Термодинамические, теплофизические свойства хладагентов, их токсичность, пожароопасность, взаимодействие с конструкционными материалами и смазочными маслами оказывают существенное влияние на показатели работы холодильных машин. К таким показателям можно отнести энергетическую эффективность, материалоемкость, надежность, безопасность холодильных машин и др. свойства хладагентов определяют также температурные условия работы холодильных машин и возможность создания машины той или иной производительности.
В настоящее время на практике применяют порядка 20 хладагентов. Наиболее доступными хладагентами является вода и воздух. К концу 60-х годов сформировалась официальная система обозначений холодильных агентов. Согласно международному стандарту ИСО «Органические хладагенты», с 1968 года была установлена единая система обозначений. Система обозначений включает наименования и числа. Буква R или слово refrigerant (холодильный агент) составляют наименование; цифры связаны со структурой молекулы холодильного агента; последняя цифра равна числу атомов фтора в молекуле, предпоследняя - на единицу превышает число атомов водорода, а третья - от конца на единицу меньше числа атомов углерода в молекуле. Число атомов хлора равно разности от вычитания числа атомов фтора и водорода из общего числа атомов, присоединенных к атому углерода. Перед числовым обозначением циклических предельных соединений ставят букву С. Если в молекуле холодильного агента присутствуют атомы брома, к числовому обозначению соответствующего соединения добавляют букву В и цифру, равную числу атомов брома. Например, соединение СНF2Cl имеет по системе ИСО обозначение R22. Здесь последняя цифра 2 - число атомов фтора; первая цифра 2 число атомов водорода в молекуле плюс единица; третьей цифры нет, так как она на единицу меньше числа атомов углерода в молекуле и поэтому равна нулю.
Хладагенты классифицируют по давлениям насыщенного пара и нормальным температурам кипения. По давлениям насыщенного пара их подразделяют на хладагенты высокого, среднего и низкого давления. К первой группе относят хладагенты, у которых давление пара при температуре 30 ºС составляет 2-7 МПа. Давление хладагентов, входящих во вторую группу, составляет 0,3-2 МПа. У хладагентов третьей группы давление пара при температуре 30 ºС ниже 0,3 МПа. По нормальным температурам кипения хладагенты также подразделяются на три группы: низкотемпературные (tн < - 60 ºС), средне – температурные (tн = - 60ºС - (- 10 ºС)), высокотемпературные (tн > -10 ºС).
Классификации по давлениям и температурам взаимосвязаны. Хладагенты высокого давления являются низкотемпературными рабочими веществами, низкого давления - высокотемпературными.
4.2. Термодинамические свойства [3, с. 17]
Термодинамические характеристики рабочих веществ влияют главным образом на температурные режимы работы холодильных машин, эффективность термодинамических циклов, показатели и характеристики холодильных машин и компрессоров.
4.3. Теплофизические свойства [4, с. 58]
К теплофизическим свойствам относятся плотность, теплопроводность, вязкость, поверхностное натяжение и некоторые другие свойства. Они влияют на интенсивность тепломассопереноса в аппаратах холодильных машин, а также на сопротивления при движении газообразных и жидких хладагентов в системе. Названные факторы определяют значения необратимых потерь в процессах тепломассопереноса и транспортировки рабочих веществ, что в конечном итоге сказывается на общей энергетической эффективности холодильных машин и их конструктивных особенностях. Для тепломассообмена в аппаратах со сравнительно высокой интенсивностью желательно иметь хладагенты с большими значениями теплопроводности, плотности, теплоты парообразования и малыми значениями вязкости.
На сопротивление при циркуляции рабочих веществ в системе оказывают влияние вязкость и плотность. Массовый расход циркулирующего в системе хладагента зависит от теплоты парообразования и уменьшается с ее ростом. Для уменьшения расхода энергии на перекачивание хладагента в системе желательно иметь возможно большие значения теплоты парообразования и наименьшие значения вязкости.
В качестве общей характеристики свойств рабочих веществ для теплообмена при кипении и конденсации могут быть выбраны критические параметры рабочих веществ и их молярная масса. Теплоотдача при кипении и конденсации возрастает при прочих равных условиях по мере уменьшения Ткр и молярной массы и уменьшается с ростом Ркр при кипении и с понижением Ркр при конденсации.
4.4. Химические и физико-химические свойства [4, с. 59]
Химическая стабильность хладагентов характеризуется температурой разложения, воспламеняемостью и взрывоопасностью. Температуры разложения применяемых в холодильной технике хладагентов значительно выше температур, при которых осуществляются термодинамические циклы холодильных машин. При использовании хладонов в регенеративных циклах температура конца сжатия не превышает 70-100 ºС, при использовании аммиака 150 ºС.
Термическая устойчивость хладагентов различна. Аммиак начинает распадаться на азот и водород при температуре выше 250 ºС, двуокись углерода- при температуре выше 1500 ºС. Термическая устойчивость хладонов достаточно высока, однако разложение этих соединений сопровождается образованием хлористого и фтористого водорода, а также следов фосгена. Начальная температура разложения хладонов повышается с увеличением содержания фтора в молекуле и зависит от материалов, в контакте с которыми они находятся. Она выше при контакте с никелем и высоколегированными сталями и уменьшается в присутствии углеродистых сталей. Хладагент R12 в присутствии железа, цинка, дюралюминия, меди начинает разлагаться при 410-430 ºС, в присутствии свинца - при 330 ºС, хладагент R22 в присутствии железа при 550ºС. На основании анализа опубликованных данных можно заключить, что относительная термическая стойкость хладонов уменьшается в следующем порядке R11 < R21 < R113 < R22 < R12 < R114 < R115 < RЗ18С < R13 < R14. Хладагенты R14, R318C, R218, R846 термически очень устойчивы, распадаются только при температуре красного каления. Наименее устойчивы к влиянию высоких температур бромированные углеводороды. В табл. 3.1 приведены данные по рекомендуемым допустимым температурам применения отдельных хладонов в зависимости от контактирующих металлов и сплавов.
Таблица 3.1
Температура (ºC) применения хладонов в контакте с различными металлами
| Металл | Хладоны | |
| R11 | R12, R21, R22 | |
| Углеродистая сталь Медь и медные сплавы Коррозионно-стойкие стали Высоколегированные стали Никель и никелевые сплавы | 50 | 100 |
| 50 | 100 | |
| 150 | 150-200 | |
| 150-200 | 200 | |
| 200 | 200 | |
Термическая устойчивость хладагентов снижается в присутствии смазочных масел. Минеральные масла сильнее влияют на ухудшение термической устойчивости, чем синтетические, применяемые в холодильной технике. Разложение хладагентов оказывает отрицательное влияние на надежность компрессоров, продолжительность использования в них масла без замены.
Хладагенты обладают различной степенью воспламеняемости и взрывоопасности. Аммиак в соединении с воздухом при концентрациях 16-26,8% взрывоопасен и воспламеняем. Наибольшей взрывоопасностью характеризуются этан, этилен, пропан и бутан. Так, с точки зрения воспламеняемости допустимая норма содержания в воздухе этана и пропана не должна превышать 40 г/м³, этилена - 32 г/м³. Взрывоопасность и воспламеняемость хладонов заметно снижается с уменьшением числа атомов водорода в молекуле и возрастанием числа атомов хлора, фтора и, особенно, брома. Не воспламеняются и не взрывоопасны двуокись углерода, R22, R23, R123, R124, R125, R134, R134a.
5.ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫБРАННЫХ ХЛАДАГЕНТОВ ТЕРМОКАМЕРЫ
5.1. Хладагент R22 [7, с. 51]
Химическая формула CF2ClH (дифторхлорметан). Это бесцветный, негорючий и невзрывоопасный газ со слабым запахом трихлормeтaна (хлоро-форма); более ядовит, чем R12. Молекулярная масса хладагента 86,46 г/моль, температура кипения при атмосферном давлении -40,85 ºС, температура плавления -157,4 ºС, критическая температура 96,13 ºС критическое давление 4,98 МПа и критическая плотность 512,8 кг/м³.
Хладагент R22 слабо растворяется в воде, объемная доля влаги в нем не должна превышать 0,0025 %. Массовая растворимость R22 в воде при парциальном давлении 0,101 МПа в области температур от 0 до 80 ºС составляет 0,778 - 0,093 %, а воды в R22 в области температур от -40 ºС до 40 ºС соответственно 0,012 - 0,191 %.
Коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации на 25 - 30% выше, чем у R12, однако R22 имеет более высокие давление конденсации и температуру нагнетания (в холодильных машинах). Предельно допустимая концентрация R22 в воздухе 3000 мг/м³ при длительности воздействия 1 час.
Термическое разложение при продолжительности контакта 1 - 10 секунд начинается в трубке из стали 12Х18Н10Т при 280 ºС, из никеля Н-l при температуре 380 ºС.
При контакте с пламенем и горячими поверхностями R22 разлагается с образованием высокотоксичных продуктов.
Коррозионную стойкость при температуре 50 ºС проявляют стали 12Х13,
14Х17Н2, 12Х18Н9Т, 12Х18НI0Т, 15Х18Н12С4ТЮ; никель Н-2. НП-2; монель-металл НМЖМц28-2,5-1,5;титан В1-1-1М; алюминий АД-l; алюминиевый сплав АМгб; медь М3; латунь Л90.