Діаграми холодильних агентів
Штучне охолодження в парових холодильних машинах засноване на процесі кипіння холодильних агентів за низьких температур, в результаті чого вони переходять з рідкого стану в пар, поглинаючи певну кількість теплоти. Щоб процес штучного охолодження був замкнутим і повторюваним, пара холодильного агента стискається, а потім конденсується шляхом охолодження. Таким чином, у холодильній машині відбуваються два процеси фазового переходу холодоагенту: з рідини в пару - кипіння і з пари в рідину - конденсація. Ці процеси і становлять суть роботи парової компресійної машини.
Вивчення окремих процесів, що входять до циклу парової компресійної машини, а також зв'язку між ними, їх взаємного впливу один на одного може бути спрощено при використанні термодинамічних діаграм холодильних агентів. Вміння користуватися діаграмами необхідне також контролю та аналізу параметрів діючих холодильних установок;
Малюнок 7.1 - Діаграмаi - lgPдля аміаку.
Малюнок 7.2 - Діаграмаi – lgPдля фреону-22.
налаштування приладів автоматичного контролю та регулювання; розрахунку та підбору холодильного обладнання при реконструкції та розширенні діючих установок.
Для кожного холодильного агента існують свої діаграми, але принцип їх побудови та користування ними однаковий. На рисунках 7.1 та 7.2 наведено діаграми для аміаку та хладону R-22. Найбільш часто застосовуються діаграма ентальпія-тиск (l - lgP діаграма) і діаграма ентропія-температура (S - T діаграма), з яких діаграма ентальпія-тиск найбільш зручна, і саме вона буде розглядатися надалі.
На малюнку 7.3а показано, що діаграма поділена на три зони,відокремлені один від одного кривими насиченої рідини та насиченої пари.
Зона переохолодженої рідини означає, що в будь-якій точці цієї зони холодоагент знаходиться в рідкому стані при температурі нижче температури насичення при відповідному тиску.
Зона вологої пари відповідає процесам переходу з рідини в пару або з пари в рідину. У будь-якому випадку холодоагент представлений у вигляді парорідинної суміші, званої вологою парою. Таким чином, волога пара - це суміш насиченої рідини і насиченої пари, яка знаходиться або в стані кипіння, або в стані конденсації. Температура суміші насичених пари та рідини однакова і називається температурою насичення при певному тиску насичення.
Зона перегрітої пари відображає стан пари, температура якого вище температури насичення при відповідному Р.
На прикордонних кривих, насичених рідини або пара холодоагент має параметри насичення, але при цьому є вже однорідною фазою, тобто або рідина, або пара.
При експлуатації дуже важливо відрізняти за показаннями контрольно-вимірювальних приладів переохолоджену рідину від насиченої, а перегріту пару — від вологої або насиченої пари, тому що від цього залежить ефективність та безпека роботи установки. При тому самому P насичена рідина, волога пара і насичена пара мають однакову t, переохолоджена рідина — нижчу, а перегріта пара — більш високу t. Отже, показання манометрів за всіх перелічених станах будуть однакові, а термометрів — різні [1-3, 9-13, 18, 24, 25].
Діаграма ентальпія-тиск відображає шість параметрів холодильного агента, зображених у вигляді різних ліній (рис. 7.3 б). Цифрові значення основнихпараметрів дано у питомих величинах, тобто віднесені до 1 кг холодоагенту, та проставлені на полі діаграми над відповідними кривими.
Рисунок 7.3 – Зображення у діаграмі i-lgP параметрів холодильних агентів: а – три зони фазового переходу, лінії насичення; б – криві основних параметрів.
Лінії постійних тисків ізобари проходять через усі зони горизонтально. Логарифмічний масштаб у зображенні ізобар застосований через нерівномірність шкали тисків в області вакууму та надлишкового тиску. Величина абсолютного тиску Па-10 5 або в МПа, проставлена на вертикальній шкалі зліва діаграми, позначається символом Р.
Лінії постійних температур – ізотерми – в області переохолодження проходять майже вертикально, в області вологої пари – горизонтально. Тут ізотерми збігаються з ізобарами, оскільки фазовий стан холодоагент змінює при постійних значеннях t і Р. У зоні перегрітої пари ізотерми йдуть похило вниз. Значення t в °С розташовані поруч із кривими постійної температури в зонах переохолодження та перегріву, а також на кривих насиченої рідини та пари.
Лінії постійних питомих ентальпій (постійних тепломістків) проходять вертикально. Питомою ентальпією називають повну енергію 1 кг робочого тіла, рівну сумі питомої внутрішньої енергії та потенційної енергії тиску. Важливо, що в термодинамічному процесі при постійному Р зміна питомої ентальпії дорівнює питомій кількості підведеної теплоти. Це є основою теплових розрахунків холодильного устаткування. Значення питомої ентальпії в кДж/кг проставлені на горизонтальній шкалі внизу та вгорі діаграми та позначені символом i.
Лінії постійних питомих обсягів - ізохори - позначені переривчастими кривими, що проходять в областяхвологої та перегрітої пари. В області рідини ізохори не нанесені через занадто малий обсяг рідини в порівнянні з обсягом пари, що важко показати в масштабі діаграми. Тому питомий обсяг рідкого холодоагенту за діаграмою не визначається. Його можна визначити за таблицею насиченої пари холодоагенту. Значення питомих об'ємів м 3 /кг проставлені в зонах вологої та перегрітої пари над відповідними кривими та позначені символом v. Лінії постійних питомих ентропій - адіабати - проходять через поле діаграми по діагоналі. Ентропія - функція стану термодинамічної системи, що характеризує напрямок протікання процесу теплообміну між системою та зовнішнім середовищем. Значення ентропії в кДж/(кг·К) наведені над відповідними кривими та позначені символом S.
Кожній точці на полі діаграми відповідає стан холодоагенту з певними параметрами. Якщо дві точки з'єднати лінією, вона вкаже на характер процесу, що протікає між двома станами. У деяких діаграмах холодильних агентів середня частина діаграми в області вологої пари може бути опущена, оскільки параметри холодоагентів у цій зоні не становлять інтересу для аналізу та розрахунків холодильних установок.
Основні холодильні агенти
Одним з перших робочих тіл у ХМ була вода (R718), сфера застосування якої в даний час обмежується пароструминними агрегатами. Потім стали застосовувати аміак (R717) (1874), сірчистий ангідрид (R764) (1874) - SO2, вуглекислоту (R744) (1881) - СО2, хлористий метил (1878) - СН3Сl, з 30-х років XX століття - фр фтористі та хлористі похідні вуглеводнів. При цьому вихідні вуглеводні – метан СН4 (R50) та етан С2Н6 (R170). В даний час застосовують фреони R11 (CFCl3), R12 (CF2Cl2), R13 (CF3Cl), R22(CHF2Cl), R113 (C2F3Cl3), R142 (C2H3F2Cl), R134 (C2H2F4). Скорочені позначення: для ряду метану перша цифра -1, для етанового – 11, а потім цифра, що виражає число атомів фтору, а за наявності незаміщених атомів водню для метанового ряду до першої цифри, а для етанового ряду до другої цифри додають число атомів водню.
Для аналізу екологічної доцільності застосування холодоагентів використовують такі параметри: Потенціал руйнування озону ODP (Ozon Depletion Potential). Визначається наявністю атомів хлору в молекулі холодоагенту та прийнятий за одиницю для R11 та R12.
Для холодоагентів групи хлорфторвуглеців (ХФУ) ODP ≥ 1, для гідрохлорфторвуглеців (ГХФУ) ODP 0 С, pкр = 11,29 МПа. Тиск у конденсаторі 0,8-1,3 МПа, температура 30 0 С, tплавл = -77,7 0 С. Відносно більша об'ємна холодопродуктивність, тому компресор компактний. Майже нерозчинний в маслі, добре поглинається водою, з чорним металами (чавун, сталь) у реакції не вступає, але роз'їдає в присутності вологи цинк, мідь та її сплави (за винятком фосфористої бронзи). При витоках NH3 легко виявити запахом. Шкідливий для організму, дратує слизові оболонки очей та дихальних шляхів. При вмісті понад 1% за обсягом повітря призводить до отруєння. Гранично допустима норма у виробничому приміщенні 0,02 мг/л. Аміак горючий (у повітрі погано, а в кисні добре). За наявності відкритого вогню та утримання у повітрі 13,1 – 26,8% (об'ємно) – можливий вибух. Газоподібний аміак легший за повітря, рідкий – електропровідник. Аміак – доступний, дешевий ХА, застосовується у середніх та великих поршневих машинах. Потребує суворого дотримання правил техніки безпеки. У дрібних машинах не застосовується внаслідок його отруйності та вибухонебезпечності.
Хладагент R12 (CCl2F2).Дифторхлорметан відноситься до групи ХФУ (хлорфторвуглеців CFC). Характеризується високим потенціалом руйнування озону (ODP = 1) та великим потенціалом глобального потепління (GWP = 8500). Безбарвний газ зі специфічним запахом, у 4,18 рази важчий за повітря. При об'ємній частці повітря 30 % настає задуха через нестачу кисню. Концентрація (ГДК) R12, що гранично допускається, зокрема при тривалості впливу 2 год, відповідає об'ємній частці його 38,5...30,4 %. Невибухонебезпечний, але при t > 330 °C розкладається з утворенням хлориду водню, фтористого водню та слідів отруйного газу – фосгену. Необмежено розчиняється у олії, не проводить електричний струм та слабо розчиняється у воді. Об'ємна частка вологи R12 для побутових холодильників не повинна перевищувати 0,0004 %. Зневоднений R12 нейтральний до всіх металів. Характеризується підвищеною плинністю, що сприяє його проникненню через дрібні нещільності і навіть через пори звичайного чавуну. У той же час завдяки підвищеній плинності R12 холодильні масла проникають у всі деталі, що труться, знижуючи їх знос. Оскільки R12 є хорошим розчинником багатьох органічних речовин, при виготовленні прокладок застосовують спеціальну гуму – севаніт або пароніт. У холодильній техніці R12 широко застосовувався для отримання середніх температур.
Хладагент R22 (CHClF2). Дифторхлорметан відноситься до групи ГХФУ (гідрохлорфторвуглеців HCFC). Має низький потенціал руйнування озону (ODP = 0,05), низький потенціал парникового ефекту (GWP = 1700), тобто. екологічні властивості R22 значно кращі, ніж у R12. Це безбарвний газ зі слабким запахом хлороформу, більш отруйний, ніж R12, невибухонебезпечний і негорючий. У порівнянні з R12 хладагент R22 гірше розчиняється в маслі, але легко проникає через нещільність і нейтральнийметалів. Для R22 холодильною промисловістю випускаються холодильні олії гарної якості. При температурі вище 330 °С у присутності металів R22 розкладається, утворюючи ті ж речовини, що і R12. Холодоагент R22 слабо розчиняється у воді, об'ємна частка вологи в ньому не повинна перевищувати 0,0025%. Коефіцієнт тепловіддачі при кипінні та конденсації на 25…30 % вище, ніж у R12, проте R22 має вищий тиск конденсації і температуру нагнітання (у холодильних машинах). ГДК R22 у повітрі – 3000 мг/м3 при тривалості дії 1 год. Цей холодоагент широко застосовують для отримання низьких температур у холодильних компресійних установках, системах кондиціювання та теплових насосах. У холодильних установках, що працюють на R22, необхідно використовувати мінеральні або алкілбензольні олії. Не можна змішувати R22 з R12 – утворюється азеотропна суміш.
Хладагент R134a (CF3CFH2). Молекула тетрафторетану R134а має менші розміри, ніж молекула R12, що підвищує небезпеку витоків. Належить до групи ДФУ (HFC). Потенціал руйнування озону ODP = 0, потенціал глобального потепління GWP = 1300. Фізичні властивості R134a наведено у табл. 9, а характеристики на лінії насичення – у додатку 8. Хладагент R134a нетоксичний і не займається у всьому діапазоні температур експлуатації. Однак при попаданні повітря в систему та стисканні можуть утворюватися горючі суміші. Не слід змішувати R134a та R12, оскільки утворюється азеотропна суміш високого тиску з масовими частками компонентів 50 та 50 %. Тиск насиченої пари R134a дещо вищий, ніж у R12 (відповідно 1,16 та 1,08 МПа при 45 °С). Пара R134a розкладається під впливом полум'я з утворенням отруйних і дратівливих сполук, таких як фтороводород. Має експлуатаційні характеристики, близькі до R12. ДляR134a характерні невелика температура нагнітання (у середньому на 8...10 °С нижче, ніж для R12) і невисокі значення тиску насиченої пари.
Хладагент R600a (C4H10). Вибутий являє собою природний газ, що не руйнує озоновий шар (ODP = 0) і не сприяє появі парникового ефекту (GWP = 0,001). Маса холодоагенту, що циркулює в холодильному агрегаті при використанні ізобутану, значно скорочується (приблизно на 30%). Питома маса изобутана вдвічі більше питомої маси повітря – газоподібний R600a стелиться землі. Вибутий добре розчиняється в мінеральній олії, має вищий, ніж R12, холодильний коефіцієнт, що зменшує енергоспоживання. Вибутий горючий, легко спалахує і вибухонебезпечний, але тільки при з'єднанні з повітрям при об'ємній частці холодоагенту 1,3 ... 8,5%. Нижня межа вибухонебезпечності (1,3%) відповідає 31 г R600a на 1 м3 повітря; нижня межа (8,5%) - 205 г R600a на 1 м3 повітря. Температура спалаху дорівнює 460 °С. Холодильні агрегати, що працюють на R600a характеризуються меншим рівнем шуму через низький тиск у робочому контурі, але вимагають більш продуктивні компресори (об'ємна холодопродуктивність R600a приблизно в 2 рази менше, ніж у R12)[1-3, 9-13, 18, 18 , 25].