Рабочие тела холодильных машин и их применение

Рабочие тела холодильных машин и их применение.

Под рабочим телом, или  холодильным агентом, понимают физическое тело, с помощью которого совершается  отдельный термодинамический процесс  или цикл. От характеристики рабочего тела зависит конструкция холодильной  машины и расход энергии, поэтому  при выборе учитывают его термодинамические, теплофизические, физико-химические и  физиологические свойства. В настоящее  время наиболее распространенными  рабочими телами являются аммиак, фреон, вода и воздух.

Фреоны - углеводороды, в которых  водород полностью или частично заменен галоидами, чаще всего фтором и хлором. Для фреонов ввиду  большого числа их установлены сокращенные  обозначения. Соединения без атомов водорода записываются для производных  метана цифрой 1 (после общего обозначения "фреон" или ф), к которой прибавляют цифру, указывающую число атомов фтора, например фреон-12 для CF2Cl2 и фреон-13 для CF3Cl. Для производных этана, пропана и бутана перед цифрой, обозначающей число атомов фтора, ставят соответственно цифры 11, 21, 31, например фреон-113 для C2F3Cl3. При наличии атомов водорода у дериватов метана к первой цифре, а для этана, пропана и бутана соответственно ко второй цифре прибавляют число, равное числу водородных атомов: фреон-21 для CHFCl2, и фреон-22 для CHF2Cl, фреон-351 для C4H4FC5. При замене атомов хлора атомами брома (CF3Br) применяют обозначение фреон-13В1. Существуют и другие классификации фреонов по химическому составу.

При внешних источниках с  переменными температурами для  уменьшения потерь в процессах теплообмена  желательно иметь рабочие тела с  переменными температурами кипения  и конденсации. Такими свойствами обладают неазеотропные рабочие тела, представляющие собой смесь двух или нескольких веществ с различной зависимостью давления насыщения от температуры, например смесь фреона-11 и фреона-12.

Осуществление цикла теплового  насоса в области температур выше окружающей среды вызывает повышение  давления в системе. Поэтому рабочие  тела для тепловых насосов выбирают таким образом, чтобы при высоких  температурах конденсации обеспечивалось умеренное давление конденсации. Кроме  того, рабочее тело должно обладать высоким значением объемной холодопроизводительности, а разность давлений конденсации  и кипения не должна превышать допустимых пределов.

Рабочее тело не должно быть взрывоопасным и токсичным, особенно там, где тепловые насосы применяются  для отопления общественных зданий.

В тепловых насосах с поршневыми компрессорами применяют фреон-12 и бромированный фреон Ф-12В1,который физиологически безвреден и не взрывоопасен. В турбокомпрессорных тепловых насосах большой теплопроизводительности применяют фреоны-11, 12 и 113. Наряду с чистыми рабочими телами применяют также и смеси рабочих тел, как например фреоны-142 и 142, 11и 12 и др.

Аммиак, фреон-12 и фреон-22 используются в компрессионных холодильных  машинах для получения температур кипения до (- 30; - 40) °С. В настоящее  время предпочтение отдается фреону-22, обладающему более высокой объемной холодопроизводительностью по сравнению  с фреоном-12.Фреон-12 применяют при  высоких температурах конденсации, например в тепловых насосах, так  как при одной и той же температуре  конденсации давление конденсации  у него ниже, чем у фреона-22.

Фреон-13 применяют для  получения температур кипения до (- 80; - 100) °С. При этом для уменьшения необходимых потерь при дросселировании давление конденсации снижают за счет другой холодильной машины, работающей на рабочем теле среднего давления.

Фреон-11 ввиду его малой  объемной холодопроизводительности применяют  в турбокомпрессорах относительно малой мощности.

Неазеотропные смеси, в которых происходит интенсивное поглощение (адсорбция) пара одного компонента жидкой фазой другого компонента - абсорбента, применяют в абсорбционных холодильных машинах. Другие неазеотропные смеси, например смесь фреона-11 и фреона-12, используют в компрессионных холодильных машинах. В этих машинах применяют также азеотропные смеси 500 (73,8% по весу фреона-12 и 26,2% фреона-152а), 502 (48,8% фреона-22 и 51,2% фреона-115), 501 (75% фреона-22 и 25% фреона-12) и А1 (60% фреона-124 и 40% фреона-С318).

Вода как рабочее тело используется в пароэжекторных холодильных  машинах ,где можно сжать большие объемы пара. Воздух является рабочим телом в газовых холодильных машинах.

Тепло-физические, физико-химические и физиологические свойства рабочих веществ холодильных машин

Теплофизические свойства. К  теплофизическим свойствам относятся  плотность, теплопроводность, температуропроводность, вязкость, поверхностное натяжение и некоторые другие свойства. Они влияют на интенсивность тепломассопереноса в аппаратах холодильных камер, а также на сопротивления при движении газообразных и жидких хладагентов в системе. Названные факторы определяют значения необратимых потерь в процессах тепломассопереноса и транспортировки рабочих веществ, что в конечном итоге сказывается на общей энергетической эффективности холодильных установок и их конструктивных особенностях. Для тепломассообмена в аппаратах со сравнительно высокой интенсивностью желательно иметь хладагенты с большими значениями теплопроводности, плотности, теплоты парообразования и малыми значениями вязкости.

На сопротивление при  циркуляции рабочих веществ в  системе оказывают влияние вязкость и плотность. Массовый расход циркулирующего в системе хладагента зависит  от теплоты парообразования и  уменьшается с ее ростом. Для уменьшения расхода энергии на перекачивание  хладагента в системе желательно иметь возможно большие значения теплоты парообразования и наименьшие значения вязкости.

Химические и физико-химические свойства и взаимодействие рабочих  веществ холодильных машин с  окружающей средой. Химическая стабильность хладагентов характеризуется температурой разложения, воспламеняемостью и  взрывоопасностью. Температуры разложения применяемых в холодильном оборудовании хладагентов значительно выше температур, при которых осуществляются термодинамические  циклы холодильных машин. При  использовании хладонов в регенеративных циклах температура конца сжатия не превышает 70-100 °С, при использовании аммиака — 150 °С.

Термическая устойчивость хладагентов  различна. Аммиак начинает распадаться  на азот и водород при температуре  выше 250 °С, двуокись углерода — при температуре выше 1500 °С. Термическая устойчивость хладонов достаточно высока, однако разложение этих соединений сопровождается образованием хлористого и фтористого водорода, а также следов фосгена. Начальная температура разложения хладонов повышается с увеличением содержания фтора в молекуле и зависит от материалов, в контакте с которыми они находятся. Она выше при контакте с никелем и высоколегированными сталями и уменьшается в присутствии углеродистых сталей. Хладагент R12 в присутствии железа, цинка, дюралюминия, меди начинает разлагаться при 410-430 °С, в присутствии свинца — при 330 °С, хладагент R22 в присутствии железа — при 550 °С.

Термическая устойчивость хладагентов  снижается в присутствии смазочных  масел. Минеральные масла сильнее  влияют на ухудшение термической  устойчивости, чем синтетические, применяемые  в холодильной технике. Разложение хладагентов оказывает отрицательное  влияние на надежность компрессоров, продолжительность использования  в них масла без замены.

Взаимодействие с водой  и примесями. При эксплуатации чиллеров исключительно важно обеспечить отсутствие в хладагентах воды, неконденсирующихся газов и других примесей. Содержащиеся в хладагенте примеси влияют на его термодинамические свойства, особенно при низких давлениях, повышая температуру и давление кипения. Предельные нормы содержания влаги и других примесей в хладагентах установлены ГОСТом. Аммиак и вода обладают полной взаимной растворимостью. Технический аммиак должен содержать не более 0,2% воды. Растворимость воды в жидких хладонах мала и составляет при температуре 15,6 °С в зависимости от типа хладона 0,01-0,10% (по массе). Присутствие в хладагенте нерастворенной влаги приводит к опасности образования льда в дроссельных устройствах холодильной машины. Уже небольшое количество влаги вызывает гидролиз хладонов с образованием соляной и плавиковой кислот. Образующиеся кислоты оказывают коррозионное воздействие на металлические детали холодильных машин и разрушают электрическую изоляцию встроенных электродвигателей. Наиболее часто поражаемые коррозией элементы холодильной машины — компрессор, дроссельный орган и испаритель. Чистые углеводороды (этан, пропан, изобутан) не реагируют с водой.

Основные подходу к  выбору рабочего тела холодильной машины

В связи с увеличением производства холодильных машин существенное значение имеет экономия расхода  металла. Отечественное холодильное  машиностроение создало быстроходные машины, на изготовление которых расходуется  значительно меньше металла, чем  на предыдущие конструкции. Сокращение расхода металла было достигнуто нашими ведущими конструкторами применением  высокооборотных моделей машин  с хорошо уравновешенными инерционными силами и разработкой соответствующих  конструкций клапанов.

Сокращение энергетических потерь в современных холодильных быстроходных компрессорах также имеет важное значение. На величину расхода энергии для производства холода влияет характер термодинамического цикла холодильной машины.  Из термодинамики холодильных циклов следует , чем больше совершенен действительный термодинамический цикл, тем меньше расход энергии на получении единицы холода. Вследствие этого во многих случаях при получение низких температур применяют двухступенчатое или трехступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением рабочего тела. Такие термодинамические циклы дают меньшие потери энергии, следовательно, являются более совершенными. Это сказывается и на улучшении объемных и энергетических коэффициентов компрессоров.

Проблеме сокращения энергетических потерь в действительных циклах холодильных  машин посвящен ряд работ, которые  в практической хладотехнике.

Вопрос о высокопроизводительной конструкции машин в условиях нашего народного хозяйства должен решаться на основании технико-экономического  анализа с учётом расхода энергии, металла и затрат на изготовление компрессоров и аппаратов.