Холодильные агенты

 

Холодильные агенты

 

 
Основные понятия и определения

 

1. Холодильный агент — теплопередающая среда (вещество) в холодильной установке, которая поглощает тепло, испаряясь при низкой температуре и при низком давлении, и отдает тепло, конденсируясь при более высоких температуре и давлении.
2. Соединение — вещество, образованное путем соединения двух или более элементов в определенных пропорциях по массе.
3. Углеводород — соединение, содержащее только элементы водорода и углерода.
4. Органическое вещество – в химии то же, что органические соединения (соединения углерода с др. элементами).
5. Неорганические материалы – неорганические вещества с функциональными свойствами. Различают металлические, неметаллические и композиционные материалы. Примеры — сплавы, неорганические стекла, полупроводники, керамика, керметы, диэлектрики.
6. Насыщенные соединения (предельные соединения) – органические соединения, в молекулах которых атомы соединены между собой только простыми связями в «открытые» цепи (алифатические насыщенные соединения) или циклы (алициклические насыщенные соединения). К насыщенным соединениям относятся, напр., алканы, или парафины, общей формулы С_nH_2n+2 (метан СН₄, этан С₂Н₆), циклоалканы, или циклопарафины, С_nH_2n (циклопропан С₃Н₆, циклогексан С₆Н₁₂). Насыщенные углеводороды содержатся главным образом в нефти и природном газе. Их производные получают различными синтетическими методами.
7. Ненасыщенные соединения (непредельные соединения) – органические соединения, в молекулах которых атомы соединены между собой кратными (двойными, напр. С=С; тройными, напр. СєС) связями в «открытые» цепи (алифатические ненасыщенные соединения) или циклы (алициклические ненасыщенные соединения и ароматические). К ненасыщенным соединениям относятся, напр., олефины, диены, ацетилен, циклогексен, бензол. Ненасыщенные соединения характеризуются высокой реакционной способностью.
8. Галогены (устар. выражение галоиды) – химические элементы фтор F, хлор Cl, бром Br, иод I и астат At, составляющие главную подгруппу VII группы периодической системы Менделеева. Названы от греческих hals — соль и genes — рождающий (при соединении с металлами образуют соли). Молекулы галогенов двухатомны (F₂, Cl₂ и др.).
9. Галоидоуглеводород — галогенизированный углеводород, содержащий один или более из следующих четырех галогенов: фтор, хлор, бром и йод.
10. Изомер — одно из группы соединений с тем же составом элементов, но расположенных пространственно по-иному.
11. Смесь — совокупность двух или более соединений, не находящихся в установленной соразмерности (соотношении) друг с другом, и, будучи тщательно перемешаны, сохраняют раздельное существование.
12. Азеотроп — смесь хладагентов, чьи парообразные и жидкие фазы имеют при данной температуре идентичные составы.
13. Хладоны — запатентованное в СССР торговое наименование ряда галогенизированных углеводородов, предназначенных для использования в качестве хладагентов и для других целей.

 

ХОЛОДИЛЬНЫЕ АГЕНТЫ

 

1. Общие сведения

 

Холодильные агенты (хладагенты) — рабочие вещества холодильных машин, используемые для осуществления обратных термодинамических циклов. Для осуществления рабочего процесса в холодильной машине может быть использована любая жидкость, при испарении которой от охлаждаемой среды можно отвести необходимое количество тепла с понижением температуры до заданных пределов. Однако оттого, какой хладагент применен в холодильной установке, зависят конструкция ее машин и теплообменной аппаратуры, вес, габариты, расход энергии и другие эксплуатационные показатели.

Название холодильных агентов происходит от английского refrigerant (охладитель, хладагент). Их обозначают по международному стандарту ISO № 817-74 буквой R с добавлением индивидуального для каждого вещества цифрового обозначения.

Практически в качестве хладагентов применяются вещества, имеющие сравнительно низкую температуру кипения. В качестве хладагентов наиболее широко используются хладоны, полученные на основе метана и этана. Аммиак, пропан, изобутан и т.д. в отличие от производных этих холодильных агентов в холодильной технике менее распространены. Их применение ограничивают токсичность и горючесть. Они используются в герметичном оборудовании с небольшой дозой зарядки хладагента, а также в некоторых типах промышленных холодильников.

Широкое применение находят смеси хладонов, поэтому общее число известных хладагентов насчитывает несколько десятков наименований.

 

2. Основные свойства холодильных агентов

 

Холодильные агенты должны удовлетворять совокупности требований, определяющих их пригодность для использования в холодильных машинах. Различают термодинамические, физико-химические, эксплуатационные, физиологические свойства, экономические и экологические показатели.

 

2.1. Термодинамические свойства

Термодинамические свойства включают в себя возможность получения в испарителе холодильной машины низкой температуры кипения (а, следовательно, и низкой температуры воздуха в охлаждаемом объеме) при давлении кипения по возможности таким, чтобы давление в испарителе превышало атмосферное. Это позволяет избежать вакуума в аппаратах и связанного с ним проникновения воздуха в систему, ухудшающего работу холодильной машины.

Помимо этого, холодильный агент должен иметь приемлемое давление и температуру конденсации (обычно до 2 МПа), что понижает требования к прочности конструктивных элементов холодильной машины, так как более высокое давление требует более громоздкой аппаратуры.

Холодильный агент должен иметь как можно большую удельную (массовую или объемную) холодопроизводительность – теплоту парообразования (q_v, кДж/кг, кДж/м³), что уменьшает размеры компрессора. Чем выше холодопроизводительность единицы объема хладагента, тем меньшие размеры имеют машины и аппаратура холодильной установки и тем меньше затраты энергии на циркуляцию хладагента. Чем больше теплота парообразования (холодопроизводительность) 1 кг хладагента, тем меньше хладагента должно циркулировать в системе.

Хладагент должен иметь низкую температуру замерзания, во избежание закупорки системы трубопроводов. Высокое положение критической точки позволяет проходить процессу конденсации при невысоких давлениях (температура конденсации всегда должна быть ниже критической температуры) и др.

 

2.2. Физико-химические свойства

Физико-химические свойства включают в себя следующие основные параметры.

Плотность и вязкость холодильного агента должны быть небольшими, что обеспечивает минимум энергетических затрат на перемещение холодильного агента по трубопроводам холодильной машины.

Коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи должны быть по возможности высоки, что улучшает передачу теплоты в теплообменных аппаратах.

Холодильный агент работает долгое время в широком интервале температур, поэтому необходима термохимическая стабильность весь срок эксплуатации холодильной установки.

Масло в холодильном агенте

К компрессорным маслам для холодильных машин предъявляют специфические требования, обусловленные непрерывным контактом смазывающего материала с хладагентом, а также постоянным изменением температуры и давления среды. Для компрессоров холодильных машин рекомендуют применять синтетические и минеральные масла с достаточно низкой температурой застывания и высокой химической стабильностью.

Важнейшими эксплуатационными характеристиками холодильных масел являются их способность к взаимному растворению с хладонами, а также температура, при которой из раствора выпадают хлопья парафина. При эксплуатации необходимо также учитывать возможную агрессивность смесей хладагента с маслом по отношению к металлам и другим материалам, применяемым в холодильных машинах.

Вращающиеся части компрессора холодильной машины нуждаются в смазке. Поэтому наличие масла в холодильной машине является неизбежным условием ее нормальной эксплуатации.

Пар холодильного агента, выходящий из компрессора, всегда содержит масло. Масло увлекается парами холодильного агента в капельной форме и в виде пара. При движении холодильного агента с маслом оно достигает вначале конденсатора, а затем и испарителя. Холодильные агенты должны быть устойчивы к растворению маслами. Это уменьшает унос масла из компрессоров и способствует лучшей сохранности смазки.

Наличие масла в конденсаторе приводит к повышению температуры конденсации, а в испарителе — к понижению температуры кипения. Масло образует на внутренней поверхности теплообменного аппарата пленку, которая создает дополнительное термическое сопротивление теплообмену.

Возврат масла из испарителя в компрессор в хладоновых холодильных машинах является специфической частью выполнения монтажной схемы.

Проще всего этого достигают подачей холодильного агента в верхнюю часть испарителя. При этом испаритель располагают выше компрессора. Уклон трубопроводов в сторону компрессора должен составлять порядка 1-2%. Если компрессор расположен выше испарителя, возврат масла обеспечивается посредством специальной маслоподъемной петли.

Влага в холодильном агенте

Влага попадает в холодильную машину из воздуха при выполнении монтажных работ. Она может находиться в холодильном агрегате и трубопроводах при отсутствии тщательной сушки всех элементов холодильной машины. Неосушенная холодильная машина может содержать влагу, которая способна вызвать нарушения в ее работе. Хладагенты должны хорошо растворять влагу во избежание ее вымерзания на стороне испарения.

Растворимость воды в холодильном агенте зависит от индивидуальных свойств холодильного агента. Аммиак имеет большое химическое сродство к воде. Его растворение в воде считают неограниченным. Хладоны практически все не растворяют в себе влагу. Малая растворимость влаги в холодильном агенте приводит к ее замерзанию в конструктивных элементах, и прежде всего в дросселирующих устройствах (капиллярной трубке, терморегулирующем вентиле — ТРВ).

При наличии влаги в холодильном агенте образуются кислоты, которые могут разрушать металлические части холодильной машины, в том числе разрушать обмотку электродвигателя герметичных компрессоров. Основой образования кислот является попадание припоя внутрь трубопроводов, по которым перемещается холодильный агент.

Наличие влаги в холодильном агенте определяет необходимость применения адсорбентов, поглощающих влагу. Как правило, вещества, поглощающие влагу, помещаются в устройство, которое наряду с поглощением влаги выполняет функцию очистки холодильного агента от грязи, окалины. Эти устройства называют фильтрами-осушителями.

Воздух в холодильном агенте

В холодильной машине вместе с холодильным агентом может находиться воздух. Это относится преимущественно к холодильным машинам с компрессорами открытого типа и полугерметичным. Воздух в холодильную машину с компрессором открытого типа может попасть при ремонте компрессора и в том случае, если давление холодильного агента на всасывании ниже атмосферного. В этом случае возможно проникновение воздуха в компрессор через сальниковое уплотнение.

В соответствии с законом Дальтона давление смеси равно сумме парциальных давлений ее компонентов, т.е. Р_см = Р_ха + Р_воз. Повышение давления в конденсаторе приводит к возрастанию температуры конденсации, уменьшению удельной холодопроизводительности холодильного агента.

Результатом присутствия воздуха в холодильной машине является возрастание энергетических затрат на получение холода и нарушение температурного режима работы холодильной машины.

Холодильный агент и материалы

Холодильный агент непосредственно соприкасается с материалами, из которых сделано оборудование. Поэтому холодильный агент не должен вступать во взаимодействие с металлами оборудования, электродвигателя и трубопроводов, не образовывать агрессивных соединений и не разрушать материалы. В такой же степени это относится и к прокладочному и уплотнительному материалу.

 

 

2.3. Эксплуатационные требования

При эксплуатации холодильной установки крайне нежелательно, чтобы холодильный агент выходил из системы. Это приведет в лучшем случае к потере дорогостоящего вещества, а при высокой опасности для персонала и к более серьезным последствиям. Поэтому холодильные агенты желательно чтобы обладали малой текучестью, в этом случае не будет необходимости предъявлять высокие требования к потенциальным местам утечки холодильного агента (обычно это различные соединения).

В любом случае нельзя полностью исключить утечки холодильного агента в процессе эксплуатации оборудования, поэтому возможность своевременного обнаружения утечки играет важную роль. Если рабочее вещество обладает характерным запахом или цветом, то факт и даже место утечки обнаруживается достаточно просто. При отсутствии этих признаков у холодильного агента обнаружение утечки возможно только с использованием специальных и дорогостоящих приборов (течеискателей, газоанализаторов).

Холодильный агент, который может присутствовать в помещениях при определенной концентрации, должен быть взрыво- и пожаробезопасным.

 

2.4. Физиологические свойства

В производственных помещениях присутствуют рабочие и обслуживающий персонал, а также в холодильных камерах находится пищевой продукт. Отсюда и ряд требований в отношении безопасности и гигиены производства.

Холодильный агент должен быть нетоксичным и безопасным для человека. Воздействие на продукты питания должно быть нулевым или незначительным в случае утечек в холодильной камере, при этом холодильный агент не должен вызывать загрязнения помещений.