Рабочие вещества парокомпрессионных холодильных машин (хладагенты)

Рабочие вещества парокомпрессионных холодильных машин (хладагенты).

Хладагент кипит при низкой температуре в испарителе t₀, отводя теплоту от охлаждаемой среды и отдаѐт ее в конденсаторе охлаждающей среды (воде или воздуху) при температуре конденсации t_к, превращаясь из парообразного состояния в жидкое.

В качестве хладагентов используют вещества, обладающие особыми термодинамическими, физико-химическими и физиологическими свойствами, которые должны обеспечивать безопасную и экономичную эксплуатацию холодильной машины.

Термодинамические свойства характеризуют хладагент с точки  зрения энергетической эффективности  его использования, то есть обеспечения  минимального расхода энергии на единицу холодопроизводительности.

Величиной, представляющей отношение полученной холодопроизводительности Q₀ к затраченной мощности N, является холодильный коэффициент ε=Q₀/N. Обычно эту величину используют в холодильной технике как характеристику энергетической эффективности холодильной машины. Наиболее важным свойством хладагента, влияющим на холодопроизводительность и холодильный коэффициент, является удельная теплота парообразования r, кДж/кг. Ее высокое значение r сочетается с низким удельным объемом всасываемого компрессором пара v, м³/кг, то при малом расходе энергии будет требоваться также меньшая объемная производительность компрессора.

Важнейшими эксплуатационными  характеристиками являются давление и  соответствующая ему температура  насыщения при кипении и конденсации  хладагента.

Принятые обозначения: P₀ и t₀ - давление и температура кипения, Р_к и t_к - давление и температура конденсации.

При эксплуатации холодильной  машины желательно, чтобы Р₀ было выше атмосферного. В этом случае исключается возможность попадания в систему машины воздуха из окружающей среды.

От величины давления Рк зависит толщина стенок конденсаторов, ресиверов и др., а следовательно - и металлоемкость машины.

Важно также и отношение  этих величин Р_к/Р₀, которое называют иногда «степень сжатия». Более правильно его называть «степень повышения давления».

Желательно, чтобы эта  величина была малой, так как с  ее увеличением растет расход энергии, падает хладопроизводительность машины и ухудшаются объемные и энергетические характеристики компрессора.

Крайне желательна низкая (адиабатная) температура конца сжатия пара в компрессоре. От ее значения зависит нагрев компрессора, надежность работы нагнетательных клапанов и возможный  срок работы без ремонта. Во многом ее значение определяет конструкцию  компрессора: необходимость устройства охлаждающей рубашки, использование встроенного электродвигателя и др.

Температура замерзания хладагента t₃ - это тот нижний предел, который ограничивает возможность использования данного хладагента.

Критические температура t_кp и давление Р_кр указывают верхний предел области, в которой хладагент может быть в жидком состоянии. Выше критических параметров хладагент находится в газообразном состоянии, когда невозможны процессы кипения и конденсации.

Теплофизические свойства хладагентов  также очень важны для конструирования  и правильной эксплуатации холодильных  машин.

Плотность хладагента р, кг/м³, влияет на затраты энергии при его циркуляции в трубопроводах и на преодоление сопротивления в клапанах.

Величина коэффициента теплопроводности хладагента λ, Вт/м °С, влияет на теплоотдачу  хладагента при его конденсации  и кипении в аппаратах.

Динамическая вязкость μ  Па∙с, также влияет на затрату энергии  в клапанах компрессора.

Важна также и величина теплоемкости жидкости, влияющая на интенсивность  теплообмена в аппаратах.

К основным физико-химическим свойствам хладагентов относят  их электропроводность, растворимость  в воде и масле, а также взаимодействие с конструкционными материалами.

Аммиак хорошо растворяется в воде и практически нерастворим  в масле, проводит электрический  ток.

Фреоны - наоборот: хорошо растворимы в масле, но нерастворимы в воде и  не проводят электрический ток.

Исключительную значимость для безопасной эксплуатации холодильных  установок имеют токсичность  и пожаро-взрывоопасность хладагентов. Эти свойства называют физиологическими.

Токсичность - это относительное  свойство, которое проявляется, если создается опасная степень концентрации хладагента в воздухе. Все хладагенты токсичны: при достаточно высокой  концентрации в помещении они  вытесняют воздух и вызывают удушье.

Оценивают токсичность коэффициентом  токсической опасности:

К_mo = p₂₀/ПДК,

где p₂₀ - плотность паров хладагента при 20 °С, а ПДК - предельно допустимая концентрация хладагента в воздухе, мг/м3.

Значения ПДК и К_mо для ряда наиболее часто используемых хладагентов приведены ниже в таблице.

Значения ПДК и К_mо.

 

 

 

 

 

Хладагент	ПДК, мг/м3	Кmo x 10-3
R11	1000	15
R12	300	9
R22	3000	10
R502	3000	20
R717	20	300

 

 

 

Обозначение и  классификация хладагентов.

В начале XIX столетия, на ранней стадии развития холодильной техники, хладагенты парокомпрессионных ХМ обозначали химическими формулами:

• аммиак NH₃;
• диоксид, или двуокись углерода С0₂;
• хлористый метил СН₃С₁;
• сернистый ангидрид S0₂;

Аммиак использовали главным  образом в стационарных машинах  большой производительности, двуокись углерода применяли в судовых  холодильных установках (из-за ее низкой токсичности), а хлористый метил  и сернистый ангидрид - в малых  холодильных машинах и системах кондиционирования воздуха, так  как они инертны к цветным  металлам.

Однако их высокая токсичность  была основной причиной поиска других, малотоксичных агентов, которые  были синтезированы на базе «чистых» углеводородов (метана СН₄ или этана СН₃СН₃) путем их фторирования.

Фторированные хладагенты - это группа соединений, называемых гомогенизированными углеводородами. Они создаются путем замещения  одного или большего числа атомов водорода атомами хлора, фтора или  брома.

Наиболее широкий выпуск таких углеводородов в США  осуществляет фирма «Дю Пон», под  торговой маркой «Фреон».

Фреон-12 впервые был синтезирован Томасом Миджли (США) в 20-х годах  прошлого века.

В СССР им дали название «хладон», однако очень часто их называют «фреонами», а соответствующие холодильные  машины - «фреоновыми», в отличие  от аммиачных.

В 1974 г. в СССР была принята  разработанная ИСО специальная  система обозначения хладагентов - стандарт ИСО 817-74.

Согласно этому стандарту  хладагенты обозначают буквой R - первая буква английского слова «Refrigerant» - холодильный агент, с последующим  цифровым шифром:

• для хладагентов неорганического происхождения цифры соответствуют молекулярной массе хладагента, увеличенной на 700;
• аммиак NH₃ - R717, двуокись углерода СO₂, - R744, вода Н₂O - R718. Хладагенты органического происхождения - фреоны, или хладоны, - также обозначают буквой R, но цифровой шифр другой:
• последняя цифра равна числу атомов фтора;
• предпоследняя равна увеличенному на 1 числу атомов водорода;
• третья справа равна уменьшенному на 1 числу атомов углерода.

Примеры обозначения ряда хладагентов приведены ниже в  таблице. Кроме однородных «чистых», или «индивидуальных» хладагентов, используются также и их смеси. При  этом различают: азеотропные смеси, которые в процессах кипения  и конденсации ведут себя как  «чистые» однокомпонентные вещества. Эти смеси обозначают трехзначными цифрами после буквы R, начиная  с 500.

Обозначения хладагентов  по ИСО.

Химическая формула  хладагента	Название	Обозначение ИСО
CCl3F	Фтортрихлорметан	R11
CCl2F2	Дифтордихлорметан	R12
CClF3	Трифторхлорметан	R13
CHCl1F2	Дифторхлорметан	R22
CH2FCF3	Тетрафторэтан	R134a
CF4	Тетрафторметан	R14
CH2Cl2	Дихлорметан	R30
CClF2CF3	Пентафтормонохлорэтан	R115
CH4	Метан	R50
CH3CH3	Этан	R170
CH3CHF2	Дифторэтан	R152a

 

 

Состав смеси		Обозначение ИСО
R12/R152a	72,8/26,2% маc.	R500
R22/R12	75/25% маc.	R501
R22/R115	48,8/51,2% маc.	R502

Так, использование  азеотропной смеси R502 вместо однородного  хладагента R22 позволяет без вакуума  понижать температуру кипения до -45,6 °С, в то время как при работе на R22 вакуум наступает уже при  температуре кипения -40,8 °С. 

 

Использование R502 позволяет  также значительно снизить температуру  конца сжатия пара в компрессоре  по сравнению с R22 и избежать необходимости  применения специального охлаждения компрессора. Этот хладагент был создан для  низкотемпературных одноступенчатых  холодильных машин.

Неазеотропные смеси обозначают через их компоненты - дробью, по их массовым процентам. При кипении  и конденсации таких смесей при  неизменных давлениях меняются температуры. Пока эти смеси в холодильных  машинах, используемых в отраслях пищевой  промышленности и в торговле, не нашли применения.

Упомянутая выше фирма  «Дю Пон» в последнее время  предлагает новые альтернативные хладагенты, для замены старых фреонов, разрушающих  озоновый слой атмосферы. Новые озонобезопасные хладагенты фирма выпускает под маркой SUVA.

Для замены R12 предлагаются: SUVA 134а, SUVA МР39 и SUVA МР66.

Для замены R22 предлагаются: SUVA 407с и SUVA 410а.

Для замены R502 предлагаются SUVA НР80, SUVA НР81 и SUVA 404а.

Классификацию хладагентов  осуществляют по двум величинам: «нормальной» температуре кипения, соответствующей  «нормальному» атмосферному давлению 760 мм рт. ст., ее обозначают t_0н, а также по давлению насыщения, соответствующему температуре конденсации 30 °С, это давление обозначают Р30.

Все хладагенты делят на три группы:

• хладагенты высокого давления: Р30 > 2МПа, они же низкотемпературные – t_0н ниже -60 °С;
• хладагенты среднего давления: Р30 меньше 2 МПа, но больше 0,3 МПа. Их называют среднетемпературные, так как у них t_0н выше -60 °С и ниже -10 °С;
• хладагенты низкого давления: Р30 меньше 0,3 МПа, они же высоко-температурные, так как и t_0н выше -10 °С.

Применение хладагентов.

Аммиак - R717, один из «старых» хладагентов, широко используемый до настоящего времени. Это объясняется его  большой удельной теплотой парообразования r и малыми удельными энергозатратами  в холодильных машинах. Он сравнительно дешев, имеет высокую теплопроводность жидкости, что способствует лучшей теплоотдаче в процессах кипения  и конденсации. Умеренные давления Р0 и Рк позволяют использовать малометаллоемкое холодильное оборудование. Резкий неприятный запах позволяет легко находить места его утечки из системы. Человек  чувствует аммиак даже при незначительной его концентрации в воздухе - 0,035 мг/л.

Чистый безводный аммиак не вызывает коррозии металлов, однако в присутствии влаги он воздействует на цветные металлы (медь, латунь), которые  не используют в аммиачных холодильных  установках.

Аммиак практически не растворим в масле и неограниченно  растворяется в воде, проводит электрический  ток.

Перечисленные свойства объясняют  широкое применение аммиака для  холодильных установок большой  производительности. Однако он высокотоксичен, пожаро- и взрывоопасен при концентрации от 15 до 28%.