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. Хладагенты R11, R21 разлагаются при более низких температурах. Наименее устоичивы к влиянию высоких температур бромсодержащие углеводороды. Необходимо отметить, что в присутствии масла и различных конструкционных материалов термическая стабильность хладонов снижается. Хлористый метил в присутствии металлов образует продукты разложения при температуре около 200 °С, в чистом виде он разлагается при температуре 425 °С. Изобутан термически стабилен до температуры 260 °С. Аммиак начинает разлагаться при температуре 230 - 250 °С. Фторуглероды (CF4, C4F10 и др.) термически очень устойчивы и не разлагаются до температуры 400 - 500 °С. Пропан в присутствии кислорода начинает разлагаться при температуре 460 °С, а при достижении температуры 830 °С он разлагается полностью. Температура разложения сернистого ангедрида SO₂ в чистом виде составляет 1100^оС, однако в присутствии металлов эта граница температур снижается. К наиболее термически стабильным относится диоксид углерода (R744), который разлагается при температуре выше 1500 °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. К группе с ограниченной растворимостью относятся такие хладагенты как NH₃, SF₆, SO₂, хладон 13, хладон 14, C₄F₈, C₄F₁₀ и др. В таких смесях холодильные агенты и масла практически не растворяются друг в друге. Жидкая фаза состоит из двух слоев: один слой содержит практически чистый хладагент, другой слой является практически чистым маслом, т.е. образуется гетерогенная система. Взаимное расположение слоев зависит от их плотности. Так, например плотность масел для аммиачных холодильных машин больше плотности самого аммиака. Поэтому слой масла находится ниже слоя аммиака. Для некоторых хладонов наоборот масло легче хладагента и оно всплывает вверх. Во вторую группу входят большинство хладонов: R11, R12, R21, R113, R134A, R502 и др. При температурах, существующих в холодильных машинах они полностью растворяются с маслом, образуя однородный гомогенный раствор со средними термодинамическими и теплофизическими свойствами. При кипении маслохладонового раствора выкипает чистый холодильный агент, как низкокипящий компонент раствора. Из испарителя выходит парообразный хладон и высококонцентрированная жидкость, которая содержит масло и растворенный в нем холодильный агент. Количество неиспарившегося жидкого холодильного агента в выходящем из испарителя масле зависит от температуры перегрева. Поэтому в хладоновых холодильных машинах устанавливается регенеративный теплообменник не только для охлаждения жидкости перед дросселированием, но также для выпаривания жидкого холодильного агента из масла. В противном случае жидкий хладагент выпаривается в картере компрессора, что приводит к вспениванию масла, ухудшению условий смазки пар трения и повышенному уносу масла из компрессора. К третьей группе можно отнести хладоны 22, 114, 142 и др. У холодильных агентов этой группы при определенных температурах и концентрациях с маслом существует зона несмесимости. Зона несмешиваемости характеризуется кривой расслоения, которая отделяет гетерогенную область от гомогенной (см. рис. 3.1.).

Рисунок 3.1.Растворимость некоторых веществ в масле.

 

Максимальная температура на кривой расслоения называется верхней критической температурой, а минимальная – нижней критической температурой. Вид кривой расслоения для одного и того же хладагента может быть различным, в зависимости от применяемого смазочного масла. Кроме того, в зависимости от марки масла, смеси могут переходить из одной группы в другую. Так например хладон 22 с синтетическим маслом ХФС22-18 относится ко второй группе, а с миниральным маслом ХФ22-24 – к третьей.

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. Для деталей аммиачных компрессоров, подвергающихся интенсивной смазке, допускается применение высокооловянистых фосфористых бронз ОФ-10-1 или ОФ-6, 5-0, 15. Чистые углеводороды (пропан, изобутан и др.), диоксид углерода не реагируют со всеми металлами. Обезвоженный сернистый ангедрид инертен к большенству металлов, за исключением цинка, серебра и кадмия. R40 (хлористый метил) не взаимодействует ни с какими металлами, кроме алюминия, магния, цинка, свинца и их сплавов. R30 (дихлорметан) как в сухом, так и с небольшим количеством влаги инертен к алюминию, меди, свинцу и железу. При большом избытке влаги и высоких температурах коррозирует железо и бронзу. R115 (хлористый этил) в обезвоженном состоянии инертен к большинству металлов, за исключением ртути. R160В1 (бромистый этил) без присутствия влаги на металлы не действует. Производные углеводородов (хладоны) в обезвоженном состоянии инертны ко всем металлам за исключением сплавов, содержащих более 2% Mg. Некоторые хладоны, такие как R14, R22, R114 взаимодействуют с алюминием, имеющим твердометаллические присадки. Фторхлорпроизводные углеводородов являются хорошими растворителями многих органических соединений и веществ (краски, лаки, ткань, уголь, резина и др.). Они разъедают прокладки и вызывают диффузию рабочего вещества. Поэтому для прокладок уплотнений хладоновых холодильных машин должны применяться паронит, фторопласт, нефритовая резина, в качестве вяжущих веществ и изоляционных лаков поливинилацетаты и полиамиды.

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.

 

Хладагент	ПДК, мг/м3	Кт.о, 10-3	Хлад- агент	ПДК, мг/м3	Кт.о, 10-3	Хлад- агент	ПДК мг/м3	Кт.о, 10-3
R10			R32			R150
R11			R40			R152
R12			R40В1			RС318
R12В1			R50			R500
R12В2			R113			R502
R20			R114			R600а
R20В3			R115			R717
R21			R130а
R22			R142
R30			R143

 

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.

 

Хладагент	Нормальная температура кипения, оС	Относительная озоноактивность	Потенциал парникового эффекта
R11	23, 65	1, 0	1, 0
R12	-29, 74	1, 0	3, 0
R12B1	-3, 83	3, 0	-
R13B1	-57, 77	10, 0	-
R22	-40, 81	0, 05	0, 36
R23	-82, 14	0, 0	-
R32	-51, 67	0, 0	-
R113	46, 82	0, 8	-
R114	3, 63	1, 0	3, 9
R115	-38, 97	0, 6	7, 5
R124	-12, 0	0, 0	-
R125	-48, 0	0, 0	0, 84
R133а	6, 0	< 0, 05	-
R134	-20, 0	0, 0	-
R142b	-9, 0	< 0, 05	0, 42
R143а	-47, 6	0, 0	-
R123/R123а	27, 0	< 0, 05	0, 02

 

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.

Часто используемый хладагент	Температура кипения	Альтернативный хладагент	Температура кипения
R113	46, 8	R132в	46, 8
R11	23, 6	R123/R123a	27, 1
R114	3, 6	R133a	6, 1
		R21	9, 0
R12B1	-3, 8	R142в	-9, 0
R142в	-9, 0	R142в	-9, 0
R12	-29, 8	R134a	-26, 8
		R152a	-24, 7
		R22/R142в	-30, 0
R500	-33, 3	R22/R142в	-33, 0
		R22/R134a	-33, 0
R22	-40, 8	R22	-40, 8
		R125	-42, 0
R502	-45, 6	R502	-45, 6
		R143в	-47, 6
R13B1	-57, 0	R32	-51, 7
R13	-81, 6	R13	-81, 6
		R23	-82, 0
		R503	-87, 8
R14	-128, 0	R14	-128, 0

 

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Вопрос 4. Организация работы по сбору информации и изучению контрагентов
2. Использование объектов в качестве психологических реагентов
3. Схема и цикл каскадных холодильных машин
4. Схемы и циклы двухступенчатых холодильных машин.
5. Теоретические основы холодильных машин
6. Характеристика агентов рыночной конъюнктуры