Свойства рабочих веществ холодильных машин

Интенсивность теплообмена в испарителях холодильных машин повышается, если рабочее вещество имеет большие значения теплопроводности и температуропроводности насыщенной жидкости, плотности насыщенных пара и жидкости и наименьшие поверхностное натяжение и вязкость жидкости. Для интенсивного теплообмена в конденсаторе рабочее вещество должно иметь высокие теплопроводность, плотность жидкости и теплоту парообразования и низкую динамическую вязкость. Интенсивность теплоотдачи в теплообменниках возрастает с увеличением теплопроводности, теплоемкости и плотности и уменьшением вязкости рабочего вещества.

В качестве общей характеристики свойств рабочих веществ для теплообмена при кипении и конденсации могут быть выбраны критические параметры рабочих тел и их молекулярная масса. Теплоотдача при кипении и конденсации возрастает при прочих равных условиях по мере уменьшения Ткр и молекулярной массы и уменьшается с ростом при кипении и с понижением при конденсации.

Химические и физико-химические свойства. Химическая стабильность рабочих веществ характеризуется температурой разложения, воспламеняемостью и взрывоопасностью. Температуры разложения рабочих веществ, применяемых в холодильной технике, значительно выше температур термодинамических рабочих циклов. При использовании в качестве рабочего вещества хладонов с применением регенеративного теплообмена температура конца сжатия не превышает 70—100°С, а у аммиака — 150°С.

Термическая стабильность рабочих веществ различна. Разложение хладонов связано с образованием хлористого и фтористого водорода и фосгена. При температурах 150—170°С частично разлагаются такие рабочие вещества, как R12, R22, R502, R13; при более низких температурах интенсивнее разлагаются вещества Rll, R21 и др. Наименее устойчивы к влиянию высоких температур бромиро-ванные углеводороды. Термическая стабильность рабочих веществ в присутствии масел снижается. Минеральные масла более сильно влияют на ухудшение термической стабильности, чем синтетические, применяемые в холодильной технике. Разложение рабочих веществ оказывает вредное влияние на надежность компрессоров, продолжительность использования в них масла без замены.

Рабочие вещества обладают различной степенью воспламеняемости и взрывоопасное. Аммиак в соединении с воздухом при концентрациях 16—26,8% взрывоопасен и воспламеняем. Наибольшей взрывоопасностью отличаются этан, этилен, пропан и бутан. Она снижается у хладонов по мере уменьшения числа атомов водорода и увеличения атомов фтора и хлора.

Взаимодействие с водой и примесями. Чистота рабочих веществ, связанная с присутствием в них воды, неконденсирующихся газов. и других примесей, имеет важное значение при эксплуатации холодильных машин. Существуют предельные нормы содержания влаги и других примесей в рабочих веществах, установленные ГОСТом. Примеси в рабочем веществе влияют на его термодинамические свойства, особенно при низких давлениях, повышая температуру и давление кипения. Присутствие в холодильном агенте нерастворенной «лаги вызывает опасность образования льда в дроссельных органах холодильной машины. Эта опасность уменьшается с увеличением растворимости воды в рабочем веществе. Наименьшая растворимость наблюдается у R12 и некоторых других хладонов.

Содержание растворимой в рабочем веществе воды по-разному воздействует на металлы, вызывая коррозию. Чистые углеводороды (зтан, пропан, изобутан) не реагируют с водой. Галогенизированные углеводороды образуют с водой галогенные кислоты. Так, например, хлорированные углеводороды под действием теплоты и света, а также под влиянием металлов, действующих каталитически, образуют с водой соляную кислоту. Соединения углерода и фтора более стойки, поэтому труднее образуют кислоты.

Растворимость воды уменьшается с увеличением числа атомов фтора (R115, RC318). В присутствии влаги или при повышенных температурах металлы по-разному влияют на гидролиз и термическое разложение хладонов. Аммиак не взаимодействует со сталью, однако вызывает коррозию меди и ее сплавов, особенно при наличии влаги.

Взаимодействие со смазочными маслами. Смазочные масла, применяемые в холодильных машинах, должны удовлетворять определенным требованиям к вязкости, маслянистости, стабильности при различных температурах и давлениях. Большое значение имеют свойства растворов масел и рабочих веществ.

Основные требования, предъявляемые к маслам, применяемым в холодильной технике для смазывания, заключаются в следующем:

1. при низких температурах они должны обладать достаточной текучестью;
2. не должно выпадать тугоплавких частиц парафина;
3. при высоких температурах не должно происходить коксования и образования асфальтов и смол.

При конденсации теплоотдача хладопомасляного раствора из-за увеличения бязкости и уменьшения теплопроводности пленки оказывается меньшей, чем при конденсации чистого рабочего вещества. При кипении в зависимости от условий течения, температуры насыщения, концентрации масла и видахладона масло ухудшает теплоотдачу.

По степени взаимной растворимости с минеральными маслами рабочие вещества могут быть разделены на три группы: с ограниченной растворимостью; с неограниченной растворимостью; промежуточные — с ограниченной растворимостью в определенном интервале температур. Вещества первой группы в состоянии насыщения растворяются в масле в небольшом количестве. При увеличении количества масла смесь разделяется на два слоя — масло и холодильный агент. При большой плотности рабочего вещества слой масла всплывает, при малой — осаждается. Вещества второй группы в переохлажденном состоянии g маслом взаимно растворяются в неограниченных количествах.

В состоянии насыщения количество рабочего вещества, растворяющегося в масле, зависит от температуры раствора и давления пара над ним: с повышением давления и снижением температуры концентрация хладона в масле возрастает. При постоянном давлении понижение температуры вызывает поглощение, а повышение — возгонку хладона. Вещества третьей группы при высоких температурах растворяются в масле неограниченно. Ниже некоторой критической температуры растворения раствор разделяется на два слоя. Необходимо выбирать масло с возможно более низкой критической температурой растворения: R22 имеет критическую температуру растворения 24°С, поэтому он неограниченно растворяется в масле при бы-соких температурах (в конденсаторе), а при низких температурах (в испарителе) будет расслаиваться; R12 имеет Тр. кр=,—45°С, поэтому при температурах процессов машины выше этого значения обладает неограниченной растворимостью.

С повышением растворимости жидкого рабочего вещества повышается и растворимость паров в масле. Концентрация масла в паре незначительна, однако парциальное давление пара в результате его растворимости имеет более низкое значение, чем чистое вещество, а поэтому температура кипения жидкости, растворенной в масле при том же давлении, будет выше, чем чистого вещества.

Аммиак и шестифтористая сера (SF6) растворяются в минеральном масле незначительно, а углекислота не растворяется вообще. Растворимость хладонов с возрастанием в соединении атомов фтора уменьшается. Практически не растворяются в минеральных маслах вещества R13, R14, R115, R22, R114 и азеотропная смесь из R152 и R12 растворяется частично (они имеют зону несмесимости); R11, Ш2, R21, R113 растворяются неограниченно. Малой растворимостью обладают фторированные углеводороды C3F8, C4F, 0 и пр.

У рабочих веществ второй группы при использовании тяжелых масел и при низких температурах обнаруживается зона несмесимости. Вещества третьей группы (R22) переходят во вторую при использовании легких или синтетических масел. В том случае, когда рабочее вещество не растворяется в масле, — отсутствует иена при кипении (в испарителе); в затопленных испарителях масло хорошо отделяется; концентрация растворенного масла не влияет на температуру кипения; более устойчиво работают поплавковые вентили, так как уровень жидкости поддерживается постоянным.

Растворимость рабочего вещества в масле способствует тому, что слой масла почти полностью смывается с теплопередающих поверхностей, а в испарителях незатопленных систем он уносится вместе с жидкостью; снижается температура затвердевания рабочего вещества. При расчете циклов холодильных машин она обычно не учитывается, хотя ее следует учитывать, так как уменьшение массовой холодопроизвоительности маслохладонового раствора по сравнению с чистым веществом может достигать значительных величин.