Общие сведения

Требования к хладагентам. Прежде чем рассматривать свойства хладагентов, остановимся на основных требованиях, предъявляемых к ним. Требования к хладагентам подразделяются на следующие группы:

• экологические - озонобезопасность, низкий потенциал глобального потепления, негорючесть и нетоксичность;
• термодинамические - большая объемная холодопроизводитель-ность; низкая температура кипения при атмосферном давлении; невысокое давление конденсации; хорошая теплопроводность; малые плотность и вязкость хладагента, обеспечивающие сокращение гидравлических потерь на трение и местные сопротивления при его транспортировке; максимальная приближенность к заменяемым хладагентам (для альтернативных озонобезопасных хладагентов) по давлениям, температурам, удельной объемной хо-лодопроизводительности и холодильному коэффициенту;
• эксплуатационные - термохимическая стабильность, химическая совместимость с материалами и холодильными маслами, достаточная взаимная растворимость с маслом для обеспечения его циркуляции, технологичность применения; негорючесть и не-взрывоопасность; способность растворять воду, незначительная текучесть; наличие запаха, цвет и т. д.;
• экономические - наличие товарного производства, доступные (низкие) цены.

Хладагенты, отвечающие перечисленным требованиям, найти практически невозможно, поэтому в каждом отдельном случае выбирают хладагент с учетом конкретных условий работы холодильной машины, и предпочтение следует отдавать таким, которые удовлетворяют принципиальным и определяющим требованиям.

Альтернативными веществами могут быть чистые (простые) вещества и смеси. Предпочтение отдается прежде всего чистым веществам.

Особенности термодинамики смесей хладагентов. В молекулярной теории растворов различают зеотропные (неазеотропные) и азеотропные смеси.

Термодинамическое поведение смеси азеотропного состава подобно поведению чистого вещества, поскольку состав паровой и жидкой фаз у нее одинаков, а давления в точках росы и кипения совпадают.

Концентрации паровой и жидкой фаз зеотропной смеси в условиях термодинамического равновесия различаются, а изотерма под бинодалью в p--h-координатах имеет наклон, т.е. кипение при постоянном давлении происходит при увеличении температуры хладагента от t₀₁ до t₀₂, а конденсация - при падении температуры от t_К1 до t_К2 (см. диаграмму ниже). Это необходимо учитывать при определении степени перегрева пара на входе в компрессор, а также при оценке энергетических характеристик холодильной установки.

Таким образом, температуру кипения и температуру конденсации следует находить по-другому. Температуру кипения вычисляют как среднюю температуру t₀ между температурой точки росы t₀₂ при постоянном давлении всасывания р_ВС и температурой, при которой хладагент поступает в испаритель t₀₁.

Температуру конденсации определяют как среднюю температуру t_к.ср между температурой точки росы t_к1 (температура начала процесса конденсации при постоянном давлении нагнетания p_H) и температурой t_к2 жидкости на выходе из конденсатора. Разность температур фазового перехода при постоянном давлении (при кипении или конденсации) получила название Dt_gl или температурный глайд (от англ, glide - скольжение). Значение Dt_gl зависит от состава рабочего тела и является важным технологическим параметром.

Перегрев всасываемого пара вычисляют как разность температуры t_BC на входе в компрессор и температуры точки росы t₀₂ хладагента при давлении всасывания р_вс. При регулировании холодопроизводительности холодильных установок с помощью регулирующих вентилей все изложенное выше необходимо учитывать.

Переохлаждение жидкости вычисляют как разность между действительной температурой жидкости и температурой точки конца конденсации t_к2 при давлении нагнетания р_н.

Особенно важно при регулировании давления учитывать температурный глайд смеси хладагентов, например хладагентов 407С, R410A и др. Кроме того, температурный глайд - решающий фактор при определении размеров теплообменных аппаратов.

Потери давления в системе существенно увеличивают температурный глайд. Пренебрежение данным явлением при составлении теплового баланса может привести к занижению размеров теплообменных аппаратов и других элементов холодильной системы. Влияние этого фактора особенно существенно, когда холодильная система эксплуатируется на пределе своих возможностей.

Таким образом, зеотропные смеси имеют свои преимущества и недостатки. С одной стороны, изменение состава рабочего тела при циркуляции его по контуру холодильной системы может привести к возрастанию холодопроизводительности и холодильного коэффициента по сравнению с этими характеристиками для чистых хладагентов. С другой стороны, применение зеотропных смесей приводит к снижению интенсивности теплообмена в испарителе и конденсаторе.

Еще один недостаток зеотропной смеси - потенциальная возможность изменения ее состава при появлении утечек в контуре холодильной системы, что влияет на пожаробезопасность и холо-допроизводительность установки. Чтобы снизить вероятность изменения состава в области концентраций, где преобладает пожароопасный компонент, в смесь добавляют негорючий компонент, давление насыщенных паров которого близко к давлению паров пожароопасного компонента или выше него. Если смесь содержит хотя бы один горючий компонент, то необходимо при заправке избегать попадания воздуха в систему.

Основные механизмы изменения состава многокомпонентного хладагента в холодильной установке следующие:

• парожидкостное разделение зеотропных смесей в компрессоре и теплообменных аппаратах;
• различная растворимость компонентов смеси в холодильном масле;
• селективная потеря какого-либо компонента из-за утечки компонента вследствие негерметичности системы; изменения массы многокомпонентного рабочего тела в отдельных элементах холодильной системы при различных тепловых нагрузках.

При практическом использовании зеотропных смесей рекомендуется:

• заправлять холодильную систему из баллона, заполненного жидким хладагентом;
• смеси с отчетливо выраженным температурным "глайдом" не следует рекомендовать для применения в холодильных установках с затопленным испарителем;
• учитывать неодинаковую растворимость каждого компонента смесевого хладагента в холодильных маслах;
• при расчете характеристик холодильной машины следует принимать во внимание изменение состава многокомпонентного хладагента.

Обозначения хладагентов. В России внедрен международный стандарт ИСО-817 "Органические хладагенты", согласно которому предусмотрены цифровые обозначения хладагентов в технической документации на хладагенты и масла.

Стандартом допускается несколько обозначений хладагентов: условное (символическое), торговое (марка), химическое и химическая формула. Обозначения основных хладагентов даны в приложении 19.

Условное обозначение хладагентов является предпочтительным и состоит из буквы "R" или слова Refrigerant (хладагент) и комбинации цифр. Например, хладон-12 имеет обозначение R12 (CF2C12). Цифры расшифровывают в зависимости от химической формулы хладагента. Первая цифра (1) указывает на метановый ряд, следующая цифра (2) соответствует числу атомов фтора в соединении. В том случае, когда в производных метана водород вытеснен не полностью, к первой цифре добавляют количество оставшихся в соединении атомов водорода, например R22.

Для этанового ряда вначале записывают комбинацию цифр - индекс, равный 11, для пропанового - 21, для бутанового - 31. Для этих производных ко второй цифре добавляют число атомов водорода, если они есть, например трифтортрихлорэтан C2F2C13 - R113.

В случае, если в составе соединения имеется бром, в его обозначении появляется буква "В", за которой следует число атомов брома, например R13B1 - трифторбромметан, химическая формула CF3Br.

Изомеры производных этана имеют одну и ту же комбинацию цифр (цифровой индекс), и то, что данный изомер является полностью симметричным, отражается его цифровым индексом без каких-либо уточнений. По мере возрастания значительной асимметрии к цифровому индексу соответствующего изомера добавляют букву "а", при большей асимметрии ее заменяют буквой "b", затем "с", например R134a, R142b и т. д.

Способ цифрового обозначения непредельных углеводородов и их галогенопроизводных аналогичен рассмотренному выше, но к цифрам, расположенным после буквы "R", слева добавляют 1 для обозначения тысяч (например, R1150).

Для хладагентов на основе циклических углеводородов и их производных после буквы "R" перед цифровым индексом вставляют букву "С" (например, RC270).

Хладагенты неорганического происхождения имеют номера, соответствующие их относительной молекулярной массе, плюс 700. Например, аммиак, химическая формула которого NH₃, обозначают как R717, воду (Н₂О) - как R718.

Хладагентам органического происхождения присвоена серия 600, а номер каждого хладагента внутри этой серии назначают произвольно (например, метиламин имеет номер 30, следовательно, его обозначение запишется как R630).

Зеотропным, или неазеотропным, смесям присвоена серия 400 с произвольным номером для каждого хладагента внутри этой серии, например R401A.

Хладагенты на основе предельных углеводородов, содержащих бром, имеют двойное обозначение. Это обозначение имеет в своем составе букву "В", например R13B1, или букву "Н", за которой следуют цифры 1 и 3, но далее к ним добавляют еще две цифры, первая из которых указывает на число атомов хлора, вторая - на число атомов брома. Например, трифторбромметан (CF₃Br), у которого число атомов хлора равно 0, а атомов брома - 1, может обозначаться либо R13B1, либо Н1301.

В настоящее время появилась тенденция при обозначении хладагентов предварять цифровой индекс не буквой "R" или "Н", а аббревиатурой, указывающей непосредственно на группу, к которой относят хладагент в зависимости от степени воздействия его на окружающую среду. Например, предлагаются обозначения:

• CFC12 для хладагента R12, принадлежащего к группе CFC (ХФУ), в которую входят хладагенты, вредные для окружающей среды;
• HCFC125 для хладагента R125, относящегося к группе HCFC (ГХФУ), состоящей из хладагентов, менее вредных для окружающей среды;
• HFC134a для хладагента R134a, входящего в группу HFC (ГФУ), состоящую из хладагентов, безвредных для окружающей среды.

Каждая фирма - производитель хладагентов выпускает в продажу свою продукцию под собственным наименованием, например такой деятельностью занимаются такие фирмы/торговая марка как:

"MackDown Chemical Inc" / MackFri^®,
"Du Pont de Nemour" / Фреон (Freon) или Сува (SUVA^®),
"Elf Atochem" / Форан (FORANE^®),
"Solvay" / Кальтрон (Kaltron),
"Montedison" / Альгофрен (Algofrene),
AZSO / Allied Signal,
ICI / Клеа (Klea),
"Daikin Kogyo" / Дайфлон (Daiflon).

Поэтому, например, R407C может поступать на рынок под марками MackFri^®-07c, FORANE^® 407C, SUVA^® 9000 и т. д.