Фреоны (Хладоны)

Зависимость температуры кипения фреонов от давления:

Указано относительное давление в bar.
R22 — по данным Du Pont de Nemours
R404a — по данным Elf Atochem
R507 — по данным ICI
Остальные — по данным «Учебник по холодильной технике» Польман

Различают естественные и искусственные холодильные агенты:

К естественным хладагентам относятся: аммиак (R717), воздух (R729), вода (R718), углекислота (R744) и др.;

Кискусственным — хладоны (фреоны) и их смеси.

Фреоны — углеводороды (СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈ и С₄Н₁₀), в которых водород полностью или частично заменен фтором и хлором (в отдельных случаях бромом). Международным стандартом принято краткое обозначение всех холодильных агентов, состоящее из символа R (Refrigerant — хладагент) и определяющей цифры. Например, фреон-12 имеет обозначение R12. Поэтому на сегодня все холодильные агенты принято обозначать в международной символике, и называть иностранным словом Freon - фреон или отечественным аналогом этого слова — хладон.

Хладоны (фреоны) химически инертны, мало- или невзрывоопасны. Хладоны - галоидопроизводные предельных углеводородов, получаемые путем замены атомов водорода в насыщенном углеводороде СnН2n+2 атомами фтора, хлора, брома (СnHx, Fy, Clz, Вru). Число молекул отдельных составляющих, входящих в химические соединения хладонов, связаны зависимостью х + у + z + u = 2n + 2. Любой холодильный агент обозначается символами RN, где R - символ, указывающий на вид холодильного агента, N - номер хладона или присвоенный номер для других холодильных агентов.

Обозначения хладагентов.

Стандартом допускается несколько обозначений хладагентов: условное (символическое), торговое (марка), химическое и химическая формула.

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 хладонов номер расшифровывается следующим образом. Первая цифра в двузначном номере или первые две цифры в трехзначном обозначают насыщенный углеводород СnН2n+2, на базе которого получен хладон: для этанового ряда вначале записывают комбинацию цифр - индекс, равный 11, для пропанового - 21, для бутанового - 31. (т.е. 1 - СН4 метан; 11 - C2H6 этан; 21 - С3Н8 пропан; 31 - С4Н10 бутан). Справа указывают число атомов фтора в хладоне: CFCl3 - Rll, CF2Cl2 - R12, C3F4Cl4 - R214, ССl4 - R10, трифтортрихлорэтан C2F2C13 - R113. При наличии в хладоне незамещенных атомов водорода их число добавляют к числу десятков номера: CHFCl2 - R21, CHF2Cl - R22. Если в состав хладона входят атомы брома, после основного номера пишут букву В, а за ней число атомов брома: CF2Br2- R12B2.

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.

Холодильным агентам неорганического происхождения (аммиак, вода) присваивают номера, равные их молекулярной массе увеличенной на 700. Так, аммиак и воду обозначают соответственно R717 и R718.

Холодильный агент должен обладать определенными теплофизическими и физико-химическими свойствами, от которых зависят конструкция холодильной машины и расход энергии.

К физико-химическим свойствам относятся растворимость холодильных агентов в смазочных маслах и воде, инертность к металлам, взрывоопасность и воспламеняемость.

При ограниченной растворимости холодильных агентов в масле в жидкой фазе смеси наблюдаются два слоя, из которых в одном преобладает масло, в другом - холодильный агент. К холодильным агентам с ограниченной растворимостью относятся аммиак R7I7, диоксид углерода R44 и ограниченно растворимые хладоны R13, R14, R115.

К холодильным агентам с неограниченной растворимостью относятся Rl1, R12, R21, R40. В этом случае для смеси хладона и масла требуется поддержание более низкого давления кипения, поэтому на сжатие пара затрачивается излишняя работа.

Хладоны R22 и R114 составляют промежуточную группу.

Аммиак неограниченно растворяет воду. При небольшом количестве воды работа холодильной машины заметно не нарушается. Хладоны почти не растворяют воду.

Избыточная влага в хладоне при прохождении через дроссель превращается в лед (если t0 < 0°С) и "запаивает" дроссельное отверстие. По этой причине холодильные машины имеют специальные осушительные устройства.

Хладоны при отсутствии влаги в области применяемых в холодильной технике температур на металлы не действуют.

Аммиак не оказывает коррозирующего действия на сталь. В присутствии воды он разъедает медь, цинк, бронзу и другие медные сплавы, за исключением фосфористой бронзы. Хладоны R11, R12, R13, R22 невзрывоопасны.

Хладоны с большим содержанием атомов фтора или полностью фторированные (R13, R113) практически безвредны для человека. Хладон R12 на открытом пламени разлагается, и в продуктах его разложения содержатся ядовитый фосген и вредные для человека фтористый и хлористый водород.

По степени озоноразрушающей активности озонового слоя Земли галоидопроизводные углеводороды разделены на 3 группы:

Хлорфторуглероды ХФУ (CFC)

Обладают высокой озоноразрушающей активностью. Хладагенты этого типа включают: R11, R12, R13, R113, R114, R115, R500, R502, R503, R12B1, R13B1.

Гидрохлорфторуглероды ГХФУ (HCFC)

Это хладагенты с низкой озоноразрушающей активностью. К ним относятся: R21, R22, R141b, R142b, R123, R124.

Гидрофторуглероды ГФУ (HFC), фторуглероды ФУ (FC), углеводороды (HC)

Не содержащие хлора хладагенты, считаются полностью озонобезопасными. Таковыми являются хладагентыR134, R134a, R152a, R143a, R125, R32, R23, R218, R116, RC318, R290, R600, R600a, R717 и др.

По термодинамическим свойствам наилучшим природным холодильным агентом считается аммиак. Поэтому в настоящее время на крупных холодильных установках с умеренно низкими температурами (-15...-25°С) наиболее распространен аммиак. В малых и средних холодильных машинах и установках используют хладон r12 (фреон r12 и хладон r22 (фреон r22). Ограниченное применение находят такие хладагенты, как хладон r13(фреон r13), хладон r500 (фреон) , хладон r502.

Аммиак (NH₃) — бесцветный газ, с резким удушливым запахом, в небольших концентрациях вреден для человека в больших - смертельно опасен. Температура кипения аммиака при атмосферном давлении — -33,4°С, температура замерзания — -77,7°С, предельно допустимая концентрация аммиака в воздухе — 0,02 мг/л. При больших концентрациях он вызывает сильные раздражения слизистой оболочки глаз и дыхательных путей. Сильное отравление вызывает головокружение, ослабление пульса, отек легких, судороги, потерю сознания, а пребывание человека в течение более 30 мин в помещении с концентрацией аммиака 0,5 — 1% может привести к смертельному исходу. При отравлении аммиаком активизируется туберкулез, возможны параличи и глухота. Жидкий аммиак вызывает тяжелые ожоги. Особенно опасно попадание в глаза даже одной капли аммиака. Помимо возможного прободения роговицы, хрусталика и стекловидного тела ожог глаз аммиаком зачастую приводит к полной слепоте.

Область применения холодильных агентов: Аммиак (R717), хладоны R12 и R22 используют в компрессионных холодильных машинах для получения температур кипения от -30 до 40°С без вакуума в системе охлаждения. Хладон R12 применяют в одноступенчатых холодильных машинах с температурой конденсации не более 75 °С и температурой кипения не ниже -30 °С, в бытовых холодильниках, кондиционерах, водоохлаждающих холодильных машинах. Хладон R22 используют в машинах с поршневыми и винтовыми компрессорами одно- и двухступенчатого сжатия, а также в бытовых холодильных машинах. Диапазон температур кипения от +10 до -70 °С при температуре конденсации не выше 50 °С. Одноступенчатое сжатие рекомендуется применять до температур кипения не ниже -35 °С.

Аммиак горит при содержании в воздухе около 11 — 14%, а при конденсации 16—28% смесь аммиака с воздухом становится взрывоопасной. В присутствии влаги аммиак разрушает медь, цинк, бронзу и другие сплавы меди, за исключением фосфористой бронзы. На черные металлы и алюминий он не действует. В воде аммиак хорошо растворяется, в масле — плохо.

Аммиак не оказывает отрицательного действия на пищевые продукты при кратковременном воздействии: они очень быстро абсорбируют его из воздуха, но в последующем при попадании продуктов в атмосферу чистого воздуха аммиак быстро улетучивается. Отрицательное влияние на качество продуктов аммиак оказывает при повышении концентрации в течение достаточно продолжительного времени — тогда происходит биологическая смерть таких продуктов, как плоды, овощи, яйца. На мясо и рыбу пары аммиака влияют также отрицательно, ухудшая их качество, что проявляется в изменении запаха, а после приготовления блюд из таких продуктов их консистенция значительно отличается от блюд, приготовленных из продуктов, не подвергшихся действию аммиака, а именно: мясо становится твердым, бульон имеет коричневый цвет и несвойственный ему запах. И все же необходимо подчеркнуть еще раз, что, несмотря на отмеченные недостатки, по термодинамическим свойствам аммиак является одним из лучших холодильных агентов, поскольку обладает высокой объемной холодопроизводительностью, высокой теплотой испарения.

Сильный запах аммиака позволяет обнаружить даже незначительную его концентрацию в воздухе, не превышающую допустимой нормы. Места утечек аммиака определяют с помощью индикаторной бумаги: при наличии аммиака в воздухе бумага должна покраснеть. Аммиак имеет низкую стоимость. Аммиачные баллоны окрашены в желтый цвет.

Наряду с чистыми фреонами широко применяют и их смеси: азеотропные и неазеотропные.

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. 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_к2жидкости 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 холодопроизводительность 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 хол… Продолжение »