6.3 Хладагенты

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. 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.

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_пН_2п+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; CF₃CF₂C1 – R115; CF₃CF₂CF₂CI – R217. Если в молекуле есть атомы водорода, то к первой цифре у метана и второй у этана, пропана и бутана прибавляют число, равное числу незамещенных атомов водорода: CHF₂C1 – R22; С₂Н₃F₃С1 – R143.

В обозначении бромсодержащих хладонов после чисел ставят букву В и цифру, равную числу атомов брома: CF₂C1B – 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/R143а/К134а (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/l43a (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).

Основные свойства хладагентов. Термодинамические (молекулярная масса М, показатель адиабаты k, удельная изоэнтропная работа l_ИЗ, температуры кипения t₀, конденсации t_K, критическая t_KP, давления кипения р₀, конденсации р_K, критическое р_KP, удельный объем всасываемого в компрессор пара _BC, удельная теплота парообразования r₀; удельная объемная холодопроизводительность q_ и др.) и теплофизические (удельные теплоемкости насыщенной жидкости с', сухого насыщенного пара с", перегретого пара с_P, теплопроводность , динамическая вязкость , коэффициент поверхностного натяжения  и др.) характеристики, а точнее комплексы из параметров (с'/r₀, с"/r₀, с_P/r₀, l_ИЗ/_BC,  = р_K/р₀; и др.), рассматривают с точки зрения их влияния: на показатели термодинамического цикла, конструктивные характеристики холодильного оборудования, эксплуатационные и экономические показатели оборудования и холодильных систем в целом.

Теплофизические свойства влияют на интенсивность теплообмена в аппаратах, которая увеличивается с повышением теплопроводности , теплоты фазового перехода r и с уменьшением динамической вязкости , удельного объема _BC и поверхностного натяжения  хладагента.

Кроме того, хладагенты должны быть: инертными по отношению к конструкционным материалам и веществам, с которыми могут контактировать в процессе работы; химически стабильными; нетоксичными; пожаро- и взрывобезопасными; взаимно растворимыми с маслом и водой; инертными по отношению к стратосферному озону, а также незначительно влиять на парниковый эффект.

Применение хладагентов. Как известно, универсальных хладагентов нет, поэтому выбирают тот, который в наибольшей степени соответствует требованиям эксплуатации. В большинстве случаев предпочтение отдают хладагентам с минимальными значениями t₀, р_K, р= р_K – р₀, l_ИЗ, l_ИЗ/_BC, k, и максимальными значениями _BC, р_K, q_, c_Р/r₀.

В настоящее время предлагается много новых озонобезопасных хладагентов, но достаточно полных данных по их свойствам нет. Более подробно о хладагентах, нашедших практическое применение в настоящее время изложено в источнике [1, с. 173].