Czynniki chłodnicze. Chłodziwa. Oleje.

Czynniki chłodnicze. Pierwsze urządzenia chłodnicze, budowane w drugiej połowie XIX wieku, były napełniane różnymi czynnikami, przede wszystkim amoniakiem NH3, chlorkiem metylu CH3cl, dwutlenkiem węgla i dwutlenkiem siarki.
W latach trzydziestych rozpoczęła się era tzw. freonów będących pochodnymi węglowodorów, które cechują się wieloma doskonałymi własnościami. Czynniki te są oznaczane literą R oraz liczbą związaną z ilością atomów fluoru F, wodoru H, oraz węgla C, występujących w związku.
W latach osiemdziesiątych stwierdzono, że znajdująca się na wysokości od 15 do 50 km warstwa ozonu ulega stopniowemu niszczeniu. Przyczynia się to do zwiększenia promieniowania ultrafioletowego, którego nadmiar docierający na powierzchnię Ziemi powoduje wzrost zachorowalności ludzi, osłabienie rozwoju roślin i organizmów morskich. Stwierdzono, że przyczyną tego jest chlor i brom uwalniające się z freonów przy ich wędrówce z powierzchni Ziemi do góry. Nastąpiła więc konieczność wprowadzenia bardziej ekologicznych czynników chłodniczych. Te nowe związki są wprowadzone pod różnymi nazwami fabrycznymi, np.: Reclin, Suva, Solkane. Jedną z istotnych cech czynników jest ich mieszalność z olejami wpływająca na konstrukcję urządzeń. Rozróżnia się:
1) czynniki nie tworzące z olejami roztworów, przykładem jest amoniak.
2) rozpuszczające się w olejach bez ograniczeń, np. R12
3) rozpuszczające się w określonym zakresie temperatur, np. R22 oraz wieloskładnikowe R502, R134a.
Urządzenia z czynnikami grupy 2 i 3 muszą być tak skonstruowane aby olej, który w niewielkich ilościach wydostaje się ze sprężarki, krążył w obiegu wraz z czynnikiem i wracał do sprężarki. Przy czynnikach z grupy 1 istnieje możliwość wyprowadzenia oleju na zewnątrz
Wśród czynników można rozróżnić czynniki jedno- i wieloskładnikowe oraz azeotropowe i zeotropowe. W czynnikach azeotropowych para, powstająca przy wrzeniu w punkcie azeotropowym, ma taki sam skład jak ciecz, a temperatura wrzenia jest stała. Przy czynnikach zeotropowych składy cieczy i pary są różne , a temperatura wrzenia ulega zmianie.
Wszystkie czynniki, wprowadzane jako zamienniki czynników szkodliwych dla warstwy ozonowej, ni są: palne, wybuchowe i toksyczne, rozpuszczają się w olejach, nie działają na większość metali, ale w niektórych przypadkach niszczą materiały uszczelniające i izolacyjne.
Charakterystyki główniejszych czynników chłodniczych:
Solkane 123 jest zamiennikiem dla R11, ale nie można go stosować w sprężarkach hermetycznych, gdyż niszczy powłoki izolacyjne. Czynnik R11 był stosowany w turbosprężarkowych urządzeniach klimatyzacyjnych, jako chłodziwo, do płukania części i do prób szczelności. Miesza się z olejami mineralnymi. Całkowicie zaniechano jego produkcji od 1996r.
Solkane 134a zastępuje R12. Solkane 134a wymaga syntetycznych olejów poliestrowych. Spośród metali nie należy stosować magnezu, ołowiu i cynku. W podwyższonych ciśnieniach może on tworzyć z powietrzem mieszaniny wybuchowe, dlatego nie należy stosować go do prób szczelności. Zawory rozprężne, odwadniacze, przewody i manometry należy stosować o konstrukcji dopasowanej do Solkane 134a.
Solkane 22 i R22 są stosowane w urządzeniach o niskich zakresach temperatur ze sprężarkami różnych typów. W wyższych temperaturach miesza się z olejami mineralnymi, w niższych w stopniu ograniczonym. Zalecane jest włączanie sprawnego odolejacza. Czynnik R22 jest dopuszczony do produkcji do 2005r.
Solkane 507 zastępuje nieekologiczny czynnik R502 we wszystkich układach niskotemperaturowych w zakresie do -45 C. Jest on mieszaniną azeotropową R143a i r125.
Solkane 23 zastępujący R13 ma bardzo zbliżone do niego ciśnienia pracy. Jest on czynnikiem używanym przy bardzo niskim zakresie temperatur. Wymaga olejów poliestrowych, nie miesza się z olejami mineralnymi. Konieczne jest stosowanie odolejaczy.
Do grupy czynników naturalnych należą:
Amoniak R717 jest stosowany w dużych i średnich urządzeniach sprężarkowych. Jest bezbarwny, charakteryzuje się ostrym zapachem, dzięki czemu łatwe jest wykrycie nieszczelności w instalacji. W temperaturze powyżej 120*C może nastąpić rozkład amoniaku na wodór i azot, co grozi awarią urządzenia. Amoniak jest palny, a w mieszaninie z powietrzem o stężeniu od 15 do 28%- wybuchowy. Działa silnie na miedź i jej stopy oraz na cynk. W obecności niklu następuje jego rozkład. Z wodą amoniak tworzy roztwory o dowolnym stężeniu, dlatego woda w amoniaku nie ulega zamarzaniu.
Propan R290 jest czynnikiem wysokociśnieniowym, należy do grupy węglowodorów nasyconych. Jest stosowany przede wszystkim w dużych urządzeniach chłodniczych, będąc dobrym zamiennikiem dla R22. Jest łatwo dostępny i tani. Jego zasadnicza wada to palność, a przy małych stężeniach z powietrzem - wybuchowość. Nie działa niszcząco na oleje mineralne i materiały konstrukcyjne.
Dwutlenek węgla R744 był używany od początku XX wieku, następnie zaniechany w momencie wprowadzenia freonów . Jest nieszkodliwy dla otoczenia, nietoksyczny i niepalny. Przy dużych stężeniach grozi uduszeniem, dlatego w pomieszczeniach konieczne jest stosowanie wentylacji wywiewnej. Jest łatwo dostępny, o niskiej cenie, prostej obsłudze i konserwacji.
Woda R718 ma wiele pozytywnych cech, ale może być stosowana jedynie w temperaturach dodatnich. Ze względu na konieczność przetłaczania dużych ilości objętościowych pary jest stosowana jedynie w urządzeniach strumieniowych.
Należy zaznaczyć, że omówione powyżej czynniki chłodnicze są wybrane przykładowo i że w dalszym ciągu są poszukiwane inne o wiele doskonalsze.
Chłodziwa
W niektórych urządzeniach ciepło z chłodzonego pomieszczenia nie jest odprowadzane bezpośrednio przez parujący czynnik , lecz przez ciecz o odpowiednio niskiej temperaturze. Ciecz ta, nazywana chłodziwem lub solanką, jest chłodzona za pomocą urządzenia chłodniczego. Układ taki nazywa się pośrednim. Cieczami pośredniczącymi mogą być: woda lub wodne roztwory soli, glikoli i alkoholi. Ich stężenia powinny być takie, aby temperatura krzepnięcia roztworu była ok. 5*C niższa od temperatury parowania czynnika chłodniczego.
Oleje
Zasadniczym zadaniem oleju w sprężarkach, w tym również chłodniczych, jest smarowanie łożysk, cylindrów, mechanizmu napędowego, zaworów roboczych i pierścieni uszczelniających. Ponadto zadaniem oleju jest uszczelnianie luzów łożyskowych oraz odprowadzanie ciepła wydzielającego się wskutek tarcia i pracy sprężania
Wśród stosowanych olejów rozróżnia się: mineralne, otrzymywane z ropy naftowej, półsyntetyczne i syntetyczne. Składnikami olejów syntetycznych są poliglikole lub poliestry; większe zastosowanie w chłodnictwie znalazły te drugie. Wszystkie oleje muszą charakteryzować cię odpowiednią lepkością w całym zakresie temperatur występujących w urządzeniu, smarnością, niską temperaturą krzepnięcia i wysoką temperaturą zapłonu. Oleje muszą być obojętne chemicznie względem czynników chłodniczych, odznaczać się małą higroskopijnością oraz nie zawierać związków parafinowych, które w niskiej temperaturze wydzielają się w stanie stałym. Rodzaj oleju odpowiedni dla stosowanego czynnika chłodniczego i typu sprężarki określają zalecenia producenta.