Требования, предъявляемые к хладагентам

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.