Холодильные агенты

 

2.5. Экономические требования

Стоимость холодильного агента. Холодильный агент должен быть достаточно дешевым.

На стоимость холодильного агента влияют несколько факторов. В технологическом плане изготовление такого вещества как холодильный агент – это химический процесс, поэтому производство должно быть как можно более простым. Наличие собственного товарного производства в стране существенно уменьшает затраты на перевозку и таможенные пошлины.

 

2.6. Экологические требования

Холодильный агент не должен влиять на экологию. Негорючесть и нетоксичность в отношении окружающего растительного и животного мира является немаловажным показателем.

Современные экологические требования ужесточены в отношении холодильных агентов. Они не должны вызывать разрушения озонового слоя Земли и не приводить к возникновению парникового эффекта.

 

Выбор холодильного агента определяется совокупностью всех перечисленных качеств и целевого использования холодильной машины.

 

 

3. Обозначения хладагентов и их смесей

 

В качестве первого хладагента использовалась вода, поскольку с 1755 г. она служила «для получения фригорий (отрицательных калорий)» в лабораторной установке, которую создал Уильям Гуллен (William Gullen). Позднее, в 1834 г., Якоб Перкинс (Jacob Perkins) изготовил компрессионную машину, работавшую на диэтиловом эфире, а в 1844 г. Джон Горри (John Gorrie) — машину со сжатием и расширением воздуха. В 1859 г. Фердинанд Карри (Ferdinand Carre) создал абсорбционную холодильную машину, использующую в качестве холодильного агента аммиак, а 4 года спустя Чарлз Теллир (Charles Tellir) запустил компрессор, работающий на метиловом эфире. Были опробованы еще хладагенты: углекислый газ (СО₂) и двуокись серы (SО₂). Из перечисленных хладагентов аммиак стал использоваться не только для адсорбционных холодильных машин, но и для компрессионных.

Этих три последних хладагента, а именно аммиак (R717), углекислый газ (R744) и двуокись серы (R764), оставались наиболее распространенными вплоть до 1930 г. Но после внедрения в 1930 г. в США новой категории хладагентов — хлорфторуглеродов, хорошо известных под аббревиатурой CFC, все ранее упоминавшиеся хладагенты, за исключением аммиака, почти полностью исчезли. Однако начиная с 1980 г. ученые стали подавать тревожные сигналы, привлекая внимание общественности к вредному воздействию CFC на окружающую среду. Поэтому производители начали разработку менее вредных для экологии планеты хладагентов, некоторые из которых уже появились на рынке. Эти хладагенты, заменяющие группу CFC, принадлежат главным образом к двум категориям химических соединений — фторхлорсодержащим углеводородам (HCFC) и фторуглеводородам (HFC).

Хотя число широко используемых хладагентов было сокращено, их номенклатура остается еще достаточно многочисленной. Чтобы обеспечить их обозначение, была введена система буквенно-цифровых индексов. Эта система установлена для всех химических соединений, состав которых не всегда в точности совпадает с описанными выше категориями CFC, HCFC или HFC (ГОСТ 29265-91 (ISO 817-74)).

Далее приведены международные правила обозначения холодильных агентов по группам. В начале буква R ставиться для всех холодильных агентов, далее добавляется индивидуальное для каждого вещества цифровое обозначение.

 

3.1. Предельные углеводороды, их галогенные производные

Углеводороды – это органические соединения, состоящие из двух элементов – углерода и водорода.

Углеводороды с общей формулой C_nH_2n+2, которые не присоединяют водород и другие элементы, называются придельными углеводородами или алканами (парафинами). Предельные углеводороды содержат максимально возможное число атомов водорода в соединении с углеродом, содержащие только простые связи. К ним относится целый ряд веществ – метан СН₄, этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀, пентан С₅Н₁₂ и т.д. Первые четыре представителя этого ряда получили применение в качестве холодильных агентов, т.к. имеют температуру кипения при атмосферном давлении ниже 0°С.

Галогены (устар. выражение галоиды), химические элементы, составляющие главную подгруппу VII группы периодической системы Менделеева: фтор F, хлор Cl, бром Br, иод I и астат At.

Галогенопроизводные углеводородов получают путем замещения водорода атомами галогенов (обычно это фтор, хлор и бром).

Такие соединения (под общим названием фреоны или хладоны) обозначаются буквой R с тремя цифрами после нее, т. е. Rcdu, где:

• c (сотни) равно числу атомов углерода С, уменьшенному на единицу (с = С-1);

• d (десятки) равно числу атомов водорода Н, увеличенному на единицу  
(d = Н+1);

• u (единицы) равно числу атомов фтора F (u = F).

Для определения химической формулы соединения ее состав дополняют хлором таким образом, чтобы полное число одновалентных атомов, т.е. атомов водорода, фтора и хлора, вместе взятых, было равно 4 для производных метана, 6 — для производных этана, 8 — для производных пропана и т.д.

Пример:

Хладон R12, химическая формула CF₂Cl₂ (дифтордихлорметан), его обозначение следовало бы записать как R012. Хладон имеет следующее число атомов: nС = 1, nН = 0, nF = 2, следовательно, R(1-1=0)(0+1)(1+1) = R012 или R12;

Хладон R22 (R022) имеет: nС = 1, nН = 1, nF = 2, следовательно, nСl = 1; его формула CHF₂Cl, т. е. дифторхлорметан.

Хладон R114 имеет: nС = 2, nН = 0, nF = 4, следовательно, nС1 = 2; его формула C₂F₄Cl₂, т.е. тетрафтордихлорэтан.

 

3.1.1. Особое обозначение имеют хладагенты на основе предельных углеводородов, содержащих бром. Им присвоено двойное обозначение, начинающееся либо с буквы R и имеющее в своем составе букву В, как рассмотрено ранее (например, R13B1), либо с буквы Н, за которой следуют те же цифры 1 и 3, но далее к ним добавляются еще две цифры, первая из которых указывает число атомов хлора, а вторая — число атомов брома. Например, трифторбромметан (CF₃Br), у которого число атомов хлора равно 0, а атомов брома — 1, может обозначаться либо R13B1, либо Н1301.

Пример:

Хладон R13B1 (R013B1) имеет: nС = 1, nН = 0, nF = 3, nBr = 1; его химическая формула CF₃Br, т. е. трифторбромметан.

 

3.1.2. Изомеры производных этана имеют один и тот же цифровой индекс, и то, что данный изомер является полностью симметричным, указывается его индексом без каких-либо уточнений. По мере возрастания значительной асимметрии к цифровому индексу соответствующего изомера прибавляется буква а, при еще большей асимметрии она заменяется буквой b, затем с.

Пример

R134 – (C₂H₂F₄) не изомер (симметричная молекула) –

 

R134а – (C₂H₂F₄) изомер 1 степени (молекула имеет асимметрию) –

 

R142b – (C₂H₃F₂Cl) изомер 2 степени (молекула имеет еще большую асимметрию) –

 

3.2. Непредельные углеводороды и их галогенные производные

Непредельные (ненасыщенные) углеводороды - органические соединения, в молекулах которых атомы соединены между собой кратными (двойными, напр. С=С; тройными, напр. С≡С) связями.

Способ цифрового обозначения тот же самый, что и в предыдущем случае, но слева после буквы добавляется 1 для обозначения тысяч (например, этилен С₂Н₄ или СН₂=СН₂ будет обозначаться R1150).

 

3.3. Циклические углеводороды и их производные

Для хладагентов на основе циклических углеводородов и их производных после буквы R перед цифровым индексом включают букву С (например, циклопропан С₃Н₆, строение формулы – – будет записан как RC270).

 

3.4. Различные органические соединения

Им присвоена серия 600, а номер каждого хладагента внутри этой серии назначается произвольно (например, метиламин СН₃NH₂ имеет номер 30, следовательно, его обозначение запишется как R630). Первым представителем этой серии является бутан С₄Н₁₀ и обозначается R600, который имеет один изомер (изобутан) и обозначается уже R600а.

 

3.5. Различные неорганические соединения

Им присвоена серия 700, а идентификационный номер хладагентов, принадлежащих к этой серии, определяется как сумма числа 700 и молекулярной массы каждого хладагента.

Например, для аммиака, химическая формула которого NH₃, имеем:

1·14(N) + 3·1(Н₃) + 700 = 717; таким образом, обозначение NH₃ записывается как R717.

Еще пример для углекислого газа, химическая формула которого СО₂, имеем:

1·12(С) + 2·16(О₂) + 700 = 744; таким образом получаем – R744.

 

3.6. Смеси хладагентов (в основном фреонов)

Смеси хладагентов обозначаются согласно международному стандарту ISO № 817-74.

В ряде стран действуют национальные стандарты на обозначение хладагентов, учитывающие основные положения международного стандарта.

В Германии в ноябре 1998 г. был принят стандарт DIN 8960 по обозначению хладагентов. Смеси обозначают номерами входящих в смесь хладагентов (в порядке возрастания температур кипения), разделенными дробной чертой, с указанием в скобках массовых долей в процентах, а также условно принятыми номерами рядов 400, 500.

3.6.1. Азеотропные смеси

Азеотропные смеси при изменении агрегатного состояния ведут себя как однородные вещества – температура кипения хладагента, состав газовой и жидкой фаз в процессе кипения не изменяются. Им присвоена серия 500 также с произвольным номером каждого хладагента внутри этой серии.

Например, типичными азеотропными смесями являются хладагенты:

R502 (48,8% R22 и 51,2% R115) и R507 (50% R125 и 50% R43).

3.6.2. Неазеотропные смеси

Для обозначения неазеотропных смесей используется цифровой ряд 400 с произвольным номером для каждого хладагента внутри этой серии. У неазеотропных холодильных смесей (ряд 400) в состоянии термодинамического равновесия пар и жидкость имеют различный состав, первым начинает испаряться более летучий компонент, что изменяет характеристики остающейся смеси.

Например (соответственно состав и процентное соотношение агента):

R404А (R125/R143а/R134а  –  44/52/4);

R410А (R32/R125  –  50/50);

Смеси, которые содержат одинаковые исходные компоненты, но различаются их массовыми соотношениями, обозначаются заглавной буквой, стоящей после цифрового обозначения.

Например (соответственно состав и процентное соотношение агента):

R401А (R22/R152/R124  –  53/13/34);

R401В (R22/R152/R124  –  61/11/28);

R401С (R22/R152/R124  –  33/15/52);

 

Современные тенденции в обозначении холодильных агентов

В настоящее время появилась тенденция при обозначении хладагента предварять цифровой индекс не буквами R или Н, а аббревиатурой, уточняющей воздействие на окружающую среду. Например, предлагаются обозначения:

• CFC12 для хладагента R12, относящегося к категории CFC, в которую входят чрезвычайно вредные для окружающей среды хладагенты, поскольку их молекулы содержат атомы хлора (формула CF₂Cl₂);

• HCFC142b для R142b, относящегося к категории HCFC, состоящей из хладагентов средней или слабой вредности для окружающей среды, так как их молекулы содержат меньше, чем CFC, атомов хлора, поскольку часть их замещена атомами водорода (формулаCH₃-CClF₂);

• HFC134a для R134a, относящегося к категории HFC, состоящего из хладагентов, безвредных для окружающей среды, поскольку все атомы хлора в их молекулах замещены атомами водорода (формула HFC134a CH₂F-CF₃).

 

Некоторые холодильные агенты могут поставляться на рынок в другом обозначении, которое присвоено фирмой-изготовителем. В этом случае установить химический состав и международное обозначение можно по каталогу.

Например: холодильная смесь R404А соответствует торговой марке Suva HP62 выпускаемой американским химическим концерном «Du Pont de Nemour» и торговой марке Foran FX70 под которой выпускается французской химической компанией «ATOFINA».

 

4. Основные типы фторуглеводородных хладагентов

 

4.1. Хлорфторуглероды (ХФУ) или CFC

Хладагенты этого типа включают R11, R12, R13, R113, R500, R502 и R503. Они обладают высоким показателем разрушения озонового слоя (ODP) относительно фтортрихлорметана (для R11 принят за «1») и потенциалом глобального потепления относительно двуокиси углерода на расчетный период 100 лет (GWP₁₀₀) – для СО₂ принят за «1».

К началу 1970-х гг. мировой рынок хлорфторуглеводородов (ХФУ) достиг огромных размеров. Исследования, проведенные в это время, показали, что некоторые из этих композиций необычайно долговечны в силу своей химической стабильности и могут существовать в атмосфере без разрушения в течение десятков лет, достигая стратосферы. Кроме того, многие из этих соединений содержат атомы хлора, которые вступают во взаимодействие с озоном при разрушении молекулы ХФУ в верхних слоях атмосферы. Стратосферный озон поглощает большую часть солнечных ультрафиолетовых лучей. Разрушение озонового слоя увеличивает уровень ультрафиолетовой радиации на Земле, что может приводить к раковым заболеваниям у людей и животных, а также гибели растений.

 

4.2. Гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) или НCFC

Композиции этого типа содержат атомы водорода. Это приводит к более короткому времени существования этих хладагентов в атмосфере по сравнению с ХФУ. Как результат ГХФУ оказывают гораздо меньшее влияние на истощение озонового слоя. Многие продукты, предлагаемые сейчас в качестве альтернативных для замены ХФУ, содержат в своем составе ГХФУ, как, например, R22.