Основные физические свойства холодильных агентов

Хладагент, как известно, необходим для осуществления обратного термодинамического цикла. Хладагент может быть веществом (естественным или искусственным) или смесью веществ.

Хладагент должен отвечать многим требованиям, касающимся термодинамических и теплофизических свойств, химической стабильностью и инертностью по отношению к конструкционным материалам и смазочным маслам, а также многочисленных эксплуатационных свойств.

Идеального хладагента нет, поэтому для различных по целевому назначению и условиям эксплуатации холодильных систем выбирают тот, который эффективней других. В связи с этим существует большое число хладагентов, но практическое применение нашли немногие. Так, за время применения искусственного охлаждения использовалось приблизительно 50 веществ и их смесей в качестве хладагентов, из которых примерно 15 наиболее широко. К наиболее распространенным до недавнего времени относятся так называемые хладоны (фреоны), которые получены искусственно и представляют собой производные галогенов ациклических (предельных и непредельных) и циклических углеводородов. В частности, это хлорфторуглероды (ХФУ или в английской транскрипции CFC) и гидрохлорфторуглероды (ГХФУ или HCFC).

Хладагент может быть однокомпонентным (чистым веществом) и многокомпонентным (смесью веществ). С термодинамической точки зрения смеси могут быть азеотропными и неазеотропными (зеотропными).

Азеотропная смесь характеризуется постоянством равновесных массовых долей компонентов в жидкой и паровой фазах и постоянством температуры при кипении и конденсации. А неазеотропная смесь отличается различием равновесных массовых долей компонентов в жидкой и паровой фазах и переменными температурами кипения и конденсации при постоянном давлении.

Многокомпонентные хладагенты применяют потому, что изменяя состав и массовые доли компонентов, можно получить такие свойства и характеристики свойств, которые не имеют чистые вещества.

Так, применение смесей позволяет осуществлять циклы с переменными температурами кипения и конденсации, увеличить холодопроизводительность, расширить температурный диапазон использования хладагента, улучшить характеристики цикла. Существенным недостатком неазеотропных смесей является то, что их первоначальный состав изменяется в процессе эксплуатации из-за утечек компонентов.

Хладагенты в соответствии с международным стандартом (ИСО) обозначают буквой R или словом и цифрами, которые соответствуют конкретному веществу или смеси веществ. Так, для хладонов цифры расшифровывают так. Первая цифра в двухзначном номере или первые две цифры в трехзначном номере обозначают тот предельный углеводород С _n Н_{2 n + 2}, из которого получен хладон. Приняты такие цифры: 1 - СН₄ (метан); 11 - С₂Н₆ (этан); 21 - С₃Н₈ (пропан); 31 - С₄Н₁₀ (бутан). Следующая цифра справа указывает на число атомов фтора, например, CF₂Cl₂ - R12; CF₃CF₂Cl - R115; CF₃CF₂CF₂Cl - R217. Если есть в молекуле атомы водорода, то к первой цифре у метана и второй у этана, пропана и бутана прибавляют число, равное числу незамещенных атомов водорода: CHF₂Cl - R22; С₂Н₃Сl - R143.

В обозначении бромсодержащих хладонов после чисел ставят букву В и цифру, равную числу атомов брома: CF₂ClB - R12B1.

Перед числовым обозначением циклических насыщенных углеводородов ставят букву С: C₄F₈ - RC318.

Асимметричные изомеры галогенопроизводных имеют одинаковое цифровое обозначение с симметричными и букву, после цифр: R134a, R142b.

Чистые углеводороды с числом атомов углерода больше 3 иногда обозначают цифрами, начиная с 600: R600 - н -бутан, R600a - изобутан.

Хладагенты, являющиеся смесью веществ, обозначают, указывая компоненты и их массовые доли в порядке повышения нормальной температуры кипения.

Некоторых смеси обозначают цифрами: неазеотропные, начиная с 400, например, R401A [R22/R152/R124 (53/13/34)], R404A [R125/R143a/134a (44/52/4)], R410A [R32/R125 (50/50)], а азеотропные (которые в процессах кипения и конденсации не изменяют соотношение массовых долей), начиная с 500, например, R502 [R22/R115 (48,8/51,2)], R503 [R13/R23 (59,9/40,1)], R507 [R125/143a (50/50)]. Смеси обозначают и торговыми марками, например, НР80 [R125/R290/R22 (38/2/60)] фирма Дюпон.

Хладагенты неорганического происхождения обозначают номером, начиная с 700, прибавляя к нему молекулярную массу вещества, например, R717 (аммиак), R718 (вода), R744 (диоксид углерода).

Существует гипотеза о том, что некоторые ХФУ разлагаются в верхних слоях атмосферы Земли под действием излучения с выделением атомов хлора и брома, которые взаимодействуют с озоном в стратосфере. В результате разрушается озоновый слой Земли, который защищает от облучения ультрафиолетовыми лучами солнца людей, животных и растения. Уменьшение концентрации озона в стратосфере представляет глобальную экологическую опасность для существования биологической формы жизни на Земле.

Впервые в международном масштабе эта проблема обсуждалась Венской Конвенцией в 1985 г. Затем в соответствии с Программой ООН по окружающей среде (ЮНЕП) в 1987 г. всеми развитыми странами был подписан Монреальский Протокол по веществам, разрушающим озоновый слой. Протокол предусматривал постепенное сокращение с последующим прекращением использования и производства озоноразрушающих веществ. Кроме того, галогенопроизводные углеводороды по степени влияния на озоновый слой были разделены на три группы:

Первая группа включает ХФУ (CFC), обладающие самым высоким показателем - потенциалом разрушения озонового слоя, обозначаемого ODP(Ozon Depleting Retention), например R11, R12, R113, R115, R12B1, R502. Если принять для R12 ODP = 1, то для первой группы ODP > 0,05.

Вторая группа включает ГХФУ (HCFC), в молекуле которых есть водород, снижающий их озоноактивность, с показателем ODP < 0,05, например для R22 ODP = 0,05, R124 ODP = 0,022.

Третья группа включает гидрофторуглероды ГФУ (HFC), у которых ODP = 0, например R23, R32, R125, R134a, R152a.

Монреальский Протокол также установил ограничения на производство, применение и торговлю не только озоноразрушающими хладагентами, но и на то холодильное оборудование, которое предназначено для этих хладагентов. Многие государства также ввели экономические ограничения, например такого рода, что потребитель, покупая озоноопасный хладагент или оборудование на этом хладагенте, должен заплатить налог, превышающий стоимость покупаемого товара.

В короткий срок перейти на озонобезопасные хладагенты невозможно, так как требуются новые технологии производства, большие производственные мощности для выпуска хладагентов и нового холодильного оборудования. Поэтому было решено временно (до 2030 г.) использовать существующие хладагенты второй группы, как правило представляющие собой смеси, и ими же заправлять то холодильное оборудование, которое предназначалось для хладагентов первой группы. Такие хладагенты называют переходными, примером являются R401A (R22/R152a/R124), R402B (R22/R125/R290) и др.

В 1997 г. в Киото был принят ряд документов, которые ужесточают ранее введенные ограничения и расширяют область их действия. Например, сокращается срок выпуска ГХФУ, которые должны быть заменены на ГФУ и природные хладагенты.

Кроме того, хладагенты должны незначительно влиять на парниковый эффект Земли. Такое свойство хладагента характеризуют показателем, называемым потенциалом глобального потепления GWP (Global Warming Potention), который оценивает данный хладагент по отношению обычно к СО₂, например, R134a имеет GWP = 420, a R22 - GWP = 5100.