учитывать неодинаковую растворимость каждого компонента смесевого хладагента в холодильных маслах;
при расчете характеристик холодильной машины следует принимать во внимание изменение состава многокомпонентного хладагента.
Азеотропными называются смеси, состоящие из двух и более компонентов (хладонов), которые кипят и конденсируются при постоянной температуре как однородные вещества.
В качестве рабочих тел могут использоваться азеотропные смеси, составляемые из двух холодильных агентов. Например, азеотропную смесь, состоящую из 48,8% R22 по массе и 51,2% R115 (C2F5Cl), называют хладоном R502, его температура кипения при давлении 0,1 МПа -45,6°С.
В обозначениях смесей холодильных агентов указывают названия составляющих и их массовые доли. Хладон R502 можно обозначить R22/R115 (48,8/51,2). Цифрами, начиная с 500, условно обозначают азеотропные смеси, процентный состав которых в процессе кипения и конденсации практически не изменяется.
Неазеотропные смеси характеризуются разделением равновесных концентраций компонентов в жидкой и газовой фазах. Кипение и конденсация неазеотропных смесей происходит при переменных температурах. Неазеотропные смеси применяют для увеличения холодопроизводительности, снижения температур конца сжатия, расширения диапазона применения по температурам кипения и конденсации.
Неазеотропные смеси широко применяются в герметичных компрессорах, их использование позволяет повысить надежность работы холодильного агрегата и снизить энергопотребление. Примером неазеотропной смеси может служить смесь хладагентов R502 и R113 в соотношении соответственно 85 и 15%.
Особенностью хладонов является их малая токсичность, негорючесть, взрывобезопасность, достаточно высокая термостойкость и химическая нейтральность. Однако следует помнить, что в присутствии открытого пламени хладоны разлагаются с образованием ядовитых веществ. Поэтому курить и пользоваться открытым пламенем в холодильных камерах категорически запрещается. Следует также иметь в виду, что в системах с герметичными компрессорами при сгорании электродвигателя могут образовываться токсичные вещества, поэтому разгерметизацию такой системы надо проводить с определенными мерами предосторожности.
Озонобезопасные хладагенты. Защита окружающей среды от вредного воздействия различных машин и оборудования, в том числе и от работы холодильного оборудования, является весьма актуальной проблемой для всего человечества. Производимые в любой стране домашние холодильники неизбежно когда-то выходят из строя и это ведет к их разгерметизации и попаданию хладагента в окружающую среду. Как было установлено учеными, хладоны, попадая в окружающий воздух, вступают в химическую реакцию с озоновым слоем атмосферы и вызывают его разрушение. Это чревато для людей и всего живого на планете самыми серьезными последствиями. Поэтому в 1987 г. в Монреале представителями многих стран были приняты меры по ограничению производства веществ, разрушающих озоновый слой. Озоноразрушающая способность хладонов определяется наличием атомов хлора в молекуле и оценивается потенциалом разрушения озона ODP (Ozon Depletion Potential) и потенциалом "парникового эффекта" GWP (Global Warming Potential) относительно СО2. В своих исследованиях американские ученые показали механизм разрушения озонового слоя. Так как хладагенты значительно тяжелее воздуха, то, казалось бы, они не должны попадать в стратосферу. Однако хладон, попадая в атмосферу, взаимодействует с влагой и подвергается воздействию искровых разрядов (молний). Это приводит к гидролизу и пиролизу хладона с отщеплением атомов хлора. Атом хлора активно включается в процесс разрушения озона. Одна молекула хлора способна разрушить до ста тысяч молекул озона.
По степени озоноразрушающей активности хладагенты делят на две группы:
- хладагенты с высокой озоноразрушающей активностью (ODP>=1,0);
- хладагенты с низкой озоноразрушающей активностью (ODP<0,1).
К первой группе относятся: хладон фреон R11, R12, R13, R113, R114, R115, R500, R501 и др. Молекулярная формула каждого из хладонов не содержит атомов водорода (за исключением азеотропных смесей), поэтому их гидролиз и высокотемпературный пиролиз протекают с образованием свободных атомов хлора.
Ко второй группе относятся менее озонобезопасные: хладон фреон R21, R22, R23, R30, R40, R123, R124,R140a, R160 и др. Молекулы каждого из названных хладонов содержат атом водорода и поэтому при гидролизе и пиролизе молекул хладонов в первую очередь образуется соляная кислота НС1, и в редких случаях при определенных условиях может выделиться несколько молекул свободного хлора. Этим и объясняется их низкая озонобезопасность.
Хладоны, не содержащие атомов хлора, являются полностью озонобезопасными. К ним относятся хладон фреон R116, R125, R143, R113a, R152a, R290, R600 и др.
Холодильный агент R502 применяют в низкотемпературных одноступенчатых холодильных машинах при температуре конденсации до 50 °С, кипения до -45°С.
Широкое распространение получили появившиеся в 1930-е годы галогенизированные хладагенты R12, R22 и др. Только в России в начале 1990-х годов работало более 50 млн бытовых холодильников и сотни тысяч единиц промышленного, торгового и других видов холодильного оборудования, в которых использовались эти хладоны. Однако в ходе исследований "озоновых дыр" (значительного уменьшения содержания озона на высоте 20 -25 км в земной атмосфере) было установлено, что промышленные и бытовые отходы, содержащие атомы хлора, в том числе хладоны, достигая атмосферы, высвобождают хлор, который участвует в разрушении озонового слоя. Известно, что озоновый экран (среднее содержание озона в атмосфере 0,001 %) защищает поверхность Земли от избыточных ультрафиолетовых лучей, большая доза которых способна уничтожить все живое. Поэтому Международной конвенцией в Вене в 1985 г., Протоколом в Монреале в 1987 г. и последующими протоколами с участием представителей крупнейших стран мира были приняты решения о прекращении к 2000 г. производства и использования озоноопасных хладонов, в первую очередь R11, R12, R113, R114, R115. Хладагенты R22, R123, R124, R141 и R142 разрешены в качестве переходных для замены запрещаемых. Но и они должны быть исключены из использования к 2040 г., а по возможности и раньше (к 2020 г.)
Взамен вышеперечисленных хладонов предлагаются гидрофторуглеводороды (ГФУ) и гидрохлорфторуглеводороды (ГХФУ), которые благодаря содержанию водорода разлагаются гораздо быстрее, чем хлорфторуглеводороды, в нижних слоях атмосферы, не достигая озонового слоя. На мировом рынке такие озонобезопасные хладоны предлагает, например, фирма "Дюпон" (США) под торговой маркой "СУВА". "Дюпон" поставляет на рынок хладагент НР62 (R404a), имеющий при давлении 0,1 МПа температуру кипения порядка -46 °С, гидрофторуглеводород R134a (CH2FCF3) и др. В России также освоен выпуск R134a. Он может полностью заменить R12, хотя при его использовании несколько снижаются удельная холодопроизводительность установки (92 % от удельной холодопроизводительности R12), холодильный коэффициент (98 % по сравнению с R12), увеличивается соотношение давлений конденсации и кипения (123%, если принять это соотношение для R12 равным 100%). Для R134a подобраны и синтетические масла (ХС-22, ХФС-134). Температура кипения R134а при давлении 0,1 МПа составляет -26,5 °С. В выпускаемых в России холодильниках и морозильниках "Стинол" (г. Липецк) используется преимущественно R134a.
Разработаны заменители и для других хладонов. Так, альтернативным для R22 может быть R407C или R290. Холодильный агент R407C представляет собой смесь R32/125/134а в соотношениях 23/25/52%. Хладон R502 может быть заменен на R125 (CHF2CF3), имеющий температуру кипения -48,5 °С. Для низкотемпературных машин (каскадных) может быть рекомендован озонобезопасный R23.
Расширяется использование аммиака, не влияющего на окружающую среду. Аммиак в два раза легче воздуха и при утечке быстро поднимается в атмосферу, где разлагается в течение нескольких дней. При выбросе жидкий аммиак немедленно испаряется. Но следует иметь в виду, что он ядовит, горюч и взрывоопасен. Если ранее аммиак использовали преимущественно в крупных по холодопроизводительности холодильных машинах, то теперь промышленность осваивает конструкции средних и малых аммиачных компрессоров и холодильного оборудования на их основе.
Хладоносители. Хладоносители являются промежуточным веществом между источником холода и объектом охлаждения. Они подразделяются на жидкие и твердые.
К жидким хладоносителям относятся водные растворы солей - рассолы и однокомпонентные вещества, замерзающие при низких температурах (этиленгликоль, кремнийорганическая жидкость). Применяют водные растворы солей NaCl, MgCl2, СаСl2, температура замерзания которых до известного предела (состояния криогидратной точки) зависит от концентрации рассола. Для раствора NaCl криогидратная точка -21,2 °С, для MgCl2 -33,6 °С, для СаСl2 -55 °С. Для уменьшения коррозирующего действия рассолов на металлические части оборудования в них добавляют пассиваторы: силикат натрия, хромовую соль, фосфорные кислоты.
Этиленгликоль в зависимости от концентрации в воде может иметь температуру замерзания от 0 °С (вода) до -67,2 °С при концентрации 70% по объему.
Твердые хладоносители - это эвтектический лед, образующийся при криогидратной температуре, представляющий собой смесь льда и соли и имеющий постоянную температуру плавления.
В Российской Федерации к 2020 г. все холодильное оборудование должно работать на озонобезопасных хладонах. В этих целях должны быть разработаны новые холодильные машины, налажена новая технология выпуска как самих хладонов, так и холодильных масел, адсорбентов, новых материалов, приборов автоматики и контроля.