Лекция 3 Холодильные агенты и хладоносители
1. Общие сведения. Классификация холодильных агентов.
2. Требования к хладагентам.
3. Однокомпонентные хладагенты.
4. Традиционные хладагенты групп ХФУ и ГХФУ.
5. Хладоносители.
1. Общие сведения. Классификация холодильных агентов
Перенос тепла с более низкого уровня температуры на более высокий, осуществляет рабочее вещество (холодильный агент), циркулирующее обычно в замкнутом контуре холодильной машины (ХМ), реализуя обратный термодинамический цикл.
Наиболее распространены хладагенты с нормальной температурой кипения Ts, значительно ниже температуры окружающей среды Тос.
Первые ХМ были построены и применены во второй половине XIX в. В то время использовались: диоксид углерода CO2 c температурой кипения Ts=-78oC; сернистый ангидрид SO2 c Ts =-10oC; хлористый метил CH3Cl c Ts =-29,7oC; аммиак NH3 c Ts =-33oC. Каждый из этих хладагентов имел существенные недостатки, что весьма осложняло эксплуатацию ХМ, т.к. SO2 и CH3Cl – весьма токсичны; применение CO2 – связано с высокими давлениями ХМ; NH3 – также токсичен и пожароопасен. В 20-х годах XX в. были синтезированы «фреоны», а это есть – хлорфторзамещенные углеводороды, на основе: метана CH4, этана C2H6, пропана C3H8.
Фреоны вытеснили первоначально применявшиеся хладагенты, кроме аммиака, и позволили поставить производство ХМ на рельсы массового производства.
Фреоны представлялись абсолютно безопасными и в отношении токсичности и в отношении взрывопожароопасности.
В 80-х годах XX в. выяснилось, что хлорсодержащие фреоны обладают потенциалом разрушения озонового слоя, а все остальные синтетические рабочие вещества являются парниковыми газами. Поэтому, в последние годы идет ревизия применения хладагентов, замена части из них, исходя из экологической безопасности, в частности расширение применения, так называемых, природных рабочих веществ, к которым относятся: амиак NH3, диоксид углерода CO2, углеводороды C2H6, C3H8; воздух и вода как рабочие вещества.
Классификация холодильных агентов:
1. Синтетические, природные. Синтетические – хлорфторзамещенные углеводороды. Природные – аммиак, CO2, углеводороды, воздух и вода.
2. Моновещества (МВ) и смеси: зеотропные (ЗС) и азеотропные (АС). Смеси могут быть синтетическими и природными, также многокомпонентными.
3. Нормальная температура кипения и сопряженный с ней уровень давления. Хладагенты по этому признаку делятся:
а) Холодильные агенты высокого давления с нормальной температурой кипения Ts<-50oC;
б) Хладагенты среднего давления, с -50oC< Ts<-10oC;
в) Хладагенты низкого давления Ts>-10oC.
При температуре t = 30oC, уровень давления для:
а) р = 2…7 МПа;
б) р = 0,3…2 МПа;
в) р < 0,3 МПа.
Рис. 26. Связь температуры и давления хладагента в состоянии насыщения вещества: R23, R134a, R123.
В России принята разработанная Международной организацией по стандартизации (ИСО) специальная система обозначения хладагентов. Хладагенты получили обозначение R и цифры, зависящие от химического состава (R СDU), где C(сотни) – число атомов углерода в химическом составе, уменьшенное на единицу; D (десятки) – число атомов водорода, увеличенное на единицу; U (единицы) – число атомов фтора.
Так, Cl2F2C должен иметь обозначение R012 (записывается R12), CHF2Cl – R022 (записывается R22), C2F4Cl2 ‑ R114.
Если в молекуле имеется бром, то появляется буква В, за которой следует число атомов брома: CF3Br – R13B1.
Органическим соединениям присвоена серия 600, а номер хладагентов в пределах серии устанавливается по мере их регистрации. Неорганическим соединениям присвоена серия 700, а номер определяется молекулярной массой хладагента. Например, аммиак (NH3) имеет следующее обозначение: 14 (N) + 3(Н3) = 17, т. е. R717.
Хладагенты, состоящие из нескольких разных молекул, могут вести себя как чистое вещество (азеотропные) или как механическая смесь с независимыми компонентами (неазеотропные). Неазеотропным хладагентам присвоена серия 400 с произвольным номером для каждого хладагента, азеотропным – серия 500. В азеотропных смесях в условиях термодинамического равновесия состав жидкой и паровой фаз одинаков, температуры кипения и конденсации при постоянном давлении не изменяются, а давления в точках росы и кипения совпадают.
В неазеотропных смесях в условиях термодинамического равновесия состав жидкой и паровой фаз неодинаков, из-за чего при постоянном давлении их температура меняется в ходе изменения агрегатного состояния (испарения и конденсации).