2. Холодильні агенти

В якості робочих тіл холодильних машин (чи холодильних агентів) використовують різні рідини, при випарюванні яких можна відвести тепло від оточуючого їх середовища.

Із середини XVIII і до початку XX в. як холодоагенти для холодильних систем застосовували різні речовини: воду, діетиловий і метиловий ефіри, аміак, діоксид вуглецю, сірчистий ангідрид, метилхлорид і ін.

Першим холодоагентом стала вода - у 1755 р. її використовували в цій якості в лабораторній установці, що створив Вільяме Галлен. Пізніше, у 1834 р., Якоб Перкінс виготовив компресійну машину, що працювала на діетиловому ефірі, а в 1844 р. Джон Горрі - машину зі стиском і розширенням повітря. У 1859 р. Фердинанд Карре створив абсорбційну холодильну машину, що працювала на аміаку, а чотири роки по тому Чарлз Теллер випробував компресор, що працював на метиловому ефірі.

У зв'язку з активною організацією в США серійного виробництва побутових холодильників, як холодоагенти до кінця 20-х років XX в. широко використовували сірчистий ангідрид і аміак.

Після випуску в 1930 р. компанією "Кинетик Кемикалз Інк" (США) перших партій діхлордіфторметану, що відноситься до групи хлорфторвуглеців, і організації його промислового виробництва в 1932 р. багато робочих речовин, крім аміаку, майже цілком зникли з ринку холодоагентів. Ця ж компанія ввела в торгове найменування фреон R12. Позначення холодоагенту буквою R, також як і найменування фреон, стало загальноприйнятим.

До основних характеристик холодоагентів відносяться:

 об’ємна холодопродуктивність;

 температура та тиск кипіння;

 температура та тиск конденсації насичених парів;

 токсичність;

 вплив на різні матеріали;

 температура застигання та інш.

Об’ємна холодопродуктивність характеризується кількістю тепла, яку необхідно на утворення 1 м3 парів холодоагенту при його кипінні. Використання холодоагенту з відносно великою об’ємною холодопродуктивністю надає можливість створення холодильної машини компактних розмірів.

Температура і тиск кипіння. Температура кипіння любої рідини залежить від тиску її насичених парів. З пониженням тиску температура кипіння рідини знижується. Але при потрібних низьких температурах кипіння робочий тиск в випаровувачі не повинен бути нижчим від атмосферного. В іншому випадку з’являється можливість підсмоктування атмосферного повітря. Підсмоктування повітря небажане, так як при цьому погіршується передача тепла від охолоджуваного середовища холодоагенту в випаровувачі. Крім того з атмосферним повітрям попадають водяні пари, які будуть замерзати і закупорювати трубопроводи, а також розчинятися в мастилі і погіршувати його якість.

Температура і тиск конденсації насичених парів. Тиск, при якому конденсуються насичені пари холодоагенту, повинен бути невисоким. Якщо тиск буде високим, то необхідно використовувати більш потужні мотор-компресори, а також більш міцну конструкцію конденсатора.

Холодильні агенти повинні бути хімічно інертними по відношенню до металічних частин холодильної машини, нешкідливими по відношенню до людини.

В побутових холодильниках абсорбційного типу в якості холодоагенту використовується виключно аміак, в компресорних - фреони.

Аміак (NH3) - це безколірний газ, що викликає подразнювання слизових оболонок навіть при малій концентрації в повітрі. Різкий запах аміаку дає можливість швидко знайти навіть самий невеликий витік його з машини. Допустима концентрація аміаку в повітрі, де людина повинна перебувати на протязі кількох годин, не більше 0,01%. При більш значних концентраціях газ викликає задуху, запалення очей, різкі головні болі і навіть отруєння з смертельними наслідками.

При вмісті аміаку в повітрі в кількості 16-25% (об’ємних) відкрите полум’я приводить до вибуху.

Аміак не викликає корозії чорних металів і алюмінію, але при наявності вологи роз’їдає мідь, цинк і бронзу. Він не розчиняється в маслі і інтенсивно поглинається водою.

Аміак є дешевим холодоагентом.

Температура кипіння при нормальному тиску складає tкип= -33,35оС.

Фреони. Фреони отримують з граничних вуглеводнів (метану СН4, етану С2Н6 та ін.) шляхом заміщення атомів водню атомами хлору та фтору. Кожному з таких холодоагентів присвоєно цифрове позначення, що є зручним для використання.

Розглянемо властивості фреонів на прикладі фреону-12 (R12) та фреону‑22 (R22).

Фреон-12 (CF2Cl2) - це безколірний важкий (приблизно в 4 рази важче повітря) газ з дуже слабким запахом, який відчувається лише при об’ємній концентрації в повітрі більше 20%. Нешкідливий в атмосферних умовах, що є важливою його перевагою в порівнянні з іншими фреонами.

tкип= - 29,80С, Pконд = 10-12 атм., Pвип =1 ,2-1,4 атм.

R12 добре розчиняє різні органічні речовини і лакові покриття, що потрібно враховувати при використанні в фреонових машинах гумових ущільнень. Добре розчиняється в маслі. Практично не розчиняється в воді.

R12 хімічно інертний майже до всіх металів.

При температурі більше 400оС і безпосередньому контакті з полум’ям чи розпеченою поверхнею відбувається розклад з виділенням отруйного газу - фосгену. Тому в виробничих приміщеннях, де в повітрі може знаходитись R12, курити заборонено.

Фреон-22 (CHF2Cl) - це безколірний газ, що не має запаху, не горить і вибухобезпечний. По термодинамічним властивостям близький до аміаку, а по фізичним до R12, tкип= - 40,8оС.

R22 розчиняється в маслі трохи менше в порівнянні з R12, в той же час трохи більше розчиняється в воді.

У середині 30-х років було налагоджене виробництво в промислових масштабах холодоагентів R11, R113 і R114. Холодоагент R11 надалі почали широко застосовувати в системах кондиціонування повітря.

З 1935 р. був організований випуск холодоагенту R22, який застосовували у низькотемпературних холодильних установках.

У 1952 р. був отриманий холодоагент R502, що замінив R22 у низькотемпературних холодильних установках Це дозволило знизити температуру нагнітання в компресорах, характерну для R22. Для одержання дуже низьких температур потім були розроблені холодоагенти R13, R503 і R13B1.

Починаючи з 60-х років фреони R22 і R502 сталі одними з основних холодоагентів у промислових і торгових середньо- і низькотемпературних холодильних установках, кондиціонерах, теплових насосах і т.п.

Холодоагент R12 відноситься до летучих речовин, що, не розкладаючись на поверхні землі, ідуть в атмосферу, де руйнують озоновий шар, який захищає землю від згубної дії ультрафіолетового випромінювання сонця. У відповідності зі скоректованою версією Монреальского протоколу з 1 січня 1996 р. заборонене застосування озононебезпечного холодоагенту R12.

Як алетернатива  R12 з початку 90-х років основними світовими виробниками хімічної продукції були розроблені і випускаються однокомпонентний озонобезпечні холодоагент R134a і альтернативні сервісні (перехідні) суміші (R401A та ін.)

Література: 7, 11, 13, 18, 21, 26.