3221

Хладагенты низкого давления применяют в тепловых насосах и установках кондиционирования воздуха (t0 выше – 10 °С); хладагенты среднего давления – в среднетемпературных установках (t0 от – 10 до – 30 °С). Хладагенты высокого давления – в низкотемпературных установках: одноступенчатых (t0 от – 30 до – 55 °С), двухступенчатых (t0 до

– 70 °С) и каскадных (t0н до – 110 °С).

1.4 Удельная и объѐмная холодопроизводительность

Удельной холодопроизводительностью хладагента q0 называют отношение количества отведенной от объекта теплоты Q к массе хладагента т, выходящего из испарителя: q0

= Q/m.

Зная q0, можно определить массовый расход хладагента М, необходимый для того, чтобы обеспечить холодопроизводительность машины Q0:

М = Q0/ q0.

Если Q0 выразить в кВт, а q0 – в кДж/кг, то М выразится в

кг/с.

Для определения требуемого объемного расхода хладагента V, что необходимо для подбора компрессора, надо знать объемную холодопроизводительность. Объемной холодопроизводителъностью qv называют отношение удельной холодопроизводительности q0 к удельному объему пара, выходящего из испарителя v:

qv = q0/ v.

Величина qv показывает, какое количество теплоты отведено от охлаждаемого объекта машиной, в которой проциркулировал 1 м3 хладагента. Необходимый объемный

138

расход хладагента V = Q0/qv. Если Q0 измеряется в кВт, a qv – в кДж/м3, то V имеет размерность м3/с. Чем больше qv, тем меньше требуемая объемная производительность компрессора для получения той же холодопроизводительности.

Наиболее высокие значения qv, имеют хладагенты высоких давлений, так как они имеют меньший удельный объем. Однако, выбирая эти хладагенты, необходимо проверить, чтобы давление в конденсаторе не превышало допустимых пределов.

1.5 Эффективность теоретического холодильного цикла

Холодильный коэффициент теоретического цикла

теоретическом цикле (при отсутствии потерь).

Значение εТ для одного и того же цикла при использовании различных хладагентов разное: чем меньше требуется затратить работы для получения холода (выше εТ), тем удачнее выбран хладагент.

1.6 Теплофизические свойства

Совокупность теплофизическнх свойств оказывает влияние на ряд показателей, влияющих как на конструкцию машины, так и на ее эксплуатацию. К таким показателям можно отнести:

Падение давления при движении по трубопроводам. У

хладагентов с малой относительной молекулярной массой, небольшой плотностью жидкости и пара, малой вязкостью

139

падение давления при движении по трубопроводам сравнительно ниже, что позволяет допускать большие значения скорости движения хладагента путем уменьшения диаметра трубопроводов.

Коэффициенты теплоотдачи. При низких коэффициентах теплоотдачи приходится увеличивать поверхность теплопередачи, что делает теплообменные аппараты дорогими и громоздкими. С увеличением теплопроводности, плотности, теплоемкости и с уменьшением вязкости хладагентов коэффициент теплоотдачи α, Вт/(м2·К), увеличивается (при одинаковой скорости).

1.7 Взаимодействие с маслами

Компрессоры без смазки сложны и дороги. Поэтому взаимодействие хладагента с маслом практически неизбежно. Если хладагент плохо растворяет масло (как, например, аммиак), то неизбежный унос частиц масла из компрессора в конденсатор и далее в испаритель приводит к загрязнению поверхности теплообменных аппаратов и ухудшению теплопередачи. Необходима частая дозаправка масла в компрессор и выпуск его из испарителя. Предпочтительнее хладагенты, хорошо растворяющие масла. Снижение коэффициента теплопередачи испарителя у них не так заметно. Можно обеспечить возврат масла из испарителя в компрессор, что упрощает эксплуатацию.

1.8 Растворение воды и химическая стойкость

Желательно, чтобы холодильный агент частично растворял воду. Попавшая в систему влага (с воздухом, при дозарядке влажным маслом) в случае нерастворимости ее хладагентом замерзает в дроссельном отверстии, нарушая

140

питание испарителя, что приводит к необходимости периодической осушки системы.

Хладагент не должен быть горючим, взрывоопасным, разлагаться при высоких и низких температурах.

1.9 Взаимодействие с металлами и другими веществами

Хладагент должен быть химически инертным по отношению к металлам и другим материалам, которые применяют в холодильных машинах. Хладагенты, растворяющие неорганические и органические вещества, обычно слишком текучи, что затрудняет уплотнение соединений.

2. Характеристики основных холодильных агентов

На заре холодильного машиностроения (конец XIX в.) наибольшее распространение получил аммиак. Благодаря высоким термодинамическим свойствам он вытеснил применявшиеся до него хладагенты, такие, как хлористый этил, сернистый ангидрид, хлористый метил, диоксид углерода и др. Сернистый ангидрид и хлористый метил стали ограниченно применять лишь в домашних холодильниках, а громоздкие углекислотные машины сохранялись некоторое время на кондитерских фабриках, где большое скопление людей на первый план выдвигало требование безопасности. Аммиак же токсичен и взрывоопасен.

Серьезную конкуренцию аммиаку составила группа новых хладагентов (30-е годы) под общим названием фреоны. Эта группа холодильных агентов представляет собой галоидные производные углеводородов: метана (СН4), этана (C2H6) и

141

пропана (С3Н8). Атомы водорода замещены у них галогенами (фтором F, хлором С1 или бромом Вr). Эти хладагенты по своим термодинамическим свойствам не уступают аммиаку, а главное, почти безвредны и безопасны. С удешевлением фреонов они полностью вытеснят аммиак.

Для обозначения хладагентов в СССР принята система, разработанная Международной организацией по стандартизации (ИСО), согласно которой хладагенты обозначаются буквой R (Refrigerant – холодильный агент) и цифрой. Для фреонов цифры однозначно связаны с химической формулой: последняя цифра указывает число атомов фтора, предпоследняя – число атомов водорода плюс 1, третья справа

– число атомов углерода минус 1. Оставшееся количество атомов хлора в цифре не указывается. Число атомов брома указывается после цифры (В1 – один атом, В2 – два атома брома и т. д.).

Например: 1) дифторхлорметан (CHF2CI) – R22; фтора – 2 атома (последняя цифра 2), водорода 1 атом + 1 = 2 (предпоследняя цифра 2); углерода 1 атом – 1 = 0. Цифра 0 впереди опускается. Поэтому производные метана имеют только две цифры.

В СССР галоидные производные метана называют хладонами (торговая марка фреона с допустимыми примесями влаги и других соединении);

2) днфторхлорэтан (С2Н3F2Сl) – R142: фтора – 2 атома (последняя цифра 2), водорода – 3 атома + 1 = 4, углерода 2 атома – 1 = 1 (третья цифра справа).

В 60-х годах начали применять смеси хладагентов. Так, смесь, состоящую из 90 % массы R22 и 10 % R12, обозначают R22/R12 (90/10). Азеотропные смеси, т. е. такие, в которых при кипении и конденсации массовый процентный состав практически не изменяется, условно обозначаются цифрами

500, 501 и т. д.

142

Хладагентам неорганического происхождения присваиваются номера, равные их удельной молекулярной массе, увеличенной на 700. Например, вода – R718, аммиак –

R717 и т. д.

Основные свойства наиболее распространенных у нас хладагентов приведены в табл. 1. Для хладагентов R12, R22, R13 и R717 обычно даны диаграммы h – lg р, необходимые для расчета циклов. Рассмотрим некоторые особенности применяемых холодильных агентов.

Воздух. Как жидкий холодильный агент воздух может быть использован в диапазоне – 150 – 200 °С. В диапазоне – 80 – 120 оС воздух используют только в виде газа (tкр = – 140,7 °С). При расширении с отдачей работы (в детандере) воздух резко охлаждается, и его подают в охлаждаемый объект. Низкие

аппаратов. При более высоких температурах применение воздушных машин неэкономично.

Вода. Как и воздух, безвредна и доступна. Из-за высокой температуры замерзания (0 °С) воду можно охлаждать не ниже 4 – 5 °С. Однако для этого нужны очень низкие остаточные давления (ниже 1 кПа). Поршневые машины были бы при этом слишком громоздки. Вода находит применение в пароэжекторных машинах для кондиционирования воздуха и технологических целей. Водный лед используют в небольших холодильниках, на транспорте, в ресторанах. При таянии 1 кг льда отбирает 335 кДж теплоты. Теплоемкость льда 2,1 кДж/(кг·К). Лед из морской воды (соленый) имеет температуру плавления – 0,5 –2 °С.

Диоксид углерода. Это хладагент высокого давления (при + 30 °С p ≈ 72·105 Па). Как хладагент парокомпрессионных холодильных машин диоксид углерода был вытеснен аммиаком, а затем фреонами. Тройная точка диоксида углерода (см. рис. 1) имеет температуру – 56,6 °С и давление 5,36·105 Па.

143

При более низком давлении диоксид углерода может существовать только в двух фазах: твердой или газообразной.

Твердый диоксид углерода (сухой лед) имеет температуру сублимации при атмосферном давлении – 78,9 °С. Плотность сухого льда 1300 – 1500 кг/м3. Холодопроизводительность 1 кг (теплота сублимации) 574 кДж/кг, а с учетом отепления пара до 0 °С – 633 кДж/кг. Диоксид углерода нейтрален к металлам и почти безвреден.

Сухой лед используют для охлаждения небольших объектов до – 60 – 70 °С, где требуется эпизодическое, непродолжительное охлаждение (в медицине, при испытании образцов приборов и т. д.); 90 % сухого льда используется для сохранения мороженого при перевозках и продаже. На реализацию 1 кг мороженого отпускается 100 г сухого льда.

Аммиак. Благодаря хорошим термодинамическим свойствам и дешевизне аммиак – наиболее распространенный хладагент на крупных установках. Высокие температуры после сжатия в компрессоре (120 – 130 °С) ограничивают область применения одноступенчатых аммиачных машин температурой кипения – 20 – 30 °С. В диапазоне t0 = – 70 – 30 °С применяют двухступенчатые аммиачные машины. Благодаря хорошим теплофизическим свойствам аммиак имеет высокие коэффициенты теплоотдачи.

У аммиака резкий запах, и уже в небольших концентрациях он вреден для человека. Допустимая концентрация аммиака в воздухе 0,02 мг/л (0,0028 % по объему). При больших концентрациях он вызывает сильное раздражение глаз и дыхательных путей. Появляется кашель, слезотечение, теряется голос. Сильное отравление аммиаком вызывает головокружение, ослабление пульса, судороги, потерю сознания. Жидкий аммиак вызывает сильные ожоги кожи. При концентрации аммиака 0,21– 0,39 % (по объему)

144

пребывание человека в помещении более 30 мин может вызвать смертельный исход. При объемной концентрации аммиака в воздухе 15 – 28 % открытое пламя или искра вызывают взрыв. При работе с аммиаком особенно важно строго соблюдать правила техники безопасности. Аммиак легче воздуха, поэтому вытяжную вентиляцию в машинных отделениях делают сверху. При появлении аммиака аварийные работы производят в противогазах и резиновых перчатках, которые всегда должны быть наготове. Кнопки аварийной остановки машины и включения аварийной вентиляции должны быть около компрессора и при входе в машинное отделение.

На черные металлы, а также алюминий и фосфористую бронзу аммиак не действует. Цветные металлы (цинк, медь и ее сплавы) аммиак разъедает. Аммиак и вода взаимно растворяются, что исключает замерзание влаги в системе. Минеральные масла почти не растворяет, что затрудняет эксплуатацию аммиачных машин.

Утечку аммиака можно обнаружить специальной индикаторной бумагой. Для приготовления индикатора надо 0,1 г фенолфталеина растворить в 100 г спирта, добавив 20 г глицерина. Полоски фильтровальной бумаги смачивают этим раствором и затем высушивают. Перед употреблением индикатор смачивают водой. При наличии в воздухе аммиака индикатор краснеет. Еще более чувствительный индикатор можно приготовить, растворив 0,5 г фенолрота (фенол красный) в 100 г спирта. Льняная ткань, смоченная таким раствором, даже в сухом виде краснеет при появлении аммиака. После прекращения действия аммиака индикатор принимает первоначальную окраску. Хранят аммиак в специальных баллонах, окрашенных в желтый цвет. Надпись «Аммиак» наносят черной краской. На каждый баллон есть паспорт. Заполнение сосудов аммиаком не должно превышать 0,57 кг на

145

1 л вместимости. Из-за токсичности и взрывоопасности аммиак постепенно заменяют R22.

Хладон-12 (R12). Наиболее распространенный хладагент в установках малой и средней холодопроизводительности. Объемная холодопроизводительность при стандартном режиме (t0 = – 15 °С; tк = + 30 °С) примерно в 1,5 раза ниже, чем у аммиака, но более низкие давления позволяют использовать его при температуре конденсации до 70 °С. Температура в конце сжатия составляет около 60 – 70 °С. Обычно R12 применяют в одноступенчатых машинах с t0 до – 30 °С, но его можно использовать и в более широком диапазоне температур кипения

(до – 70 °С).

Коэффициенты теплоотдачи у R12 ниже, чем у аммиака. Большая плотность пара вызывает потери давления в трубопроводах. Поэтому при проектировании увеличивают диаметры трубопроводов, площадь проходных сечений клапанов, чтобы уменьшить скорость движения пара в 2 – 2,5 раза по сравнению с аммиаком и снизить этим потери давления.

По токсичности R12 – один из наименее вредных хладагентов. Хладон-12 в 4,3 раза тяжелее воздуха. При содержании его в помещении около 30 % человек ощущает недостаток кислорода (головная боль, слабость). Необходимо предусматривать вентиляцию машинных отделений. Забор воздуха при этом должен быть снизу. Хладон-12 негорюч и невзрывоопасен, но при температуре свыше 400 °С разлагается, образуя фтористый и хлористый водород, а также следы ядовитого газа – фосгена. Продукты разложения фреонов вызывают раздражение слизистых оболочек, головную боль, рвоту и другие признаки отравления. Курить и работать с открытым пламенем в помещении, где установлены фреоновые машины, категорически воспрещается.

По отношению к металлам все фреоны инертны, но они хорошо смывают с металлов окалину, песок и загрязнения.

146

Чтобы грязь не забила проходное сечение регулирующего вентиля, на жидкостной линии фреоновых машин устанавливают фильтры из асбестовой ткани и мелкой латунной сетки.

Вода во фреонах почти не растворяется (при 0 °С не более 0,0006 % по массе). Даже небольшое количество влаги, оставшейся в системе при плохой сушке перед зарядкой, при дозарядке фреона или масла, а также попавшей с воздухом (при вскрытии отдельных узлов), вызывает замерзание влаги в дроссельном отверстии РВ, что нарушает питание испарителя. Поэтому при монтаже на жидкостной линии обычно устанавливают осушители, наполненные силикагелем или цеолитом, которые хорошо адсорбируют влагу. Хладон-12, как и большинство других фреонов, хорошо растворяет минеральные масла, что облегчает возврат масла в компрессор, упрощая эксплуатацию по сравнению с аммиаком. Фреоны хорошо растворяют различные органические вещества, например обычную резину. Поэтому прокладки для уплотнения разъемных соединений делают из специальных сортов резины, устойчивых к маслу, бензину и фреонам, или из паронита. Способность фреонов проникать через малейшие неплотности (текучесть) требует особенно тщательного уплотнения мест соединений.

Пары фреонов бесцветны и имеют очень слабый запах. Место утечки фреона определяют специальными индикаторами: галоидной горелкой (лампой) или галоидным течеискателем типа ГТИ. Принцип действия галоидной горелки основан на свойстве фреонов разлагаться при нагреве до 400 °С и в присутствии меди изменять цвет пламени. По мере возрастания доли фреона в воздухе бесцветное (светло-голубое) пламя становится светлозеленоватым, зелѐным, зелѐно-синим и фиолетовым.

147