4.Рабочиевеществахолодильныхмашин

Дляосуществлениянизкотемпературныхпроцессовприменяютсяраз-личногородарабочиевещества,термодинамическиеифизическиесвойствако-торыхдолжныудовлетворятьопределеннымтребованиям.Этитребованияза-висятотрядаусловий:назначенияустановкииеесхемы,верхнегоинижнеготемпературногоуровня,эффективностиработы,необходимогоресурсаработы,безопасностиееобслуживания,экологическихусловийит.п.

Рабочиевеществамогутпредставлятьсобойкакиндивидуальные(чис-тые)вещества,такиихсмеси.Впроцессеработырабочиевеществамогутпод-вергатьсяфазовымпревращениям.Некоторыенизкотемпературныепроцессымогутпроходитьвдвухфазныхобластях:твердоетело–жидкость,твердоетело

• пар.

Всоответствиесперечисленнымиобластямиработыопределяютсятре-бованиякрабочим веществам низкотемпературныхустановок.

Взависимостиоттемпературногоуровняработынизкотемпературныхустановокрабочиевеществаподразделяютсянахолодильныеагенты(распро-странентакжетермин«хладагенты»), криоагентыиабсорбенты.

Хладагенты-этовеществаиихсмеси,имеющиепринормальномдав-лении0,1МПатемпературукипенияТ_s=350-120К.ПриТ_s=350-250Кхлада-гентыиспользуютсявтеплонаносныхустановках,системахкондиционирова-нияиотопления;приТ_s=293-120К-вхолодильныхустановкахисистемахкондиционирования.

Криоагенты–этовеществаиихсмеси,имеющиепринормальномдав-лениитемпературукипенияТ_s<120К.

Абсорбенты–эторабочиеагентыабсорбционныхнизкотемпературных

установок,напримерН₂О-LiВr(бромистолитиевыеустановки),NH_3-Н₂О(ам-миачныеустановки).

1. Холодильныеагенты парокомпрессионныххолодильныхмашин

Вкачествехолодильныхагентов,применяемыхвциклепарокомпрессион-ныххолодильныхмашин,историческииспользовалосьдостаточнобольшоеко-личествовеществ.Нопомереразвитияхолодильнойтехникичислопромыш-ленноиспользуемыхвеществсократилосьивнастоящеевремянепревышает

20. Этосвязаносразвитиемтеориихолодильныхмашин,котораяпозволилаболеечетковыработатьтребованиякхолодильнымагентам,атакжесразра-

боткойисинтезомновыхвеществ,специальнодляиспользованияихвкачествехолодильныхагентов.

Этивеществахарактеризуютсяцелымнаборомсвойств,совокупностько-торыхопределяетцелесообразностьихиспользованиявкачествехолодильногоагента.Книмотносятся:

• термодинамическиесвойства,откоторыхзависиттермодинамическаяэффективность действительногохолодильногоцикла;

• теплофизическиесвойства,обеспечивающиевысокоэффективныйтепло-обменваппаратаххолодильноймашины;

• химическиеифизико-химическиесвойства,определяющиевзаимодей-ствиехолодильныхагентовсконструкционнымиматериаламихолодильноймашины,атакжеихтермическую стабильность;

• экологическиеифизиологическиесвойства,которыедолжнысоответ-ствовать требованиямэкологииипромышленнойбезопасности;

• экономическиесвойства,определяющиестоимостьвырабатываемогоис-кусственногохолода.

Многиеизсвойствсамизависятотдиапазонатемпературидавлений,прикоторыхиспользуетсяхолодильныйагент.Вэтомслучаеважноиметьхаракте-ристикувеществаподанномусвойствувзависимостиоттемпературыприме-нения.

Какправило,нетидеальноговещества,котороевполноймереотвечалобытребованиямковсемунаборусвойств.Самитребованиякразличнымсвой-

ствамтакжеиногданаходятсявпротиворечиидругкдругу.Поэтомувыборхо-лодильногоагента-этовсегдакомпромиссноерешение.

Наиболеераспространеннымихладагентамивпарожидкостныхус-тановкахявляются:аммиак,галогенныепроизводныеуглеводородов(фреоны)идвуокисьуглерода.

АммиакNH_{3применяется}впарокомпрессионныхиабсорбционныхуста-новкахпритемпературеиспаренияТ_0выше–70ºС.Предельнаяобластьегоис-пользованияопределяетсятемпературойтройнойточкиТ_тт=77,7К.

Основныепреимуществааммиака:

• малыйудельныйобъемпритемпературахиспарениявосновнойобластиегоиспользования;

• большаятеплотапарообразования;

• легкость обнаруженияутечек,благодаря остромузапаху;

• незначительнаярастворимостьвмасле.

Аммиакнеоказываеткоррозионноговоздействиянасталь,новприсут-ствииводыразъедаетцинк,медь,бронзуидругиецветныесплавы,заисключе-ниемфосфористойбронзы.

Кнедостаткамаммиакаотносятся:ядовитость,взрывоопасностьигорю-

честьприконцентрациях(14…28%)ввоздухе.

ДвуокисьуглеродаСО_{2(диоксид}углерода)можетприменятьсякакхлада-гент,но,главнымобразом,применяетсявнизкотемпературнойтехнике,вуста-новкахдлявыработкисухогольда.

Двуокисьуглерода–нейтральнаякметалламсреда,негорючая,относи-тельнобезвредная.Недостаткомеекакхладагентаявляетсянизкаякритическая

температураt_кр=31ºСприсравнительновысокомкритическомдавлениир_кр=7,38МПа.

ВтридцатыхгодахXXвекавкачествехладагентовначалиприменятьфре-оны–фторхлорбромпроизводныеуглеводородовметана,этана,пропанаибу-тана.Фреон–торговаямарка,принадлежащаяамериканскойфирме«Дюпон»,котораяв1928годувпервыесинтезировалафреон12.Фреонысодержатвраз-

личныхсоотношенияхфтор,хлорибром.Обобщеннаяхимическаяформулафреона

С_{mНnFpC1qВrr,}

гдет,п,р,q,r–числаатомовхимическихэлементов,входящихвсоставдан-

ногофреона.

Возможны15типовсоединенийгалогенпроизводныхметана,55–этана,332–пропана,более1000–бутана.

Внашейстраневместотермина«фреон»используюттермин«хладон».

Внастоящеевремяизвестеннеодиндесятокфреонов,которыеприменя-ютсявкачествехладонов.

Основнымиизнихпораспространенностиявляются:хладонR12,хладон

R22,хладонR134а,R404а,R407а,R407с.

ХладонR12(CF₂Cl₂)–донедавнеговременибылнаиболеераспростра-ненныйвсовременныхкомпрессионныххолодильныхустановках.Онширокоприменялсявпоршневыхкомпрессионныххолодильныхустановкахдотемпе-ратурыкипения-30ºС,втомчислевбольшинстведомашниххолодильников.ХладонR12малотоксичен,негорючийиневзрывоопасныйгаз,ноприсопри-косновенииспламенемигорячимиповерхностямиразлагаетсясобразованиемвысокотоксичныхпродуктов.С1996годаонзапрещенМонреальскимсоглаше-ниемкакэкологическиопасный,разрушающийозоновыйслойземли.Внасто-ящеевремяпрактически полностьюзамененнаэкологическичистыехладоны.

ВместохладонаR12американскойфирмой«Дюпон»вкачествехладаген-товдлядомашнихидругихбытовыххолодильниковрекомендованхладонR134а–С₂F₄H₂.

ГлавноеотличиеегоотхладонаR12-оннесодержитатомыхлораCl,раз-

рушающиеозоновыйслой.Но,какихладонR12,онприсоприкосновенииспламенемигорячимиповерхностямиразлагаетсясобразованиемвысокоток-сичныхпродуктов.НесмотрянаоченьблизкиекхладонуR12термодинамиче-скиепараметры,такие,кактеплотаиспаренияrидругие,егоприменениесни-жаетэнергетическуюэффективностьрабочейустановкипримернона15%посравнениюсхладономR12.Кромеэтого,какпоказываютэксперименты,уR134аоченьвысокийпарниковыйэффект,примернов2000развыше,чемухладонаR12.

ВторымпораспространенностиследуетпризнатьхладонR22(фреон22)СНF_2Cl,который,какиR12,считаетсяэкологическиопаснымиз-заналичияатомаClвмолекуле,ноимеетдостаточнонизкийпотенциалозоноопасностииразрешенМонреальскимсоглашениемдо2030года.Внастоящеевремяонза-прещенвнутреннимзаконодательствомрядапромышленноразвитыхстран.Онтакженаходитширокоепрактическоеприменениевпаровыхкомпрессионныххолодильныхмашинахипозволяетработатьнаболеенизкомтемпературномуровне(до-40ºС),чемR12.ХладонR22представляетсобойбесцветныйгазсослабымзапахомтрихлорметана.Всеостальныеегохарактеристикипримернотакиеже, каки уR12.

ЗапоследнеевремявкачествеальтернативыR12припроизводстведо-машниххолодильниковсталприменятьсяизобутанR600а.Этогорючийи

взрывоопасныйгаз,однаковвидумалойвеличинызаправки(примерно50

грамм)оннепредставляетвданномслучаесерьезнойопасности.

Широкоераспространениезапоследнеевремявкачествехладагентовпо-лучилиразличногородасмеси.Так,R404а,R407а,R407с,R410а-этотройныесмеси,составленныеизразныххладонов.Ониобладаютобщимнедостатком–кипениекомпонентовсмесиприодномдавленииприразныхтемпературах,чтоприводитк«температурномускольжению»прикипениивсейсмесивцелом.Большинствотакихсмесейрассматриваетсякаквременнаязаменаозоноопас-ныххолодильныхагентов.

Международнойорганизациейпостандартизации(ИСО)введѐнмеждуна-родныйстандартМСИСО817–74насистемуобозначенийхладонов.Этаси-стемасостоитизнаименованияичисла:букваRилисловоrefrigerant(хлада-гент)составляютнаименование,цифрысвязанысоструктуроймолекулыхла-дагента.Ухладагентовнеорганическогопроисхожденияцифрысоответствуютихмолекулярноймассе,увеличеннойна700.Например:вода(Н₂О)–R718,ам-миак(NH₃)–R717,двуокисьуглерода(СО₂)–R744.Дляхладонов–производ-ныхметана–соединениябезатомовводородазаписываютцифрой1,ккоторойприбавляютцифру,определяющуючислоатомовфтора.Например:CF₂Cl_2–R12,CF_4–R14.Дляпроизводныхэтана,пропанаибутанапередцифрой,опре-деляющейчислоатомовфтора,ставятсясоответственно11,21,31.Например:C₂F₂C1_4–R112,C₄F₇C1–R317.Приналичииатомовводородаупроизводныхметанакпервойцифре,ауэтана,пропанаибутана–ковторойприбавляютчисло,равноечислунезамещенныхатомовводорода.Например:CHFC1_2–R21,C₂H₃F_3–R143.ПриналичиивмолекулехладонаатомовбромакчисловомуобозначениюдобавляютбуквуВицифру,соответствующуючислуатомовброма.Например:CF₂Br_2–R12B2.

Начинаясгалогенопроизводныхэтана,появляютсяизомеры.Ониимеютодинаковоецифровоеобозначениеиразличаютсястрочнойбуквойвконце.Симметричныйизомеробозначаетсятолькоцифрами.Указаниемасимметрииявляютсястрочныебуквыа,в,сит.д.Например:CHF₂-CHF_2–R134,CF₃CH₂F–R134a.