4.9. Недостаточная производительность конденсатора с водяным охлаждением

Конденсаторы, охлаждаемые проточной водой, оснащаются регулятором давления конденсации, принцип работы которого основан на регулировании расхода воды через конденсатор. При недостаточном расходе воды температура ее на выходе из конденсатора превышает 45⁰С.

Повышенный расход воды через конденсатор будет иметь место в случае переохлаждения в нем хладагента более, чем на 10град. В свою очередь это будет связано с излишней заправкой установки хладагентом или наличием в контуре неконденсируемых газов, что приводит к росту ВД, а рост ВД приводит, кроме роста потребления воды и указанного повышенного роста переохлаждения хладагента к следующим дополнительным аномалиям:

• увеличению потребления электроэнергии компрессором;

• падению холодопроизводительности;

• возможности отключения компрессора по команде предохранительного реле ВД.

Повышенный расход воды может быть также обусловлен отложениями накипи внутри змеевика конденсатора. Отложение накипи приводит к снижению переохлаждения хладагента и снижению холодопроизводительности, а также к росту ВД и электроэнергии.

5. Холодильные агенты (хладоны) и хладоносители

Международной организацией по стандартизации (ИСО) введен международный стандарт МС ИСО 817-94 на систему обозначений хладонов. Эта система включает наименование и число. Буква R означает холодильный агент или хладагент (refrigerant), а цифры связаны со структурой молекулы хладагента. У хладагентов неорганического происхождения цифры соответствуют их молекулярной массе увеличенной на 700 (например, вода имеет обозначение R718, аммиак – R717 и диоксид углерода – R744).

Для хладагентов органического происхождения (производные метана) соединения без атомов водорода записывают цифрой 1, к которой прибавляют цифру, определяющую число атомов фтора (например, фреон R12 соответствует химической формуле СF₂Сℓ₂, а фреон R14 – СF₄).

Для хладагентов органического происхождения (производные этана, пропана и бутана) соединения без атомов водорода перед цифрой, определяющей число атомов фтора, записываются соответственно 11, 21, 31 (например, фреон R112 соответствует химической формуле СF₂Сℓ₄, а фреон R317 − С₄ F₇ Сℓ).

При наличии атомов водорода у производных метана к первой цифре, а у производных этана, пропана и бутана – ко второй прибавляют число, равное числу незамещенных атомов водорода (например, фреон R21 соответствует химической формуле CHFCl, а фреон R 143 − C₂H₃F₃).

При наличии в молекуле хладагента атомов брома к числовому обозначению добавляют букву «В» и цифру, соответствующую числу атомов брома (например, фреон R 12B₂ соответствует химической формуле CF₂Br₂).

В качестве хладагентов используют не только однокомпонентные вещества, но и неозеотропные и азеотропные смеси.

В неозеотропных смесях в процессе кипения и конденсации изменяется процентный состав компонентов. Неозеотропная смесь отличается от однокомпонентной тем, что смесь газов циркулирует по системе раздельно и при утечке неизвестно сколько и какого газа ушло. Поэтому системы с неозеотропными смесями дозаправлять нельзя. В случае утечки неозеотропной смеси следует удалять ее полностью из системы и снова заправлять.

В азеотропных смесях в процессе кипения и конденсации процентный состав не изменяется, т. е. они ведут себя как однокомпонентные вещества.

По абсолютному давлению конденсации Р_к (при температуре конденсации t_к = 30^оС) хладагенты условно делят на следующие три группы:

1. хладагенты низкого давления при Р_к < 3 бар, используемые в высокотемпературных холодильных установках при температурах кипения t_о =

5…-15^оС;

2. хладагенты среднего давления при 3 бар < Р_к < 20 бар, используемые в среднетемпературных холодильных установках при температурах кипения t_о = -20…-70^оС;

3. хладагенты высокого давления при Р_к > 20 бар, используемые в низкотемпературных холодильных установках при температурах кипения t_о =

-75…-140^оС.

При выборе типа хладагента следует учитывать следующие особенности и требования.

1. Влияние типа хладагента на размеры холодильного компрессора и теплообменной аппаратуры

Размеры холодильного компрессора пропорциональны удельной объемной холодопроизводительности,

где удельная массовая холодопроизводительность при температуре кипения в приборе охлаждения (испарителе), ;

удельный объем всасываемых паров хладагента в компрессор, .

То есть, чем больше удельная объемная холодопроизводительность, тем будут меньше размеры компрессора.

Значения удельных объемных холодопроизводительностей озонобезопасных хладагентов и хладагента R22 при температуре кипения t₀ = - 15^оС приведены в таблице 5.1 (рассмотрены случаи всасываемого сухого насыщенного пара для соответствующих значений удельных теплот парообразования, равных удельным массовым холодопроизводительностям ).

Таблица 5.1

Удельные объемные холодопроизводительности

Хладагент
R744	16875	270
R717	2577	1311
R134А	1718	206
R404А	3273	180
R407С	2480	226
R410А	4369	240
R507А	3480	174
R22	2782	217

Из таблицы 5.1 следует, что если размеры компрессора на хладагенте R744 принять за единицу, то размеры компрессора на хладагентах R717 и R22 будут примерно в 6 раз больше.

Установлено, что удельная объемная холодопроизводительность влияет также и на размеры теплообменной аппаратуры (испарителя, конденсатора и др.). Так холодильная машина, работающая на хладагенте R134А должна иметь в 1,6 раза больше испаритель, чем на хладагенте R22.

2. Термодинамические свойства

Хладагент должен удовлетворять следующим требованиям:

• нормальная температура кипения соответствует атмосферному давлению) является пределом, ниже которой в системе холодильной установки будет вакуум, приводящий к подсосам воздуха и усложняющий эксплуатацию;

• температура замерзания − это тот предел, который ограничивает

возможность использования хладагента;

• удельная теплота парообразования (конденсации) должна быть максимальной для рабочего режима холодильной установки;

• критическая температура и критическое давление ограничивают область применения хладагента в жидком состоянии.

Для справки в таблице 5.2 приведены термодинамические свойства хладагентов высокого, среднего и низкого давлений.

Таблица 5.2

Термодинамические свойства хладагентов

Хладагент	Термодинамические свойства
	tнк,оС	tз,оС	tкр,оС	Ркр, МПа	r, кДж/кг
Хладагенты высокого давления
R744	-57	-56,6	31,2	7,38	573
R13	-81,6	-180	28,8	3,85	150
R14	-128	-184	-45,6	3,74	136
Хладагенты среднего давления
R717	-34,4	-77,7	132,4	11,3	1360
R12	-29,8	-155,9	112	4,11	166
R134А	-26	-	101	3,99	215,1
R404А	-46,5	-	70,9	3,6	203
R407С	-43,6	-	88	4,7	249,2
R410А	-51,6	-	72,1	4,92	270
R507А	-47,0	-	-	-	-
R22	-40,8	-160	96,1	4,99	229
R115	-38,9	-106	79,9	3,19	126
R143	-47,6	-111,3	73,1	4,11	226
R502	-45,6	−	82,2	4,01	175
Хладагенты низкого давления
R11	23,6	-111	198	4,37	182
R21	8,7	-125	178,5	5,17	239
R142	-9,2	-138	136,4	4,14	224
R718	100	0	374,2	22,11	2260

3. Физико-химические свойства

При выборе типа хладагента необходимо учитывать и следующие условия:

• растворимость масел в хладагентах;

• взаимодействие хладагентов с водой;

• воздействие хладагентов на конструкционные материалы;

• безопасность эксплуатации;

Ниже рассмотрено влияние каждого из перечисленных условий.

Растворимость масел в хладагентах

Смазочные масла применяют в компрессорах холодильных машин для создания масляной пленки между трущимися деталями, уменьшающей трение и износ. Кроме того масла также охлаждают детали и уплотняют зазоры.

Аммиак незначительно растворяет масло, что позволяет достаточно эффективно отделять масло от аммиака и выводить его из системы холодильной машины.

Большая растворимость масел во фреонах приводит к интенсивному пенообразованию в испарителях, хотя и к лучшим условиям смазки трущихся поверхностей в компрессорах, но вместе с тем приводит к повышенной вязкости хладагентов и ухудшению теплообмена.

Растворимость масла в сжиженном диоксиде углерода максимальная при температуре 10^оС и практически снижается до нуля при температуре около -30^оС. При понижении температуры плотность сжиженного диоксида углерода повышается, в то время как плотность масла падает, и оно всплывает на поверхность жидкого СО₂.

Взаимодействие хладагентов с водой

Наличие воды в хладагентах повышает его температуры и давления кипения, что приводит к уменьшению холодопроизводительности холодильной установки.

Вода неограниченно растворяется в аммиаке (допустимая растворимость воды в аммиаке при t ≈ 16^оС от 0,01 до 0,1% по массе).

Во фреонах вода практически не растворяется. Поэтому в этих системах особо строгие требования предъявляются к осушке перед зарядкой хладагентом, так как свободная вода может замерзнуть в дроссельном органе.

Особенно тщательной осушке подлежат системы фреоновых холодильных машин с герметичными компрессорами, имеющими встроенные электродвигатели, поскольку присутствие воды может привести к короткому замыканию и сгоранию обмотки его статора. Для обеспечения безопасного содержания воды (для R22 не более 0,0025% по массе) в системе холодильных машин устанавливают фильтры-осушители.

Растворимость воды в диоксиде углерода зависит от температуры. Так, например, среднее содержание влаги при температуре 15^оС составляет 0,09% масс, а при температуре -29^оС – 0,0195% масс.

Воздействие хладагентов на конструкционные материалы

Аммиак в присутствии воды и кислорода разрушает цветные металлы.

Фреоны инертны к металлам. Механизм действия диоксида углерода на металлы пока еще не установлен. Некоторые исследователи считают, что в его присутствии коррозия железа и меди несколько уменьшается. По мнению других он увеличивает коррозию большинства металлов вследствие образования углекислоты в тонких пленках влаги.

Безопасность эксплуатации

Наибольшую токсичную опасность и взрывоопасность представляет аммиак. При его содержании в воздухе более 0,5% по объему происходит отравление, а при концентрации в воздухе от 16 до 28% − взрыв. Токсическая опасность хладагентов оценивается предельно допустимой концентрацией хладагента в воздухе (ПДК). В таблице 5.3 приведены значения ПДК для некоторых хладагентов.

Таблица 5.3

Предельные допустимые концентрации паров хладагента

Хладагент	ПДК, мг/м3
R11	1000
R12	300
R22	3000
R502	3000
R717	20
R718	без ограничения
R744	92000
R134А	1000
R404А	500
R407С	1000
R410А	1000
R507А	не установлена

Диоксид углерода, вода и фреоны не взрывоопасны.

Наиболее взрывоопасны этан, этилен, пропан и бутан. При этом взрывоопасность снижается с уменьшением в них числа атомов водорода в молекуле.

Для замены R404A и R404C перспективен пропан, как наиболее дешевый и совместимый с минеральными маслами. Малая заправка (до 1 кг) в герметичной системе не является проблемой с точки зрения пожаро-взрывоопасности. Однако при 1…2% пропана по объему в воздухе достаточно для взрыва и пожара.

Холодильный агент должен также обладать невоспламеняемостью и не воздействовать на продукты питания.

Влияние хладагента на озоновый слой оценивается потенциалом ОДР, который, например для R22 равен 0,05, а хладагенты R134А, R404А, R407С, R410А, R507А, R717, R18, R744 имеют потенциал ОДР = 0, т.е. являются абсолютно озонобезопасными.

В последнее время промышленно развитые страны Европы идут по пути полного запрета выпуска и использования озоноразрушающих фреонов и переходу к природным хладагентам – аммиаку и диоксиду углерода. В России в парокомпрессионных холодильных установках до 2020г допускается использование фреона R22. В качестве альтернативы R22 предполагается использовать озонобезопасный хладагент R407С, представляющий неазеотропную смесь R32, R125 и R134А в процентном соотношении 23, 25 и 52 соответственно. Для замены R22 также предназначен хладагент R410А, представляющий собой азеотропную смесь из R32 и R125 в процентном соотношении 50 на 50. Эта азеотропная негорючая смесь имеет на 50% большую объемную холодопроизводительность, чем R22, при этом рабочее давление также на 40% выше, чем у R22.

Кроме вышеперечисленных следует учитывать следующие дополнительные условия и требования:

• термическую стабильность, т.е. сохранение целостности молекул;

• эффективность теплообмена;

• склонность к утечкам;

• обнаружение факта и места утечек;

• цену;

• влияние выбранного хладагента на стоимость холодильной установки в целом;

• наличие хладагента на рынке.

Следует отметить, что в настоящее время стоимость диоксида углерода в 100…120 раз ниже стоимости R134А. Однако при использовании этого хладагента требуется водяное охлаждение конденсатора.

В соответствии с изложенным рекомендуется выбирать хладагенты с минимальными значениями температуры кипения t₀, давления конденсации Р_к, разности давлений (Р_к – Р₀), отношения давлений Р_к/ Р₀, адиабатной работы ℓ_ад, плотности пара на всасывании ρ_вс, показателя адиабаты к. Одновременно желательно иметь максимальные значения давления кипения в испарителе и удельную объемную холодопроизводительность q_υ. Помимо термодинамических свойств при выборе хладагента предъявляются определенные требования к термической стабильности, токсичности, растворимости с маслами и водой, взрывоопасности, горючести, стоимости и др.

Хладоносители применяют для "транспортирования холода" от источника его получения (испарителя) до охлаждаемого объекта (холодильной камеры, аппарата и др.) т.е. хладоносители находят применение в системах косвенного охлаждения.

В системах с хладоносителем энергопотребление будет выше, чем в системе непосредственного охлаждения. Это объясняется увеличением необратимых потерь, обусловленных тем, что в таких системах температура хладагента должна быть ниже на 5…7^оС температуры хладоносителя. Кроме того, необходима дополнительная энергия для привода насосов, осуществляющих циркуляцию хладоносителя.

При выборе типа хладоносителя в системе охлаждения следует учитывать следующие его свойства:

• температуру замерзания t_з;

• температуру кипения при атмосферном давлении t_нк;

• динамическую вязкость µ;

• коэффициент теплопроводности λ;

• коэффициент теплоотдачи α;

• объемную удельную теплоемкость С_рρ;

• коррозионную активность;

• токсичность;

• пожаро-взрывоопасность.

В качестве хладоносителей используют различные жидкости с низкой температурой замерзания. Некоторые виды хладоносителей и их свойства приведены в таблице 5.4.

Самым доступным хладоносителем является вода. Вода предпочтительнее других хладоносителей, благодаря малой коррозионной активности, нетоксичности и отсутствия пожаро-взрывоопасности. Однако ее использование ограничено из-за сравнительно высокой температуры замерзания t_з = 0^оС. Поэтому воду применяют в качестве хладоносителя главным образом в системах кондиционирования воздуха.

Таблица 5.4

Свойства хладоносителей

Хладоноситель	Химическая формула	Свойства хладоносителей
		tзо, С	T нко ,С	µ·104, Па·с	Срρ, кДж/(м3·К)	Коррозионная активность	Токсичность	ППожаро-взрывоопасность
Вода	Н2О	0,0	100	155*	4200*	Слабая	Нет	Нет
Раствор хлористого натрия (23,1%)	NаСℓ	-21,2	106	26*	3900*	Сильная	−	Нет
Раствор хлористого кальция (29,9%)	СаСℓ2	-55	110	51,4*	3524*	Средняя	Средняя	Нет
Этилен-гликоль (антифриз 67%)	С2Н4(ОН)2	-73	189	284,5**	3223**	Слабая	Слабая	−
Триххлорэтилен (R11)	С2НСℓ	-86,3	88	10,6**	1350**	нет	Средняя	Средняя
Дихлорметан (R30)	СН2Сℓ2	-96,7	40,1	8,6**	1525**	−	−	−
Этиловый спирт (100%)	С2Н5ОН	-117	78,4	200	4219	Слабая	Средняя	Высокая
Метиловый спирт (100%)		-97,8				Слабая	Высокая	Высокая

Примечание: * − при температуре 5^оС; ** − при температуре минус 40^оС.

Хладоносители NаСℓ, СаСℓ₂ и пропиленгликоль

В холодильных установках холодильников промышленности и торговли используют в основном рассолы – водные растворы NаСℓ и СаСℓ₂. Последний предпочтительнее из-за более низкой температуре замерзания и меньшей коррозионной активности. Однако он дороже, чем NаСℓ. Важны и новые аспекты выбора: нетоксичность для человека и окружающей среды. В связи с этим привлекательны хладоносители на основе пропиленгликоля.

Пропиленгликоль является пищевой добавкой Е1520 и при попадании (до 0,2%) в пищевые продукты не влияет на органолептические качества. СаСℓ₂ − тоже добавка Е509, но она придает горький вкус.

Для специальных целей, где требуется хладоноситель с более низкой температурой, используют этиленгликоль, трихлорэтилен (R11) или дихлорметан (R30) несмотря на то, что их стоимость значительно выше стоимости рассолов.

Хладоносители R30, R11 и этиловый спирт

Хладоноситель R30 самый распространенный при температурах кипения хладагента в испарителе в диапазоне t₀ = -40…-90^оС. Работа с R30 при температурах близких к точке замерзания, не столь опасна, как с раствором СаСℓ₂, поскольку при затвердевании R30 объем его уменьшается и разрыва труб при этом не происходит. Энергетически выгоднее применять R30 и для тех условий, когда обычно применяют СаСℓ₂, однако эксплуатация установок с R30 несколько сложнее.

Системы с R11 и R30 следует выполнять герметичными, так как, если в период, когда установка не работает, а температура окружающего воздуха поднимется выше 23,7^оС (для R11) или 40^оС (для R30), то давление в системе возрастет выше атмосферного. До достижения указанных температур при атмосферном давлении происходит интенсивное испарение R11 и R30.

При заполнении системы R30 или R11 не следует применять вакуумирование, так как попадая в область вакуума, эти хладоносители интенсивно испаряются. Поэтому при заполнении систем следует применять передавливание, т.е. сообщать заполняемую емкость с атмосферой, а в емкости, из которой забирается хладоноситель создавать избыточное давление воздуха или азота.

Вследствие гигроскопичности R30, в его системы следует вводить осушитель. Из-за легкой вскипаемости и проникающей способности через сальники для R30 требуются специальные насосы. В отличие от R11 хладоноситель R30 обладает специфическим запахом.

Для более низких температур применяют иногда этиловый спирт.

Двухфазные хладоносители

Эффективным путем повышения энергетических показателей систем косвенного охлаждения является использование двухфазных хладоносителей, известных как айссларри. При охлаждении водных растворов солей ниже температуры кристаллизации появляются микроскопические кристаллы льда. Кристаллы мешают транспортировке по трубопроводам подобной двухфазной системы, но позволяют по энергетическим показателям приблизиться к системам непосредственного охлаждения. Айссларри получают из морской воды, водных растворов солей, гликолей, спиртов. Двухфазные растворы позволяют снизить количество хладоносителей в системе, создать стабильный температурный режим хладоснабжения, значительно повысить теплосъем, уменьшить диаметры трубопроводов, снизить стоимость самой системы хладоснабжения.

Рассмотренные в данном разделе основные и далеко не все типы хладагентов и хладоносителей могут рассматриваться при разработках систем охлаждения. Установлено, что неразумные решения и ошибки выбора хладагента и хладоносителя влияют на эффективность системы в целом. Тем не менее, для снижения энергопотребления важна оптимизация всей системы, а не только правильный выбор хладагента и хладоносителя. Так, например, установлено, что до 30% экономии электроэнергии в год может быть достигнуто за счет своевременной очистки теплообменников от инея, уплотнения дверей холодильных камер, запрета на размещение теплых продуктов сразу в холодильную камеру и др. Большое значение при разработке систем охлаждения приобретает и разумный выбор схемы системы охлаждения, выбор типа холодильного компрессора, типа теплообменных аппаратов, типа и схемы системы автоматического регулирования и др.