ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ХЛАДОАГЕНТОВ И КРИОАГЕНТОВ И ИХ ТРАНСПОРТИРОВКА

 

Для осуществления процесса трансформации тепла применяются различно­го рода рабочие тела, термодинамические и физические свойства которых должны удовлетворять определенным требованиям, зависящим от ряда усло­вий: назначения установки, ее схемы, нижнего и верхнего температурных уров­ней, необходимого ресурса установки и безопасности ее обслуживания. Рабочие тела могут представлять собой как индивидуальные вещества, так и смесь веществ. В процессе работы трансформаторов тепла многие рабочие ве­щества подвергаются фазовым превращениям, то-естъ в зависимости от термо­динамических условий (Т и Р) они могут находиться в состоянии твердого тела, жидкости, пара или газа. На рис 3.1 показан общий вид зависимости между тем­пературой и давлением при фазовом равновесии (13). В характерной для каждого вещества точке кривые кипения и плавления пересекаются. В этой точке, называемой тройной, одновременно существуют все три фазы: пар, жидкость, кри­сталл.

 

 

                                                                                             

Рис. 3.1. Кривые фазовых переходов [13]

 

Различные виды установок могут работать в области пара и жидкости (парожидкостные установки), газа и жидкости (газожидкостные установки) и газа (газовые установки), В некоторых случаях (получение замороженных газов, шуги и др.) процессы метут частично проходить в двухфазных областях: твердое тело - жидкость и твердое тело - пар.

Соответственно перечисленным областям работы определяются требования к рабочим телам установок.

В качестве рабочих тел в термомеханических трансформаторах тепла при­меняется несколько групп веществ [13, 14]:

а) хладоагенты - вещества и их смеси, имеющие при давлении 0.1 МПа температуру кипения T_s =350...120 К. При температуре T_s =273...120 К хладоагенты используются в установках конденсирования воздуха и холодильных ус­тановках;

б) криоагенты - вещества и их смеси с нормальной температурой кипения T_s < 120 К;

в) абсорбционные лары веществ - рабочие агенты и абсорбенты абсорбци­онных установок (например: Н₂0 - LiBr, NH₃ – H₂O);

г) вода - использование воды в качестве хладоагента ограничивается срав­нительно высокой температурой ее тройной точки t = 0°C. При этой темпера­туре давление водяного пара очень низкое (Р=0.63 Па), а удельный объем ве­лик (V=206 м³/кг). Поэтому вода применяется, главным образом, в установках кондиционирования воздуха, где обычно температура теплоотдачика t > 0 °C. Вода как хладоагент находит основное применение в установках абсорбци­онного и эжекционного типа.

В таблице 3.1 приведены основные параметры хладоагентов, применяемых в трансформаторах тепла. До начала 90-х гг. в холодильной технике наиболь­шее применение находили фреоны - хлорфтористые углеводороды метанового и этанового рядов с частичным иди полным замещением атомов водорода хло­ром и фтором. По самой распространенной гипотезе именно огромные выбросы галогенов и привели к образованию в атмосфере озоновых дыр и утончению озонового слоя атмосферы. Согласно принятой международной конвенции ис­пользование фреонов к 2000 г. должно быть прекращено Поэтому в табл. 3.1 включены некоторые насыщенные и ненасыщенные углеводороды и их производные и также амины и эфиры, которые могут заменить фреоны в холодиль­ных установках.

 

 

Таблица 3.1

Основные параметры хладоагентов [13, 14]

Название агента или обозначение	Химическая формула	µ	tк, °С	tкр, °С	Ркр, Мпа	tпл, °С
Вода	H2O	18, 02	99, 6	374, 15	22, 6	0
Аммиак	NH3	17, 03	-33, 4	132, 4	11, 5	-77, 7
Диоксид углерода	CO2	44, 01	-78, 5	31	7, 5	-56, 6
Сернистый ангидрид	SO2	64, 06	-10, 1	157, 2	8	-75, 2
Фреон Ф-П	CFCl3	137, 4	23, 7	197, 78	4, 5	-111
Фреон Ф-12	CF2Cl2	120, 9	-29, 8	112, 04	4, 2	-155
Фреон Ф-13	CF3Cl	104, 5	-81, 5	28, 78	3, 9	-180
Фреон Ф-14	CF4	88, 01	-128	-45, 5	3, 8	-184
Фреон Ф-21	CHFCl2	102, 9	8, 9	178, 5	5, 3	-135
Фреон Ф-22	CHF2Cl	86, 48	-40, 8	96	5	-160
Фреон Ф-23	CHF3	70, 01	-82, 2	-	-	-160
Фреон Ф-30	CH2Cl2	84, 94	39, 2	235, 4	6, 1	96, 7
Фреон Ф-40	CH3Cl	50, 49	-23, 7	143, 1	6, 8	-97, 6
Фреон Ф-113	C2F3Cl3	187, 4	47, 7	214, 1	3, 5	-36, 6
Фреон Ф-114	C2F4Cl2	170, 9	3, 5	145, 8	3, 3	-94
Фреон Ф-115	C2F5Cl	154, 4	-38	80	3, 3	-106
Этан Ф-170	C2H6	30, 06	-88, 6	32, 1	5	-183
Пропан Ф-290	C3H8	44, 1	-42, 1	96, 8	4, 3	-187
Бутан	C4H10	58, 1	-0, 5	153	3, 6	-135
Пентан	C5H12	72, 1	36	197	3, 4	-131
Этилен	C2H4	28, 05	-104	9, 5	5, 2	-170
Пропилен	C3H6	42, 08	-47, 7	91, 4	4, 7	-185
Метиламин	CH3-NH2	31, 06	-6, 7	156, 9	7, 6	-92, 5
Этиламин	C2H5-NH2	45, 08	7	164, 6	5, 6	-93
Диметиловый эфир	C2H6O	46, 07	-24, 8	126, 9	5, 5	-138
Диэтиловый эфир	C4H10O	74, 12	34, 5	194	3, 7	-116
Метилформиат	HCOOCH3	60, 03	31, 2	214	6, 1	-100

 

Основные термодинамические свойства хладо- и криоагентов характеризу­ются параметрами: нормальная температура кипения tк параметры верхней кри­тической точки: давление Ркр и температура tкр; температуры плавления tпл к затвердевания; теплота парообразования Q _{п обр} и плавления Q_пл.

Наибольшее распространение в криогенной технике получили азот, кисло­род, водород и гелий [13... 15]. Криоагенты применяются в газообразном жид­ком и твердом состояниях Температурные области применення тех или иных веществ определяются в основном их теплофизическими свойствами. Разумеет­ся, в установках для получения криотемператур криоагенты находится, как пра­вило, в различных фазовых состояниях одновременно. В табл. 3.2 приведены теплофизические свойства некоторых криоагентов.

 

Таблица 3.2

Теплофизические свойства некоторых криоагентов [13]

 

Вещество	m	Т п, К в зависимости от Р при		ρ газ, кг/м3 при t=0 °C и Р атм	ρ жид, кг/м3 при Р атм	Q п обр кДж/кг При Р атм	Критические параметры
		Р атм	Р				Ркр, МПа	Ткр, К
Азот	28, 013	77.01	63, 15	1, 25046	804	199, 4	3, 59906	126, 3
Аргон	39, 948	87, 29	83, 81	1, 78394	1393	161.7	5, 42694	150.6
Водород	2, 0159	20, 38	13, 95	0, 08998	70, 8	449, 8	1, 31198	33, 19
Воздух	28, 96	78, 8	-	1, 2928	873	205, 2	3, 7743	132, 4
Гелий - 4	4, 0026	4, 215	-	0, 17846	125	20, 9	0, 229	5, 2
Гелий - 3	3, 016	3, 191	-	0, 1345	58, 9	8, 4	0, 115	3, 315
Кислород	31, 998	90, 19	54, 35	1, 42895	1142	212, 8	5, 04598	154, 6
Метан	16, 04	111, 7	90, 66	0, 7168	426	510	4, 62042	190.6
Неон	20, 183	27, 1	24, 54	0, 8999	1206	86	2, 65269	44, 6
Фтор	37, 997	84, 95	53, 48	1, 635	1500	165, 9	5, 21824	144, 3

 

Для отвода теплоты от охлаждаемого или криостатируемого объекта чаще всего предпочитают использовать сжиженные газы, так как в этом случае дос­тигается наибольшая интенсификация теплообмена. С помощью жидкости легко поддерживать и регулировать температуру криостатирования. С измене­нием давления насыщенного пара меняется и температура кипения жидкости. Таким образом, достаточно сконденсировать газ, а затем поддерживать неиз­менным давление насыщенного пара, чтобы получить соответствующую по­стоянную температуру. Регулировать температуру жидкости этим способом можно в диапазоне от верхней критической до температуры тройной точки. Допустимый интервал изменения температуры жидкости зависит от свойства вещества. Общая закономерность для сжиженных газов такова, что с пониже­нием критической температуры вещества уменьшается и область существова­ния жидкости. Однако, кислород и инертные газы выпадают из пой законо­мерности. Температуру жидкого кислорода можно изменять почти на 56 К. Для инертных (Ar, Ne) газов характерна узкая температурная область существова­ния жидкости - всего около 3, 5 К. Понижение температуры жидкости уменьше­нием давления равновесного пара нашло широкое практическое применение. При давлении в тройной точке и ниже получают криоагент в твердом состоянии (рис. 3.1).

Криоагенты удобно хранить и транспортировать в конденсированном со­стоянии. Плотности жидкостей в 600...1000 раз больше плотностей газов при этом же давлении. Поэтому системы для хранения и перевозки жидкостей по­лучаются более компактными и легкими, чем для газообразных веществ.

Часто в тех случаях, когда требуется сравнительно кратковременное охлаж­дение иди необходимо отвести небольшие количества теплоты, криоагенты привозят со стороны в специальных, изолированных от внешнего теплопритока сосудах.

Проблема хранения газа возникает из-за неравномерного его потребления предприятиями при пиковых нагрузках. В таких случаях хранилище жидкого газа - единственно целесообразный способ создания резерва. Соотношение плотностей сжиженного и газообразного азота составляет примерно 640.

Основные продукты воздухоразделительных установок - кислород и азот - также можно транспортировать в сжиженном состоянии. Для хранения и транс­портировки этих жидкостей в таре единичной вместимостью от 5 до 200 л ис­пользуют металлические сосуды Дьюара, изготавливаемые из меди или алюминиевых сплавов с полированными поверхностями.

 

Рис 3.2 Сосуды Дьюара для транспортировки и хранения сжиженных азота и кислорода (а), гелия и водорода (б) [14]

 

Сосуд для хранения и транспортировки сжиженных O₂ и N₂ (рис. 3.2, а) со­стоит из концентрично расположенных внутреннего 2 и наружного 4 шаров или цилиндров с порошково-вакуумной изоляцией 3. Фиксация оболочек осуществ­ляется фетровыми вставками. Для поддержания вакуума в межстенном про­странстве помешен адсорбент 5.

Горловина внутреннего сосуда представляет собой тонкостенную трубку, выполненную из металла с малой теплопроводностью. Сосуд снабжен двумя ручками. 1 для переноски и штуцером для откачки паров. Для специальных электротехнических и электромагнитных экспериментов, где применение ме­таллических сосудов невозможно, создаются сосуды из пластика.

Для хранения и транспортировки больших количеств жидких азота и ки­слорода применяют также цистерны объемом 1200...7580 л. и стационарные ре­зервуары типа РЦГ емкостью до 200000 л. Хранение водорода и гелия усложня­ется применением более качественной изоляции, так как при тех же притоках тепла из окружающей среды их испаряемость выше вследствие небольших теплот испарения и низких температур кипения.

В сосудах с высоковакуумной изоляцией применяют дополнительный эк­ран, охлаждаемый жидким азотом; в сосудах с порошковой или экранновакуумной изоляцией - экраны, охлаждаемые потоком испаряющегося азота.

На рис. 3.2, б показана конструктивная схема сосуда для хранения и перевозки жидких гелия и водорода. Водород или гелий заправляются через арма­турную головку 1 во внутренний сосуд 5, который помешен в сборник азота 2 с азотным экраном 3. Между сборником азота 2 и наружным кожухом 4 закла­дывается теплоизоляция. Снизу к внутреннему сосуду прикреплен адсорбент 6.

Остаточное давление в вакуумной полости составляет 10¹¹ Па. После за­ливки жидкости в сосуд и снижения температуры стенок оставшиеся газы кон­денсируются и вакуум улучшается до 10^-4 Па. Испаряемость гелия из таких со­судов составляет примерно 1% в сутки, расход азота - 3…5 л в сутки для сосуда вместимостью 40 л.

 

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться: