9 Азеотропные и не азеотропные смеси рабочих вещ-в. Принципы выбора вида х/а.

В настоящее время известно около ста различных холодильных агентов. Самыми распространенными из них являются: воздух, вода, аммиак, диоксид углерода, чистые углеводороды (пропан, метан, изобутан и др.), хлор – фтор – бромпроизводные углеводородов (хладоны) и другие вещества. В некоторых машинах целесообразно применение азеотропных и неазеотропных смесей холодильных агентов. Азеотропные смеси представляют собой однородный раствор хладонов, кипящий при постоянной температуре. Кипение неазеотропной смеси происходит при изменяющейся температуре, так как сначала выкипает низкотемпературный, а затем высокотемпературный компонент раствора. Азеотропные смеси имеют номера от 500 до 600. Неазеотропные смеси обозначаются номерами от 400 до 499 или дробными числами с процентным содержанием компонентов в скобках (например, смесь хладонов 22 и 12 с концентрацией соответственно 75% и 25%, обозначается R22/12 (75/25). Выбор хладагента для конкретной холодильной машины — одна из важнейших инженерных задач. При этом учитывают назначение машины, ее холодопроизводительность, условия эксплуатации, стоимость хладагента и разнообразие его свойств. В современной отечественной и зарубежной практике наибольшее применение в стационарных холодильных машинах большой холодопроизводительности для получения температур от 0 до -40°С нашел аммиак. Это связано с его хорошими термодинамическими свойствами и низкой стоимостью. В холодильных машинах малой холодопроизводительности, в бытовых холодильниках, а также транспортных установках используют фреоны. При температурах кипения от -10 до -25°С предпочтение пока отдают R12 из-за его более низкой стоимости и доступности по сравнению с R22, а также более низкой температуры конца сжатия в компрессоре. R22 применяют главным образом в низкотемпературных машинах при температурах кипения ниже -25°С. Наиболее предпочтительным для низкотемпературных одноступенчатых машин малой и средней холодопроизводительности является R502. К сожалению, отечественная химическая промышленность не выпускает его в нужном объеме . Применение фреонов в машинах большой холодопроизводительности сдерживается из-за их текучести (способности проникать через мельчайшие неплотности) и высокой стоимости.

10 Классификация рабочих веществ В холодильных машинах рабочими веществами являются холодильные агенты и хладоносители. Хладоносители являются промежуточными рабочими веществами, которые передают теплоту от охлаждаемого объекта к холодильному агенту. В какой-то мере к рабочим веществам можно отнести и смазочные масла, так как они циркулируют вместе с хладагентами по системе и значительно влияют на рабочие характеристики холодильных машин. Промежуточные хладоносители Вещества, с помощью которых теплота передается от охлаждаемых объектов к холодильному агенту, называются промежуточным хладоносителями или теплоносителями. Для охлаждаемых объектов они являются хладоносителями, а для испарителей холодильных машин – теплоносителями. Хладоносители бывают твердые, жидкие и газообразные. К твердым хладоносителям можно отнести водный лед, эвтектический лед, льдосоляную смесь, конструкционные материалы и т.д. Газообразными хладоносителями являются в основном воздух и специальные газовые смеси. Специальные газовые смеси имеют небольшую концентрацию кислорода и повышенную концентрацию азота и углекислого газа. Они используются редко для длительного хранения отдельных видов экзотических фруктов в герметичных камерах фруктоовощехранилищ. Системы охлаждения с использованием воздуха рассматриваются отдельно и носят название систем воздушного охлаждения. В холодильной технике под промежуточными хладоносителями, как правило, понимаются жидкие хладоносители. К жидким хладоносителям предъявляются следующие требования: большие теплопроводность и теплоемкость; низкая температура замерзания; малые вязкость и плотность; химическая инертность к конструкционным материалам; безвредность для человека; низкая стоимость и другие. В настоящее время пока не существует идиального хладоносителя. В наибольшей степени вышеперечисленным требованиям отвечает вода. Однако она имеет высокую температуру замерзания 0^оС. Поэтому вода широко используется в системах кондиционирования воздуха и для охлаждения технологических аппаратов, когда необходимо получить температуру выше 0°С. Для получения более низких температур используются водные растворы солей и этиленгликоля, спирт, высококипящие хладоны и другие вещества. Температура замерзания водных растворов солей (рассолов) зависит от вида применяемой соли и ее концентрации. Для приготовления рассолов применяются хлористый натрий (NaCl), хлористый магний (MgCl₂), хлористый кальций (CaCl₂) и другие соли. Чем больше концентрация соли в воде, тем ниже температура замерзания раствора. Однако существует предельная концентрация соли, превышение которой не ведет к снижению температуры замерзания, а наоборот – к повышению температуры замерзания раствора. Такие температура и концентрация называются эвтектическими или криогидратными, а раствор называется эвтектикой. Для водного раствора NaCl эвтектическая температура t_э= - 21,2°С при эвтектической концентрации x_э=23,1%, для раствора MgCl₂ – t_э= - 33,6°С при x_э=20,6%, для раствора СaCl₂ – t_э= - 55°С при x_э=29,9 %. Большим недостатком рассолов является их коррозирующее действие на металлы, особенно в присутствии воздуха. Уменьшить коррозию металлов можно добавлением в хладоносители ингибиторов и пассиваторов. Эти вещества образуют на металлических поверхностях защитную пленку, замедляющую процесс коррозии. В качестве ингибиторов и пассиваторов используют хромат натрия (Na₂CrO₄), хромат калия (K₂CrO₄), бихромат натрия (Na₂Cr₂O₇*2H₂O) с едким натром (NaOH), двуметаллический фосфат натрия (Na₂HPO₄*12H₂O) и другие. Применяя пассиваторы необходимо иметь нейтральный или слабощелочной раствор с рН = 8-9. Для увеличения кислотности рассол обогащают углекислым газом. Снизить кислотность можно раствором свежегашеной извести [Са(ОН)₂].При увеличении концентрации соли возрастают вязкость и поверхностное натяжение раствора, что приводит к повышению гидравлических потерь в аппаратах и рассольных трубопроводах. Для снижение энергозатрат на привод рассольных насосов в растворы иногда добавляют высокомолекулярные соединения – поверхностно активные вещества (ПАВ) в небольших количествах (0,03 – 0,07 %). Кроме рассолов в холодильной технике в качестве промежуточных хладоносителей используются водные растворы этиленгликоля [C₂H₄(ОН)₂], пропиленгликоля [C₃H₆(ОН)₂], трихлорэтилена (С₂НCl₃) и др. Из указанных хладоносителей наиболее часто применяется водный раствор этиленгликоля, у которого лучшая корозионная стоикость, меньшая токсичность, большая удельная теплоемкость. Его недостатком является высокая стоимость (примерно в 5 раз выше, чем у рассола). В таблице 3.5. показаны физические свойства водного раствора этиленгликоля. Этиловый спирт в качестве промежуточного хладоносителя применяется главным образом в медицинских учреждениях для замораживания плазмы крови. Выбор хладоносителей В холодильных установках крупных холодильников промышленности и торговли в качестве хладо носителей используют в основном рассолы : водные растворы хлористого натрия NaCl и хлористого кальция СаСl2. Последний предпочтительнее из-за более низкой температуры замерзания и меньшей коррозионной активности. Однако он дороже, чем NaCl. Для снижения коррозионной активности в рассолы добавляют специальные ингибиторы, например, кальтозин. Для специальных целей, где требуется хладоноситель с особо низкой температурой, используют этиленгликоль, трихлорэтилен или дихлорметан (R30). Однако их стоимость значительно выше стоимости рассолов. Термодинамические диаграммы Теоретические циклы холодильных машин и зображают на термодинамических диаграммах, которые позволяют лучше понять принцип действия холодильных машин. Термодинамические диаграммы, кроме того, служат теоретической базой для расчета холодильных машин в целом и,их отдельных элементов. Наиболее распространены диаграммы энтальпия — давление (h, lgp-диаграмма) и энтропия — температура (s, T-диаграмма). Первую применяют для тепловых расчетов, вторую — для анализа термодинамической эффективности циклов. При этом используют следующие простые измеряемые параметры: - температуру t в °С или абсолютную температуру T в К; - давление p в Па или производных единицах (1кПа=10³Па, 1МПа= 10⁶, Па= 10,2кгс/см2 = 10бар); - удельный объем в м³/кг; - плотность = 1/ в кг/м³, т. е. величину, обратную удельному объему. Кроме простых измеряемых параметров, используют также сложные расчетные параметры: - энтальпию h в кДж; - энтропию S в кДж/К. Энтальпия h — это полная энергия рабочего вещества (хладагента), зависящая от его термодинамического состояния. На диаграммах и в расчетах применяют обычно удельную энтальпию h в кДж/кг, т.е. отнесенную к единице массы хладагента. Удельную энтальпию можно выразить как h = u + p , где u — внутренняя энергия холодильного агента, кДж/кг; p — абсолютное давление, Па; — удельный объем, м³/кг. В этом выражении слагаемое pv представляет собой потенциальную энергию давления p. Она расходуется на совершение работы. Значения h, зависящие от принятого на конкретных диаграммах или в таблицах начала отсчета, в разных источниках (учебниках, справочниках) могут не совпадать при одних и тех же значениях t и p. Энтропия S — это также расчетный параметр, являющийся функцией термодинамического состояния хладагента, характеризующий направление протекания процесса теплообмена между хладагентом и внешней средой. На диаграммах и в расчетах пользуются удельной энтропией s в кДж/(кг К), т. е. отнесенной к единице массы хладагента. Интерес обычно представляет ее изменение s = q / T_m , где q — теплота, отнесенная к единице массы хладагента, кДж/кг; T_m — средняя абсолютная температура в течение процесса теплообмена, К. На h, Igp и s, T-диаграммах (рисунок 5.1) из точки К, соответствующей критическому состоянию хладагента, расходятся две так называемые пограничные кривые, разделяющие поле диаграммы на три зоны: переохлажденной жидкости (ПЖ), парожидкостной смеси (Ж + П) и перегретого пара (ПП). Если на h, lgp-диаграмме провести линию постоянного давления (p = const) —изобару, а на s, T-диаграмме линию постоянной температуры (T = const) — изотерму, то они пересекут пограничные кривые в точках A и В. В точке A хладагент находится в состоянии насыщенной жидкости, а в точке В — насыщенного пара. Фазовый переход от жидкости к пару на диаграммах идет слева направо. При подводе теплоты (энтальпия и энтропия возрастают) переохлажденная жидкость, до­стигнув состояния насыщения в точке А, начинает кипеть. По мере дальнейшего подвода теплоты содержание жидкости в единице массы хладагента уменьшается, а содержание пара увеличивается и в точке В достигает 100 %. Образуется насыщенный пар. Паросодержание х хладагента на левой пограничной кривой равно 0, а на правой 1. Состояние при х = 1 называют также сухим насыщеным паром, чтобы подчеркнуть, что пар не содержит частиц жидкости в отличие от влажного пара, представляющего собой смесь пара и жидкости (П + Ж). Фазовый переход от пара к жидкости на диаграммах идет справа налево. При отводе теплоты происходит процесс конденсации хладагента. Он начинается в точке В и заканчивается в точке А. На h,lg р-диаграмме разность значений энтальпий h в точках A и B будет равна величине r в кДж/кг, которую в зависимости от направления процесса (от А к В или от В к А) называют удельной (скрытой) теплотой парообразования или удельной теплотой конденсации. На s, Т-диаграмме величине r будет соответствовать площадь (заштрихованная) под процессом A – B,так как r = = T_m параметры, соответствующие состоянию хладагента на левой пограничной кривой (х = 0) обозначают с одним штрихом, а на правой (х = 1) — с двумя. Таким образом, r = h - h . В процессах кипения и конденсации давление и температура насыщения остаются неизменными, так как подводимая или отводимая теплота расходуется на изменение агрегатного состояния хладагента.

11. Теоретические циклы в области влажного пара. Функциональная схема одноступенчатой паровой холодильной машины с циклом сжатия в области сухого переменного пара и дросселированием насыщенной жидкости.

С хема и цикл с расширением и сжатием в области влажного пара.

У дельная холодопроизводительность q_o = Пл.14аб1 = h₁ – h₄.

Схема и цикл с дросселированием и сжатием влажного пара.

Схема и цикл одноступенчатой холодильной машины с сжатием в области влажного пара и дросселированием.

Схема и цикл холодильной машины с регенеративным теплообменником.