Рабочие вещества парокомпрессионных холодильных машин (хладагенты)

Температура воспламенения  аммиака 630°С. Воспламенение аммиака  может произойти при его объемном содержании в воздухе 11% (78,5 мг/л).

Предельно допустимое объемное содержание аммиака в воздухе - 0,5% или 0,02 мг/л. Опасное для здоровья людей объемное содержание 0,35-0,7 мг/л. При содержании 1,5-2,7 мг/л и пребывании в такой атмосфере в течение 30-60 мин возможен смертельный исход.

Фреоны (хладоны) отличаются от аммиака отсутствием запаха, очень  малой токсичностью, пожаро- и взрывобезопасностъю. Они хорошо растворимы в масле  и нерастворимы в воде.

Их можно использовать в компрессорах со встроенными электродвигателями (герметичных и бессальниковых), так как фреоны не проводят электрический  ток и инертны ко всем металлам (черным и цветным).

При наличии открытого  пламени фреоны разлагаются, образуя  фосген - высокотоксичный газ.

По сравнению с аммиаком фреоны имеют худшие термодинамические  свойства, поэтому удельное энергопотребление  у фреоновых машин больше. Стоимость  фреонов существенно выше стоимости  аммиака, а текучесть больше. Поэтому  обеспечению герметичности фреоновых  систем и их осушке уделяют особое внимание.

Указанные свойства фреонов  предопределяют их использование главным  образом для машин малой и  средней производительности, а также  в транспортных холодильных установках и в автономных кондиционерах.

Для кондиционеров специального назначения используют фреоны низкого  давления, высокотемпературные R11, R142, а для «нижних» ступеней низкотемпературных холодильных установок используют фреоны высокого давления - низкотемпературные R13 и R14.

Фреоновые холодильные установки  большой производительности обычно делают с хладоносителем, ограничивая  разводку фреоновых трубопроводов.

Сравнительно недавно  было обнаружено, что ряд фреонов, имеющих в своем составе атомы  хлора, разлагают озоновый слой атмосферы. В 1987 г. в Монреале был подписан Международный  протокол об ограничении производства и контроле использования экологически опасных фреонов. К наиболее озоноактивной  группе относят: R11, R12, R113, R114, R115, R502.

Озоноразрушающую активность определяют наличием атомов хлора в  молекуле и оценивают потенциалом  разрушения озона ОРП, международное  обозначение - ODP.

• По степени озоноразрушающей активности хладагенты делят на три группы:
• с высокой озоноразрушающей активностью (ODP>1) - это хлор- фторуглероды - ХФУ, международное обозначение - CFC.
• с низкой озоноразрушающей активностью (ODP<0,1) - это гидро- хлорфторуглероды - ГХФУ, международное обозначение HCFC. К этой группе относят: R21, R22, R123, R124.
• хладагенты, не содержащие атомов хлора, это фторуглероды (FC), гидрофторуглероды (HFC), углеводороды (НС) и др. Эти хладагенты считаются полностью озонобезопасными (ODP=0). К таким агентам относят: R717, R134a, R125, R32, R23 и др.

Монреальским протоколом запрещено использование хладагентов  группы (ХФУ) CFC с 1 января 1996 г.

Для агентов группы HCFC (ГХФУ) установлены более отдаленные сроки - сокращение их производства и использования  с 2005 г. и полный запрет с 2020 г. Поэтому  в настоящее время ведется  интенсивный поиск альтернативных дешевых хладагентов.

Судя по специальной зарубежной литературе, в ряде случаев имеет  место «возврат к аммиаку» для  машин средней и малой производительности.

Вода используется как  хладагент в пароэжекторных холодильных  машинах и как компонент в  абсорбционных холоильных машин.

 

Хладагенты и  окружающая среда.

Впервые о процессе разложения защитного озонового слоя Земли  под воздействием фреонов высказались  ученые Калифорнийского университета в США в 70-х гг. Ш. Роуланд и  М. Молина.

К тому времени производство хлорфторсодержащих соединений в мире превысило 1 млн. т в год. Наиболее широко использовали R11 и R12.

Большая их часть, до 70%, приходилась  на производство аэрозольных упаковок, 25% использовали в холодильной технике (в основном R12) и остальное - на производство пенополиуретанов.

В ряде стран построили  холодильники с фреоновыми насосно- циркуляционными системами, используя  фреоны R12, R22 и R502.

Около 40% всех выпускаемых  фреонов приходилось на США, 35% выпускали  страны ЕЭС и примерно по 10% в Японии и в СССР.

В 1985 г. была подписана Венская  конвенция по защите озонового слоя, а в 1987 г. в Монреале 56 государств (с участием СССР) и приняли Протокол по веществам, разрушающим озоновый слой.

Первое всемирное собрание по проблемам окружающей среды прошло в Рио-де-Жанейро в 1992 г. Собрание определило глобальное потепление как  наиболее опасный источник экологического воздействия на планету, угрожающий существованию человечества.

Изменение климата происходит под воздействием парниковых газов: диоксида углерода, метана, окиси азота  и других газов, к которым относятся  и хладагенты, имеющие в своем  составе: фтор, углерод, водород и  серу. Все фторуглероды имеют существенный потенциал глобального потепления - GWP. Для R12 GWP = 8500, для R22 - 1700, для R502 - 5590, а для R134a - 1300. Таким образом, применение гидрофторуглеродов - HFC-агентов - уже  сейчас в Европе считают «временной технологией».

Альтернативными считают  натуральные хладагенты: чистые углеводороды (метан, этан, пропан), а также аммиак, диоксид углерода, воду, воздух, азот и гелий.

В ряде европейских стран  уже освоен массовый выпуск бытовых  холодильников на чистых углеводородах. Их применяют и в автономных кондиционерах  на автомобилях, несмотря на их пожароопасность. Наличие в герметичной системе  холодильных машин 100-200 г горючего углеводорода менее опасно, чем несколько  десятков литров горючего в бензобаке. Для холодильных машин холодопроизводительностью 100 Вт нужно около 20 г пропана.

Между тем, в США использование  горючих углеводородов в бытовых  холодильниках и в кондиционерах  запрещено.

Критерий полного глобального  потепления - Total Equivalent Warming Impact - TEWI - введен для более полного учета энергетических и экологических факторов при  оценке влияния хладагентов на атмосферу  Земли.

Международный институт холода (МИХ) предложил его рассчитывать по формуле:

TEWI = GWP • М + а • BL,

где GWP - потенциал глобального  потепления хладагента; M - масса утечки хладагента, кг; а - количество СО₂, кг, выделяющееся при производстве 1 кВтч электроэнергии; B - затраты электроэнергии за время эксплуатации оборудования, кВт; L - продолжительность эксплуатации оборудования, ч.

Интересные данные сравнения  различных хладагентов по величине TEWI были приведены в журнале XT №9 за 2002 г. Они показаны на рис. 2. Лучшим по этому показателю является аммиак R717, так же как и по величине холодильного коэффициента. Это видно на рис. 1.

В последние годы промышленно  развитые страны, уделяя особо большое  внимание повышению безопасности эксплуатации аммиачных холодильных установок, расширяют их использование. Затраты  на обеспечение их безопасной эксплуатации окупаются преимуществами использования  аммиака.

Рис.1

 

Хладоносители.

 

 

В холодильной технике  хладоносители используют в тех  случаях, когда по различным причинам применять систему непосредственного  охлаждения камер нецелесообразно. Такими причинами, как правило, являются: значительная удаленность холодильных  камер от машинного отделения, низкая температура кипения хладона  в испарителе (воздухоохладителе), охлаждение одним холодильным агрегатом  нескольких камер с большим различием  температур в камерах, воздействие  на систему охлаждения внешних сил (рефрижераторные суда). 

 

Хладоносителем называют вещество, которое отбирает теплоту из одной части холодильной установки и отдает его другой, не меняя при этом своего агрегатного состояния. Вещество, выбранное в качестве хладоносителя, должно иметь низкую температуру замерзания, малые вязкость и плотность, высокие теплопроводность и теплоемкость, быть безопасным и безвредным, химически стойким, инертным по отношению к металлам, а также недефицитным и недорогим. Почти всем этим требованиям отвечает вода. Однако сравнительно высокая температура замерзания воды ограничивает область ее применения. 

 

В качестве хладоносителей применяют  растворы хлористого натрия, хлористого магния или хлористого кальция, которые  называют рассолами, а также растворы этиленгликоля, (антифриз), R30, дихлорметан (СН₂С1₂) и др.  

 

Недостатком рассолов является их коррозионное воздействие на металлы, которое резко усиливается в  открытых системах из-за контакта воздуха (кислорода) с рассолом. Для уменьшения коррозии к рассолам добавляют вещества, которые называют пассиваторами. Это хромат натрия с едким натром. 

 

Преимущества рассольных систем по сравнению с системой непосредственного  охлаждения заключаются в следующем:

* регулирование температуры  воздуха в камерах не представляет  практических трудностей даже  при значительном количестве  холодильных камер и их большой  протяженности;

* компактная конструкция  хладоновой системы охлаждения  и минимальная потребность в  самом хладоне;

* большая аккумулирующая  способность рассола и возможность  длительного выключения компрессора  холодильной установки;

* безвредность и безопасность  рассола при воздействии на  охлаждаемые продукты. 

 

Недостатки рассольных систем охлаждения следующие:

* для достижения одинаковых  температур в камере температура  кипения в испарителе с использованием  рассольной системы охлаждения  должна быть на 5—8°С ниже температуры  кипения хладагента при непосредственном  охлаждении;

* эксплуатационные расходы  на обслуживание рассольной системы  охлаждения примерно на 25% выше, чем  при непосредственном охлаждении;

* продолжительность эксплуатации  рассольных систем существенно  ниже в результате коррозии  труб (3—5 лет);

* большой расход стальных  оцинкованных труб. 

 

Растворы солей. В качестве рассолов в системах охлаждения используют водные растворы солей: NaCl, MgCl₂ и СаСl₂, которые остаются жидкими при температурах значительно ниже 0°С. 

 

Температура замерзания растворов  зависит от концентрации солей в  воде. 

 

Наинизшая температура замерзания данного раствора соли называется криогидратной температурой (точкой). Так, криогидратными температурами и соответствующими им концентрациями растворов солей являются для NaCl — 21,2°C и 23,1%; СаСl₂ — 55°С и 29,9%. Раствор соли MgCl₂ занимает промежуточное положение по температуре замерзания между рассолом NaCl и СаСl₂, Стремление увеличить концентрацию соли, например NaCl, свыше 23,1% приведет не к снижению температуры замерзания, а к ее повышению, причем из раствора будут выпадать кристаллы соли, концентрация будет уменьшаться до состояния соответствующей криогидратной точки. В криогидратной точке рассол замерзает в виде однородной смеси воды и соли (эвтектический лед). 

 

Наибольшее применение в  холодильной технике получил  рассол соли СаСl₂ как имеющий наинизшую температуру замерзания. Такая низкая температура замерзания СаСl₂ (-55°С) гарантирует высокую надежность системы и исключает возможность замерзания рассола в испарителе. 

 

Этиленгликоль. Для получения температур ниже -55°С использовать рассолы нельзя. В этом случае в качестве промежуточных хладоносителей используют водный раствор этиленгликоля (антифриз). Чистый этиленгликоль С₂Н₄(ОН)₂ имеет температуру замерзания всего -17,5°С. Поэтому применяют водные растворы этиленгликоля, температуры замерзания которых зависят от массовой доли этиленгликоля. Растворы этиленгликоля применяют в диапазоне температур кипения от -40 до -60°С. Этиленгликоль оказывает значительное коррозионное воздействие на металлы, поэтому для уменьшения такого отрицательного воздействия в раствор добавляют вещества, называемые пассиваторами. 

 

R30 и спирты. Благодаря низкой температуре замерзания (-96°С) и малой вязкости широкое применение в качестве хладоносителя получил хладон-30. Его применяют в диапазоне температур от -40 до -90°С. Спирты имеют более низкие температуры замерзания: этиловый спирт (t_зам = -117°С), пропиловый спирт (t_зам= -127°С). Метиловый спирт(t_зам = -97,8°С) ядовит и применять его в качестве хладоносителя не рекомендуется. Учитывая некоторые отрицательные качества рассолов, ученые постоянно ведут поиски новых видов теплоносителей. Одним из таких теплоносителей является дихлорметан, имеющий малую вязкость по сравнению с вязкостью рассола СаСl₂. Дихлорметан (СН₂Сl₂) при высоких температурах (20—30°С) очень летуч. Однако его широкое применение в холодильной технике сдерживается высокой стоимостью. В нем, как и в спиртах, содержатся летучие примеси, вредные для человека. Поэтому R30 и спирты применяют в закрытых герметичных системах, а помещения интенсивно проветривают.

 

Список использованной литературы:

1.Большая Российская энциклопедия. М.: ПрофИздат 2007 - 650с.

2.Колевский Н.К. Эксплуатация и ремонт холодильников и холодильных установок (справочник мастера) СПБ:. Из-во НИВА Принт 1995 - 110с.

3.Мальгина С.В. Холодильные машины и установки М.: Пищевая промышленность, 1980 - 592с.

4.Рыбин Г.А. Всё о бытовых холодильниках М.: Профиздат 2007 - 290с.