Свойства холодильных агентов

Возможность применения того или иного холодильного агента для конкретных условий работы зависит от их свойств. Свойства хладагентов влияют на конструктивные особенности холодильной машины, потребляемую мощность, холодопроизводительность и другие характеристики.

К основным свойствам относятся:

1.теплофизические

2.термодинамические

3.физико-химические

4.физиологические

5.экологические

Теплофизические свойства – это теплоемкость (С), теплопроводность (λ), вязкость (μ), плотность (ρ), температуропроводность (а), поверхностное натяжение (η) и т др. Они главным образом влияют на интенсивность теплообмена в аппаратах, на потери давления в системе и на массу и габариты компрессора. С увеличением теплоемкости, теплопроводности, температуропроводности, плотности жидкости и пара увеличивается коэффициент теплопередачи теплообменных аппаратов и наоборот с повышением вязкости, поверхностного натяжения, удельного объема холодильного агента интенсивность теплообмена в аппаратах снижается. Высокие значения вязкости, плотности, поверхностного натяжения хладагента приводят к повышению гидравлических потерь в аппаратах и трубопроводах. Плотность и удельный объем всасываемого пара влияют на размеры компрессора. Чем больше удельный объем пара на всасывании, тем меньше габариты компрессора при одинаковой массовом расходе холодильного агента.

К термодинамическим свойствам относятся нормальная температура кипения, давление насыщения при температуре 30 °С, критическая температура, температура замерзания, теплота парообразования и др. Они характеризуют термодинамические параметры цикла, удельную холодопроизводительность, работу цикла, теплоту конденсации и т др. По нормальным температурам кипения холодильные агенты делятся на три группы: низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные.

К низкотемпературным холодильным агентам относятся хладагенты с температурой кипения при атмосферном давлении до – 60 °С (t_он < - 60 °С). К среднетемпературным – хладагенты с нормальной температурой кипения от – 60 °С до – 10 °С. К высокотемпературным - хладагенты с нормальной температурой кипения выше – 10 °С.

По давлениям при температуре конденсации 30 °С холодильные агенты также делятся на три группы: низкого давления с Р_к < 0, 3 МПа, среднего давления с Р_к от 0, 3 до 2 МПа и высокого давления с Р_к от 2 до 7 МПа. Холодильные агенты с давлением насыщения Р_к > 7 МПа в холодильных машинах практически не используются. Классификации по температурам и давлениям насыщения взаимосвязаны. Низкотемпературные хладагенты относятся к группе высокого давления и наоборот высокотемпературные хладагенты относятся к группе низкого давления. Величина критической температуры Р_кр влияет на протекание процесса конденсации. Чем больше разность (Т_кр – Т_к), тем больше удельная теплота конденсации. Температура замерзания холодильного агента должна быть значительно ниже температуры кипения во избежании закупорки теплообменных труб кристаллами льда. Термодинамические характеристики наиболее распространенных холодильных агентов приведены в таблице 3.1 (см. приложение).

Теплота парообразования влияет на удельную холодопроизводительность цикла. С увеличением теплоты парообразования повышается удельная холодопроизводительность цикла, а следовательно и полная холодопроизводительность всей холодильной машины.

Физико-химические свойства включают в себя термическую стабильность, взрывоопасность, воспламеняемость, электрические свойства, взаимодействие со смазочным маслом, водой и конструкционными материалами и др.

Термическая стабильность характеризуется температурой разложения, при которой происходит разложение холодильного агента на отдельные составляющие. Разложение хладонов связано с образованием хлористого и фтористого водорода и отравляющего вещества фосгена.

Следы разложения таких хладонов как R12, R22, R502, R13 наблюдаются уже при температурах 150 – 170 °С, а полное разложение происходит при температуре 330 - 550 °С. Аммиак начинает разлагаться при температуре 230 - 250 °С.

Разложение рабочих веществ оказывает вредное воздействие на надежность и долговечность компрессоров. Однако в современных холодильных машинах существующие предельные температуры значительно ниже температуры разложения. Так для хладоновых машин предельными являются температуры на 130 - 135 °С, для аммиачных машин максимальная температура нагнетания не должна превышать 160 °С.

Взрывоопасность и воспламеняемость рабочего вещества являются важными показателями для безопасной работы холодильных машин. Холодильные агенты в различной степени взрывоопасны и воспламеняемы. Наибольшей взрывоопасностью отличаются этан, этилен, пропан и бутан. Аммиак взрывоопасен в соединении с воздухам при концентрациях 16 - 26, 8 % и воспламеним при концентрациях более 11 %. Его взрывоопасность обусловлена выделением свободного водорода при высоких давлениях. У хладонов взрывоопасность снижается с возрастанием числа атомов хлора и фтора и уменьшением числа атомов водорода. Совершенно не взрывоопасны и не воспламеняемы диоксид углерода (R744), сернистый ангедрид(SO₂), хладон 30 (R30), окись азота (R), шестифтористая сера SF₆, хладон 22 (R22), хладон 23 (R23).

Электрические свойства холодильных агентов влияют на безопасность работы бессальниковых и герметичных компрессоров, так как в них происходит непосредственный контакт хладагента с обмотками электродвигателя. Одним из наиболее важных показателей является электрическая проводимость и электрическое сопротивление хладагентов. Электрическая проводимость характеризует перенос электрических зарядов в веществе под действием внешнего электрического поля. Удельное электрическое сопротивление обратная величина электрической проводимости.

Взаимодействие холодильных агентов с маслами. По взаимной растворимости хладагенты и масла делятся на три группы. К первой группе относятся холодильные агенты и масла с ограниченной взаимной растворимостью в любых диапазонах давлений и температур. Вторая группа включает в себя растворы с неограниченной взаимной растворимостью. В третью группу входят холодильные агенты и масла с локальной взаимной растворимостью, которые в определенных диапазонах температур имеют ограниченную растворимость, а в других условиях – неограниченно растворимы друг в друге.

Взаимодействие с водой. По взаимной растворимости хладагентов с водой они делятся на две группы. К первой группе относятся рабочие вещества с ограниченной растворимостью, ко второй группе - с неограниченной растворимостью с водой. Холодильные агенты первой группы практически не растворяются в воде. Жидкая фаза содержит два слоя: слой практически чистого хладагента и слой воды. Присутствие в холодильном агенте нерастворенной влаги вызывает опасность образование кристаллов льда в дроссельном устройстве и в трубках испарителя. Образовавшийся лед может перекрыть проходные сечения и вывести из строя холодильную машину. К первой группе относятся практически все хладоны, чистые углеводороды: метан, пропан, бутан и т.д. В таких холодильных машинах обязательно устанавливаются осушительные устройства с поглатителями влаги (силикогель, алюмокогель, цеолиты и др.). Во вторую группу входят холодильные агенты, которые полностью растворяются с водой, образуя однородный гомогенный раствор. Однородные гомогенные растворы имеют средние теплофизические и термодинамические свойства в зависимости от процентного содержания воды. Поэтому в холодильных машинах, работающих на таких растворах температура кипения и конденсации выше, чем при работе на чистых рабочих веществах. Ко второй группе относятся такие хладагенты, как аммиак (R717), диоксид углерода (R744) и др.

Взаимодействие с конструкционными материалами. Различные хладагенты по-разному реагируют с конструкционными материалами, которые применяются в холодильных машинах. Аммиак инертен по отношению к черным металлам. В присутствии влаги аммиак взаимодействует с цинком, медью и медными сплавами.

Физиологические свойства показывают степень воздействия холодильных агентов на живой организм. По международной классификации все холодильные агенты делятся на шесть классов в зависимости от величины среднесмертной концентрации для определенного вида подопытных животных. К первой самой токсичной группе относится хладагент R764 (сернистый ангидрид). Запах сернистого ангидрида в воздухе чувствуется уже при концентрации 0, 0012 - 0, 0015%. При концентрации 0, 002 - 0, 004% возникает кашель. Дальнейшее повышение концентрации приводит к удушью, воспалению легких и кровоизлиянию. При попадании SО₂ в кровь происходит коагуляция белых кровяных шариков. Ко второму классу относится R717 (аммиак), который даже при незначительных концентрациях в воздухе обладает специфическим едким запахом. Его предельная допустимая концентрация составляет 0, 02 мг/м³. При наличии опасных концентрациях аммиака происходят деструктивно-воспалительные и некротические изменения слизистых оболочек дыхательных путей и кожи. Отравление аммиаком активизирует туберкулез, может вызвать паралич и глухоту. Попадание маленькой капли хладагента в глаз приводит к ожогу роговицы и даже к слепоте. К третьей и четвертой группам относятся чистые углеводороды (пропан, метан, бутан и др.) и некоторые хладоны (R20, R160). Самыми безвредными для человека являются большинство хладонов. Они относятся к пятому и шестому классам.

В 1976 году были установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) наиболее распространенных холодильных агентов. Превышение ПДК в воздухе вызывает отрицательное воздействие на организм человека. Однако при одинаковом ПДК хладагенты имеют различные давления насыщения и при аварии с различной интенсивностью распространяются в воздухе. Для оценки реальной опасности отравления рабочим веществом введено понятие токсической опасности, которая характеризуется коэффициентом возможного ингаляционного отравления (КВИО). Этот коэффициент определяется отношением максимально допустимой концентрации пара при температуре 20 ^°С к среднесмертельной концентрации для мышей при экспозиции 120 минут. Наиболее полно реальную опасность холодильного агента для человека в производственных условиях характеризует коэффициент токсической опасности - К_т.о.

Он показывает во сколько раз может быть превышен ПДК при аварии в нормальных производственных условиях. Для определения К_т.о. можно также воспользоваться следующей формулой:

где – Р_t=20^о_С – давление насыщения при температуре 20^оС, КПа;

μ – киниматический коэффициент вязкости;

Значения ПДК и К_т.о. для некоторых холодильных агентов представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.3.Степень токсичности холодильных агентов.

Экологические свойства показывают степень воздействия холодильных агентов на озоновый слой околоземной орбиты и парниковый эффект. Попадая в верхние слои атмосферы (стратосфера на высоте 16 – 45 км.) под воздействием солнечной радиации из хладонов выделяются хлор и бром. Они вступают в химическую реакцию с озоном, отнимают от него атом кислорода и образуют окись хлора и окись брома, тем самым уменьшая количество озона. В соответствии с Монреальским протоколом 1986 года потребление озоноактивных хладагентов подлежит сокращению и затем полному исключению. Например, в Беларуси хладон 12 запрещен полностью к применению с 1 января 2000 г. В связи с этим многие широко применяемые озоноразрушающие хладоны должны быть заменены на альтернативные озонобезопасные. В настоящее время проведен анализ существующих и разработан ряд новых хладагентов, не разрушающих озоновый слой земли. Наличие водорода в молекуле хладона резко снижает их озоноактивность. Наименее активны хладагенты, галоганизированные только фтором.

В таблице 3.4. приведена бальная оценка озоноразрушающей активности и парниковый потенциал некоторых хладагентов.

Таблица 3.4.Озоноразрушающий потенциал и потенциал парникового эффекта широко используемых хладагентов.

Во многих странах (Россия, США, Германия, Франция и др.) проводятся исследования и разрабатываются новые озонобезопасные холодильные агенты. Уже предложен ряд хладонов в замен существующих озоноразрушающих. Часть из них представлена в таблице 3.5.

Таблица 3.5.Альтернативные озонобезопасные холодильные агенты.