Введение
К рабочим веществам относятся: хладагенты, хладоносители, аккумуляторы холода и вспомогательные рабочие вещества: смазочные материалы, теплоизоляционные материалы, ингибиторы, поверхностно активные вещества (ПАВ), материалы холодильного оборудования и др. вещества и материалы, применяемые в низкотемпературной технике.
Современное состояние холодильной техники базируется на новейших достижениях науки и техники, поэтому для успешного изучения теоретических основ холодильной техники, понимания протекающих процессов и творческого подхода в вопросах повышения эффективности холодильной техники, инженеру механику низкотемпературной техники необходимы знания не только спецдисциплин, но и определенных разделов смежных и фундаментальных дисциплин: физики, химии, математики.
Тема 1. ХЛАДАГЕНТЫ
Холодильные агенты (хладагенты) – вещества непосредственно участвующие в получении холода. Хладагент – газ или жидкость с относительно низкой температурой замерзания. В качестве хладагентов могут применяться неорганические и органические вещества.
Лекция 1
«Хладагенты неорганического происхождения»
История развития
В данном разделе приведена история открытия веществ и физических принципов, которые были использованы для получения холода. Развитие низкотемпературной техники хорошо согласуется с общим развитием науки. Показаны экологические проблемы, возникающие при использовании ряда хладагентов.
1540 г – испарением диэтилового эфира был впервые получен холод. Применение диэтилового эфира в первую очередь было связано с простотой его получения по реакции: С2Н5ОН +НОС2Н5 → С2Н5ОС2Н5 + Н2О.
1755 г. – впервые использована вода в качестве хладагента.
1756 г. – был применен вакуум для испарения диэтилового эфира.
1834 г. – разработана компрессионная машина на диэтиловом эфире.
1846 г. – изобретена и запатентована абсорбционная машина, работающая на хладагенте (NН3 или SО2) и абсорбенте (Н2О).
1852 г. – получен патент на холодильную машину, работающую по принципу сжатия и расширения воздуха.
1855 г. – разработана компрессионная машина на метаноле.
1869 г. – запатентована компрессионная машина на диметиловом эфире.
До 30-х годов XX века в качестве хладагентов преимущественно применялись NН3, SО2, СО 2 и СН3Сl.
1931 г. – запатентован хладагент дихлордифторметан (ССl2F2), названный фреоном-12 или R12. Последующий период характеризуется появлением большого количества других галогенпроизводных углеводородов. Например: ССl3F (R11), СНСlF2 (R22), С2Сl3F3 (R113), С2Сl2F4 (R114) и др.
1950 г. – получен смесевой азеотропный хладагент (R11 + R113), превосходящий по теплофизическим свойствам R12.
До 80-х годов основными хладагентами были R12, R22, R502 и R717. Наряду с этим стало развиваться криогенное охлаждение. Например, жидкий азот кипит при температуре -196 °С с поглощением 199 кДж/кг теплоты. Криогенный метод предусматривает одноразовое использование охлаждающего вещества. 1974 г. – было установлено, что органические вещества содержащие хлор
и бром при попадании в верхние слои атмосферы приводят к разрушению озонового слоя земли. В связи с этим в 1987 всеми индустриальными странами был подписан Монреальский протокол который гласит, что никакое новое оборудование с хлорфторуглеводородами не должно производится после 2010 года, а полное сокращение производства таких соединений намечено на 2030 год.
1997 г. – в связи с потеплением климата на Земле «парниковый эффект», возникающем под действием ряда хладагентов и других веществ, ООН в Киото (Япония) был принят Киотский протокол о сокращении эмиссии в атмосферу «парниковых» газов.
В связи с этими постановлениями, настоящий период характеризуется поиском альтернативных хладагентов отвечающих современным экологическим и техническим требованиям.
Наряду с индивидуальными веществами, стало развиваться направление применения смесевых хладагентов. Смесевые хладагенты могут быть нераздельнокипящими (азеотропными) и раздельнокипящими (зеотропными). Применение зеотропных хладагентов приводит к такому нежелательному явлению как температурный «глайд» (скольжение температуры). Для зеотропных смесевых хладагентов разница в температурах кипения отдельных компонентов должна быть не более 5-70. Если разница в температурах кипения не превышает 10, то такие смеси называют «квазизеотропными».
В настоящее время наблюдается возврат к ранее широко применявшимся хладагентам, одним из которых является аммиак, обладающий хорошими теплофизическими и экологическими свойствами (потенциал разрушения озона ОDР=0 и потенциал глобального потепления GWР=0).
Следует отметить, возрастающий интерес к такому хладагенту как вода (Н2О). Она химически стабильна, нетоксична, не воспламеняема и не вредит окружающей среде. Однако вода как холодильный агент имеет очень низкий уровень рабочих давлений. В результате система должна пропускать большие объемные потоки водяного пара при высоком коэффициенте сжатия. Основной цикл машин, работающих на воде, фактически идентичен парокомпрессионному холодильному циклу с традиционными холодильными агентами, за исключением того, что в связи с доступностью и относительной дешевизной воды как холодильного агента, возможно ее использование в разомкнутом цикле.
Требования, предъявляемые к хладагентам
Приведенный в 1-м вопросе анализ позволяет определить
требования, предъявляемые к хладагентам:
1) экологические:
низкий потенциал глобального потепления,
озонобезопасность,
негорючесть,
нетоксичность;
2) термодинамические:
большая объемная холодопроизводительность,
низкая температура кипения при атмосферном давлении,
невысокое давление конденсации,
хорошая теплопроводность,
малая плотность,
малая вязкость,
3) эксплуатационные:
термохимическая стабильность,
совместимость и достаточная взаимная растворимость с холодильным маслом, технологичность применения.
4) экономические:
наличие товарного производства, доступные цены.
Хладагенты, отвечающие всем перечисленным требованиям, найти практически невозможно, поэтому в каждом отдельном случае выбирают хладагент с учетом конкретных условий работы холодильной машины и предпочтение отдают таким, которые удовлетворяют принципиальным и определяющим требованиям.
