Хладагенты бытовых холодильников

Хладагентом (сокращение от слов «холодильный агент») принято называть рабочее вещество с низкой температурой кипения (испарения), с помощью которого осуществляется охлаждение в абсорбционных и компрессионных холодильных машинах. В абсорбционных бытовых холодильниках в качестве хладагента применяют водоаммиачный раствор. В компрессионных бытовых холодильных приборах (БХП) применяют разные марки хладагентов. В термоэлектрических холодильниках хладагента нет: электрическая энергия преобразуется непосредственно в тепловую, когда электрический ток проходит через полупроводниковые элементы: внутренние участки элементов охлаждаются, а наружные нагреваются.

На хладагенты, являющиеся охлаждающими низкозамерзающими жидкостями, установлены государственные и международные стандарты.

 

 

Хладагенты должны быть нейтральными к металлам, сплавам и другим материалам, используемым при изготовлении холодильного агрегата. Они не должны быть взрывоопасными и воспламеняющимися в смеси с воздухом и маслами. Они не должны быть ядовитыми, не должны вызывать удушья и раздражения слизистых носа и дыхательных путей человека, не должны отравлять или ухудшать экологическую среду. Хладагенты современных БХП не должны содержать веществ, разрушающих озон или вызывающих парниковый эффект. Они должны быть экологически безопасными, не оказывающими влияния на образование «озоновых дыр» в атмосфере или глобальное потепление климата.

При нормальном атмосферном давлении все хладагенты компрессионных БХП имеют газообразное состояние. Под давлением в герметичных емкостях они сжижаются и сохраняются в жидком состоянии. Фазовое состояние хладагентов в отдельных составных частях герметичных холодильных агрегатов БХП зависит от давления и температуры. При высоком давлении это жидкость, а при низком газ. При сжатии хладагент нагревается, а при расширении (кипении и испарении) охлаждается.

В компрессор БХП должен поступать обязательно газообразный хладагент, чтобы не происходили гидравлические удары и разрушения деталей компрессора. Под давлением компрессора газообразный хладагент сжимается и при этом выделяет тепло. Поэтому трубки на выходе из компрессора при его работе всегда горячие. Из компрессора горячий газ поступает в конденсатор. По мере охлаждения в конденсаторе сжатый газ постепенно превращается в жидкость. На входном участке конденсатора это чистый газ с температурой на десятки оС выше окружающей, на среднем газ с конденсировавшимися каплями жидкости и жидкость с пузырьками газа, а на выходе однородная жидкость с температурой, близкой к окружающей.

При работающем компрессоре нагнетательный трубопровод и входной участок конденсатора должны быть горячими, а участок конденсатора на выходе хладагента немножко теплее окружающего воздуха.

Под действием разрежения, создаваемого во всасывающем трубопроводе компрессора жидкий хладагент из конденсатора поступает в испаритель. При разрежении в испарителе происходит кипение (испарение) жидкого хладагента. При испарении хладагент отбирает тепло от стенок испарителя и охлаждает камеру БХП.

Первые компрессионные холодильники работали на сернистом ангидриде. Этот газ опасен для здоровья человека и имеет неприятный запах. Практически с 50-х и до конца 80-х годов прошлого века во всех компрессионных БХП отечественного и зарубежного производства в качестве хладагента применяли фреон-12, получивший условное международное обозначение R12 (по первой букве английского слова Refrigerant). Для смазки деталей компрессора использовали минеральное масло, растворимое во фреоне («фреоновое масло»). При обычных условиях R12 представляет собой нейтральный газ без цвета и запаха, не представляющий серьезной угрозы для здоровья человека. В холодильнике средних размеров его менее 100 г. и при аварийном нарушении герметичности системы он быстро улетучивается.

Производство фреона-12 было организовано впервые в 1931 г. американской фирмой Frigidaire, которая затем продала свои патенты концерну DU PONT. В начале 90-х DU PONT выпустил на замену R12 новый альтернативный хладагент R134a, не разрушающий озон.

В 80-е годы было открыто разрушающее воздействие атомарного хлора на озон в атмосфере. Озоновый слой в атмосфере служит защитным щитом от космических излучений для всего живого на Земле. Из открытия ученые сделали вывод о глобальной угрозе здоровью людей и окружающей природе из-за истощения озонового слоя в результате промышленной деятельности, в том числе выброса в атмосферу фреонов. В качестве подтверждения глобальной угрозы приводили расширение «озоновых дыр» над полюсами Земли. Принятые международные соглашения призывали все страны к прекращению производства и потребления веществ, разрушающих озон. Монреальский протокол 1987 г. предусматривал постепенный перевод производства БХП во всех странах на озононеразрушающие хладагенты. Поскольку фреон 12 в своем составе содержит хлор, который разрушает озон, он попал в перечень запрещенных хладагентов.

В последующие годы наблюдалось сужение «озоновых дыр», никак не связанное с производством фреонов для холодильников. Мнение других ученых о циклическом характере изменения размеров «озоновых дыр», как глобальных явлений природы, и не возможном влиянии на них тех объемов фреонов, которые производились в 80-е годы, не было принято экологами. Фреон-12 был "осужден" окончательно.

Во исполнение Монреальского протокола взамен единого хладагента R12 в разных странах стали разрабатывать озонобезопасные и экологически чистые хладагенты. По энергетическим характеристикам некоторые из них даже превосходят традиционный R12. В США разработали озонобезопасный хладагент R 134а, который нельзя использовать в холодильных машинах, спроектированных под R12. Новый хладагент должен работать вместе со специальным синтетическим маслом, которое разрушает электроизоляционные материалы электродвигателей компрессоров, спроектированных для работы на R12 с минеральным маслом. Для перевода производства БХП с R12 на R134a необходимы существенные конструктивные изменения компрессоров, электродвигателей и всей системы охлаждения. Большие затраты на переоснащение производства, необходимые для перехода с R12 на R134а, явились главным препятствием внедрению этого хладагента в производство отечественных БХП.

В 90-е годы международные организации по защите климата Земли пришли к выводу о глобальной опасности потепления. В 1997 г. был принят Киотский протокол, направленный на ограничение выбросов в атмосферу «парниковых газов». Этот протокол обязывает страны докладывать в международный комитет по защите климата Земли о выбросах в атмосферу парниковых газов.

Вместо R12 и R134a в Германии в 90-х годах стали применять природный газ изобутан, совместимый с минеральными маслами. Этот хладагент получил условное сокращенное международное обозначение R600a. Он не разрушает озон и не вызывает парниковый эффект, и поэтому получает все большее признание. Около 10 % БХП в мире и более 35 % в Европе (в том числе холодильники «Атлант») в 2005 г. работают на R600a. По теплофизическим и эксплуатационным характеристикам R600a превосходит R134a. Самые экономичные холодильники с классами энергопотребления А+ и А++ работают на R600a. Природные углеводороды, как хладагенты, не находили широкого применения в БХП из-за повышенной пожарной опасности. В современных конструкциях эту проблему решили благодаря уменьшению дозы заправки до таких объемов, которые практически не могут привести к пожару. Доза заправки бытовых холодильников и морозильников столь мала, что даже при полной утечке хладагента из агрегата его концентрация в кухне объемом 20 куб.м будет ниже порога горючести в десятки раз.

В 130-литровом холодильнике всего 20 г R600a, а в начале прошлого века в холодильник такого же объема заправляли 250 г изобутана.

В России взамен R12 используют импортные хладагенты R134a и начинают применять экологически чистые хладагенты отечественной разработки: диметиловый эфир, пропан, бутан, изобутан и их смеси. На российских предприятиях освоено производство R600a. Российские хладагенты на основе смесей газов известны под марками: С-1, С-2, СМ-1, Экохол-3.

Хладагент С-1 представляет собой смесь углеводородов и фторуглеродов (азеотропная смесь R152/R600a). Хладагент СМ-1 представляет собой смесь R134a/R218/R600, по термодинамическим характеристикам близкую к R12. Совместимость С-1 и СМ-1 с минеральным маслом ХФ 12-16 и конструкционными материалами отечественных компрессоров позволяет максимально упростить процесс перехода с R12 на отечественные хладагенты.

Все хладагенты, применяемые в массовых БХП, обладают очень высокой текучестью и не имеют ни цвета, ни запаха. Они способны проникать даже через микротрещины и микропоры обыкновенного чугуна (воздух, вода и керосин не проникают через такой чугун).

Особо высокие требования предъявляют к герметичности холодильных агрегатов, работающих на смесях из низкокипящих газов с разными температурами кипения. При нарушении герметичности системы в первую очередь улетучиваются высококипящие фракции. Самая малая утечка одной из фракций приводит к нарушению соотношения пропорций между ними, к изменению температуры кипения хладагента и нарушению температурного режима работы БХП. При устранении утечек возникают повышенные трудности, поскольку исключается возможность дополнения хладагента или только улетучившейся фракции. Из-за разных температур кипения газов приходится полностью перезаправлять холодильный агрегат.

Марка хладагента для российских покупателей не имеет большого значения при нормальной работе БХП. О ней можно забыть до печального момента, когда возникнет необходимость ремонта. При нарушении герметичности системы охлаждения специалисту нужно знать, какой хладагент заправлен, оптимальную дозу заправки и марку масла. Эти данные указывают на табличке с характеристикой БХП или холодильного агрегата. Марку хладагента и масла должны указывать и на мотор-компрессоре. Технологические инструкции определяют возможности взаимозаменяемости разных марок хладагентов и масел, с которыми они могут работать.