Меню Рубрики

Установки для получения хладагентов

Классификация и свойства хладагентов в системах кондиционирования и вентиляции

Холодильный агент (хладагент)—используемая в холодильной системе рабочая среда, которая поглощает теплоту при малых значениях температуры и давления и выделяет теплоту при более высоких температуре и давлении. Этот процесс сопровождается изменением агрегатного состояния рабочей среды. (ГОСТ Р 12.2.142—99).

Способность переходить из жидкого состояния в газообразное – это свойство всех веществ, но только некоторые из них подходят для использования в качестве хладагентов.

С развитием техники в качестве хладагентов использовались все новые и новые вещества: аммиак (NH3) – с 1874 года, диоксид серы (SO2) – с 1874 года, метилхлорид (C2H5Cl) – с 1878 года, углекислота (CO2) – с 1881 года. Эти хладагенты называют «классическими». Аммиак используется и в наши дни, в последнее время вновь набирает популярность применение в качестве хладагента углекислоты.

Для получения более низких температур (-110°C) были задействованы новые виды хладагентов: метан (CH4), этилен (C2H4), этан (C2H6), пропан (C3H8), бутан (C4H10) и пропилен (C3H6). К недостаткам этих веществ относят то, что они огнеопасны и при взаимодействии с воздухом образуют взрывоопасную смесь. Кроме того, из-за малой молекулярной массы, оборудование для их применения в качестве хладагентов должно иметь большую массу и крупные габариты.

В конце тридцатых годов прошлого века путем галогенизации насыщенных углеводородов хлором и фтором были синтезированы производные продукты, названные фреоны или хлорфтороуглероды, которые удовлетворяли техническим требованиям для применения в холодильных системах. Основой для получения хлорофтороуглеродов могут быть все насыщенные углеводороды (CmHxFyClz, 2m+2=n+x+y+z). Формула для определения количества возможных основных соединений выглядит так: (n+1)(n+2)/2. Например, метан создает 15 соединений, этан вместе с изомерами – 55, пропан – 332, а бутан – 1000.

Существуют следующие критерии выбора соединений для создания хладагента: большое количество атомов фтора (такие соединения менее токсичны и проявляют слабую химическую активность по отношению к металлам); малое количество атомов водорода (чем оно меньше, тем ниже воспламеняемость).

Далеко не все соединения галогенов и углерода (без водорода) горючи, но при взаимодействии с воздухом они образуют ядовитый газ фосген.

Ранее во многих холодильных системах использовался только хладагент ХФУ R12. В 1974 году учеными было установлено, что хлорфторуглероды разрушают озоновый слой Земли. Их использование было запрещено и им потребовалось найти замену.

Различают следующие типы хладагентов:

1. Предельные углеводороды и их галогенные производные

Они обозначаются буквой R с тремя цифрами после нее, т. е. R c d u, где:

  • с (сотни)—число атомов углерода, уменьшенное на единицу;
  • d (десятки)—число атомов водорода, увеличенное на единицу;
  • u (единицы)—число атомов фтора.
    В химической формуле соединения сумма атомов водорода, фтора и хлора равна 4 для производных метана, 6—для производных этана, 8—для производных пропана и т.д.

2. Непредельные углеводороды и их галогенные производные

Способ цифрового обозначения тот же самый, что и в предыдущем случае, но слева после буквы добавляется 1 для обозначения тысяч.

3. Циклические углеводороды и их производные

Для хладагентов на основе циклических углеводородов и их производных после буквы R перед цифровым индексом вставляется буква С (например, RC318).

4. Органические соединения

Им присвоена серия 600, а номер каждого хладагента внутри этой серии назначается произвольно (например R600 – бутан).

5. Неорганические соединения

Им присвоена серия 700, а идентификационный номер хладагентов, принадлежащих к этой серии, определяется как сумма числа 700 и молекулярной массы каждого хладагента. Например, для аммиака, химическая формула которого NH3, имеем lxl4(N)+3xl(H3)+700= =717, таким образом, он обозначается как R717. К данной группе относятся также вода (R718), углекислота (R744) и другие вещества.

6. Неазеотропные смеси

Неазеатропные смеси – вещества, жидкая и газовая фаза которых в состоянии термодинамического равновесия имеют разный состав. Иными словами, при одном и том же давлении кипения, температура кипения имеет разные значения. Этим хладагентам присвоена серия 400 с произвольным номером для каждого хладагента внутри этой серии.

7. Азеотропные смеси

В отличие от неазеотропных, состав газовой и жидкой фаз этих веществ одинаков, то есть они ведут себя как моновещество. Им присвоена серия 500 с произвольным номером каждого хладагента внутри серии.

Согласно ГОСТ Р 12.2.142—99 «Системы холодильные холодопроизводительностью свыше 3 кВт», хладагенты разделяются на следующие группы: невоспламеняющиеся нетоксичные холодильные агенты; токсичные и вызывающие коррозию холодильные агенты, нижний предел воспламенения которых (или нижняя граница взрыва) составляет более 3,5% по объему в смеси с воздухом; холодильные агенты, нижний предел воспламенения которых (нижняя граница взрыва) ниже 3,5% по объему в смеси с воздухом.

В данном курсе будут рассматриваться особенности монтажа оборудования, работающего на фреонах (хладагенты группы 1).

Хлорфторуглероды (ХФУ, CFC)

Вещества с высоким озоноразрушающим потенциалом (ОРП) запрещены к использованию Монреальским протоколом (международное соглашение о защите озонового слоя Земли). Производство ХФУ (например, R11, R12 и R114) на территории стран Европейского сообщества прекращено.

Гидрохлорфторуглероды (ГХФУ или HCFC)

Имеют невысокую озоноразрушающую способность и классифицируются Монреальским протоколом как переходные вещества. Их использование должно существенно сократиться в начале XXI века. Примером таких хладагентов являются R22, R123 и R124.

Гидрофторуглероды (ГФУ или HFC)

Вещества не содержат хлора, следовательно, имеют нулевой ОРП и не попадают под действие Монреальского протокола. К ним относятся хладагенты R125, R134a и R152a. Хладагент R134a может быть непосредственно использован вместо R12 при минимальной модернизации установки.

Читайте также:  Установка пожарных гидрантов на чертеже dwg

Критерии выбора хладагента

Физические свойства

Давление кипения

Давление кипения (абсолютное) должно составлять, по меньшей мере, 1 бар, абс..
При таком давлении воздух и вода не проникают в систему в случае небольших протечек или при использовании в системах сальниковых компрессоров.

Давление конденсации

Давление конденсации должно быть минимальным, чтобы не усложнять конструкцию системы и сократить потребление энергии. Рабочее давление в системе зависит от типа хладагента и конденсатора.

Разность давлений

Размер двигателя компрессора зависит от разности давлений pc—po. Она должна быть как можно меньше.

Степень сжатия

Степень сжатия должна быть как можно меньше. С ростом степени сжатия pc/po снижается коэффициент подачи компрессора λ и, следовательно, его производительность. Поэтому следует использовать хладагент с плоской кривой упругости пара.

Температура в конце сжатия

Учитывая, что смазочные материалы сохраняют стабильность в ограниченном диапазоне температур, температура в конце сжатия должна быть как можно ниже. Температура зависит от хладагента, степени перегрева всасываемого пара, а также от давления конденсации в системе и компрессоре.

Критическая температура внешней стенки трубопровода составляет от 120 до 140 °C.

Поэтому решающим фактором является температура пластин клапана на компрессоре, которая составляет около 160 °C. При более высокой температуре масло начинает коксоваться.

Коэффициент растворимости в воде

Присутствие воды в системе охлаждения нежелательно. Чем выше коэффициент растворимости хладагента в воде, тем больше влаги он может поглотить, предохраняя тем самым систему от поломок.

Учитывая способность сложноэфирных синтетических масел и полиалкиленгликолевых масел поглощать воду в большом количестве, уровень влажности в системе необходимо контролировать. Поставляемые хладагенты содержат остаточную влагу в количестве, не превышающем 20 промилле.

Удельная теплота парообразования и плотность газа на всасывании

Чтобы сделать вывод об охлаждающих свойствах определенного хладагента, необходимо учитывать эти две переменные. Чем большей удельной теплотой парообразования обладает хладагент, тем меньший рабочий объём цилиндров компрессора потребуется для достижения той же самой холодопроизводительности. Чтобы компрессор доставлял максимальное количество хладагента за один ход поршня, хладагент при входе в компрессор должен обладать максимально возможной плотностью.

Смешиваемость с маслами

Для нормальной циркуляции масла в охлаждающих системах необходима стопроцентная смешиваемость жидкого хладагента с маслом. При полной нерастворимости масла в хладагенте, как, например, в случае с аммиаком, применяют масла со специфическими свойствами или холодильные системы специальной конструкции.

Если пропорция масла и хладагента находится в «промежутке несмешиваемости», могут возникнуть сбои в работе системы охлаждения, связанные с доставкой масла. Кривая промежутка несмешиваемости зависит от типа хладагента и смазочного масла.

Химические свойства

Химическая активность хладагента по отношению к смазочным и другим видам материалов недопустима при любых условиях работы системы. Сами хладагенты обладают средней химической активностью. Этот факт следует принимать в расчет при смешивании хладагента и масла.

Физиологические свойства

Хладагент должен иметь высокую физиологическую совместимость (нетоксичность). Для R 134a максимально допустимая концентрация (предельное значение) составляет 1000 промилле. Вдыхание его паров при малой концентрации в течение 8 часов не оказывает вредного воздействия на организм человека. Высокое содержание хладагента в воздухе может привести к удушью, т.к. снижается доля кислорода (особенно у пола, так как R 134a, как и другие фреоны, тяжелее воздуха). Могут появиться головная боль, тошнота, потеря сознания.

Под воздействием открытого огня, ультрафиолета, при контакте с горячими или раскаленными металлическими поверхностями, хладагент распадается; продукты распада хладагента ядовиты.

Соответствие требованиям по охране окружающей среды

Использование, производство и утилизация хладагентов не должны оказывать отрицательного влияния на окружающую среду.

Озоноразрушающий потенциал (ОРП, ODP)

За последние несколько десятилетий естественная концентрация озона в стратосфере планеты снизилась, и слой, защищающий от вредного излучения Солнца, истончился. Причиной этого стали галогены (хлор, фтор и бром), которые выделяются из хлорфторуглеродов под воздействием ультрафиолета.

На международной конференции в Монреале в 1987 году был подписан Монреальский протокол, согласно которому страны-участники договорились к концу 1995 года свернуть производство веществ, разрушающих озоновый слой.

Поскольку некоторые хлорфторуглероды достигают высоты озонового слоя в течение 15-20 лет, истощение озонового слоя продолжится в ближайшем будущем.

Наиболее сильное истощение озонового слоя (более 50%) наблюдается в районе полюсов земли. Над Антарктикой можно наблюдать так называемую озоновую дыру в период с сентября по ноябрь, во время антарктической весны. В северном полушарии истощение проявляется зимой и весной. В период с 1968 по 1992 снижение уровня концентрации озона над Европой достигало в среднем трех процентов за 10 лет. В последние несколько лет этот показатель поднимался до 5 процентов. Увеличение интенсивности солнечной радиации повлечет за собой рост случаев заболевания раком кожи и катарактой.

ОРП хладагентов с самой высокой озоноразрушающей способностью, таких как R11 и R12, равен 1,0 (100%). ОРП других хладагентов оценивается в сравнении с ОРП R11.

Потенциал глобального потепления (ПГП, GWP)

Жизнь на Земле зависит от солнечной энергии. Однако большая ее часть отражается или отдается в космическое пространство в ходе испарения. Естественные парниковые газы, такие как водяной пар и углекислый газ, препятствуют отражению тепловой энергии и сохраняют ее в атмосфере Земли. Такой эффект можно сравнить с функцией стеклянного покрытия в парнике. При отсутствии парниковых газов средняя температура на поверхности Земли составляла бы не 18°C, а -15°C. Парниковый эффект, благотворный по своей сути, усиливается с увеличением содержания парниковых газов в атмосфере (CO2, пары хладагентов, метан, используемый в сельском хозяйстве). С наступлением эпохи индустриализации содержание углекислого газа в атмосфере неуклонно растет.

Читайте также:  Установка ios на китайский iphone

Усиление парникового эффекта стало причиной повышения средней температуры на Земле на 1-1,5 К. Глобальное потепление со временем приведет к повышению уровня мирового океана, изменению климата и погодным аномалиям.

Потенциал глобального потепления хладагентов определяется в ПГП (единица для диоксида углерода с временным горизонтом 100 лет) или H-GWP (единица для хладагента R11 с временным горизонтом 100 лет).

ПГП R12 равен 8500, R 134a – 1300.

Величина потенциала глобального потепления определяется путем моделирования реакций, происходящих в атмосфере, поэтому ее значения являются приблизительными.

Суммарный эквивалент теплового воздействия (TEWI)

Величина суммарного эффекта теплового воздействия (прямого и косвенного) определяется не только тепловым воздействием хладагента, но и системы, в которой он используется. Также принимается в расчет тепловое воздействие, вызванное энергетическими потребностями холодильной установки, высвобождением хладагентов во время утилизации и утечек. Различают прямой парниковый эффект, вызванный хладагентами (протечки, утечки при ремонте и утилизации) и косвенный парниковый эффект (выделение CO2 при выработке электроэнергии). Недостатком при определении суммарного эффекта теплового воздействия является игнорирование теплового воздействия при производстве каждого отдельного хладагента.

Каждый производитель хладагентов выпускает продукцию под собственным наименованием, например:

  • Du Pont de Nemour имеет торговую марку Фреон (Freon) или Сува (Suva);
  • Elf Atochem—торговую марку Форан (Fo-ran);
  • Solvay—торговую марку Кальтрон (Kal-tron);
  • Montedison—торговую марку Альгофрен (Algofrene);
  • ICI—торговую марку Клеа (Klea);
  • Daikin Kogyo—торговую марку Дайфлон (Daiflon) и т.д.
    Поэтому один и тот же хладагент может обозначаться по-разному, однако цифровой код остается постоянным вне зависимости от компании-производителя.

Для перевозки и хранения хладагентов используется сосуды следующих типоразмеров:

источник

Хладагенты и требования к ним

Хладагенты – летучие вещества, использующиеся в роли передатчика тепла при циркулировании внутри контура охлаждающей системы, к которым принципиально относятся и кондиционеры. Хладагент поглощает тепло от тел с низкой температурой, для того, чтобы передать его телам с более высокой температурой, при этом в различных частях холодильного контура изменяется агрегатное состояние хладагента.

Система обозначения

Система обозначения хладагентов (ГОСТ ISO 817-2014) включает наименование и число. Хладагент обозначается буквой R (refrigerant), за которой следует набор цифр и букв, которые определяют молекулярную структуру холодильного агента. Предельные углеводороды и их галогенные производные обозначаются буквой R с тремя цифрами после неё, то есть в виде R-xyz, где:

  • x (сотни) равно числу атомов углерода, уменьшенному на единицу;
  • (десятки) равно числу атомов водорода, увеличенному на единицу;
  • z (единицы) равно числу атомов фтора.

Число атомов хлора Ncl вычисляется по формуле:

Ncl = k•NC – (NH +NF)

  • NC – число атомов углерода в молекуле хладагента,
  • NH – число атомов водорода
  • NF – число атомов фтора
  • k – максимальное число атомов хлора, которое может быть присоединено к предельному углеводороду путем замены водорода, так если NC = 1, 2, 3 то k = 4, 6, 8 – соответственно.

Буквы в конце индекса хладагента, например, «а» или «б», указывают изомер. Это важно, потому что разные изомеры веществ с одинаковым химическим составом обладают разными свойствами.

У хладагентов неорганического происхождения цифры соответствуют их молекулярной массе, увеличенной на 700.

Для хладагентов органического происхождения соединения без атомов водорода записывают цифрой 1, к которой прибавляют цифру, определяющую число атомов фтора. Их серия 600.

Серии R-400, R-500 обозначают смеси хладагентов.

Кроме того, для обозначения структуры хладагентов используется система префиксов.

Требования к хладагентам

В испарителе хладагент при переходе из жидкого состояния в газообразное, отбирает тепло у окружающей среды, вырабатывая тем самым холод. Потом в конденсаторе происходит конденсация хладагента до жидкого состояния, при этом отобранное тепло удаляется из холодильной машины и передается другой среде. Чтобы какое-то вещество могло выполнять функции хладагента, необходимо, чтобы при атмосферном давлении его температура кипения была как можно ниже, а давление конденсации — не слишком высоким и легко достижимым.

Таким образом, к хладагентам предъявляется три типа основных требований: экологические, термодинамические и эксплуатационные.

Экологически хладагенты не должны способствовать разрушению озонового слоя в атмосфере (характеризоваться низким потенциалом разрушения озонового слоя (ОРП)), как можно меньше влиять на развитие глобального потепления (низкий потенциал глобального потепления(ПГП)) и быть нетоксичными.

Термодинамические требования заключаются в высокой теплопроводности хладагента, низкой температуре кипения, малых плотности и вязкости.

Эксплуатационные требования предполагают для хладагента – негорючесть, взрывобезопасность, термохимическую стабильность и химическую совместимость с материалами и холодильными маслами.

Путем экологической безопасности

Озонобезопасность – одно из главных экологических требований к хладагентам. Наиболее разрушительными для озонового слоя являются хладагенты группы ХФУ (HFC) – хлорфторуглероды. В частности, к ним относятся хладагенты – R113, R11, R12 и другие, содержащие более одной молекулы хлора. Все они запрещены к применению в кондиционерах и холодильных установках еще Монреальским протоколом по веществам, разрушающим озоновый слой, вступившим в силу в 1989 году. На территорию Таможенного союза ввоз не только озоноразрушающих веществ, но и продукции их содержащей запрещен с 1 января 2013 г.

Читайте также:  Установка бура в дрель

К ограниченному применению в переходный период к новым безопасным хладагентам разрешены ГХФУ (HCFC) – хлористоводородные фторуглероды (R21, R22, R141b, R142b, R123, R124). В эту группу входит и R22 широко использовавшийся ранее (рис. 1), и теперь на нем работает много действующих кондиционеров. Замена хладагента, уже заправленного в кондиционер, нецелесообразна из-за необходимости внесения конструктивных изменений в компрессор и теплообменники. Однако новые модели, поступающие на рынок, не могут работать на R22, роль хладагента должно выполнять в них более безопасное вещество.

Одним из требований к новым хладагентам стало отсутствие атомов хлора в составе веществ. Не содержат хлора и не реагируют с озоном гидрофторуглероды – ГФУ (HFC). Хладагенты этой группы разрабатывались как альтернатива ГХФУ и ХФУ. К ним относятся такие хладагенты как: R134, R134a (рис. 2), R152a, R143a, R125, R32, R23, R218, R116, RC318, R290, R600, R600a, R717 и др.

Сегодня на рынок поставляется очень много моделей кондиционеров, заправляющихся и работающих на R 32 (рис. 3). Экологическая безопасность в этом случае обеспечивается лучше, но не полностью, потому что вещества данного класса характеризуются довольно высоким ПГП и, соответственно, способствуют развитию глобального потепления. В связи с этим в EC ограничен объем производства ГФУ, к 2031 г. их объем производства должен быть сокращен на 79 %. Стало быть, и ГФУ надо искать замену.

Относительно низким ПГП характеризуется такой природный хладагент, также входящий в группу ГФУ, как пропан или R290. ЕГО ПГП равен 3, потенциал разрушения озона и вовсе нулевой. Ко всему прочему пропан нетоксичен и относительно дешев. При использовании данного хладагента не возникает проблем с выбором конструкционных материалов деталей компрессора, конденсатора и испарителя. Пропан хорошо растворяется в минеральных маслах. Температура кипения при атмосферном давлении -42,1 oС. Преимуществом R290 является также низкая температура на выходе из компрессора.

Однако и он не лишен недостатков на фоне предъявляемых к хладагентам требований. Пропан пожароопасен, а также размеры компрессора должны быть больше, чем при использовании в холодильной машине, работающей на R22 с той же холодопроизводительностью.

Все же компании GREE (Китай) удалось разработать кондиционер, получивший в 2011 г. сертификат VDE, позволяющий использовать хладагент R290 в бытовых кондиционерах. И с 2012 года начался серийный выпуск бытовых кондиционеров на пропане, который стали использовать и в некоторых холодильных установках других производителей, но поиск альтернативы ГФУ продолжается.

Смеси хладагентов также могут обладать улучшенными свойствами по сравнению с их компонентами, взятыми по отдельности. Таким перспективным хладагентом на основе квазиазеотропной смеси R125 и R32 является К410а (рис. 4).

Он обладает рядом преимуществом перед такими хладагентами как R22. Потенциал истощения озонового слоя атмосферы R410а равен нулю, в то время как у R22 он составляет 0,05. ПГП примерно такой же, как и у R22, но с учетом более высокой эффективности установок с использованием R-410a, общее влияние на глобальное потепление ожидается существенно ниже, чем при использовании R-22. R-410A не токсичен (при концентрации менее 400 мг/кг) и не пожароопасен. Физические и теплотехнические свойства R 410a и R 22 различны, поэтому систему, рассчитанную на R-22, нельзя заправлять фреоном R410A, система должна быть изначально спроектирована под фреон R 410A. Этим он отличается от хладагентов R422D и R407C, которые специально предназначены для замены R-22 в старых системах. Еще одним минусом R410a является несовместимость с минеральным маслом. Если R22 растворяется в любом минеральном масле, то для R410a нужно полиэфирное масло, которое дороже. При этом R-410a обладает высокой удельной хладопроизодительностью (в полтора раза выше чем R-407C и R22, в два раза выше чем R-134а, что позволяет использовать компрессор с меньшей объемной производительностью.

В поисках замены

Как альтернатива ГФУ предлагался и такой природный хладагент как углекислый газ CO2. Он обладает низким коэффициентом глобального потепления, нулевым озоноразрушающим потенциалом, неогнеопасен. Однако термодинамические свойства этого вещества не столь хороши для использования его в качестве хладагента замены ГФУ – слишком низкое значение критической температуры затрудняет организацию цикла охлаждения. Еще одной проблемой является высокое давление насыщения. Уровень критического давления для ГФУ лежит в пределах от 3 до 5 МПа (5,8 МПа для ГФУ-32). Критическое давление для углекислого газа составляет 7,4 МПа при температуре 31 °C, а высокое рабочее давление накладывает ограничения на механическую конструкцию холодильных систем.

В настоящее время как перспективный вариант замены хладагентам из группы ГФУ рассматриваются вещества из группы гидрофтор­олефинов (ГФО). Они обладают хорошими тепловыми характеристиками и безопасны по отношению к окружающей среде. Например, такие хладагенты, как HFO-1234yf и HFO-1234ze (см. табл.), отличаются низким значением потенциала глобального потепления, высоким качеством охлаждения и низким уровнем воспламеняемости в сравнении с углеводородами, а также соответствуют стандарту EC 842/2006, который регулирует применение фторсодержащих парниковых газов.

Таблица. Некоторые хладагенты и их влияние на экологию.

источник