Характеристика основных холодильных агентов

Аммиак (R717). Бесцветный газ с резким запахом. Обладает хорошими термодинамическими свойствами. Нормальная температура кипения аммиака – 33,3 °С. При обычных условиях работы давление в испарителе выше атмосферного, и лишь при температуре кипения ниже -33,3 °С требуется вакуум. Давление в конденсаторе при охлаждении его водой 0,8–1,3 МПа. Относительно большая объемная холодопроизводительность аммиака обусловливает сравнительно небольшой объем холодильного агента, поступающего в компрессор, поэтому аммиачные машины компактные. Аммиак почти нерастворим в масле, но интенсивно поглощается водой. При утечках аммиака через неплотности его легко можно обнаружить по запаху. С черными металлами (чугун, сталь) аммиак в реакцию не вступает, но в присутствии влаги разъедает цинк, медь и ее сплавы (за исключением фосфористой бронзы). Существенным недостатком аммиака является вредное воздействие на организм человека. Согласно действующему ГОСТу предельно допустимая концентрация аммиака в воздухе рабочей зоны производственных помещений 0,02 мг/л. Аммиак горюч, но в воздухе он горит плохо, а в кислороде – хорошо. Если в воздухе содержится аммиака в количестве 16–26,8 % объемных и имеется открытое пламя, то возможен взрыв. Наиболее сильный взрыв при концентрации 22%. Газообразный аммиак легче воздуха. Жидкий аммиак – проводник электрического тока. Аммиак – доступный и дешевый холодильный агент. Его применяют в средних и крупных холодильных машинах с поршневыми компрессорами и турбокомпрессорами, предназначенных для работы при температурах кипения до -70° С и конденсации до +50 °С. При обслуживании холодильной машины, работающей на аммиаке, требуется строго соблюдать правила безопасности. В малых машинах аммиак не применяют из-за его ядовитости и взрывоопасности, а также вследствие малых размеров компрессора, которые трудны в исполнении.

Хладон-12 (R12). Бесцветный газ с очень слабым запахом, значительно тяжелее воздуха. Один из наименее вредных холодильных агентов. Нормальная температура кипения –29,8 °С. Давление в конденсаторе 1–1,2 МПа, а при использовании его в зоне тропического климата – 1,3–1,5 МПа. Объемная холодопроизводительность хладона-12 меньше, чем аммиака, поэтому размеры компрессора, работающего на R12, больше аммиачного примерно в 1,3 раза при одинаковой холодопроизводительности. У хладона-12 большая плотность (плотность сухого насыщенного пара в 5–6 раз больше плотности паров аммиака), что вызывает большие потери давления при его циркуляции. Хладон-12 и масло взаимно растворяются. При этом вязкость масла резко уменьшается. Для надежной смазки необходимо применять специальные вязкие масла. При отсутствии влаги хладон-12 нейтрален ко всем металлам, применяемым в машиностроении. В жидком виде он способен смывать с внутренней поверхности машин и аппаратов окалину, ржавчину, песок и растворять различные органические вещества (например, обычную резину). В отличие от аммиака хладон-12 почти не растворяет воду. Нерастворенная вода в холодильных установках, даже в небольших количествах, способствует коррозии и, замерзая, образует ледяные пробки, которые забивают узкие проходы, чаще всего в дроссельных устройствах. Хладон-12 очень текуч. Он способен проникать через мельчайшие неплотности, где воздух или аммиак пройти не может. Утечку хладона трудно обнаружить, т.к. он обладает очень слабым запахом. Запах становится заметным лишь при содержании хладона в воздухе более 20 % (слабый сладковатый запах эфира). Стоимость хладона значительно выше по сравнению со стоимостью аммиака. Преимущество хладона-12 - относительная безвредность, так как только при содержании его в воздухе более 30 % по объему появляются признаки отравления организма из-за недостатка кислорода (появляется головная боль, слабость, учащение пульса и дыхания, может быть рвота). Хладон-12 не горюч, в смеси с воздухом не воспламеняется и не взрывается, но при температурах свыше 400 °С (при соприкосновении с горячими поверхностями или под действием открытого пламени) разлагается, в результате чего образуется хлористый и фтористый водород, а также ядовитый газ фосген (в небольшом количестве). При вдыхании продуктов разложения хладона появляется сухой кашель, иногда повышается температура. Пары хладона не действуют на вкус и цвет пищевых продуктов. Хладон-12 широко применяют в холодильных машинах с температурами кипения до –30 °С и конденсации до 70 °С. Наибольшее распространение он имеет в малых и средних холодильных установках, но его используют и в установках большой производительности.

Хладон-22 (R22). Физиологические свойства этого газа примерно такие же, как и физиологические свойства хладона-12, а термодинамические свойства примерно такие же, как и термодинамические свойства аммиака. Нормальная температура кипения хладона-22 -40,8 °С. Растворимость воды в хладоне-22 несколько больше, чем в хладоне-12. Взаимная неограниченная растворимость хладона-22 с маслом возможна лишь при достаточно высоких температурах. При понижении температуры до -10 ÷ -20 °С возможно выпадение масла. Хладон-22 легко проникает через неплотности. При отсутствии влаги нейтрален к металлам. Не взрывоопасен и не горюч, но более токсичен по сравнению с хладоном-12. При температуре 550 °С в присутствии железа начинает разлагаться. В отличие от хладона-12 жидкий хладон-22 хорошо проводит электрический ток. По рабочим давлениям (конденсации и кипения) объемной холодопроизводительности хладон-22 близок к аммиаку. Хладон-22 рекомендуется применять в низкотемпературных холодильных установках с температурой кипения до -70 °С и конденсации до 50 °С, а также в малых установках кондиционирования воздуха.

Фреон-142 (R142). Не ядовит и очень слабо воспламеняется. Температура кипения при атмосферном давлении-9,8 °С, давление конденсации при 40– 50 °С не превышает 0,7 МПа, температура замерзания -130,8 °С. Его используют в тепловых насосах и холодильных установках, работающих при высоких температурах конденсации.

Фреон-11 (R11). Тяжелый газ, безвредный для организма человека. Не взрывоопасен, в воде не растворяется, в масле растворяется неограниченно. При отсутствии влаги нейтрален ко всем металлам, за исключением сплавов, содержащих более 2 % магния. Имеет малую объемную холодопроизводительность, и поэтому его применяют в турбокомпрессорах относительно малой производительности, работающих в режиме относительно высоких температур кипения.

Фреон-13 (R13). Имеет низкую температуру кипения при атмосферном давлении (-81,5 °С) и низкую критическую точку (t_к=28,78 °С). Физико-химические свойства его примерно такие же, как у всех хладонов. Фреон-13 применяют для получения температур кипения -80÷100 °С (в нижней ступени каскадной холодильной машины).

Фреон-13В1 (R13В1). Свойства этого холодильного агента примерно такие же, как и свойства хладона-22, но он имеет несколько большую молекулярную массу и плотность. Фреон-13В1 малотоксичен, инертен к металлам, не взрывоопасен. Нормальная температура кипения -57,8 °С. Его используют в низкотемпературных холодильных установках.

Раздел IV

Лекция 1. Обратный круговой процесс

Рассматривая способы получения низких температур, мы обращали внимание на то, что длительность процесса охлаждения ограничена количеством рабочего тела, поступающего в детандер или дросселирование (рис. 4).

Рис. 4. Баллонная система охлаждения

Чтобы осуществить охлаждение в практически неограниченном времени необходимо вернуть рабочее тело после совершения охлаждающего эффекта в первоначальное состояние, т.е. совершить круговой процесс или термодинамический цикл (круговым процессом или термодинамическим циклом называется ряд последовательных термодинамических процессов, в результате которых рабочее тело, пройдя несколько промежуточных состояний, возвращается в начальное).

Различают прямые и обратные циклы. Прямые – в результате которых при затрате теплоты получают работу (ДВС). Обратные – в результате осуществления которых теплота передается с более низкого температурного уровня на более высокий, работа при этом затрачивается (холодильные машины и тепловые насосы). Обратимые циклы – цикл, у которых все процессы цикла обратимы, если хотя бы один процесс в цикле не обратим, то весь цикл необратим. Для того чтобы осуществить охлаждение практически неограниченном времени необходимо совершить обратный круговой процесс или холодильный процесс.

Холодильная машина (рис. 5) состоит из пяти элементов: хладагент, теплообменник ТО₁(в котором рабочее тело забирает теплоту от объекта охлаждения), компрессор К (с помощью которого теплота переводится на более высокий температурный уровень), теплообменник ТО₂ (в котором теплота передается от рабочего тела в окружающую среду), расширительная машина РМ, детандер или дроссель, (в которой происходит уменьшение температуры рабочего тела, работа при этом отдается).

Холодильные машины, в которых для получения холодильного эффекта используют кипение жидкостей при низких температурах, называют паровыми холодильными машинами. В них применяют жидкости имеющие низкую температуру кипения при атмосферном давлении.

Холодильные машины, в которых для получения холодильного эффекта рабочее тело повышает свою температуру, не изменяя агрегатного состояния, называют газовыми или воздушными холодильными машинами.

Рис. 5. Холодильная машина

Обычно диаграмма состояния (рис. 6) строится для 1 кг рабочего тела и основная часть расчетов выполняется в удельных величинах.

где q₀ – удельная массовая холодопроизводительность рабочего тела или количество теплоты, которое отнимает один килограмм рабочего тела от объекта охлаждения, Дж/кг. Эквивалентна площади под процессом а14ба.

q – плотность теплового потока в теплообменнике ТО₂ или количество теплоты, которое отдает один килограмм рабочего тела в окружающую среду, Дж/кг. Эквивалентна площади а23ба.

l_ц – работа, которую необходимо затратить на один килограмм рабочего тела для передачи теплоты с нижнего температурного уровня в окружающую среду. Эквивалентна площади 12341.

где l_к – работа компрессора, Дж/кг;

l_р.м. – работа расширительной машины, Дж/кг.

Рис. 6. Холодильные циклы для газовой (а) и паровой (б) холодильных машин

Эффективность цикла оценивается с помощью безразмерного параметра, который называется холодильным коэффициентом.

Лекция 2. Обратный цикл Карно

Наиболее совершенным холодильным циклом, в котором затрачивается наименьшее количество работы для получения определенного охлаждающего эффекта при условии постоянных температур охлаждаемого и охлаждающего тел, является обратный цикл Карно (рис. 7, а). Он состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов.

В изотермическом процессе 4-1 к рабочему телу подводится теплота q₀ от охлаждаемой среды. При этом температура рабочего тела Т₀ остается постоянной. В T-S-диаграмме количество теплоты q₀ характеризуется площадью а-1-4-b-а.

Адиабатический процесс сжатия рабочего тела 1-2 совершается без теплообмена с окружающей средой, а температура рабочего тела повышается от T₀ до Т. На осуществление такого процесса затрачивается работа l_сж.

В изотермическом процессе 2-3 от рабочего тела отводится теплота q охлаждающей средой, а температура его Т остается постоянной. В T-S-диаграмме теплота q эквивалентна площади а-2-3-b.

В адиабатическом процессе расширения 3-4 рабочее тело понижает температуру от Т до T₀ и производит полезную работу l_расш.

Рис. 7. Обратный цикл Карно:

а – с идеальным процессом теплообмена;

б – с реальным процессом теплообмена

Для осуществления изотермических процессов подвода и отвода теплоты (4-1 и 2-3) предполагается наличие двух бесконечно больших тел (охлаждаемого и охлаждающего), температура которых в процессе теплообмена не изменяется, а также отсутствие разности между температурами источников теплоты и рабочего тела, т. е. T₀ является одновременно температурой рабочего тела и температурой охлаждаемой среды, а T – температурой рабочего тела и окружающей среды. При осуществлении обратного цикла Карно теплота отнимается от тела с низкой температурой Т₀ и передается телу с более высокой температурой Т. Для такой передачи теплоты затрачивается работа l, равная разности между работой, затраченной на сжатие (процесс 1-2), l_сж и работой, полученной при расширении (процесс 3-4), l_расш.

При этом уравнение теплового баланса имеет вид

Работа, затраченная в цикле, равна

В T-S-диаграмме работа эквивалентна заштрихованной площади 1‑2‑3‑4. Теплота q₀, отнятая от охлаждаемой среды, характеризует холодопроизводительность цикла. Эффективность холодильного цикла оценивают холодильным коэффициентом ε, который равен отношению количества теплоты, отнятой от охлаждаемого тела, q₀ к затраченной в цикле работе , иначе говоря, холодильный коэффициент выражается отношением количества полученного холода к затраченной на это работе

В T-S-диаграмме q и выражены площадями, которые для цикла Карно равны:

Холодильный коэффициент цикла Карно

Практически температура рабочего тела Т'₀ всегда должна быть ниже температуры охлаждаемой среды Т_охл (рис. 7, б). Тогда теплота от охлаждаемой среды естественным путем перейдет к более холодному рабочему телу (процесс 4—1). Температура рабочего тела Т' должна быть выше температуры охлаждающей среды, т. е. воды или воздуха, Т_окр. При этом теплота переходит от рабочего тела (процесс 2—3) к воде или воздуху. В этом случае холодильный цикл осуществляется в большем интервале температур, что неизбежно приводит к уменьшению холодильного коэффициента. При наличии разности между температурами рабочего тела и охлаждаемой или охлаждающей средами процессы теплообмена являются необратимыми и приводят к потерям, что вызывает дополнительную затрату работы в холодильной машине. Так, в цикле с реальными разностями температур Θ₁ и Θ₂ (см. рис. 7, б) затраченная работа больше, чем в идеальном цикле, совершенном в том же интервале температур внешних источников (см. рис. 7, а). Уравнение для расчета ε для цикла с реальными разностями между температурами рабочего тела и охлаждаемой или охлаждающей средами принимает вид

Цикл Карно является холодильным циклом. Различают еще две разновидности обратных циклов: цикл теплового насоса и комбинированный, или теплофикационный цикл. Холодильная машина работает по холодильному циклу и служит для охлаждения какой-либо среды или поддержания низкой температуры в охлаждаемом помещении в том случае, когда теплота от источника низкой температуры (охлаждаемого объекта) передается окружающей среде. Такой цикл показан на рис. 8. В процессе 4-1 (цикл I) теплота q₀ подводится к рабочему веществу от источника низкой температуры, в процессе 1-2 рабочее вещество сжимается и к нему подводится тепловой эквивалент работы компрессора l_к. В процессе 2-3 от рабочего вещества отводится в окружающую среду теплота q, в процессе 3-4 расширяется рабочее вещество с совершением работы l_p.Согласно первому закону термодинамики работа, необходимая для совершения цикла,

Так как в компрессоре работа затрачивается, а при расширении ее можно получить, тогда работа цикла

Рис. 8. Обратные циклы:

I – холодильный цикл; II – теплового насоса; III – комбинированный

Для определения энергетической эффективности холодильного цикла вводится холодильный коэффициент ε, который определяет количество отводимой от источника теплоты на единицу затраченной в цикле работы:

Холодильный коэффициент может меняться от +∞ до 0. В том случае, когда с помощью холодильной машины теплота отводится от окружающей среды и передается источнику высокой температуры, этот цикл называется циклом теплового насоса. Такая холодильная машина служит для целей теплоснабжения или динамического отопления. Цикл теплового насоса показан на рис. 8 (цикл II). В процессе 4-1 к рабочему веществу подводится от окружающей среды теплота q₀. В процессе 1–2 рабочее вещество воспринимает тепловой эквивалент работы l_к, вследствие чего его температура повышается. Теплота q₀, полученная от окружающей среды, и тепловой эквивалент работы l_к передаются в процессе 2-3 источнику высокой температуры. Эта теплота служит для отопления помещений или других технологических нужд. В процессе 3-4 рабочее вещество расширяется, совершая работу l_р. Энергетическая эффективность цикла теплового насоса характеризуется отопительным коэффициентом µ, который определяется количеством теплоты, подводимой к источнику высокой температуры, на единицу затраченной в цикле работы:

Между холодильным и отопительным коэффициентами существует связь

Отопительный коэффициент меняется от +1 до +∞. Комбинированный (теплофикационный) цикл - это цикл холодильной машины, при котором теплота от источника низкой температуры передается источнику высокой температуры. Такой цикл показан на рис. 8 (цикл III). В этом цикле в процессе 1-4 теплота q₀ подводится к рабочему веществу, в процессе 1-2 рабочее вещество получает тепловой эквивалент работы l_к; в процессе 2-3 теплота q отводится к источнику высокой температуры, далее в процессе 3-4 рабочее вещество расширяется, совершая при этом работу l_p. Так как при помощи холодильной машины, работающей по комбинированному циклу, получают одновременно холод и теплоту, то энергетическая эффективность такого цикла характеризуется двумя коэффициентами ε и µ: