Основные свойства холодильных агентов

Холодильный агент должен обладать определенными термодинамическими, теплофизическими и физико-химическими свойствами, от которых зависят конструкция холодильной машины и расход энергии.

При атмосферном давлении (0,1 МПа) холодильный агент должен иметь достаточно низкую температуру кипения, чтобы при работе холодильной машины не было разрежения в испарителе.

Например, для аммиака (NH₃) температура кипения при давлении 0,1 МПа составляет -33,4°С.

Воду применяют главным образом в установках кондиционирования воздуха, где обычно температура теплоносителя t_S > 0°С. В качестве холодильного агента воду используют в установках абсорбционного и эжекторного типов.

Аммиак имеет малый удельный объем при температурах кипения t > -70°С, большую теплоту парообразования, небольшую растворимость в масле и другие преимущества. Его применяют в поршневых компрессионных и абсорбционных установках. К недостачам аммиака следует отнести ядовитость, горючесть, взрывоопасность.

В настоящее время широкое применение, особенно в торговой и бытовой холодильной технике, находят хладоны (фреоны). Они химически инертны, мало- или невзрывоопасны. Хладоны — галоидопроизводные предельных углеводородов, получаемые путем замены атомов водорода в насыщенном углеводороде С_nН_2n+2 атомами фтора(F), хлора(Cl), брома(Br).

Каждому холодильному агенту в зависимости от его происхождения присваивается определенное обозначение, включающее в себя букву «R» и цифровой код. Например: хладон (фреон) 22 – R22; хладон (фреон) 134a – R134a;

хладон (фреон) 404a – R404a; хладон (фреон) 502 – R502.

Холодильным агентам неорганического происхождения (аммиак, вода) присваивают цифровой код, равный их молекулярной массе, увеличенной на 700. Так, аммиак и воду обозначают соответственно R717 и R718.

При выборе рабочего тела для холодильной машины необходимо учитывать его теплофизические, физико-химические и физиологические свойства.

К теплофизическим свойствам относятся теплота парообразования, вязкость, теплопроводность, плотность и др. Они оказывают влияние на теплоотдачу при кипении и конденсации, количество циркулирующего в системе холодильного, гидравлическое сопротивление при циркуляции холодильного агента в системе и, в конечном итоге, энергетические расходы при производстве холода.

К физико-химическим свойствам относятся растворимость холодильных агентов в смазочных маслах и воде, инертность к металлам, взрывоопасность и воспламеняемость. Влага (вода) в хладоне при прохождении через дроссель превращается в лед (если t_о < 0°С) и перекрывает проходное сечение. Хладоны при отсутствии влаги в области применяемых в холодильной технике температур на металлы не действуют. Аммиак не оказывает коррозионного воздействия на сталь, но при присутствии воды он разъедает медь, цинк, бронзу и многие сплавы меди.

Несмотря на то, что холодильные системы изготавливаются максимально герметичными, вопросу воздействия холодильного агента на организм человека и окружающую среду уделяется особое внимание. Хладоны с большим содержанием атомов фтора или полностью фторированные практически безвредны для человека. Аммиак токсичен и при повышенной концентрации приводит к отравлению.

Появившиеся в 30-е годы XX столетия галогенизированные хладагенты R12, R22 и другие получили широкое распространение. Только в России в начале 90-х годов работало более 50 млн. бытовых холодильников и сотни тысяч единиц промышленного, торгового и других видов холодильного оборудования, в которых использовались эти хладоны.

Однако в ходе исследований «озоновых дыр» (значительным уменьшением содержания озона на высоте 20-25 км в земной атмосфере) было установлено, что промышленные и бытовые отходы, содержащие атомы хлора, в том числе хладоны, достигая атмосферы, высвобождают хлор, который участвует в разрушении озонового слоя. Известно, что озоновый экран (среднее содержание озона в атмосфере 0,001%) защищает поверхность Земли от избыточных ультрафиолетовых лучей, большая доза которых способна уничтожить все живое на Земле. Поэтому Международной конвенцией в Вене в 1985 г., Протоколом в Монреале в 1987 г. и последующими протоколами с участием представителей крупнейших стран мира были приняты решения о прекращении к 2000 г. производства и использования озоноопасных хладонов, в первую очередь R11, R12, R113, R114, R115. Хладагенты R22, R123, R124, R141 и R142 разрешены в качестве переходных для замены запрещаемых. Но и они должны быть исключены из использования к 2040 г. Взамен вышеперечисленных хладонов предлагаются гидрофторуглероды (ГФУ) и гидрохлорфторуглероды (ГХФУ), которые благодаря содержанию водорода разлагаются гораздо быстрее, чем хлорфторуглероды, в нижних слоях атмосферы, не достигая озонового слоя. На мировом рынке такие озонобезопасные хладоны предлагает, например, под торговой маркой «СУВА» фирма «Дюпон» (США). «Дюпон» поставляет на рынок хладагент гидрофторуглерод R134а (СH₂FCF₃), неазеатропную смесь НР62 (R404а) представляющую композицию R32/125/134а в соотношениях 23/25/52%, имеющую при давлении 0,1 МПа температуру кипения порядка -46°С. В России также освоен выпуск R134а. При его использовании снижаются удельная холодопроизводительность установки (92% от удельной холодопроизводительности R12), холодильный коэффициент (98% по сравнению с R12), увеличивается соотношение давлений конденсации и кипения (123%, если принять это соотношение для R12 за 100%). В настоящее время для R134а подобраны и синтетические масла (ХС-22, ХФС-134). Температура кипения R134а при давлении 0,1 МПа составляет -26,5°С.

В современных домашних холодильниках и морозильниках R134а нашел широкое применение. Другим заменителем R12 в бытовой технике становится R600 (изобутан).

Разработаны заменители и для других хладонов. Так, альтернативным для R22 предлагаются R407С или R290. Холодильный агент R407С представляет собой смесь R32/125/134а в соотношениях 23/25/52%. Хладон 502 может быть заменен на R125 (CHF₂CF₃), имеющий температуру кипения -48,5°С. Для низкотемпературных машин (каскадных) рекомендуется озонобезопасный R23.