Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Альтернативные многокомпонентные хладагенты группы ГФУ
Хладагент R404А. Это близкозеотропная смесь R125/R143а/R134а с соотношением массовых долей компонентов 44/52/4. Температурный глайд менее 0, 5 К. В зависимости от условий эксплуатации обеспечиваются повышение холодопроизводительности на 4...5 % и снижение температуры нагнетания в компрессоре до 8 % по сравнению с аналогичными характеристиками R.502. После поступления в продажу с конца 1993г. R404А первоначально использовали в новом оборудовании, рассчитанном на низкие и средние температуры кипения. В настоящее время R404А применяют в качестве заменителя R502 при ретрофите систем. При этом необходима замена минерального масла на полиэфирное и фильтра-осушителя. Изменение состава смеси (R404А), циркулирующей в холодильной системе, может привести к ухудшению ее энергетических характеристик, особенно в схемах с ресивером или при значительной длине коммуникационных линий. Компонентом R404А служит R143а, который в чистом виде становится горючим при давлении 1 105 Па и температуре 177 °С, а в смеси с воздухом - при объемной доле 60 %. При низких температурах для возникновения горючести требуются высокие давления. Поэтому R404А также не следует смешивать с воздухом или пользоваться и допускать присутствия высоких концентраций воздуха с давлением выше атмосферного или при высоких температурах. Хладагент R407С. Торговая марка SUVA®9000. В качестве альтернативы хладагенту R22 фирма «Du Pont» для использования в системах кондиционирования воздуха разработала хладагент R407С, у которого значения давлений кипения и конденсации близки соответствующим значениям для R22 Хладагент R407С - зеотропная смесь R32/R125/R134а (массовые доли компонентов соответственно 23/25/52 %). Вначале был создан хладагент следующего состава: 30/10/60 %. Позднее с целью уменьшения пожароопасности массовые доли компонентов были изменены: 23/25/52% (R407С); 20/40/40% (R407А); 10/70/20% (R407В); 10/45/45 % (FХ40). Основное преимущество заключается в том, что при переходе с R22 на R407С не требуется значительного изменения холодильной системы. В настоящее время R407С рассматривают как оптимальную альтернативу R22 по холодопроизводительности и давлению насыщенных паров. На рынке хладагентов R407С широко представлен и покупают его в тех случаях, когда необходимо либо заменить R22 в действующем оборудовании (при незначительных изменениях), либо подобрать хладагент вместо R22 для нового оборудования. Вместе с тем большинство компаний озабочены большим температурным глайдом Dtgl = 5...7 К, характерным для R407С, поэтому массовые доли компонентов предлагаемых смесей варьируют в широких пределах. Данный недостаток значительно затрудняет обслуживание холодильных систем. Так, в системах с несколькими испарителями возможно нарушение исходной концентрации рабочего вещества, заправленного в систему. Аналогичные трудности возникают и в холодильных системах с затопленным испарителем. При использовании R407С не требуется вносить существенные изменения в конструкцию холодильной установки - приходится лишь заменить холодильное масло на полиэфирное, а также эластомеры, адсорбенты фильтров-осушителей и предохранительные клапаны. Совместимые с R407С полиэфирные масла чрезвычайно гигроскопичны. Это предъявляет жесткие требования к технологии сборки холодильной машины. Кроме того, для R407С характерны очень низкие (на 25...30 % ниже, чем для R22) значения коэффициента теплопередачи, поэтому теплообменные аппараты холодильных систем, работающих на R407С, оказываются более металлоемкими. Утечки из холодильной системы будут приводить к изменению состава хладагента и его растворимости в холодильном масле, что отразится на энергетической эффективности и условиях теплообмена в испарителе и конденсаторе. Изменение состава хладагента в процессе эксплуатации затруднит регулирование и усложнит процедуру дозаправки. Отсутствие контроля за концентрацией масла в испарителе может отразиться на эффективности протекающих в нем процессов теплообмена. Так, присутствие в рабочем веществе 0, 2 % полиэфирного масла снижает коэффициент теплопередачи R407С на 2 %. При содержании 2 % масла в хладагенте коэффициент теплопередачи уменьшается на 14 %. При более низкой температуре нагнетания и немного более высоком давлении нагнетания энергетическая эффективность R407С близка к энергетической эффективности R22. Важно, что R407С не предназначен для работы в смеси с другими хладагентами. Добавление R407С к любому другому хладагенту может вызвать существенные изменения в показателях эффективности работы холодильной системы Перед проведением операций по замене смеси традиционный хладагент + минеральное масло на смесь R407С + полиэфирное масло обращают внимание на химическую совместимость последней с пластиками и эластомерами. Как показали исследования, не существует ни одной группы эластомеров или пластиков, которая бы подходила ко всем альтернативным хладагентам. Рекомендуется перед заменой хладагента и внесением конструктивных изменений в холодильную систему по отношению к таким ее элементам, как прокладки, уплотнения и поршневые кольца, проконсультироваться с производителем оборудования. Холодильное масло подбирают с учетом трех факторов: возврата масла в компрессор; смазывающей способности и совместимости с материалами элементов холодильной установки. Для использования в сочетании с R407С рекомендуются полиэфирные масла. Производителей полиэфирных масел много, поэтому перед выбором масла необходимо проконсультироваться с представителем фирмы - изготовителя компрессора, а также другого оборудования, входящего в холодильную систему. Так, фирма «Соре1аnd» рекомендует масла «Моbil EAL Arctic 22 CC» и «ICI Emkarate RL 32 CF». Недостаток полиэфирных холодильных масел - большая гигроскопичность по сравнению с минеральными. Для поглощения влаги маслом достаточен лишь кратковременный контакт его с окружающей средой, что делает масло непригодным для использования в холодильной системе. Поскольку полиэфирное масло более предрасположено к удерживанию влаги, чем минеральное, ее гораздо труднее удалить, применяя вакуум. Поэтому рекомендуется заправлять систему полиэфирным маслом, массовая доля влаги в котором не более 50 млн -1. При помощи фильтра-осушителя соответствующего размера можно поддержать массовую долю влаги в системе на уровне менее 50 млн -1. Если содержание влаги в масле, заправленном в холодильную систему, достигает недопустимо высокого уровня, то это может привести к появлению коррозии и осаждению меди на сопряженных деталях. Хорошее вакуумирование снижает остаточные следы влаги до 10 млн -1. Систему вакуумируют до давления 0, 3 102 Па или ниже. Если неизвестно, какое количество влаги присутствует в системе, следует взять пробу масла и проверить его на наличие влаги. Обычно смотровое стекло (индикатор влаги), которое есть в действующей установке, можно использовать с новыми хладагентами и маслами. Однако индикатор влаги может давать неправильные показания. Действительный уровень влаги в масле будет выше, чем видно в смотровом стекле. Это происходит в результате высокой гигроскопичности полиэфирного масла. Так как полиэфирные смазочные масла обладают гигроскопичностью и абсорбируют воду, особое внимание следует уделять их транспортированию и хранению. Контакт этих масел с воздухом должен быть сведен к минимуму, хранить их следует в герметичных металлических емкостях. При замене во время ретрофита смеси R22 + минеральное масло на смесь R407С + полиэфирное масло для достижения эквивалентной растворимости хладагента и масла остаточное количество минерального масла в системе не должно превышать 5 % общего количества масла в системе. Допустимое остаточное количество минерального масла в холодильной системе зависит от ее конфигурации и от рабочих условий. Если в холодильном контуре появляются признаки падения интенсивности теплообмена в испарителе или наблюдается ухудшение возврата масла в компрессор, то, возможно, требуется дальнейшее снижение количества остаточного минерального масла. После проведения ряда смен масла с использованием полиэфирного масла остаточная концентрация минерального масла обычно снижается до минимального уровня. В настоящее время производителями масла разработана методика определения в «полевых» условиях содержания минерального масла в полиэфирном. Как уже было сказано, снижение эффективности работы холодильной системы может происходить из-за утечек хладагента. Если в работающей холодильной системе происходит утечка и жидкости, и пара R407С из той части, где находится парожидкостная смесь (теплообменники или ТРВ), состав оставшейся части хладагента практически остается таким же, каким он был первоначально. После дозаправки до первоначального количества хладагента в системе ее производительность восстанавливается. Однако если происходит утечка пара из парожидкостной зоны неработающей системы, состав оставшейся части хладагента изменяется. В оставшейся части повышается концентрация высококипящего компонента (R134а), концентрация низкокипящих компонентов (R32 и R125) понижается. Следствием изменения концентраций компонентов, составляющих хладагент, является изменение состава смеси R407С и зависящих от него параметров работы холодильной системы. Хладагент К507. Торговая марка «Genetron АZ50» («Allied Signal»). Состав смеси: R125 и R143а соответственно по массе 50 и 50%. Температура кипения -46, 7 °С. Молекулярная масса 98, 86 г/моль. Потенциал разрушения озона ОDР = О, потенциал глобального потенциала GWP = 3900. Хладагент разработан для ретрофита низкотемпературных холодильных систем, работающих на R502, и для заправки нового оборудования в сочетании с применением полиэфирных масел. Характеристики хладагента R507 приведены ниже: Молекулярная масса, г/моль 98, 86 Температура пара при давлении 0, 1013 МПа, °С -47, 1 Давление пара при 25 °С, МПа 1, 29 Плотность жидкости при 25 °С, кг/дм3 1, 04 Критическая температура, °С 71 Критическое давление, МПа 3, 72 Удельная теплота парообразования при давлении 0, 1013 МПа кДж/к 196 Потенциал разрушения озонового слоя ОDР О Потенциал глобального потепления HGWP 1 По характеристикам азеотропный хладагент R507 близок к R502. При использовании R507 холодильный коэффициент цикла меньше на 8... 11 %, а холодопроизводительность- на 1,..3%, чем в холодильных системах, работающих на R502. Однако более низкие (на 6...9°С) значения температуры нагнетания позволяют применять этот хладагент в тех низкотемпературных системах, где использование R502 встречает ограничения. Близкие к R502 значения плотности альтернативного хладагента R507 на входе в компрессор и степени сжатия указывают на необходимость самых минимальных изменений в конструкции действующих компрессоров. Хладагент R410А. Торговая марка SUVA®9100. Представляет собой двойную азеотропную смесь гидрофторуглеродов R32 и R125 при равных массовых долях компонентов (50 и 50 %). Потенциал разрушения озона СDР = 0. Потенциал глобального потепления НGWR = 0, 45. Он служит хладагентом, альтернативным R22, и предназначен для заправки новых систем кондиционирования воздуха высокого давления. Удельная холодопроизводительность R410А примерно на 50 % больше, чем у R22 (при температуре конденсации 54 °С), а рабочее давление в цикле на 35...45 % выше, чем у R22, что приводит к необходимости внесения конструктивных изменений в компрессор и теплообменники, а следовательно, к возрастанию капитальных затрат. Поскольку плотность R410А выше, чем R22, компрессоры, коммуникационные линии и теплообменники должны иметь меньшие размеры. В холодильных системах, работающих на R410А, рекомендуется использовать полиэфирные масла. Хладагент R508В. Торговая марка SUVA®95. Представляет собой азеотропную смесь R23 и R116 при соотношении массовых долей компонентов 46 и 54 %. Температура кипения -88, 3 °С Потенциал разрушения озона СDР = 0. Предназначен для замены R503, R13 и R23 в низкотемпературном оборудовании. В качестве холодильного масла рекомендуется полиэфирное.
Выбор холодильных агентов 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. 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 0оС. 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 tэ= - 21, 2°С при эвтектической концентрации xэ=23, 1%, для раствора MgCl2 – tэ= - 33, 6°С при xэ=20, 6%, для раствора СaCl2 – tэ= - 55°С при xэ=29, 9 %. На практике наиболее часто применяется раствор хлористого кальция. На рисунке 3.2. показана зависимость изменения температуры замерзания рассола от концентрации соли CaCl2 в воде.
Рисунок 3.2. Зависимость изменения температуры замерзания рассола от концентрации соли в воде. 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. Для получения более низких температур порядка – 90÷ – 120°С применяются производные углеводородов (хладоны) R30, R11 и др.
Таблица 3.5.Свойства водного раствора этиленгликоля.
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 изображают 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 / Tm,
где q — теплота, отнесенная к единице массы хладагента, кДж/кг; Tm — 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 = = Tm 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. При этом
а — h lqр-диаграмма; б — s T-диаграмма
Рисунок 3.3 - Изображение теплообменных процессов на термодинамических диаграммах.
температура насыщения зависит от давления. При его увеличении она повышается, а при уменьшении — понижается. Это необходимо твердо помнить для уяснения принципа действия холодильной машины. Если после подвода определенного количества теплоты и достижения хладагентом состояния насыщенного пара в точке В продолжать подводить теплоту при постоянном давлении (р = const) то этот процесс B – C будет сопровождаться повышением температуры Tc Tв. Насыщенный пар перейдет в точке С в состояние, называемое перегретым паром. Аналогично, если после окончания процесса конденсации В – А продолжать отводить теплоту, то дальнейший процесс А – D будет сопровождаться понижением температуры. Насыщенная жидкость перейдет в точке D в состояние, называемое переохлажденной жидкостью. На h, lg р-диаграмме (рисунке ) изотермы (T = const) в зоне ПЖ идут почти вертикально вверх, параллельно изоэнтальпам — линиям постоянной удельной энтальпии (h = const), а в зоне ПП — резко вниз. На s, T-диаграмме (рисунке ) изотермы горизонтальны. Изобары (р = const) в зоне ПЖ идут резко вниз и почти совпадают с пограничной кривой (х = 0), в зоне ПП — поднимаются круто вверх. Изоэнталпы (h = const) спускаются круто вниз. Линии постоянной удельной энтропии (s = const) нa s, T-диаграмме вертикальны, а на h lg р-диаграмме (рисунке )располагаются примерно под углом 450 к горизонтали. С небольшим подъемом от горизонтали идут на обеих диаграммах линии постоянного удельного объема ( = const). Большим давлениям p соответствует меньший удельный объем . Поскольку при работе парокомпрессионной холодильной машины в установившемся (стационарном) режиме давления кипения р0 и конденсации рк хладагента постоянны, количество подводимой или отводимой теплоты изображается на h, lg р-диаграмме в виде отрезка прямой линии и равно разности энтальпий в начале и конце процесса. В этом заключается достоинство h, lg р-диаграммы, которое обусловило ее широкое использование для расчета парокомпрессионных холодильных машин. Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-05-28; Просмотров: 1083; Нарушение авторского права страницы