Хладагенты

На початок 1930-ых років основними холодоагентами, применявшимися в холодильних системах, були аміак, діоксид сірки, мітив хлорид і діоксид вуглецю. І з зазначених робочих тіл мало дуже суттєвими технологічними і екологічними вадами.

Проте наприкінці 20-ых років Томас Мидгрей відкрив нове фторуглеродное сімейство речовин, яке мало практично оптимальними для хладагентов властивостями. З цією відкриттям холодильна промисловість отримала можливість розпочати масовому випуску різноманітної холодильної техніки. З іншого боку, галоидопроизводные вуглеводні стали застосовуватися для аерозолів, пенополиуретанов, розчинників і коштів пожежогасіння.

На початку 70-ых років світовий ринок хлорфторуглеродов (ХФУ) прийняв величезні розміри. Тому, природно, виникло питання про кінцевої долі цих сполук, які у велику кількість у повітря. Проведені тим часом засвідчили, що поставки деяких ХФУ надзвичайно довговічні через свою хімічної стабільності. Вони можуть існувати у атмосфері, не розкладаючись у протягом багато часу. Проте під впливом випромінювання відбувається їх поступове розкладання із атомів хлору, які входить у взаємодію Космосу з озоном, зменшуючи цим його кількість в стратосфері.

Як відомо, стратосферний озон поглинає більшу частину ультрафіолетової радіації Сонця. Тому руйнація озонового шару збільшує рівень ультрафіолетової радіації, попадающей на Землю, що зумовлює почастішання ракових захворювань люди і тварин, загибелі рослин, скорочення біологічними ресурсами океанів. Тобто. зменшення концентрації озону в стратосфері є глобальної екологічної небезпекою в існуванні біологічної форми життя Землі.

Вперше у міжнародному масштабі проблема регулювання виробництва та споживання озоноруйнуючих ХФУ була б піднята Віденської Конвенцією захисту озонового шару в 1985 р . Важливим подальшим кроком у розв'язанні цієї проблеми стало підписання Монреальського протоколу 1987 р ., за яким за рівнем впливу озоновий шар Землі галоидопроизводные вуглеводні було поділено на 3 групи:

ХФУ - хлорфторуглероды, які мають високим потенціалом руйнації озонового шару ( Ozon Depleting Potention - ODP ). Іноді використовується термін «потенціал виснаження озону». Хладагенты цієї групи R 11, R 12, R 113, R 500, R 502, R 503 мають ODP >0,05. Озоноразрушающая здатність R 11 було прийнято за одиницю - OPD=1 .

ГХФУ - гидрофторхлоруглероды, в молекулах яких міститься водень. Для цих речовин характерно менше час існування у атмосфері проти ХФУ як наслідок, вони надають меншого впливу на руйнація озонового шару ODP <0,55. Деякі багатокомпонентні робочі тіла, пропоновані як альтернатива ХФУ, перебувають у собі ГХФУ, наприклад, R 22.

ДФУ - гідрофторвуглеці. Ці речовини не містять хлору, а складаються з атомів вуглецю, водню і фтору. Не руйнують озоновий шар ( ODP =0) і мають період життя жінок у атмосфері. ДФУ вважаються довгострокової альтернативою ХФУ в холодильних системах. Прикладами таких хладагентов є R 134 a , R 125, R 152 a та інших.

            Попри прийняті світовим співтовариством заходи, проблема, викликана емісією хладагентов у повітря, продовжувала загострюватися, й у листопаді 1992 р . у Копенгагені чергове зустрічі країн-учасниць Монреальського протоколу було прийнято жорсткіша редакція Основних напрямів. Понад те, нараді підкреслювалося, що альтернативні (з погляду впливу озоновий шар Землі) хладагенты повинні мати незначним впливом і парниковий ефект, а саме холодильне обладнання має бути ефективнішим, ніж існуюче. Тим самим було проблема перекладу холодильного устаткування альтернативні хладагенты придбала принципово нових відтінків.

            Проблема руйнації озонового шару Землі поставила перед ученими й експлуатаційниками промисловістю складне завдання заміни озоноактивных холодильних агентів на альтернативні. Проблема заміни озоноактивных холодильних агентів на альтернативні виявилася більш складною та багатопланової, чому це це могло здатися в 1987 р. Вона містить у собі:

вивчення впливу хладагентов на озоновий шар, вплив хладагента не парниковий ефект;

дослідження токсичності і горючести;

вивчення теплофизических властивостей і термодинамической ефективності нових робочих тіл;

оцінку теплообмінних характеристик;

розгляд питань, що з сумісністю хладагентов з конструкційними матеріалами і розчинність в холодильних мастила;

проектування нового холодильного устаткування;

розробку економічно вигідних технологій синтезу озонобезопасных хладагентов й освоєння потужностей їх.

            Серед заходів, прийнятих світовим співтовариством, вкладених у регулювання виробництва та споживання озоноруйнуючих речовин, головною є вимога повної відмови до 2000-го році отримала від використання ХФУ в усіх проявах холодильного устаткування. Необхідність заміни цих речовин, знайшли широке використання у ролі теплоносіїв, розчинників, робочих тіл холодильних установок, стала причиною пошуку альтернативних хладагентов, близьких до ХФУ за своїми фізико-хімічним властивостями.

            Проведення оцінки ефективність використання нових робочих тіл у наявному і разрабатываемом холодильному устаткуванні, і навіть освоєння нових технологій з допомогою озонобезопасных хладагентов можливо з урахуванням інформації про термодинамічних властивості цих речовин, найбільш надійною засобом отримання якої залишається експеримент.

            Критерієм оптимізації по енергетичним й фактично економічним чинникам може бути TEWI (загальний еквівалент теплового впливу), методика розрахунку якого широко використовується щодо оптимального складу многокомпонентного робочого тіла.

            У реальної холодильної установці робочим тілом є маслохладоновый розчин, властивості якого значно різняться від властивостей чистих хладагентов.

            Нині предметом пильної уваги є роботи, присвячені вивченню властивостей масло-аммиачных розчинів.

            Аміак мало розчиняється у маслі. Тому забруднює комунікаційні трубопроводи і з'єднання, осаджується лежить на поверхні конденсатора і труб охолодження, зменшуючи теплопередачу.

            При температурах нагнітання понад 140 ° можливо порушення мастила компресора внаслідок освіти товстого шару нагару на клапанах. Суміш з вільного водню, аміаку та повітря може викликати спалах оливи й вибух.

            Відомо, що фірмою Sulrer Escher Wyss було синтезовано олію, розчинне в аміаку. Розчинність олії на аміаку виключає утворення на теплообмінних поверхнях плівки, що підвищує коефіцієнт тепловіддачі до a =9100 Вт/м 2 *До (при нерастворимом олії a =2700 Вт/м 2 *До).

            Найчастіше як розчинної в аміаку олії пропонуються синтетичні олії типу ПАГ (полиоксиалкиленгликоль) (див. патент США 5037570). ПАГ розчиняються у аміаку при низьких температурах, мають хорошою вязкостно-температурной залежністю. Проте їх характерними вадами є порівняно висока критична температура розшарування маслохладонового розчину, і навіть недостатня противоизносные властивості і термоокислительная стабільність.

            Співробітники Одеської Державної Академії Холода та Інституту біологічної хімії і нафтохімії було запропоновано нове синтетична сполука, що може бути використана як розчинної в R 717 холодильного олії - ХМРА-1.

            Дане олію володіє 1,85 разу більше високої термоокислительной стабільністю й у 1,9 разу більше високими противоизносными властивостями проти мастилами з урахуванням ПАГ. З іншого боку, воно частково розчиняється в мінеральних нафтових мастила, що спрощує вирішення окремих експлуатаційних проблем. Основні теплофизические властивості олії ХМРА-1 наведені у таблиці 1.1.

 

                                    Таблиця 1.1

T, K P, Па r , кг/м 3 h , Па*с Ср, кДж/кг*К
250 5,6 1095,2 4305,00 1,712
260 11,9 1087,8 1059,00 1,724
270 24,1 1080,4 343,200 1,772
280 46,4 1073,0 137,700 1,803
290 85,4 1065,6 65,350 1,833
300 150,9 1058,2 35,410 1,863
310 256,9 1050,9 21,320 1,873
320 423,3 1043,5 19,980 1,923
330 676,4 1036,1 9,817 1,954
340 1051,5 1028,7 7,287 1,984
350 1093,9 1021,3 5,666 2,015

 

            Аміак отримав маркірування хладагент R 717. Розглянемо особливості будівлі та властивостей аміаку.

            У освіті хімічних зв'язків в молекулі аміаку беруть участь 3 неспаренных атома азоту NO та електрони трьох атомів водню. Два електрона атома азоту залишаються неподелёнными.

                                      H

              .                         ..

            : N + 3 H . = : N : H

              .                         ..

                                      H

 

            У освіті зв'язків беруть участь як 2 p -електрони, і 2 s -електрони, тобто. має місце гібридизація атомних орбіт, близька до тетраэдрической гібридизації в 4-валентном вуглеці. Атоми водню вміщено у трьох вершинах тетраедра, центр якого зайнятий атомом азоту. Кут між зв'язками H - N - H дорівнює 108 ° , тобто. дуже близький до тетраэдрическому. Дипольный момент молекули аміаку, рівний 1,43 D , створюється переважно усе ж таки не полярністю зв'язків, а тим, що гібридна орбіта витягнута вбік від ядра вершині тетраедра, не зайнятого атомами водню. Поляризуемость молекули аміаку дорівнює 22,6*10 -25 див 3 . Завдяки відсутності неспаренных електронів аміак диамагнитен.

            Неподелённая пара електронів не гібридної основі створює у молекули аміаку спроможність до освіті водневої зв'язку. Ця обставина, і навіть значна полярність молекул аміаку викликає досить сильне взаємодія з-поміж них, унаслідок чого фізичні властивості аміаку мають низку аномалій проти однотипними сполуками ( PH 3 , SbH 3 , AsH 3 ): температури плавлення і кипіння щодо великі, теплота випаровування велика.

              Власна электролитическая дисоціація аміаку: 2 NH 3 = NH 4 + + NH 2 - дуже мізерна. Жидкий аміак фактично не проводить електричного струму. Удельная електропровідність 3,0*10 8 ом -1 .

Рубрики: Аналітична хімія