Давление насыщения хладагентов.

«Таблица 1»

t, 0C	P, МПа
Сернистый ангидрид SO2	Аммиак NH3	Углекислый газ CO2	Фторхлорпроизводные углероды типа CmHxFyClz	Хлористый метил CH3Cl
Фреон-12	Фреон-22
-40 -30 -20 -10 +20 +30 +40	0,0216 0,038 0,0636 0,101 0,155 0,33 0,46 0,63	0,0716 0,1191 0,19 0,29 0,43 0,856 1,165 1,55	1,005 1,485 1,96 2,64 3,46 5,74 7,16 ---	0,0642 0,1 0,151 0,22 0,309 0,566 0,744 0,96	0,106 0,164 0,246 0,355 0,498 0,916 1,2 1,545	0,048 0,0771 0,017 0,174 0,251 0,488 0,66 0,87

Пары этих хладоагентов в паровых компрессорных установках имеют высокую степень влажности, поэтому закон PV=RT не применим и в расчетах используют таблицы и графики.

Идеальным циклом для паровых компрессорных установок является обратимый цикл Карно. Для легкокипящих хладоагентов вместо адиабатного расширения для удобства регулирования используется дросселирование насыщенного пара или кипящей жидкости через дроссельный вентиль.

 

Принципиальная схема парокомпрессорной установки

Рис. 3.1. Принципиальная схема парокомпрессорной установки:

1 – компрессор; 2 – охлаждаемое помещение (рефрижератор); 3 – дроссельный

вентиль; 4 – конденсатор.

Рис. 3.2. Холодильный цикл парокомпрессорной установки

 

Процессы:

(1-2) – сжатие по адиабате влажного пара в компрессоре и получение сухого насыщенного или перегретого пара. Степень перегрева не более 130-140⁰С из соображений прочности и термостойкости масла. Из компрессора (1) перегретый пар поступает в конденсатор (4);

(2-3) – отдача теплоты перегрева при постоянном давлении от перегретого пара к охлаждающей воде с понижением температуры до Тн₂.

(3-4) – отдача теплоты при конденсации влажного насыщенного пара, переводящей его в состояние кипящей жидкости (точка 4). Эта жидкость подается к 3 – дроссельному вентилю;

(4-5) – дросселирование кипящей жидкости (при I=const) с понижением давления и температуры и превращение во влажный насыщенный пар с небольшой степенью сухости х₅=0,1…0,2;

(5-1) – влажный насыщенный пар подается в рефрижератор, где при подводе теплоты от помещения при постоянном давлении и температуре, он расширяется и увеличивает степень сухости х до 0,9…0,95 (точка 1) далее этот пар засасывается в компрессор.

Если парокомпрессорные холодильные установки обслуживает несколько потребителей холода, то влажный насыщенный пар подается после дросселя не в рефрижератор, а в испаритель, где отнимает теплоту от незамерзающего рассола: обычно это водные растворы хлорида натрия NaCl и калия KCl (так 22,4% раствор NaCl замерзает при температуре –21,2⁰С). Рассол с помощью насосов циркулирует между испарителем и охлаждаемым помещением.

Удельная холодопроизводительность (или холодильный эффект) – это количество теплоты q₂, получаемой 1 кг хладоагента от охлаждаемого помещения (рассола).

 

(3.1)

Количество теплоты, отдаваемой в конденсаторе 1 кг хладоагента:

(3.2)

Внешняя работа, затрачиваемая на 1кг хладоагента в цикле парокомпрессорных холодильных установок:

(3.3)

При дросселировании большая часть кинетической энергии потока после сужения из–за наличия вихревых движений переходит в теплоту, которая воспринимается газом (или паром) и ведет к увеличению энтропии , а рабочее тело не возвращается в первоначальное состояние (по Р и Т), несмотря на равенство скоростей и энтальпий. Таким образом, процесс дросселирования, будучи по существу адиабатным, является типично необратимым процессом с потерей энергии (диссипацией) на преодоление местного сопротивления.

Графическое изображение дросселирования (4 - 5) имеет условный характер (i=const только в начальном и конечном состояниях, а между ними i переменна).

Положение точки 5 на рис. 2 устанавливается из условия , откуда равно .

Здесь:

Точка 7 – условно принята за начало отсчета i.

Если в качестве холодильного агента использовать низкокипящую жидкость, то, располагая часть цикла в двухфазной области (ВНП), можно заменить в значительной степени изобарные процессы – изотермическими.

Если вместо дросселирования использовать адиабатное расширение (в детандере – расширительном цилиндре) 4-6, а влажный насыщенный пар в компрессоре сжимать только до состояния сухого насыщенного пара, то получим обратимый цикл Карно – идеальный цикл парокомпрессорных холодильных установок.

Детандер эффективнее (больше холодильный эффект), чем дроссельный вентиль, но с помощью дроссельного вентиля можно регулировать температуру охлаждения.

Рис.3.3. Обратимый цикл Карно в парокомпрессорных установках

Внешняя работа в обратном цикле Карно получается меньше на величину площади 5-5’-6’-6 (рис.2) – потери энергии на диссипации при дросселировании.

 

Давление дросселирования хладоагентов для получения

tн₁ = -10⁰C при tн₂ = +20⁰С.

«Таблица 2»

Р, МПа	NH3 аммиак	СО2 углек. газ	SO2 сернистый ангидрид	Фреон-12 с Cl2F2
P2 (максимальное в компенсаторе и конденсаторе)	0,856	5,74	0,33	0,566
Р1 (в рефрижераторе или испарителе)	0,29	2,64	0,101	0,22
q2, кДж/кг
ε	7,6	5,7	8,7

Обозначение:

ε – холодильный коэффициент – отношение удельной холодопроизводительности q₂ к внешней работе А.

(3.4)

,

– показатель энергетической эффективности.

Для холодильной установки, работающей по обратному циклу Карно:

 

Таким образом, установка с сернистым андигридом SO₂ будет экономичнее установки на аммиаке NH₃, хотя q₂(NH₃)>q₂(SO₂).

Для получения весьма низких температур (-40…-70⁰С) одноступенчатые парокомпрессорные холодильные установки непригодны из-за снижения η компрессора вследствие высоких температур в конце процесса сжатия. Для этих целей применяют либо специальный холодильный цикл, либо многоступенчатое сжатие.

 

Требования к хладоагентам:

1. Давление насыщения при tн₁ (Р₁) должно быть больше атмосферного давления, чтобы исключить подсос воздуха (с утечками хладоагента бороться проще). Подсос воздуха вреден, т.к.:

· уменьшается теплопередача в конденсаторе и испарителе;

· водяные пары воздуха могут замерзнуть в трубках испарителя или раствориться в смазке компрессора, вызывая повышение температуры ее замерзания;

2. Давление Р₁ не должно быть высоким из-за сложности обеспечения герметичности в испарителе (рефрижератор). СО₂ – хуже (при tн₁ Р₁ = 2,64 МПа);

3. Холодильные агенты должны иметь большую теплоту парообразования (конденсации), т.к. она определяет холодопроизводительность (малая теплота у углекислого газа и фреонов);

4. Рабочее давление Р₂ (на выходе из конденсатора) должно быть значительно ниже критического (Ркр), а критическая температура хладоагента должна быть высокой. С этим плохо у углекислого газа СО₂ (t_кр = 31,35⁰С);

5. Хладоагенты не должны вызывать коррозию и разрушать смазку;

6. Хладоагенты должны быть безвредны при неизбежных утечках.

Фреоны – галоидные производные насыщенных углеводородов (С_mH_n), полученных путем замены атома водорода (Н) атомами хлора и фтора.

Обозначение фреонов: Последняя цифра – дописанное (а не прибавленное) число атомов фтора. 1 или 1 и 2 цифра – условное число углеводорода (для метана (m=1) – 1, для этана (m=2) – 11, для пропана (m=3) – 21). Число незамещенных атомов водорода суммируется с первой или первыми двумя цифрами.

Фреон 11 (CFCl₃) – монофтортрихлорметан;

Фреон 12 (CF₂Cl₂) – дифтордихлорметан;

Фреон 22 (CHF₂Cl) – дифтормонохлорметан;

Фреон 114 (С₂F₄Cl₂) – тетрафтордихлорэтан;

Фреон 142 (С₂H₃F₂Cl) – дифтормонохлорэтан и т.д.

На практике под термином «фреон» понимается фреон – 12.

Достоинство фреонов: безвредность, химическая инертность, негорючесть и взрывобезопасность.

Недостатки: способность к утечкам (малая вязкость) и растворение в масле (смазке).

Перспективные хладоагенты: фреон-22 и фреон-142.

 

 

4. Принцип работы абсорбционной холодильной установки (АХУ)

Абсорбция – поглощение пара жидким веществом – абсорбентом (температура пара может быть меньше температуры абсорбента) с выделением теплоты.

В принципиальной схеме абсорбционной холодильной установки генератор заменяет нагнетательную часть компрессора парокомпрессорной холодильной установки (ПКХУ), а абсорбер – всасывающую часть парокомпрессорных холодильных установок. Остальное – совпадает.

 

Рис.4.1. Схема водно-аммиачной абсорбционной установки:

1 – генератор; 2 – конденсатор; 3 – дроссельный вентиль; 4 – испаритель; 5 – насос; 6 – перепускной вентиль; 7 – охлаждаемое помещение; 8 – абсорбер; 9 – змеевик с охлаждающей водой; 10 – насос.

Примерные параметры рабочего тела на схеме нанесены для наглядности.

 

Требования к абсорбентам:

· Достаточная скорость поглощения хладоагента;

· Температура кипения абсорбента должна быть намного больше температуры кипения хладоагента при том же давлении.

Наиболее распространены установки, где хладоагентом служит аммиак, а абсорбентом (поглотителем) – вода.

Аммиак хорошо растворим в воде, например при 0⁰С в одном объеме воды растворяется до 1148 объемов парообразного аммиака с выделением теплоты растворения примерно 1220 кДж/кг.

· В генераторе (1) происходит выпаривание насыщенного аммиачного раствора при подогреве его водяным паром. При этом отгоняется легкокипящий компонент - аммиачный пар с небольшой примесью паров воды.

Давление увеличивается, т.к. при данной температуре t=20⁰С Pнас=0,88МПа.

Для поддержания концентрации аммиака постоянной, выпаривание хладоагента компенсируется подачей его из абсорбера (8) с помощью насоса (10).

· Сухой насыщенный (х≈1) аммиачный пар в конденсаторе (2) превращается в жидкость (х=0);

· В дросселе (3) жидкость аммиака превращается во влажный насыщенный пар (х≈0,28) с уменьшением давления и температурой;

· В испарителе (4) влажный насыщенный пар аммиака за счет отбора теплоты от рассола превращается в сухой насыщенный пар(х≈1);

· В абсорбере сухой насыщенный пар аммиака поглощается водой;

· Слабым раствором аммиака, подаваемым из генератора через пропускной вентиль (6), теплота экзотермической реакции абсорбции отводится охлаждающей водой змеевика (9).

 

Холодильный коэффициент:

(4.1)

,

где:

q₂ – количество теплоты, получаемое 1кг хладоагентом в испарителе (холодопроизводительность);

q₁ – количество теплоты, затраченное в генераторе на выпаривание хладоагента.

Сравнить ε парокомпрессорной и абсорбционой холодильных установок нельзя (), т.к. затрачиваются различные виды энергии.

Два метода получения холода лучше сравнить по приведенным холодильным коэффициентам:

(4.2)

,

где:

q₂ – холодопроизводительность;

q_T – расход теплоты топлива (на 1кг хладоагента).

Оказывается, что при температуре использования от –15 до –20⁰С, ε_пр будет больше у абсорбционных холодильных установок, чем у парокомпрессорных холодильных установок. Пар для генератора берут из паровых турбин и паровых котлов.

 

 

5. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПАРОЭЖЕКТОРНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

Достоинства воды как хладоагента: высокая теплота парообразования (в 2 раза больше чем у аммиака и в 10 раз больше, чем у углекислого газа), безвредна, безопасна и дешева.

Недостаток воды – нельзя использовать в парокомпрессорных холодильных установках, т.к.:

· Для получения низких температур насыщения нужно создавать очень низкие давления, при которых удельные объемы (V) очень велики. Например, при 0⁰С и давлении Р=0,6кПа V”=206 м³/кг);

· Можно использовать только выше температуры тройной точки (0,01⁰С). (При температурах ниже температуры тройной точки двухфазная смесь состоит не из пара и воды, а из пара и льда).

Пароэжекторные холодильные установки применяют в агрегатах для кондиционирования воздуха и в качестве хладоагента, в них используется вода. Воздух для промышленных и жилых зданий обычно охлаждается до температуры 12⁰С.

 

Рис.5.1. Принципиальная схема пароэжекторной холодильной установки:

1 – насос; 2 – испаритель; 3 – дроссельный вентиль;

4 – конденсатор; 5 – насос; 6 – эжектор; 7 – охлаждаемое помещение;

8 – теплообменник

 

Холодная вода (хладоагент) в трубах теплообменника (8) отнимает теплоту от помещения (7) и нагревается и подается в испаритель. В испарителе (2) с помощью эжектора (6) поддерживается глубокий вакуум (≈1,4 кПа), поэтому вода испаряется, температура ее понижается, и она снова насосом (1) подается в теплообменник (8). Процесс повторяется.

Пары воды из испарителя (2) отсасываются эжектором (6), сжимаются в его дозвуковом диффузоре (расширяющейся части сопла) и выбрасываются в конденсатор (4), откуда конденсат насосом (5) поддается в паровой котел, снабжающий паром при Р=0,4-0,6МПа эжектор (6). Пополнение водой испарителя (2) идет через дроссельный вентиль (3).

Холодильный коэффициент:

(5.1)

,

где:

q₂ – холодопроизводительность;

q1 – количество теплоты на получение 1 кг свежего пара в котле.

ε ≈ 0,7…0,8,

Недостаток пароэжекторных холодильных установок – большой расход охлаждающей воды в конденсаторе (4), т.к. охлаждается не только хладоагент, но и рабочий пар, подводимый к эжектору.

Изучается возможность использования вместо воды фреона-113 (С₂F₃Cl₃), что понизит температуру охлаждения.

 

 

6. Принцип работы теплового насоса

Тепловой насос (трансформатор теплоты) – это установка, с помощью которой можно передавать энергию от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой для отопительных и технологических нужд.

Любая холодильная установка является по существу тепловым насосом. Например, в парокомпрессорной холодильной установке теплота отбирается от охлаждаемого помещения и передается воде конденсатора, которая может использоваться потребителем.

(6.1)

,

- коэффициент преобразования (трансформации) теплоты (отопительный коэффициент).

Где:

q₁ – количество теплоты, передаваемое нагреваемому объему;

А – работа, подведенная в цикле и затрачиваемая на привод компрессора или другого аппарата, осуществляющего сжатие хладоагента.

В пароэжекторных и абсорбционных холодильных установках подводится не работа, а теплота.

Вспомним, что , тогда ,

	(6.2)

Для реальных тепловых насосов Ψ = 3…4

Таким образом, тепловой насос отличается от холодильной установки только назначением: схемы и теоретические циклы их практически одинаковы. В тех случаях, когда попеременно требуется охлаждение (летом) и нагрев (зимой) целесообразно совмещать холодильную установку и тепловой насос: вместо двух компрессоров и двух дросселей совмещенная установка будет иметь по одному.

Есть и химические способы трансформации теплоты.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная:

1. В.Н. Диденко, О.И. Варфоломеева. Фазовые переходы. Методическое пособие.

-Ижевск, 2003.

2. Кудинов В.А., Карташов Э.М. Техническая термодинамика. - М.: Высшая школа, 2000. - 262 с.

3. Теплотехника./Под ред. Луканина В.Н. - М.: Высшая школа, 1999. - 672с.

4. Лариков Н.Н. Теплотехника. - М.: Стройиздат, 1985. -432с.

5. Рабинович – Сборник задач по термодинамике.

Дополнительная:

1. Болгарский А.В., Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. -М.: Высшая школа, 1975. - 496 с.

2. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: Высшая школа,

1982.

 

Учебное издание

Диденко Валерий Николаевич