насыщения хладагента будет выше температуры теплоприѐмника ТК > TВ. Таким образом, за счѐт затраченной работы в компрессоре, повышается

потенциал тепла, т.е. теплота, воспринятая хладагентом от теплоотдатчика, поднимается на более высокий температурный уровень.

Сжатый и сильно нагретый хладагент в состоянии сухого насыщенного пара нагнетается компрессором I в конденсатор II, через который непрерывно проходит соответствующее количество охлаждающей воды. Так как температура поступающего из компрессора I хладагента более высокая по

отдавая тепло qК теплоприѐмнику (охлаждающей воде), конденсируется.

сравнению с температурой, проходящей через конденсатор II воды, то между хладагентомСЕВМАШВТУЗи водой возникает теплообмен. В результате чего, хладагент,

Этот процесс в конденсаторе II протекает при постоянном давлении PК и температуре ТК. Заметим, что охлаждающей воде хладагент передал не только теплоту, которая отведена им от теплоотдатчика q0, но и теплоту

эквивалентную работе l, затраченной на сжатие хладагента: qК q0 l . Далее жидкий хладагент поступает в детандер III, где адиабатно

расширяется до давления P0, совершая полезную работу lД. За счѐт производства некоторой работы lД хладагент охлаждается до температуры Т0 и тем самым приводится в состояние, при котором приобретает способность к восприятию тепла от теплоотдатчика. Работа, полученная в детандере lД может быть использована для сжатия хладагента в компрессоре: l lК l Д ,

где lК – работа необходимая для сжатия хладагента в компрессоре до давления PК.

4.2 Реальная установка

Машина, осуществляющая обратный цикл Карно, является воображаемой. Этот идеальный цикл не может быть воспроизведѐн в действительных условиях и имеет значение только для совершенствования реальных машин. Рассматривая идеальную машину, мы указывали, что при осуществлении искусственного охлаждения, обязательными посредником в передаче тепла от холодного тела к тѐплому, является рабочее вещество – хладагент. До сих пор хладагент рассматривался не как конкретное вещество, а как идеальный газ, и игнорировались его свойства, так как холодильный коэффициент идеального цикла от природы вещества не зависит. Однако в действительном процессе участвуют вполне определѐнные рабочие вещества с различными термодинамическими свойствами. В действительных условиях работы холодильной установки вместо детандера применяется дроссельный вентиль, в котором протекают другие термодинамические процессы. Не учитывалось также влияние мѐртвого пространства в компрессоре, трение и многие другие явления, которые присутствуют в реальных установках.

Таким образом, действительный процесс значительно отличается от обратного цикла Карно. Наиболее существенными особенностями,

22

характеризующими действительный процесс парожидкостной холодильной установки, являются следующие:

компрессионной установки показаны на рис.9.

23

повышается с Т0 до Т.

Из-за трения и необратимого теплообмена процесс сжатия в компрессоре 1-2 не совпадает с идеальным процессом сжатия 1-2'.

Из компрессора пар поступает в конденсатор //, где в результате отвода тепла к теплоприемнику происходят охлаждение рабочего агента и конденсация пара – процесс 2-3.

Жидкий хладагент при давлении PК и температуре ТК проходит через охладитель ///, где в результате отвода тепла во внешнюю среду температура

жидкого хладагента снижается с ТК до ТОХЛ = Т4 – процесс 3-4. СЕВМАШВТУЗПосле охладителя жидкий хладагент проходит через дроссельный

вентиль IV. Проходя через суженное живое сечение дроссельного вентиля, находящегося на границе между областью высокого PК (конденсатор или охладитель) и низкого P0 (испаритель) давлений, хладагент неравномерно расширяется, и его давление понижается. В данном случае расширение хладагента не сопровождается отдачей работы, так как она поглощается трением и превращается в тепло, воспринимаемое холодильным агентом. Та часть теплоты, которая пошла на частичное испарение хладагента, проходящего через дроссельный вентиль, взята от самого агента. Поэтому дросселирование протекает при i=const – процесс 4-5. Процесс дросселирования сопровождается понижением температуры хладагента.

После дроссельного вентиля охлажденный рабочий агент в виде влажного пара с большим содержанием жидкой фазы, имея давление Р0 и соответствующую ему температуру Т0, проходит через отделитель жидкости, в котором производится отделение жидкой фазы от паровой.

Затем жидкий агент вновь поступает в испаритель VI, где к нему подводится тепло q0 от теплоотдатчика.

Ниже рассмотрены наиболее существенные черты реального холодильного процесса.

4.2.1 Холодильные агенты

Холодильный коэффициент машины, работающей по обратному циклу Карно, не зависит от природы рабочего вещества, поэтому теоретически, в качестве хладагента могут быть использованы многие вещества. Вполне естественно было бы в холодильной машине применить вещества наиболее доступные, широко распространѐнные в природе, например воду. Однако свойства водяного пара таковы, что холодильная машина будет весьма громоздкой и в ней создастся глубокий вакуум. Так, например, при температуре кипения агента –10˚С и конденсации 25˚С, давление в испарителе будет 0,00294 ата3, а удельный объѐм пара 451 м3/кг; в конденсаторе – давление 0,0324 ата, а удельный объѐм агента 43,4 м3/кг.

3 1 ата = 1 кгс/см2 = 98067 Па. Атмосферное давление равно 101325 Па; в расчѐтах приближѐнно принимают 0,1 МПа.

25

Таким образом, в действительных условиях из множества веществ, возможных для использования в качестве хладагента, следует изыскивать и применять вещества, которые удовлетворяют всем термодинамическим и практическим требованиям. В реальных условиях экономичность работы холодильной установки, еѐ конструкция и размеры в сильной степени зависят

изготовлении при умеренном давлении хладагента в конце сжатия в компрессоре и конденсаторе. Чем ниже давление, тем меньше можно сделать толщину стенок цилиндра, крышек и других деталей, тем самым снижается вес и расход металла; кроме того, уменьшается возможность утечек агента через неплотности системы.

Если в испарителе поддерживается вакуум, в систему может проникнуть воздух, а вместе с ним влага. Воздух в системе отрицательно сказывается на режиме работы машины: повышает давление, уменьшает холодопроизводительность установки, вызывает образование ледяных пробок в системе, чем нарушает циркуляцию хладагента. Поэтому желательно поддерживать в испарителе давление несколько выше атмосферного.

Второе требование выражает собой условие компактности установки. При большем значении скрытой теплоты парообразования r хладагента, а следовательно, и удельной холодопроизводительности в системе можно ограничиться меньшим количеством холодильного агента. Чем меньше

26

удельный объѐм пара υ, тем меньший общий объем, он займѐт. Таким образом, чем меньше отношение r , тем меньше будут размеры

холодильной установки.

Если хладагент характеризуется высокой температурой замерзания, то нельзя получить достаточно низкие температуры, необходимые для осуществления технологических процессов или для охлаждения помещений. Критическая температура агента должна быть достаточно высокой по сравнению с температурой охлаждающей воды или воздуха, иначе агент не

будет конденсироваться. СЕВМАШВТУЗСтепень термодинамического совершенства выражается отношением

холодильного коэффициента реальной холодильной установки, работающей на данном хладагенте, к холодильному коэффициенту обратного цикла Карно. Чем выше это отношение, тем экономичнее и совершеннее машина, тем меньше она отличается от идеальной холодильной установки. Поэтому это требование следует считать одним из наиболее важных.

Хладагент низкой вязкости с меньшим сопротивлением проходит по трубопроводам системы, через щели клапанов и другие участки машины. Высокий коэффициент теплопроводности агента и его низкая вязкость обусловливают высокую эффективность работы теплопередающих аппаратов

– охлаждающих батарей, испарителя, конденсатора.

Трущиеся части холодильной машины внутри системы смазываются маслом, поэтому агент непосредственно соприкасается с ним. Предпочтительно применять те хладагенты, которые плохо растворяются в масле, иначе нарушается режим работы холодильной машины (изменяется температура кипения агента, которая зависит от концентрации в хладагенте масла), в испарителе образуется пена, ухудшающая теплопередачу и т.д.

Хладагентам с повышенной растворимостью в них воды отдаѐтся предпочтение, так как в противном случае попавшая в систему вода может замѐрзнуть в испарителе и тогда нарушается работа холодильной машины.

Основные требования к хладагентам показывают сложность выбора рабочего вещества для практического использования в холодильной технике, так как такое вещество должно удовлетворять комплексу показателей термодинамического, физико-химического, физиологического и экономического характера. Современная холодильная техника пока не знает хладагента, который удовлетворял бы всем перечисленным требованиям, и изыскание новых агентов, которые возможно в большей степени отвечали бы этим требованиям, является весьма актуальной задачей.

Рассмотрим некоторые из наиболее распространѐнных хладагентов. Аммиак NH3 широко применяется в поршневых компрессионных, а

также в абсорбционных установках при температуре испарения Т0>-70˚C. Предельная область его использования определяется температурой тройной

точки Тт.т.=-77,7˚С.

Основные преимущества аммиака: малый удельный объем при

27

температурах испарения в основной области его использования, большая теплота парообразования, легкость обнаружения утечек благодаря острому запаху, незначительная растворимость в масле. Аммиак не оказывает коррозирующего воздействия на сталь, но в присутствии воды разъедает цинк, медь, бронзу и другие медные сплавы, за исключением фосфористой бронзы.

К недостаткам аммиака относятся его ядовитость, а также взрывоопасность и горючесть при определенных концентрациях в воздухе.

относительно безвредна. Недостатком ее как хладагента является низкая

критическая температура Ткр= + 31˚С при сравнительно высоком критическом давлении Ркр=7,5МПа.

Двуокись углерода применяется главным образом в установках для выработки сухого льда (твердой двуокиси углерода).

Значительное применение находят хладоны (фреоны) – галоидопроизводные предельных углеводородов. Все они химически инертны, малоили не взрывоопасны.

Галоидные соединения насыщенных углеводородов СnН2n+2, полученные путем замены атомов водорода атомами фтора, хлора, брома (CхH2n+2FyClzBru), чрезвычайно многочисленны, что позволяет получить широкий спектр их свойств. Числа молекул отдельных составляющих, входящих в эти химические соединения, связаны зависимостью

Двуокись углерода СО2 нейтральна к металлам, негорючая, СЕВМАШВТУЗ

x+y+z+u=2n+2 (2.23)

Сокращенное обозначение хладона строится по форме RN, где N – номер фреона (двухили трехзначное число).

Первая цифра в двухзначном номере или первые две цифры в трехзначном обозначают тот насыщенный углеводород СnН2n+2, на базе которого получен фреон.

Установлены следующие цифры: 1 – СН4 (метан); 11 – С2Н6 (этан); 21 – С3Н8 (пропан);

31 – С4Н10 (бутан).

Справа пишется число атомов фтора (у) в хладоне:

СF2С12 – R12; C3F4C14 – R214; СС14 – R10; С3С18 – R210.

При наличии в хладоне незамещенных атомов водорода их число добавляется к числу десятков номера:

CFC13 – R11; CF2Cl2 – R12; CHFC12 – R21; CHF2Cl – R22; C3F4C14 – R214;

C3H2F4C12 – R234.

При наличии в хладоне атомов брома после основного номера пишется буква «В», а за ней число атомов брома:

CF2Br2 – R12В2.

Изомеры группы этана С2Нn имеют одинаковые числовые обозначения и

28

различаются строчной буквой в конце номера. Только изомер с наиболее симметричной молекулой не имеет буквы в конце номера. Например:

C2F2C14=CFC12CFC12 – R112; C2F2C14=CF2C1CC13 – R112а.

Степень симметричности молекулы определяют, суммируя атомные массы элементов, соединенных с каждым из атомов углерода. Чем меньше разность полученных значений, тем более симметрична молекула. В вышеприведенном примере в хладоне R112 молекула симметрична, а во фреоне R112а разность атомных масс групп элементов, соединенных с

отдельными атомами углерода, составляет 16,1% атомной массы молекулы. СЕВМАШВТУЗПо вышеуказанному методу определяются также номера углеводородов.

Поскольку в углеводородах отсутствуют атомы фтора, то последней цифрой в номерах углеводородов ставится нуль. Например, этан С2Н6 или СН3СН3 обозначается R170.

Обозначения циклических углеводородов и их производных начинаются с буквы С. Например:

C4F6C12 – RC316.

В обозначение ненасыщенных соединений включается дополнительная цифра 1, записываемая в начале номера. Например:

C2F3C13 или CF2C1CFC12 – R113; C2F3C1 – R1113.

В обозначениях смесей хладонов указываются названия составляющих и их массовые доли. Например, смесь, состоящая из 90% R22 и 10% R12, записывается так: R22/12 (90/10) или R22/R12 (90/10).

Рассмотрим характерные особенности наиболее распространенных хладонов:

R11 – СFС13, R21 – CHFC12, R113 – С2F3С13, R114 – C2F4C12.

Они имеют высокую нормальную температуру кипения ТS, поэтому очень удобны для теплонасосных установок.

Они характеризуются также малой удельной объемной холодопроизводительностью qv, поэтому их применяют главным образом в турбокомпрессорных установках. Все эти хладоны малотоксичны.

Хладоны R12 – CF2C12 и R22 – CHF2C1 наиболее распространены в современных компрессионных автоматизированных холодильных установках. Они широко применяются в поршневых компрессионных установках при температуре испарения Т0 ≥-40°С и в турбокомпрессионных установках при Т0 ≥-60˚С. Агенты малотоксичны и в отсутствие влаги коррозии металла не вызывают.

Низкотемпературные хладоны R13 – CF3C1 и R14 – CF4. Они используются главным образом в нижней ступени каскадных холодильных установок и в рефрижераторах, работающих на смесях агентов; практически совершенно безвредны.

Исключительно важное значение для практического использования имеют требования нетоксичности, невзрывоопасности и негорючести рабочего вещества, так как при работе установок не исключены утечки

29

рабочего тела в помещение.

По степени безвредности хладагенты принято делить на шесть классов. Чем выше класс безвредности, тем слабее физиологическое воздействие агента на человеческий организм и тем менее он опасен для обслуживающего персонала.

Наиболее ядовитые агенты относятся к низшим классам безвредности:

1 класс – сернистый ангидрид SО2; концентрация этого агента в воздухе от 0,5 до 1 % по объему приводит к смертельному исходу через 5 мин; поэтому он практически вышел из употребления;

3классСЕВМАШВТУЗ– R10, R20, метилформиат С2Н4О2; при концентрации этих агентов в воздухе от 2 до 2,5% по объему смерть наступает через 1 ч;

4класс – дихлорэтален, бромистый винил С2Н3Вr, R30, R160; при концентра-,R22,

воспламеняющихся хладагентов приведены в таблице 1 и 2.

30

подписана Конвенция, а в 1986г. в Монреале принят Протокол, который предусматривает запрет на применение некоторых хладагентов. Монреальский протокол рекомендует преимущественно применять вместо озоноактивных следующие хладагенты (см. таблицу 3).

Таблица 3 Основные заменители озоноактивных хладагентов

неклассифицированных холодильных установках допущено применение сервисных смесей CУВА МР39 (R401A) и МР66 (R401B) фирмы ―Дюпон‖ (США) и сервисной смеси С10М2 АОЗТ ―Астор‖ (г. Санкт-Петербург).

Большое число хладагентов, потенциально возможных к использованию, так же как и многообразие их термодинамических и практических свойств, позволяет сделать вывод о том, что найти вещество, сочетающее только положительные качества и свойства, весьма трудно. При выборе хладагента необходимо проанализировать совокупность всех качеств и факторов, характеризующих как работу холодильной установки, так и конструктивные особенности ее отдельных элементов.

Вопросом исследования хладагентов и их влияния на энергетические, эксплуатационные и конструктивные показатели и характеристики холодильной машины занимается ряд отечественных ученых. Установлены закономерности, связывающие между собой отдельные свойства хладагентов, разработана теория термодинамического подобия веществ, выполнен анализ, связывающий свойства вещества с термодинамической эффективностью циклов.

Термодинамические свойства хладагентов на линии насыщения представлены в Приложении. Эти таблицы используют в тепловых расчѐтах

процессов. С этой же целью применяют диаграммы состояния: T,s и P,i.

32