Требования к холодильным агентам

1. Термодинамические свойства

– Нормальная температура кипения. Эта температура холодильного агента должна быть низкой, что дает возможность избежать вакуума в испарителе холодильной машины. При вакууме в систему может проникать воздух, что ухудшает работу машины.

– Давление в конденсаторе. При охлаждении конденсатора водой или воздухом давление не должно быть чрезмерно высоким. Снижение предельного давления в машине позволяет облегчить конструкцию. Кроме того, уменьшается опасность утечки холодильного агента через неплотности. Для холодильных агентов, используемых в машинах умеренного холода, давление в конденсаторе должно быть не более 2 МПа.

– Теплота парообразования. Теплота парообразования и зависимая от нее величина холодопроизводительности 1 кг холодильного агента q₀ (в кДж/кг) должны быть значительными, тогда в машине будет циркулировать меньшая масса холодильного агента Однако это требование не распространяется на холодильные агенты, используемые в малых поршневых холодильных машинах, т.к. при большой холодопроизводительности 1 кг холодильного агента будет циркулировать очень незначительное количество холодильного агента и это затруднит автоматическое регулирование.

– Удельная объемная холодопроизводительность. Важным свойством холодильного агента является удельная объемная холодопроизводительность q_v (в Дж/м³), т.е. количество теплоты , отводимое от объекта охлаждения, отнесенное к 1 м³ пара, который засасывается компрессором из испарителя. Удельная объемная холодопроизводительность агента q_v должна быть, возможно, большей для поршневых компрессорных машин, т.к. при этом уменьшаются объем засасываемого компрессором пара и, следовательно, размеры цилиндров компрессора. Но это требование не распространяется на холодильные агенты, используемые в малых поршневых холодильных машинах, т.к. при большой объемной холодопроизводительности размеры компрессоров окажутся настолько малыми, что исполнение их будет затруднено. Холодильные агенты, характеризуемые малой объемной холодопроизводительностью, пригодны также для турбокомпрессорных холодильных машин, которые экономичнее работают при больших объемах всасывания.

– Температура замерзания. Эта температура должна быть значительно ниже рабочей температуры кипения, с тем, чтобы исключить возможность замерзания холодильного агента в испарителе.

– Критическая температура. Эта температура должна быть достаточно высокой, чтобы можно было осуществить процесс сжижения при температуре окружающей среды и обеспечить более экономичную работу машины. При приближении к критической точке уменьшается теплота парообразования, а значит, и холодопроизводительность 1 кг холодильного агента, увеличиваются затраты работы в цикле холодильной машины и потери при дросселировании.

2. Физико-химические свойства

– Плотность и вязкость. Величины плотности и вязкости холодильного агента желательны небольшие, т.к. при этих условиях снижается сопротивление движению холодильного агента по системе и, следовательно, уменьшаются потери давления.

– Теплопроводность и теплоотдача. Эти свойства характеризуются коэффициентами теплопроводности и теплоотдачи, величина которых должна быть, возможно, большей, что улучшает работу теплообменных аппаратов (испарителя и конденсатора) вследствие повышения интенсивности теплопередачи.

– Растворимость. Для эксплуатации масел в холодильных машинах температура помутнения (при которой из масел выпадают тяжелые углеводороды (парафины)) должна быть во всех случаях ниже температуры кипения хладагента в испарителе. По степени взаимной растворимости с минеральными маслами рабочие вещества могут быть разделены на три группы: с ограниченной растворимостью, с неограниченной растворимостью; промежуточные – с ограниченной растворимостью в определенном интервале температур. Вещества первой группы в состоянии насыщения растворяются в масле в небольшом количестве. При увеличении количества масла смесь разделяется на два слоя – масло и холодильный агент. Вещества второй группы в переохлажденном состоянии с маслом взаимно растворяются в неограниченных количествах. В состоянии насыщения количество рабочего вещества, растворяющегося в масле, зависит от температуры раствора и давления пара над ним: с повышением давления и снижением температуры концентрация хладона в масле возрастает. Вещества третьей группы при высоких температурах растворяются в масле неограниченно. Ниже некоторой критической температуры растворения раствор разделяется на два слоя. Необходимо выбирать масло с возможно более низкой критической температурой растворения: R22 имеет критическую температуру растворения t_к.кр=24 ºС неограниченно растворяется в масле при высоких температурах (в конденсаторе), а при низких температурах (в испарителе) будет расслаиваться; R12 имеет t_к.кр=-45 ºС, поэтому при температурах процессов машины выше этого значения такой хладагент обладает неограниченной растворимостью. Практически не растворяются в минеральных маслах вещества R13, R14, R115, R22, R114, а азеотропная смесь из R152 и R12 растворяется частично; Rll, R12, R21, R113 растворяются неограниченно. Если холодильный агент не растворяется в масле, то из цилиндра компрессора меньше уносится масла, отсутствует пена в испарителе, не изменяется температура кипения при постоянном давлении, в то время как для растворимого в масле холодильного агента температура кипения зависит от его концентрации. Однако масло, попадающее с нерастворимым агентом в теплообменные аппараты, оседает на поверхности и ухудшает теплопередачу. Если холодильный агент растворяется в масле, то создаются благоприятные условия для смазки компрессора, т.к. масло с холодильным агентом проникает в труднодоступные места, а также для теплообмена в испарителе и конденсаторе, в результате того, что слой масла с теплопередающей поверхности почти полностью смывается. Малая растворимость холодильного агента в воде является отрицательным свойством. При попадании влаги в систему она может замерзнуть (при отрицательных температурах), образовав ледяные пробки, и нарушить циркуляцию холодильного агента. Аммиак и вода обладают полной взаимной растворимостью. Технический аммиак должен содержать не более 0,2 % воды. Растворимость воды в жидких хладонах мала и составляет при температуре 15,6 °С в зависимости от типа хладона 0,01—0,10 % (по массе). Уже небольшое количество влаги вызывает гидролиз хладонов с образованием кислот. Образующиеся кислоты оказывают коррозионное воздействие на металлические детали холодильных машин и разрушают электрическую изоляцию встроенных электродвигателей. Чистые углеводороды (этан, пропан, изобутан) не реагируют с водой. Хладон R12 для герметичных машин должен содержать не более 0,0004 % (по массе) влаги, хладон R22 – не более по 0,0025 % (по массе).

– Текучесть. Текучесть через неплотности в соединениях и поры металла должна быть минимальной.

– Воздействие на металлы. Холодильный агент должен быть химически инертным по отношению к металлам и другим материалам, которые применяют в машине. Аммиак не корродирует стали, однако в присутствии влаги вступает в реакцию с цинком, медью, бронзой и другими сплавами, содержащими медь. Двуокись углерода, пропан, изобутан инертны ко всем металлам. В обезвоженном состоянии хладоны инертны ко всем металлам при температурах, в пределах которых осуществляются термодинамические циклы холодильных машин. Исключение составляют сплавы, содержащие более 2 % магния. Все полностью фторированные органические соединения химически нейтральны. Хладоны являются хорошими растворителями, поэтому многие неметаллические материалы в них нестойки. Для прокладок в хладоновых машинах рекомендуется применять паронит, фторопласт, специальную (нефритовую) резину.

– Химическая стойкость. Холодильный агент не должен быть горючим, взрывоопасным и не должен разлагаться при высоких и низких температурах. Температуры разложения применяемых в холодильной технике хладагентов значительно выше температур, при которых осуществляются термодинамические циклы холодильных машин. Термическая устойчивость хладагентов различна. Аммиак начинает распадаться на азот и водород при температуре выше 250 ºС, двуокись углерода – при температуре выше 1500 ºС. Термическая устойчивость хладонов достаточно высока, однако разложение этих соединений сопровождается образованием хлористого и фтористого водорода, а также следов фосгена. Хладагент R12 в присутствии железа, цинка, дюралюминия, меди начинает разлагаться при 410–430 °С, в присутствии свинца – при 330 °С, хладагент R22 в присутствии железа – при 550 ºС. На основании анализа опубликованных данных можно заключить, что относительная термическая стойкость хладонов уменьшается в следующем порядке R11 < R21 < R113 < R22 < R12 < R114 < R115 < R318C < R13 < R14. Хладагенты R14, R318C, R218, R846 термически очень устойчивы, распадаются только при температуре красного каления. Наименее устойчивы к влиянию высоких температур бромированные углеводороды. Термическая устойчивость хладагентов снижается в присутствии смазочных масел. Разложение хладагентов оказывает отрицательное влияние на надежность компрессоров, продолжительность использования в них масла без замены. Хладагенты обладают различной степенью воспламеняемости и взрывоопасности. Аммиак в соединении с воздухом при концентрациях 16–26,8 % взрывоопасен и воспламеняем. Наибольшей взрывоопасностью характеризуются этан, этилен, пропан и бутан. Так, с точки зрения воспламеняемости допустимая норма содержания в воздухе этана и пропана не должна превышать 40 г/м³, этилена – 32 г/м³. Не воспламеняются и не взрывоопасны двуокись углерода, R22, R23, R123, R124, R125, R134, R134a.

3. Физиологические свойства

Холодильный агент должен быть безопасен для жизни и здоровья человека, не влиять отрицательно на качество пищевых продуктов. Стоимость холодильного агента не должна быть высокой. Аммиак (R717) раздражает слизистые оболочки глаз, желудка, дыхательных путей, вызывает спазмы дыхательных органов, ожоги кожи. Наличие его в воздухе ощущается уже при объемной концентрации 0,0005 %. Если в воздухе содержание аммиака свыше 0,5 % по объему, то при продолжительном пребывании возможно отравление. Для хладагентов R11, R21 смертельная концентрация составляет 10 % (по объему), для R12 и R22 — 20 % (по объему). Полностью фторированные хладоны относятся к наименее токсичным соединениям. Практически не токсичны R12BI, R13B1, R114B2.

4. Влияние на окружающую среду

Отдельные хладагенты (в основном хладоны) являются одним из источников разрушения озонового слоя атмосферы Земли. Ряд хладагентов, находясь в атмосфере, создают парниковый эффект. Более 95 % мирового производства фреонов приходится на хладагенты R11, R12, R22, R113, R115. Химическая стабильность фреонов столь высока, что молекулы этих веществ не разрушаются в тропосфере (нижняя часть атмосферы высотой до 16 км) и достигают стратосферы (слой атмосферы от 16 до 45 км). Под действием ультрафиолетового излучения происходит распад молекул фреонов с выделением атомов хлора, которые вступают в реакцию с озоном с образованием окислов и кислорода:

Cl+O₃→ClO+O₂.

Для холодильной техники основной задачей является резкое сокращение применения самого распространенного озоноактивного хладагента R12. Частично это сокращение может быть компенсировано за счет расширения использования наиболее универсального и одного из самых распространенных хладагентов R22, имеющего низкую озоноактивность.