Питання для самоконтролю

1. Який стан робочого тіла характеризує критична точка К?

2. Стан холодоагенту на лівій пограничній кривій.

3. Стан холодоагенту на правій пограничній кривій.

4. Чому в області вологої пари лінії постійних тисків збігаються з лініями постійних температур?

5. Як визначається кількість підведеного і відведеного тепла?

6. Що зображає площа під кривою процесу у Тs діаграмі?

7. Як зображується процес дроселювання у LgР-І діаграмі?

Лекція 7 холодоагенти

7.1 Основні визначення, короткий історичний огляд, позначення й торговельні марки

Холодоагенти – це речовини, що застосовуються як робоче тіло при здійсненні холодильного циклу. Розглядаючи проблему вибору холодильних агентів, редакція журналу “Холод М+Т” зробила образне порівняння [26]: “Якщо компресор часто називають “серцем” холодиль- ної машини, то навряд чи хтось заперечуватиме, що холодоагент – це “кров”, яка циркулює по холодильному контуру і теж виконує вкрай необхідні функції. Не менш важливим чинником, який впливає на життєздатність людського організму, є склад крові. Для холодильної машини хімічний склад “крові” – це питання якості холодоагенту і, відповідно, його властивості. Як кожній людині підходить кров тільки певної групи та резус-фактору, так і кожна холодильна машина розрахована для роботи тільки з певними холодоагентами”.

Із середини XVIII й до початку XX століття як холодоагенти для холодильних систем застосовували різні речовини: воду, діетиловий і метиловий ефіри, аміак, діоксид вуглецю, сірчастий ангідрид, метилхлорид і ін. Першим холодоагентом була вода – у 1755 р. її використали в цій якості у лабораторній установці, що створив Вільям Галлен. Пізніше, у 1834 р., Якоб Перкінс виготовив компресійну машину, що працювала на діетиловому ефірі, а в 1844 р. Джон Горрі – машину зі стисненням і розширенням повітря. У 1859 р. Фердинанд Карре створив абсорбційну холодильну машину, що працювала на аміаку, а через чотири роки Чарльз Теллер випробував компресор, що працював на метиловому ефірі.

У зв’язку з активною організацією в США серійного виробництва побутових холодильників як холодоагенти до кінця 20-х років XX століття широко використовували сірчастий ангідрид і аміак. Після випуску у 1930 р. компанією “Кинетик Кемикалз Інк” (США) перших партій діхлордіфторметану, що входять до групи хлорфторвуглеводів (ХФВ), і організації його промислового виробництва в 1932 р., багато робочих речовин, крім аміаку, майже повністю зникли з ринку холодоагентів. У міжнародній класифікації хлорфторвуглеводи мають абревіатуру CFC. Ця ж компанія ввела в обіг торговельне найменування фреон-12. Позначення холодоагенту буквою R, так само як і найме- нування фреон, стало загальноприйнятим.

У середині 30-х років було налагоджене виробництво в проми- слових масштабах холодоагентів R11, R113 і R114. Холодоагент R11 надалі почали широко застосовувати в системах кондиціювання повітря. З 1935 р. був організований випуск холодоагенту R22, що відноситься до групи гідрохлорфторвуглеводів (ГХФВ). Застосовували R22 у низькотемпературних холодильних установках. У 1952 р. винайшли холодоагент R502, який замінив R22, що дозволило знизити температуру нагнітання в компресорах, характерну для R22. Для одержання дуже низьких температур потім були розроблені холодоагенти R13, R503 і R13В1.

Починаючи з 60-х років холодоагенти R22 і R502 стали основними холодоагентами у промислових і торговельних середньо- і низькотем- пературних холодильних установках, кондиціонерах і теплових насосах.

До початку 80-х років ХФВ (CFC) й ГХФВ (HCFC) посіли домінуюче положення в холодильній промисловості (побутове, торговельне й промислове холодильне устаткування). Їх розглядали як речовини, що мають тільки переваги в порівнянні з іншими холодоагентами. Особливістю фреонів є їх мала токсичність, негорючість, вибухобезпечність, достатньо висока термостійкість і хімічна нейтральність.

Однак, починаючи з 1980 р. учені почали подавати тривожні сигнали, привертаючи увагу громадськості до шкідливого впливу ХФВ на навколишнє середовище [27], про що поговоримо пізніше. Тому виробники почали розробку менш шкідливих для майбутнього планети холодоагентів. Ці холодоагенти, що заміняють групу ХФВ, належать головним чином до двох категорій хімічних сполук: фторхлор- змістовним вуглеводням (ГХФВ), або HCFC, і фторвуглеводним (ФВ), або HFC [28] .

З усіх раніше запропонованих холодоагентів тільки аміак (R717) широко застосовують у промислових холодильних установках, охолоджувачах, абсорбційних кондиціонерах і побутових абсорбційних холодильниках. Він має найвищі термодинамічні й техніко-експлуатаційні показники в широкому інтервалі температур порівняно з холодоагентами груп ХФВ й ГХФВ.

Підприємства агропромислового комплексу (м’ясної, молочної, рибної, плодоовочевої, кондитерської, пивоварної, лікеро-горілчаної галузей промисловості) застосовують системи холодозабезпечення в основному на базі аміачних холодильних установок (АХУ).

Останнім часом при позначенні холодоагентів цифровий індекс попереджують не буквами R або H, а абревіатурою, що уточнює вплив холодоагенту на навколишнє середовище. Наприклад, пропонується позначення [17]:

– CFC 12 для холодоагенту R12, що відноситься до категорії, у яку входять надзвичайно шкідливі для навколишнього середовища холодоагенти, оскільки їх молекули містять атоми хлору (у CFC 12 два атоми хлору, його формула CF₂CL₂);

– HCF 142b для R142b, віднесеного до категорії HCFC, що складається з холодоагентів середньої або слабкої шкідливості для навколишнього сере- довища, тому що їх молекули містять менше, ніж CFC атомів хлору, оскільки частина їх замінена атомами водню (формула CH₃-CCLF₂);

– HFCL 134a для R134a, віднесеного до категорії HFC, що складається з холодоагентів, нешкідливих для навколишнього середовища, тому що всі атоми хлору в їх молекулах заміщені атомами водню (формула CH₂F-CF₃).

Кожний виробник холодоагентів випускає в продаж свою продукцію під власним найменуванням, наприклад:

– Du Pont de Nemour має торговельну марку Фреон (Freon) або Сува (Suva);

– Elf Atochem – торговельну марку Форан (Foran);

– Solvay – торговельну марку Кальтрон (Kaltron);

– Montedison – торговельну марку Фльгофрен (Algofrent);

– ICI – торговельну марку Клеа (Klea);

– Daikin Kogyo – торговельну марку Дайфлон (Daiflon).

Тому R22 може надходити на ринок під марками Фреон 22, Форан-22, R134a – під марками Клеа 134а, Сува 134а.

Холодоагенти підрозділяють на індивідуальні речовини й суміші.

До індивідуальних речовин відносяться:

– хімічні елементи, такі як кисень О₂, водень Н₂, гелій Не, які дозволяють досягати надзвичайно низьких температур і складають, внаслідок цього, особливу групу холодоагентів, названих кріогеними;

– неорганічні з'єднання, до яких відносяться вода Н₂О, двоокис вуглецю СО₂ й аміак NH₃;

– органічні сполуки.

Органічні сполуки, у свою чергу, підрозділяються на три категорії:

– хлорфторвуглеводи (ХФВ), що мають негативний вплив на навколишнє середовище й находяться під забороною;

– гідрохлорфторвуглеводи (ГХФВ), що мають менш шкідливий вплив на навколишнє середовище і деякий час допускаються до використання у майбутньому;

– гідрофторвуглеводи (ГФВ), безпечні для навколишнього середо- вища, вони і складають головну категорію холодоагентів майбутнього.

У технічній літературі ГХФВ і ГХВ часто поєднують в одну групу граничних фторзмістовних вуглеводнів.

Серед сумішей розрізняють дві групи:

– азеотропні суміші, склад яких у рідкій і паровій фазах в умовах термодинамічної рівноваги однаковий, у результаті чого температура зміни їхнього агрегатного стану (кипіння або конденсації) при постій- ному тиску залишається постійною, як і для індивідуальних речовин;

– зеотропні, або неазеотропні, суміші, склад яких у рідкій і паровій фазах в умовах термодинамічної рівноваги неоднаковий, у результаті чого при постійному тиску їхня температура змінюється в процесі зміни агрегатного стану.

Всі холодоагенти типу фреонів є галогенозмістовними вуглевод-нями. З галогенів до складу фреонів входять, в основному, хлор і фтор, в особливих випадках – бром. Так у чому різниця між “новими” і “старими” холодоагентами?

“Старі” холодоагенти, в основному, повністю галогеніровані з’єднання, тобто їх молекули складаються тільки з вуглецю й галогенів [29]. По міжнародній класифікації вони позначаються СFС (хлор, фтор, вуглець, по російській номенклатурі – ХФУ) і мають наступні загальні властивості: гарні розчинники, особливо для мінеральних масел; него- рючі; хімічно стабільні – достоїнство з погляду робочих властивостей, але недолік з погляду захисту навколишнього середовища; наявність хлору забезпечує гарні змазуючі властивості, особливо для алюмінію; не гігроскопічні; інертні стосовно найпоширеніших конструктивних матеріалів; хлор реагує з атмосферним озоном, що приводить до виснаження озонового шару; створюють парниковий ефект.

Неповне заміщення атомів водню галогенами дає гідрохлорфторвуглероди (ГХФУ). У порівнянні з ХФУ їхні властивості змінюються: зменшується хімічна стабільність, а разом з нею й потенціал руйнування озону; чим більше водневих атомів у молекулі, тим більш горючою є речовина.

Холодоагенти, які не містять хлору, а тільки фтор, тобто ставляться до типу ГФУ, відрізняються по властивостях від ГХФУ: потенціал руйнування озону дорівнює нулю; менший парниковий ефект; менша розчинність мінеральних масел; більш погані властивості, що змазщують; багато хто з них гігроскопічні; вимагають застосування спеціальних масел, які приносять із собою нові проблеми.

Якщо забрати ще й атом фтору, одержуємо звичайні вуглеводні ГХ, які є дійсно старими холодоагентами та мають наступні властивості: не створюють парникового ефекту й не руйнують озон атмосфери; вогненебезпечні; добре розчиняють мінеральні масла; не гігроскопічні