А. В. Бараненко. Холодильные машины

в значительной мере влияют на эффективность АХМ при экс­

плуатации и сокращают срок их службы.

В настоящее время основным методом защиты металлов и их

сплавов от коррозии вводосолевых АХМ является ингибирование.

ВПРоМышленных бромистолитиевых машинах как у нас

встране, так и за рубежом применяют ИНГJlбиторную компози­

цию, включающую в себя хромат лития (0,18%) и гидроокись

лития (0,1 %). Хроматы относятся к классу ингибиторов, кото­

рые тормозят анодный процесс перехода ионов металла из крис­

таллической решетки в раствор. Однако они не проявляют пас­

сивирующих свойств в нейтральных средах. Это связано с тем,

что ингибирующими свойствами обладают ионы Cro42 , К6торые

при подкислении раствора переходят в бихромат ионы, не обла­ дающие защитными свойствами. Поэтому при использовании

хромата лития для создания щелочной среды в раствор вводят

ГИДроокись лития.

Наличие названной ингибиторной композиции в 55-60% -м вод­

ном растворе бромистого лития приводит К снижению скорости коррозци стали Ст.20 в жидкой фазе до 0,004-0,0009 г/(м2 • ч) при температуре 353:-403 К. Однако в паровой фазе и на грани­

це раздела фаз интенсивность коррозии выше, чем в жидкой· фазе, соответственно в два и пять раз. При этом коррозия носит пятнистый вид. Рост температуры до 433 К способствует разви­

тию точечно-язвенной коррозии во всех фазах.

В процессе эксплуатации бромистолитиевых холодильных

машин концентрация хромата лития в растворе уменьшается,

что может быть связано с его адсорбцией на поверхности метал­ ла. Недостаточная концентрация ингибитора приводит к усиле­

нию Коррозионных разрушений в жидкой фазе. Превышение на­

званных ранее концентраций хромата лития (О 18%) и гидро­

окиси лития (0,1 %) недопустимо, поскольку это 'приводит К вы­

саливанию бромистого лития из воды (т. е. уменьшению раство­

римости).

Для защиты от коррозии углеродистых сталей в среде водно­

го раствора бромистого лития предложено много других инГИби­

торов на основе неорганических и органических веществ, таких

как бихромат лития, Мышьяковистый ангидрид, соединения

свинца, трехокись сурьмы, бензотриазол и его ПРОизводные. Сведе­

ния о практическом использовании этих инги:биторов отсутству­

ют. ПО результатам исследоваНlIЙ, ВЫполненных в Санкт-Петер­

бургской государственной академии холода и пищевых техноло­ гий (СПБГАХПТ), также предложены два ингибитора для водно­

го раствора бромистого лития. Разработан метод защиты на ос­

нове 8-0ксихинолина, заключающийся в предварительной обра­

ботке металлических поверхностей в 0,5% -м водном растворе 8-0ксихинолина при 100 ос в течение 100 ч с образованием за­

щитной пленки на поверхности. Степень защиты от коррозии составляет более 95% во всех фазах раствора. Исследования про-

цессов тепломассо.переноса в аппаратах показали, что наличие

защитной пленки практически не влияет на интенсивность этих процессов. Такой метод защиты применяют на ряде холодиль­ ных станций, оснащенных абсорбционными бромистолитиевы­

ми холодильными машинами.

Высокую степень защиты углеродистых сталей (90-93%)

в среде водного раствора бромистого лития обеспечивает ингиби­

тор в составе 0,18% хромата лития, 0,1% гидроокиси лития и 0,03-0,07% пиперидина. В присутствии фторсодержащих спир­ тов степень защиты возрастает практически до 100%. Примене­ ние данного ингибитора совместно со спиртом в бромистолитие­

вых.машинах дает возможность комплексного решения задачи

защиты от коррозии и интенсификации тепломассопереноса

в аппаратах.

Поверхностно-активные вещества. Одним из методов интен­

сификации процессов тепломассопереноса в аппаратах водосоле­

вых АХМ, нашедшим практическое применение за рубежом, яв­

ляется введение в водосолевые растворы поверхностно-актив­

ных веществ (ПАВ). Этот метод при небольших расходах ПАВ обеспечивает снижение металлоемкости машин на 25-30%. В абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машинах ряда фирм CIIIA и Японии в качестве ПАВ используют изооктиловый спирт. В машинах фирмы .Карриер. (Karrier, США) концент­ рация этого спирта составляет примерно 0,1 %. Для обеспечения

интенсифицирующего действия спирта в конструкциях машин

предусмотрены специальные устройства, обеспечивающие его по­

стоянную циркуляцию с раствором, механизм удаления инерт­ ных газов предотвращает их унос из машины вместе с удаляемы­

ми газами.

Наличие ПАВ в растворе при абсорбции приводит к возник­

новению режима межфазной гидродинамической неустойчивос­

ти, что интенсифицирует теnломассоперенос. Коэффициент теп­ лопередачи в абсорбере при этом возрастает на 40-50%, а в от­ дельных случаях и больше. При конденсации водяного пара

присутствие ПАВ вызывает переход от пленочной к капельной форме конденсации и обеспечивает устойчивое ее поддержание. ,Как известно, тепломассоперенос при капельной конденсации

протекает значительно интенсивнее, чем при пленочной. Коэф­

.фициент теплопередачи в конденсаторе возрастает на 30-40 %. В процессе абсорбции водяного пара пленкой водного раство­

ра бромистого лития в присутствии ПАВ в системе теплообмен­

ная поверхность - раствор - ПАВ - водяной пар происходит сложное взаимодействие. Интенсификация тепломассопереноса

в основном определяется изменяющейся гидродинамикой сте­

кающей пленки раствора. При этом, с одной стороны, возника­ ют факторы, оказывающие положительный эффект на интенси­ фикацию тепломассопереноса, а с другой стороны - факторы отрицательного воздействия на интенсивность процесса. Возник­ новение гидродинамической неустойчивости поверхностного слоя

жидкости, проявляющееся в появлении ряби, конвективных по­

токов, волн, приводит К увеличению поверхности контакта фаз

при абсорбции, более быстрому обновлению поверхности, увели­

чению скорости движения пленки раствора и уменьшению ее

толщины. Это приводит К снижению сопротивления переносу массы и теплоты в жидкой фазе и, естественщ~, к увеличению потока массы и теплоты. К отрицательным факторам относятся дополнительное сопротивление тепломассопереносу слоя ПАВ на

межфазных поверхностях стенка - жидкость и жидкость -:- пар,

ухудшение смачиваемости теплообменной поверхности раство­ ром, диффузионное сопротивление пара ПАВ вблизи поверх­

ности абсорбции. Суммарный эффект действия положительных

факторов оказывается значительно большим, поэтому при аб­ сорбции водяного пара пленкой водного раствора бромистого лития в присутствии ПАВ наблюдается существенная интенси­

фикация тепломассопереноса.

В конденсаторах АБХМ ПАВ адсорбируется на теплообмен­

ной поверхности, что приводит к несмачиваемости ее водой. В процессе конденсации образуется слой ПАВ на всей теплооб­

менной поверхности в результате динамического равновесия,

когда часть ПАВ смывается конденсатом с поверхности, а дру­

гая часть попадает на нее вместе с паром. Несмачиваемость по­ верхности обеспечивает поддержание режима капельной кон­

денсации, что интенсифицирует тепломассоперенос.

Весьма эффективными ПАВ являются фторсодержащие спир­ ты. ПО исследованиям в СПБГАХПТ рекомендован для приме­ нения в качестве ПАВ 1Н,1Н,5Н-октафторпентанол-1. Его плот­ ность сопоставима с плотностью водного раствора бромистого лития, что упрощает обеспечение его циркуляции с раствором.

Он имеет высокую термическую стабильность, поэтому может

применяться в двухступенчатых АБХМ. Его эффективная кон­

центрация в растворе составляет 0,01-0,03%.

§2.4. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ

ИФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАБОЧИХ ВЕЩЕСТВ

ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Теплофизические свойства. К теплофизическим свойствам

относятся плотность, теплопроводность, температуропроводность,

вязкость, поверхностное натяжение и некоторые другие свойст­

ва. Они влияют на интенсивность тепломассопереноса в аппара­

тах холодильных машин, а также на сопротивления при движе­

нии газообразных и жидких хладагентов в системе. Названные факторы определяют значения необратимых потерь в процессах тепломассопереноса и транспортировки рабочих веществ, что в конечном итоге сказывается на общей энергетической эффек­ тивности холодильных машин и их конструктивных особеннос­

тях. Для тепломассообмена в аппаратах со сравнительно высо-

58

кой интенсивностью желательно иметь хладагенты с большими значениями теплопроводности, плотности, теплоты парообразо­

вания и малыми значениями вязкости.

На сопротивление при циркуляции рабочих веществ в систе­

ме оказывают влияние вязкость и плотность. Массовый расход

циркулирующего в системе хладагента зависит от теплоты паро­

образования и уменьшается с ее ростом. Для уменьшения расхо­

да энергии на перекачивание хладагента в системе желательно

иметь возможно большие значения теплоты парообразования

инаименьшие значения вязкости.

Вкачестве общей характеристики свойств рабочих веществ

для теплообмена при кипении и конденсации могут быть выбра­

ны критические параметры рабочих веществ и их молярная мас­

са. Теплоотдача при кипении и конденсации возрастает при про­

чих равных условиях по мере уменьшения Ткр И молярной мас­

сы и уменьшается с ростом Ркр при кипении и с понижением Ркр

Химические и физико-химические своиства и вза~одеис~­

вие рабочих веществ холодильных машив с окружающеи средои.

Химическая стабильность хладагентов характеризуется темпе­

ратурой разложения, воспламеняемостью и взрывоопасностью.

Температуры разложения применяемых в холодильной технике

хладагентов значительно выше температур, при которых осу­

ществляются термодинамические циклы холодильных машин.

При использовании хладонов в регенеративных циклах темпе­

ратура конца сжатия не превышает 70-100 ос, при использова­ нии аммиака - 150 ос.

Термическая устойчивость хладагентов различна. Аммиак

начинает распадаться на азот и водород при температуре Bы~e

250 ос, двуокись углерода - при температуре выше 1500 С.

Термическая устойчивость хладонов достаточно высока, однако

разложение этих соединений сопровождается образованием хло­ ристого и фтористого водорода, а также следов фосгена.. Началь­

ная температура разложения хладонов повышается с увеличени­

ем содержания фтора в молекуле и зависит от материалов, в кон­

такте с которыми они находятся. Она выше при контакте с ни­

келем и высоколегированными сталями и уменьшается в при­

сутствии углеродистых сталей. Хладагент R12 в присутствии

железа, цинка, дюралюминия, меди начинает ра~лагаться при

410-430 ос, в присутствии свинца - при 330 с, хладагент

R22 в присутствии железа - при 550 ос. На основании анализа

опубликованных данных можно заключить, что относительная

термическая стойкость хладонов уменьшается в следующем по­

рядке Rll < R21 < R113 < R22 < R12 < R114 < R115 < R318C < < R13 < R14. Хладагенты R14, R318C, R218, R846 термически

очень устойчивы, распадаются только при температуре красного каления. Наименее устойчивы к влиянию высоких температур

бромированные углеводороды. В табл. 2.2 приведены данные по

59

Т а б л и Ц а 2.2 Температура се) примевеВИJl хяадовов в ковтакте

с раЗЯИЧВldми метая.ll&МИ

рекомендуемым допустимым температурам применения отдель­

ных хладонов в зависимости от контактирующих металлов

и сплавов [41].

Термическая устойчивость хладагентов снижается в присут­ ствии смазочных масел. Минеральные масла сильнее влияют на

ухудшение термической устойчивости, чем синтетические, при­

меняемые в холодильной технике. Разложение хладагентов ока­

зывает отрицательное влияние на надежность компрессоров,

продолжительность использования в них масла без замены.

Хладагенты обладают различной степенью воспламеняемости

и взрывоопасности. 'АМ1dиак в соединении с воздухом при кон­ центрациях 16-26,8% взрывоопасен и воспламеняем. Наиболь­

шей взрывоопасностью характеризуются этан, этилен, пропан

и бутан. Так, с точки зрения воспламеняемости допустимая нор­

ма со,держания в воздухе эта,на и пропана не должна превышать

40 rjM3, этилена - 32 г/м3• Взрывоопасность и воспламеняе­

мость хладонов заметно снижается с уменьшением числа атомов

водорода в молекуле и возрастанием числа атомов хлора, фтора

и, особенно, брома. Не воспламеняются и не взрывоопасны дву­

окись углерода, R22, R23, R123, R124, R125, R134, R134a.

Взаимодействие с водой и примесями. При эксплуатации хо­ лодильных машин исключительно важно обеспечить отсутствие

в хладагентах воды, неконденсирующихся газов и других при­

месеЙ. Содержащиеся в хладагенте примеси влияют на его тер­ модинамические свойства, особенно при низких давлениях, по­

вышая температуру и давление кипения. Предельные нормы со­ держания влаги и других примесей в хладагентах установлены

ГОСТом. Аммиак и вода обладают полной взаимной раствори­ мостью. Технический аммиак должен содержать не более 0,2% воды. Растворимость воды в жидких хладонах мала и составля­

ет при температуре 15,6 ос в зависимости от типа хладона

0,01-0,10% (по массе). Присутствие в хладагенте нерастворен­

ной влаги приводит к опасности образования льда в дроссель­ ных устройствах холодильной машины. Уже небольшое количе­ ство влаги вызывает гидролиз хладонов с образованием соляной

и плавиковой кислот. Образующиеся кислоты оказывают корро-

зионное воздействие на металлические детали холодильных ма­

шин и разрушают электрическую изоляцию встроенных электро­

двигателей. Наиболее часто поражаемые коррозией элементы хо­ лодильной машины - компрессор, дроссельный орган и испа­ ритель. Чистые углеводороды (этан, ПР9пан, изобутан) не реаги­

руют с водой. Хладон R12 дЛЯ герметичных машин должен со­

держать не более 0,0004% (по массе) влаги, хладон R22 - не

более по 0,0025% (по массе). Для обеспечения безопасного уров­

ня влажности в системе холодильной машины устанавливают

фильтры-осушители. В качестве адсорбентов используют сили­

кагель, активную окись алюминия, цеолиты NaA и NaAm. Взаимодействие со смазочными маслами. Смазочные масла

применяют в компрессорах холодильных машин для создания

масляной 'пленки между трущимися деталями, уменьшающей

трение и износ; они также охлаждают детали и уплотняют зазо­

ры. Масло, находящееся в машине, должно удовлетворять тре­

бованиям по вязкости, маслянистости и стабильности при раз­

личных температурах и давлениях.

Условия работы холодильных машин диктуют к маслам сле­ дующие требования: при низких температурах из масла не долж­ ны выпадать твердые частицы парафина и оно должно оставать­

ся достаточно текучим, при высоких температурах не должно

происходить коксования и образования асфальтов и смол, масло

должно быть стабильным при многолетней эксплуатации. Вязкость

применяемых масел при 50 ос должна быть не менее 16 мм2/с.

Минеральные масла имеют более крутую вязкостно-температур­

ную кривую, чем синтетические. Так, вязкость минерального масла

ХФ-22 при изменении температуры от 20 до -20 ос возрастает в 20 раз, а синтетического масла - ХФ-22с - в 10-:-12 раз.

Температура застывания масел ниже их рабочих температур.

Для эксплуатации масел в холодильных машинах существенное

значение имеет так называемая температура помутнения, при

которой из масел выпадают тяжелые углеводороды (парафины).

Осаждение парафинов в испарителях, в узких сечениях дрос­

сельных органов нарушает работу холодильной машины. Поэто­

му температура помутнения должна быть во всех случаях ниже

, температуры кипения хладагента в испарителе. Смазочные мас­ ла должны быть тщательно осушены. Содержание воды в масле

'должно быть не более 20 частей на миллион частей масла. Обез­

воженное масло весьма 'гигроскопично, оно поглощает до 1% , воды, поэтому должно содержаться в герметичной таре и, по

возможности, меньше соприкасаться с наружным воздухом.

Рабочие вещества по-разному реагируют с маслами. Аммиак

не растворяет масло, и поэтому в аммиачных холодильных ма­

'шинах отделение масла после компрессора в маслоотделителях

сводит к минимуму возможность попадания его в теплообмен­

ные аппараты. Для хладонов, растворяющих масло, его влияние :сказывается как на термодинамических и теплофизических свой-

ствах, так и на условиях теплообмена и гидравлических сопро­ тивлениях. Наличие в хладоне растворенного масла ухудшает теплообмен при конденсации и кипении этого хладагента.

По степени взаимной растворимости с минеральными масла­

ми рабочие вещества могут быть разделены на три группы: с ог­ раниченной растворимостью, с неограниченной растворимостью; промежуточные - с ограниченной растворимостью в определен­ ном интервале температур. Вещества пер в о й г ру n n ы в состоянии насыщения растворяются в масле в небольшом коли­ честве. При увеличении количества масла смесь разделяется на два слоя - масло и холодильный агент. При большой плотности рабочего вещества слой масла всплывает, при малой - осажда­

ется. Вещества в т о рой г р у n n ы в переохлажденном

состоянии с маслом взаимно растворяются внеограниченных

количествах. В состоянии насыщения количество рабочего веще­

ства, растворяющегося в масле, зависит от температуры раство­ ра и давления пара над ним: с повышением давления и сниже­

нием температуры концентрация хладона в масле возрастает.

При постоянном давлении понижение температуры вызывает поглощение, а повышение - возгонку хладона. Вещества т р е т ь­

е й г р у n n ы при высоких температурах растворяются в масле

неограниченно. Ниже некоторой критической температуры рас­

творения раствор разделяется на два слоя. Необходимо выби­

рать масло с возможно более низкой критической температурой растворения: R22 имеет критическую температуру растворения tp•KP = 24 ос, поэтому он неограниченно растворяется в масле

при высоких температурах (в конденсаторе), а при низких тем­

пературах (в испарителе) будет расслаиваться; R12 имеет tp •KP = -45 ос, ПОЭТОму,при температурах процессов машины выше

этого значения такой хладагент обладает неограниченной рас­

творимостью.

С повышением растворимости жидкого рабочего вещества повышается и растворимость паров в масле. Концентрация мас­

ла в паре незначительна, однако парциальное давление пара в ре­

зультате его растворимости имеет более низкое· значение, чем

чистое вещество, а поэтому температура кипения жидкости, рас­

творенной в масле при том же давлении, будет выше, чем чисто­

го вещества.

Растворимость хладонов с возрастанием в соединении атомов

фтора уменьшается. Практически не растворяются в минераль­

ных маслах вещества R13, R14, R115, R22, R114, а азеотроп­ ная смесь из R152 и R12 растворяется частично (она имеет зону несмесимоСти); Rll, R12, R21, R113 растворяются неограни­

ченно. Малой растворимостью обладают фторированные углево­

дороды СзFg, C4F10 и пр.

у рабочих веществ второй группы при использовании тяже­ лых масел и при низких температурах обнаруживается зона не­

смесимости. Вещества третьей группы (R22) переходят во вто­

рую при использовании легких или синтетических масел. В том

от температуры и для некоторых веществ

показана на рис. 2.6. При расчете циклов холодильных машин

она обычно не учитывается, хотя ее следует учитывать, так как уменьшение массовой холодопроизводительности маслохладо­ нового раствора по сравнению с чистым веществом может быть

значительным.

Использование рабочих веществ, хорошо растворяющихся

в маслах (R12), приводит к необходимости установки регенера­

тивных теплообменников. В теплообменнике происходит не толь­ ко перегрев чистого пара:, а, главным образом; доиспарение ра­ бочего вещества из раствора при повышающейся температуре пара. Возможная степень регенерации зависит от концентрации

масла в веществе перед регулирующим вентилем.

Взаимодействие с конструкционными материалами. Хлад­

агенты и их растворы со смазочными маслами должны быть по

возможности химически инертны по отношению к металлам и

их сплавам, другим конструкционным материалам. Аммиак не

корродирует стали, однако в присутствии влаги вступает в ре­

акцию с цинком, медью, бронзой и другими сплавами, содер­ жащими медь. Двуокись углерода, пропан, изобутан инертны ко всем металлам. В обезвоженном состоянии хладоны инертны

ко всем металлам при температурах, в пределах которых осу­

ществляются термодинамические циклы холодильных машин.

Исключение составляют сплавы, содержащие более 2% магния. Все полностью фторированные органические соединения хими­

чески нейтральны.

Хладоны являются хорошими растворителями, поэтому мно­

гие неметаллические материалы в них нестойки. Взаимодейст­

вие хладонов с такими конструкционными материалами при­

водит ~ их набуханию, диффузии хладагентов и их потерям.

. Наиболее уязвимыми со стороны хладонов являются неметал-

лические электроизоляционные, прокладочно-уплотнительные

и другие материалы. ~тo воздействие усиливается еще и тем, что

максимальные температуры нагрева в системе изоляции в со­

временных машинах достигают 140-180 ·С. Неметаллические кон­

струкционные материалы, применяемые в хладоновых холодиль­

ных машинах, должны иметь высокую плотность во избежание утечек хладонов через поры. Для прокладок В хладоновых ма­

шинах рекомендуется применять паронит, фторопласт, специаль­

ную (нефритовую) резину, а в качестве вяжущих веществ и изо­

ляционных лаков - поливинилацетаты и полиамиды.

Взаимодействие рабочих веществ холодильных машин с ОК­ ружающей средой. Отдельные хладагенты (в основном хладоны)

являются одним из источников разрушения озонового слоя ат­

мосферы Земли. Ряд хладагентов, находясь в атмосфере, созда­ ют парниковый эффект. :qолее 95% мирового производства фрео­

нов приходится на хладагенты Rll, R12, R22, R113, R115 [90].

В России в 1993 году при выпуске 3,3 млн. бытовых холо­

дильников и морозильников использовано 5200 т озоноразру­

шающи:х веществ Rll, R12, R113) [20].

Химическая стабильность фреонов столь высока, что молеку­ лы этих веществ не разрушаются в тропосфере (нижняя часть

атмосферы высотой до 16 км) и ДОСТlJгают стратосферы (слой

атмосферы от 16 'до 45 км). Под действием ультрафиолетового

излучения происходит распад молекул фреонов с выделением

атомов хлора, которые вступают в реакцию с озоном с образова­

нием окислов и кислорода:

Cl +0з -+ СЮ + 02'

Потенциалы озоноразрушающий и парникового эффекта ши­ роко применяемых фреонов приведены в табл. 2.3 [90, 107].

В соответствии с Монреальским протоколом международной конференции по хлорфторуглеводородам 1986 года предусмотре­

но сокращение производства на 50% к середине 1993 года фрео-

т а б л и Ц а 2.3. Озоворазрушающвй потевциал и потевциал

парвиковоrо эффекта широко примеИJlемых фреовов

Т а б JI И Ц а 2.5. Отвоситет.вая озовоактиввосn.

впотевциал парвиковоro эффекта

ал.терватвввi.J:х xnaдаrевтОВ

Согласно экспертным оценкам наибольшее предпочтение от­

дается хладагентам R22, аммиаку, RI34a, R123a, углеводоро­

дам, R22/RI42a, R22/R152a, R226, R227. ДЛЯ холодильной тех­

ники вместо R12 наряду с названным R22 предложен R134a.

Ряд зарубежных фирм освоил выпуск бытовых холодильных

агрегатов с последним хладагентом.

Значения давлений R134a близки к значениям давления R12.

Исследования ПОК8.3ывают, что с точки зрения безопасности RI34a

подобен R12 и R22, однако необходимы более длительные экспе:­

рименты, чтобы это заключение могло считаться окончатель­ ным. Низкая молярная масса и высокая скрытая теплота паро­

образования, а также высокая теплопроводность (см. табл. 2.1)

создают определенные преимущества использования в холодиль­

ном цикле R134a. В то же время более высокая удельная теплоем­

кость рассматриваемого хладагента по сравнению с R12 не в его пользу. Хладагент R134a более термически стоек, чем R12, од­

нако его существенным недостатком является незначите-!lьная

растворимость в традиционно используемых холодильных маслах.

Для этого хладагента создано специальное синтетическое (поли­

эфирное) масло ХС-22. Оно обладает высокой гигроскопичнос­

тью, что въщвигает весьма жесткие требования к очистке и осушке

системы холодильного arpera'ra, осушке масла перед заправкой.

Сравнение эффективности циклов холодильных машин на

R134a и R12 показывает, что теоретически эффективность цик­ ла на R134a составляет 96-98% от эффективности цикла на R12.

При,равных температурах кипения и конденсации в цикле с R134a

по сравнению с циклом на R12 давления в испарителе и конден­

саторе ниже, отношение давлений конденсации и кипения выше,

хотя разность этих давлений меньше. При одинаковой регене­ рации удельная объемная холодопроизводительность цикла на

R134a ниже на 8-12%, а теплонапряженность компрессора не­

сколько выше. Поскольку молярная масса R134a меньше, то

будут ниже по сравнению с R12 гидравлические потери в кла­

панах поршневых компрессоров.

Наряду с R134a в мире, в том числе и в России, для бытовых

холодильников рассматриваются и другие озонобезопасные хлада­

генты. Часть имеющихсЯ предложений предусматривает снятие

требования негорючести рабочего вещества. При этом взрыво­

И пожаробезопасность обусловливаются малым количеством за­ правляемого хладагента' и обеспечиваются некоторыми измене­

ниями конструкции. Речь идет, прежде всего, о насыщенных

углеводороДах. В Европе они уже допущены к применению [2, 83].

Вполне эквивалентным заменителем R12 является азеотропная

,смесь R152a/R600a (0,8/0,2), относящаяся к группе горючих

веществ. Удельная объемная холодопроизводительность этой сме­

си на 5% ниже, чем R12, холодильный коэффициент цикла

такой же, как цикла на R12. Энергопотреблениеобытовых холо­ дильников с указанной смесью в среднем на 1О уо меньше, чем

с R12 [2]. Для заменыR12 и R502 в действующем холодильном

оборудовании фирма .Дюпон де Немур. предлагает сервисные

смеси хладагентов, включающие в себя R22, R152a, R124,R125,

R290 [83]. Они являются квазиазеотропными.

Из альтернативных хладагентов на сегодняшний день в ком­

мерческих масштабах производяТ аммиак, R22, R23, R32 и R152a

(прежде всего, для азеотропных смесей R503 и R500). Потребление хладагентов Rll, R12, R114 и R115 дО конца

,нынешнего тысячелетия, по-видимому, будет продолжаться,

поэтому важными задачами являются пов'ыениеe герметичнос­

ти холодильных машин, надежности и технического уровня обслуживания и эксплуатации, разработка и внедрение методов

регенерации и очистки 'хладагентов для повторного их исполь­

зования, сбор хладагентов в технологические емкости при ре­

монте холодильных машин.

Физиологические свойства. По степени токсичности хлада­

генты холодильных машин делятся на шесть классов. Класси­

фикация основана на опытном изучении физиологического воз­

действия паров хладагентов на подопытных животных. Опре­

делены предельно допустимые концентрации (ПДК) большинст­ ва хладагентов (табл. 2.6). Вместе с тем ПДК не в полной мере

отражает реальную опасность работы с хладагентами в произ­

водственных условиях. Так, для Rll и R12B1 ПДК равны и со­ ставляют 1000 мг/м3• Однако при 20 ос давление насыщенного пара R12B1 составляет 0,23 МПа, а Rll - лишь 0,09 МПа и со­ ответственно плотность насыщенного пара R12B1 в три с лиш­

ним раза превышает плотность пара R11. Это означает, что при

разгерметизации системы хладагент R12B1 попадает в воздух рабочей зоны быстрее и в большем количестве, чем R11. '

Рекомендуется оценивать реальную опасность отравления хлад­

агентом коэффициентом токсической опасности Кт. о (табл. 2.6),

Т а б JI И Ц а 2.6. ~редеJJЬИО допустимые коицеитрации и токсическая

опасиость xпaдareaтoB

представляющим собой безразмерную величину, полученную от­ ношением плотности пара Р20 при 20 ос к ПДК, установленной

для воздуха рабочей зоны,

Коэффициент токсической опасности показывает, во сколько

раз может быть превышена ПДК при аварийной ситуации в ре_

альных ПРОИЗВОДственных условиях. С увеличением Кт. о меры

предосторожности при работе должны повышаться.

Аммиак (R717) имеет резкий характеРI}:ЫЙ запах и раздража­

ет слизистые оболочки глаз, же.лудка, дыхательных путей, вы­

зывает спазмы дыхательных органов, ожоги кожи. Наличие его

в воздухе ощущается уже при объемной концентрации 0,0005%.

Если в воздухе содержание аммиака свыше 0,5% по объему, то

при продолжительном пребывании возможно отравление. Для

хладагентов R11, R21 смертельная концентрация составляет 10%

(по объему), для R12 и R22 - 20% (по объему). Полностью

фторированные хладоны относятся к наименее токсичным со­ единениям. Практически не токсичны R12BI, R13B1, R114B2.

§ 2.5. ВЫБОР РАБОЧИХ ВЕЩЕСТВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПОКА3АТЕЛИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Основными величинами, ограничивающи'ми температурные

диапазоны применения рабочих веществ, являются уровни дав­

лений кипения РО и конденсации Рк' а также разность этих дав­ лений. Давления РК и РО В цикле холодильной машины сущест­

венно влияют на конструкцию компрессора. Высокие давления

конденсации (конца сжатия) утяжеляют конструкцию ltОМПРес­

сора, низкие давления кипения создают вакуум в испарителе и на стороне всасывания в компрессор, что может привести к про-

никновению воздуха в систему. Разность давлений (Рк - Ро) оп­

ределяет нагрузку на рабочие элементы компрессора, поэтому

для сокращения массы и потерь на трение она должна быть

меньшей.

Важной характеристикой рабочих веществ является отноше­

ние давлений Р/РО' от значения которого зависят объемные

и энергетические коэффициенты компрессора и затрачиваемая

работа. Отношение давлений конденсации и кипения увеличи­

вается с понижением нормальной температуры кипения веществ

тн: обычно стремятся к применению веществ с более низкими

значениями ТН , так как они эффективнее по рядУ показателеЙ.

Однако это не всегда возможно, так как (Рк - РО)' Р/РО и РК

могут превысить допустимые значения. Сопоставляя значения (Рк -Ро) и объемную холодопроизводительность рабочих веществ

qv' установили, что для разных холодильных агентов в услови­

ях заданного цикла отношение

Установленная закономерность позволяет оценить размеры ком­

прессора, работающего на малоисследованном рабочем веществе. При одинаковой холодопроизводительности, числе цилинд­

ров, ходе и частоте вращения соблюдается равенство

ИЗ этого уравнения следует, что. чем ниже давления и их разность, тем больше размеры компрессора. Рабочие· вещества

низкого давления в холодильных машинах· с поршневыми ком­

прессорами не применяют, так как компрессоры будут иметь

большие размеры. .

Важной характеристикой цикла холодильной машины, влия­ ющей на мощность компрессора, является адиабатная работа, которая уменьшается с увеличением молярной массы рабочего

вещества. Эта тенденция особенно четко прослеживается для

веществ одного ряда. На значение работы компрессора влJlяет

и показатель адиабаты k. ОТ свойств рабочих веществ зависят

ГJlдравлические потери при движении паров в элементах холо­

дильной машины, влияющие на увеличение затраченной рабо­

ты. Если для одной и той же машины с применением двух рабо­

чих веществ допустимое значение потерь·давления принять оди­

наковым, то допустимая скорОсть их движения связывается за­

висимостью

Таким образом, с увеличением плоТности вещества допусти­

мые скорости должны быть меньшими.

В соответствии с зависимостью объемной холодопроизводи­

тельности рабочего вещества qv от нормальной температуры кипения ТН применение веществ с низкими ТН дЛЯ получения

одинаковой холодопроизводительности поз~оляет использовать­ поршневой компрессор с меньшим числом цилиндров или с мень­ шим их диаметром. Однако такие вещества требуют увеличения

Свойства рабочих веществ существенно влияют и на конструк­

тивные параметры центробежных Холодильных компрессоров.

К ним относятся ОТношение давлений p/l!Q' объемная холодо­

производительность qv' молярная масса М, показатель адиа­

баты и некоторые другие. Диаметр рабочего колеса D растет при увеличении М и уменьшении qv, в связи с чем для уменьшения

размеров машины следует применять вещества с более низкими

значениями Тн• Уменьшение D за счет снижения М приводит

к увеличению окружных скоростей колес и. Наибольшая величи­ на u определяется допустимым значением числа Маха М и CKO~ ростью звука по условиям входа в колесо. Поскольку М по усло­ виям выхода не зависит от рода сжимаемого вещества, величи­

на u зависит от скорости звука в рабочем веществе и понижается

с уменьшением показателя адиабаты и увеличением молярной

массы. При близких значениях числа Маха для разных рабочих

веществ можно принимать одинаковую степень повышения дав-

ления в ступени Лет' определяющую число ступеней в зависи­

мости от условий осуществления термодинамического цикла.

Применение веществ с большой молярной массой (тяжелых Be~

ществ) позволяет снизить окружную скорость колес и, а при равных Qo и qv может привести к снижению частоты вращения вала. Понижение нормальной температуры кипения вещества

способствует уменьшению численного значения отношения

давлений Р/РО' поэтому при низких ТН МОЖНО достигнуть более

низкой То в одной ступени.

Большое число рабочих веществ, потенциально возможных

. для ИСПОдьзования в холодильной технике, так же как и много­

образие их термодинамических и практичесКh:Х свойств, позво­

ляет сделать вывод о том, что найти вещество, сочетающее толь­

ко положительные качества и свойства, весьма трудно. При вы­

боре Холодильного агента необходимо проанализировать сово­

купность всех качеств и факторов, характеризующих как рабо­

ту холодильной машины, так и конструктивные особенности ее

отдельных элементов, и стремиться к уменьшению отрицатель­

ного влияния свойств вещества. Это ДОСТигается на основе тер­

модинамического анализа действительных рабочих процессов

Вопросом исследования свойств рабочих веществ и их влия­

ния на энергетические, эксплуатационные и конструктивные

·показатели и характерист~ки холодильных машин и их эле­

ментов занимались и занимается ряд отечественных ученых.

А. В. Быков разработал и предложил термодинамические ком­ плексы, позволяющие выполнять сравнительный анализ свойств

веществ в соответствии с практическими характеристиками ма­

шин. На основе его исследований при вЫборе холодильного агента можно руководствоваться следующими рекомендациями по свой­

ствам веществ, характеризующих конструктивно-эксплуатаци­

онные качества машин.

Рекомендуется выбирать вещества с минимальными значе­

ниями нормальной температуры кипения Тн' давления конден­ сации Рк; разности давлений (Рк - Ро)' отношения давлений

Р/РО' адиабатной работы laд' плотности пара Рве' всасываемого

компрессором, показателя адиабаты k. Одновременно желатель­

но иметь максимальные значения давления кипения в испари­

теле Ро и объемной холодопроизводительности.

Помимо термодинамических свойств при выборе рабочего ве­

щества определенные требования предъявляются к термической стабильности, токсичности, растворимости с маслами и водой,

взрывоопасности, горючести, стоимости и др.

Исходя из допустимой разности давлений конденсации и ки­

пения (Рк - Ро) = 1,7+ 2,1 МПа с учетом целесообразных вели­

чин Р/РО и температурных характеристик компрессоров разра­

ботаны рекомендуемые диапазоны применения наиболее распро­ страненных рабочих веществ и азеотропных смесей [86].

В соответствии с классификацией рабочих веществ и зонами

применения вещества низкого давления рекомендуется приме­

нять в машинах для кондиционирования воздуха при высоких

температурах конденсации: Rll и R113 - в машинах с центро­ бежными компрессорами небольшой производительности в одно­ и двухступенчатых циклах. Вещества среднего давления явля­ ются наиболее распространенными, применяются при темпера­

турах кипения от +1О до -80 ос в одно- И двухступенчатых цик­

лах (реже в каскадных) холодильных машин. Вещества высоко­

го давления применяются только в нижних KacKRJ;I;ax низкотем-

пературных машин. \

Аммиак (R717) применяют в компрессорах с OT~'PЫTЫM при­

водом при температурах конденсации t ~ 55 ОС, в одноступенча­

Tых машинах - до to=-30 ОС, в двухступенчатых - до t ~ -60 ОС.

Высокие значения показателя адиабаты, отношения давлений

Р/РО' повышенные требования к технике безопасности ограни­

чивают его применение. Аммиак широко используют в много­ ступенчатых центробежных компрессорах большой производи­

тельности до to = -40 ОС. Вместо аммиака применяют хладоны

R22, R502.

Хладон R12 применяют в одноступенчатых машинах всех ти­ пов при темпераryрах конденсации t ~ 75 ОС; его используют

:в верхних каскадах низкотемпературных машин при повышен-

ных температурах конденсации, он является наиболее распро­

страненным рабочим веществом в центробежных компрессорах.

Хладон R22 - основное рабочее вещество машин с поршне­

выми и винтовыми компрессорами; используется при темпера­

турах кипения от +1О до -70 ос, при температурах конденсации t S 50 ос в одно- И двухступенчатых машинах, в машинах

с центробежными компрессорами (при большой холодопроизво­

дительности).

Хладон R13 является основным рабочим веществом низко­

температурных каскадных холодильных машин (нижней ветви

каскада) для получения температур кипения не ниже -95 ос,

при использовании' в машинах с центробежными компрессора­

ми применяют до to =-11 О ОС. Более подробные сведения о дру_ гих рабочих веществах приведены в специальной справочной

литературе [86].

В холодильных машинах наряду с чистыми веществами и азео­

тропными смесями (нераздельно кипящей однородной смеси, перегоняющейся без разделения на фракции и без изменения

температуры кипения) получили применение неазеотропные

смеси, характеризующиеся различием равновесных концентра­

ций компонентов в жидкой и паровой фазах. Эти смеси не пере­ гоняются без разделения на компоненты, а кипение и конденса­

ция их происходят при переменных температурах. Изменяя

в широких пределах состав таких смесей, можно получить свой­

ства, которые в данных конкретных условиях обеспечат" наи­

высшую эффективность процессов машины: сокращают необра­

тимость процесса теплообмена при переменных температурах

источников; увеличивают холодощюизводительность; снижают температуру конца сжатия; улучшают условия циркуляции масла в системе; расширяют зону применения по температурам кон­

денсации и кипения; исключают режимы работы при ваку­

уме и т. п.

В связи с тем что отдельные широко применяемые хладаген­

ты оказывают разрушающее воздействие на озоновый слой ат­

мосферы Земли, в соответствии с Монреальским протоколом 1986 года разработана программа их замены на альтернативные

озонобезопасные хладагенты (§ 2.4).

ГЛАВА 3

ПАРОКОМПРЕССОРНЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ

Парокомпрессорные холодильные машины имеют наибольшее

применение для искусственного охлаждения в широком интер­

вале температур: 'от 278 К (одноступенчатые холодильные ма­

шины) до 113 К (каскадные холодильные машины). Их холодо­

производительность охватывает диапазон от нескольких десят­

ков ватт (домашние холодильники) до нескольких тысяч кило­

ватт (холодильные машины с центробежными компрессора~и). Основной особенностью парокомпрессорных холодильных ма­ шин является то, что рабочее вещество, совершая обратный цикл,

меняет свое агрегатное состояние и может находиться в состоя­

нии влажного, сухого насыщенного или перегретого пара, а так­

же в жидком состоянии. Основными элементами холодильной

машины являются: компрессор, конденсатор, испаритель и уст­

ройство, в KOTO~M происходит расширение рабочего вещества. Все элементы холодильных машин рассматриваются в последу­

ющих главах. Существенное влияние на выбор цикла холодиль­

ной машины имеют внешние условия, тип компрессора и тепло­ обменных аппаратов, а также рабочее вещество.

§ 3.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ И ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

ОДНОСТУПЕНЧАТЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

ХОJlодильная машина с детандером в оБJlасти ВJlажного пара. Принципиальная схема и цикл такой холодильной машины при-

Рабочее вещество в состоянии 1 поступает в компрессор 1, где

изоэнтропно сжимается до давления конденсациирк (процесс 1-2)

и направляется в конденсатор п. Следует отметить, что точка 2

должна лежать на правой пограничной кривой. После конденса­ ции за счет отвода теплоты в окружающую среду (процесс 2-3),

рабочее вещество расширяется вдетандере IП дО давления ки­

пения Ро' совершая при этом работу. Процесс расширения 3-4 также идет изоэнтропно. В состоянии 4 рабочее вещество посту­

пает в испаритель IV, rде кипит (процесс 4-1) при давлении Ро

за счет теплоты, подводимой от источника низкой температуры.

Следует особо отметить, что для конкретной холодильной маши­

ны давление кипения Ро и давление конденсации Рк з а в и с я т

только от температуры и теплоты внешних ис­ т о ч н и к о в и самоустанавливаются в зависимости от их пара­

Метров.

Пар рабочего вещества, образовавшийся при кипении, посто­

JlHHO Ьтсасывается компрессором.

тр

Рис. 3.1. Схема и теоретический цикл одвоступенчатой ХОЛОДИJIЫlой

машивы с детавдером

При условии постоянства температуры внешних источников

и бесконечно малой разности температур в процессе теплообме­ на рабочего вещества с этими источниками рабочее вещество будет

совершать обратный цикл Карно, коэффициент обратимости ко­

торого равен единице.

Теплота, которая подводится к рабочему веществу в испари­

теле, 'называется холодоttроизводительностью холодильной ма­

шины Qo' а отнесенная к 1 кг рабочего вещества - удельной

массовой холодопроизводительностью qo' которая на диаграмме s-T соответствует площади m-4-1-n, или

На диаграмме i-p уде,Дьная массовая холодопроизводитель­

ность эквивалентна отрезку 1-4.

Удельная работа l , затрачиваемая в компрессоре, на диаграм­

ме в-Т эквивалентнаКплощади 1-2-3-0-1, а на диаграмме i-p -

отрезку 1-2, т. е.

(3.2)

Удельная теплота, отводимая от р. Jочего вещества в конден­ саторе, определяется на диаграмме а-Т как площадь m-3-2-n,

Удельная внешняя работа, совершаемая рабочим веществом при расширении в детандере,- это на диаграмме а-Т площадь

Так как в компрес~оре работа затрачивается, а вдетандере - совершается, то удельная работа, которую необходимо затратить

Площадь на диаграмме а-Т, которая эквивалентна работе цик­

ла, определится из соотношения lц = lK - lд сп пл. 1-2-3-0-1-

пл. 0-3-4 = пл.1-2-3-4.

К такому же выводу можно прийти другим способом:

Холодильная машина с дроссельным вентилем и всасы­

ванием сухого насыщенного пара. На рис. 3.2 показаны прин­

ципиальная схема такой машины и ее циклы на а-Т- и i-p-

диаграммах, рабочие процессы которой идут следующим обра­ зом: 1-2 - сжатие рабочего вещества в компрессоре 1, 2-3 - охлаждение и конденсация рабочего вещества за·счет отвода теп­

лоты в окружающую среду в конденсаторе 11, 3-4 - расшире­ ние рабочего вещества в дроссельном вентиле 111, 4-1 - кипе­

ние рабочего вещества за счет подвода теплоты от источника

низкой температуры в испарителе 1V.

В рассматриваемом цикле по сравнению с предыдущим рас­ ширение с совершением внешней работы заменено дросселиро­

ванием, что привело к появлению внутренней необратимости.

Всасывание в компрессор сухого насыщенного пара явилось при­ чиной того, что температура нагнетания (точка 2) стала выше температуры окружающей среды, поэтому появился внешне не­ обратимый процесс охлаждения рабочего вещества 2-Ь.

Для имеющихсявнешних условий обратимым циклом будет

цикл 1-а-Ь-с-4, в котором 1-а - изоэнтропное сжатие, а-Ь -

изотермическое сжатие, остальные процессы также обратимы.