Холодильный агент (хладагент) является рабочим телом холодильной машины, изменяющим в различных частях холодильного контура свое агрегатное состояние. При переходе из жидкого состояния в газообразное, который осуществляется в испарителе, хладагент отбирает тепло у окружающей среды в силу эндотермического характера процесса испарения, вырабатывая тем самым холод. Затем отобранное тепло удаляется из холодильной машины в результате последующей конденсации хладагента в конденсаторе и передается другой среде, причем процесс перехода хладагента из газообразного состояния в жидкое носит экзотермический характер.
Чтобы какое-то вещество могло выполнять функции хладагента, необходимо прежде всего, чтобы при атмосферном давлении его температура кипения была как можно ниже, объемы паров, образующихся при испарении, были незначительными, а давление конденсации — не слишком высоким и легко достижимым. Кроме того, хладагент должен быть неагрессивным по отношению к конструкционным материалам и маслам, как можно менее токсичным, невоспламеняемым и взрывобезопасным. Наконец, желательно, чтобы в тех условиях, в которых находятся наиболее распространенные холодильные сети, его удельная энтальпия была значительной. Иными словами, найти вещество, которое одновременно удовлетворяло бы всем этим требованиям, невозможно.
В качестве первого хладагента использовалась вода, поскольку с 1755 г. она служила «для получения фригорий (отрицательных калорий)» в лабораторной установке, которую создал WilliamGullen. Позднее, в 1834 г., американец JacobPerkins изготовил компрессионную машину, работавшую на диэтиловом эфире, а в 1844 г. тоже американец John Gorrie — машину со сжатием и расширением воздуха. Но французы не остались в долгу и в 1859 г. FerdinandCarre соорудил абсорбционную холодильную машину на аммиаке, а четыре года спустя Charles запустил компрессор, работающий на метиловом эфире. До конца XIX в. использовались еще два новых хладагента: углекислый газ (С02) и двуокись серы (S02), кроме того, один из уже названных хладагентов — аммиак — применяется не только в адсорбционных холодильных машинах, но и в компрессионных (Linde).
Эти три последних хладагента, а именно аммиак (R717), углекислый газ (R744) и двуокись серы (R764) оставались наиболее распространенными вплоть до 1930 г. Но после внедрения в 1930 г. в США новой категории хладагентов: хлорфторуглеродов, хорошо известных под аббревиатурой CFC, все ранее упоминавшиеся хладагенты, за исключением аммиака, почти полностью исчезли. Однако начиная с 1980 г. ученые стали подавать тревожные сигналы, привлекая внимание общественности к вредному воздействию CFC на окружающую среду. Поэтому производители начали разработку менее вредных для будущего планеты хладагентов, некоторые из которых уже появились на рынке. Эти хладагенты, заменяющие группу CFC, принадлежат главным образом к двум категориям химических соединений: фторхлорсодержащим углеводородам, или HCFC, и фторуглеводородам, или HFC.
Хотя число широкомасштабно используемых хладагентов было значительно сокращено, тем не менее их номенклатура остается еще достаточно многочисленной. Чтобы облегчить их обозначение, была введена система буквенно-цифровых индексов. Эта система установлена для всех химических соединений, состав которых не всегда в точности совпадает с описанными нами выше категориями CFC, HCFC или HFC. Они обозначаются буквой R с тремя цифрами после нее, т. е. Rcdu, где:
- с (сотни) равно числу атомов углерода, уменьшенному на единицу;
- d (десятки) равно числу атомов водорода, увеличенному на единицу;
- и (единицы) равно числу атомов фтора.
Для определения химической формулы соединения ее состав дополняют хлором таким образом, чтобы полное число одновалентных атомов, т. е. атомов водорода, фтора и хлора вместе взятых было равно 4 для производных метана, 6 для производных этана, 8 для производных пропана и т. д. По данным «Учебник по холодильной технике» Польманн 1998
Сжатие газов — основные понятия
В производственных процессах подвергаются переработке значительные количества газов и их смесей при давлении, отличном от атмосферного; кроме того, газы используются также для вспомогательных целей (для передавливания, перемешивания и распыления различных веществ). Все эти процессы проводят при сжатии или разрежении газов. Сжатие или разрежение газа (изменение объема) сопровождается изменением его давления и температуры.
Адиабатическое, изотермическое и политропическое сжатие и разрежение. Как известно из термодинамики, изменение состояния газа при изменяющихся объеме и давлении может протекать тремя путями: изотермически, адиабатически и политропически. Изменение давления газа при сжатии в значительной степени зависит от того, происходит ли во время сжатия теплообмен между сжимаемым газом и окружающей внешней средой. Практически такой теплообмен неизбежен, а во многих случаях даже и необходим, для чего используют искусственное охлаждение сжимаемого газа.
Теоретически можно представить себе два предельных случая сжатия газов, причем все реальные процессы сжатия газов будут являться промежуточными между ними.
В первом случае вся теплота, выделяющаяся при сжатии газа, полностью отводится наружу, и процесс изменения состояния газа, т. е. изменение его объема и давления, протекает при одной постоянной температуре; такой процесс называется изотермическим. Во втором случае, наоборот, вся теплота, выделяющаяся при сжатии газа, полностью остается внутри газа, повышая его температуру, при этом потери тепла в окружающую среду отсутствуют; такой процесс называется адиабатическим.
В действительности сжатие газов протекает не изотермически и не адиабатически, а в каждом частном случае лишь приближается к одному из этих процессов. Такой реальный процесс сжатия газа, при котором одновременно с изменением объема и давления происходит также изменение температуры и отвод тепла наружу, называется политропическим.
Теплота
Теплота — это энергия, полученная в результате изменения температуры. Теплота передается от более теплого тела к более холодному. Теплота — это температурная составляющая передачи энергии при работе машинных систем. Принимая во внимание, что работа — это передача энергии силой, которая перемещает массу на определенное расстояние, теплота передается от одного тела другому из-за разницы температур. Теплота передает внутреннюю кинетическую энергию от молекул более теплого тела более холодному. Такая передача энергии уменьшает уровень кинетической энергии молекул более теплого тела, что производит соответствующее уменьшение его температуры. Одновременно кинетическая энергия выравнивается и температура более холодного тела увеличивается.
Передачу энергии, которая затрагивает температуру тела, называют теплопередачей. Хотя передача теплоты происходит в основном в ответ на разницу температур, ее также вызывает сила трения — это взаимодействия, которые происходят на молекулярном уровне как движение тел относительно друг друга. Такие взаимодействия изменяют уровень кинетической энергии молекул между двумя поверхностями. В результате растягивания резинки молекулы движутся друг мимо друга, изменяют свою скорость и температуру всего тела. Данное изменение тепловой энергии — конверсионный процесс, где часть проделанной работы по перемещению тела сохраняется в виде энергии. В данном разделе описаны различные виды тепловой энергии и теплопередачи между телами.