ХЛАДАГЕНТЫ И ХЛАДОНОСИТЕЛИ

Холодильные агенты. Как уже было сказано, какой-либо термодинамический процесс или цикл совершается с помощью холо­дильного агента (рабочего тела).

При нормативном 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 МН₃ температура кипения при давлении 0,1 МПа составляет 33,4°С.

Основными холодильными агентами являются вода, аммиак,

хладоны и воздух.

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

Аммиак имеет малый удельный объем при температуре кипе­ния -70°С, большую теплоту парообразования, слабую раствори­мость в масле и другие преимущества. Его применяют в поршне­вых компрессионных и абсорбционных установках. К недостаткам аммиака следует отнести ядовитость, горючесть, взрывоопасность при концентрациях в воздухе 16 —26,8 %.

Хладоны (фреоны) химически инертны, мало- или невзрыво­опасны. Хладоны — галоидопроизводные предельных углеводоро­дов, получаемые путем замены атомов водорода в насыщенном уг­леводороде С_nН_{2n +} 2 атомами фтора, хлора, брома (С _n Н_Х, F_y, С1_z, Вг_u). Число молекул отдельных составляющих, входящих в хими­ческие соединения хладонов, связаны зависимостью х + у + z + и = = 2п + 2. Любой холодильный агент обозначается символами RN, где R — символ, указывающий на вид холодильного агента, N — номер хладона или присвоенный номер для других холодильных агентов.

Для хладонов номер расшифровывается следующим образом. Первая цифра в двузначном номере или первые две цифры в трех­значном обозначают насыщенный углеводород С_nН_{2n + 2}, на базе которого получен хладон: 1 — СН₄ (метан); 11 — С₂Н₆ (этан); 21 — С₃Н₈ (пропан); 31 — С₄Н₁₀ (бутан). Справа указывают число атомов фтора в хладоне: СFС1₃ — R11, СF₂С1₂ — R12, С₃F₄С1₄ — R214, СС1₄ — R10. При наличии в хладоне незамещенных атомов водорода их число добавляют к числу десятков номера: СНFС1₂ — R21, СНF₂С1 — R22. Если в состав хладона входят атомы брома, После основного номера пишут букву В, а за ней число атомов брома: СF₂Вг₂ - R12В2.

В качестве рабочих тел могут использоваться азеотропные смеси, составляемые из двух холодильных агентов. Например, азеотропную смесь, состоящую из 48,8 % R22 по массе и 51,2 % R115 (C₂F₅Cl), называют хладоном R502, его температура кипения при давлении 0,1 МПа – 45,6 ^OC.

В обозначениях смесей холодильных агентов указывают названия составляющих и их массовые доли. Хладон R502 можно обозначить R22/R115 (48,8/51,2). Цифрами, начиная с 500, условно обозначают азеотропные смеси, процентный состав которых в процессе кипения и конденсации практически не изменяется.

Холодильным агентам не органического происхождения (аммиак, вода) присваивают номера, равные их молекулярной массе, увеличенной на 700. Так, аммиак и воду обозначают соответственно R717 и R718.

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

К теплофизическим свойствам относятся вязкость m, теплопроводность l, плотность r и др. Они, как и теплота парообразования r, оказывают влияние на коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации. Большим значениям l, r, r и малой вязкости m соответствуют большие значения коэффициентов теплоотдачи.

На гидравлическое сопротивление при циркуляции холодильного агента в системе влияют m и r: чем они больше, тем больше сопротивление. Количество циркулирующего хладагента уменьшается с ростом теплоты парообразования.

К физико-химическим свойствам относятся растворимость хладагентов в смазочных маслах и воде, инертность к металлам, взрывоопасность и воспламеняемость.

При ограниченной растворимости хладагентов в масле в жидкой фазе смеси наблюдаются два слоя, из которых в одном преобладает масло, в другом — хладагент. К хладагентам с ограниченной растворимостью относятся аммиак R717, диоксид углерода R44 и ограниченно растворимые хладоны R13, R14, R115.

К хладагентам неограниченной растворимостью относятся R11, R12, R21, R40. В этом случае для смеси хладона и масла требуется поддержание более низкого давления кипения, поэтому на сжатие пара затрачивается излишняя работа.

Хладоны R22 и R114 составляют промежуточную группу.

Аммиак неограниченно растворяет воду. При небольшом количестве воды работа холодильной машины заметно не нарушается. Хладоны почти не растворяют воду.

Избыточная влага в хладоне при прохождении через дроссель превращается в лед (если t_o<0^oC) и «запаивает» дроссельное отверстие. По этой причине холодильные машины имеют специальные осушительные устройства.

Хладоны при отсутствии влаги в области применяемых в холодильной технике температур на металлы не действуют.

Аммиак не оказывает коррозирующего действия на сталь. В присутствии воды он разъедает медь, бронзу, цинк и другие медные сплавы, за исключением фосфористой бронзы. Хладоны R11,R12,R13, R22 невзрывоопасны.

Хладоны с большим содержанием атомов фтора или полностью фторированные практически безвредны для человека. Хладон R12 на открытом пламени разлагаются, и в продуктах его разложения содержатся ядовитый фосген и вредные для человека фтористый и хлористый водород.

Рассмотрим область применения хладагентов. Аммиак (R717),хладоны R12 и R22 используют в компрессионных холодильных машинах для получения температур кипения от -30 до -40 ^oC без вакуума в системе охлаждения. Хладон R12 применяют в одноступенчатых холодильных машинах с температурой конденсации не более 758С и температурой кипения не ниже -308С, в бытовых холодильниках, кондиционерах, водоохлаждающих холодильных машинах. Хладон R12 используют в машинах с поршневыми и винтовыми компрессорами одно- и двухступенчатого сжатия, а также в бытовых холодильных машинах. Диапазон температур кипения от +10 до -708С при температуре конденсации не выше 508С. Одноступенчатое сжатие рекомендуется применять до температур кипения не ниже -358С.

Холодильный агент R502 применяют низкотемпературных холодильных машинах при температурах конденсации до -508С, кипения до -458С.

Хладоносители. Хладоносители являются промежуточным веществом между источником холода и объектом охлаждения. Они подразделяются на жидкие и твердые.

К жидким хладоносителям относятся водные растворы солей – рассолы и однокомпонентные вещества, замерзающих при низких температурах (этиленгликоль, кремнийорганическая жидкость). Применяют водные растворы солей NaCl, MgCl₂, CaCl₂, температура замерзания которых до известного предела (состояния криогидратной точки) зависит от концентрации рассола. Для раствора NaCl криогидратная точка -21,28С, для MgCl₂ -33.68С, для CaCl₂ -558C. Для уменьшения коррозирующего действия рассолов на металлические части оборудования в них добавляют пассиваторы: силикат натрия, хромовую соль, фосфорные кислоты.

Этиленгликоль в зависимости от концентрации в воде может иметь температуру замерзания от 08С (вода) до -67,28С при концентрации 70% по объему.

Твердые хладоносители – это эвтектический лед, образующийся при криогидратной температуре, представляющий собой смесь льда и соли и имеющий постоянную температуру плавления.