Файл: 5. получение искусственного холода.pdf

Область применения СХМ — бытовые холодильники и кондиционеры, автомобильный транспорт, выбрасывающий в окружающую среду большое количество теплоты на уровне температур выше 70 °С.
В бытовых холодильниках и кондиционерах может быть использована энергия солнечного излучения, полученная с помощью солнечных коллекторов. СХМ, установленные на холодильниках агропромышленного комплекса и торговли, позволяют дополнительно вырабатывать холод за счет использования теплоты перегрева паров хладагента и теплоты охлаждающего масла винтовых компрессоров. Холодопроизводительность СХМ составляет порядка 1 кВт.
Пароэжекторные холодильные машины
Пароэжекторные холодильные машины относятся к группе теплоиспользующих. В них осуществляются одновременно два цикла: прямой (силовой), в котором теплота превращается в механическую работу, и обратный (холодильный), в котором эта механическая работа используется для получения холода. В качестве рабочих тел в пароэжекторных холодильных машинах могут быть использованы вода, аммиак и хладоны. Однако практически применяют чаще всего пароводяные эжекторные холодильные машины, в которых рабочим телом и одновременно хладоносителем служит вода.
Пароводяные эжекторные холодильные машины работают при температуре кипения выше 0
°С. В них охлаждают воду для установок кондиционирования воздуха и производственно- технологических нужд. Холодильный цикл протекает при давлении ниже атмосферного, температура кипения рабочей воды обычно 2 - 15 °С, что соответствует остаточному давлению в испарителе 700 — 1700 Па. Показатель µ современных пароэжекторных холодильных машин в зависимости от условий работы и конструкции составляет 0,14 — 0,18.
Машины обычно выполняют в виде агрегатов, включающих теплообменные аппараты, эжекторы и внутримашинный трубопровод с запорной, регулирующей и защитной арматурами.
Агрегатированные пароэжекторные холодильные машины имеют холодопроизводительность от
200 до 2000 кВт.
3. ХОЛОДИЛЬНЫЕ АГЕНТЫ
Как уже было сказано, какой-либо термодинамический процесс или цикл совершается с помощью холодильного агента (рабочего тела).
При нормативном атмосферном давлении 0,1 МПа холодильный агент должен иметь достаточно низкую температуру кипения, чтобы при работе холодильной машины не было разрежения в испарителе. Например, для аммиака NН
3
температура кипения при давлении 0,1
МПа составляет -33,4°С.
Требования к холодильным агентам (хладагентам) делятся на четыре группы: термоди- намические, физико-химические, физиологические и экологические, экономические.
Многообразие требований, предъявляемых к хладагентам, приводит к тому, что найти универсальное вещество, отвечающее всем требованиям, невозможно, поэтому хладагент в разных случаях выбирают с учетом назначения, условий работы и конструктивных особенностей холодильной машины.
Термодинамические требования
1. Объемная холодопроизводительность q
V
хладагента должна быть большой, так как при больших q
V
значительно уменьшаются размеры и масса компрессора вследствие малых объемов циркулирующего хладагента. Но это требование при выборе хладагента не является решающим, так как с увеличением растет разность давлений в холодильной машине, что также весьма нежелательно.
2. Давление хладагента в конце сжатия не должно быть слишком высоким, так как высокие давления приводят к усложнению конструкции машины, делают ее небезопасной.
3. Давление кипения хладагента желательно иметь выше атмосферного, так как при вакууме в систему может засасываться воздух, который отрицательно влияет на работу холодильной ма- шины.

4. Отношение давлений Р
К
/Р
0
должно быть небольшим, так как с уменьшением значений
Р
К
/Р
0
уменьшается затрачиваемая работа и габариты компрессора, увеличивается его КПД.
5. Теплота парообразования должна быть большой, так как чем она больше, тем меньшая масса хладагента должна циркулировать для создания необходимой холодопроизводительности.
6. Температура затвердевания хладагента должна быть низкой, а критическая температура — высокой, так как первая ограничивает возможность достижения низких температур, а при неболь- ших значениях второй уменьшается холодильный коэффициент.
7. Плотность и вязкость хладагента должны быть небольшими для сокращения гидравлических потерь в трубопроводах и клапанах. Кроме того, с уменьшением вязкости увеличиваются коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи, что уменьшает расход металла на теплообменные аппараты.
Физико-химические требования
1. Желательно, чтобы хладагенты растворялись в воде во избежание образования ледяных пробок в дроссельных устройствах и нарушения работы системы. Кроме того, свободная вода способствует коррозии металла.
2. Важное свойство хладагентов — растворимость их в масле. Если хладагент не растворяется в масле, то оно легко отделяется от хладагента, который кипит при t = const независимо от количе- ства масла в системе. Но на стенках теплообменных аппаратов образуется масляная пленка, ухудшающая теплопередачу, что является недостатком таких хладагентов.
Если хладагент растворяется в масле, то слой масла с теплопередающих поверхностей смывается почти полностью, это улучшает теплопередачу. Однако его трудно удалить из испарителя, что повышает температуру кипения при увеличении концентрации масла и может значительно ухудшить работу машины.
З. Хладагенты должны быть нейтральными к металлам (даже в присутствии влаги) и прокладочным материалам.
4. Они не должны быть горючими и взрывоопасными.
5. Хладагенты должны иметь легкий запах, цвет или другие Свойства, позволяющие легко обнаружить утечку.
6. Они не должны разлагаться при высоких температурах.
Физиологические и экологические требования
Хладагенты не должны быть ядовитыми, не должны вызывать удушья и раздражения слизистых оболочек глаз, носа и дыхательных путей человека. Не должны отрицательно влиять на окружающую среду.
Экономические требования
Хладагенты должны быть дешевыми и недефицитными.
Группы и обозначения хладагентов
Все хладагенты делятся на индивидуальные вещества и смеси.
Среди индивидуальных веществ различают:
- химические элементы — кислород О
2
, водород Н
2
, гелий Не, позволяющие достичь очень низких температур, поэтому их называют криогенными хладагентами;
- неорганические соединения: вода Н
2 0, диоксид углерода (углекислый газ) С0 2
и аммиак NH
3
;
- органические соединения, подразделяющиеся на три категории хладагентов, обозначаемые аббревиатурой, уточняющей воздействие хладагента на окружающую среду:
1)
CFC - чрезвычайно вредные для окружающей среды, поскольку их молекулы содержат атомы хлора, например R12 ( CF
2
C1 2
);
2)
HCFC - менее вредные для окружающей среды, так как их молекулы содержат меньшее, чем CFC, число атомов хлора, поскольку часть их замещена атомами водорода. Например, R22 —
CHF
2
C1;

3)
HFC - безопасные для окружающей среды хладагенты будущего, так как их молекулы не содержат атомов хлора. Например, R134a — C
2
H
2
F
4
Смеси хладагентов делятся на две группы:
- зеотропные или неазеотропные, состав которых в условиях термодинамического равновесия для жидкой и паровой фаз неодинаков, поэтому при постоянном давлении их температура меняется в ходе процессов кипения или конденсации. Этим смесям присвоена серия 400 с произвольным номером для каждого хладагента внутри серии;
- азеотропные смеси, состав которых в условиях термодинамического равновесия одинаков, и поэтому температуры кипения и конденсации при постоянных давлениях остаются постоянными, как и для индивидуальных веществ. Азеотропные смеси обозначают серией 500, с произвольным номером для каждого хладагента внутри серии, например хладагент R502 состоит из 48,8 % R22 и
51,2% R115.
Основными холодильными агентами являются вода, аммиак, хладоны и воздух.
Воду применяют главным образом в установках кондиционирования воздуха, где обычно температура теплоносителя t
Н
> 0 °С. В качестве холодильного агента воду используют в установках абсорбционного и эжекторного типов.
Аммиак имеет малый удельный объем при температуре кипения -70 °С, большую теплоту парообразования, слабую растворимость в масле и другие преимущества. Его применяют в поршневых компрессионных и абсорбционных установках. К недостаткам аммиака следует отнести ядовитость, горючесть, взрывоопасность при концентрациях в воздухе 16 - 26,8 %.
Хладоны (фреоны) химически инертны, мало- или невзрывоопасны.
Хладоны — галоидопроизводные предельных углеводородов, получаемые путем замены атомов водорода в насыщенном углеводороде С
n
H
2n+2
атомами фтора, хлора, брома (С
n
Н
Х
, F
Y
, С1
Z
,
Вг
U
).
Обозначение и характеристики хладагентов
Любой холодильный агент обозначается символами RN, где R — символ, указывающий на вид холодильного агента, N — номер хладона или присвоенный номер для других холодильных агентов.
Для хладонов номер расшифровывается следующим образом.
Первая цифра в двузначном номере или первые две цифры в трехзначном обозначают насыщенный углеводород С
n
H
2n+2
, на базе которого получен хладон: 1 — СН4 (метан); 11 — С
2
Н
6
(этан); 21 — С
3
Н
8
(пропан); 31 — С
4
Н
10
(бутан).
Справа указывают число атомов фтора в хладоне: СFС
3
— R11, СF
2
Cl
2
— R12, С
3
F
4
Cl
4
—
R214, ССl
4
— R10.
При наличии в хладоне незамещенных атомов водорода их число добавляют к числу десятков номера: СHFCl
2
— R21, СHF
2
Cl — R22.
Если в состав хладона входят атомы брома, после основного номера пишут букву В, а за ней число атомов брома: СF
2
Вr
2
— R12В2.
В качестве рабочих тел могут использоваться азеотропные смеси, составляемые из двух холодильных агентов. Например, азеотропную смесь, состоящую из 48,8 % R22 по массе и 51,2 %
R115 (С
2
F
5
Cl), называют хладоном R502, его температура кипения при давлении 0,1 МПа -45,6 °С.
В обозначениях смесей холодильных агентов указывают названия составляющих и их массовые доли. Хладон R502 можно обозначить R22/R115 (48,8/51,2). Цифрами, начиная с 500, условно обозначают азеотропные смеси, процентный состав которых в процессе кипения и конденсации практически не изменяется.
Холодильным агентам неорганического происхождения (аммиак, вода) присваивают номера, равные их молекулярной массе, увеличенной на 700. Так, аммиак и воду обозначают соответственно R717и R718.
Холодильный агент должен обладать определенными теплофизическими и физико- химическими свойствами, от которых зависят конструкция холодильной машины и расход энергии.

К теплофизическим свойствам относятся вязкость μ, теплопроводность λ, плотность
ρ
и др.
Они, как и теплота парообразования r, оказывают влияние на коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации. Большим значениям λ,
ρ
, r и малой вязкости соответствуют большие значения коэффициентов теплоотдачи.
На гидравлическое сопротивление при циркуляции холодильного агента в системе влияют μ и
ρ
: чем они больше, тем больше сопротивление. Количество циркулирующего в системе холодильного агента уменьшается с ростом теплоты парообразования.
К физико-химическим свойствам относятся растворимость холодильных агентов в смазочных маслах и воде, инертность к металлам, взрывоопасность и воспламеняемость.
При ограниченной растворимости холодильных агентов в масле в жидкой фазе смеси наблюдаются два слоя, из которых в одном преобладает масло, в другом — холодильный агент. К холодильным агентам с ограниченной растворимостью относятся аммиак R717, диоксид углерода
R44 и ограниченно растворимые хладоны R13, R14, R115.
К холодильным агентам с неограниченной растворимостью относятся R11, R12, R21, R40. В этом случае для смеси хладона и масла требуется поддержание более низкого давления кипения, поэтому на сжатие пара затрачивается излишняя работа.
Хладоны R22 и R114 составляют промежуточную группу.
Аммиак неограниченно растворяет воду. При небольшом количестве воды работа холодильной машины заметно не нарушается. Хладоны почти не растворяют воду.
Избыточная влага в хладоне при прохождении через дроссель превращается в лед (если t
0
< 0
°С) и «запаивает» дроссельное отверстие. По этой причине холодильные машины имеют специальные осушительные устройства.
Хладоны при отсутствии влаги в области применяемых в холодильной технике температур на металлы не действуют.
Аммиак не оказывает коррозирующего действия на сталь. В присутствии воды он разъедает медь, цинк, бронзу и другие медные сплавы, за исключением фосфористой бронзы. Хладоны R11,
R12, R13, R22 невзрывоопасны.
Хладоны с большим содержанием атомов фтора или полностью фторированные (R13, R113) практически безвредны для человека. Хладон R12 на открытом пламени разлагается, и в продуктах его разложения содержатся ядовитый фосген и вредные для человека фтористый и хлористый водород.
Рассмотрим область применения холодильных агентов. Аммиак (R717), хладоны R12 и R22 используют в компрессионных холодильных машинах для получения температур кипения от -30 до -40 °С без вакуума в системе охлаждения. Хладон R12 применяют в одноступенчатых холодильных машинах с температурой конденсации не более 75 °С и температурой кипения не ниже -30 °С, в бытовых холодильниках, кондиционерах, водоохлаждающих холодильных машинах. Хладон R22 используют в машинах с поршневыми и винтовыми компрессорами одно- и двухступенчатого сжатия, а также в бытовых холодильных машинах. Диапазон температур кипения от +10 до -70 °С при температуре конденсации не выше 50 °С. Одноступенчатое сжатие рекомендуется применять до температур кипения не ниже -35 °С.
Холодильный агент R502 применяют в низкотемпературных одноступенчатых холодильных машинах при температуре конденсации до 50 °С, кипения до -45 °С.
Широкое распространение получили появившиеся в 1930-е годы галогенизированные хладагенты R12, R22 и др. Только в России в начале 1990-х годов работало более 50 млн бытовых холодильников и сотни тысяч единиц промышленного, торгового и других видов холодильного оборудования, в которых использовались эти хладоны.
Однако в ходе исследований «озоновых дыр» (значительного уменьшения содержания озона на высоте 20 — 25 км в земной атмосфере) было установлено, что промышленные и бытовые отходы, содержащие атомы хлора, в том числе хладоны, достигая атмосферы, высвобождают хлор, который участвует в разрушении озонового слоя. Известно, что озоновый экран (среднее содержание озона в атмосфере 0,001%) защищает поверхность Земли от избыточных ультрафиолетовых лучей, большая доза которых способна уничтожить все живое. Поэтому
Международной конвенцией в Вене в 1985 г., Протоколом в Монреале в 1987 г. и последующими протоколами с участием представителей крупнейших стран мира были приняты решения о

прекращении к 2000 г. производства и использования озоноопасных хладонов, в первую очередь
R11, R12, R113, R114, R115. Хладагенты R22, R123, R124, R141 и R142 разрешены в качестве переходных для замены запрещаемых. Но и они должны быть исключены из использования к 2040 г., а по возможности и раньше (к 2020 г.)
Взамен вышеперечисленных хладонов предлагаются гидрофтор углеводороды (ГФУ) и гидрохлорфторуглеводороды (ГХФУ), которые благодаря содержанию водорода разлагаются гораздо быстрее, чем хлорфторуглеводороды, в нижних слоях атмосферы, не достигая озонового слоя. На мировом рынке такие озонобезопасные хладоны предлагает, например, фирма «Дюпон»
(США) под торговой маркой «СУВА». «Дюпон» поставляет на рынок хладагент НР62 (R404а), имеющий при давлении 0,1 МПа температуру кипения порядка -46 °С, гидрофторуглеводород
R134а (СH
2
FCF
3
) и др. В России также освоен выпуск R134а. Он может полностью заменить R12, хотя при его использовании несколько снижаются удельная холодоgроизводительность установки
(92% от удельной холодопроизводительности R12), холодильный коэффициент (98 % по сравнению с R12), увеличивается соотношение давлений конденсации и кипения (123%, если принять это соотношение для R12 равным 100 %). Для R134а подобраны и синтетические масла
(ХС-22, ХФС-134). Температура кипения R134а при давлении 0,1 МПа составляет -26,5 °С. В выпускаемых в России холодильниках и морозильниках «Стинол» (г. Липецк) используется преимущественно R134а.
Разработаны заменители и для других хладонов. Так, альтернативным для R22 может быть
R407С или R290. Холодильный агент R407С представляет собой смесь R32/125/134а в соотношениях 23/25/52%. Хладон R502 может быть заменен на R125 (СHF
2
CF
3
), имеющий температуру кипения -48,5 °С. Для низкотемпературных машин (каскадных) может быть рекомендован озонобезопасный R23.
Расширяется использование аммиака, не влияющего на окружающую среду. Аммиак в два раза легче воздуха и при утечке быстро поднимается в атмосферу, где разлагается в течение нескольких дней. При выбросе жидкий аммиак немедленно испаряется. Но следует иметь в виду, что он ядовит, горюч и взрывоопасен. Если ранее аммиак использовали преимущественно в крупных по холодопроизводительности холодильных машинах, то теперь промышленность осваивает конструкции средних и малых аммиачных компрессоров и холодильного оборудования на их основе.
4. ХЛАДОНОСИТЕЛИ
Хладоносители — это вещества, с помощью которых теплота отводится от охлаждаемых объектов и передается хладагенту. В холодильной технике хладоносители применяют в установках, где непосредственное охлаждение с помощью хладагента нежелательно или практически невозможно.
Хладоносители являются промежуточным веществом между источником холода и объектом охлаждения. Они подразделяются на жидкие и твердые.
К жидким хладоносителям относятся водные растворы солей — рассолы и однокомпонентные вещества, замерзающие при низких температурах (этиленгликоль, кремний органическая жидкость). Применяют водные растворы солей NС1, MgCl
2
, СаСl
2
, температура замерзания которых до известного предела (состояния криогидратной точки) зависит от концентрации рассола. Для раствора NаС1 криогидратная точка -21,2 °С, для MgCl
2
(-33,6°С), для
СаСl
2
(-55°С). Этиленгликоль в зависимости от концентрации в воде может иметь температуру замерзания от 0 °С (вода) до -67,2 °С при концентрации 70 % по объему.
Твердые хладоносители — это эвтектический лед, образующийся при криогидратной температуре, представляющий собой смесь льда и соли и имеющий постоянную температуру плавления.
Хладоносители должны иметь: низкую температуру замерзания t
3
; большие теплоемкость и теплопроводность; малые вязкость и плотность. Кроме того, они должны быть химически нейтральными по отношению к металлам и прокладочным материалам, безвредны и безопасны, а также иметь невысокую стоимость.