Диаграммы холодильных агентов

Искусственное охлаждение в паровых холодильных машинах основано на процессе кипения холодильных агентов при низких температурах, в результате чего они переходят из жидкого состояния в пар, поглощая определенное количество теплоты. Чтобы процесс искусственного охлаждения был замкнутым и повторяющимся, пар холодильного агента сжимается, а затем конденсируется путем охлаждения. Таким образом, в холодильной машине происходят два процесса фазового перехода хладагента: из жидкости в пар — кипение и из пара в жидкость — конденсация. Эти процессы и составляют суть работы паровой компрессионной машины.

Изучение отдельных процессов, входящих в цикл паровой компрессионной машины, а также связи между ними, их взаимного влияния друг на друга может быть упрощено при использовании термодинамических диаграмм холодильных агентов. Умение пользоваться диаграммами необходимо также для контроля и анализа параметров действующих холодильных установок;

Рисунок 7.1 – Диаграмма i – lgP для аммиака.

Рисунок 7.2 - Диаграмма i – lgP для фреона-22.

настройки приборов автоматического контроля и регулирования; расчета и подбора холодильного оборудования при реконструкции и расширении действующих установок.

Для каждого холодильного агента существуют свои диаграммы, но принцип их построения и пользования ими одинаков. На рисунках 7.1 и 7.2 приведены диаграммы для аммиака и хладона R-22. Наиболее часто применяемыми являются диаграмма энтальпия-давление (l — lgP диаграмма) и диаграмма энтропия-температура (S — T диаграмма), из которых диаграмма энтальпия-давление наиболее удобна, и именно она будет рассматриваться в дальнейшем.

На рисунке 7.3а показано, что диаграмма разделена на три зоны, отделенные друг от друга кривыми насыщенной жидкости и насыщенного пара.

Зона переохлажденной жидкости означает, что в любой точке этой зоны хладагент находится в жидком состоянии при температуре ниже температуры насыщения при соответствующем давлении.

Зона влажного пара соответствует процессам перехода из жидкости в пар или из пара в жидкость. В любом случае хладагент представлен в виде парожидкостной смеси, называемой влажным паром. Таким образом, влажный пар — это смесь насыщенной жидкости и насыщенного пара, которая находится либо в состоянии кипения, либо в состоянии конденсации. Температура смеси насыщенных пара и жидкости одинакова и называется температурой насыщения при определенном давлении насыщения.

Фазовый переход от жидкости к пару на диаграмме проходит слева направо, а из пара в жидкость - справа налево. Содержание (долю) пара в парожидкостной смеси отражают линии постоянного паросодержания х. Они показывают массовую долю пара в парожидкостной смеси в долях единицы (рис. 3-б). На линии насыщенной жидкости паросодержание х = 0, на линии насыщенного пара х = 1, в области влажного пара 1>x>0.

Зона перегретого пара отражает состояние пара, температура которого выше температуры насыщения при соответствующем Р.

На пограничных кривых, насыщенных жидкости или пара хладагент имеет параметры насыщения, но при этом представляет собой уже однородную фазу, т. е. либо жидкость, либо пар.

При эксплуатации очень важно отличать по показаниям контрольно-измерительных приборов переохлажденную жидкость от насыщенной, а перегретый пар — от влажного или насыщенного пара, так как от этого зависят эффективность и безопасность работы установки. При одном и том же P насыщенная жидкость, влажный пар и насыщенный пар имеют одинаковую t, переохлажденная жидкость — более низкую, а перегретый пар — более высокую t. Таким образом, показания манометров при всех перечисленных состояниях будут одинаковые, а термометров — разные [1-3, 9-13, 18, 24, 25].

Диаграмма энтальпия-давление отражает шесть параметров холодильного агента, которые изображены в виде различных линий (рис. 7.3 б). Цифровые значения основных параметров даны в удельных величинах, т. е. отнесенные к 1 кг хладагента, и проставлены на поле диаграммы над соответствующими кривыми.

Линии постоянных паросодержаний проходят только в области влажного пара. Паросодержание обозначается символом х.

Рисунок 7.3 – Изображение в диаграмме i-lgP параметров холодильных агентов: а – три зоны фазового перехода, линии насыщения; б – кривые основных параметров.

Линии постоянных давлений изобары проходят через все зоны горизонтально. Логарифмический масштаб в изображении изобар применен из-за неравномерности шкалы давлений в области вакуума и избыточного давления. Величина абсолютного давления в Па•10⁵ или в МПа, проставленная на вертикальной шкале слева диаграммы, обозначается символом Р.

Линии постоянных температур — изотермы — в области переохлаждения проходят почти вертикально, в области влажного пара — горизонтально. Здесь изотермы совпадают с изобарами, так как фазовое состояние хладагент меняет при постоянных значениях t и Р. В зоне перегретого пара изотермы идут наклонно вниз. Значения t в °С расположены рядом с кривыми постоянной температуры в зонах переохлаждения и перегрева, а также на кривых насыщенной жидкости и пара.

Линии постоянных удельных энтальпий (постоянных теплосодержаний) проходят вертикально. Удельной энтальпией называют полную энергию 1 кг рабочего тела, равную сумме удельной внутренней энергии и потенциальной энергии давления. Важно отметить, что в термодинамическом процессе при постоянном Р изменение удельной энтальпии равно удельному количеству подведенной теплоты. Это положение является основой тепловых расчетов холодильного оборудования. Значения удельной энтальпии в кДж/кг проставлены на горизонтальной шкале внизу и вверху диаграммы и обозначены символом i.

Линии постоянных удельных объемов — изохоры — обозначены прерывистыми кривыми, проходящими в областях влажного и перегретого пара. В области жидкости изохоры не нанесены из-за слишком малого объема жидкости по сравнению с объемом пара, что трудно показать в масштабе диаграммы. Поэтому удельный объем жидкого хладагента по диаграмме не определяется. Его можно определить по таблице насыщенных паров хладагента. Значения удельных объемов в м³/кг проставлены в зонах влажного и перегретого пара над соответствующими кривыми и обозначены символом v.
Линии постоянных удельных энтропии - адиабаты - проходят через поле диаграммы по диагонали. Энтропия — функция состояния термодинамической системы, характеризующая направление протекания процесса теплообмена между системой и внешней средой. Значение энтропии в кДж/(кг·К) приведены над соответствующими кривыми и обозначены символом S.

Каждой точке на поле диаграммы соответствует состояние хладагента со строго определенными параметрами. Если две точки соединить линией, то она укажет на характер процесса, протекающего между двумя состояниями. В некоторых диаграммах холодильных агентов средняя часть диаграммы в области влажного пара может быть опущена, так как параметры хладагентов в этой зоне не представляют интереса для анализа и расчетов холодильных установок.

Основные холодильные агенты

Одним из первых рабочих тел в ХМ была вода (R718), область применения которой в настоящее время ограничивается пароструйными агрегатами. Затем стали применять аммиак (R717) (1874), сернистый ангидрид (R764) (1874) – SO2, углекислоту (R744) (1881) – СО2, хлористый метил (1878) – СН3Сl, с 30-х годов XX века – фреоны – фтористые и хлористые производные углеводородов. При этом исходные углеводороды – метан СН4 (R50) и этан С2Н6 (R170). В настоящее время применяют фреоны R11 (CFCl3), R12 (CF2Cl2), R13 (CF3Cl), R22 (CHF2Cl), R113 (C2F3Cl3), R142 (C2H3F2Cl), R134 (C2H2F4). Сокращенные обозначения: для ряда метана первая цифра -1, для этанового – 11, а затем цифра, выражающая число атомов фтора, а при наличии незамещенных атомов водорода для метанового ряда к первой цифре, а для этанового ряда ко второй цифре прибавляют число атомов водорода.

Для анализа экологической целесообразности применения хладагентов используют следующие параметры: Потенциал разрушения озона ODP (Ozon Depletion Potential). Определяется наличием атомов хлора в молекуле хладагента и принят за единицу для R11 и R12.

Для хладагентов группы хлорфторуглеродов (ХФУ) ODP ≥ 1, для гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ) ODP < 1; а для гидрофторуглеродов ODP = 0.

Потенциал глобального потепления GWP (Global warming potential). Принят за единицу для диоксида углерода СО₂ с временным горизонтом 100 лет.

Хладагент R717 (аммиак). Бесцветный газ с резким запахом, обладает хорошими термодинамическими свойствами: tкип = -33,4 0С, tкр = 132,4 ⁰С, pкр = 11,29 МПа. Давление в конденсаторе 0,8-1,3 МПа, температура 30 ⁰С, tплавл = -77,7 ⁰С. Относительно большая объемная холодопроизводительность, поэтому компрессор компактный. Почти нерастворим в масле, хорошо поглощается водой, с черным металлами (чугун, сталь) в реакции не вступает, но разъедает в присутствии влаги цинк, медь и ее сплавы (за исключением фосфористой бронзы). При утечках NH3 легко обнаружить по запаху. Вреден для организма, раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. При содержании более 1% по объему воздуха приводит к отравлению. Предельно допустимая норма в производственном помещении 0,02 мг/л. Аммиак горюч (в воздухе плохо, а в кислороде хорошо). При наличии открытого огня и содержании в воздухе 13,1 – 26,8% (объемно) – возможен взрыв. Газообразный аммиак легче воздуха, жидкий – электропроводник. Аммиак – доступный, дешевый ХА, применяется в средних и крупных поршневых машинах. Требует строгого соблюдения правил техники безопасности. В мелких машинах не применяется вследствие его ядовитости и взрывоопасности.

Хладагент R12 (CCl2F2). Дифторхлорметан относится к группе ХФУ (хлорфторуглеродов CFC). Характеризуется высоким потенциалом разрушения озона (ODP = 1) и большим потенциалом глобального потепления (GWP = 8500). Бесцветный газ со специфическим запахом, в 4,18 раза тяжелее воздуха. При объемной доле в воздухе 30 % наступает удушье из-за недостатка кислорода. Предельно допускаемая концентрация (ПДК) R12, в частности при длительности воздействия 2 ч, соответствует объемной доле его 38,5…30,4 %. Невзрывоопасен, но при t > 330 °C разлагается с образованием хлорида водорода, фтористого водорода и следов отравляющего газа – фосгена. Неограниченно растворяется в масле, не проводит электрический ток и слабо растворяется в воде. Объемная доля влаги в R12 для бытовых холодильников не должна превышать 0,0004 %. Обезвоженный R12 нейтрален ко всем металлам. Характеризуется повышенной текучестью, что способствует проникновению его через мельчайшие неплотности и даже через поры обычного чугуна. В то же время благодаря повышенной текучести R12 холодильные масла проникают во все трущиеся детали, снижая их износ. Поскольку R12 хороший растворитель многих органических веществ, при изготовлении прокладок применяют специальную резину – севанит или паронит. В холодильной технике R12 широко применялся для получения средних температур.

Хладагент R22 (CHClF2). Дифторхлорметан относится к группе ГХФУ (гидрохлорфторуглеродов HCFC). Имеет низкий потенциал разрушения озона (ODP = 0,05), невысокий потенциал парникового эффекта (GWP = 1700), т.е. экологические свойства R22 значительно лучше, чем у R12. Это бесцветный газ со слабым запахом хлороформа, более ядовит, чем R12, невзрывоопасен и негорюч. По сравнению с R12 хладагент R22 хуже растворяется в масле, но легко проникает через неплотности и нейтрален к металлам. Для R22 холодильной промышленностью выпускаются холодильные масла хорошего качества. При температуре выше 330 °С в присутствии металлов R22 разлагается, образуя те же вещества, что и R12. Хладагент R22 слабо растворяется в воде, объемная доля влаги в нём не должна превышать 0,0025 %. Коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации на 25…30 % выше, чем у R12, однако R22 имеет более высокие давление конденсации и температуру нагнетания (в холодильных машинах). ПДК R22 в воздухе – 3000 мг/м3 при длительности действия 1 ч. Этот хладагент широко применяют для получения низких температур в холодильных компрессионных установках, в системах кондиционирования и тепловых насосах. В холодильных установках, работающих на R22, необходимо использовать минеральные или алкилбензольные масла. Нельзя смешивать R22 с R12 – образуется азеотропная смесь.

Хладагент R134a (CF3CFH2). Молекула тетрафторэтана R134а имеет меньшие размеры, чем молекула R12, что повышает опасность утечек. Относится к группе ГФУ (HFC). Потенциал разрушения озона ODP = 0, потенциал глобального потепления GWP = 1300. Физические свойства R134a приведены в табл. 9, а характеристики на линии насыщения – в приложении 8. Хладагент R134a нетоксичен и не воспламеняется во всем диапазоне температур эксплуатации. Однако при попадании воздуха в систему и сжатии могут образовываться горючие смеси. Не следует смешивать R134a и R12, так как образуется азеотропная смесь высокого давления с массовыми долями компонентов 50 и 50 %. Давление насыщенного пара R134a несколько выше, чем у R12 (соответственно 1,16 и 1,08 МПа при 45 °С). Пар R134a разлагается под влиянием пламени с образованием отравляющих и раздражающих соединений, таких, как фтороводород. Имеет эксплуатационные характеристики, близкие к R12. Для R134a характерны небольшая температура нагнетания (в среднем на 8…10 °С ниже, чем для R12) и невысокие значения давления насыщенных паров.

Хладагент R600a (C4H10). Изобутан представляет собой природный газ, не разрушающий озоновый слой (ODP = 0) и не способствующий появлению парникового эффекта (GWP = 0,001). Масса хладагента, циркулирующего в холодильном агрегате при использовании изобутана, значительно сокращается (примерно на 30 %). Удельная масса изобутана в 2 раза больше удельной массы воздуха – газообразный R600a стелется по земле. Изобутан хорошо растворяется в минеральном масле, имеет более высокий, чем R12, холодильный коэффициент, что уменьшает энергопотребление. Изобутан горюч, легко воспламеняется и взрывоопасен, но только при соединении с воздухом при объемной доле хладагента 1,3…8,5 %. Нижняя граница взрывоопасности (1,3 %) соответствует 31 г R600a на 1 м3 воздуха; нижняя граница (8,5 %) – 205 г R600a на 1 м3 воздуха. Температура возгорания равна 460 °С. Холодильные агрегаты, работающие на R600a характеризуются меньшим уровнем шума из-за низкого давления в рабочем контуре, но требуют более производительные компрессоры (объемная холодопроизводительность R600a примерно в 2 раза меньше, чем у R12)[1-3, 9-13, 18, 24, 25].

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: