Холодильные агенты и хладоносители




Международной организацией по стандартизации (ИСО) введен международный стандарт МС ИСО 817-94 на систему обозначений хладонов. Эта система включает наименование и число. Буква R означает холодильный агент или хладагент (refrigerant), а цифры связаны со структурой молекулы хладагента. У хладагентов неорганического происхождения цифры соответствуют их молекулярной массе увеличенной на 700 (например, вода имеет обозначение R718, аммиак – R717 и диоксид углерода – R744).

Для хладагентов органического происхождения (производные метана) соединения без атомов водорода записывают цифрой 1, к которой прибавляют цифру, определяющую число атомов фтора (например, фреон R12 соответствует химической формуле СF2Сℓ2, а фреон R14СF4).

Для хладагентов органического происхождения (производные этана, пропана и бутана) соединения без атомов водорода перед цифрой, определяющей число атомов фтора, записываются соответственно 11, 21, 31 (например, фреон R112 соответствует химической формуле СF2Сℓ4, а фреон R317 − С4 F7 Сℓ).

При наличии атомов водорода у производных метана к первой цифре, а у производных этана, пропана и бутана – ко второй прибавляют число, равное числу незамещенных атомов водорода (например, фреон R21 соответствует химической формуле CHFCl, а фреон R 143 − C2H3F3).

При наличии в молекуле хладагента атомов брома к числовому обозначению добавляют букву «В» и цифру, соответствующую числу атомов брома (например, фреон R 12B2 соответствует химической формуле CF2Br2).

В качестве хладагентов используют не только однокомпонентные вещества, но и неозеотропные и азеотропные смеси.

В неозеотропных смесях в процессе кипения и конденсации изменяется процентный состав компонентов. Неозеотропная смесь отличается от однокомпонентной тем, что смесь газов циркулирует по системе раздельно и при утечке неизвестно сколько и какого газа ушло. Поэтому системы с неозеотропными смесями дозаправлять нельзя. В случае утечки неозеотропной смеси следует удалять ее полностью из системы и снова заправлять.

В азеотропных смесях в процессе кипения и конденсации процентный состав не изменяется, т. е. они ведут себя как однокомпонентные вещества.

По абсолютному давлению конденсации Рк (при температуре конденсации tк = 30оС) хладагенты условно делят на следующие три группы:

1) хладагенты низкого давления при Рк < 3 бар, используемые в высокотемпературных холодильных установках при температурах кипения tо =

5…-15оС;

2) хладагенты среднего давления при 3 бар < Рк < 20 бар, используемые в среднетемпературных холодильных установках при температурах кипения tо = -20…-70оС;

3) хладагенты высокого давления при Рк > 20 бар, используемые в низкотемпературных холодильных установках при температурах кипения tо =

-75…-140оС.

При выборе типа хладагента следует учитывать следующие особенности и требования.

1. Влияние типа хладагента на размеры холодильного компрессора и теплообменной аппаратуры

Размеры холодильного компрессора пропорциональны удельной объемной холодопроизводительности,

где удельная массовая холодопроизводительность при температуре кипения в приборе охлаждения (испарителе), ;

удельный объем всасываемых паров хладагента в компрессор, .

То есть, чем больше удельная объемная холодопроизводительность, тем будут меньше размеры компрессора.

Значения удельных объемных холодопроизводительностей озонобезопасных хладагентов и хладагента R22 при температуре кипения t0 = - 15оС приведены в таблице 5.1 (рассмотрены случаи всасываемого сухого насыщенного пара для соответствующих значений удельных теплот парообразования, равных удельным массовым холодопроизводительностям ).

Из таблицы 5.1 следует, что если размеры компрессора на хладагенте R744 принять за единицу, то размеры компрессора на хладагентах R717 и R22 будут примерно в 6 раз больше.

 

 

Таблица 5.1

Удельные объемные холодопроизводительности

Хладагент
R744
R717
R134А
R404А
R407С
R410А
R507А
R22

 

Установлено, что удельная объемная холодопроизводительность влияет также и на размеры теплообменной аппаратуры (испарителя, конденсатора и др.). Так холодильная машина, работающая на хладагенте R134А должна иметь в 1,6 раза больше испаритель, чем на хладагенте R22.

2. Термодинамические свойства

Хладагент должен удовлетворять следующим требованиям:

· нормальная температура кипения соответствует атмосферному давлению) является пределом, ниже которой в системе холодильной установки будет вакуум, приводящий к подсосам воздуха и усложняющий эксплуатацию;

· температура замерзания − это тот предел, который ограничивает

возможность использования хладагента;

· удельная теплота парообразования (конденсации) должна быть максимальной для рабочего режима холодильной установки;

· критическая температура и критическое давление ограничивают область применения хладагента в жидком состоянии.

Для справки в таблице 5.2 приведены термодинамические свойства хладагентов высокого, среднего и низкого давлений.

Таблица 5.2

Термодинамические свойства хладагентов

Хладагент Термодинамические свойства
tнк,оС tз,оС tкр,оС Ркр, МПа r, кДж/кг
Хладагенты высокого давления
R744 -57 -56,6 31,2 7,38
R13 -81,6 -180 28,8 3,85
R14 -128 -184 -45,6 3,74
Хладагенты среднего давления
R717 -34,4 -77,7 132,4 11,3
R12 -29,8 -155,9 4,11
R134А -26 - 3,99 215,1
R404А -46,5 - 70,9 3,6
R407С -43,6 - 4,7 249,2
R410А -51,6 - 72,1 4,92
R507А -47,0 - - - -
R22 -40,8 -160 96,1 4,99
R115 -38,9 -106 79,9 3,19
R143 -47,6 -111,3 73,1 4,11
R502 -45,6 82,2 4,01
Хладагенты низкого давления
R11 23,6 -111 4,37
R21 8,7 -125 178,5 5,17
R142 -9,2 -138 136,4 4,14
R718 374,2 22,11

3. Физико-химические свойства

При выборе типа хладагента необходимо учитывать и следующие условия:

v растворимость масел в хладагентах;

v взаимодействие хладагентов с водой;

v воздействие хладагентов на конструкционные материалы;

v безопасность эксплуатации;

Ниже рассмотрено влияние каждого из перечисленных условий.

Растворимость масел в хладагентах

Смазочные масла применяют в компрессорах холодильных машин для создания масляной пленки между трущимися деталями, уменьшающей трение и износ. Кроме того масла также охлаждают детали и уплотняют зазоры.

Аммиак незначительно растворяет масло, что позволяет достаточно эффективно отделять масло от аммиака и выводить его из системы холодильной машины.

Большая растворимость масел во фреонах приводит к интенсивному пенообразованию в испарителях, хотя и к лучшим условиям смазки трущихся поверхностей в компрессорах, но вместе с тем приводит к повышенной вязкости хладагентов и ухудшению теплообмена.

Растворимость масла в сжиженном диоксиде углерода максимальная при температуре 10оС и практически снижается до нуля при температуре около -30оС. При понижении температуры плотность сжиженного диоксида углерода повышается, в то время как плотность масла падает, и оно всплывает на поверхность жидкого СО2.

Взаимодействие хладагентов с водой

Наличие воды в хладагентах повышает его температуры и давления кипения, что приводит к уменьшению холодопроизводительности холодильной установки.

Вода неограниченно растворяется в аммиаке (допустимая растворимость воды в аммиаке при t ≈ 16оС от 0,01 до 0,1% по массе).

Во фреонах вода практически не растворяется. Поэтому в этих системах особо строгие требования предъявляются к осушке перед зарядкой хладагентом, так как свободная вода может замерзнуть в дроссельном органе.

Особенно тщательной осушке подлежат системы фреоновых холодильных машин с герметичными компрессорами, имеющими встроенные электродвигатели, поскольку присутствие воды может привести к короткому замыканию и сгоранию обмотки его статора. Для обеспечения безопасного содержания воды (для R22 не более 0,0025% по массе) в системе холодильных машин устанавливают фильтры-осушители.

Растворимость воды в диоксиде углерода зависит от температуры. Так, например, среднее содержание влаги при температуре 15оС составляет 0,09% масс, а при температуре -29оС0,0195% масс.

Воздействие хладагентов на конструкционные материалы

Аммиак в присутствии воды и кислорода разрушает цветные металлы.

Фреоны инертны к металлам. Механизм действия диоксида углерода на металлы пока еще не установлен. Некоторые исследователи считают, что в его присутствии коррозия железа и меди несколько уменьшается. По мнению других он увеличивает коррозию большинства металлов вследствие образования углекислоты в тонких пленках влаги.

Безопасность эксплуатации

Наибольшую токсичную опасность и взрывоопасность представляет аммиак. При его содержании в воздухе более 0,5% по объему происходит отравление, а при концентрации в воздухе от 16 до 28% − взрыв. Токсическая опасность хладагентов оценивается предельно допустимой концентрацией хладагента в воздухе (ПДК). В таблице 5.3 приведены значения ПДК для некоторых хладагентов.

Диоксид углерода, вода и фреоны не взрывоопасны. Наиболее взрывоопасны этан, этилен, пропан и бутан. При этом взрывоопасность снижается с уменьшением в них числа атомов водорода в молекуле.

Таблица 5.3

Предельные допустимые концентрации паров хладагента

Хладагент ПДК, мг/м3
R11
R12
R22
R502
R717
R718 без ограничения
R744
R134А
R404А
R407С
R410А
R507А не установлена

 

Диоксид углерода, вода и фреоны не взрывоопасны.

Наиболее взрывоопасны этан, этилен, пропан и бутан. При этом взрывоопасность снижается с уменьшением в них числа атомов водорода в молекуле.

Для замены R404A и R404C перспективен пропан, как наиболее дешевый и совместимый с минеральными маслами. Малая заправка (до 1 кг) в герметичной системе не является проблемой с точки зрения пожаро-взрывоопасности. Однако при 1…2% пропана по объему в воздухе достаточно для взрыва и пожара.

Холодильный агент должен также обладать невоспламеняемостью и не воздействовать на продукты питания.

Влияние хладагента на озоновый слой оценивается потенциалом ОДР, который, например для R22 равен 0,05, а хладагенты R134А, R404А, R407С, R410А, R507А, R717, R18, R744 имеют потенциал ОДР = 0, т.е. являются абсолютно озонобезопасными.

В последнее время промышленно развитые страны Европы идут по пути полного запрета выпуска и использования озоноразрушающих фреонов и переходу к природным хладагентам – аммиаку и диоксиду углерода. В России в парокомпрессионных холодильных установках до 2020г допускается использование фреона R22. В качестве альтернативы R22 предполагается использовать озонобезопасный хладагент R407С, представляющий неазеотропную смесь R32, R125 и R134А в процентном соотношении 23, 25 и 52 соответственно. Для замены R22 также предназначен хладагент R410А, представляющий собой азеотропную смесь из R32 и R125 в процентном соотношении 50 на 50. Эта азеотропная негорючая смесь имеет на 50% большую объемную холодопроизводительность, чем R22, при этом рабочее давление также на 40% выше, чем у R22.

Кроме вышеперечисленных следует учитывать следующие дополнительные условия и требования:

ü термическую стабильность, т.е. сохранение целостности молекул;

ü эффективность теплообмена;

ü склонность к утечкам;

ü обнаружение факта и места утечек;

ü цену;

ü влияние выбранного хладагента на стоимость холодильной установки в целом;

ü наличие хладагента на рынке.

Следует отметить, что в настоящее время стоимость диоксида углерода в 100…120 раз ниже стоимости R134А. Однако при использовании этого хладагента требуется водяное охлаждение конденсатора.

В соответствии с изложенным рекомендуется выбирать хладагенты с минимальными значениями температуры кипения t0, давления конденсации Рк, разности давлений к – Р0), отношения давлений Рк/ Р0, адиабатной работы ад, плотности пара на всасывании ρвс, показателя адиабаты к. Одновременно желательно иметь максимальные значения давления кипения в испарителе и удельную объемную холодопроизводительность qυ. Помимо термодинамических свойств при выборе хладагента предъявляются определенные требования к термической стабильности, токсичности, растворимости с маслами и водой, взрывоопасности, горючести, стоимости и др.

В докладе президента МАХ (Международной Академии Холода) на

22-ом общим годичном собрании [23]отмечено, что к 2025г хладагенты HCFC (ХФУ) и HFC (ФУ) c высокими показателями глобального потепления на 50% могут быть заменены веществами со средним значением глобального потепления (ПГП) порядка 150. При этом HCFC-хладагенты на 55% будут заменены природными веществами – пропаном, изобутаном, аммиаком и на 25% гирофторолефинами, а также HFC- хладагентами с ПГП не более 150.

Европа с 2022г предполагает запретить холодильники и морозильники на хладагентах с ПГП выше 150. С 2016г в ЕС будет запрещен в новом хладагент R134а в новом торговом холодильном оборудовании, а с 2021г – в мобильных системах кондиционирования воздуха новых транспортных средств.

В последние годы ведутся разработки по внедрению наножидкостных хладагентов, представляющих собой смесь хладагента с наноструктированным материалом (Al2O3, CuO, TiO2,углеродные нанотрубки) размер которого находится в диапазоне от 20 до 100А. Исследования показывают, что примеси наночастиц способствуют увеличению вязкости смазочных масел и хладагентов. Увеличение вязкости производит как негативное так и позитвное влияние на показатели энергетической эффективности компрессорной системы. Негативный эффект обусловлен увеличением затрат энергии на трение. Положительный эффект достигается лучшим выносом масла из испарителя и интенсификацией теплообмена при сохранении коэффициента подачи. В работе [24] экспериментально установлено, что смесь R600а с TiO2 c концентрацией 0,05% приводит к снижению энергопотребления в среднем на 8%.

Результаты исследований различных авторов показывают, что присутствие наночастиц в хладагентах способствует интенсификации процессов теплообмена при кипении, как в свободном объеме, так и в трубках. Теоретические оценки показывают, что увеличение коэффициента теплопроводности хладагента на 20% за счет добавок наночастиц ведет к увеличению холодильного коэффициента на 10%. Это обстоятельство вызывает большой интерес к поиску оптимальных композиций наночастиц в хладагентах IV поколения, сочетающих высокую энергетическую эффективность с низким коэффициентом глобального потепления.

Хладоносители применяют для "транспортирования холода" от источника его получения (испарителя) до охлаждаемого объекта (холодильной камеры, аппарата и др.) т.е. хладоносители находят применение в системах косвенного охлаждения.

В системах с хладоносителем энергопотребление будет выше, чем в системе непосредственного охлаждения. Это объясняется увеличением необратимых потерь, обусловленных тем, что в таких системах температура хладагента должна быть ниже на 5…7оС температуры хладоносителя. Кроме того, необходима дополнительная энергия для привода насосов, осуществляющих циркуляцию хладоносителя.

При выборе типа хладоносителя в системе охлаждения следует учитывать следующие его свойства:

Ø температуру замерзания tз;

Ø температуру кипения при атмосферном давлении tнк;

Ø динамическую вязкость µ;

Ø коэффициент теплопроводности λ;

Ø коэффициент теплоотдачи α;

Ø объемную удельную теплоемкость Срρ;

Ø коррозионную активность;

Ø токсичность;

Ø пожаро-взрывоопасность.

В качестве хладоносителей используют различные жидкости с низкой температурой замерзания. Некоторые виды хладоносителей и их свойства приведены в таблице 5.4.

Самым доступным хладоносителем является вода. Вода предпочтительнее других хладоносителей, благодаря малой коррозионной активности, нетоксичности и отсутствия пожаро-взрывоопасности. Однако ее использование ограничено из-за сравнительно высокой температуры замерзания tз = 0оС. Поэтому воду применяют в качестве хладоносителя главным образом в системах кондиционирования воздуха.

Хладоносители NаСℓ, СаСℓ2 и пропиленгликоль

В холодильных установках холодильников промышленности и торговли используют в основном рассолы – водные растворы NаСℓ и СаСℓ2. Последний предпочтительнее из-за более низкой температуре замерзания и меньшей коррозионной активности. Однако он дороже, чем NаСℓ. Важны и новые аспекты выбора: нетоксичность для человека и окружающей среды. В связи с этим привлекательны хладоносители на основе пропиленгликоля.

Пропиленгликоль является пищевой добавкой Е1520 и при попадании (до 0,2%) в пищевые продукты не влияет на органолептические качества. СаСℓ2 − тоже добавка Е509, но она придает горький вкус.

Для специальных целей, где требуется хладоноситель с более низкой температурой, используют этиленгликоль, трихлорэтилен (R11) или дихлорметан (R30) несмотря на то, что их стоимость значительно выше стоимости рассолов.

Таблица 5.4

Свойства хладоносителей

  Хладоноситель   Химическая формула Свойства хладоносителей
  tзо, С   T нко   µ·104, Па·с   Срρ, кДж/(м3·К) Коррозионная активность Токсичность ППожаро-взрывоопасность
Вода Н2О 0,0 155* 4200* Слабая Нет Нет
Раствор хлористого натрия (23,1%)   NаСℓ   -21,2     26*   3900*   Сильная   −   Нет
Раствор хлористого кальция (29,9%)   СаСℓ2   -55       51,4*   3524*   Средняя   Средняя   Нет
Этилен-гликоль (антифриз 67%)   С2Н4(ОН)2   -73     284,5**   3223**   Слабая   Слабая   −
Триххлорэтилен (R11) С2НСℓ -86,3 10,6** 1350** нет Средняя Средняя
Дихлорметан (R30) СН2Сℓ2 -96,7 40,1 8,6** 1525**
Этиловый спирт (100%) С2Н5ОН -117 78,4 Слабая Средняя Высокая
Метиловый спирт (100%)   -97,8       Слабая Высокая Высокая

Примечание: * − при температуре 5оС; ** − при температуре минус 40оС.

Хладоносители R30, R11 и этиловый спирт

Хладоноситель R30 самый распространенный при температурах кипения хладагента в испарителе в диапазоне t0 = -40…-90оС. Работа с R30 при температурах близких к точке замерзания, не столь опасна, как с раствором СаСℓ2, поскольку при затвердевании R30 объем его уменьшается и разрыва труб при этом не происходит. Энергетически выгоднее применять R30 и для тех условий, когда обычно применяют СаСℓ2, однако эксплуатация установок с R30 несколько сложнее.

Системы с R11 и R30 следует выполнять герметичными, так как, если в период, когда установка не работает, а температура окружающего воздуха поднимется выше 23,7оС (для R11) или 40оС (для R30), то давление в системе возрастет выше атмосферного. До достижения указанных температур при атмосферном давлении происходит интенсивное испарение R11 и R30.

При заполнении системы R30 или R11 не следует применять вакуумирование, так как попадая в область вакуума, эти хладоносители интенсивно испаряются. Поэтому при заполнении систем следует применять передавливание, т.е. сообщать заполняемую емкость с атмосферой, а в емкости, из которой забирается хладоноситель создавать избыточное давление воздуха или азота.

Вследствие гигроскопичности R30, в его системы следует вводить осушитель. Из-за легкой вскипаемости и проникающей способности через сальники для R30 требуются специальные насосы. В отличие от R11 хладоноситель R30 обладает специфическим запахом.

Для более низких температур применяют иногда этиловый спирт.

Двухфазные хладоносители

Эффективным путем повышения энергетических показателей систем косвенного охлаждения является использование двухфазных хладоносителей, известных как айссларри. При охлаждении водных растворов солей ниже температуры кристаллизации появляются микроскопические кристаллы льда. Кристаллы мешают транспортировке по трубопроводам подобной двухфазной системы, но позволяют по энергетическим показателям приблизиться к системам непосредственного охлаждения. Айссларри получают из морской воды, водных растворов солей, гликолей, спиртов. Двухфазные растворы позволяют снизить количество хладоносителей в системе, создать стабильный температурный режим хладоснабжения, значительно повысить теплосъем, уменьшить диаметры трубопроводов, снизить стоимость самой системы хладоснабжения.

Рассмотренные в данном разделе основные и далеко не все типы хладагентов и хладоносителей могут рассматриваться при разработках систем охлаждения. Установлено, что неразумные решения и ошибки выбора хладагента и хладоносителя влияют на эффективность системы в целом. Тем не менее, для снижения энергопотребления важна оптимизация всей системы, а не только правильный выбор хладагента и хладоносителя. Так например, установлено, что до 30% экономии электроэнергии в год может быть достигнуто за счет своевременной очистки теплообменников от инея, уплотнения дверей холодильных камер, запрета на размещение теплых продуктов сразу в холодильную камеру и др. Большое значение при разработке систем охлаждения приобретает и разумный выбор схемы системы охлаждения, выбор типа холодильного компрессора, типа теплообменных аппаратов, типа и схемы системы автоматического регулирования и др.

Вопросы к разделу 5

1). Перечислить хладагенты органического и неорганического происхождения.

2). Можно ли дозаправлять холодильный контур, работающий на неозеатропной смеси?

3). Перечислить давления конденсации хладагентов низкого, среднего и высокого давлений.

4). Зависят ли размеры компрессора от удельной объемной холодопроизводительности хладагента?

5). Какие условия необходимо учитывать при выборе типа хладагента?

6). С какими металлами аммиак вступает в химическую реакцию?

7). В каких случаях применяют хладоносители?

8). Перечислить основные недостатки холодильных систем при использовании хладоносителей.

9). Какие свойства следует учитывать при выборе типа хладоносителя?

10). Какие преимущества двухфазных хладоносителей?





©2015-2017 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.

Обратная связь

ТОП 5 активных страниц!