7.2 Критерії вибору і вимоги до холодоагенту
Щоб якась речовина мала виконувати функції холодоагенту, необхідно, насамперед, щоб при атмосферному тиску його температура кипіння була якнайнижча, обсяг пари, що утворюється при випарі, був незначним, а тиск конденсації – не занадто високим і легко досяжним. Крім цього, холодоагент повинен бути неагресивним стосовно конструктивних матеріалів та масел, як найменш токсичним, незай- мистим і вибухобезпечним. Нарешті, бажано, щоб його питома ентальпія була значною. Коротше кажучи, знайти речовину, що одночасно задовольняла б усі ці вимоги, практично неможливо.
При виборі речовини, здатної виконувати функції холодоагенту, необхідно докладно вивчити питання про те, чи зможе дана речовина повною мірою розглядатися як холодоагент для заданої області застосування. Із цією метою потрібно розглянути наступні аспекти [30]:
– необхідні термодинамічні характеристики, оскільки в основі робочих процесів холодильних систем лежать головним чином закони термодинаміки;
– безпека експлуатації відносно впливу як на людей, так і на устаткування й товари; безпека стосовно людей розглядається у подвій- ному аспекті: прямий вплив на організм (наприклад, при викидах холодоагенту) і непрямий вплив (за рахунок впливу на озоновий і парниковий ефект);
– технічні показники, що впливають на реалізуємість і надійність холодильної системи, а також на взаємодію між холодоагентом і комплектуючіми цієї системи;
– економічні показники, що становлять основу будь-яких технічних рішень.
Вимоги до термодинамічних властивостей холодильних агентів. До термодинамічних властивостей холодильних агентів належать: температура кипіння при 760 мм рт. ст. (0,10133 мПа), тиск у випарнику й конденсаторі, теплота паротворення, об’ємна холодопродуктивність, температура замерзання, положення критичної точки та ін.
Тиск у випарнику при робочих температурах кипіння, бажано мати вище атмосферного, щоб уникнути вакууму. При наявності вакууму, можливе проникнення в систему повітря, що погіршує роботу машини. Цю вимогу можна виконати, застосовуючи холодильні агенти з низькими температурами кипіння при атмосферному тиску.
Тиск у конденсаторі, при звичайних температурах середовища, що охолоджує, не повинен бути надмірно високим. Зниження граничного тиску у машині дає можливість полегшити конструкцію. Крім того, знижуються вимоги до ущільнення й зменшується небезпека витоку холодильного агента через нещільності.
Досить важливою величиною є об’ємна холодопродуктивність агента, вимоги до її величини залежать від типу холодильної машини.
Об’ємна холодопродуктивність агента, для поршневих компре- сійних машин повинна бути по можливості більшою, тому що при цьому зменшуються обсяг усмоктуваної компресором пари та, відповідно, розміри компресора. Розглянемо це на прикладі холодоагентів R22 і R134 при однакових температурах конденсації і кипіння, наприклад, tк = 40 0С і t0 = - 10 0С (рис 7.1).
При роботі на R22, холодопродуктивність циклу склала q0 = і1 – і4 = = 405 - 235 = 170 кДж/кг при питомому обсязі засмоктуваної компре- сором пари v1 = 0,065 м3/кг, а при роботі на R134 холодопродук- тивність циклу склала q0 = і1 – і4 = 390 - 240 = 150 кДж/кг при питомо- му обсязі засмоктуваної компресором пари v1 = 0,1 м3/кг, тобто у 1,5 ра- зи більше, порівняно з R22.
3
2
4
1
a)
1
3
2
4
1
б)
Рис. 7.1. Холодильні цикли: а – для R22; б – для R134
Турбокомпресорні холодильні машини економічніше працюють при великих обсягах усмоктування, тому для них придатні холодильні агенти з малою об’ємної холодопродуктивністю.
Температура замерзання холодильного агента повинна бути значно нижче робочої температури кипіння, для того щоб виключити можливість замерзання його у випарнику.
Критична температура має бути досить високою, щоб можна було здійснювати процес скраплення при температурі навколишнього середовища, а також для забезпечення більш економічної роботи машини (при наближенні до критичної точки зменшується теплота паротворення, а відповідно, і холодопродуктивність 1 кг холодильного агента, збіль- шуються витрати роботи і втрати при дроселюванні).
Вимоги до фізико-хімічних властивостей холодильних агентів. Щільність та в’язкість бажано мати найменші, тому що за таких умов знижується опір руху холодильного агента по системі і, відповідно, зменшуються втрати тиску.
Коефіцієнти теплопровідності й тепловіддачі повинні бути високі, що поліпшує роботу теплообмінних апаратів (випарника й конденсатора), внаслідок підвищення інтенсивності тепловіддачі.
Важлива властивість холодильного агента – розчинність у маслі. Якщо агент не розчиняється у маслі, то з циліндра компресора менше виноситься масла, відсутня піна у випарнику, не змінюється температура кипіння при постійному тиску, в той час як для розчинного холодильного агента температура кипіння залежить від концентрації масла.
Розчинність холодильного агента у маслі має й свої переваги: створюються сприятливі умови змащення компресора, тому що масло з холодильним агентом проникає у важкодоступні місця; інтенсивність теплопередачі у випарнику й конденсаторі не знижується завдяки тому, що шар масла з поверхні, яка передає тепло, майже повністю змивається.
Мала розчинність холодильного агента у воді – негативна власти- вість. Розчинність води в холодоагентах залежить від змісту водню в молекулах холодильних агентів. Холодоагенти, молекули яких не містять водню, слабо розчиняють воду. При 0 0С максимальний зміст води в них становить від 20 до 30 мг/кг. І навпаки, холодоагенти, молекули яких містять по одному атому водню, при 0 0С здатні розчинити від 500 до 600 мг/кг. Ця характеристика дуже важлива, оскільки у випадку негативних температур випару холодоагенту, нерозчинена вода може осідати на деяких регулювальних органах, наприклад, таких як ТРВ, замерзаючи на сідлах клапанів та викликаючи тим самим їхню закупорку порушують циркуляцію холодильного агента.
Крім цього, при вмісті вологи в холодоагентах вище 25 мг/кг в результаті розкладання холодоагентів утворяться соляна й плавикова кислоти. Це приводить до деградації мастильних властивостей масел і корозії конструкційних матеріалів установок, а також руйнуванню ізоляції обмоток електродвигунів. Тому установки, що працюють на холодоагентах, які містять водень, перед кожним заправленням необхідно попередньо зневоднювати.
Повністю зневоднені холодоагенти звичайно не агресивні, стосовно конструкційних матеріалів. Однак магній, магнієві й алюмінієві сплави дуже чутливі навіть до найменших слідів вологи.
Текучість через нещільності в з’єднаннях повинна бути мінімальною.
Холодоагенти категорії CFC – це безбарвні, практично нетоксичні речовини, які не можна виявити доти, поки їхня об'ємна концентрація в навколишнім повітрі залишається нижче 20 %.
При надто високих концентраціях, у повітрі буде відчуватися злегка солодкуватий аромат. Холодоагенти CFC незаймисті й вибухобезпечні, однак можуть розкладатися в присутності відкритого полум’я або електричної дуги. Продуктами розкладання є соляна й плавикова кислоти, які легко виявити по різкому запаху, навіть при дуже малих концентраціях. Розкладання CFC в присутності відкритого полум'я покладено в основу принципу виявлення витоків за допомогою галогенної лампи, де продукти розкладання реагують у полум’ї лампи з нагрітою міддю, надаючи полум’ю різних відтінків, що переходять від коричневого до синюватого.
Холодильний агент повинен бути також хімічно інертним стосовно металів й інших матеріалів, які застосовуються в машині, не горіти, не бути вибухонебезпечним і не розкладатися при високих та низьких температурах.
Екологічні вимоги. Холодильний агент повинен бути: безпечним для організму людини і не впливати негативного на якість харчових продук- тів; озонобезпечним; мати низький потенціал глобального потепління; бути пожежобезпечним, вибухобезпечним і нетоксичним.
Економічні вимоги. Вартість холодильного агента не повинна бути високою. Вибір холодильного агента, в кожному окремому випадку, залежить від призначення машини, умов її роботи та конструктивних особливостей.
Дотримання нормативних вимог. Який би холодоагент не використовувався у системі, необхідно запобігти забруднюючим викидам в атмосферу, для чого варто впроваджувати ефективні методи роботи й регулярно перевіряти, чи не відбувся витік. Тому роботи повинні проводитися кваліфікованими фахівцями, з використанням відповідного устаткування, що дозволить забезпечити герметичність стиків. Крім того, при розробці й налагодженні систем, варто враховувати критерії оптимальної ефективності та зручність обслуговування (куди входить, зокрема, регулярне очищення випарника й конденсатора).
Більше того, конче потрібно, щоб увесь відпрацьований холодоагент належним чином утилізовувався. Після виводу із системи, його варто відправити на завод по переробці відходів або на газорозподільну станцію для утилізації чи знищення. Питання герметичності й безпеки устаткування для цих процесів мають глобальне значення.