3.2.Свойства холодильных агентов

Возможность применения того или иного холодильного агента для конкретных условий работы зависит от их свойств. Свойства хладагентов влияют на конструктивные особенности холодильной машины, потребляемую мощность, холодопроизводительность и другие характеристики.

К основным свойствам относятся:

1.теплофизические

2.термодинамические

3.физико-химические

4.физиологические

5.экологические

Теплофизические свойства – это теплоемкость (С), теплопроводность (λ), вязкость (μ), плотность (ρ), температуропроводность (а), поверхностное натяжение (η) и т др. Они главным образом влияют на интенсивность теплообмена в аппаратах, на потери давления в системе и на массу и габариты компрессора. С увеличением теплоемкости, теплопроводности, температуропроводности, плотности жидкости и пара увеличивается коэффициент теплопередачи теплообменных аппаратов и наоборот с повышением вязкости, поверхностного натяжения, удельного объема холодильного агента интенсивность теплообмена в аппаратах снижается. Высокие значения вязкости, плотности, поверхностного натяжения хладагента приводят к повышению гидравлических потерь в аппаратах и трубопроводах. Плотность и удельный объем всасываемого пара влияют на размеры компрессора. Чем больше удельный объем пара на всасывании, тем меньше габариты компрессора при одинаковой массовом расходе холодильного агента.

К термодинамическим свойствам относятся нормальная температура кипения, давление насыщения при температуре 30 °С, критическая температура, температура замерзания, теплота парообразования и др. Они характеризуют термодинамические параметры цикла, удельную холодопроизводительность, работу цикла, теплоту конденсации и т др. По нормальным температурам кипения холодильные агенты делятся на три группы: низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные.

К низкотемпературным холодильным агентам относятся хладагенты с температурой кипения при атмосферном давлении до – 60 °С (t_он < - 60 °С). К среднетемпературным – хладагенты с нормальной температурой кипения от – 60 °С до – 10 °С. К высокотемпературным - хладагенты с нормальной температурой кипения выше – 10 °С.

По давлениям при температуре конденсации 30 °С холодильные агенты также делятся на три группы: низкого давления с Р_к < 0,3 МПа, среднего давления с Р_к от 0,3 до 2 МПа и высокого давления с Р_к от 2 до 7 МПа. Холодильные агенты с давлением насыщения Р_к > 7 МПа в холодильных машинах практически не используются. Классификации по температурам и давлениям насыщения взаимосвязаны. Низкотемпературные хладагенты относятся к группе высокого давления и наоборот высокотемпературные хладагенты относятся к группе низкого давления. Величина критической температуры Р_кр влияет на протекание процесса конденсации. Чем больше разность (Т_кр – Т_к), тем больше удельная теплота конденсации. Температура замерзания холодильного агента должна быть значительно ниже температуры кипения во избежании закупорки теплообменных труб кристаллами льда. Термодинамические характеристики наиболее распространенных холодильных агентов приведены в таблице 3.1 (см. приложение).

Теплота парообразования влияет на удельную холодопроизводительность цикла. С увеличением теплоты парообразования повышается удельная холодопроизводительность цикла, а следовательно и полная холодопроизводительность всей холодильной машины.

Физико-химические свойства включают в себя термическую стабильность, взрывоопасность, воспламеняемость, электрические свойства, взаимодействие со смазочным маслом, водой и конструкционными материалами и др.

Термическая стабильность характеризуется температурой разложения, при которой происходит разложение холодильного агента на отдельные составляющие. Разложение хладонов связано с образованием хлористого и фтористого водорода и отравляющего вещества фосгена.

Следы разложения таких хладонов как R12, R22, R502, R13 наблюдаются уже при температурах 150 – 170 °С, а полное разложение происходит при температуре 330 - 550 °С. Хладагенты R11, R21 разлагаются при более низких температурах. Наименее устоичивы к влиянию высоких температур бромсодержащие углеводороды. Необходимо отметить, что в присутствии масла и различных конструкционных материалов термическая стабильность хладонов снижается. Хлористый метил в присутствии металлов образует продукты разложения при температуре около 200 °С, в чистом виде он разлагается при температуре 425 °С. Изобутан термически стабилен до температуры 260 °С. Аммиак начинает разлагаться при температуре 230 - 250 °С. Фторуглероды (CF4, C4F10 и др.) термически очень устойчивы и не разлагаются до температуры 400 - 500 °С. Пропан в присутствии кислорода начинает разлагаться при температуре 460 °С, а при достижении температуры 830 °С он разлагается полностью. Температура разложения сернистого ангедрида SO₂ в чистом виде составляет 1100^оС, однако в присутствии металлов эта граница температур снижается. К наиболее термически стабильным относится диоксид углерода (R744), который разлагается при температуре выше 1500 °С. Разложение рабочих веществ оказывает вредное воздействие на надежность и долговечность компрессоров. Однако в современных холодильных машинах существующие предельные температуры значительно ниже температуры разложения. Так для хладоновых машин предельными являются температуры на 130 - 135 °С, для аммиачных машин максимальная температура нагнетания не должна превышать 160 °С.

Взрывоопасность и воспламеняемость рабочего вещества являются важными показателями для безопасной работы холодильных машин. Холодильные агенты в различной степени взрывоопасны и воспламеняемы. Наибольшей взрывоопасностью отличаются этан, этилен, пропан и бутан. Аммиак взрывоопасен в соединении с воздухам при концентрациях 16 - 26,8 % и воспламеним при концентрациях более 11 %. Его взрывоопасность обусловлена выделением свободного водорода при высоких давлениях. У хладонов взрывоопасность снижается с возрастанием числа атомов хлора и фтора и уменьшением числа атомов водорода. Совершенно не взрывоопасны и не воспламеняемы диоксид углерода (R744), сернистый ангедрид(SO₂),хладон 30 (R30),окись азота (R ), шестифтористая сера SF₆, хладон 22 (R22), хладон 23 (R23).

Электрические свойства холодильных агентов влияют на безопасность работы бессальниковых и герметичных компрессоров, так как в них происходит непосредственный контакт хладагента с обмотками электродвигателя. Одним из наиболее важных показателей является электрическая проводимость и электрическое сопротивление хладагентов. Электрическая проводимость характеризует перенос электрических зарядов в веществе под действием внешнего электрического поля. Удельное электрическое сопротивление обратная величина электрической проводимости.

Взаимодействие холодильных агентов с маслами. По взаимной растворимости хладагенты и масла делятся на три группы. К первой группе относятся холодильные агенты и масла с ограниченной взаимной растворимостью в любых диапазонах давлений и температур. Вторая группа включает в себя растворы с неограниченной взаимной растворимостью. В третью группу входят холодильные агенты и масла с локальной взаимной растворимостью, которые в определенных диапазонах температур имеют ограниченную растворимость, а в других условиях – неограниченно растворимы друг в друге. К группе с ограниченной растворимостью относятся такие хладагенты как NH₃, SF₆, SO₂, хладон 13, хладон 14, C₄F₈, C₄F₁₀ и др. В таких смесях холодильные агенты и масла практически не растворяются друг в друге. Жидкая фаза состоит из двух слоев: один слой содержит практически чистый хладагент, другой слой является практически чистым маслом, т.е. образуется гетерогенная система. Взаимное расположение слоев зависит от их плотности. Так, например плотность масел для аммиачных холодильных машин больше плотности самого аммиака. Поэтому слой масла находится ниже слоя аммиака. Для некоторых хладонов наоборот масло легче хладагента и оно всплывает вверх. Во вторую группу входят большинство хладонов: R11, R12, R21, R113, R134A, R502 и др. При температурах, существующих в холодильных машинах они полностью растворяются с маслом, образуя однородный гомогенный раствор со средними термодинамическими и теплофизическими свойствами. При кипении маслохладонового раствора выкипает чистый холодильный агент, как низкокипящий компонент раствора. Из испарителя выходит парообразный хладон и высококонцентрированная жидкость, которая содержит масло и растворенный в нем холодильный агент. Количество неиспарившегося жидкого холодильного агента в выходящем из испарителя масле зависит от температуры перегрева. Поэтому в хладоновых холодильных машинах устанавливается регенеративный теплообменник не только для охлаждения жидкости перед дросселированием, но также для выпаривания жидкого холодильного агента из масла. В противном случае жидкий хладагент выпаривается в картере компрессора, что приводит к вспениванию масла, ухудшению условий смазки пар трения и повышенному уносу масла из компрессора. К третьей группе можно отнести хладоны 22, 114, 142 и др. У холодильных агентов этой группы при определенных температурах и концентрациях с маслом существует зона несмесимости. Зона несмешиваемости характеризуется кривой расслоения, которая отделяет гетерогенную область от гомогенной (см. рис. 3.1.).

Рисунок 3.1.Растворимость некоторых веществ в масле.

Максимальная температура на кривой расслоения называется верхней критической температурой, а минимальная – нижней критической температурой. Вид кривой расслоения для одного и того же хладагента может быть различным, в зависимости от применяемого смазочного масла. Кроме того, в зависимости от марки масла, смеси могут переходить из одной группы в другую. Так например хладон 22 с синтетическим маслом ХФС22-18 относится ко второй группе, а с миниральным маслом ХФ22-24 – к третьей.

Взаимодействие с водой. По взаимной растворимости хладагентов с водой они делятся на две группы. К первой группе относятся рабочие вещества с ограниченной растворимостью, ко второй группе - с неограниченной растворимостью с водой. Холодильные агенты первой группы практически не растворяются в воде. Жидкая фаза содержит два слоя: слой практически чистого хладагента и слой воды. Присутствие в холодильном агенте нерастворенной влаги вызывает опасность образование кристаллов льда в дроссельном устройстве и в трубках испарителя. Образовавшийся лед может перекрыть проходные сечения и вывести из строя холодильную машину. К первой группе относятся практически все хладоны, чистые углеводороды: метан, пропан, бутан и т.д. В таких холодильных машинах обязательно устанавливаются осушительные устройства с поглатителями влаги (силикогель, алюмокогель, цеолиты и др.). Во вторую группу входят холодильные агенты, которые полностью растворяются с водой, образуя однородный гомогенный раствор. Однородные гомогенные растворы имеют средние теплофизические и термодинамические свойства в зависимости от процентного содержания воды. Поэтому в холодильных машинах, работающих на таких растворах температура кипения и конденсации выше, чем при работе на чистых рабочих веществах. Ко второй группе относятся такие хладагенты, как аммиак (R717), диоксид углерода (R744) и др.

Взаимодействие с конструкционными материалами. Различные хладагенты по-разному реагируют с конструкционными материалами, которые применяются в холодильных машинах. Аммиак инертен по отношению к черным металлам. В присутствии влаги аммиак взаимодействует с цинком, медью и медными сплавами. Для деталей аммиачных компрессоров, подвергающихся интенсивной смазке, допускается применение высокооловянистых фосфористых бронз ОФ-10-1 или ОФ-6,5-0,15. Чистые углеводороды (пропан, изобутан и др.), диоксид углерода не реагируют со всеми металлами. Обезвоженный сернистый ангедрид инертен к большенству металлов, за исключением цинка, серебра и кадмия. R40 (хлористый метил) не взаимодействует ни с какими металлами, кроме алюминия, магния, цинка, свинца и их сплавов. R30 (дихлорметан) как в сухом, так и с небольшим количеством влаги инертен к алюминию, меди, свинцу и железу. При большом избытке влаги и высоких температурах коррозирует железо и бронзу. R115 (хлористый этил) в обезвоженном состоянии инертен к большинству металлов, за исключением ртути. R160В1 (бромистый этил) без присутствия влаги на металлы не действует. Производные углеводородов (хладоны) в обезвоженном состоянии инертны ко всем металлам за исключением сплавов, содержащих более 2% Mg. Некоторые хладоны, такие как R14, R22, R114 взаимодействуют с алюминием, имеющим твердометаллические присадки. Фторхлорпроизводные углеводородов являются хорошими растворителями многих органических соединений и веществ (краски, лаки, ткань, уголь, резина и др.). Они разъедают прокладки и вызывают диффузию рабочего вещества. Поэтому для прокладок уплотнений хладоновых холодильных машин должны применяться паронит, фторопласт, нефритовая резина, в качестве вяжущих веществ и изоляционных лаков поливинилацетаты и полиамиды.

Физиологические свойства показывают степень воздействия холодильных агентов на живой организм. По международной классификации все холодильные агенты делятся на шесть классов в зависимости от величины среднесмертной концентрации для определенного вида подопытных животных. К первой самой токсичной группе относится хладагент R764 (сернистый ангидрид). Запах сернистого ангидрида в воздухе чувствуется уже при концентрации 0,0012 - 0,0015%. При концентрации 0,002 - 0,004% возникает кашель. Дальнейшее повышение концентрации приводит к удушью, воспалению легких и кровоизлиянию. При попадании SО₂ в кровь происходит коагуляция белых кровяных шариков. Ко второму классу относится R717 (аммиак), который даже при незначительных концентрациях в воздухе обладает специфическим едким запахом. Его предельная допустимая концентрация составляет 0,02 мг/м³. При наличии опасных концентрациях аммиака происходят деструктивно-воспалительные и некротические изменения слизистых оболочек дыхательных путей и кожи. Отравление аммиаком активизирует туберкулез, может вызвать паралич и глухоту. Попадание маленькой капли хладагента в глаз приводит к ожогу роговицы и даже к слепоте. К третьей и четвертой группам относятся чистые углеводороды (пропан, метан, бутан и др.) и некоторые хладоны (R20, R160). Самыми безвредными для человека являются большинство хладонов. Они относятся к пятому и шестому классам.

В 1976 году были установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) наиболее распространенных холодильных агентов. Превышение ПДК в воздухе вызывает отрицательное воздействие на организм человека. Однако при одинаковом ПДК хладагенты имеют различные давления насыщения и при аварии с различной интенсивностью распространяются в воздухе. Для оценки реальной опасности отравления рабочим веществом введено понятие токсической опасности, которая характеризуется коэффициентом возможного ингаляционного отравления (КВИО). Этот коэффициент определяется отношением максимально допустимой концентрации пара при температуре 20 ^°С к среднесмертельной концентрации для мышей при экспозиции 120 минут. Наиболее полно реальную опасность холодильного агента для человека в производственных условиях характеризует коэффициент токсической опасности - К_т.о.

Он показывает во сколько раз может быть превышен ПДК при аварии в нормальных производственных условиях. Для определения К_т.о. можно также воспользоваться следующей формулой:

где – Р_t=20^о_С – давление насыщения при температуре 20^оС, КПа;

μ – киниматический коэффициент вязкости;

Значения ПДК и К_т.о. для некоторых холодильных агентов представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.3.Степень токсичности холодильных агентов.

Хладагент	ПДК, мг/м3	Кт.о, 10-3	Хлад- агент	ПДК, мг/м3	Кт.о, 10-3	Хлад- агент	ПДК мг/м3	Кт.о, 10-3
R10	20	40	R32	1	32000	R150	10	50
R11	1000	5	R40	5	2000	R152	3000	1
R12	300	100	R40В1	1	5000	RС318	3000	7
R12В1	1000	20	R50			R500	3000	9
R12В2	860	9	R113	3000	1	R502	3000	20
R20	20	60	R114	3000	4	R600а
R20В3	5	40	R115	3000	20	R717	20	300
R21	200	30	R130а	5	30
R22	3000	10	R142	3000	4
R30	50	30	R143	3000	90

Экологические свойства показывают степень воздействия холодильных агентов на озоновый слой околоземной орбиты и парниковый эффект. Попадая в верхние слои атмосферы (стратосфера на высоте 16 – 45 км.) под воздействием солнечной радиации из хладонов выделяются хлор и бром. Они вступают в химическую реакцию с озоном, отнимают от него атом кислорода и образуют окись хлора и окись брома, тем самым уменьшая количество озона. В соответствии с Монреальским протоколом 1986 года потребление озоноактивных хладагентов подлежит сокращению и затем полному исключению. Например, в Беларуси хладон 12 запрещен полностью к применению с 1 января 2000 г. В связи с этим многие широко применяемые озоноразрушающие хладоны должны быть заменены на альтернативные озонобезопасные. В настоящее время проведен анализ существующих и разработан ряд новых хладагентов, не разрушающих озоновый слой земли. Наличие водорода в молекуле хладона резко снижает их озоноактивность. Наименее активны хладагенты, галоганизированные только фтором.

В таблице 3.4. приведена бальная оценка озоноразрушающей активности и парниковый потенциал некоторых хладагентов.

Таблица 3.4.Озоноразрушающий потенциал и потенциал парникового эффекта широко используемых хладагентов.

Хладагент	Нормальная температура кипения, оС	Относительная озоноактивность	Потенциал парникового эффекта
R11	23,65	1,0	1,0
R12	-29,74	1,0	3,0
R12B1	-3,83	3,0	-
R13B1	-57,77	10,0	-
R22	-40,81	0,05	0,36
R23	-82,14	0,0	-
R32	-51,67	0,0	-
R113	46,82	0,8	-
R114	3,63	1,0	3,9
R115	-38,97	0,6	7,5
R124	-12,0	0,0	-
R125	-48,0	0,0	0,84
R133а	6,0	<0,05	-
R134	-20,0	0,0	-
R142b	-9,0	<0,05	0,42
R143а	-47,6	0,0	-
R123/R123а	27,0	<0,05	0,02

Во многих странах (Россия, США, Германия, Франция и др.) проводятся исследования и разрабатываются новые озонобезопасные холодильные агенты. Уже предложен ряд хладонов в замен существующих озоноразрушающих. Часть из них представлена в таблице 3.5.

Таблица 3.5.Альтернативные озонобезопасные холодильные агенты.

Часто используемый хладагент	Температура кипения	Альтернативный хладагент	Температура кипения
R113	46,8	R132в	46,8
R11	23,6	R123/R123a	27,1
R114	3,6	R133a	6,1
		R21	9,0
R12B1	-3,8	R142в	-9,0
R142в	-9,0	R142в	-9,0
R12	-29,8	R134a	-26,8
		R152a	-24,7
		R22/R142в	-30,0
R500	-33,3	R22/R142в	-33,0
		R22/R134a	-33,0
R22	-40,8	R22	-40,8
		R125	-42,0
R502	-45,6	R502	-45,6
		R143в	-47,6
R13B1	-57,0	R32	-51,7
R13	-81,6	R13	-81,6
		R23	-82,0
		R503	-87,8
R14	-128,0	R14	-128,0

Сравнительные характеристики некоторых холодильных агентов.

Традиционные хладагенты групп ХФУ и ГХФУ.

Хладагент R12. Дифтордихлорметан относится к группе ХФУ (СFС). Характеризуется высоким потенциалом разрушения озо­на (ОDР=1) и большим потенциалом глобального потепле­ния (GWP = 8500)^. Бесцветный газ со специфическим запахом, в 4,18 раза тяжелее воздуха. Один из наиболее распространенных и безопасных при эксплуатации хладагентов. При объемной доле его в воздухе более 30 % наступает удушье из-за недостатка кислорода. Предельно допустимая концентрация (ПДК) R12, в частности при длительности воздействия 2ч, соответствует объемной доле его 38,5,..30,4 %. Невзрывоопасен, но при t>330 С разлагается с обра­зованием хлорида водорода, фтористого водорода и следов отравляющего газа - фосгена. Неограниченно растворяется в масле, не проводит электрический ток и слабо растворяется в воде. Объемная доля влаги в R12 для бытовых холодильников не должна превышать 0,0004%. Обезвоженный R12 нейтрален ко всем металлам. Характеризуется повышенной текучестью, что способствует про­никновению его через мельчайшие неплотности и даже через поры обычного чугуна. В то же время благодаря повышенной текучести R12 холодильные масла проникают во все трущиеся детали, снижая их износ. Поскольку R22 хороший растворитель многих органических веществ, при изготовлении прокладок применяют специальную резину - севанит или паронит. В холодильной технике R22 широко применяли для получения средних температур.

Хладагент R11. Фтортрихлорметан, тяжелый газ (в 4,74 раза тяжелее воздуха), относится к группе ХФУ (СFС). Характеризу­ется высокой озоноразрушающей активностью (ОDР=1). Согласно Монреальскому протоколу с 1 января 1996г. прекращено производство R11 (Копенгаген, 1992 г.). Для организма человека R11 безвреден, он невзрывоопасен, неограниченно растворяется в минеральном масле. В воде R11 нерастворим, допустимая массовая доля влаги не более 0,0025 %. Обезвоженный хладагент нейтрален ко всем металлам, за исключением сплавов, содержащих более 20 % магния. Нормальная температура кипения 23,8 С. Объемная холодопроизводительность R11 мала; приме­няют его в холодильных машинах при температуре кипения до -20 С. Хладагент R11 широко применяли в промыш­ленных кондиционерах, турбокомпрессорах средних и больших мощностей.

Хладагент R502. Азеотропнаяя смесь хладагентов R22 и R115. Массовая доля R22 составляет 48,8 %, а R115 — 51,2 %. Относится к группе ХФУ (СFС), имеет следующие экологические характе­ристики: ОDР = 0,33; GWR = 4300. Невзрывоопасен, малотоксичен и химически инертен к металлам. Растворимость R502 в мас­лах, коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации близ­ки к соответствующим значениям для R22. Характерная особен­ность: R502 малорастворим в воде. Предельно допустимая концентрация R502 в воздухе составляет 3000 мг/м³. Объемная холодопроизводительность его выше, а температура нагнетания ниже примерно на 20 С, чем у R22, что положительно сказывается на температуре обмотки электродвигателя при эксплуатации герметичного холодильного компрессора. Хладагент R502 широко применяли в низкотемпературных компрессионных холодильных установках.

Хладагент R22. Дифторхлорметан относится к группе ГХФУ (НСFС). Имеет низкий потенциал разрушения озона (ОDР = 0,05), невысокий потенциал парникового эффекта (GWP = 1700), т.е. экологические свойства R22 значительно лучше, чем у R12 и R502. Это бесцветный газ со слабым запахом хлороформа, более ядовит, чем R12, невзрывоопасен и негорюч. По сравнению с R12 хладагент R22 хуже растворяется в масле, но легко проникает через неплотности и нейтрален к металлам. Для R22 холодиль­ной промышленностью выпускаются холодильные масла хоро­шего качества. При температуре выше 330 °С в присутствии ме­таллов R22 разлагается, образуя те же вещества, что и R12. Хладагент R22 слабо растворяется в воде, объемная доля влаги в нем не должна превышать 0,0025 %. Коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации на 25...30% выше, чем у R12, однако R22 имеет более высокие давление конденсации и температуру нагнетания (в холодильных машинах). Предельно допустимая концентрация R22 в воздухе 3000 мг/м³ при длительности воздействия 1 ч. Этот хладагент широко применяют для получения низких температур в холодильных компрессионных установках, в системах кондиционирования и тепловых насосах. В холодиль­ных установках, работающих на R22, необходимо использовать минеральные или алкилбензольные масла. Нельзя смешивать R22 с R12 — образуется азеотропная смесь.

По энергетической эффективности R502 и R22 достаточно близ­ки. Холодильную установку, использующую в качестве рабочего тела R502, можно адаптировать к применению R22. Однако, как отмечалось ранее, R22 имеет более высокое давление насыщенных паров и, как следствие, более высокую температуру нагнетания.

Хладагент R123. Относится к группе ГХФУ (НСFС). Темпера­тура кипения при атмосферных условиях 27,9 С. Потенциал раз­рушения озона ОDР = 0,02, потенциал глобального потепления GWP = 90. Молекулярная масса 152,9. Хладагент предназначен для ретрофита (за­мена хладагента на озонобезопасный) холодильных установок - водоохладителей, работающих на R11. Теоретическая холодопроиз­водительность цикла с R123 составляет 0,86 относительно холодопроизводительности цикла с R11, температура и давление конденсации ниже на 10...15 % по сравнению с R11. В сочетании с R123 рекомендуется использовать алкилбензольное холодильное масло или смесь минерального и алкилбензольного.

Альтернативные хладагенты.

Однокомпонентные хладагенты.

Хладагент R125. Химическая формула СНF₂СF₃ (пентафторэтан). Относится к группе ГФУ (НFС), не содержит хлора. По­тенциал разрушения озона ОDР = 0, потенциал глобального по­тепления GWR = 860. Температура кипения при атмосферном давлении -48,1 °С. Хладагент рекомендуется применять в чистом виде либо в качестве компонента альтерна­тивных смесей для замены R22, R502 и R12. Хладагент R125 непожароопасен. По энергетическим характеристикам и коэффи­циенту теплоотдачи он проигрывает хладагентам R22 и R502. По сравнению с R502 имеет более крутую кривую, характеризую­щую зависимость давления насыщенных паров от температуры, низкую критическую температуру и небольшую удельную тепло­ту парообразования, что приводит к необходимости повышения степени сжатия. В связи с этим возможности применения R125 в холодильном оборудовании, использующем конденсаторы с воз­душным охлаждением, весьма ограничены.

Вместе с тем R125 имеет более низкую (по сравнению с R22 и R502) температуру нагнетания и высокий массовый расход при низких давлениях всасывания. Поршневые холодильные ком­прессоры, работающие на R125, характеризуются оптимальным наполнением цилиндра, а следовательно, имеют большой коэф­фициент подачи.

Хладагент R134. Химическая формула СF₃СFН₂ (тетрафторэтан). Молекула R134а имеет меньшие размеры, чем молекула R12, что делает более значительной опасность утечек. Относится к группе ГФУ (НFС). Потенциал разрушения озона ОDР = 0, по­тенциал глобального потепления GWР = 1300.

Хладагент R134а нетоксичен и не воспламеняется во всем диа­пазоне температур эксплуатации. Однако при попадании воздуха в систему и сжатии могут образовываться горючие смеси. Не сле­дует смешивать R134а с R12, так как образуется азеотропная смесь высокого давления с массовыми долями компонентов 50 и 50 %. Давление насыщенного пара этого хладагента несколько выше, чем у R12 (соответственно 1,16 и 1,08 МПа при 45 °С). Пар R134а разлагается под влиянием пламени с образованием отравляющих и раздражающих соединений, таких, как фторводород.

В среднетемпературном оборудовании (температура кипения -7°С и выше) R134а имеет эксплуатационные характеристики, близкие к R12.

Для R134а характерны небольшая температура нагнетания (она в среднем на 8...10°С ниже, чем для R12) и невысокие значения давления насыщенных паров.

В холодильных установках, работающих при температурах ки­пения ниже -15 °С, энергетические показатели R134а хуже, чем у R12 (на 6% меньше удельная объемная холодопроизводительность при -18 °С), и холодильный коэффициент. В таких установ­ках целесообразно применять хладагенты с более низкой нормаль­ной температурой кипения либо компрессор с увеличенным часо­вым объемом, описываемым поршнями.

В среднетемпературных холодильных установках и системах кондиционирования воздуха холодильный коэффициент R134а равен коэффициенту для R12 или выше его.

В высокотемпературных холодильных установках удельная объемная холодопроизводительность при работе на R134а также несколько выше, чем у R12.

Из-за значительного потенциала глобального потепления GWP рекомендуется применять R134а в герметичных холодильных системах. Влияние R134а на парниковый эффект в 1300 раз сильнее, чем у СО₂. Так, выброс в атмосферу одной заправки R134а из бытового холо­дильника (около 140 г) со­ответствует выбросу 170кг СО₂. В Европе в среднем 448 г СО₂ образуется при производстве 1 кВт • ч энер­гии, т. е. этот выброс соответствует производству 350 кВт • ч энергии.

Для работы с хладаген­том R134а рекомендуются только полиэфирные хо­лодильные масла, кото­рые характеризуются по­вышенной гигроскопич­ностью.

R134а широко используют во всем мире в качестве основной замены R12 для холодильного оборудования, работающего в среднетемпературном диапазоне. Его применяют в автомобильных кондиционерах, бытовых холодиль­никах, торговом холодильном среднетемпературном оборудова­нии, промышленных установках, системах кондиционирования воздуха в зданиях и промышленных помещениях, а также на хо­лодильном транспорте. Хладагент можно использовать и для ретрофита оборудования, работающего при более низких температурах. Однако в этом случае, если не заменить компрессор, то холодильная система будет иметь пониженную холодопроизводительность.

R134а совместим с рядом уплотняющих материалов, в част­ности с прокладками, сделанными из таких материалов, как «Буна-Н», «Хайпалон 48», «Неопрен», «Нордел», а также со шлан­гами, футурованными нейлоном. Как показал анализ, проведенный фирмой «Du Pont», изменение массы и линейное набухание таких материалов, применяемых в отечественном холодильном оборудовании, как фенопластовые и полиамидные колодки, тек­столит, паронит и полиэтилентерефталатовые пленки, при старе­нии в смеси SUVА R134а с полиэфирным маслом «Castrol SW100» при 100°С в течение 2 недель были незначительными.

Хладагент R143а. Химическая формула СР₃-СН₃ (трифторэтан). Относится к группе ГФУ (НFС).

R143а имеет потенциал разрушения озона ОDР = 0 и сравни­тельно высокий потенциал глобального потепления GWР= 1000, нетоксичен и пожароопасен, не взаимодействует с конструкци­онными и прокладочными материалами. Наличие трех атомов водорода в молекуле R143а способствует хорошей растворимости в минеральных маслах. Удельная теплота парообразования 19,88 кДж/моль при нормальной температуре кипения, что не­сколько выше, чем для R125 (18,82кДж/моль). Температура на­гнетания ниже, чем у R12, R22 и R502. Как показал эксергетический анализ, энергетическая эффективность двухступенчатого цик­ла с R143а близка к эффективности цикла с R502, ниже, чем у R22, и выше, чем у R125. Хладагент R143а входит в состав много­компонентных альтернативных смесей, предлагаемых для замены R12, R22 и R502.

Хладагент R32. Химическая формула СР₂Н₂ (дифторметан). От­носится к группе ГФУ (НFС). R32 имеет потенциал разрушения озона ОDР = О и низкий по сравнению с R125 и R143а потенциал парникового эффекта GWР = 220. Нетоксичен, пожароопасен. Имеет большую удельную теплоту парообразования 20,37 кДж/моль при нормаль­ной температуре кипения и крутую зависимость давления насы­щенных паров от температуры, вследствие чего для R32 характер­на высокая температура нагнетания, самая высокая из всех альтер­нативных хладагентов, за исключением аммиака. R32 растворим в полиэфирных маслах.

Для RЗ2 при использовании его в холодильных установках ха­рактерны высокие холодопроизводительность и энергетическая эффективность, но он несколько уступает R22 и R717. Высокая степень сжатия R32 вызывает необходимость в значительном из­менении конструкции холодильной установки при ретрофите и, следовательно, приводит к увеличению ее металлоемкости и стоимости. Поэтому R32 рекомендуется использовать в основном в качестве компонента альтернативных рабочих смесей. Вследствие малых размеров молекулы R32 по сравнению с молекулами хладагентов этанового ряда возможна селективная утечка R32 через неплотности в холодильной системе, что может изменить состав многокомпонентной рабочей смеси.

Многокомпонентные хладагенты группы ГХФУ.

Хладагенты среднего давления.

Хладагент R401А. Это зеотропная смесь среднего давления с температурным глайдом t_gl = 4...5К. Давление насы­щенного пара R401А несколько выше, чем у R12 (соответственно 1,27 и 1,08МПа при 45°С).

В зависимости от условий эксплуатации холодопроизводительность холодильной системы, в которой ранее был R12, увеличива­ется на 5...8 %. Хладагент К401А несовместим с минеральными маслами, поэтому во время ретрофита необходимо заправлять хо­лодильный агрегат алкилбензольным маслом. Требуется также замена фильтра-осушителя.

Хладагент рекомендуется применять для ретрофита в высоко- (выше О °С) и среднетемпературных торговых холодильных уста­новках (герметичные, бессальниковые компрессоры и компрессо­ры с открытым приводом), бытовых холодильниках и стационар­ных кондиционерах воздуха для замены R12.

Холодопроизводительность холодильной сис­темы, работающей на R401А, сопоставима с холодопроизводительнос­тью систем на R12 при температурах кипения выше -25 °С.

Хладагент R401В. Это зеотропная смесь среднего давления с температурным глайдом t_gl = 5 К. Давление насыщенного пара R401В несколько выше, чем у R12 (соответственно 1,36 и 1,08МПа при 45°С).

Хладагент разработан для ретрофита низкотемпературного оборудования холодильных транспортных систем (например, ох­лаждаемых контейнеров), работающего на R12 (температура кипе­ния -20...-30 °С), а также среднетемпературного торгового обору­дования и бытовых холодильников.

При ретрофите действующего холодильного оборудования сле­дует заменить фильтр-осушитель, а холодильную систему охлаж­дения заправить алкилбензольным маслом. Холодопроизводительность систем, работающих на хладагенте R401В, сопоставима с холодопроизводительностью на R12 при температурах кипения ниже -23 °С.

Хладагент R401В можно также использовать для замены R500 в действующем оборудовании.

Хладагент R401С. Это зеотропная смесь сред­него давления с темпе­ратурным глайдом t_gl = 4,5...5 К. Хладагент предназначен для ретрофита действу­ющих холодильных ав­торефрижераторов, рабо­тающих на R12. Термо­динамические и физи­ческие свойства хлад­агента позволяют осу­ществлять эффективную и безопасную замену R12. При ретрофите устано­вок, работающих на R12, перед переходом к хлад­агенту R401С заменяют фильтр-осушитель и ми­неральное масло на алкилбензольное.

Хладагент R409А. Представляет собой смесь на основе ГХФУ: R22, R124 и R142. Массовые доли компонентов составляют соот­ветственно 60; 25 и 15. Температура кипения при атмосферных условиях -34 °С. Молекулярная масса 97,4 г/моль. Потенциал разрушения озона ODP = 0,05. Хладагент негорюч и неядовит, совместим с минеральными, а также с алкилбензольными маслами. Предназначен для ретрофита холодильных систем мобильного торгового транспортного оборудования, быто­вых холодильников, промышленных холодильных установок с поршневыми и винтовыми компрессорами.

Хладагенты высокого давления.

Хладагент R402А. Это близкозеотропная смесь с температур­ным глайдом менее 1,6 К. Хладагент разработан для ретрофита оборудова­ния, заправленного R502 и работающего при низкой температуре кипения (-40 °С), где необходимо достичь температуры нагнета­ния, свойственной R502. В зависимости от условий эксплуата­ции холодопроизводительность оборудования, работающего на этом хладагенте, как правило, выше, чем у оборудования на R502, примерно на 11 %. Энергопотребление также несколько больше. Хладагент R402А по сравнению с R502 при одних и тех же услови­ях имеет повышенное давление на 13... 15 %.

R402А совместим с минеральными маслами, со смесями мине­рального и алкилбензольного масел, а также с алкилбензольными и полиэфирными маслами. Рекомендуется применение R402А в сочетании с алкилбензольным маслом. Во время ретрофита фильтр необходимо заменять.

Неазеотропность смеси может привести к изменению ее соста­ва и соответственно к ухудшению характеристики холодильной системы в процессе длительной работы.

Хладагент R402В. Это близкозеотропная смесь с температур­ным глайдом менее 1 К. Хладагент разработан как заменитель R502 для ретрофита холодильного оборудования, в котором необходимо оптимизи­ровать холодильный коэффициент. В тех случаях, когда сообра­жения энергетической эффективности являются определяющи­ми, предпочтение отдается хладагенту R402В, который превос­ходит R502 по энергетическим характеристикам. Хлад­агент перспективен для применения в торговом холодильном оборудовании, в охлаждаемом объеме которого температура ки­пения не опускается ниже -30 °С. Важно, что если температура кипения достигает -40 °С, то температура нагнетания может быть на 15 °С выше, чем у R502. Такое повышение температуры может отрицательно повлиять на систему смазки и сократить срок службы компрессора.

Хладагент совместим с минеральными маслами, со смесями минерального и алкилбензольного масел, а также с алкилбензольными и полиэфирными маслами. Во время ретрофита фильтр-осушитель необходимо заменять.

Вследствие того что состав хладагента многокомпонентный, могут произойти селективная потеря какого-либо компонента из-за утечки, вызванной негерметичностью холодильной системы, или изменение массы в отдельных ее элементах, что вызовет ухуд­шение энергетических характеристик оборудования.

Альтернативные многокомпонентные хладагенты группы ГФУ

Хладагент R404А. Это близкозеотропная смесь R125/R143а/R134а с соотношением массовых долей компонентов 44/52/4. Темпера­турный глайд менее 0,5 К.

В зависимости от условий эксплуатации обеспечиваются повы­шение холодопроизводительности на 4...5 % и снижение темпера­туры нагнетания в компрессоре до 8 % по сравнению с аналогич­ными характеристиками R.502.

После поступления в продажу с конца 1993г. R404А первона­чально использовали в новом оборудовании, рассчитанном на низкие и средние температуры кипения. В настоящее время R404А применяют в качестве заменителя R502 при ретрофите систем. При этом необходима замена минерального масла на полиэфир­ное и фильтра-осушителя.

Изменение состава смеси (R404А), циркулирующей в холо­дильной системе, может привести к ухудшению ее энергетических характеристик, особенно в схемах с ресивером или при значитель­ной длине коммуникационных линий.

Компонентом R404А служит R143а, который в чистом виде становится горючим при давлении 1 10⁵ Па и температуре 177 °С, а в смеси с воздухом - при объемной доле 60 %. При низ­ких температурах для возникновения горючести требуются высо­кие давления. Поэтому R404А также не следует смешивать с воз­духом или пользоваться и допускать присутствия высоких кон­центраций воздуха с давлением выше атмосферного или при вы­соких температурах.

Хладагент R407С. Торговая марка SUVA®9000. В качестве альтернативы хладагенту R22 фирма «Du Pont» для использова­ния в системах кондиционирования воздуха разработала хладагент R407С, у которого значения давлений кипения и конденсации близки соответствующим значениям для R22

Хладагент R407С - зеотропная смесь R32/R125/R134а (массо­вые доли компонентов соответственно 23/25/52 %). Вначале был создан хладагент следующего состава: 30/10/60 %. Позднее с целью уменьшения пожароопасности массовые доли компонентов были изменены: 23/25/52% (R407С); 20/40/40% (R407А); 10/70/20% (R407В); 10/45/45 % (FХ40).

Основное преимущество заключается в том, что при переходе с R22 на R407С не требуется значительного изменения холодильной системы. В настоящее время R407С рассматривают как оптималь­ную альтернативу R22 по холодопроизводительности и давлению насыщенных паров.

На рынке хладагентов R407С широко представлен и покупают его в тех случаях, когда необходимо либо заменить R22 в действу­ющем оборудовании (при незначительных изменениях), либо по­добрать хладагент вместо R22 для нового оборудования.

Вместе с тем большинство компаний озабочены большим температурным глайдом t_gl = 5...7 К, характерным для R407С, поэтому массовые доли компонентов предлагаемых смесей варь­ируют в широких пределах. Данный недостаток значительно за­трудняет обслуживание холодильных систем. Так, в системах с несколькими испарителями возможно нарушение исходной кон­центрации рабочего вещества, заправленного в систему. Анало­гичные трудности возникают и в холодильных системах с затоп­ленным испарителем.

При использовании R407С не требуется вносить существенные изменения в конструкцию холодильной установки - приходится лишь заменить холодильное масло на полиэфирное, а также элас­томеры, адсорбенты фильтров-осушителей и предохранительные клапаны. Совместимые с R407С полиэфирные масла чрезвычайно гигроскопичны. Это предъявляет жесткие требования к техноло­гии сборки холодильной машины. Кроме того, для R407С харак­терны очень низкие (на 25...30 % ниже, чем для R22) значения коэффициента теплопередачи, поэтому теплообменные аппараты холодильных систем, работающих на R407С, оказываются более металлоемкими.

Утечки из холодильной системы будут приводить к изменению состава хладагента и его растворимости в холодильном масле, что отразится на энергетической эффективности и условиях теплооб­мена в испарителе и конденсаторе. Изменение состава хладагента в процессе эксплуатации затруднит регулирование и усложнит процедуру дозаправки. Отсутствие контроля за концентрацией масла в испарителе может отразиться на эффективности протека­ющих в нем процессов теплообмена. Так, присутствие в рабочем веществе 0,2 % полиэфирного масла снижает коэффициент тепло­передачи R407С на 2 %. При содержании 2 % масла в хладагенте коэффициент теплопередачи уменьшается на 14 %.

При более низкой температуре нагнетания и немного более вы­соком давлении нагнетания энергетическая эффективность R407С близка к энергетической эффективности R22.

Важно, что R407С не предназначен для работы в смеси с дру­гими хладагентами. Добавление R407С к любому другому хлад­агенту может вызвать существенные изменения в показателях эффективности работы холодильной системы

Перед проведением операций по замене смеси традиционный хладагент + минеральное масло на смесь R407С + полиэфирное масло обращают внимание на химическую совместимость послед­ней с пластиками и эластомерами. Как показали исследования, не существует ни одной группы эластомеров или пластиков, которая бы подходила ко всем альтернативным хладагентам. Рекомендует­ся перед заменой хладагента и внесением конструктивных изме­нений в холодильную систему по отношению к таким ее элемен­там, как прокладки, уплотнения и поршневые кольца, прокон­сультироваться с производителем оборудования.

Холодильное масло подбирают с учетом трех факторов: возвра­та масла в компрессор; смазывающей способности и совместимости с материалами элементов холодильной установки. Для ис­пользования в сочетании с R407С рекомендуются полиэфирные масла. Производителей полиэфирных масел много, поэтому пе­ред выбором масла необходимо проконсультироваться с предста­вителем фирмы - изготовителя компрессора, а также другого оборудования, входящего в холодильную систему. Так, фирма «Соре1аnd» рекомендует масла «Моbil EAL Arctic 22 CC» и «ICI Emkarate RL 32 CF».

Недостаток полиэфирных холодильных масел - большая гигро­скопичность по сравнению с минеральными. Для погло­щения влаги маслом достаточен лишь кратковременный контакт его с окружающей средой, что делает масло непригодным для ис­пользования в холодильной системе. Поскольку полиэфирное масло более предрасположено к удерживанию влаги, чем мине­ральное, ее гораздо труднее удалить, применяя вакуум. Поэтому рекомендуется заправлять систему полиэфирным маслом, массо­вая доля влаги в котором не более 50 млн ^-1. При помощи фильт­ра-осушителя соответствующего размера можно поддержать мас­совую долю влаги в системе на уровне менее 50 млн ^-1. Если содер­жание влаги в масле, заправленном в холодильную систему, до­стигает недопустимо высокого уровня, то это может привести к появлению коррозии и осаждению меди на сопряженных деталях.

Хорошее вакуумирование снижает остаточные следы влаги до 10 млн ^-1. Систему вакуумируют до давления 0,3 10² Па или ниже. Если неизвестно, какое количество влаги присутствует в системе, следует взять пробу масла и проверить его на наличие влаги.

Обычно смотровое стекло (индикатор влаги), которое есть в действующей установке, можно использовать с новыми хладаген­тами и маслами. Однако индикатор влаги может давать непра­вильные показания. Действительный уровень влаги в масле будет выше, чем видно в смотровом стекле. Это происходит в резуль­тате высокой гигроскопичности полиэфирного масла.

Так как полиэфирные смазочные масла обладают гигроскопич­ностью и абсорбируют воду, особое внимание следует уделять их транспортированию и хранению. Контакт этих масел с воздухом должен быть сведен к минимуму, хранить их следует в герметич­ных металлических емкостях. При замене во время ретрофита смеси R22 + минеральное масло на смесь R407С + полиэфирное масло для достижения эквивалентной растворимости хладагента и масла остаточное количество минерального масла в системе не должно превышать 5 % общего количества масла в системе. Допу­стимое остаточное количество минерального масла в холодильной системе зависит от ее конфигурации и от рабочих условий. Если в холодильном контуре появляются признаки падения интенсивно­сти теплообмена в испарителе или наблюдается ухудшение воз­врата масла в компрессор, то, возможно, требуется дальнейшее снижение количества остаточного минерального масла. После про­ведения ряда смен масла с использованием полиэфирного масла остаточная концентрация минерального масла обычно снижается до минимального уровня. В настоящее время производителями масла разработана методика определения в «полевых» условиях содержания минерального масла в полиэфирном.

Как уже было сказано, снижение эффективности работы холо­дильной системы может происходить из-за утечек хладагента.

Если в работающей холодильной системе происходит утечка и жидкости, и пара R407С из той части, где находится парожидкостная смесь (теплообменники или ТРВ), состав оставшейся части хладагента практически остается таким же, каким он был первоначально. После дозаправки до первоначального количест­ва хладагента в системе ее производительность восстанавливается. Однако если происходит утечка пара из парожидкостной зоны не­работающей системы, состав оставшейся части хладагента изменя­ется. В оставшейся части повышается концентрация высококипя­щего компонента (R134а), концентрация низкокипящих компо­нентов (R32 и R125) понижается. Следствием изменения концен­траций компонентов, составляющих хладагент, является измене­ние состава смеси R407С и зависящих от него параметров работы холодильной системы.

Хладагент К507. Торговая марка «Genetron АZ50» («Allied Signal»). Состав смеси: R125 и R143а соответственно по массе 50 и 50%. Температура кипения -46,7 °С. Молеку­лярная масса 98,86 г/моль. Потенциал разрушения озона ОDР = О, потенциал глобального потенциала GWP = 3900. Хладагент разра­ботан для ретрофита низкотемпературных холодильных систем, работающих на R502, и для заправки нового оборудования в соче­тании с применением полиэфирных масел. Характеристики хлад­агента R507 приведены ниже:

Молекулярная масса, г/моль 98,86

Температура пара при давлении 0,1013 МПа, °С -47,1

Давление пара при 25 °С, МПа 1,29

Плотность жидкости при 25 °С, кг/дм³ 1,04

Критическая температура, °С 71

Критическое давление, МПа 3,72

Удельная теплота парообразования при давлении 0,1013 МПа кДж/к 196

Потенциал разрушения озонового слоя ОDР О

Потенциал глобального потепления HGWP 1

По характеристикам азеотропный хладагент R507 близок к R502. При использовании R507 холодильный коэффициент цикла мень­ше на 8... 11 %, а холодопроизводительность- на 1,..3%, чем в хо­лодильных системах, работающих на R502. Однако более низкие (на 6...9°С) значения температуры нагнетания позволяют приме­нять этот хладагент в тех низкотемпературных системах, где ис­пользование R502 встречает ограничения. Близкие к R502 значения плотности альтернативного хладагента R507 на входе в компрессор и степени сжатия указывают на необходимость самых минималь­ных изменений в конструкции действующих компрессоров.

Хладагент R410А. Торговая марка SUVA®9100. Представляет собой двойную азеотропную смесь гидрофторуглеродов R32 и R125 при равных массовых долях компонентов (50 и 50 %). По­тенциал разрушения озона СDР = 0. Потенциал глобального по­тепления НGWR = 0,45. Он служит хладагентом, альтернативным R22, и предназначен для заправки новых систем кондиционирова­ния воздуха высокого давления. Удельная холодопроизводительность R410А примерно на 50 % больше, чем у R22 (при температу­ре конденсации 54 °С), а рабочее давление в цикле на 35...45 % выше, чем у R22, что приводит к необходимости внесения кон­структивных изменений в компрессор и теплообменники, а сле­довательно, к возрастанию капитальных затрат.

Поскольку плотность R410А выше, чем R22, компрессоры, коммуникационные линии и теплообменники должны иметь мень­шие размеры.

В холодильных системах, работающих на R410А, рекомендует­ся использовать полиэфирные масла.

Хладагент R508В. Торговая марка SUVA®95. Представляет со­бой азеотропную смесь R23 и R116 при соотношении массовых долей компонентов 46 и 54 %. Температура кипения -88,3 °С По­тенциал разрушения озона СDР = 0. Предназначен для замены R503, R13 и R23 в низкотемпературном оборудовании. В качестве холодильного масла рекомендуется полиэфирное.