РАБОЧИЕ ВЕЩЕСТВА ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН И ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ
К рабочим веществам холодильных машин и тепловых насосов относят:
• любые вещества (как однокомпонентные, так и смеси), имеющие нормальную температуру кипения Ts (т. е. Т0 при р0 =0,1МПа) в диапазоне Ts = -130°С... +80°С;
Воздух;
• воду (для производства холода на температурном уровне выше 0°С при соответствующем поддержании давления р<0,1 МПа);
• смеси «агент - сорбент».
Историческая справка о начале использования различных натуральных, синтезированных веществ и их смесей в качестве рабочих веществ холодильных машин и тепловых насосов представлена в таблице 6.1.
С 1930-х годов появились и до сегодняшнего дня продолжают появляться химически синтезированные рабочие вещества на основе предельных углеводородов, в которых атомы водорода заменяют атомами фтора, хлора и брома.
Обобщенная химическая формула предельных углеводородов CmH2m+2. Обобщенная химическая формула синтезированных рабочих веществ на основе предельных углеводородов имеет вид CnflJFpClqBrr, где n+p+q+r=2m+2. Максимальное число возможных соединений в результате синтеза определится из уравнения
Дата |
Современная классификация |
Химическая формула |
1830- |
Продукт |
СН3-СН2-О- |
Ые |
Дистилляции |
СН2-СН3 |
Каучука |
||
1840- |
RE-170 |
СН3-О-СН3 |
Ые |
||
1856 |
Этиловый |
СН3-СН2- |
Спирт |
ОН |
|
1859 |
Водо- |
NH3-H2O |
Аммиачный |
||
Раствор |
||
1860- |
Аммиак |
NIT3 |
Ые |
(R-717) |
|
1866 |
Углекислота |
Со2 |
(R-744) |
||
1870 |
Производная |
НСООСНз |
Метила |
||
(R-611) |
||
1870- |
Этил хлорида |
СН3-СН2С1 |
Ые |
(R-160) |
|
1875 |
Диоксид серы |
So2 |
(R-764) |
||
1878 |
Хлорид метила |
Ch3c1 |
(R-40) |
||
1891 |
Смеси серной |
С4Н10, |
Кислоты |
С5Н12, |
|
(H2S04)c |
(СН3)2СН- |
|
Углеводо |
СНз |
|
Родами |
||
1900- |
Бромид этила |
СН3-СН2Вг |
Ые |
(R-160B1) |
Таблица 6.1
|
Таким образом число возможных соединений как производных метана (СН4) составит 15, этана (С2Н6) - 55 (начиная с этана необходимо учитывать также и изомеры), пропана (СзНв) - 332, а бутана (С4Ню) - свыше 1000.
В книгах по холодильным машинам, изданных в 1940-50-ые годы, приводились основные характеристики наиболее распространенных рабочих веществ, число которых не превышало 10. В 1960- 70-ых годах список увеличился до 30. Сейчас сложно перечислить все рабочие вещества, которые выпускаются промышленностью, а число тех, которые находятся в стадии изучения, вообще не подвергается обзору.
Существует международная терминология для описания всех синтезированных рабочих веществ:
НС - вещества, состоящие из атомов Н и С, т. е. углеводороды; HCFC - вещества, состоящие из атомов Н, С, F и С1; HFC - вещества, состоящие из атомов Н, С и F.
Поскольку номенклатура рабочих веществ НС-типа чрезвычайно мала, то обычно используют выражение «рабочие вещества HFC - и HCFC-типа» для описания всех однокомпонентных синтезированных рабочих веществ на основе углеводородов. Эта терминология уже прочно закрепилась в научных публикациях, рекламной продукции заводов-изготовителей рабочих веществ и холодильного оборудования. Очевидно, что ее необходимо широко внедрять и в учебный процесс.
Рабочие вещества HFC - и HCFC-типа многие годы обобщали названием «фреон» (Freon). Термин «Freon» являлся не только первым названием синтезированного рабочего вещества (Freon-12), но и торговой маркой, использование которой в литературе (равно как и других торговых марок) регламентируется международными нормативно-правовыми актами. В связи с этим с 1960-х годов многие производители рабочих веществ HFC - и HCFC-типа ввели собственные торговые марки, например «Genotron» («Allied Chemical Corp.», США), «Ucort» («Union Carbide Corp», США); «Iscelon» («Imperial Smelting Corp.», Англия), «Arcton» («Imperial Chemical Ind.», Англия), «Flugene» («Pechiney-Soint-Gobain», Франция), «Kaltron» («Kali - Chemil A. G.», Германия), «Frigen» («Osaka Kinzoku Kogyo Co.», Япония), «Daiflon» («Bibby and Sons Ltd.», Япония), в СССР в 1970-ые годы появился термин «хладон». Одной из последних изменил свою торговую марку на «Suva» мировой лидер по производству новых рабочих веществ HFC - и HCFC-типа фирма «DuPont» (США).
Для единообразия все рабочие вещества стали обозначать R-. Вне зависимости от торговой марки синтезированного рабочего вещества, цифра неизменно представляет шифр химического состава. Ранее строго применялось правило шифровки рабочих веществ (в связи с их малым количеством). Сейчас правилу подчиняются только однокомпонентные рабочие вещества. Так соединения без атомов Н для производных метанового ряда обозначают первой цифрой 1, затем к ней добавляют цифру, в которой указывают число атомов фтора. Например, R-12 представляет CF2C12. Для производных этана, пропана и бутана перед цифрой, обозначающей число атомов фтора, указывают цифры 11, 21 или 31, соответственно. Далее добавляют цифру, соответствующую числу атомов Н, например, R-143 описывает C2H2F2. При замене атомов С1 атомами Вг появляются такие обозначения как, например, R-13B1 - CF3Br.
Вышеизложенному правилу не подчиняются смеси рабочих веществ (R-4xx), а также натуральные рабочие вещества (R-7xx), для которых хх - молекулярная масса.
Международным Институтом Холода еще в 1960-ые годы были предприняты попытки создать универсальный классификатор всех рабочих веществ по их химическим формулам, однако желаемый результат до сих пор не достигнут.
В качестве иллюстрации на рис.6.1 приведены «треугольники» метанового и этанового рядов (предложенные Дж. Фироном в 1981 году) - классификация рабочих веществ HFC - и HCFC-типа, позволяющая проследить, как изменение химической формулы и, соответственно, молекулярной массы синтезированного вещества влияет на одну из классификационных характеристик - нормальную температуру кипения Ts.
Очевидно, что химическая формула рабочего вещества определяет все его характеристики: термодинамические, теплофизические, химические, физиологические, а также конструктивно-эксплуатационные.
По рекомендации Международного Института Холода 1997 года общепринятой обобщенной терминологией в научной и учебной литературе должны стать:
• холодильный агент (англ. - refrigerant, фр. - agent frig о rifique), если речь идет исключительно о холодильной машине;
• рабочее вещество (англ. - working fluid, фр. - fluid active), если речь идет о тепловом насосе и/или холодильной машине одновременно.