Холодильный агент (хладагент)—используемая в холодильной системе рабочая среда, которая поглощает теплоту при малых значениях температуры и давления и выделяет теплоту при более высоких температуре и давлении. Этот процесс сопровождается изменением агрегатного состояния рабочей среды. (ГОСТ Р 12.2.142—99).
Способность переходить из жидкого состояния в газообразное – это свойство всех веществ, но только некоторые из них подходят для использования в качестве хладагентов.
С развитием техники в качестве хладагентов использовались все новые и новые вещества: аммиак (NH3) – с 1874 года, диоксид серы (SO2) – с 1874 года, метилхлорид (C2H5Cl) – с 1878 года, углекислота (CO2) – с 1881 года. Эти хладагенты называют «классическими». Аммиак используется и в наши дни, в последнее время вновь набирает популярность применение в качестве хладагента углекислоты.
Для получения более низких температур (-110°C) были задействованы новые виды хладагентов: метан (CH4), этилен (C2H4), этан (C2H6), пропан (C3H8), бутан (C4H10) и пропилен (C3H6). К недостаткам этих веществ относят то, что они огнеопасны и при взаимодействии с воздухом образуют взрывоопасную смесь. Кроме того, из-за малой молекулярной массы, оборудование для их применения в качестве хладагентов должно иметь большую массу и крупные габариты.
В конце тридцатых годов прошлого века путем галогенизации насыщенных углеводородов хлором и фтором были синтезированы производные продукты, названные фреоны или хлорфтороуглероды, которые удовлетворяли техническим требованиям для применения в холодильных системах. Основой для получения хлорофтороуглеродов могут быть все насыщенные углеводороды (CmHxFyClz, 2m+2=n+x+y+z). Формула для определения количества возможных основных соединений выглядит так: (n+1)(n+2)/2. Например, метан создает 15 соединений, этан вместе с изомерами – 55, пропан – 332, а бутан – 1000.
Существуют следующие критерии выбора соединений для создания хладагента: большое количество атомов фтора (такие соединения менее токсичны и проявляют слабую химическую активность по отношению к металлам); малое количество атомов водорода (чем оно меньше, тем ниже воспламеняемость).
Далеко не все соединения галогенов и углерода (без водорода) горючи, но при взаимодействии с воздухом они образуют ядовитый газ фосген.
Ранее во многих холодильных системах использовался только хладагент ХФУ R12. В 1974 году учеными было установлено, что хлорфторуглероды разрушают озоновый слой Земли. Их использование было запрещено и им потребовалось найти замену.
Различают следующие типы хладагентов:
1. Предельные углеводороды и их галогенные производные
Они обозначаются буквой R с тремя цифрами после нее, т. е. R c d u, где:
- с (сотни)—число атомов углерода, уменьшенное на единицу;
- d (десятки)—число атомов водорода, увеличенное на единицу;
- u (единицы)—число атомов фтора.
В химической формуле соединения сумма атомов водорода, фтора и хлора равна 4 для производных метана, 6—для производных этана, 8—для производных пропана и т.д.
2. Непредельные углеводороды и их галогенные производные
Способ цифрового обозначения тот же самый, что и в предыдущем случае, но слева после буквы добавляется 1 для обозначения тысяч.
3. Циклические углеводороды и их производные
Для хладагентов на основе циклических углеводородов и их производных после буквы R перед цифровым индексом вставляется буква С (например, RC318).
4. Органические соединения
Им присвоена серия 600, а номер каждого хладагента внутри этой серии назначается произвольно (например R600 – бутан).
5. Неорганические соединения
Им присвоена серия 700, а идентификационный номер хладагентов, принадлежащих к этой серии, определяется как сумма числа 700 и молекулярной массы каждого хладагента. Например, для аммиака, химическая формула которого NH3, имеем lxl4(N)+3xl(H3)+700= =717, таким образом, он обозначается как R717. К данной группе относятся также вода (R718), углекислота (R744) и другие вещества.
6. Неазеотропные смеси
Неазеатропные смеси – вещества, жидкая и газовая фаза которых в состоянии термодинамического равновесия имеют разный состав. Иными словами, при одном и том же давлении кипения, температура кипения имеет разные значения. Этим хладагентам присвоена серия 400 с произвольным номером для каждого хладагента внутри этой серии.
7. Азеотропные смеси
В отличие от неазеотропных, состав газовой и жидкой фаз этих веществ одинаков, то есть они ведут себя как моновещество. Им присвоена серия 500 с произвольным номером каждого хладагента внутри серии.
Согласно ГОСТ Р 12.2.142—99 «Системы холодильные холодопроизводительностью свыше 3 кВт», хладагенты разделяются на следующие группы: невоспламеняющиеся нетоксичные холодильные агенты; токсичные и вызывающие коррозию холодильные агенты, нижний предел воспламенения которых (или нижняя граница взрыва) составляет более 3,5% по объему в смеси с воздухом; холодильные агенты, нижний предел воспламенения которых (нижняя граница взрыва) ниже 3,5% по объему в смеси с воздухом.
В данном курсе будут рассматриваться особенности монтажа оборудования, работающего на фреонах (хладагенты группы 1).
Хлорфторуглероды (ХФУ, CFC)
Вещества с высоким озоноразрушающим потенциалом (ОРП) запрещены к использованию Монреальским протоколом (международное соглашение о защите озонового слоя Земли). Производство ХФУ (например, R11, R12 и R114) на территории стран Европейского сообщества прекращено.
Гидрохлорфторуглероды (ГХФУ или HCFC)
Имеют невысокую озоноразрушающую способность и классифицируются Монреальским протоколом как переходные вещества. Их использование должно существенно сократиться в начале XXI века. Примером таких хладагентов являются R22, R123 и R124.
Гидрофторуглероды (ГФУ или HFC)
Вещества не содержат хлора, следовательно, имеют нулевой ОРП и не попадают под действие Монреальского протокола. К ним относятся хладагенты R125, R134a и R152a. Хладагент R134a может быть непосредственно использован вместо R12 при минимальной модернизации установки.
Критерии выбора хладагента
Физические свойства
Давление кипения
Давление кипения (абсолютное) должно составлять, по меньшей мере, 1 бар, абс..
При таком давлении воздух и вода не проникают в систему в случае небольших протечек или при использовании в системах сальниковых компрессоров.
Давление конденсации
Давление конденсации должно быть минимальным, чтобы не усложнять конструкцию системы и сократить потребление энергии. Рабочее давление в системе зависит от типа хладагента и конденсатора.
Разность давлений
Размер двигателя компрессора зависит от разности давлений pc—po. Она должна быть как можно меньше.
Степень сжатия
Степень сжатия должна быть как можно меньше. С ростом степени сжатия pc/po снижается коэффициент подачи компрессора λ и, следовательно, его производительность. Поэтому следует использовать хладагент с плоской кривой упругости пара.
Температура в конце сжатия
Учитывая, что смазочные материалы сохраняют стабильность в ограниченном диапазоне температур, температура в конце сжатия должна быть как можно ниже. Температура зависит от хладагента, степени перегрева всасываемого пара, а также от давления конденсации в системе и компрессоре.
Критическая температура внешней стенки трубопровода составляет от 120 до 140 °C.
Поэтому решающим фактором является температура пластин клапана на компрессоре, которая составляет около 160 °C. При более высокой температуре масло начинает коксоваться.
Коэффициент растворимости в воде
Присутствие воды в системе охлаждения нежелательно. Чем выше коэффициент растворимости хладагента в воде, тем больше влаги он может поглотить, предохраняя тем самым систему от поломок.
Учитывая способность сложноэфирных синтетических масел и полиалкиленгликолевых масел поглощать воду в большом количестве, уровень влажности в системе необходимо контролировать. Поставляемые хладагенты содержат остаточную влагу в количестве, не превышающем 20 промилле.
Удельная теплота парообразования и плотность газа на всасывании
Чтобы сделать вывод об охлаждающих свойствах определенного хладагента, необходимо учитывать эти две переменные. Чем большей удельной теплотой парообразования обладает хладагент, тем меньший рабочий объём цилиндров компрессора потребуется для достижения той же самой холодопроизводительности. Чтобы компрессор доставлял максимальное количество хладагента за один ход поршня, хладагент при входе в компрессор должен обладать максимально возможной плотностью.
Смешиваемость с маслами
Для нормальной циркуляции масла в охлаждающих системах необходима стопроцентная смешиваемость жидкого хладагента с маслом. При полной нерастворимости масла в хладагенте, как, например, в случае с аммиаком, применяют масла со специфическими свойствами или холодильные системы специальной конструкции.
Если пропорция масла и хладагента находится в «промежутке несмешиваемости», могут возникнуть сбои в работе системы охлаждения, связанные с доставкой масла. Кривая промежутка несмешиваемости зависит от типа хладагента и смазочного масла.
Химические свойства
Химическая активность хладагента по отношению к смазочным и другим видам материалов недопустима при любых условиях работы системы. Сами хладагенты обладают средней химической активностью. Этот факт следует принимать в расчет при смешивании хладагента и масла.
Физиологические свойства
Хладагент должен иметь высокую физиологическую совместимость (нетоксичность). Для R 134a максимально допустимая концентрация (предельное значение) составляет 1000 промилле. Вдыхание его паров при малой концентрации в течение 8 часов не оказывает вредного воздействия на организм человека. Высокое содержание хладагента в воздухе может привести к удушью, т.к. снижается доля кислорода (особенно у пола, так как R 134a, как и другие фреоны, тяжелее воздуха). Могут появиться головная боль, тошнота, потеря сознания.
Под воздействием открытого огня, ультрафиолета, при контакте с горячими или раскаленными металлическими поверхностями, хладагент распадается; продукты распада хладагента ядовиты.
Соответствие требованиям по охране окружающей среды
Использование, производство и утилизация хладагентов не должны оказывать отрицательного влияния на окружающую среду.
Озоноразрушающий потенциал (ОРП, ODP)
За последние несколько десятилетий естественная концентрация озона в стратосфере планеты снизилась, и слой, защищающий от вредного излучения Солнца, истончился. Причиной этого стали галогены (хлор, фтор и бром), которые выделяются из хлорфторуглеродов под воздействием ультрафиолета.
На международной конференции в Монреале в 1987 году был подписан Монреальский протокол, согласно которому страны-участники договорились к концу 1995 года свернуть производство веществ, разрушающих озоновый слой.
Поскольку некоторые хлорфторуглероды достигают высоты озонового слоя в течение 15-20 лет, истощение озонового слоя продолжится в ближайшем будущем.
Наиболее сильное истощение озонового слоя (более 50%) наблюдается в районе полюсов земли. Над Антарктикой можно наблюдать так называемую озоновую дыру в период с сентября по ноябрь, во время антарктической весны. В северном полушарии истощение проявляется зимой и весной. В период с 1968 по 1992 снижение уровня концентрации озона над Европой достигало в среднем трех процентов за 10 лет. В последние несколько лет этот показатель поднимался до 5 процентов. Увеличение интенсивности солнечной радиации повлечет за собой рост случаев заболевания раком кожи и катарактой.
ОРП хладагентов с самой высокой озоноразрушающей способностью, таких как R11 и R12, равен 1,0 (100%). ОРП других хладагентов оценивается в сравнении с ОРП R11.
Потенциал глобального потепления (ПГП, GWP)
Жизнь на Земле зависит от солнечной энергии. Однако большая ее часть отражается или отдается в космическое пространство в ходе испарения. Естественные парниковые газы, такие как водяной пар и углекислый газ, препятствуют отражению тепловой энергии и сохраняют ее в атмосфере Земли. Такой эффект можно сравнить с функцией стеклянного покрытия в парнике. При отсутствии парниковых газов средняя температура на поверхности Земли составляла бы не 18°C, а -15°C. Парниковый эффект, благотворный по своей сути, усиливается с увеличением содержания парниковых газов в атмосфере (CO2, пары хладагентов, метан, используемый в сельском хозяйстве). С наступлением эпохи индустриализации содержание углекислого газа в атмосфере неуклонно растет.
Усиление парникового эффекта стало причиной повышения средней температуры на Земле на 1-1,5 К. Глобальное потепление со временем приведет к повышению уровня мирового океана, изменению климата и погодным аномалиям.
Потенциал глобального потепления хладагентов определяется в ПГП (единица для диоксида углерода с временным горизонтом 100 лет) или H-GWP (единица для хладагента R11 с временным горизонтом 100 лет).
ПГП R12 равен 8500, R 134a – 1300.
Величина потенциала глобального потепления определяется путем моделирования реакций, происходящих в атмосфере, поэтому ее значения являются приблизительными.
Суммарный эквивалент теплового воздействия (TEWI)
Величина суммарного эффекта теплового воздействия (прямого и косвенного) определяется не только тепловым воздействием хладагента, но и системы, в которой он используется. Также принимается в расчет тепловое воздействие, вызванное энергетическими потребностями холодильной установки, высвобождением хладагентов во время утилизации и утечек. Различают прямой парниковый эффект, вызванный хладагентами (протечки, утечки при ремонте и утилизации) и косвенный парниковый эффект (выделение CO2 при выработке электроэнергии). Недостатком при определении суммарного эффекта теплового воздействия является игнорирование теплового воздействия при производстве каждого отдельного хладагента.
Каждый производитель хладагентов выпускает продукцию под собственным наименованием, например:
- Du Pont de Nemour имеет торговую марку Фреон (Freon) или Сува (Suva);
- Elf Atochem—торговую марку Форан (Fo-ran);
- Solvay—торговую марку Кальтрон (Kal-tron);
- Montedison—торговую марку Альгофрен (Algofrene);
- ICI—торговую марку Клеа (Klea);
- Daikin Kogyo—торговую марку Дайфлон (Daiflon) и т.д.
Поэтому один и тот же хладагент может обозначаться по-разному, однако цифровой код остается постоянным вне зависимости от компании-производителя.
Для перевозки и хранения хладагентов используется сосуды следующих типоразмеров:
| Характеристики стальных сосудов для чистых хладагентов (Primagax) | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Вместимость | Размер | Заправка продукта, нетто, кг | Примечания | ||
| Продаваемая тара | 1л Масса тары: 0,18 кг |
 |
F12 F22 F502 |
1 1 1 |
Использованние соответствующего вентиля с выходным резьбовым штуцером 1/4“ под развальцовку (FLARE) |
| Продаваемая тара | 6,2 л Масса тары: 4,4 л |
 |
F11 Наддувается азотом F12 F22 F114 F500 F502 |
8 7 6 8 6 6 |
Баллон продается незаправленным. Использование соответствующего вентиля с выходным резьбовым штуцером 1/4“ под развальцовку (FLARE) |
| Оборотная тара | 6,7 л Масса тары: 16 кг |
 |
F13 F14 F503 |
6 4 6 |
Простой вентиль с плоским фланем на выходе Ø18х150 |
| Оборотная тара | 12л Масса тары: 9кг |
 |
F11 Наддувается азотом F12 F22 F114 F500 F502 |
14 12 12 12 12 12 |
Горловина имеет отверстие для азотной магистрали с трубной цилиндрической резьбой 1/4“ (SAE) под развальцовку. Соединение с плоским фланцем Ø18х150 |
| Оборотная тара | 26,5л Масса тары: 13 кг |
 |
F11 Наддувается азотом F12 F22 F114 F500 F502 |
30 30 25 30 25 25 |
Горловина имеет отверстие для азтной магистрали с трубой цилиндрической резьбой 1/4“ (SAE) под развальцовку. Соединение с плоским фланцем Ø18х150 |
| Оборотная тара | 61 л Масса тары: 28,5 кг |
 |
F12 F22 F114 F500 F502 |
70 62 78 57 64 |
Вентиль оборудован двумя выходами: для жидкости и для газа. Размер выходов Ø 21,7х1,814 или Ø 18х150 |
| Оборотная тара | 88 л Масса тары: 37кг |
 |
F12 F22 F502 |
100 90 95 |
Вентиль оборудован двумя выходными: для жидкости и для газа. Размеры выходовØ 21,7х1,814 или Ø 18х150 |
| Оборотная тара | 860 л Цистерна Масса тары: 500 кг |
 |
F11 F12 F22 F502 |
1156 989 886 903 |
Ø26, – 1,81451 Выход:коническая или цилиндрическая трубная резьба 1“ |
Контрольные вопросы:
- Что называется хладагентом?
- Как обозначаются хладагенты и как расшифровываются их?
- Как классифицируются хладагенты по ГОСТ Р 12.2.142—99?
- Каковы критерии для выбора хладагента?
Литература:
- Учебник по холодильной технике. В. Маке, Г.-Ю. Эккерт, Ж.-Л. Кошпен.. Перевод с французского д-р технических наук В. Б. Сапожников. М., 1998. – 1142 с.