Читайте также:
|
Хладагенты
3.1.1. Общие сведения
Для реализации процессов трансформации тепла в установках применяют различные рабочие тела. Рабочими телами могут быть индивидуальные вещества а также их смеси.
Рабочие тела, которые применяют в холодильной технике, называют холодильными агентами или хладагентами (ХА). Это вещества или их смеси, имеющие при нормальном атмосферном давлении (@0,1 МПа) температуру кипения T s=350–120 K (77 ¸ -153°C).
ХА с T s=350-250 К (77 ¸ -23°C) обычно используют в теплонасосных или комбинированных установках.
ХА с T s=273-120 К (0 ¸ -153°C) применяют в холодильных установках и установках кондиционирования воздуха.
Вещества с T s<120 К называют криоагентами.
К хладагентам предъявляются следующие требования:
а) безвредность для здоровья человека;
б) достаточно низкая температура кипения T s при нормальном атмосферном давлении;
в) невысокое давление конденсации Р к при обычных температурах окружающей (охлаждающей) среды (вода, воздух);
г) малая разность давлений конденсации и кипения (Р к- Р 0);
д) низкая температура замерзания T z;
е) высокая критическая температура Т кр. Она должна быть выше температуры охлаждающей среды в конденсаторе;
ж) минимальные показатель адиабаты и удельный объем паров ХА;
з) как можно большими теплотой парообразования и удельной теплоемкостью.
Кроме того, ХА должны быть пожаро-взрывобезопасными, нейтральными к конструкционным материалам, хорошо растворять воду, иметь невысокую стоимость.
Все эти требования удовлетворить невозможно, т.е. не существует идеального хладагента. Поэтому при выборе ХА необходимо учитывать все их качества и факторы, характеризующие установку и условия ее работы.
3.1.2. Основные теплофизические параметры характеризующие ХА
T s, К – температура кипения при атмосферном давлении. Характеризует температуру холода, которую можно получить при минимальном вакуумировании парового пространства;
Т кр, К – критическая температура ХА. Характеризует максимальную температуру, при которой можно добиться конденсации ХА;
k – показатель адиабаты паров ХА. Характеризует работу сжатия l к и температуру паров в конце процесса сжатия. Чем больше k, тем выше значение l к и температуры паров в конце процесса сжатия;
q 0, Дж/кг – удельная массовая холодопроизводительность. Это количество теплоты, которое отводится от охлаждаемой среды 1 кг циркулирующего ХА в процессе его испарения. Иначе – это удельная теплота парообразования рабочего вещества;
q v, Дж/м3 – удельная объемная холодопроизводительность. Это количество теплоты, которое отводится от охлаждаемой среды 1 м3 паров ХА, образующихся в испарителе и отсасываемых компрессором. Параметр удобный при конструктивном расчете компрессоров ХМ
v 0, м3/кг – удельный объем паров ХА при температуре кипения Т 0.
Взаимосвязь параметров:
. (3.1)
На практике применяют в качестве ХА около 30-40 рабочих веществ. Наибольшее распространение имеют сейчас (кроме воды и воздуха) такие ХА как аммиак, фреоны (хладоны), различные углеводороды. Они широко используются в парожидкостных холодильных машинах.
Теплофизические характеристики некоторых наиболее известных хладагентов приведены в табл. 3.1.
3.1.3. Маркировка ХА
Международное обозначение рабочих веществ холодильных машин – буква R (от Refrigerant – ХА) и набор цифр, которые имеют определенную расшифровку.
Неуглеводородные ХА обозначают цифрой – 7 и к ней добавляется молекулярная масса вещества. Например: вода – R 718; аммиак – R 717; углекислый газ – 744 и т.д.
Таблица 3.1. Теплофизические параметры некоторых хладагентов
| № п/п | Химическое наименование | Обозначение | Химическая формула | Температура кипения t s, °С | Критическая температура t кр, °С | Критическое давление Р кр, МПа | Показатель адиабаты k |
| Вода | R 718 | H 2 O | 374,15 | 22,6 | 1,33 | ||
| Воздух | R 729 | - | -194,4 | 140,7 | 3,76 | 1,4 | |
| Аммиак | R 717 | NH 3 | -33,35 | 132,4 | 11,5 | 1,31 | |
| Диоксид углерода | R 744 | CO 2 | -78,3 (субл.) | 31,2 | 7,5 | 1,32 | |
| Фреон-11 | R 11 | CFCl 2 | 23,7 | 198,0 | 4,5 | 1,13 | |
| Фреон-12 | R 12 | CF 2 Cl 2 | -29,8 | 112,04 | 4,2 | 1,14 | |
| Фреон-13 | R 13 | CF 3 Cl | -81,5 | 28,78 | 3,9 | - | |
| Фреон-22 | R 22 | CHF 2 Cl | -40,8 | 96,0 | 5,0 | 1,16 | |
| Фреон-134а | R 134а | C 2 H 2 F 4 | -26,5 | 100,6 | 4,056 | - | |
| Пропан | R 290 | C 3 H 8 | -42,1 | 96,8 | 4,3 | 1,14 | |
| Этилен | R 1150 | C 2 H 4 | -103,9 | 9,5 | 5,2 | 1,24 |
Хладоны (фреоны) – это фтористые, хлористые производные насыщенных углеводородов. По международной системе принято обозначать исходные углеводороды цифрами:
1 – метановый ряд хладонов (метан – CH 4);
11 – этановый ряд (этан – C 2 H 6);
21 – пропановый ряд (пропан – C 3 H 8);
31 – бутановый ряд (бутан – C 4 H 10).
К цифре, обозначающей исходный углеводород, приписывается число атомов фтора в данном ХА. При отсутствии фтора – 0. Если есть атомы водорода, то у производных метана к 1-й цифре, а у производных этана, пропана и бутана ко 2-й цифре прибавляется число незамещенных атомов водорода. Остальные не занятые валентности – хлор. Число атомов хлора не указывается.
Например, метан CH 4 – R 50. Хладагенты его ряда:
R 12 (хладон 12) – CF 2 Cl 2 (дифтордихлорметан);
R 13 (хладон 13) – CF 3 Cl (трифтормонохлорметан);
R 22 (хладон 22) – CHF 2 Cl (дифтормонохлорметан) и т.д.
Этан С 2 H 6 – R 170. Хладагенты его ряда:
R 143 (хладон 143) – C 2 H 3 F 3 (трифторэтан);
R 134 (хладон 134) – CHF 2- CHF 2 (тетрафторэтан) и т.д.
3.1.4. Экологические проблемы применения хладонов
Как показали многие научные исследования, фреоны содержащие в составе моллекулы хлора (Cl), относятся к озоноразрушающим веществам. Сброс в атмосферу больших количеств таких фреонов ведет к разрушению озонового слоя земной атмосферы и образованию так называемых "озоновых дыр", что пагубно влияет на биосферу планеты.
Озоноразрушающая активность ХА оценивается потенциалом разрушения озона – ODP. По степени озоноразрушающей активности все ХА делят на 3 группы:
1-я – ХА с высокой озоноразрушающей способностью, ODP ³1,0. Это хлор-фтор-углеводороды (ХФУ). Международное обозначение – CFC. К таким ХА относятся хладоны R 11, R 12, R 13, R 113, R 502, R 503 и др. или иначе – CFC 11, CFC 12, CFC 13 и т.д;
2-я – ХА с низкой озоноразрушающей активностью, ODP <1,0. Это гидро-хлор-фтор-углеводороды (ГХФУ). Международное обозначение – HCFC. К ним относятся хладоны R 21, R 22, R 141в, R 142в, R 123, R 124 и др. или иначе HCFC 21, HCFC 22, HCFC 141в и т.д;
3-я – озонобезопасные ХА, без хлора, ODP =0. Это соединения типа FC, HFC, HC и др. К ним относятся хладоны R 134, R 134a, R 152a, R 143, R 125, R 32, R 23, R 218, R 116, R 717 и др.
В соответствии с Монреальским Протоколом международного соглашения, подписанного Россией, с 1 января 1996г. запрещено производство и использование фреонов группы CFC, т.е. ХА с высокой озоноразрушающей способностью, ODP ³1,0.
Для ХА группы HCFC установлен переходный период до 2020 г. с ограничением использования. С 2020 г. – полный запрет на использование этих веществ.
Выяснилось, что помимо озоноразрушающей способности хладоны несут еще и не менее опасный парниковый эффект. Этот эффект оценивается потенциалом глобального потепления– GWP.
В настоящее время в развитии холодильной техники наметились два направления:
а) перевод существующего оборудования на применение альтернативных рабочих веществ;
б) разработка нового оборудования с использованием озонобезопасных хладагентов.
3.1.5. Требования к альтернативным рабочим веществам:
Экологические – низкие ODP и GWP, не токсичность, не горючесть;
Термодинамические – близость к заменяемым ХА;
Эксплуатационные – термодинамическая стабильность, совместимость с маслами, взаиморастворимость;
Экономические – доступность, низкая цена.
Альтернативными хладагентами могут быть, как чистые вещества, так и смеси. Пока отдается предпочтение чистым веществам.
Например, вместо R 12 используется близкий по свойствам R 134а. Но у этого ХА есть несколько недостатков:
-при t 0 <-15°C меньше удельные холодопроизводительности q 0 и q v и, как следствие, меньше холодильный коэффициент цикла (примерно на 10%);
-необходимы дорогие полиэфирные масла на пентаэтритовой основе (например, отечественное – ХС22);
-высокое значение потенциала глобального потепления – GWP.
В перспективе ожидается переход на смеси – азеатропные, квазиазеатропные, зеатропные.
Неизотермичность кипения (глайд) у квазиазеатропных веществ составляет примерно 0,5-1 К, у зеатропных (неазеатропных) – 6-10 К.
Наиболее перспективным претендентом на роль альтернативы R 22 в выпускаемом холодильном оборудовании следует считать хладагент R 407С. Использование R 407С не потребует внесения существенных изменений в конструкцию холодильной установки, за исключением фильтров и предохранительных клапанов. Но не следует забывать, что совместимые с R 407С полиэфирные масла чрезвычайно гигроскопичны. Это обстоятельство предъявляет жесткие требования к технологии сборки холодильной машины. Кроме того, для R 407С характерны очень низкие (на 25-30% ниже, чем для R 22) значения коэффициента теплопередачи. Поэтому теплообменные аппараты холодильных установок на R 407С окажутся более металлоемкими.
Так как масса теплообменников составляет 70-80% массы холодильной установки, а металл имеет высокий энергетический эквивалент (@1270 кг у.т./т), этот фактор может иметь принципиальное значение при оценке эколого-энергетических перспектив перехода оборудования на какой-либо хладагент.
3.1.6. Характеристики некоторых ХА
Аммиак – NH 3 (R 717)
По своим термодинамическим свойствам это один из лучших холодильных агентов. Широко применяется в компрессионных (главным образом в поршневых и винтовых) холодильных машинах и абсорбционных холодильных установках. Такие ХМ используются в пищевой промышленности, на льдозаводах, искусственных катках, крупных холодильниках, на рыболовецких траулерах и т.п. Для эксплуатации требуется опытный обслуживающий персонал.
Это бесцветный газ с удушливым запахом. Он легче воздуха, ядовит. Вызывает раздражение слизистой оболочки глаз и верхних дыхательных путей. Допустимая концентрация в воздухе – не более 0,02 мг/л, содержание в количестве 0,5-1% может привести к летальному исходу. Пожаро- и взрывоопасен. Горит при концентрации в воздухе более 11%, взрывается при содержании 16-26,8% (особенно аммиак опасен при 22%).
Аммиак хорошо растворяется в воде (700 объемов паров NH3 в 1 объеме H2O – нашатырный спирт). В масле растворяется мало, не меняет его вязкости. В нагнетательном трубопроводе необходимы маслоотделители.
Не действует на черные металлы, алюминий. В присутствии воды разрушает цинк, медь и их сплавы (кроме фосфористой бронзы).
У аммиака высокий коэффициент теплоотдачи (почти как у воды), что позволяет использовать в качестве теплопередающих элементов обычные водопроводные трубы без оребрения.
Большое значение показателя адиабаты (k =1,31) приводит к высокой температуре нагнетания в компрессоре. Желательно водяное охлаждение компрессоров. Надо избегать перегрева паров аммиака на линии всасывания.
Аммиак сравнительно дешев, химически стоек, распространен повсеместно. Применяется везде, где токсичность и взрывоопасность не являются определяющими факторами.
Фреоны
Это бесцветные газы, без запаха, примерно в 4 раза тяжелее воздуха, безвредны. Пожаро- взрывобезопасны, но при контакте фреонов с открытым огнем происходит их разложение с образованием некоторого количества ядовитого газа фосгена. Поэтому, запрещено курить, пользоваться открытым огнем в помещениях, где есть фреоновые установки.
Фреоны, в большинстве, очень текучи, практически не растворяются в воде, хорошо растворяют масла, что облегчает организацию смазки компрессоров. Они являются растворителями органики, поэтому простая резина не пригодна для прокладок. Используется фторопласт, бензостойкая резина – севанит или паронит – материал из асбеста, каучука и наполнителей.
У большинства фреонов удельная массовая холодопроизводительность значительно ниже чем у аммиака. Это означает, что размеры и массы компрессоров, аппаратов, трубопроводов во фреоновых установках существенно выше чем в аммиачных (при одинаковых холодопроизводительностях). Но это дает и свои преимущества:
а) в малых (бытовых) ХМ это позволяет использовать компрессоры с приемлемыми КПД, более надежно регулировать холодопроиводительность;
б) в больших ХМ есть возможность быстрее переходить к многостпенчатым центробежным компрессорам, что дает значительные преимущества.
Значительный недостаток фреонов – низкие коэффициенты теплоотдачи при кипении и конденсации. Это требует больших поверхностей теплообмена. Поэтому в фреоновых теплообменниках, как правило, применяют оребренные теплообменные трубы. И так как фреоны нейтральны ко всем металлам, то их обычно делают из медных сплавов.
Однако у каждого хладона есть и свои особенности, которые необходимо учитывать при выборе рабочего тела для ХМ [3, 4].
3.1.7. Принцип выбора хладагентов
С точки зрения экономики желательно, чтобы ХА имел такие характеристики, которые бы обеспечили минимальный расход энергии на единицу холодопроизводительности. Однако анализ всех свойств ХА и опыт эксплуатации показал, что потребляемая мощность на единицу холодопроизводительности почти одинакова для всех распространенных хладагентов. Поэтому КПД и экономичность обычно не являются решающими факторами при выборе ХА. Более важными являются свойства, которые позволяют уменьшить массу, размеры и начальную стоимость холодильного оборудования, упростить автоматизацию и обслуживание.
Существенный фактор – стоимость и наличие самого хладагента, требования к безопасности.
Дата добавления: 2015-12-07; просмотров: 86 | Нарушение авторских прав