3. Цикл пкхм с перегревом пара при сжатии

Рис. 11. Цикл ПКХМ с перегревом пара

Компрессор засасывает сухой насыщенный или перегретый пар, что обеспечивает «сухой ход» компрессора. «Сухой ход» практически осуществляется двояко:

1. За счет внутреннего теплообмена. При этом пар, выходящий из испарителя может не только подсушиваться, но и перегреваться за счет тепла жидкости;

2. Установкой дополнительного отделителя жидкости перед компрессором (отделившаяся жидкость возвращается в испаритель).

Процесс адиабатического сжатия в компрессоре 1-2 (или 1”-2”) протекает в области перегретого пара. Переход к всасыванию сухого (или перегретого) пара (точки 1 или 1”) приводит:

1. К увеличению холодопроизводительности на величину Δq₀=площади b-1’-1-c;

2. К увеличению затраченной работы на ΔAL=площади 1-2-2’-1’.

При подробном рассмотрении оказывается: затрата работы увеличивается больше, чем холодопроизводительность, то есть теоретически «сухой ход» не выгоден. Однако в действительных условиях «сухой ход» компрессора более выгоден. Это вызвано тем, что поступающий из испарителя холодный (иногда – в случае 1’ – влажный) пар при всасывании подогревается от стенок цилиндра и расширяется, производительность компрессора падает (особенно при расширении влаги). При всасывании перегретого пара снижение производительности меньше. Кроме того при «сухом ходе» компрессора исключена возможность гидравлического удара в цилиндре (в случае попадания большого количества жидкости). В аммиачных ХМ рекомендуется всасывание паров с перегревом на 5-10 ⁰С, для фреона-12 до 25-30 ⁰С.

Вывод: в действительных ХМ применяется дросселирование с предварительным переохлаждением жидкости, а в компрессор всасывается сухой или перегретый пар.

4. ИЗОБРАЖЕНИЕ ЦИКЛА ПКХМ В ТЕПЛОВЫХ ДИАГРАММАХ

Рис. 12. T-s-диаграмма ПКХМ

Холодопроизводительность q₀=площади a-4-1-b. Тепло, отведенное от ХА в конденсаторе q_к=площади c-3-2-b. Работа, затраченная в компрессоре на совершение холодильного цикла AL=Al_к=площади a-4-1-2-3-c=площади 1-2-3-5. Однако опеределять площади неудобно, поэтому расчет ведут на разность энтальпий в начале и конце процессов.

Количество тепла, подведенное к 1 кг ХА в испарителе, или весовая холодопроизводительность агента в цикле:

.

Количество тепла, отведенное в конденсаторе:

.

Затраченная в компрессоре работа:

.

Холодильный коэффициент:

.

При дросселировании .

Удобна для расчета диаграмма с координатами i-lgp (для уменьшения масштаба на оси p откладывают lgp).

Рис. 13. i-lgp-диаграмма ПКХМ

1. Холодильные агенты

Основные требования к термодинамическим свойствам ХА:

1. Нормальная температура кипения (p=0,1 МПа) должна быть ниже рабочей. При этом исключается необходимость создания в испарителе вакуума и возможность проникновения воздуха;

2. Давление в конденсаторе (при обычных температурах охлаждающей воды) должно быть умеренным и не должно превышать 1,2-1,5 МПа. Снижение предельного давления в машине приводит к облегчению конструкции ХМ и уменьшает опасность утечки ХА через неплотности. По давлению рабочие вещества можно разделить на три группы: а) высокого (2-7 МПа); б) среднего (0,3-2 МПа); в) низкого (<0,3 МПа);

3. Объемная холодопроизводительность (v₁ – удельный объем пара ХА при всасывании), для поршневых компрессионных машин должна быть возможно большей, т.к. при этом уменьшается объем циркулирующего ХА и размеры компрессора;

4. Температура замерзания ХА должна быть значительно ниже рабочей температуры кипения. При этом исключается возможность замерзания его в испарителе;

5. Критическая температура ХА должна быть достаточно высокой, чтобы осуществить сжатие не входя в сверхкритическую область.

Основные требования к физико-химическим свойствам ХА:

1. Удельный вес и вязкость желательно самые небольшие, т.к. при этом уменьшаются потери давления;

2. Коэффициент теплопроводности должен быть высоким – увеличивается теплоотдача;

3. Важное свойство ХА – растворимость в масле. Если ХА не растворяется, то меньше унос масла из цилиндра компрессора, на температуру кипения не влияет концентрация растворенного масла, отсутствует пена при кипении в испарителе. Однако растворимость ХА в масле имеет свои преимущества: более совершенная смазка, так как масло циркулирует с ХА; не снижается интенсивность теплопередачи в испарителе и конденсаторе, так как слой масла почти полностью смывается с рабочих поверхностей. Лучше всего – ограниченная растворимость ХА в масле;

4. Малая растворимость воды в ХА – отрицательное свойство: при попадании влаги в систему могут образоваться ледяные пробки;

5. ХА должен быть химически инертным по отношению к металлам и другим материалам, не быть горючим, взрывоопасным, должен быть безопасным для организма человека;

6. Стоимость ХА должна быть низкой.

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: t_кип = -33,4 ⁰С, t_кр = 132,4 ⁰С, p_кр = 11,29 МПа. Давление в конденсаторе 0,8-1,3 МПа, температура 30 ⁰С, t_плавл = -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).

Таблица 1

Характеристика ХА при температуре кипения t₀ = -15 ⁰C и температуре конденсации t_к = 30 ⁰С при всасывании сухих насыщенных паров

ХА	pк, МПа	p0, МПа	Весовая холодопроизводительность, кДж/кг	Объемная холодопроизводительность, кДж/м3	Отн. размеры комп-в
Аммиак	1,17	0,24	1101	2517	1
Углекислота	7,18	2,28	125,6	7750	0,28
Фреон-22	1,2	0,30	159	2040	1,06
Фреон-12	0,74	0,18	117	1277	1,69
Фреон-142	0,39	0,08	167	649	3,33