Позначення і класифікація хладагентов
На початку XIX століття, на ранній стадії розвитку холодильної техніки, холодоагенти позначали хімічними формулами:
• двоокис вуглецю СО2;
• хлористий метил СH3 Сl;
• сірчистий ангідрид SO2.
Аміак використовували головним чином в стаціонарних машинах великої продуктивності, двоокис вуглецю застосовували в суднових холодильних установках (через його низьку токсичність), а хлористий метил і сірчистий ангідрид - в малих холодильних машинах і системах кондиціонування повітря, так як вони інертні до кольорових металів.
Однак їх висока токсичність була основною причиною пошуку інших малотоксичних агентів, які були синтезовані на базі «чистих» вуглеводнів (метану СH4 або етану С2 H6) шляхом їх фторування.
Фторовані холодоагенти - це група сполук, які називаються галогенізованими вуглеводнями. Вони створюються шляхом заміщення одного або більшої кількості атомів водню атомами хлору, фтору або брому.
Найбільш широкий випуск таких вуглеводнів в США здійснюва-ляет фірма «Дю Пон» під торговою маркою «Фреон».
В СРСР їм дали назву «хладон», однак дуже часто їх називаються вають «фреонами», а відповідні холодильні машини - «Фрео-новими», на відміну від аміачних.
У 1974 р в СРСР була прийнята розроблена ІСО спеціальна система позначення хладагентов - стандарт ISO 817-74.
Згідно з цим стандартом холодоагенти позначають буквою R - пер-вая буква англійського слова «Refrigerant» - холодильний агент, з по-наступним цифровим шифром:
• для холодоагентів неорганічного походження цифри відповід-обхідних молекулярної масі холодоагенту, збільшеної на 700;
• аміак NH3 - R717, двоокис вуглецю СО2. - R744, вода Н2 Про -R718.
Холодоагенти органічного походження - фреони, або хладони, - також позначаються літерою R, але цифровий шифр інший:
• остання цифра дорівнює числу атомів фтору;
• передостання дорівнює збільшеному на 1 числа атомів водню;
• третя справа дорівнює зменшеному на 1 числа атомів вуглецю.
Приклади позначення ряду холодоагентів наведені нижче (табл. 2.3).
Крім однорідних «чистих» хладагентов, використовуються також і їх суміші. При цьому розрізняють: азеотропні суміші, які в процес-сах кипіння і конденсації поводяться як «чисті» однокомпонентні речовини. Ці суміші позначають тризначними цифрами після букви R, починаючи з 500.
Застосування суміші дозволяє забезпечити роботу машини при ла-леї сприятливого режиму. Так, використання азеотропной суміші R502 замість однорідного холодоагенту R22 дозволяє без вакууму поні-жати температуру кипіння до -45,6 0 С, в той час як при роботі на R22 вакуум наступав вже при температурі кипіння - 40,8 0 С.
Таблиця. 2.3 - Позначення хладагентов по ІСО
Класифікація хладагентов здійснюється за двома величинами: «нормальної» температурі кипіння, відповідної «нормальному» атмосферному тиску 760 мм рт. ст. позначають tон. а також по давши-лення насичення, відповідному температурі конденсації 30 0 С, це тиск позначають Р30.
Всі холодоагенти ділять на три групи:
• холодоагенти високого тиску: Р30 ≥ 2МПа, вони ж Низькотемпе-турне - tон нижче -60 0 С;
• холодоагенти середнього тиску: Р30 менше 2 МПа, але більше 0,3МПа. Їх називають середньотемпературні, так як у них tон ви-ше -60 0 С і нижче -10 0 С;
• холодоагенти низького тиску: Р30 менше 0,3МПа, вони ж високо-температурні, так як tон вище -10 0 С.
Розглянемо основні властивості і області застосування конкретних хладагентов.
Аміак - R717, один з «старих» хладагентов, широко використовуваний до теперішнього часу. Це пояснюється його великою прихованою теплотою паротворення г і малими питомими енерговитратами. Сам він порівняно дешевий, має високу теплопровідність, що сприяє гарній тепловіддачі в процесах кипіння і конденсації. Помірні тиску Ро і Рк дозволяють використовувати малометаллоемкое холодильне обладнання. Різкий неприємний запах дозволяє легко знаходити місця його витоку з системи. Чистий безводний аміак не викликає корозії металів, проте в присутності вологи він впливає на кольорові метали (мідь, латунь), які тому не використовують в аміачних холодильних установках.
Аміак практично не розчиняє масло і необмежено розчиняється у воді. Аміак проводить електричний струм.
Перераховані властивості пояснюють широке застосування аміаку для холодильних установок великої продуктивності. Однак він має високу токсичність, пожежо- та вибухонебезпечний при концентрації від 16 до 26,8%. Допустима концентрація аміаку в повітрі - 0,5% обсягу. При експлуатації аміачних холодильних установок пред'являються високі вимоги правил безпеки. Пари аміаку легше повітря, тому витяжну вентиляцію роблять з верхньої частини машинного залу.
Хладони (фреони) відрізняються від аміаку відсутністю запаху, дуже малою токсичністю, пожежо- та вибухобезпечність. Вони добре розчиняються в маслі і нерозчинні у воді. Пари важчі за повітря. Їх можна використовувати в компресорах з вбудованими електродвигунами (герметичних і безсальниковим), так як вони не проводять електричний струм. При наявності відкритого полум'я хладони розкладаються, утворюючи фосген - високотоксичний газ. Тому в машинних залах забороняється курити. Інертні до всіх металів (чорних і кольорових).
У порівнянні з аміаком, хладони мають гірші термодінамі-етичні властивості, тому питомі енерговитрати вище. Вартість хладонов істотно перевищує номінальну вартість аміаку.
Зазначені властивості хладонов зумовлюють їх використання головним чином для машин малої та середньої продуктивності, а також в транспортних холодильних установках і в автономних кондиціонерах.
Порівняно недавно було виявлено, що ряд хладонов, маю щих в своєму складі атоми хлору, розкладають озоновий шар атмосфери. У 1986 р в Монреалі був підписаний Міжнародний протокол про огра-ніченний виробництва і контроль за використанням екологічно небезпечних хладонов. До найбільш озоноактівних групи відносять: R11, R12, R113, R114, R115, R502.
Озоноруйнуючих активність визначають наявністю атомів хлору в молекулі і оцінюють потенціал руйнування озону - ODP.
За ступенем озоноруйнівної активності холодоагенти ділять на три групи:
• з високою озоноруйнівної активністю (ODP> 1), це хлор-фторуглероди - ХФУ (з міжнародного позначення - CFC);
• з низькою озоноруйнівної активністю (ODP<0,1), это гидро-хлорфторуглероды – ГХФУ (по международному обозначению HCFC), к этой группе относят: R21, R22, R123, R124.
• холодоагенти, що не містять атомів хлору, це: фторуглероди (FC) і гідрофторвуглеці (HFC), вуглеводні (НС) і ін. Вони вва-ються повністю озонобезпечними (ODP = 0). До таких агентам від-носяться: R717, R134a, R125, R32, R23 і ін.
Хладоносителі і їх властивості
Хладоносителі - спеціальні рідини, які використовують для перено-са холоду з джерела його отримання (випарника) до охолоджуваного об'єкта: камери, апарату і ін.
При однакових «зовнішніх» умов - однакової температури повітря в охолоджуваному об'єкті і тепловим навантаженням - Енергоспоживання-ня в системі з хладоносителем буде вище, ніж в системі непосредст-венного охолодження, коли холодоагент кипить в апараті, що знаходиться в охолоджуваному об'єкті. Це пояснюється тим, що в системі з хладоносителем для його охолодження температура кипіння холодоагенту повинна бути на 5-8 0 С нижче, ніж в системі з безпосереднім охолодженням. Крім того, необхідна додаткова витрата енергії на роботу насосів, які здійснюють циркуляцію холодоносія.
Однак, незважаючи на більше енергоспоживання, систему з хладоносителем доводиться застосовувати в ряді випадків:
• коли використання системи безпосереднього охолодження не-допустимо через токсичність холодоагенту (аміак);
• при великій кількості споживачів холоду з різними температурами, розташованими на значній відстані один від одного;
• внаслідок спеціальних технологічних вимог до апаратів і умов зберігання харчових продуктів (молокозаводи, підпри-ємства пивоварної та виноробної промисловості).
Якщо не потрібні негативні температури, найкращим хладоносителем є вода. Вона найбільш доступна і дешева, має високу питому теплоємність, низьку в'язкість і малу корозійну активність, нетоксична і негорюча. Воду, як хладоноситель, використовують в центральних системах кондиціонування повітря, а також для охолодження молока та різних напоїв. Особливо зручна вода в системах з акумуляцією холоду, коли в періоди малої теплового навантаження можливе часткове її наморажіваніе на охолоджуючої поверхні випарника з подальшим використанням акумульованого таким чином холоду під час підвищеної теплового навантаження за рахунок танення льоду.
Очевидно, вода не може бути використана, якщо хладоноситель повинен мати температуру нижче 0 0 С. В цьому випадку використовують водні розчини солей - розсоли.
Розсіл з «критичної» концентрацією солі називають евтектіче-ським розчином. При підвищенні або зниженні концентрації солі температура його замерзання буде змінюватися.
У холодильній техніці найбільше застосування знаходять два види розсолу. Це водні розчини хлористого натрію (NaCl) і хлористого кальцію (СаСl2).
Евтектична концентрація для розчину CaCl2 відповідає 29,9%, при якій температура замерзання tз = -55 0 С, а у розчину NaCl евтектична концентрація дорівнює 23% і відповідна їй температура замерзання tз = -21,1 0 С.
При контакті з харчовими продуктами розчин СаСl2 надає про- продуктам гіркий присмак, тому контакт цього розсолу з продуктами не допускається.
Питома теплоємність розсолів у порівнянні з водою менше, так само як і теплопровідність. Отже, зі зростанням концентрації кількість циркулюючого розсолу повинно бути більше для забезпечення заданої холодопродуктивності. Щільність також зростає, що означає збільшення енергоспоживання на привід насоса.
Корозійна активність вище у розсолу NaCl, але він дешевше, ніж СаСl2.
Крім розсолів, як холодоносіїв використовують і інші рідини з низькою температурою замерзання і слабкою корозійної активністю, що в ряді випадків є вирішальним при їх виборі, незважаючи на більш високу вартість.
До таких Хладоносителі відносяться антифризів: етиленгліколь, пропіленгліколь, метанол (метиловий спирт) і гліцерин.