22 Рабочие вещества низкотемпературной техники

К рабочим веществам относятся холодильные агенты и вспомогательные рабочие вещества – хладоносители, смазочные материалы, ингибиторы, поверхностно активные вещества (ПАВ), материалы холодильного оборудования и др. вещества и материалы, применяемые в низкотемпературной технике.

Холодильные агенты (хладагенты) – вещества непосредственно участвующие в получении холода.

22.1 Хладагенты неорганического происхождения

В качестве неорганического хладагента можно использовать любое газообразное или низкокипящее неорганическое вещество:

воздух, инертные газы, CO₂, SO₂, NH₃, Н₂О и т.д. Международной организацией по стандартизации (ИСО) для обозначения хладагентов принят стандарт ИСО 817–74. В названии хладагента вначале записывается R – первая буква английского слова «refrigeration», что означает «охлаждение». Далее записывается число, которое состоит из суммы чисел 700 и целого численного значения мольной массы хладагента. Например, для аммиака:

R700 + М(NH₃) = R700 + 17 = R717.

Для наиболее часто применяемых хладагентов это следующие названия:

H₂ – R702, H₂О – R718, N₂ – R728, воздух – R729, CO₂ – R744 и т.д.

Наряду с этим для обозначения хладагентов может применяться любое химическое, тривиальное и товарное названия.

Например: CO₂, R744, оксид углерода (IV), углекислый газ. Для хладагентов абсорбционных машин применяются следующие названия:

NН₃ + H₂О – аммиачно-водный раствор,

H₂О + LiВr – водно-бромистолитиевый раствор и др.

Одним из лучших хладагентов является вода, но применение ее ограничено температурой замерзания равной 0 ^оC и высокой коррозионной активностью.

В химическом отношении инертные газы неактивны. Для остальных хладагентов следует учитывать возможные химические реакции в процессе их эксплуатации. Например:

CO₂ + H₂O → H₂CO₃,

NH₃ + H₂O → NH₄OH,

4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O,

4Cu + 8NH₃ + O₂ + 2Н₂О → 4[Cu(NH₃)₂]ОН и др. реакции.

22.2 Хладагенты органического происхождения

В качестве хладагентов могут быть использованы первые представители углеводородов, их галогенпроизводные и другие классы органических соединений, обладающие необходимыми теплофизическими свойствами.

В соответствии с ИСО 817-74 принята следующая номенклатура.

Вначале также записывается буква R, далее к условной цифре для каждого ряда углеводородов: CH₄ – 1, C₂H₆ – 11, C₃H8 – 21, C₄H₁₀ – 31 прибавляется число атомов водорода в молекуле хладагента и затем пишется цифра «0», указывающая на отсутствие фтора. Приведем названия соответствующих хладагентов:

CH₄ , метан, R(1+4)+0→ R50;

C₂H₆ , этан, R(11+6)+0→R170;

С₃H₈ , пропан, R(21 + 8) + 0→R290 .

Для двух изомеров бутана применяются следующие названия:

С₄H₁₀ , бутан → R600 и изобутан → R600а.

При наличии фтора, вместо цифры «0» пишется число атомов фтора в молекуле. Например,

CHF₃, трифторметан → R23.

Количество атомов хлора не указывается, так как их количество определяется по числу оставшихся свободных химических связей. Например,

CHFCl₂ , фтордихлорметан → R21.

Бром обозначается буквой B и цифрой указывается его количество. Например, CHFClВr, фторхлорбромметан → R21В1.

Циклические соединения обозначаются – RC. Например:

.

В случае непредельных соединений добавляется вначале цифра 1 до тысячи. Например:

CH₂=CH₂, этилен → R1150; CH₂=CH–CH₃, пропилен → R1270; CH₂=CH–CH₂–CH₃, бутен(бутилен) → R1390; ClCH=CHCl, 1,2-дихлорэтилен → R1130.

Для изомеров с ассимметричным строением добавляются буквы:

«а», «б», «в» и т.д. Например:

CH₂F–CH₂F, 1,2-дифторэтан → R152;

CHF₂–CH₃, 1,1-дифторэтан → R152а.

Несмотря на то, что изомеры имеют одинаковый состав, но в холодильной технике могут быть не взаимозаменяемы, так как часто существенно различаются по теплофизическим свойствам.

Для других классов применяются следующие названия:

CH₃NH₂, метиламин → R630;

C₂H₅NH₂, этиламин → R631;

C₂H₅О C₂H₅, диэтиловый эфир → Е610 и т.д.

Азеотропным или нераздельно кипящим смесям присвоен ряд R500. Данная смесь при пергонке ведет себя, как одно вещество. Например:

R500 (R12 – 73,8 %, R152а – 26,2 %);

R501 (R22 – 75 %, R12 – 25 %) и т.д.

Зеотропным или раздельно кипящим – ряд R400. Ообозначение и состав некоторых зеотропных хладагентов приведен в таблице 22.1.

Таблица 22.1– Составы некоторых зеотропных хладагентов

Хладагент	Массовая доля, %
	R22	R152	R124
R401А	53	13	34
R401В	61	11	28

По степени воздействия на озоновый слой фреоны разделяются на:

1) озоноопасные – ХФУ, хлор-фтор-углеводороды;

2) обладающие низкой озоноразрушающей активностью – ГФХУ, гидро-хлор-фтор-углеводороды;

3) озонобезопасные – ГФУ, гидро-фтор-углеводороды.

Существует ещё ряд классификаций по различным признакам. Например: по нормальным температурам кипения, по давлениям насыщенного пара

и другим показателям.

Некоторые химические свойства хладагентов органического происхождения

Предельные углеводороды в химическом отношении достаточно инертны. Суммарная реакция окисления метана имеет вид

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О.

Даже в смеси с воздухом данная реакция практически не идет, но достаточно внести в смесь источник инициирования (свободные радикалы, искру и др. воздействие), чтобы реакция начала протекать практически мгновенно (со взрывом). Это является следствием протекания реакции по цепному разветвленному механизму. При этом соотношение газ–воздух должно находиться внутри верхнего и нижнего порога взрываемости. Взрываемость не следует путать с самовоспламенением, которое возникает при сжатии взрывоопасной смеси. При резком сжатии (адиабатические условия) взрывоопасной смеси происходит нагрев её до температуры самовоспламенения и далее реакция протекает по цепному разветвленному механизму.

Непредельные углеводороды, за счет двойных связей, значительно более реакционноспособны. Для них возможна реакция полимеризации. Например,

nCH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)_n.

Качественной реакцией на непредельные углеводороды является взаимодействие их с бромной водой:

СН₂=СН–СН₃ + Br₂ → CH₂Br–CHBr–CH₃(1,2-дибромпропан).

В случае циклических соединений, из-за внутренних напряжений в цикле, возможно их разложение. Например,

Галогенпроизводные химически относительно инертны. При взаимодействии их с водой возможен гидролиз. Например,

СН₃Сl + НОН → СН₃ОН + НСl.

При замене в углеводороде водорода на галоген способность к окислению снижается. Например, ССl₄ является практически инертным веществом.

В случае других классов соединений следует учитывать возможные реакции для них.