Классификация хладагентов по температурам и давлениям

Теоретические основы

Холодильной техники

 

 

Курс лекций

 

Омск 2006

 

УДК 621.56/.59 (075)

ББК 31.392 я73

М 17

 

Рецензенты:

Овчинников С.Г.,	канд. техн. наук, директор ООО НПФ «Экотерм»
Титов И.Е.,	канд. техн. наук, гл. инженер ООО НПФ «Экотерм»

 

Максименко В.А.

М 17 Теоретические основы холодильной техники: Курс лекций. – Омск:

Изд-во ОмГТУ, 2006. – с.

 

 

Курс лекций предназначен для помощи студентам очной, заочной и дистанционной формы обучения в усвоении теоретического материала по дисциплинам «Теоретические основы холодильной техники» по специальности 101500 «Вакуумная и компрессорная техника физических установок». Охватывает основные вопросы, предусмотренные рабочей программой дисциплины. 

 

 

УДК 621.56/.59 (075)

ББК 31.392 я73

Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского   государственного технического университета

 

 

Ó В.А. Максименко, 2006

Ó Омский государственный

технический университет, 2006

 

 

Раздел I

Лекция 1. Вводная лекция

Охлаждением называется процесс отвода теплоты или отдачи работы, который сопровождается понижением температуры и протекает с участием не менее двух тел: охлаждаемого и охлаждающего. В холодильной технике различают естественное и искусственное охлаждение. Естественное охлаждение осуществляется вследствие самопроизвольной передачи теплоты окружающей среде, имеющей более низкую температуру, чем охлаждаемое тело. Искусственный холод получают двумя способами. Первый способ основан на том, что колебания температуры окружающей среды в природных условиях создают возможность сохранять естественный холод в ограниченном пространстве. Наиболее распространенным телом, сохраняющим естественный холод, является водный лед. Его заготавливают зимой, чтобы в теплое время года использовать для охлаждения. Применяя смесь водного льда с солью, например, с хлористым кальцием, можно получить температуру до -55,0 °С. Второй способ составляет основу машинного охлаждения. Согласно второму закону термодинамики для получения холода необходимо затратить внешнюю работу. При этом теплота отводится от охлаждаемого источника и подводится к источнику окружающей среды. Охлаждаемый источник называют также источником низкой температуры.

Над созданием первых холодильных машин работали многие изобретатели, инженеры и ученые. Английский физик и химик Бойль и немецкий физик Герике в конце XVII в. установили, что вода в разряженном пространстве испаряется при низких температурах. Это помогло англичанину Лесли построить в 1810 г. первую искусственную ледоделку.

 На практике холодильные машины стали применять только тогда, когда вместо воды были найдены более эффективные рабочие вещества. В 1834 г. английский врач Перкинс построил холодильную машину, работающую на этиловом эфире. Машину Перкинса можно считать прообразом современной компрессорной холодильной машины, т.к. в нее входили все наиболее характерные для этих машин элементы.

В 1871 г. Телье построил машину, работающую на метиловом эфире.       В 1872 г. Бойлю был выдан патент на аммиачную холодильную машину.           В 1845 г. американец Горри изобрел газовую (воздушную) холодильную машину, работа которой была основана на том, что предварительно сжатый и охлажденный за счет окружающей среды воздух расширялся в специальной машине – детандере; при этом температура воздуха понижалась.

В 1862 г. Карре предложил абсорбционную холодильную машину, основанную на поглощении пара аммиака слабым водоаммиачным раствором.         В 1884 г. был запатентован принцип пароэжекторной холодильной машины. Первую пароэжекторную холодильную машину сконструировал Леблан в 1910 г.

Пельтье в 1834 г. открыл, что при.пропускании электрического тока через цепь, состоящую из двух проводников, один из спаев охлаждается, а другой нагревается.

При изучении курсов «теоретические основы холодильной техники» и «установки и системы холодильной техники» рассмотрены основы искусственного охлаждения, принцип действия компрессорных, абсорбционных и пароэжекторных холодильных машин, конструкций холодильных компрессоров и аппаратов. Описаны различные типы холодильников. Приведены расчет и подбор холодильного оборудования, рассмотрены вопросы кондиционирования воздуха.

В России в настоящее время производят холодильные машины всех типов. Над усовершенствованием существующих и созданием новых типов холодильных машин работают научно-исследовательские и учебные институты, конструкторские бюро и заводы.

Холодильные машины применяют в пищевой, мясомолочной промышленности и сельском хозяйстве для замораживания и хранения пищевых продуктов, в химической и нефтеперерабатывающей промышленности при производстве синтетических волокон, каучука, спирта и т. д.; для кондиционирования воздуха в цехах промышленных предприятий, в общественных и административных зданиях, в бытовых помещениях и пр.; в горной промышленности при проходке неустойчивых грунтов, в рефрижераторном транспорте; в металлургической промышленности для термической обработки сталей и т. д.; в радиотехнике; при испытаниях промышленных изделий и во многих других случаях.

В настоящее время преимущественно используют холодильные машины компрессорного типа. При наличии дешевых источников теплоты применяют теплоиспользующие машины. Термоэлектрические холодильные машины применяют в радиотехнике и в ряде специальных приборов.

 

Раздел II

Лекция 1. Охлаждение с помощью фазовых превращений

Охладить тело, т. е. отнять от него тепло, может только другое тело, температура которого ниже температуры охлаждаемого. Количество теплоты, которое отнимает охлаждающее тело от охлаждаемого тела или среды, характеризует его холодильный эффект, называемый холодопроизводительностью.

В качестве охлаждающих используют тела, с помощью которых совершаются физические процессы, протекающие при низких температурах со значительным поглощением теплоты, в частности процессы изменения агрегатного состояния тела. Для достижения низких температур применяют также процессы расширения с совершением внешней полезной работы, процесс дросселирования (эффект Джоуля—Томсона), вихревой эффект (эффект Ранка—Хильша), термоэлектрические процессы (эффект Пельтье).

Изменение агрегатного состояния тела протекает без изменения его температуры, т.к. поглощаемая (выделяемая) телом теплота расходуется на преодоление сил сцепления между молекулами. Для охлаждения используют процессы изменения агрегатного состояния тел, протекающие с поглощением теплоты:

плавление – переход твердых тел в жидкое состояние;

сублимация – переход твердых тел непосредственно в парообразное состояние; 

кипение – переход жидких тел в парообразное состояние. 

Наиболее доступным охлаждающим телом является водный лед, температура плавления которого 0 °С. Более низкую температуру плавления имеет эвтектический лед, представляющий собой замороженный раствор воды с солью, а также смеси раздробленного льда или снега с солью. Холодопроизводительность 1 кг льда соответствует теплоте плавления r = 335 кДж/кг. Более низкую температуру плавления имеет эвтектический лед, представляющий собой замороженный раствор воды с солью, а также смеси раздробленного льда или снега с солью. Снижение температуры плавления этих тел ниже 0 °С объясняется тем, что в них, кроме плавления, протекает еще процесс растворения соли в воде, сопровождаемый понижением температуры плавления смеси, наряду с этим уменьшается и теплота плавления.

Телом, имеющим низкую температуру и большую теплоту сублимации, является твердая углекислота (двуокись углерода СО₂), которую называют сухим льдом. При атмосферных условиях этот лед переходит из твердого состояния в газообразное (минуя жидкую фазу) при температуре – 78,9 °С. При этом 1 кг сухого льда поглощает около 575 кДж теплоты.

Лед и льдосоляные смеси, размещенные в заданной среде, охлаждают ее, поглощая теплоту при плавлении или сублимации.

В отдельных случаях для искусственного охлаждения применяют жидкости, имеющие очень низкую температуру кипения. К ним относят жидкий воздух (температура кипения -192 °С), жидкий кислород (-183 °С) и жидкий азот (-196 °С).

Способы охлаждения, основанные на использовании процессов изменения агрегатного состояния, имеют ряд недостатков. В частности, охлаждающие тела, воспринимая теплоту от охлаждаемой среды и изменяя свое агрегатное состояние, теряют охлаждающую способность. Поэтому непрерывное охлаждение возможно только при бесконечно большом запасе охлаждающего тела. Так, для непрерывного охлаждения камеры хранения продуктов можно применить лед, но по мере таяния его необходимо заменять на новый.

Однако непрерывное охлаждение можно обеспечить и при использовании одного и того же количества охлаждающего вещества, если после получения холодильного эффекта его вернуть в первоначальное состояние. Это осуществляется с помощью холодильных машин.

 

Лекция 2. Охлаждение путем расширения газа с отдачей внешней

Работы

При расширении сжатого газа (воздуха) и совершении им внешней работы за счет внутренней энергии температура газа понижается. Такое расширение сжатого газа осуществляется в поршневых расширителях или турборасширителях (детандерах). В этих машинах газ, толкая поршень или вращая решетку лопаток, расширяется, совершая работу против внешних сил, при этом внутренняя энергия и температура расширяемого газа уменьшаются. Внешнюю работу, получаемую при перемещении поршня или рабочего колеса детандера, можно использовать.

Наибольшего понижения температуры охлаждения воздуха можно достигнуть при адиабатическом расширении, которое протекает без теплообмена с окружающей средой при постоянной энтропии. В этом процессе работа расширения совершается только за счет внутренней энергии воздуха. Если воздух, сжатый до 9 МПа при температуре окружающей среды, адиабатически расширить до 0,1 МПа, то температура его понизится до -190 ºС

 

Лекция 3. Охлаждение путем дросселирования

Дросселированием называют снижение давления жидкости или газа без изменения энтальпии. Практически оно осуществляется при проходе жидкости или газа через суженное сечение (вентиль, кран, диафрагма и т. п.) из полости высокого в полость низкого давления (рис. 1). Этот процесс является и своеобразным процессом расширения тела, в котором уменьшается его внутренняя энергия. Однако в процессе дросселирования полезной работы не создается. Внутренняя энергия расходуется на преодоление трения при проходе жидкости или газа через суженное сечение.

 

Рис.1. Схема дросселирования

 

Следует подчеркнуть, что при дросселировании жидкости наблюдается большее парообразование, чем при адиабатическом расширении. Это вызвано тем, что работа сил трения превращается в теплоту и передается дросселируемой жидкости, т.к. процесс протекает быстро и теплообмен с окружающей средой практически отсутствует.

 

Лекция 4. Вихревой эффект

Этот эффект происходит в результате преобразования энергии сжатого воздуха в трубе специальной конструкции, называемой вихревой (рис. 2).

 

Рис. 2. Схема вихревой трубы

 

Воздух, сжатый и охлажденный до температуры окружающей среды, вводится в трубу 1 через сопло 3 по касательной к внутренней поверхности трубы. В трубе воздух совершает вращательное вихревое движение по отношению к оси трубы и перемещается от сопла 3 к тому концу трубы, где расположен вентиль 4.

Вначале угловая скорость вращения воздуха во внутренних слоях потока гораздо больше, чем в периферийных (наружных). По мере движения к вентилю 4 скорость вращения во внутренних слоях уменьшается, а кинетическая энергия их передается периферийным слоям. При этом наружные слои воздуха оказываются более нагретыми за счет кинетической энергии, переданной внутренними слоями вихревого потока. В результате внешние более теплые слои воздуха выходят из трубы 1 через вентиль 4 с температурой более высокой, чем температура, поступающего в трубу воздуха, а внутренние – противотоком проходят по центральной части трубы и выходят через диафрагму 2 холодными.

Воздух с низкой температурой используют для охлаждения, а с высокой – для нагревания. Вихревой эффект происходит без совершения внешней работы.

Исключительная простота и надежность вихревой трубы делают ее в некоторых случаях более предпочтительной, например, при периодической потребности в охлаждении на различных предприятиях при необходимости малой холодопроизводительности выгоднее применять простую и надежную вихревую трубу.

 

Лекция 5. Термоэлектрический эффект

Сущность этого способа охлаждения заключается в том, что под действием электрического тока, проходящего по цепи из двух разных проводников или полупроводников, на спаях появляются разные температуры. Если температура холодного спая окажется ниже окружающей среды, то его можно использовать как охладитель. Значительная разность между температурами на спаях достигается при использовании пар, составленных из разнородных полупроводников. При этом одна ветвь пары должна обладать электронной проводимостью (-), другая – дырочной (+). Для изготовления полупроводниковых пар используют соединения висмута, сурьмы, селена с добавлением небольшого количества присадок. Наиболее широко распространены сплавы Bi₂Te₃ + Bi₂Se₃ (с электронной проводимостью) и Bi₂Te₃ + Sb₂Se₃ (c дырочной проводимостью).

 

Рис. 3. Термоэлемент

 

Пара полупроводников, соединенных последовательно образует термоэлемент (рис. 3). Прямоугольные бруски 1 и 2 (называемые ветвями) из полупроводников с электронной и дырочной проводимостью соединяются последовательно металлическими пластинами 3 и 4, которые образуют спаи термоэлементов. В свою очередь термоэлементы объединяют последовательно в батарею.

Если по термоэлементу (батарее) пропускать постоянный электрический ток, то в местах спаев (на медных пластинах) возникают разные температуры. На одном из спаев температура понижается до Т_х, и холодный спай поглощает теплоту Q_o от охлаждаемой среды. На другом горячем спае тепло Q_г будет выделяться и переходить в окружающую среду.

В применяемых термоэлементах разность между температурами теплого и холодного спаев реально достигает 60 °С, что обусловливает широкое использование их в разных областях техники. Промышленность выпускает термоэлектрические устройства для холодильных шкафов, охлаждаемых баров и т. п.

Положительными особенностями устройств с термоэлементами являются их портативность, отсутствие движущихся частей, бесшумность, надежность и простота обслуживания. Кроме того, в них отсутствует рабочее тело, роль которого выполняет постоянный электрический ток. Однако применение такого способа охлаждения ограничено высокой стоимостью и большим расходом энергии. Холодопроизводительность выпускаемых устройств с термоэлементами не превышает 50–100 Вт.

Раздел III

Лекция 1. Рабочие тела холодильных машин

Рабочее вещество, посредством которого в холодильной машине осуществляется термодинамический цикл, называют холодильным агентом. Наиболее доступными хладагентами являются вода и воздух. Применение воды ограничено из-за низких давлений водяного пара (0,796 кПа при t =2 ºС), больших удельных объемов пара при низких температурах (226 м³/кг при 0 °С), возможности работы машины с водой только в области положительных температур охлаждения (при 0 ºС вода замерзает, что делает невозможным осуществление термодинамического цикла машины при отрицательных температурах). Поэтому воду применяют только в пароэжекторных и абсорбционных бромистолитиевых холодильных машинах.

Применение воздуха ограничено в связи с его малой теплоемкостью (около 1 кДж/(кг·К)), вследствие чего в холодильных машинах должно циркулировать большое количество воздуха. Воздух применяют в газовых (воздушных) холодильных машинах сравнительно небольшой производительности. В качестве хладагента широко распространен аммиак (NH₃). Его применяют в машинах средней и крупной производительности, как правило, для получения средних температур охлаждения. В тридцатых годах XX в. в качестве хладагентов начали применять фреоны – фторхлорбромпроизводные углеводородов метана, этана, пропана и бутана.

В нашей стране вместо термина «фреон» используют термин «хладон». Международной организацией по стандартизации (ИСО) введен международный стандарт МС ИСО 817–74 на систему обозначений хладонов. Эта система состоит из буквы R и числа, которое связано со структурой молекулы хладагента.

У хладагентов неорганического происхождения цифры соответствуют их молекулярной массе, увеличенной на 700. Например: вода (H₂O) – R718, аммиак (NH₃) – R717, двуокись углерода(CO₂) – R744.

Для хладонов – производных метана – соединения без атомов водорода записывают цифрой 1, к которой прибавляют цифру, определяющую число атомов фтора. Например: CF₂Cl₂ – R12, СF₄ – R14. Для производных этана, пропана, бутана перед цифрой, определяющей число атомов фтора, ставятся соответственно 11, 21, 31. Например: C₂F₂Cl₄ – R112, C₄F₇Cl – R317. При наличии атомов водорода у производных метана к первой цифре, а у этана, пропана и бутана – ко второй прибавляют число, равное числу незамещенных атомов водорода. Например: CHFCl2 – R21, C₂H₃F₃ – R143. При наличии в молекуле хладона атомов брома к числовому обозначению добавляют букву Br и цифру, соответствующую числу атомов брома. Например: CF₂Br₂ – R12B2.

Начиная с галогенопроизводных этана появляются изомеры. Они имеют одинаковое цифровое обозначение и различаются строчной буквой в конце. Симметричный изомер обозначается только цифрами. Указанием асимметрии являются строчные буквы а, в, с и т. д. Например: CHF₂ – CHF₂ – R134, CF₃CH₂F – R134a.

В обозначении неазеотропных смесей хладагентов указываются виды хладагентов, входящих в смесь, и их процентное содержание в смеси. Например: R22/R12 (90/10) представляет собой смесь, состоящую из 90 % R22 и 10 % R12. В обозначении хладагенты располагаются в порядке повышения нормальных температур кипения. Азеотропные смеси условно обозначают цифрами 500, 501 и т. д. В случае, если в молекуле хладона 10 и более атомов фтора, последние две цифры отделяются от предыдущей чертой, например: C₄F₁₀ - R31-10.

Классификация хладагентов по температурам и давлениям

Хладагенты классифицируют по давлениям насыщенного пара и нормальным температурам кипения.

По давлениям насыщенного пара (при температуре 30 ºС) их подразделяют на хладагенты

– высокого давление пара (2-7 МПа). В эту группу входят R13, R503, R744.;

– среднего (0,3-2 МПа). К хладагентам, входящим во вторую группу, относятся R717, R12, R22, R134a;

– низкого давления (ниже 0, 3 МПа).В эту группу входят (R11 R718, R113).

По нормальным температурам кипения хладагенты также подразделяются на три группы:

– низкотемпературные (t_н < -60 ºС),

– среднетемпературные (t_н = -60 ºС ÷ -10 ºС),

– высокотемпературные (t_н.> -10 ºС).