопасностью аммиак в 80-е годы был полностью изъят из морского рефрижераторного флота и только в настоящее время, в связи с возникшими требованиями к хладагентам по озонобезопасности и отсутствием влияния на глобальное потепление, аммиачные установки вновь начали находить свое применение на морских судах, а также в стационарной энергетике. Хладагент NH₃ не подходит для перевода существующих установок с (H)CFC. Для работы с аммиаком холодильные установки должны быть изготовлены заново со всеми узлами.

Его использование, вызванное высокими экологическими и термодинамическими характеристиками, а также низкой стоимостью самого аммиака, должно учитывать токсичность и пожаро - взрывоопасные свойства. Создание нового поколения аммиачных установок идет по пути разработки безопасных систем, специального противопожарного исполнения элементов холодильной установки, использование новых синтетических масел, применения эффективных пластинчатых теплообменников, резкого снижения аммиакоемкости систем (50 – 70г на 1 кВт холодопроизводительности), совершенствования методов контроля и сигнализации о концентрации аммиака и т.д.

R600а (изобутан) СН(СН₃)₂-СН₃.

Принадлежит к группе углеводородов. Доступен и сравнительно дешев, озонобезопасен, обладает практически нулевым потенциалом глобального потепления, нетоксичен. Совместим с минеральными маслами и традиционно используемыми в холодильной технике материалами. Не боится влаги, не создает потенциальной опасности коррозии. Обладает хорошими термодинамическими и теплообменными характеристиками. Для R600a характерны большая в сравнении с фреонами текучесть и соответственно до 40—50 % меньшее падение давления в трубопроводах и клапанах системы. . R600А – озонобезопасен, обладает нулевым потенциалом глобального потепления. Совместим с используемыми в отечественной холодильной технике материалами. В цикле с изобутаном значения давление при высоких температурах более низкие, чем у R12 и R134а. Теплота парообразования изобутана в два раза превышает аналогичный показатель для R12. Чистый изобутан предназначается главным образом как заменитель R12 в малых установках (предпочтительно домашних холодильниках).

К крупным недостаткам R600a относится пожаро- и взрывоопасность. Поэтому при его использовании должно строго выполняться обязательное условие — при внезапной эмиссии концентрация паров изобутана в помещении не должна превышать нижнего предела горючести. По стандартам Британии (BS 4434), Германии (DIN 7003), США (ASHRAE 15) требования еще более жесткие — концентрация не должна превышать 20—25 % нижнего предела горючести. Поскольку изобутан - горючее вещество, для его применения используют герметичные компрессоры с безыскровой пускозащитной аппаратурой. Противопожарные меры для всех элементов оборудования обязательны, и это увеличивает стоимость холодильной системы.

Таблица 7.4 . Характеристики холодильных агентов

№ п/п	Название	Условное обозначе-ние	Химическая формула (состав)	Нормальная температура кипения*, С	Температур- ный глайд, С	Критическая температура, С	Удельная теплота парообразо- вания, кДж/кГ	О D P	G W P	Комп- рессор- ное масло**
1	Хладон-22	R22	CHClF2	- 40,8	0	96	233	0,05	1700	м
2	SUVA 134a	R134a	СF3CH2F	- 26,5	0	101	217,1	0	1300	ПОЭ
3	SUVA HP62 и др.	R404А	R125/R143a/R134a 44/52/4	- 46,5	0,7	73	202,1	0	3850	ПОЭ
4	SUVA 900 и др.	R407С	R32/R125/R134a 23/25/52	- 43,7	7,4	87	246,1	0	1610	ПОЭ
5		R410А	R32/R125	-51	0,2	72	261	0	1725	ПОЭ
6	ISCEON 29	R422D	R125/R134a/R600a	-45	4,5	81	190	0	2230	м/ПОЭ
7	Аммиак	R717	NH3	-33,4	0	133	1368	0	0	м
8		R723	NH3/RE170	-37	0	131		0	8	м
9	Изобутан	R600a	СН(СН3)2-СН3	-11,8	0	135	366,2	0	3	м
10	Углекислый газ	R744	CO2	-57	0	31	322	0	1	м

* – нормальная температура кипения – температура кипения при атмосферном давлении.

** – м – минеральное, АБ – алкилбензольное, ПОЭ – полиолэфирное.

Наиболее полно свойства хладагентов можно оценить с помощью диаграмм i–lg р (энтальпия – давление), приведенных в Приложениях 1, 2, 3,4,5, а также, для часто встречающихся практических нужд , - по таблице «давление – температура» (Приложение 6).

Для перехода от одного типа хладагентов к другому можно использовать таблицу перехода (Приложение 7), предложенную фирмой «Данфосс», либо переводную «линейку», изображенную на рис. 7.4 .

В таблице перехода Приложения 7 нужно по значениям давления, приведенным на шкалах горизонтальной оси, определить значения температуры кипения или конденсации для любого выбранного хладагента. Для хладагента R407C, ввиду его большого температурного глайда, даны два значения температуры – в начале (Bubble point) и в конце (Dew point) фазового перехода.

При пользовании переводной линейкой от одного типа хладагента к другому нужно визир совместить с требуемым значением давления на верхней шкале и по температурной шкале выбранного хладагента определить его температуру кипения или конденсации. Или, задаваясь температурой фазового перехода (кипения, конденсации) любого хладагента, можно определить его давление.

Сторона 1

Сторона 2

Рис. 7.4. Переводная линейка от одного типа хладагента к другому.