2.3. Властивості холодильних агентів.

У парокомпресійних холодильних установках застосовують холодильні агенти, які повинні мати певні термодинамічні, фізико-хімічні та фізіологічні властивості. Практика експлуатації ПКХУ встановлює до холодильних агентів такі технологічні вимоги:

1. Критична температура повинна бути істотно вищою від температури оточуючого середовища (вода, повітря) для забезпечення відведення теплоти від холодоагента при його конденсації;

2. Теплота випаровування при низьких температурах має бути якнайбільшою для зменшення кількості холодоагента, який циркулює в тракті холодильної машини. За цієї умови розміри машини будуть зменшуватися при заданій холодопродуктивності;

3. Густина пари холодоагента має бути якнайбільшою для зниження робочих об’ємів машин;

4. Тиск пари за умов конденсації повинен бути помірним. Це дозволить забезпечити умови міцності елементів холодильної установки та зменшити витрати металу на їх виготовлення;

5. Тиск пари у випарнику повинен бути трохи вищим від атмосферного. Ця умова виключає підсмоктування атмосферного повітря в робочий тракт і спрощує виявлення нещільностей і місць витікання пари холодоагента;

6. Холодоагент має бути хімічно інертним стосовно конструкційних і мастильних матеріалів машини;

7. Холодоагент має бути пожежо- і вибухобезпечним в експлуатації та нешкідливим для обслуговуючого персоналу;

8. Холодоагент повинен бути економічно доступним [1, 3, 6].

У табл. 1 наведено основні фізичні властивості найбільш уживаних холодоагентів.

До теплофізичних властивостей, поданих у табл. 1, необхідно додати інформацію про особливості робочих тіл холодильних машин, тобто їх класифікувати.

Холодоагенти можна розділити на природні (аміак NH₃, вуглекислота CO₂, хлорметил CH₃Cl та ін.) і штучні, об’єднані спільною назвою фреони.

Фреони – галоїдні похідні насичених вуглеводнів (C_mH_n), отримані шляхом заміни атомів водню атомами хлору і фтору.

Хімічна формула фреону, отриманого на базі вуглеводню C_mH_n: C_mH_xF_yCl_z, причому

x+y+z=n.

Зі зменшенням х зменшується займистість фреону. Зі збільшенням у знижуються токсичність та корозійна активність.

Позначення фреонів Ф‑N, де N – номер фреону (двозначне чи тризначне число). Перша цифра в двозначному номері чи перші дві цифри в тризначному номері вказують насиченій вуглеводень (C_mH_n) на базі якого отриманий фреон.

Встановлені наступні значення цих цифр: 1 – CH₄ (метан); 11 – C₂H₆ (етан); 21 – C₃H₈ (пропан); 31 – C₄H₁₀ (бутан).

Справа пишеться число атомів фтору (у) у фреону: CF₂Cl₂ – Ф‑12; CCl₄ – Ф‑10; C₃F₄Cl₄ – Ф‑214, C₃Cl₃ – Ф‑210.

При наявності у фреоні атомів водню число їх (х) додається до числа десятків номера: CFCl₃ – Ф‑11; CHFCl₂ – Ф‑21; C₃F₄Cl₄ – Ф‑214; C₃H₂F₄Cl₂ – Ф‑234.

Робочі тіла холодильних машин можна розділити на три групи за значеннями температури кипіння t_{кип. н.у.} при нормальних умовах (р = 0,1013 МПа).

Група 1: t_{кип. н.у.}> 0^оС (тиск конденсації р_к ≤ 0,3 МПа при температурі конденсації 30^оС).

Група 2: 0 >t_{кип. н.у.}> -50^оС (тиск конденсації 0,3 < р_к < 2,0 МПа).

Група 3: t_{кип. н.у.}< -50^оС (тиск конденсації р_к=2,0÷7 МПа).

Таблиця 1. Основні фізичні властивості холодоагентів [1].

Холодильний агент	Хімічна формула	Молекулярна маса, r	Температура кипіння (при р=760 мм рт. ст.), оС	Параметри критичної точки			Температура застигання tз, оС	Показник адіабати
				Температура tкр, оС	Тиск ркр, Мн/м2	Питомий об’єм υк, дм3/кг
Аміак	NH3	17,03	-33,4	132,4	11,298	4,13	-77,7	1,3
Вуглекислота	CO2	44,01	-78,5	31,0	7,375	2,16	-56,6	1,3
Сірчистий ангідрид	SO2	64,06	-10,08	157,2	7,873	1,92	-75,2	1,26
Хлорметил	CH3Cl	50,49	23,74	143,1	6,677	2,70	-97,6	1,20
Монофтортрихлорметан (фреон – 11)	CFCl3	137,39	23,7	198,0	4,374	1,805	-111,0	1,13
Дифтордихлорметан (фреон – 12)	CF2Cl2	120,92	-29,8	112,0	4,115	1,793	-155,0	1,14
Трифтормонохлорметан (фреон – 13)	CF3Cl	104,47	-81,5	28,78	3,86	1,721	-180,0	‑
Монофтордихлорметан (фреон – 21)	CHFCl2	102,92	8,90	178,5	5,166	1,915	-135,0	1,16
Дифтормонохлорметан (фреон – 22)	CHF2Cl	86,48	-40,8	96,0	4,936	1,905	-160,0	1,20
Тетрафтордихлоретан (фреон – 114)	C2F4Cl2	170,91	3,5	145,8	3,275	1,715	-94,0	1,107
Дифтормонохлоретан (фреон – 142)	C2H3F2Cl	100,48	-9,25	137,0	4,119	2,30	-130,8	1,135

Чим вище температура t_{кип. н.у.}, тим нижчим буде тиск у конденсаторі й тим глибшим розрідження у випарнику (табл. 2).

Чим нижча температура t_{кип. н.у.}, тим вищий тиск у конденсаторі та випарнику, тим ближче температура конденсації до критичної температури. При цьому зменшується рушійна сила теплопереносу від холодоагента в оточуюче середовище, ускладнюється конструкція машини, зростають необоротні теплові втрати, підвищується втрата зовнішньої енергії і падає холодильний коефіцієнт ε [1].

Саме з цих причин перестала використовуватися як холодоагент вуглекислота CO₂, незважаючи на найбільшу об’ємну холодопродуктивність q_υ (табл. 3) і, як наслідок, найменший об’єм циліндра компресора.

Важливим параметром для оцінки перспективності холодоагентів є робочі тиски у випарнику та конденсаторі холодильної машини. Від цих тисків залежать зусилля на робочому органі компресора, параметри міцнісні вузлів машини і її трубопроводів, коефіцієнт корисної дії компресора. Ці тиски також знаходяться у прямому зв’язку з температурою кипіння (див. табл. 2).

Найкращими за цими параметрами є аміак, фреон – 22, фреон – 12 і хлористий метил.

Таблиця 2. Тиск в апаратах холодильних машин, працюючих на різних агентах (при температурі кипіння t₀= -15^оС та температурі конденсації t=30^оС) [1].

Холодильний агент	Абсолютний тиск у випарнику р0, Мн/м2	Абсолютний тиск у конденсаторі рк, Мн/м2	Різниця тисків рк – р0, Мн/м2	Ступінь стиснення
CO2 NH3 Фреон – 22 Фреон - 12 CH3Cl SO2 Фреон – 142 Фреон - 114 Фреон – 21 Фреон - 11	2,289 0,236 0,297 0,183 0,144 0,0807 0,0796 0,0466 0,0362 0,0201	7,192 1,167 1,202 0,743 0,659 0,457 0,394 0,255 0,216 0,126	4,903 0,931 0,905 0,560 0,515 0,376 0,314 0,208 0,180 0,106	3,14 4,94 4,05 4,07 4,57 5,66 4,94 5,47 5,95 6,27

Наступним важливим параметром є об’ємна холодопродуктивність q_υ, від якої залежить розмір циліндра компресора. Найбільше значення q_υ має двоокис вуглецю, а за ним ідуть ті ж самі аміак, фреон – 22, фреон – 12 і хлористий метил (див. табл. 3). Ці холодоагенти доцільно використовувати в холодильних установках з поршневими компресорами при малих габаритах машини.

Холодоагенти з малими значеннями q_υ (фреони 11 і 21) доцільно використовувати в установках високої холодопродуктивності із застосуванням у них турбокомпресорних машин з їх швидкохідністю і великою об’ємною продуктивністю.

Визначальними експлуатаційними характеристиками є хімічна активність, токсичність, пожежо- і вибухонебезпечність робочих тіл, а також їх відносна вартість.

Тут слід відзначити високу токсичність сірчаного ангідриду, аміаку і хлористого метилу. Навіть незначний вміст пари цих речовин у повітрі (0,5÷1 % об’ємний) призводить до важких отруєнь і швидкої загибелі. На відміну від інших речовин, різкий запах аміаку може служити сигналом, що попереджає про небезпеку. Через високу шкідливість і руйнівну дію на деталі машин, особливо в присутності вологи, сірчистий ангідрид у сучасних холодильних машинах не застосовується. З міркувань шкідливості, а також вибухонебезпечності виключений з експлуатації і хлористий метил.

Таблиця 3. Питома холодопродуктивність різних холодильних агентів і порівняльні розміри циліндрів компресорів (при t₀= -15^оС і t=30^оС без переохолодження рідини) [1].

Холодильний агент	Теплота утворення, кДж/кг	Ступінь сухості після дроселювання x, %	Холодопродуктивність q0, кДж/кг	Питомий об’єм сухої насиченої пари υ1, м3/кг	Об’ємна холодопродуктивність qυ, кДж/кг	Порівняльні розміри компресорів ( )
CO2 NH3 Фреон – 22 Фреон - 12 CH3Cl SO2 Фреон – 142 Фреон - 114 Фреон – 21 Фреон - 11	273,2 1312,7 217,7 161,5 420,7 391,9 229,5 141,8 254,7 191,1	52,8 16,0 26,0 26,6 16,9 15,5 25,2 30,1 18,4 19,2	129,0 1078,5 161,1 118,6 349,7 331,3 171,1 99,4 190,9 158,1	0,0166 0,5087 0,0778 0,0927 0,291 0,405 0,2585 0,2627 0,5705 0,771	7763,8 2167,1 2068,3 1279,5 1202,9 816,8 661,8 377,7 364,3 204,7	1,0 3,58 3,75 6,07 6,45 9,50 11,8 20,6 21,3 38,0