Рабочие вещества холодильных машин.

Для переноса теплоты в машинах при осуществлении холодильного, теплонасосного и комбинированного циклов используются рабочие вещества, которые называют также холодильными агентами.

В настоящее время на практике применяют порядка 20 хладагентов.

Наиболее доступными являются вода и воздух. Применение воды ограничено из-за низких давлений водяного пара, больших удельных объемов пара при низких температурах, возможности работы машины с водой только в области положительных температур охлаждения. Поэтому воду применяют только в пароэжекторных и абсорбционных холодильных машинах

Применение воздуха ограничено в связи с его малой теплоемкостью, вследствие чего в холодильных машинах должно циркулировать большое количество воздуха. Воздух применяют в газовых (воздушных) холодильных машинах сравнительно небольшой производительности.

В качестве хладагента широко распространен аммиак (NH3). Его применяют в машинах средней и крупной производительности, как правила для получения средних температур охлаждения. Уже к кону Х1Х века аммиак практически вытеснил другие холодильные агенты, такие как хлористый этил, сернистый ангидрид, хлористый метил, диоксид углерода. Достоинствами аммиака являются хорошие термодинамические свойства, высокая объемная холодопроизводительность, относительно невысокие давления конденсации, давления кипения, близкие к атмосферному. В тоже время аммиак токсичен, взрыво- и пожароопасен, реагирует с большинством цветных металлов.

В тридцатых годах ХХ века в качестве хладагентов начали применять фреоны – фторхлорбромпроизводные углеводородов метана, этана, пропана и бутана. Фреон – торговая марака. Принадлежащая американской фирме «Дюпон», которая в 1928 году впервые синтезировала фреон 12. Фреоны содержат в различных соотношениях фтор, хлор и бром. Обобщенная химическая формула фреона

Cm Hn Fp Clq Brr,

где m., n,p, q,r– числа атомов химических элементов, входящих в состав данного фреона.

Возможны 15 типов соединения галогенпроизводных метана, 55 – этана, 332 пропана, более 1000 бутана.

В нашей стране вместо термина «фреон», используют термин «хладон».

Международной организацией по стандартизации (ИСО) введен международный стандарт МС ИСО 817-74 на систему обозначений хладонов. Эта система состоит из наименования и числа: буква Rили слово «refrigerat» (хладагент) составляют наименование, цифры связаны со структурой молекулы хладагента. У хладагентов неорганического происхождения цифры соответствуют их молекулярной массе, увеличенной на 700. Например. Вода (H2О) – R718, аммиак (NH3) –R717, двуокись углерода(СО2)- R744. Для хладонов – производных метана – соединения без атомов водорода записываются цифрой 1, к которой прибавляют цифру, определяющую число атомов фтора. Например: CF2Cl2 - R12, CF4– R14. Для производных этана, пропана и бутана перед цифрой, определяющей число атомов фтора, ставится соответственно 11, 21, 31. Например: C2F2Cl4 - R112, С4F7Cl– R317.

Начиная с галогенпроизводных этана появляются изомеры. Они имеют одинаковое цифровое обозначение и различаются строчной буквой в конце. Симметричный изомер обозначается только цифрами. Указанием ассиметрии являются строчные буквы а,b, cи т.д. Например: CHF2- CHF2 - R134, СF3CH2F– R134а.

Азеотропные смеси условно обозначают цифрами 500,501 и т.д.

Хладагенты классифицируют по давлениям насыщенного пара и нормальным температурам кипения. По давлениям насыщенного пара их подразделяют на хладагенты высокого, среднего и низкого давления. Классификации по давлениям и температурам взаимосвязаны. Хладагенты высокого давления являются низкотемпературными рабочими веществами, низкого давления – высокотемпературными.

Теплофизические свойства. К теплофизическим свойствам относятся плотность, теплопроводность, вязкость, поверхностное натяжение и некоторые другие свойства. Они влияют на интенсивность тепломассопереноса в аппаратах холодильных машин, а также на сопротивления при движении газообразных и жидких хладагентов в системе. Названные факторы определяют значения необратимых потерь в процессах тепломассопереноса и транспортировки рабочих веществ, что в конечном итоге сказывается на общей энергетической эффективности холодильных машин и их конструктивных особенностях.. для уменьшения расхода энергии на перекачивание хладагента в системе желательно иметь возможно большие значения теплоты парообразования и наименьшие значения вязкости.

Химические и физико-химические свойства и взаимодействие рабочих веществ холодильных машин с окружающей средой. Химическая стабильность хладагетов характеризуется температурой разложения. Воспламеняемостью и взрывоопасностью. 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 С, двуокись углерода – при температуре выше 1500 С. Термическая устойчивость хладонов достаточно высока, однако разложение этих соединений сопровождается образованием хлористого и фтористого водорода, а также следов фосгена.

Начальная температура разложения хладонов повышается с увеличением содержания фтора в молекуле и зависит от материалов, в контакте с которыми они находятся. Она выше при контакте с никелем и высоколегированными сталями и уменьшается в присутствии углеродистых сталей. Так хладагент R12 в присутствии железа, цинка, дюралюминия, меди начинается разлагаться при 410-430 С, в присутствии свинца – при 330 С.

Термическая устойчивость хладагентов снижается в присутствии смазочных масел. Минеральные масла сильнее влияют на ухудшение термической устойчивости, чем синтетические, применяемые в холодильной технике. Разложение хладагентов оказывает отрицательное влияние на надежность компрессоров, продолжительность использования в них масел без замены.

Взрывоопасность и воспламеняемость хладонов заметно снижается с уменьшением числа атомов водорода и возрастанием числа атомов хлора, фтора и особенно брома.

Взаимодействие с водой и примесями. При эксплуатации холодильных машин исключительно важно обеспечить отсутствие в хладагентах воды, неконденсирующихся газов и других примесей. Содержащиеся в хладагенте примеси влияют на его термодинамические свойства, особенно при низких давлениях, повышая температуру и давления, кипения. Предельные нормы содержания влаги и других примесей в хладагентах установлены ГОСТом. Аммиак и вода обладают полной взаимной растворимостью. Технический аммиак должен содержать не более 0,2% воды. Присутствие в хладагенте нерастворенной влаги приводит к опасности образования льда в дроссельных устройствах холодильных машин. Уже небольшое количество влаги вызывает гидролиз хладонов с образованием соляной и плавиковой кислот. Образующиеся кислоты оказывают коррозийное воздействие на металлические детали холодильных машин и разрушают электрическую изоляцию встроенных электродвигателей. Наиболее часто поражаемые коррозией элементы холодильной машины – компрессор, дроссельный орган и испаритель. Для обеспечения безопасного уровня влажности в системе холодильной машины устанавливают фильтры –осушители. В качестве адсорбентов используют силикагель, активную окись алюминия, цеолиты.

Взаимодействие со смазочными маслами. Смазочные масла применяют в компрессорах холодильных машин для создания масляной пленки между трущимися деталями, уменьшающей трение и износ; они также охлаждают детали и уплотняют зазоры. Масло, находящееся в машине, должно удовлетворять требованиям по вязкости, маслянистости и стабильности при различных температурах и давлениях.

Условия работы холодильных машин диктуют к маслам следующие требования: при низких температурах из масла не должны выпадать твердые частицы парафина и оно должно оставаться достаточно текучим, при высоких температурах не должно происходить коксования и образования асфальтов и смол, масло должно быть стабильным при многолетней эксплуатации.

Смазочные масла должны быть тщательно осушены. Содержание воды в масле должно быть не более 20 частей на миллион частей масла.

Рабочие вещества по-разному реагируют с маслами. Аммиак не растворяет масло, и поэтому в аммиачных холодильных машинах отделение масла после компрессора в маслоотделителях сводит к минимуму возможность попадания его в теплообменные аппараты. Для хладонов, растворяющих масло, его влияние сказывается как на термодинамических и теплофизических свойствах, так и на условиях теплообмена и гидравлических сопротивлениях. Наличие в хладоне растворенного масла ухудшает теплообмен при конденсации и кипении этого агента.

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.

Необходимо выбирать масло с возможно более низкой критической температурой растворения: R22 имеет критическую температуру растворения =24С, поэтому он неограниченно растворяется в масле при высоких температурах (в конденсаторе), а при низких температурах (в испарителе) будет расслаиваться; R12 имеет критическую температуру растворения = -45С, поэтому при температурах процессов машины выше этого значения такой хладагент обладает неограниченной растворимостью.

Растворимость хладонов с возрастанием в соединении атомов фтора уменьшается. Практически не растворяются в минеральных маслах вещества R13, R14, R115, R22, R114, а азеотропная смесь из R152 и R12 растворяется частично; R11, R12, R21, R113 растворяются неограниченно.

Взаимодействие с конструкционными материалами. Хладагенты и их растворы со смазочными маслами должны быть по возможности химически инертны по отношению к металлам и их сплавам, другим конструкционным материалам. Аммиак не корродирует стали, однако в присутствии влаги вступает в реакцию с цинком, медью, бронзой и другими сплавами, содержащими медь. 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 инертны.

Хладоны являются хорошими растворителями, поэтому многие неметаллические материалы в н их нестойки. Взаимодействие хладонов с такими конструкционными материалами приводит к их набуханию, диффузии их хладагентов и их потерям. Наиболее уязвимыми со стороны хладонов являются неметаллические электроизоляционные, прокладочно-уплотнительные и другие материалы. Неметаллические конструкционные материалы, применяемые в хладоновых холодильных машинах должны иметь высокую плотность во избежание утечек хладонов через поры. Для прокладок в хладоновых машинах рекомендуется применять паронит, фторопласт, специальную (нефритовую) резиновую, а в качестве вяжущих веществ и изоляционных лаков – поливинилацетаты и полиамиды.

Взаимодействие рабочих веществ холодильных машин с окружающей средой. Отдельные хладагенты (в основном хладоны) являются одним из источников разрушения озонового слоя атмосферы Земли. Ряд хладагентов, находясь в атмосфере создают парниковый эффект.

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 оксидов и кислорода.

Cl+ O3 = ClО + О2

В соответствии с Монреальским протоколом международной конференции по хлорфторуглеводородам 1986 года предусматривалось сокращение производства на 50% к середине 1993 года фреонов R11, R12, R113, R115. В соответствии со скорректированной версией Монреальског протокола с 1 января 1996 г. запрещено применение озоноопасного хладагента R12. Частично это сокращение может быть компенсировано за счет расширения использования наиболее универсального и одного из самых распространенных хладагентов R22, имеющего низкую озоноактивность.

Другое важное направление – это разработка и организация промышленного производства новых альтернативных озонобезопасных хладагентов. Согласно эксперным оценкам наибольшее предпочтение отдается хладагентам R22, аммиаку, R134а, R123а. Для холодильной техники вместо R12 наряду с названным R22 предложен R134а. Ряд зарубежных фирм освоил выпуск бытовых холодильных агрегатов с последним хладагентом.

Хладагент R134а более термически стоек, чем R12, однако его существенным недостатком является незначительная растворимость в традиционно используемых холодильных маслах. Для этого хладагента создано специальное синтетическое (полиэфирное) масло ХС-22. Оно обладает высокой гигроскопичностью, что выдвигает весьма жесткие требования к очистке и осушке.

Наряду с R134а в мире, в том числе и в России, для бытовых холодильников рассматриваются и другие озонобезопасные хладагенты. Из альтернативных хладагентов на сегодняшний день в коммерческих масштабах производят аммиак, R22, R23, R32 и R152а.

Физиологические свойства. По степени токсичности хладагенты холодильных машин делятся на шесть классов. Классификация основана на опытном изучении физиологического воздействия паров хладагента на подопытных животных. Определены предельно допустимые концентрации (ПДК) большинства хладагентов.

Аммиак (R717) имеет резкий запах и раздражает слизистые оболочки глаз, желудка, дыхательных путей, вызывает спазмы дыхательных органов, ожоги кожи. Наличие его в воздухе ощущается уже при объемной концентрации 0,00005%. 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, R22 –20%. Полностью фторированные хладоны относятся к наименее токсичным соединениям.

Большое число рабочих веществ, потенциально возможных для использования в холодильной технике, так же как и многообразие их термодинамических и практических свойств, позволяет сделать вывод о том, что найти вещество, сочетающее только положительные качества и свойства трудно. Пари выборе холодильного агента необходимо проанализировать совокупность всех качеств и факторов, характеризующих как работу холодильной машины, так и конструктивные особенности ее отдельных элементов, и стремиться к уменьшению отрицательного влияния свойств вещества. Это достигается на основе термодинамического анализа действительных рабочих процессов цикла в сочетании с техноэкономическим анализом.

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «РИНХ»

ФАКУЛЬТЕТ КОММЕРЦИИ И МАРКЕТИНГА

КАФЕДРА ТОВАРОВЕДЕНИЯ И ЭКСПЕРТИЗЫ ТОВАРОВ

Дата добавления: 2015-12-07