Холодні агенти

При переробці та зберіганні сільськогосподарської продукції широ­ко застосовуються технології і машини, в яких використовується тепло і холод. Автоклави, печі, стерилізатори, холодильники, охолоджувачі, сушарки, екстрактори, випаровувачі, субліматори - далеко не повний перелік обладнання, де використовуються процеси тепломасообміну. Для більшості з них характерні небезпеки пов'язані з надлишковим ти­ском, підвищеною або пониженою температурою, електричним струмом, шумом, вібрацією тощо.

При використанні, наприклад, холодильників, як найбільш поширеного способу зберігання с.г. продукції забезпечення термодинамічного процесу або циклу здійснюється за допомогою холодильного агента (робочого тіла).

При нормативному атмосферному тиску 01 Мпа холодильний агент повинен мати достатньо низьку температуру кипіння, щоб при роботі холодильної машини не було розрідження у випарнику. Наприклад, для аміаку NH₃ температура кипіння при тиску 0, 1 МПа складає 33, 4 С. Основними холодильними агентами є вода, аміак сірчистий ангідрид, вуглекислий газ, хладони, повітря.

Таблиця 2.2

Термодинамічні характеристики деяких холодильних агентів (хладонів)

Холодильний агент	Хімічна формула	Температура кипіння при номінальному тиску	Критична температура, °С	Критичний тиск, Мпа	Температура замерзання °С
Аміак	NНз	-33, 4	132, 4	11, 89	-77, 7
Сірчистий ангідрид	S02	-10, 08	157, 2	7, 87	-75, 2
Вуглекис­лий газ	СO2	-78, 9	31, 0	7, 35	-156, 6
Фреон-11	СFСІз	-23, 7	198, 0	4, 37	-111, 0
Фреон-12	СF2С12	-29, 8	111, 5	4, 0	-155, 0
Фреон-22	СНF2С1	-40, 8	96, 0		-160, 0

Воду застосовують головним чином в установках кондиціонування повітря, де зазвичай температура теплоносія t_н > 0°С. Як холодильний агент воду використовують в установках типів абсорбції і ежекторного.

Аміак має малий питомий об'єм при температурі кипіння -70°С, велику теплоту паротворення, слабку розчинність в маслі і інші пере­ваги. Його застосовують в поршневих компресійних і абсорбційних уста­новках. До недоліків аміаку слід віднести отруйність, горючість, вибухонебезпека при концентраціях в повітрі 16-26, 8%.

Хладони (фреони) хімічно інертні, мало- або невибухонебезпечні. Хладони - галоідопохідні граничних вуглеводнів, отримувані шляхом заміни атомів водню в насиченому вуглеводні С_nН_{2n + 2} атомами фтору, хлора, брому (С_nН_х, F_у, С1_2, СBr_u). Будь який холодильний агент позначається символами RN, де R – символ, вказуючий на вигляд холодильного агента, N - номер хладону або привласнений номер для інших холодильних агентів.

Для хладонів номер розшифровується таким чином. Перша цифра в двозначному номері або перші дві цифри в тризначному позначають насичений вуглеводень С_nН₂„ + ₂, на базі якого отриманий хладон 1 - СН₄ (метан); 11 - С₂Н₆ (Етан); 21 - С₃Н₈ (Пропан); 31 - С₄Н₁₀ (Бутан). Справа указують число атомів фтору в хладоні: СFС1₃ – R11, СF₂С1₂ - R12, С₃F₄С1₄ - R2І₄, СсІ₄ - R10. За наявності в хладоні незаміщених атомів водню їх число додають до десятків номери: СНFС1₂ - R21, СНF₂С1 - R22. Якщо до складу хладону входять атоми брому, після ос­новного номера пишуть букву В, а за нею число атомів брому: СF₂Вг, - R.12В2.

Як робочі тіла можуть використовуватися азеотропні суміші, що скла­даються з двох холодильних агентів. Наприклад, азеотропну суміш, що складається з 48, 8% R22 по масі і 51, 2% R115 (С₂Р₅С1), називають хладоном 502, його температура кипіння при тиску 0, 1 Мпа - 45, 6°С.

У позначеннях сумішей холодильних агентів указують назви скла­дових і їх масові долі. Хладон R502 можна позначити R22/R115 (48, 8/51, 2). Цифрами, починаючи з 500, умовно позначають азеотропні суміші, процентний склад яких в процесі кипіння і конденсації практи­чно не змінюється.

Холодильним агентам неорганічного походження (аміак, вода) при­власнюють номери, рівні їх молекулярній масі збільшеною на 700. Так, аміак і воду позначають відповідно R717 і R718.

Холодильний агент повинен володіти певними теплофізичними і физико-хімічними властивостями, від яких залежать конструкція холо­дильної машини і витрата енергії. До теплофізичних властивостей від­носяться в'язкість , теплопровідність , щільність і ін. Вони, як і те­плота паротворення с, роблять вплив на коефіцієнт тепловіддачі при) кипінні і конденсації. Більшим значенням , , і малій в'язкості від­повідають більші значення коефіцієнтів тепловіддачі.

На гідравлічний опір при циркуляції холодильного агента в системі впливають і : чим вони більші, тим більше опір. Кількість цирку­люючого в системі холодильного агента зменшується із зростанням теплоти паротворення.

До физико-хімічних властивостей відносяться розчинність холоди­льних агентів в змащувальних маслах і воді, інертність до металів, вибухонебезпека і займистість.

При обмеженій розчинності холодильних агентів в маслі в рідкій фазі суміші спостерігаються два шари, з яких в одному переважає мас­ло, в іншому - холодильний агент. До холодильних агентів з обмеже­ною розчинністю відносяться аміак R7І7, діоксид вуглецю R44 і обме­жено розчинні хладони RІЗ, R14, R15.

До холодильних - агентів з необмеженою розчинністю відносяться R11, R12, R21, R40. В цьому випадку для суміші хладону і масла потрі­бна підтримка нижчого тиску кипіння, тому на стиснення пари витра­чається зайва робота.

Хладони R22 і R114 складають проміжну групу. Аміак необмежено розчиняє воду. При невеликій кількості води ро­бота холодильної машини помітно не порушується. Хладони майже не розчиняють воду.

Надмірна волога в хладоні при проходженні через дросель перетво­рюється на лід (якщо t₀ < 0°С) і «запаює» дросельний отвір. З цієї при­чини холодильні машини мають спеціальні осушні пристрої.

Хладони за відсутності вологи в області вживаних в холодильній техніці температур на метали не діють.

Аміак немає корозійної дії на сталь. У присутності води він роз'їдає мідь, цинк, бронзу і інші мідні сплави, за винятком фосфористої брон­зи. Хладони R11, R12, RІЗ, R22 невибухонебезпечні.

Хладони з великим змістом атомів фтору або повністю фторовані (RІЗ, R113) практично нешкідливі для людини. Хладон R12 на відкри­тому полум'ї розкладається, і в продуктах його розкладання містяться от­руйний фосген і шкідливі для людини фтористий і хлористий водень.

Розглянемо область застосування холодильних агентів. Аміак (R717), хладони R12 і R22 використовують в компресійних холодиль­них машинах для отримання температур кипіння від -30° до 40°С без вакууму в системі охолоджування. Хладон R12 застосовують в одно­ступінчатих холодильних машинах з температурою конденсації не бі­льше 75°С і температурою кипіння не нижче -30°С, у побутових холо­дильниках, кондиціонерах, холодильних машинах, що водоохолоджують. Хладон R22 використовують в машинах з поршневими і гвинто­вими компресорами одно і двоступінчатого стиснення, а також в по­бутових холодильних машинах. Діапазон температур кипіння від +10 до -70°С при температурі конденсації не вище 50°С. Одноступінчате реко­мендується застосовувати до температур кипіння не нижче -35°С.

Холодильний агент R502 застосовують в низькотемпературних од­ноступінчатих холодильних машинах при температурі конденсації до 50°С, кипіння до -45°С.

Широкого поширення набули галогенізучі холодоагенти R12, що з'явилися в 1930-і роки, R22 і ін. Тільки у Росії на початку 1990-х років працювало більше 50 млн побутових холодильників і сотень тисяч одиниць промислового, торгового і інших видів холодильного устатку­вання, в яких використовувалися ці хладони. Проте в ході досліджень «озонових дірок» (значного зменшення змісту озону на висоті 20-25 км. в земній атмосфері) було встановлено, що промислові і побутові відхо­ди, що містять атоми хлору, зокрема хладони, досягаючи атмосфери, вивільняють хлор, який бере участь в руйнуванні озонового шару. Ві­домо, що озоновий екран (середній вміст озону в атмосфері 0, 001%) захищає поверхню Землі від надмірних ультрафіолетових променів, велика доза яких здатна знищити все живе. Тому Міжнародною конве­нцією у Відні в 1985 р., Протоколом в Монреалі в 1987 р. і подальши­ми протоколами за участю представників найбільших країн світу були ухвалені рішення про припинення до 2000 р. виробництва і викорис­тання озоношкідливих хладонів, в першу чергу R11, R12, R113, R114, R115. Холодоагенти R22, R123, R124, R141 і R142 дозволені як перехідні для заміни тих, що забороняються. Але і вони повинні бути виклю­чені з використання до 2040 р., а по можливості і раніше (до 2020 р.)

Замість вище перелічених хладонів пропонуються гідрофторвуглеводні (ГФУ) і гідрохлорфторвуглеводні (ГХФУ), які завдяки змісту во­дню розкладаються набагато швидше, ніж хлорфторвуглеводні, в ниж­ніх шарах атмосфери, не досягаючи озонового шару. На світовому ри­нку такі озонобезпечні хладони пропонує, наприклад, фірма «Дюпон» (США) під торговою маркою «СУВА». «Дюпон» поставляє на ринок хладагент Нр62 (К404а), що має при тиску 0, 1 Мпа температуру кипін­ня порядку-46°С, гідрофторвуглеводень R134а (СН₂FСF₃) і ін. У Росії також освоєний випуск R134а. Він може повністю замінити R12, хоча при його використанні декілька знижуються питома холодопродуктив­ність установки (92% від питомої холодопродуктивності R12), холоди­льний коефіцієнт (98% в порівнянні з R12), збільшується співвідно­шення тиску конденсації і кипіння (123%, якщо прийняти це співвід­ношення для R12 рівним 100%). Для R134а підібрані і синтетичні масла (ХС-22, ХФС-134). Температура кипіння R134а при тиску 0, 1 Мпа скла­дає -2б, 5°С. У холодильниках, що випускаються в Росії, і морозильниках «Стінол» (м. Липецьк) використовується переважно R134а.

Розроблені замінники і для інших хладонів. Так, альтернативним для R22 може бути R407С або R290. Холодильний агент R407С є сумі­шшю R32/125/134а в співвідношеннях 23/25/52%. Хладон R502 може бути замінений на R125 (СНF₂СF₃), що має температуру кипіння -48, 5 °С. Для низькотемпературних машин (каскадних) може бути рекомендований як озонобезпечний R23.

Розширюється використання аміаку, що не впливає на навколишнє середовище. Аміак в два рази легше за повітря і при витоку швидко піднімається в атмосферу, де розкладається протягом декількох днів. При викиді рідкий аміак негайно випаровується. Але слід мати на ува­зі, що він отруйний, горючий і вибухонебезпечний. Якщо раніше аміак використовували переважно у великих по холодопродуктивності холо­дильних машинах, то тепер промисловість освоює конструкції середніх і малих аміачних компресорів і холодильного устаткування на їх основі.

Холодоносії. Холодоносії є проміжною речовиною між джерелом холоду і об'єктом охолоджування. Вони підрозділяються на рідких і твердих.

До рідких холодоносіїв відносяться водні розчини солей - розсоли і однокомпонентні речовини, що замерзають при низьких температурах (етилгліколь, кремнійорганічна рідина). Застосовують водні розчини солей NaС1, МgС1₂, СаС1₂, температура замерзання яких до відомої ме­жі (стани кріогідратної точки) залежить від концентрації розсолу. Для розчину NaС1 кріогідратна крапка -21, 2°С, для МgС1₂-33, 6°С, для СаС1₂ -55°С. Для зменшення корозійної дії розсолів на металеві части­ни устаткування в них додають пасиватори: силікат натрію, хромову сіль, фосфорні кислоти.

Етилгліколь залежно від концентрації у воді може мати температу­ру замерзання від 0°С (вода) до -67, 2°С при концентрації 70% за об’ємом.

Тверді холодоносії - це евтектичний лід, що утворюється при кріо­гідратам температурі, є сумішшю льоду і солі і що має постійну тем­пературу плавлення.