Холодильные агенты.

Хладагент (холодильный агент) – это рабочая система, которая используется в холодильной технике. При низких температурах и давлении она поглощает тепло, а при их более высоких значениях – выделяет. При этих процессах агрегатное состояние рабочей среды изменяется. (ГОСТ Р 12.2.142—99)


В качестве холодильного агента в холодильной системе могут быть использованы не все вещества, способные менять состояние из жидкого в газообразное.


По мере развития технического прогресса менялись и вещества, которые исполняли функции холодильных агентов. С 1874 года для этой цели применялись аммиак (NH3) и диоксид серы (SO2), с 1878 года стал использоваться метилхлорид (C2H5Cl), еще чуть позже, с 1881 года, – углекислота (CO2). Эти соединения получили название «классические хладагенты». Аммиак применяется и в современных холодильниках. В последние годы все активнее используется хладагент углекислота.


Чтобы добиться более низкого температурного режима (до -110 0С), привлекаются новые вещества. В частности, этан (C2H6), бутан (C4H10), пропан (C3H8), метан (CH4), пропилен (C3H6) и этилен (C2H4). Правда, каждое из них не лишено недостатков: вступая в реакцию с воздухом, они становятся взрывоопасны и, кроме того, являются огнеопасными сами по себе. Данные соединения обладают малой молекулярной массой, из-за чего они могут использоваться в качестве холодильных агентов в крупногабаритном оборудовании с большой массой.


В конце 30-х гг 20-го столетия были синтезированы фреоны, или хлорфторуглероды. Они получены галогенизацией насыщенных углеводородов с фтором и хлором. Новые вещества соответствуют требованиям холодильных систем. Формула хлорфторуглеродов, полученных на основе насыщенных угловодородов: CmHxFyClz, 2m+2=n+x+y+z. Количество возможных основных соединений рассчитывается по формуле: (n+1)(n+2)/2. Бутан может дать 1000 соединений, пропан – 332, метан – 15, этан с изомерами – 55.


При поиске оптимального соединения для получения хладагента предпочтение отдается тем, в которых больше атомов фтора и меньше атомов водорода. Большое содержание фтора делает соединение менее токсичным и менее активным при взаимодействии с металлами, а количество водорода прямо пропорционально воспламеняемости соединения.


Высокой горючестью обладают не все соединения углерода и галогенов. Но даже не становясь взрывоопасными от взаимодействия с воздухом, они все равно представляют химическую опасность, так как образуют фосген – ядовитый газ.


Прежде практически во всех холодильных установках применялся холодильный агент ХФУ R12. Но в 1974 г. ученые обнаружили, что такие соединения негативно воздействуют на озоновый слой земли. В результате эти вещества попали под запрет, который распространяется для всей холодильной техники, не исключая и современные агрегаты. Мир оказался перед необходимостью альтернативных веществ, которые можно было бы использовать в качестве хладагента без угрозы для окружающей среды.


Классификация холодильных агентов:


1. Предельные углеводороды и галогенные производные от них


Для идентификации хладагентов этого типа используется обозначение в виде R c d u, где с - это (количество атомов углерода -1), d – (количество атомов водорода +1), u – количество атомов фтора.


При получении соединения его химическая формула рассчитывается так, чтобы суммарное количество атомов фтора, водорода и хлора составляло для производных метана 4, этана – 6, пропана – 8. Нужных показателей добиваются добавлением в соединение атомов хлора.


2. Непредельные углеводороды и галогенные производные от них


Обозначение хладагентов этого типа идентично вышеописанному, но в числовую часть классификатора добавляется разряд тысяч (слева в числовой ряд дописывается единица).


3. Циклические углеводороды и производные от них


Обозначение строится по тем же принципам, что уже были описаны, но после буквы R дописывается буква С. В итоге, классификатор приобретает вид RC c d u.


4. Органические соединения


Для обозначения этой группы хладагентов используется общий серийный номер – 600, а на конкретный хладагент внутри серии указывает номер, стоящий перед обозначением серии. Например, для обозначения бутана используется обозначение R600.


5. Неорганические соединения


Это группа хладагентов получила серийный номер 700. Конкретный хладагент из серии обозначается идентификатором, который вычисляется по формуле: 700 + Х, где Х – молекулярная масса хладагента. Для примера, рассчитаем обозначение для аммиака (NH3): lxl4(N)+3xl(H3)+700 =717. Т.е. такой хладгент будет записан в виде R717.


6. Неазеотропные смеси


К веществам данного типа относятся те, в которых при термодинамическом равновесии жидкая и газовая фазы отличаются по составу. Хладагенты этой серии имеют общий номер 400 с произвольным идентификатором для отдельных холодильных агентов.


7. Азеотропные смеси


Состав этих соединения остается неизменным как для газовой, так и для жидкой фазы. Номер серии – 500. Номер для каждого хладагента серии назначается произвольно.


Есть и другая классификация хладагентов. Она соответствует стандарту ГОСТ Р 12.2.142—99 для установок, производительность по холоду которых превышает 3 кВт:


1 – невоспламеющиеся нетоксичные


2 – токсичные соединения, которые вызывают коррозию. Их нижняя граница взрыва превышает 3,5 % по объему в смеси с воздухом.


3 – соединения с нижней границей взрыва до 3,5 %.


Хлорфторуглероды (CFC)


Монреальский протокол, разработанный с целью защиты озонового слоя, запретил использовать вещества, обладающие высокой способностью разрушать озоновый слой (ODP). В связи с этим на территории Европейского сообщества остановлено производство ХФУ (в частности, хладагентов R11, R12, R114).


Гидрохлорфторуглероды (HCFC)


ODP этих веществ ограничена. По классификации Монреальского протокола они относятся к переходным веществам, применение которых необходимо сократить до возможного минимума. К таким холодильным агентам относятся соединения R22, R123, R124.


Гидрофторуглероды (HFC)


Из-за отсутствия хлора в составе соединения эти вещества обладают нулевой озоноразрушающей способностью, а потому по Монреальскому протоколу они не попадают под запрет на использование. Такими хладагентами являются R125, R134a, R152a.


Принципы выбора хладагента для холодильной установки


Физические показатели


1. Абсолютное давление кипения не менее 1 бар. При таких показателях небольшие протечки не приведут к проникновению в систему воздуха и воды. Также от проникновения воды и воздуха защищены системы с использованием сальниковых компрессоров.


2. Для снижения энергопотребления без усложнения конструкции необходимо, чтобы показатели давления конденсации были минимальными. Рабочее давление холодильной системы определяется конденсатором и типом холодильного агента.


3. Разность давлений определяет размер двигателя компрессора. Этот показатель должен быть минимальным.


4. Чем выше степень сжатия (определяется отношением pc к po), тем ниже производительность компрессора. Поэтому степень сжатия должна быть невысокой. Для этого выбирается хладагент с плоской кривой упругости пара.


5. Диапазон температур, при которых смазочные материалы остаются стабильными, ограничен. Важно, чтобы в конце сжатия температура была как можно меньше. Этот показатель определяется типом хладагента, давлением конденсации и степенью перегрева всасываемого пара. Критическая температура внешней поверхности трубопровода колеблется в диапазоне от 120 до 140 0С. Если температура пластин клапана превысит 160 0С, произойдет коксование масла.


6. Желательно избегать попадания воды в холодильную систему. Хладагенты с высоким коэффициентом растворимости в воде способны поглотить больше влаги, что важно для предотвращения поломок системы охлаждения.


Полиалкиленгликолевые и синтетические сложноэфирные масла способны поглощать большое количество влаги. Поэтому уровень влажности в системе должен находиться под постоянным контролем. Хладагенты поставляются с содержанием остаточной влаги в количестве не более 20 ppm.


7. Охлаждающие свойства хладагента зависят от плотности газа на всасывании и удельной теплоты парообразования. Хладагент с высокой удельной теплотой парообразования позволяет достигать высокой производительности по холоду, используя компрессоры с цилиндрами меньшего рабочего объема. Большая плотность газа нужна для того, чтобы компрессор мог за один ход поршня доставлять большее количество хладагента.


8. Чтобы в системах охлаждения поддерживалась нормальная циркуляция масла, жидкий хладагент должен обладать 100 %-ой смешиваемостью с маслом. Если масло совершенно нерастворимо в хладагенте, необходимо использовать холодильную систему особой конструкции или выбирать масла со специфическими свойствами.


9. Существуют хладагенты, для которых невозможно создать условия, при каких они бы смешивались с маслами. Когда соотношение холодильного агента и смазочного материала лежит в промежутке несмешиваемости, повышается вероятность сбоев в функционировании холодильной установки. Кривая промежутка несмешиваемости определяется типами масла и хладагента.


Химические показатели


Химическая активность холодильных агентов является средней, что необходимо учитывать при выборе масла для холодильной системы. В любых условиях работы системы не допускается, чтобы хладагент проявлял химическую активность к смазочным и другим материалам.


Физиологические показатели


Хладагент не должен быть токсичным соединением, т.е. его физиологическая совместимость должна быть высокой.


Так, например, хладагент R134a может присутствовать в концентрации не более 1000 ppm (это его предельное значение). Если его пары присутствуют в малой концентрации, то человек без вреда для организма может вдыхать их на протяжении 8 часов (не более). Если же хладагент содержится в воздухе в высокой концентрации, в пространстве снижается содержание кислорода, что может привести к возникновению головной боли, тошноты, потери создания и удушью. Т.к. фреоны тяжелее воздуха, их максимальная концентрация достигается вблизи от пола.


Хладагент, вступая в реакции с открытым огнем, горячими металлическими поверхностями и ультрафиолетом, распадается на продукты, которые обладают высокой токсичностью.


Требования охраны окружающей среды


Производство, использование и утилизация холодильных агентов должны выполняться без причинения вреда окружающей среде.


Озоноразрушающая способность


Основная функция озонового слоя Земли – защита планеты от вредного ультрафиолетового излучения, исходящего от Солнца. Но за последние десятилетия концентрация озона существенно снизилась из-за высокого содержания в стратосфере выделяемых из хлорфторуглеродов галогенов.


С целью защитить Землю от губительного воздействия ультрафиолета, в 1987 г в Монреале состоялась международная конференция, результатом которой стало подписание Монреальского протокола. Страны, поставившие свои подписи под этим значимым для всего человечества документом, приняли обязательство к окончанию 1995 года свернуть производство озоноразрушающих веществ. К сожалению, Монреальский протокол ратифицирован пока не во всех государствах.


В связи с тем, что некоторым хлорфторуглеродам для достижения высоты озонового слоя требуется 15-20 лет, даже после полной остановки производства и отказа от использования хладагентов с высокой ODP истощение озонового слоя будет продолжаться еще несколько лет.


В районе Северного и Южного полюсов истощение озонового слоя превышает 50%, а во время антарктической весны, которая длится в Антарктиде с сентября по ноябрь, можно наблюдать эффект, получивший название «озоновая дыра». В северном полушарии визуально результаты истощения озона наблюдаются весной и зимой. С 1968 по 1992 годы истощение озонового слоя над Европой составляло около 3% за десятилетие. Но в последнее время этот показатель возрос до 5%. Повышенная интенсивность ультрафиолетового излучения грозит человечеству учащением случаев онкологических заболеваний и катаракты.


Самым высоким показателем ODP обладают хладагенты R11 и R12. Им присвоена степень 1,0. Остальные хлорсодержащие холодильные агенты получают степень ODR относительно R11.


Потенциал глобального потепления (GWP)


Солнечная энергия необходима для поддержания жизни на Земле. Большая часть этой энергии возвращается в пространство космоса. Но естественные парниковые газы преграждают путь солнечной энергии, задерживая её в земной атмосфере. Этот эффект называют парниковым, за сходство с принципом, по которому организованы теплицы, или парники. Если бы парниковых газов вовсе не было, средняя температура на поверхности земли составляла бы -15 0С (сейчас этот показатель равен +18 0С). Но с вступлением в эпоху индустриализации, начавшуюся в период Средневековья, содержание углекислого газа в атмосфере неуклонно растет. Из-за роста в атмосфере парниковых газов парниковый эффект усиливается, в результате чего из благотворного явления он превращается в реальную угрозу.


Усиление парникового эффекта привело к тому, что средняя температура на поверхности Земли увеличилась на 1-1,5 К. Это грозит глобальным потеплением, которое может вызвать повышение уровня мирового океана, а вслед за ним изменения в климате и природные аномалии.


Для определения потенциала глобального потепления используется единица для диоксида углерода с временным горизонтом 100 лет, GWP, или единица для R11 с временным горизонтом 100 лет, H-GWP.


• ХФУ - R 12 GWP 7 100


• ГФУ - R 134a GWP 1 200


Величина потенциала глобального потепления не абсолютна. Её определяют моделированием тех реакций, которые происходят в атмосфере. При расчете величины потенциала глобального потепления в расчет берутся исключительно свойства хладагента, а процесс его производства и энергопотребления холодильной системы не рассматриваются.


Суммарный эквивалент теплового воздействия (TEWI)


Для вычисления величины суммарного эффекта прямого и косвенного теплового воздействия рассматривается тепловое воздействие системы охлаждения и используемого в ней хладагента. Кроме того, при расчетах должно быть учтено тепловое воздействие, которое вызывает энергопотребление системы охлаждения, а также высвобождение холодильного агента в результате утечек и утилизации.


Парниковый эффект делят на прямой (возникший в результате протечки хладагента) и косвенный (возникший из-за выделения углекислого газа в процессе выработки электроэнергии). При вычислении суммарного эффекта теплового воздействия тепловое воздействие при производстве отдельного хладагента игнорируется, что является серьезным недостатком этого метода.


Производители хладагентов для обозначения своей продукции используют собственную нумерацию, из-за чего один и тот же холодильный агент может иметь разные обозначения. Но цифровой код един для всех.


Типоразмеры сосудов для перевозки и хранения холодильных агентов показаны на рисунке

Теги: Холодильные агенты, хладагенты 22 Августа 2013
Комментарии 0

Комментариев пока нет