Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Теоретические основы холодильных машин
КУРС ЛЕКЦИЙ
Могилев 2005
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
МОГИЛЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРОДОВОЛЬСТВИЯ
Кафедра теплохладотехники
Холодильные машины
конспект лекций
для студентов механических специальностей
дневной и заочной формы обучения
Могилев 2005
УДК 664.7
Рассмотрены и утверждены
на заседании кафедры
теплохладотехники
Протокол № 4 от 22.11.2005г.
Составитель к. т. н., доцент В.П. Зыльков
Рецензент старший преподаватель. В.И. Сидоров
УО «Могилевский государственный университет продовольствия»
СОДЕРЖАНИЕ с
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР 7
1.1. Параметры состояния вещества.............................. 7
1.2. Основные законы термодинамики ............................ 9
1.3. Термодинамические основы холодильных машин. 11
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР........... 14
2.1. Фазовый переход........................................... 14
2.2. Дросселирование........................................... 16
2.3. Адиабатное расширение..................................... 18
2.4. Вихревой эффект.......................................... 19
2.5. Термоэлектрический эффект................................. 20
2.6. Адиабатное размагничивание................................ 22
2.7. Десорбция газов........................................... 23
3. РАБОЧИЕ ВЕЩЕСТВА ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН 24
3.1. Классификация рабочих веществ............................. 24
3.2. Свойства холодильных агентов.............................. 25
3.4. Выбор холодильных агентов................................. 45
3.5. Промежуточные хладоносители............................... 45
3.6. Выбор хладоносителей...................................... 47
3.7. Термодинамические диаграммы............................... 48
4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАТНЫХ ЦИКЛОВ 52
4.1. Классификация обратных циклов............................. 52
4.2. Необратимые потери обратных циклов........................ 54
4.3. Выбор обратимого цикла.................................... 59
4.4. Методы сокращения необратимых потерь...................... 61
4.5. Связь прямого и обратного циклов.......................... 63
4.6. Эксергетический анализ обратных циклов.................... 64
5. СХЕМЫ И ЦИКЛЫ ПАРОВЫХ КОМПРЕССИОННЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН.... 68
5.1. Классификация паровых компрессионных холодильных машин 68
5.2. Одноступенчатые холодильные машины........................ 68
5.3. Двухступенчатые холодильные машины........................ 74
5.4. Трехступенчатые холодильные машины........................ 81
5.5. Каскадные холодильные машины.............................. 83
6. СХЕМЫ И ЦИКЛЫ ГАЗОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН 86
6.1. Классификация газовых холодильных машин................... 86
6.2. Детандерные замкнутые холодильные машины.................. 87
6.3. Детандерные разомкнутые холодильные машины................ 89
6.4. Вихревые холодильные машины............................... 91
7. СХЕМЫ И ЦИКЛЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН........ 93
7.1. Теоретические основы термоэлектричекого охлаждения........ 93
7.2. Взаимосвязь термоэлектрических эффектов................... 94
7.3. Эффективность применения термоэлектрического охлаждения 97
ВЫВОД 99
ЛИТЕРАТУРА..................................................... 100
Введение.
Любое вещество состоит из мельчайших частиц, которыми являются молекулы. Они связаны между собой силами взаимного притяжения и отталкивания и поэтому находятся в непрерывном движении. Как все движущиеся вещества, имеющие массу, молекулы обладают кинетической энергией движения. Кроме этого молекулы обладают и потенциальной энергией, обусловленной их силами сцепления и взаимного расположения. Сумма кинетической энергии хаотического движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия называется внутренней энергией вещества.
В природе энергия от одного тела к другому может передаваться с помощью механического или теплового взаимодействия. При механическом взаимодействии тел передача энергии осуществляется за счет работы механических или электромагнитных сил. Тепловое взаимодействие обусловлено передачей энергии хаотическим движением молекул за счет теплопроводности или теплового излучения.
Количество энергии, переданное или полученное при тепловом взаимодействии тел, называется количеством теплоты или просто теплотой. Увеличение средней скорости хаотического движения молекул вызывает повышение кинетической энергии, а значит и увеличение внутренней энергии вещества. Уменьшение средней скорости хаотического движения молекул вызывает снижение кинетической энергии, а значит и уменьшение внутренней энергии вещества. Повышение или уменьшение внутренней энергии влияет на относительную нагретость вещества, т.е. не его температуру. При подводе к веществу теплоты его внутренняя энергия возрастает, вещество нагревается и температура повышается. Отвод теплоты от вещества приводит к уменьшению его внутренней энергии, охлаждению и снижению температуры.
Теплота – это одна из форм передачи энергии. Она может быть преобразована в другие виды энергии, например в механическую или электрическую. И наоборот, все виды энергии могут быть превращены в тепловую энергию.
Физическая природа теплоты и холода одинакова. Теплота и холод условные понятия относительно какой-либо фиксированной температуры. Например, для двигателя автомобиля атмосферный воздух с температурой +30 оС является холодным, а человеком он воспринимается как теплый.
К низкотемпературному диапазону относится диапазон температур от температуры окружающей среды до температуры абсолютного нуля. В свою очередь он делится на область умеренного холода и область глубокого холода.
1. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
Вещества обычно пребывают в одном из трех основных состояний: в виде газа, жидкости или твердого тела. Одно и то же тело, одно и то же вещество при разных условиях может находиться в различных состояниях. В заданных неизменных условиях рассматриваемое вещество всегда будет находиться в одном и том же состоянии, например при атмосферном давлении и температуре 400° С вода будет существовать только в виде пара, но никак не в виде жидкости или твердого вещества.
Для того чтобы определить конкретные физические условия, при которых рассматривается вещество, и тем самым однозначно определить состояние рассматриваемого вещества, вводятся удобные характеристики состояния вещества — так называемые параметры состояния.
Свойства вещества могут быть интенсивными и экстенсивными. Интенсивными называются свойства, не зависящие от количества вещества в системе (давление, температура и некоторые другие).
Свойства, зависящие от количества вещества, называются экстенсивными. Примером экстенсивных свойств является объем, который изменяется в данных условиях пропорционально количеству вещества: объем 10 кг вещества будет в 10 раз больше, чем объем 1 кг.
Удельные, т. е. отнесенные к единице количества вещества, экстенсивные свойства приобретают смысл интенсивных свойств. Так, например, удельный объем, удельная теплоемкость и т. п. могут рассматриваться как интенсивные свойства. Интенсивные свойства, определяющие состояние тела или группы тел — термодинамической системы, называют термодинамическими параметрами состояния тела (системы) .
Наиболее удобными и поэтому наиболее распространенными параметрами состояния являются абсолютная температура, абсолютное давление и удельный объем (или плотность) тела.
Одним из важнейших параметров является абсолютная температура. Температура характеризует тепловое состояние тела. Как хорошо известно из опыта, тепло может самопроизвольно переходить лишь от более нагретых тел к менее нагретым, т. е. от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой. Таким образом, температуры тел определяют направление возможного самопроизвольного перехода тепла между этими телами.
Измерение температуры производится, например, с помощью термометров. Поскольку физические свойства веществ в большей или меньшей степени зависят от температуры, то в качестве термометра может быть использован прибор, основанный на точном, легко воспроизводимом измерении таких свойств вещества.
Каждый прибор, используемый для измерения температуры, должен быть отградуирован (оттарирован) в соответствии с твердо установленной температурной шкалой. В настоящее время применяются различные температурные шкалы — Цельсия, Фаренгейта, Реомюра.
Наиболее употребительной является международная стоградусная температурная шкала (шкала Цельсия), в которой интервал температур от точки плавления льда до точки кипения воды при атмосферном давлении разбит на сто равных частей (градусов).
Особо важную роль в термодинамике играет так называемая термодинамическая шкала температур.
Другой важный параметр состояния — абсолютное давление — представляет собой силу, действующую по нормали к поверхности тела и отнесенную к единице площади этой поверхности. Для измерения давления применяются различные единицы: паскаль (Па) а также бар, так называемая техническая атмосфера или просто атмосфера (1 кгс/см2), миллиметр ртутного или водяного столба.
Удельный объем вещества представляет собой объем, занимаемый единицей плотности вещества. Удельный объем v связан с массой тела G и его объемом V следующим очевидным соотношением:
Удельный объем вещества обычно измеряется в м3/кг или в см3/г. Плотность
измеряется обычно в кг/м3 или г/см3.
Иногда употребляется понятие удельного веса вещества. Под удельным весом понимается вес вещества в единице его объема. В соответствии со вторым законом Ньютона плотность и удельный вес вещества связаны между собой соотношением
где g — ускорение свободного падения.
При отсутствии внешних воздействий на систему состояние чистого вещества однозначно определено, если заданы два интенсивных независимых параметра. Любой другой параметр является однозначной функцией двух заданных параметров. Если, например, рассматривается водяной пар при температуре 250° С и давлении 98 кПа (10 кгс/см2), то удельный объем такого пара может иметь только одно значение (=0,2375 м3/кг). Таким образом, удельный объем данного вещества определяется величиной давления р и температуры Т, т. е.
v = f(p, T)
Поскольку все параметры состояния «равноправны» с точки зрения определения состояния вещества, то температура вещества будет однозначно определена соотношением
Т = (Р, v),
а давление — соотношением
р={Т, v)
Таким образом, любые три параметра состояния (например, р, v и Т) чистого вещества однозначно связаны между собой. Уравнение, связывающее между собой эти параметры, называется уравнением состояния данного вещества.
F(p, v, Т) = 0
Для каждого вещества характер функциональной связи между р, v и Т (или значения констант, входящих в эту связь) индивидуален, и, следовательно, термодинамические свойства описываются своим для каждого вещества уравнением состояния.
Единицы физических величин.
Теплота.
Теплотой называется изменение внутренней энергии рабочего вещества. Количество теплоты, подведенной или отведенной от рабочего вещества, выражается в джоулях или калориях. Количество теплоты в 1 Дж называется такое же изменение внутренней энергии тела, как и совершенная над ним механическая работа в 1 Н·м, которая полностью идет на изменение внутренней энергии. Калория – это количество теплоты, необходимое для нагрева 1 кг воды на 1 К при нормальном атмосферном давлении. Соотношение между единицами теплоты таково:
1 Дж = 0,24 Ккал. 1 Ккал. = 4,19 Дж
Давление.
Давление рабочего вещества является результатом хаотических ударов молекул о стенки сосуда. Давление Р численно равно силе F, действующей на единицу поверхности сосуда S, т.е. Р = F/S.
В Международной системе СИ единицей давления служит 1 Па (Паскаль), равный силе в 1 Н (Ньютон), действующий на площадь в 1 квадратный метр (м2), т.е. 1 Па = 1 Па/1 м2. Эта величина очень мала и неудобна в расчетах, поэтому часто используются более высокие единицы измерения давления Килопаскаль (КПа) и Мегапаскал (МПа) . 1 КПа = 103 Па, 1 МПа = 106 Па. Для практического использования введена внесистемная величина 1 бар, которая равна 0,1 МПа или 105 Па. В системе МКГСС основной единицей давления является техническая атмосфера 1 ат. = 104 кгс /см2. Кроме вышеперечисленных единиц давления имеются и другие, такие как физическая атмосфера (атм), миллиметр ртутного столба (мм.рт.ст), миллиметр водяного столба (мм.вод.ст), которые в холодильной технике используются крайне редко.
Давление рабочего вещества может быть барометрическое Рб, избыточное Риз и абсолютное Рабс Барометрическим или атмосферным давлением является давление окружающей среды при данных климатических условиях. Избыточное давление – это давление в системе, отличающееся от атмосферного. Оно может быть ниже или выше барометрического. Если давление в системе ниже атмосферного, то там наблюдается вакуум (разряжение). Абсолютным давлением называется действительное давление в системе с учетом барометрического и избыточного давления, т.е. Рабс=Рб± Риз.
Температура.
Температура характеризует степень нагретости тела. Она зависит от скорости хаотического движения молекул. Если теплота передается от одного тела к другом, то температура первого тела выше, чем второго, т.е. Т1 > Т2. С понижением температуры скорость хаотического движения молекул в веществе снижается. При какой-то определенной температуре тепловое движение молекул в веществе вовсе прекращается. Такая температура называется абсолютным нулем. Существует несколько температурных шкал, по которым измеряется температура или степень нагретости вещества. По шкале Цельсия за ноль принята температура плавления водного льда, а температура кипения воды при атмосферном давлении равна +100 оС. Температура абсолютного нуля по шкале Цельсия равна –273,15 градусов. В Международной системе измерений (СИ) широко используется шкала Кельвина, по которой температурой абсолютного нуля принят ноль градусов Кельвина (0 К). Тогда температура таяния водного льда будет равна 273,15 К (~273 К), а температура кипения воды – 373,15 К (~373 К). Соотношение между температурами по шкале Цельсия и по шкале Кельвина равно
Т (К) = t (оС) + 273.15 (~273) или t (оС) = Т (К) – 273.15 (~273)
В США, Канаде, Австралии и других странах используется температурная шкала в градусах Фаренгейта (оF). По этой шкале температура таяния льда соответствует 32 оF, а температура кипения воды равна 212 оF. Соотношение между температурами по шкале Цельсия и по шкале Фаренгейта следующее
t (оС) = 5/9 [t (оF) + 32] или t (оF) = 9/5 t (оС) + 32.
Во Франции часто применяется температурная шкала Реомюра, в которой температура таяния льда принята за ноль градусов, а температура кипения воды соответствует 80 градусов Рюмера.
Как будет видно из дальнейшего, важную роль в самых разнообразных термодинамических расчетах играет величина суммы внутренней энергии системы U и произведения давления системы р на величину объема системы V; эта величина носит название энтальпии и обозначается через I:
Энтальпия измеряется в тех же единицах, что и теплота, работа и внутренняя энергия.
Поскольку между i и u существует однозначная связь, начало отсчета энтальпии связано с началом отсчета внутренней энергии: в точке, принятой за начало отсчета внутренней энергии (u=0), энтальпия будет равна i=pv. Так, в уже упоминавшейся точке начала отсчета внутренней энергии для воды (t=0,01° С; р=610,8 Па; =0,0010002 м3/кг) значение энтальпии равно i= р=610,8*0,0010002=0,611 Дж (0,000146 ккал/кг).
Поскольку новая функция — энтальпия — скомбинирована из величин, являющихся функциями состояния (u, р, ), то, следовательно, энтальпия также является функцией состояния. Так же как и внутренняя энергия, энтальпия чистого вещества может быть представлена в виде функции двух любых параметров состояния, например давления р и температуры Т:
Энтропия (от греческого – изменение) – является отношением подведенной энергии к увеличению температуры за счет этого.
Энтропия является экстенсивным свойством и подобно другим экстенсивным величинам обладает свойством аддитивности. Величина
называемая удельной энтропией, представляет собой энтропию единицы массы вещества.
Как видно из определения энтропии, энтропия имеет размерность единицы тепла, деленной на единицу температуры. Наиболее употребительные единицы измерения энтропии — Дж/К, ккал/К.
Единицы измерения удельной энтропии — Дж/(кг-К), кДж/(кг-К), ккал/(кг-К) и т. д. Таким образом, размерность энтропии совпадает с размерностью теплоемкости. Нуль отсчета энтропии для чистого вещества и для смеси веществ, не вступающих между собой в химическую реакцию, может быть выбран произвольно, подобно тому как произвольно выбирается нуль отсчета внутренней энергии; при рассмотрении различных термодинамических процессов нас будет интересовать изменение энтропии в этих процессах, т. е. разность энтропии в точках начала и конца процесса, которая, естественно, никак не зависит от побора начала отсчета энтропии.
1.2 Основные законы термодинамики
Первый закон термодинамики
Закон сохранения и превращения энергии
Закон сохранения и превращения энергии является фундаментальным законом природы, имеющим всеобщий характер. Этот закон гласит: энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических и химических процессах. Иными словами, для любой изолированной системы (т. е. такой термодинамической системы, которая не обменивается с окружающей средой ни теплом, ни работой, ни веществом) количество энергии, заключенное в этой системе, сохраняется неизменным.
Закон сохранения энергии был давно известен в механике применительно к механической (кинетической и потенциальной) энергии. После того как работами Джоуля и других ученых был установлен принцип эквивалентности теплоты и работы, закон сохранения был распространен на другие виды энергии и в соответствии с его содержанием стал называться законом сохранения и превращения энергии.
В настоящее время известны различные виды энергии — энергия теплового движения микрочастиц, составляющих тело, кинетическая энергия всего тела в целом, энергия гравитационного поля (в частности, потенциальная энергия тела, поднятого над землей), энергия электрического поля, энергия магнитного поля, энергия электромагнитного излучения, внутриядерная энергия и др. Закон сохранения и превращения энергии устанавливает однозначную связь между всеми видами энергии в процессе их взаимопревращений.
Закон сохранения и превращения энергии носит также название первого закона термодинамики.
Следует еще раз подчеркнуть, что первый закон термодинамики имеет всеобщий характер.
Второй закон термодинамики
Первый закон термодинамики, как уже сказано, характеризует процессы превращения энергии с количественной стороны. Второй закон термодинамики характеризует качественную сторону этих процессов. Первый закон термодинамики дает все необходимое для составления энергетического баланса какого-либо процесса. Однако он не дает никаких указаний относительно возможности протекания того или иного процесса. Между тем далеко не все процессы реально осуществимы.
Следует подчеркнуть, что второй закон термодинамики, так же как и первый закон, сформулирован на основе опыта.
В наиболее общем виде второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом: любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым; этот достаточно очевидный вывод уже обсуждался нами в предыдущем параграфе. Все прочие формулировки второго закона являются частными случаями этой наиболее общей формулировки.
Р. Клаузиус в 1850 г. дал такую формулировку второго закона термодинамики: теплота не может сама собой переходить от более холодного тела к более нагретому.
В. Томсон (лорд Кельвин) предложил в 1851 г. следующую формулировку: невозможно при помощи неодушевленного материального агента получить от какой-либо массы вещества механическую работу путем охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов.
М. Планк предложил формулировку: невозможно построить периодически действующую машину, все действие которой сводилось бы к поднятию некоторого груза и охлаждению теплового источника. Под периодически действующей машиной следует понимать двигатель, непрерывно (в циклическом процессе) превращающий тепло в работу. В самом деле, если бы удалось построить тепловой двигатель, который просто отбирал бы тепло от некоторого источника и непрерывно (циклично) превращал его в работу, то это противоречило бы сформулированному ранее положению о том, что работа может производиться системой только тогда, когда в этой системе отсутствует равновесие (в частности, применительно к тепловому двигателю — когда в системе имеется разность температур горячего и холодного источников).
Если бы не существовало ограничений, накладываемых вторым законом термодинамики, то это означало бы, что можно построить тепловой двигатель при наличии одного лишь источника тепла. Такой двигатель мог бы действовать за счет охлаждения, например, воды в океане. Этот процесс мог бы продолжаться до тех пор, пока вся внутренняя энергия океана не была бы превращена в работу. Тепловую машину, которая действовала бы таким образом, В. Ф. Оствальд удачно назвал вечным двигателем второго рода (в отличие от вечного двигателя первого рода, работающего вопреки закону сохранения энергии). В соответствии со сказанным формулировка второго закона термодинамики, данная Планком, может быть видоизменена следующим образом: осуществление вечного двигателя второго рода невозможно. Следует заметить, что существование вечного двигателя второго рода не противоречит первому закону термодинамики; в самом деле, в этом двигателе работа производилась бы не из ничего, а за счет внутренней энергии, заключенной в тепловом источнике.
Следует подчеркнуть важную особенность тепловых процессов. Механическую работу, электрическую работу, работу магнитных сил и т. д. можно без остатка, полностью, превратить в тепло. Что же касается теплоты, то только часть ее может быть превращена в периодически повторяющемся процессе в механическую и другие виды работы; другая ее часть неизбежно должна быть передана холодному источнику.
Третий же закон термодинамики гласит о невозможности достижения абсолютного нуля, в связи с тем, что энтропия системы может стремится к нулю, но не может ему равнятся.
2. Физические принципы получения низких температур.
2.1. Фазовый переход.
Любое вещество может находиться в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. При определенных условиях возможно одновременное состояние вещества сразу в нескольких фазах. Например, в жидкой и газообразной, газообразной и твердой, твердой и жидкой фазах. В тройной точке вещество может находиться сразу в трех фазах.
Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым переходом. Фазовая диаграмма для чистых веществ показана на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1. Термодинамическая диаграмма состояния вещества.
На диаграмме кривая I обозначает равновесие пар-жидкость (кипение-конденсация), кривая II – равновесие жидкость - твердое вещество плавление - кристаллизация), III - равновесие твердое тело-пар (сублимация - десублимация), точка А – тройная точка.
Фазовые переходы сопровождаются процессами выделения или поглощения теплоты без изменения температуры рабочего вещества. В этом случае выделяемая или поглощаемая теплота фазового перехода расходуется на преодоление сил сцепления между молекулами. При выделении теплоты происходит нагрев какого-либо тела, помещенного в рабочее вещество. При поглощении теплоты, наоборот, от тела отнимается теплота и происходит его охлаждение.
К фазовым переходам с выделением теплоты относятся кристаллизация, конденсация, десублимация и др. Такие процессы в холодильной технике для получения низких температур не применяются.
Для получения температур ниже температуры окружающей среды используются фазовые переходы, которые сопровождаются поглощением теплоты. К ним относятся плавление, кипение, испарение и сублимация.
Плавление.
Плавлением называется процесс фазового перехода рабочего вещества из твердого состояния в жидкое, при сообщении ему теплоты. Наиболее широко для получения низких положительных температур применяется водный лед. Его температура плавления при атмосферном давлении равна 0оС, удельная теплота плавления составляет 334 КДж/кг. Недостатком охлаждения с помощью водного льда является невозможность получения отрицательных температур. Если кусочки водного льда смешать с какой-либо солью, то можно снизить температуру его плавления до отрицательных значений. Температура таяния льдосоляной смеси зависит от вида соли и ее концентрации. Так, например, добавление 20 % хлористого натрия позволяет снизить температуру плавления льда до - 13,7оС. Однако существует определенная концентрация соли, выше которой не происходит снижения температуры плавления смеси. Эта температура является самой низкой для данной смеси. С увеличением концентрации соли в воде температура плавления снижается. При какой-то определенной концентрации ξЕ наблюдается самая низкая температура плавления. Дальнейшее увеличение концентрации не приводит к снижению температуры плавления. Раствор состояния т. Е называется эвтектикой, а концентрация и температура эвтектическими.
В транспортных холодильных установках для охлаждения рефрижераторов применяется плавление эвтектического льда в зероторах. Эвтектический лед представляет собой замороженный водно-соляной раствор с криогидратной или эвтектической концентрацией соли. Температура плавления эвтектического льда, например, с солью СаCl2 равна -55оС.
Кипение.
Кипением называется процесс перехода рабочего вещества из жидкого состояния в газообразное с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости. Для осуществления процесса кипения необходимо постоянно подводить теплоту. Каждое вещество характеризуется определенной температурой кипения, которая зависит от давления в сосуде. Повышая или понижая давление можно изменять температуру кипения рабочего вещества.
Жидкости с низкими температурами кипения используются для получения холода в паровых холодильных машинах. Например, температура кипения хладона 22 при атмосферном давлении равна -41оС, аммиака - -33оС, хладона 142"В" - 9оС.
Испарение.
Испарением называется переход рабочего вещества из жидкого состояния в газообразное только с поверхности жидкости. В герметически закрытом сосуде между жидкостью и паром устанавливается динамическое равновесие, то есть количество молекул вещества выходящих из жидкости в пар равно количеству молекул переходящих из пара в жидкость. Определенному давлению при этом соответствует определенная температура. Нарушение динамического равновесия приводит к процессам, стремящимся восстановить его вновь. Если из сосуда начать откачивать пар, то давление начнет уменьшаться и количество молекул выходящих из жидкости значительно превысит количество молекул переходящих из пара в жидкость. В этом случае теплота будет поглощается от самого рабочего вещества и температура жидкости понизится.
Сублимация.
Сублимацией называется переход рабочего вещества из твердого состояния сразу в газообразное, минуя жидкую фазу. Для получения низких температур чаще всего используется сублимация твердого диоксида углерода СО2. Так как при сублимации он не образует жидкости, то его еще называют "сухим" льдом. Температура сублимации "сухого" льда при атмосферном давлении составляет -78,5оС, теплота сублимации равна 573 КДж/кг.
2.2. Дросселирование (Эффект Джоуля-Томсона).
Дросселированием называется процесс резкого падения давления при прохождении рабочего вещества через какое-либо местное сужение в канале. Этот эффект был открыт в 1852 году Д.Джоулем и В.Томсоном при изучении свойств реальных газов [6]. В качестве местных сопротивлений могут быть использованы: диафрагма, вентиль, капиллярная трубка, пористая перегородка и т.д.
Для примера можно рассмотреть процесс дросселирования при прохождении рабочего вещества через диафрагму, установленную в горизонтальной трубе постоянного сечения (рис.2.3). Процесс протекает без теплообмена с окружающей средой. По трубе площадью F перемещается рабочее вещество массой G. Давление, температура и удельный объем рабочего вещества до и после дросселирования соответственно равны Р1,Т1, v1 и Р2, Т2, v2, причем
Р1 > Р2.
Рисунок 2.3. Дросселирование.
За некоторый промежуток времени сечение 1-1 до диафрагмы переместится на расстояние s1, сечение 2-2 после диафрагмы - на расстояние s2. Для того чтобы переместить сечение 1-1 на расстояние s1 необходимо совершить работу, равную
L1 = Р1s1F = Р1v1G, (2.1)
где s1F = v1G = V1 – объем рабочего вещества, вытесненного сечением 1-1 за данный промежуток времени через диафрагму.
Работа, совершенная потоком для перемещения сечения 2-2 за диафрагмой, соответственно определяется как
L2 = Р2v2G, (2.2)
Работа, затраченная на преодоление сопротивления диафрагмы (работа проталкивания), равна разности полученных работ, т.е.
L = L2 – L1 = P2v2G – P1v1G = G (P2v2 – P1v1) (2.3)
В процессе дросселирования без теплообмена с окружающей средой эта работа преобразуется в теплоту и передается самому рабочему веществу. Она может быть произведена только за счет уменьшения внутренней энергии системы и, следовательно:
L = u1G – u2G = G (u1 – u2) (2.4)
где u1 и u2 – внутренняя энергия единицы массы рабочего вещества до и после диафрагмы.
Приравнивая между собой правые части уравнения 2.3 и 2.4 можно получить равенство:
G (P2v2 – P1v1) = G (u1 – u2) (2.5)
или после преобразования:
u1 + P1v1 = u2 + P2v2 (2.6)
Так как u1 + P1v1 = h1, а u2 + P2v2 = h2, то при дросселировании h1 = h2
Отсюда наглядно видно, что при адиабатном дросселировании значения энтальпий рабочего вещества до и после местного сопротивления одинаковы.
Однако в самом процессе дросселирования энтальпия может быть переменной.
Для идеального газа:
dh = 0; du = 0; dT = 0; p1v1 = p2 v2.
Для реального газа внутренняя энергия зависит от объема, тогда:
dh = 0; du ≠ 0; dT ≠ 0; p1v1 ≠ p2 v2.
Эффективность процесса дросселирования определяется коэффициентом дросселирования αh, который равен:
Изменение температуры при дросселировании называется интегральным дроссельным эффектом или эффектом Джоуля-Томпсона
Отсюда:
если αh > 0, то Т2 – Т1 < 0 – положительный дроссельэффект (охлаждение),
если αh < 0, то Т2 – Т1 > 0 – отрицательный дроссельэффект (нагрев),
если αh = 0, то Т2 = Т1 – инверсия (температура не изменяется).
Для большинства рабочих веществ, при дросселировании от нормальной температуры имеет место снижение температуры. Для некоторых веществ, таких как водород, неон, гелий, температура при дросселировании повышается, наблюдается отрицательный дроссельэффект.
2.3 Адиабатное расширение.
Адиабатное расширение – процесс резкого падения давления при прохождении рабочего вещества через специальное расширительное устройство. В холодильной технике в качестве расширительного устройства используется детандер.
По конструкции детандеры делятся на: осевые, центробежные, винтовые, поршневые.
В отличии от дросселирования при адиабатическом расширении температура любого рабочего вещества уменьшается (Р1>P2, T1>T2).
Эффективность адиабатного расширения определяется
коэффициентом адиабатного расширения:
При сопоставлении коэффициента адиабатного расширения и коэффициента дросселирования, запишем уравнение, т.к. удельный объём и теплоёмкость всегда положительны, то всегда αs> αh.
.
Рассмотрим два процесса в S,T-диаграмме:
Рисунок 2.4. Сравнение адиабатного расширения и дросселирования.
1-2 – процесс адиабатного расширения,
1-3 – процесс дросселирования.
Из рисунка видно, что ΔТs > ΔТh.
С точки зрения термодинамики процесс адиабатного расширения на много эффективней, чем процесс дросселирования. Но детандер представляет собой сложный механизм, понижающий надёжность работы холодильной машины, поэтому в действительных холодильных машинах процесс адиабатного расширения используют очень редко.
2.4 Вихревой эффект (эффект Ранка-Хильша).
В 1932 году французский ученый Жорж Ранк при испытании циклонного пылеуловителя обратил внимание на то, что температуры воздуха в центре и на периферии канала различны. В центральной части воздух был значительно холодней, чем около внутренней поверхности циклона. В то время на это открытие не обратили особого внимания и даже опровергали его. В 1946 немецкий ученый Р. Хильш опубликовал статью с подробным доказательством процесса температурного расширения в вихревой трубе, после чего эффект стал называться эффектом Ранка-Хильша.
Вихревой эффект заключается в том что при прохождении любого газа по любому каналу происходит разделение потоков: более горячий поток движется по периферии, а холодный поток сосредотачивается в центре, на оси канала. Чем больше турбулизация потока, тем эффективнее процесс температурного разделения.
В холодильной технике наиболее широко используется вихревая труба. Конструкция вихревой трубы чрезвычайно проста (см. рис. 2.5).
Рисунок 2.5.Конструкция вихревой трубы.
Она имеет цилиндрический корпус 1, сопло с тангенциальным вводом 2, дроссель 3 и диафрагму или трубу малого диаметра 4.
Сжатый воздух с температурой окружающей среды через сопло подается в трубу по касательной к внутренней поверхности корпуса. Поступивший воздух вращается, одновременно перемещаясь по длине трубы от сопла к дросселю. При вихревом движении воздуха в трубе происходит его температурное разделение. Более теплый поток перемещается к внутренней стенке корпуса, более холодный поток сосредотачивается у оси трубы. Теплый поток выводится за пределы вихревой трубы через дроссель, как правило, в атмосферу, а холодный поток направляется через диафрагму или трубу малого диаметра для охлаждения. Количество воздуха в теплом и холодном потоках можно регулировать, изменяя площадь проходного сечения дросселя.
Отношение массового расхода холодного потока Gх к общему расходу газа, поступившему в трубу Gоб, называется массовой долей холодного потока и обозначается буквой μ, т.е.
Современные конструкции вихревых труб позволяют получить при расширении воздуха в вихревой трубе от давления 0,4–0,8 МПа (4–8 атм.) до атмосферного давления можно получить температуру холодного потока tх = –2…–80оС и температуру горячего потока tг = 100…130оС. Величина температурного перепада во многом определяется μ.
С точки зрения термодинамики необратимые потери при температурном разделении потоков в вихревой трубе предопределяют больше энергетических затрат, чем при адиабатном расширении, но меньше, чем при дросселировании. Полезно используется только 30% от всего потока.
2.5 Термоэлектрический эффект (эффект Пельтье).
Термоэлектрический эффект заключается в следующем: при прохождении постоянного электрического тока по двум полупроводникам, спаянным между собой, один спай нагревается, а второй охлаждается. Один спай становится теплым, а второй – холодным. Этот эффект был открыт французским физиком Пельтье в 1834 г.
Рисунок 2.6.Устройство термоэлектрического охлаждения.
Холодный спай можно использовать для получения холодных температур.
Термоэлектрический эффект возникает только тогда, когда полупроводники имеют различную проводимость: один полупроводник – электронную, а второй – дырочную. Какой спай будет горячим, а какой – холодным, зависит от направления движения электрического тока.
2.6 Адиабатное размагничивание.
В 1905 году французский учёный Лонжерон экспериментально показал, что при намагничивании парамагнитного вещества его температура повышается, а при размагничивании – уменьшается.
В 1926 – была создана экспериментальная установка для получения низких температур, такая установка имеет периодический принцип действия.
Рисунок 2.7 – Процесс адиабатного размагничивания.
Первоначально вокруг парамагнетика создаётся магнитное поле при этом парамагнетик намагничивается от первоначальной Н1 до конечной Н5 в ходе процесса 1-2. Для отвода теплоты намагничиваемости используется охлаждающая среда (парообразный гелий). После полной намагничиваемости магнитное поле снимается и прекращается подача охлаждающей среды. Парамагнетик начинает размагничиваться от конечной намагниченности Н5 до начальной Н1, его температура резко падает в ходе процесса 2-3.
Преимущество способа:
- простота конструкции,
- отсутствие движущихся частей,
- отсутствие холодильного агента,
- бесшумная работа.
Недостатки:
- необходимость мощного магнитного поля.
2.7 Десорбция газов.
Адсорбция – поглощение твердым веществом газа протекает с выделением теплоты, т.е. с нагреванием, а при десорбции – выделение газа из твёрдого тела, протекает с поглощением энергии и охлаждением.
В качестве твёрдого вещества используется пористые вещества: активированный уголь, древесный уголь, соли.
В промышленности такой способ не нашёл широкого применения, но может использоваться в лабораторных и научно-исследовательских работах.
Для получения температур близких к нулю по шкале Кельвина используется активированный уголь и газообразный гелий при температуре равной 289°С. В опытах часть гелия впитывалась активированным углём, другая часть гелия отводила теплоту адсорбции, поэтому температура рабочего вещества не изменялась.
В сосуде с активированным углём создавался вакуум, после чего начинался процесс десорбции – температура активированного угля резко падала до – 272°С. Процесс прекращался сразу после выхода всего газа из твёрдого вещества.
3.РАБОЧИЕ ВЕЩЕСТВА ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН.
3.1.Классификация рабочих веществ
В холодильных машинах рабочими веществами являются холодильные агенты и хладоносители.
С помощью холодильных агентов совершается обратный термодинамический цикл в системе холодильной машины.
Хладоносители являются промежуточными рабочими веществами, которые передают теплоту от охлаждаемого объекта к холодильному агенту.
В какой-то мере к рабочим веществам можно отнести и смазочные масла, так как они циркулируют вместе с хладагентами по системе и значительно влияют на рабочие характеристики холодильных машин.
Холодильные агенты.
В настоящее время известно около ста различных холодильных агентов. Самыми распространенными из них являются: воздух, вода, аммиак, диоксид углерода, чистые углеводороды (пропан, метан, изобутан и др.), хлор – фтор – бромпроизводные углеводородов (хладоны) и другие вещества. В некоторых машинах целесообразно применение азеотропных и неазеотропных смесей холодильных агентов. Азеотропные смеси представляют собой однородный раствор хладонов, кипящий при постоянной температуре. Кипение неазеотропной смеси происходит при изменяющейся температуре, так как сначала выкипает низкотемпературный, а затем высокотемпературный компонент раствора.
В некоторых старых литературных источниках хладоны представлены их зарубежным названием – фреоны, которое запатентовано американской фирмой Дюпон. В настоящее время за рубежом применяются новые холодильные агенты аналоги некоторым отечественным хладонам под названием «СУВА», «Форан».
Сокращенное обозначение холодильного агента строится по форме RN (где R – международный символ, обозначающий холодильный агент; N – присвоенный номер холодильного агента). Например R22 – хладон 22 (CHClF2), R729 – воздух, R170 – этан (C2H6), R717 – аммиак (NH3), R718 – вода (H2O), R744 – диоксид углерода (CO2) и т.п.
Для хладонов номер расшифровывается в следующем порядке:
Первая цифра в двухзначном номере или первые две цифры в трехзначном номере обозначают тот насыщенный углеводород СnН2n+2, на базе которого получен хладон. Установлены следующие цифры: 1 – СН4 (метан); 11 – С2Н6 (этан): 21 – С3Н8 (пропан): 31 – С4Н10 (бутан). Справа пишется число атомов фтора в хладоне (например CF2Cl2 – R12, C3F4Cl4 – R214). При наличии в хладоне атомов брома после основного номера пишется буква В, а за ней число атомов брома (например СF2Br2 – R12B2, F3Br – R13B1).
Азеотропные смеси имеют номера от 500 до 600. Неазеотропные смеси обозначаются номерами от 400 до 499 или дробными числами с процентным содержанием компонентов в скобках (например, смесь хладонов 22 и 12 с концентрацией соответственно 75% и 25%, обозначается R22/12 (75/25).
3.2.Свойства холодильных агентов
Возможность применения того или иного холодильного агента для конкретных условий работы зависит от их свойств. Свойства хладагентов влияют на конструктивные особенности холодильной машины, потребляемую мощность, холодопроизводительность и другие характеристики.
К основным свойствам относятся:
1.теплофизические
2.термодинамические
3.физико-химические
4.физиологические
5.экологические
Теплофизические свойства – это теплоемкость (С), теплопроводность (λ), вязкость (μ), плотность (ρ), температуропроводность (а), поверхностное натяжение (η) и т др. Они главным образом влияют на интенсивность теплообмена в аппаратах, на потери давления в системе и на массу и габариты компрессора. С увеличением теплоемкости, теплопроводности, температуропроводности, плотности жидкости и пара увеличивается коэффициент теплопередачи теплообменных аппаратов и наоборот с повышением вязкости, поверхностного натяжения, удельного объема холодильного агента интенсивность теплообмена в аппаратах снижается. Высокие значения вязкости, плотности, поверхностного натяжения хладагента приводят к повышению гидравлических потерь в аппаратах и трубопроводах. Плотность и удельный объем всасываемого пара влияют на размеры компрессора. Чем больше удельный объем пара на всасывании, тем меньше габариты компрессора при одинаковой массовом расходе холодильного агента.
К термодинамическим свойствам относятся нормальная температура кипения, давление насыщения при температуре 30 °С, критическая температура, температура замерзания, теплота парообразования и др. Они характеризуют термодинамические параметры цикла, удельную холодопроизводительность, работу цикла, теплоту конденсации и т др. По нормальным температурам кипения холодильные агенты делятся на три группы: низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные.
К низкотемпературным холодильным агентам относятся хладагенты с температурой кипения при атмосферном давлении до – 60 °С (tон < - 60 °С). К среднетемпературным – хладагенты с нормальной температурой кипения от – 60 °С до – 10 °С. К высокотемпературным - хладагенты с нормальной температурой кипения выше – 10 °С.
По давлениям при температуре конденсации 30 °С холодильные агенты также делятся на три группы: низкого давления с Рк < 0,3 МПа, среднего давления с Рк от 0,3 до 2 МПа и высокого давления с Рк от 2 до 7 МПа. Холодильные агенты с давлением насыщения Рк > 7 МПа в холодильных машинах практически не используются. Классификации по температурам и давлениям насыщения взаимосвязаны. Низкотемпературные хладагенты относятся к группе высокого давления и наоборот высокотемпературные хладагенты относятся к группе низкого давления. Величина критической температуры Ркр влияет на протекание процесса конденсации. Чем больше разность (Ткр – Тк), тем больше удельная теплота конденсации. Температура замерзания холодильного агента должна быть значительно ниже температуры кипения во избежании закупорки теплообменных труб кристаллами льда. Термодинамические характеристики наиболее распространенных холодильных агентов приведены в таблице 3.1 (см. приложение).
Теплота парообразования влияет на удельную холодопроизводительность цикла. С увеличением теплоты парообразования повышается удельная холодопроизводительность цикла, а следовательно и полная холодопроизводительность всей холодильной машины.
Физико-химические свойства включают в себя термическую стабильность, взрывоопасность, воспламеняемость, электрические свойства, взаимодействие со смазочным маслом, водой и конструкционными материалами и др.
Термическая стабильность характеризуется температурой разложения, при которой происходит разложение холодильного агента на отдельные составляющие. Разложение хладонов связано с образованием хлористого и фтористого водорода и отравляющего вещества фосгена.
Следы разложения таких хладонов как R12, R22, R502, R13 наблюдаются уже при температурах 150 – 170 °С, а полное разложение происходит при температуре 330 - 550 °С. Хладагенты R11, R21 разлагаются при более низких температурах. Наименее устоичивы к влиянию высоких температур бромсодержащие углеводороды. Необходимо отметить, что в присутствии масла и различных конструкционных материалов термическая стабильность хладонов снижается. Хлористый метил в присутствии металлов образует продукты разложения при температуре около 200 °С, в чистом виде он разлагается при температуре 425 °С. Изобутан термически стабилен до температуры 260 °С. Аммиак начинает разлагаться при температуре 230 - 250 °С. Фторуглероды (CF4, C4F10 и др.) термически очень устойчивы и не разлагаются до температуры 400 - 500 °С. Пропан в присутствии кислорода начинает разлагаться при температуре 460 °С, а при достижении температуры 830 °С он разлагается полностью. Температура разложения сернистого ангедрида SO2 в чистом виде составляет 1100оС, однако в присутствии металлов эта граница температур снижается. К наиболее термически стабильным относится диоксид углерода (R744), который разлагается при температуре выше 1500 °С. Разложение рабочих веществ оказывает вредное воздействие на надежность и долговечность компрессоров. Однако в современных холодильных машинах существующие предельные температуры значительно ниже температуры разложения. Так для хладоновых машин предельными являются температуры на 130 - 135 °С, для аммиачных машин максимальная температура нагнетания не должна превышать 160 °С.
Взрывоопасность и воспламеняемость рабочего вещества являются важными показателями для безопасной работы холодильных машин. Холодильные агенты в различной степени взрывоопасны и воспламеняемы. Наибольшей взрывоопасностью отличаются этан, этилен, пропан и бутан. Аммиак взрывоопасен в соединении с воздухам при концентрациях 16 - 26,8 % и воспламеним при концентрациях более 11 %. Его взрывоопасность обусловлена выделением свободного водорода при высоких давлениях. У хладонов взрывоопасность снижается с возрастанием числа атомов хлора и фтора и уменьшением числа атомов водорода. Совершенно не взрывоопасны и не воспламеняемы диоксид углерода (R744), сернистый ангедрид(SO2),хладон 30 (R30),окись азота (R ), шестифтористая сера SF6, хладон 22 (R22), хладон 23 (R23).
Электрические свойства холодильных агентов влияют на безопасность работы бессальниковых и герметичных компрессоров, так как в них происходит непосредственный контакт хладагента с обмотками электродвигателя. Одним из наиболее важных показателей является электрическая проводимость и электрическое сопротивление хладагентов. Электрическая проводимость характеризует перенос электрических зарядов в веществе под действием внешнего электрического поля. Удельное электрическое сопротивление обратная величина электрической проводимости.
Взаимодействие холодильных агентов с маслами. По взаимной растворимости хладагенты и масла делятся на три группы. К первой группе относятся холодильные агенты и масла с ограниченной взаимной растворимостью в любых диапазонах давлений и температур. Вторая группа включает в себя растворы с неограниченной взаимной растворимостью. В третью группу входят холодильные агенты и масла с локальной взаимной растворимостью, которые в определенных диапазонах температур имеют ограниченную растворимость, а в других условиях – неограниченно растворимы друг в друге. К группе с ограниченной растворимостью относятся такие хладагенты как NH3, SF6, SO2, хладон 13, хладон 14, C4F8, C4F10 и др. В таких смесях холодильные агенты и масла практически не растворяются друг в друге. Жидкая фаза состоит из двух слоев: один слой содержит практически чистый хладагент, другой слой является практически чистым маслом, т.е. образуется гетерогенная система. Взаимное расположение слоев зависит от их плотности. Так, например плотность масел для аммиачных холодильных машин больше плотности самого аммиака. Поэтому слой масла находится ниже слоя аммиака. Для некоторых хладонов наоборот масло легче хладагента и оно всплывает вверх. Во вторую группу входят большинство хладонов: R11, R12, R21, R113, R134A, R502 и др. При температурах, существующих в холодильных машинах они полностью растворяются с маслом, образуя однородный гомогенный раствор со средними термодинамическими и теплофизическими свойствами. При кипении маслохладонового раствора выкипает чистый холодильный агент, как низкокипящий компонент раствора. Из испарителя выходит парообразный хладон и высококонцентрированная жидкость, которая содержит масло и растворенный в нем холодильный агент. Количество неиспарившегося жидкого холодильного агента в выходящем из испарителя масле зависит от температуры перегрева. Поэтому в хладоновых холодильных машинах устанавливается регенеративный теплообменник не только для охлаждения жидкости перед дросселированием, но также для выпаривания жидкого холодильного агента из масла. В противном случае жидкий хладагент выпаривается в картере компрессора, что приводит к вспениванию масла, ухудшению условий смазки пар трения и повышенному уносу масла из компрессора. К третьей группе можно отнести хладоны 22, 114, 142 и др. У холодильных агентов этой группы при определенных температурах и концентрациях с маслом существует зона несмесимости. Зона несмешиваемости характеризуется кривой расслоения, которая отделяет гетерогенную область от гомогенной (см. рис. 3.1.).
Рисунок 3.1.Растворимость некоторых веществ в масле.
Максимальная температура на кривой расслоения называется верхней критической температурой, а минимальная – нижней критической температурой. Вид кривой расслоения для одного и того же хладагента может быть различным, в зависимости от применяемого смазочного масла. Кроме того, в зависимости от марки масла, смеси могут переходить из одной группы в другую. Так например хладон 22 с синтетическим маслом ХФС22-18 относится ко второй группе, а с миниральным маслом ХФ22-24 – к третьей.
Взаимодействие с водой. По взаимной растворимости хладагентов с водой они делятся на две группы. К первой группе относятся рабочие вещества с ограниченной растворимостью, ко второй группе - с неограниченной растворимостью с водой. Холодильные агенты первой группы практически не растворяются в воде. Жидкая фаза содержит два слоя: слой практически чистого хладагента и слой воды. Присутствие в холодильном агенте нерастворенной влаги вызывает опасность образование кристаллов льда в дроссельном устройстве и в трубках испарителя. Образовавшийся лед может перекрыть проходные сечения и вывести из строя холодильную машину. К первой группе относятся практически все хладоны, чистые углеводороды: метан, пропан, бутан и т.д. В таких холодильных машинах обязательно устанавливаются осушительные устройства с поглатителями влаги (силикогель, алюмокогель, цеолиты и др.). Во вторую группу входят холодильные агенты, которые полностью растворяются с водой, образуя однородный гомогенный раствор. Однородные гомогенные растворы имеют средние теплофизические и термодинамические свойства в зависимости от процентного содержания воды. Поэтому в холодильных машинах, работающих на таких растворах температура кипения и конденсации выше, чем при работе на чистых рабочих веществах. Ко второй группе относятся такие хладагенты, как аммиак (R717), диоксид углерода (R744) и др.
Взаимодействие с конструкционными материалами. Различные хладагенты по-разному реагируют с конструкционными материалами, которые применяются в холодильных машинах. Аммиак инертен по отношению к черным металлам. В присутствии влаги аммиак взаимодействует с цинком, медью и медными сплавами. Для деталей аммиачных компрессоров, подвергающихся интенсивной смазке, допускается применение высокооловянистых фосфористых бронз ОФ-10-1 или ОФ-6,5-0,15. Чистые углеводороды (пропан, изобутан и др.), диоксид углерода не реагируют со всеми металлами. Обезвоженный сернистый ангедрид инертен к большенству металлов, за исключением цинка, серебра и кадмия. R40 (хлористый метил) не взаимодействует ни с какими металлами, кроме алюминия, магния, цинка, свинца и их сплавов. R30 (дихлорметан) как в сухом, так и с небольшим количеством влаги инертен к алюминию, меди, свинцу и железу. При большом избытке влаги и высоких температурах коррозирует железо и бронзу. R115 (хлористый этил) в обезвоженном состоянии инертен к большинству металлов, за исключением ртути. R160В1 (бромистый этил) без присутствия влаги на металлы не действует. Производные углеводородов (хладоны) в обезвоженном состоянии инертны ко всем металлам за исключением сплавов, содержащих более 2% Mg. Некоторые хладоны, такие как R14, R22, R114 взаимодействуют с алюминием, имеющим твердометаллические присадки. Фторхлорпроизводные углеводородов являются хорошими растворителями многих органических соединений и веществ (краски, лаки, ткань, уголь, резина и др.). Они разъедают прокладки и вызывают диффузию рабочего вещества. Поэтому для прокладок уплотнений хладоновых холодильных машин должны применяться паронит, фторопласт, нефритовая резина, в качестве вяжущих веществ и изоляционных лаков поливинилацетаты и полиамиды.
Физиологические свойства показывают степень воздействия холодильных агентов на живой организм. По международной классификации все холодильные агенты делятся на шесть классов в зависимости от величины среднесмертной концентрации для определенного вида подопытных животных. К первой самой токсичной группе относится хладагент R764 (сернистый ангидрид). Запах сернистого ангидрида в воздухе чувствуется уже при концентрации 0,0012 - 0,0015%. При концентрации 0,002 - 0,004% возникает кашель. Дальнейшее повышение концентрации приводит к удушью, воспалению легких и кровоизлиянию. При попадании SО2 в кровь происходит коагуляция белых кровяных шариков. Ко второму классу относится R717 (аммиак), который даже при незначительных концентрациях в воздухе обладает специфическим едким запахом. Его предельная допустимая концентрация составляет 0,02 мг/м3. При наличии опасных концентрациях аммиака происходят деструктивно-воспалительные и некротические изменения слизистых оболочек дыхательных путей и кожи. Отравление аммиаком активизирует туберкулез, может вызвать паралич и глухоту. Попадание маленькой капли хладагента в глаз приводит к ожогу роговицы и даже к слепоте. К третьей и четвертой группам относятся чистые углеводороды (пропан, метан, бутан и др.) и некоторые хладоны (R20, R160). Самыми безвредными для человека являются большинство хладонов. Они относятся к пятому и шестому классам.
В 1976 году были установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) наиболее распространенных холодильных агентов. Превышение ПДК в воздухе вызывает отрицательное воздействие на организм человека. Однако при одинаковом ПДК хладагенты имеют различные давления насыщения и при аварии с различной интенсивностью распространяются в воздухе. Для оценки реальной опасности отравления рабочим веществом введено понятие токсической опасности, которая характеризуется коэффициентом возможного ингаляционного отравления (КВИО). Этот коэффициент определяется отношением максимально допустимой концентрации пара при температуре 20 °С к среднесмертельной концентрации для мышей при экспозиции 120 минут. Наиболее полно реальную опасность холодильного агента для человека в производственных условиях характеризует коэффициент токсической опасности - Кт.о.
Он показывает во сколько раз может быть превышен ПДК при аварии в нормальных производственных условиях. Для определения Кт.о. можно также воспользоваться следующей формулой:
где – Рt=20оС – давление насыщения при температуре 20оС, КПа;
μ – киниматический коэффициент вязкости;
Значения ПДК и Кт.о. для некоторых холодильных агентов представлены в таблице 3.3.
Таблица 3.3.Степень токсичности холодильных агентов.
|
Хладагент |
ПДК, мг/м3 |
Кт.о, 10-3 |
Хлад- агент |
ПДК, мг/м3 |
Кт.о, 10-3 |
Хлад- агент |
ПДК мг/м3 |
Кт.о, 10-3 |
|
R10 |
20 |
40 |
R32 |
1 |
32000 |
R150 |
10 |
50 |
|
R11 |
1000 |
5 |
R40 |
5 |
2000 |
R152 |
3000 |
1 |
|
R12 |
300 |
100 |
R40В1 |
1 |
5000 |
RС318 |
3000 |
7 |
|
R12В1 |
1000 |
20 |
R50 |
R500 |
3000 |
9 |
||
|
R12В2 |
860 |
9 |
R113 |
3000 |
1 |
R502 |
3000 |
20 |
|
R20 |
20 |
60 |
R114 |
3000 |
4 |
R600а |
||
|
R20В3 |
5 |
40 |
R115 |
3000 |
20 |
R717 |
20 |
300 |
|
R21 |
200 |
30 |
R130а |
5 |
30 |
|||
|
R22 |
3000 |
10 |
R142 |
3000 |
4 |
|||
|
R30 |
50 |
30 |
R143 |
3000 |
90 |
Экологические свойства показывают степень воздействия холодильных агентов на озоновый слой околоземной орбиты и парниковый эффект. Попадая в верхние слои атмосферы (стратосфера на высоте 16 – 45 км.) под воздействием солнечной радиации из хладонов выделяются хлор и бром. Они вступают в химическую реакцию с озоном, отнимают от него атом кислорода и образуют окись хлора и окись брома, тем самым уменьшая количество озона. В соответствии с Монреальским протоколом 1986 года потребление озоноактивных хладагентов подлежит сокращению и затем полному исключению. Например, в Беларуси хладон 12 запрещен полностью к применению с 1 января 2000 г. В связи с этим многие широко применяемые озоноразрушающие хладоны должны быть заменены на альтернативные озонобезопасные. В настоящее время проведен анализ существующих и разработан ряд новых хладагентов, не разрушающих озоновый слой земли. Наличие водорода в молекуле хладона резко снижает их озоноактивность. Наименее активны хладагенты, галоганизированные только фтором.
В таблице 3.4. приведена бальная оценка озоноразрушающей активности и парниковый потенциал некоторых хладагентов.
Таблица 3.4.Озоноразрушающий потенциал и потенциал парникового эффекта широко используемых хладагентов.
|
Хладагент |
Нормальная температура кипения, оС |
Относительная озоноактивность |
Потенциал парникового эффекта |
|
R11 |
23,65 |
1,0 |
1,0 |
|
R12 |
-29,74 |
1,0 |
3,0 |
|
R12B1 |
-3,83 |
3,0 |
- |
|
R13B1 |
-57,77 |
10,0 |
- |
|
R22 |
-40,81 |
0,05 |
0,36 |
|
R23 |
-82,14 |
0,0 |
- |
|
R32 |
-51,67 |
0,0 |
- |
|
R113 |
46,82 |
0,8 |
- |
|
R114 |
3,63 |
1,0 |
3,9 |
|
R115 |
-38,97 |
0,6 |
7,5 |
|
R124 |
-12,0 |
0,0 |
- |
|
R125 |
-48,0 |
0,0 |
0,84 |
|
R133а |
6,0 |
<0,05 |
- |
|
R134 |
-20,0 |
0,0 |
- |
|
R142b |
-9,0 |
<0,05 |
0,42 |
|
R143а |
-47,6 |
0,0 |
- |
|
R123/R123а |
27,0 |
<0,05 |
0,02 |
Во многих странах (Россия, США, Германия, Франция и др.) проводятся исследования и разрабатываются новые озонобезопасные холодильные агенты. Уже предложен ряд хладонов в замен существующих озоноразрушающих. Часть из них представлена в таблице 3.5.
Таблица 3.5.Альтернативные озонобезопасные холодильные агенты.
|
Часто используемый хладагент |
Температура кипения |
Альтернативный хладагент |
Температура кипения |
|
R113 |
46,8 |
R132в |
46,8 |
|
R11 |
23,6 |
R123/R123a |
27,1 |
|
R114 |
3,6 |
R133a |
6,1 |
|
R21 |
9,0 |
||
|
R12B1 |
-3,8 |
R142в |
-9,0 |
|
R142в |
-9,0 |
R142в |
-9,0 |
|
R12 |
-29,8 |
R134a |
-26,8 |
|
R152a |
-24,7 |
||
|
R22/R142в |
-30,0 |
||
|
R500 |
-33,3 |
R22/R142в |
-33,0 |
|
R22/R134a |
-33,0 |
||
|
R22 |
-40,8 |
R22 |
-40,8 |
|
R125 |
-42,0 |
||
|
R502 |
-45,6 |
R502 |
-45,6 |
|
R143в |
-47,6 |
||
|
R13B1 |
-57,0 |
R32 |
-51,7 |
|
R13 |
-81,6 |
R13 |
-81,6 |
|
R23 |
-82,0 |
||
|
R503 |
-87,8 |
||
|
R14 |
-128,0 |
R14 |
-128,0 |
Сравнительные характеристики некоторых холодильных агентов.
Традиционные хладагенты групп ХФУ и ГХФУ.
Хладагент R12. Дифтордихлорметан относится к группе ХФУ (СFС). Характеризуется высоким потенциалом разрушения озо на (ОDР=1) и большим потенциалом глобального потепле ния (GWP = 8500) . Бесцветный газ со специфическим запахом, в 4,18 раза тяжелее воздуха. Один из наиболее распространенных и безопасных при эксплуатации хладагентов. При объемной доле его в воздухе более 30 % наступает удушье из-за недостатка кислорода. Предельно допустимая концентрация (ПДК) R12, в частности при длительности воздействия 2ч, соответствует объемной доле его 38,5,..30,4 %. Невзрывоопасен, но при t>330 С разлагается с обра зованием хлорида водорода, фтористого водорода и следов отравляющего газа - фосгена. Неограниченно растворяется в масле, не проводит электрический ток и слабо растворяется в воде. Объемная доля влаги в R12 для бытовых холодильников не должна превышать 0,0004%. Обезвоженный R12 нейтрален ко всем металлам. Характеризуется повышенной текучестью, что способствует про никновению его через мельчайшие неплотности и даже через поры обычного чугуна. В то же время благодаря повышенной текучести R12 холодильные масла проникают во все трущиеся детали, снижая их износ. Поскольку R22 хороший растворитель многих органических веществ, при изготовлении прокладок применяют специальную резину - севанит или паронит. В холодильной технике R22 широко применяли для получения средних температур.
Хладагент R11. Фтортрихлорметан, тяжелый газ (в 4,74 раза тяжелее воздуха), относится к группе ХФУ (СFС). Характеризу ется высокой озоноразрушающей активностью (ОDР=1). Согласно Монреальскому протоколу с 1 января 1996г. прекращено производство R11 (Копенгаген, 1992 г.). Для организма человека R11 безвреден, он невзрывоопасен, неограниченно растворяется в минеральном масле. В воде R11 нерастворим, допустимая массовая доля влаги не более 0,0025 %. Обезвоженный хладагент нейтрален ко всем металлам, за исключением сплавов, содержащих более 20 % магния. Нормальная температура кипения 23,8 С. Объемная холодопроизводительность R11 мала; приме няют его в холодильных машинах при температуре кипения до -20 С. Хладагент R11 широко применяли в промыш ленных кондиционерах, турбокомпрессорах средних и больших мощностей.
Хладагент R502. Азеотропнаяя смесь хладагентов R22 и R115. Массовая доля R22 составляет 48,8 %, а R115 — 51,2 %. Относится к группе ХФУ (СFС), имеет следующие экологические характе ристики: ОDР = 0,33; GWR = 4300. Невзрывоопасен, малотоксичен и химически инертен к металлам. Растворимость R502 в мас лах, коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации близ ки к соответствующим значениям для R22. Характерная особен ность: R502 малорастворим в воде. Предельно допустимая концентрация R502 в воздухе составляет 3000 мг/м3. Объемная холодопроизводительность его выше, а температура нагнетания ниже примерно на 20 С, чем у R22, что положительно сказывается на температуре обмотки электродвигателя при эксплуатации герметичного холодильного компрессора. Хладагент R502 широко применяли в низкотемпературных компрессионных холодильных установках.
Хладагент R22. Дифторхлорметан относится к группе ГХФУ (НСFС). Имеет низкий потенциал разрушения озона (ОDР = 0,05), невысокий потенциал парникового эффекта (GWP = 1700), т.е. экологические свойства R22 значительно лучше, чем у R12 и R502. Это бесцветный газ со слабым запахом хлороформа, более ядовит, чем R12, невзрывоопасен и негорюч. По сравнению с R12 хладагент R22 хуже растворяется в масле, но легко проникает через неплотности и нейтрален к металлам. Для R22 холодиль ной промышленностью выпускаются холодильные масла хоро шего качества. При температуре выше 330 °С в присутствии ме таллов R22 разлагается, образуя те же вещества, что и R12. Хладагент R22 слабо растворяется в воде, объемная доля влаги в нем не должна превышать 0,0025 %. Коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации на 25...30% выше, чем у R12, однако R22 имеет более высокие давление конденсации и температуру нагнетания (в холодильных машинах). Предельно допустимая концентрация R22 в воздухе 3000 мг/м3 при длительности воздействия 1 ч. Этот хладагент широко применяют для получения низких температур в холодильных компрессионных установках, в системах кондиционирования и тепловых насосах. В холодиль ных установках, работающих на R22, необходимо использовать минеральные или алкилбензольные масла. Нельзя смешивать R22 с R12 — образуется азеотропная смесь.
По энергетической эффективности R502 и R22 достаточно близ ки. Холодильную установку, использующую в качестве рабочего тела R502, можно адаптировать к применению R22. Однако, как отмечалось ранее, R22 имеет более высокое давление насыщенных паров и, как следствие, более высокую температуру нагнетания.
Хладагент R123. Относится к группе ГХФУ (НСFС). Темпера тура кипения при атмосферных условиях 27,9 С. Потенциал раз рушения озона ОDР = 0,02, потенциал глобального потепления GWP = 90. Молекулярная масса 152,9. Хладагент предназначен для ретрофита (за мена хладагента на озонобезопасный) холодильных установок - водоохладителей, работающих на R11. Теоретическая холодопроиз водительность цикла с R123 составляет 0,86 относительно холодопроизводительности цикла с R11, температура и давление конденсации ниже на 10...15 % по сравнению с R11. В сочетании с R123 рекомендуется использовать алкилбензольное холодильное масло или смесь минерального и алкилбензольного.
Альтернативные хладагенты.
Однокомпонентные хладагенты.
Хладагент R125. Химическая формула СНF2СF3 (пентафторэтан). Относится к группе ГФУ (НFС), не содержит хлора. По тенциал разрушения озона ОDР = 0, потенциал глобального по тепления GWR = 860. Температура кипения при атмосферном давлении -48,1 °С. Хладагент рекомендуется применять в чистом виде либо в качестве компонента альтерна тивных смесей для замены R22, R502 и R12. Хладагент R125 непожароопасен. По энергетическим характеристикам и коэффи циенту теплоотдачи он проигрывает хладагентам R22 и R502. По сравнению с R502 имеет более крутую кривую, характеризую щую зависимость давления насыщенных паров от температуры, низкую критическую температуру и небольшую удельную тепло ту парообразования, что приводит к необходимости повышения степени сжатия. В связи с этим возможности применения R125 в холодильном оборудовании, использующем конденсаторы с воз душным охлаждением, весьма ограничены.
Вместе с тем R125 имеет более низкую (по сравнению с R22 и R502) температуру нагнетания и высокий массовый расход при низких давлениях всасывания. Поршневые холодильные ком прессоры, работающие на R125, характеризуются оптимальным наполнением цилиндра, а следовательно, имеют большой коэф фициент подачи.
Хладагент R134. Химическая формула СF3СFН2 (тетрафторэтан). Молекула R134а имеет меньшие размеры, чем молекула R12, что делает более значительной опасность утечек. Относится к группе ГФУ (НFС). Потенциал разрушения озона ОDР = 0, по тенциал глобального потепления GWР = 1300.
Хладагент R134а нетоксичен и не воспламеняется во всем диа пазоне температур эксплуатации. Однако при попадании воздуха в систему и сжатии могут образовываться горючие смеси. Не сле дует смешивать R134а с R12, так как образуется азеотропная смесь высокого давления с массовыми долями компонентов 50 и 50 %. Давление насыщенного пара этого хладагента несколько выше, чем у R12 (соответственно 1,16 и 1,08 МПа при 45 °С). Пар R134а разлагается под влиянием пламени с образованием отравляющих и раздражающих соединений, таких, как фторводород.
В среднетемпературном оборудовании (температура кипения -7°С и выше) R134а имеет эксплуатационные характеристики, близкие к R12.
Для R134а характерны небольшая температура нагнетания (она в среднем на 8...10°С ниже, чем для R12) и невысокие значения давления насыщенных паров.
В холодильных установках, работающих при температурах ки пения ниже -15 °С, энергетические показатели R134а хуже, чем у R12 (на 6% меньше удельная объемная холодопроизводительность при -18 °С), и холодильный коэффициент. В таких установ ках целесообразно применять хладагенты с более низкой нормаль ной температурой кипения либо компрессор с увеличенным часо вым объемом, описываемым поршнями.
В среднетемпературных холодильных установках и системах кондиционирования воздуха холодильный коэффициент R134а равен коэффициенту для R12 или выше его.
В высокотемпературных холодильных установках удельная объемная холодопроизводительность при работе на R134а также несколько выше, чем у R12.
Из-за значительного потенциала глобального потепления GWP рекомендуется применять R134а в герметичных холодильных системах. Влияние R134а на парниковый эффект в 1300 раз сильнее, чем у СО2. Так, выброс в атмосферу одной заправки R134а из бытового холо дильника (около 140 г) со ответствует выбросу 170кг СО2. В Европе в среднем 448 г СО2 образуется при производстве 1 кВт • ч энер гии, т. е. этот выброс соответствует производству 350 кВт • ч энергии.
Для работы с хладаген том R134а рекомендуются только полиэфирные хо лодильные масла, кото рые характеризуются по вышенной гигроскопич ностью.
R134а широко используют во всем мире в качестве основной замены R12 для холодильного оборудования, работающего в среднетемпературном диапазоне. Его применяют в автомобильных кондиционерах, бытовых холодиль никах, торговом холодильном среднетемпературном оборудова нии, промышленных установках, системах кондиционирования воздуха в зданиях и промышленных помещениях, а также на хо лодильном транспорте. Хладагент можно использовать и для ретрофита оборудования, работающего при более низких температурах. Однако в этом случае, если не заменить компрессор, то холодильная система будет иметь пониженную холодопроизводительность.
R134а совместим с рядом уплотняющих материалов, в част ности с прокладками, сделанными из таких материалов, как «Буна-Н», «Хайпалон 48», «Неопрен», «Нордел», а также со шлан гами, футурованными нейлоном. Как показал анализ, проведенный фирмой «Du Pont», изменение массы и линейное набухание таких материалов, применяемых в отечественном холодильном оборудовании, как фенопластовые и полиамидные колодки, тек столит, паронит и полиэтилентерефталатовые пленки, при старе нии в смеси SUVА R134а с полиэфирным маслом «Castrol SW100» при 100°С в течение 2 недель были незначительными.
Хладагент R143а. Химическая формула СР3-СН3 (трифторэтан). Относится к группе ГФУ (НFС).
R143а имеет потенциал разрушения озона ОDР = 0 и сравни тельно высокий потенциал глобального потепления GWР= 1000, нетоксичен и пожароопасен, не взаимодействует с конструкци онными и прокладочными материалами. Наличие трех атомов водорода в молекуле R143а способствует хорошей растворимости в минеральных маслах. Удельная теплота парообразования 19,88 кДж/моль при нормальной температуре кипения, что не сколько выше, чем для R125 (18,82кДж/моль). Температура на гнетания ниже, чем у R12, R22 и R502. Как показал эксергетический анализ, энергетическая эффективность двухступенчатого цик ла с R143а близка к эффективности цикла с R502, ниже, чем у R22, и выше, чем у R125. Хладагент R143а входит в состав много компонентных альтернативных смесей, предлагаемых для замены R12, R22 и R502.
Хладагент R32. Химическая формула СР2Н2 (дифторметан). От носится к группе ГФУ (НFС). R32 имеет потенциал разрушения озона ОDР = О и низкий по сравнению с R125 и R143а потенциал парникового эффекта GWР = 220. Нетоксичен, пожароопасен. Имеет большую удельную теплоту парообразования 20,37 кДж/моль при нормаль ной температуре кипения и крутую зависимость давления насы щенных паров от температуры, вследствие чего для R32 характер на высокая температура нагнетания, самая высокая из всех альтер нативных хладагентов, за исключением аммиака. R32 растворим в полиэфирных маслах.
Для RЗ2 при использовании его в холодильных установках ха рактерны высокие холодопроизводительность и энергетическая эффективность, но он несколько уступает R22 и R717. Высокая степень сжатия R32 вызывает необходимость в значительном из менении конструкции холодильной установки при ретрофите и, следовательно, приводит к увеличению ее металлоемкости и стоимости. Поэтому R32 рекомендуется использовать в основном в качестве компонента альтернативных рабочих смесей. Вследствие малых размеров молекулы R32 по сравнению с молекулами хладагентов этанового ряда возможна селективная утечка R32 через неплотности в холодильной системе, что может изменить состав многокомпонентной рабочей смеси.
Многокомпонентные хладагенты группы ГХФУ.
Хладагенты среднего давления.
Хладагент R401А. Это зеотропная смесь среднего давления с температурным глайдом tgl = 4...5К. Давление насы щенного пара R401А несколько выше, чем у R12 (соответственно 1,27 и 1,08МПа при 45°С).
В зависимости от условий эксплуатации холодопроизводительность холодильной системы, в которой ранее был R12, увеличива ется на 5...8 %. Хладагент К401А несовместим с минеральными маслами, поэтому во время ретрофита необходимо заправлять хо лодильный агрегат алкилбензольным маслом. Требуется также замена фильтра-осушителя.
Хладагент рекомендуется применять для ретрофита в высоко- (выше О °С) и среднетемпературных торговых холодильных уста новках (герметичные, бессальниковые компрессоры и компрессо ры с открытым приводом), бытовых холодильниках и стационар ных кондиционерах воздуха для замены R12.
Холодопроизводительность холодильной сис темы, работающей на R401А, сопоставима с холодопроизводительнос тью систем на R12 при температурах кипения выше -25 °С.
Хладагент R401В. Это зеотропная смесь среднего давления с температурным глайдом tgl = 5 К. Давление насыщенного пара R401В несколько выше, чем у R12 (соответственно 1,36 и 1,08МПа при 45°С).
Хладагент разработан для ретрофита низкотемпературного оборудования холодильных транспортных систем (например, ох лаждаемых контейнеров), работающего на R12 (температура кипе ния -20...-30 °С), а также среднетемпературного торгового обору дования и бытовых холодильников.
При ретрофите действующего холодильного оборудования сле дует заменить фильтр-осушитель, а холодильную систему охлаж дения заправить алкилбензольным маслом. Холодопроизводительность систем, работающих на хладагенте R401В, сопоставима с холодопроизводительностью на R12 при температурах кипения ниже -23 °С.
Хладагент R401В можно также использовать для замены R500 в действующем оборудовании.
Хладагент R401С. Это зеотропная смесь сред него давления с темпе ратурным глайдом tgl = 4,5...5 К. Хладагент предназначен для ретрофита действу ющих холодильных ав торефрижераторов, рабо тающих на R12. Термо динамические и физи ческие свойства хлад агента позволяют осу ществлять эффективную и безопасную замену R12. При ретрофите устано вок, работающих на R12, перед переходом к хлад агенту R401С заменяют фильтр-осушитель и ми неральное масло на алкилбензольное.
Хладагент R409А. Представляет собой смесь на основе ГХФУ: R22, R124 и R142. Массовые доли компонентов составляют соот ветственно 60; 25 и 15. Температура кипения при атмосферных условиях -34 °С. Молекулярная масса 97,4 г/моль. Потенциал разрушения озона ODP = 0,05. Хладагент негорюч и неядовит, совместим с минеральными, а также с алкилбензольными маслами. Предназначен для ретрофита холодильных систем мобильного торгового транспортного оборудования, быто вых холодильников, промышленных холодильных установок с поршневыми и винтовыми компрессорами.
Хладагенты высокого давления.
Хладагент R402А. Это близкозеотропная смесь с температур ным глайдом менее 1,6 К. Хладагент разработан для ретрофита оборудова ния, заправленного R502 и работающего при низкой температуре кипения (-40 °С), где необходимо достичь температуры нагнета ния, свойственной R502. В зависимости от условий эксплуата ции холодопроизводительность оборудования, работающего на этом хладагенте, как правило, выше, чем у оборудования на R502, примерно на 11 %. Энергопотребление также несколько больше. Хладагент R402А по сравнению с R502 при одних и тех же услови ях имеет повышенное давление на 13... 15 %.
R402А совместим с минеральными маслами, со смесями мине рального и алкилбензольного масел, а также с алкилбензольными и полиэфирными маслами. Рекомендуется применение R402А в сочетании с алкилбензольным маслом. Во время ретрофита фильтр необходимо заменять.
Неазеотропность смеси может привести к изменению ее соста ва и соответственно к ухудшению характеристики холодильной системы в процессе длительной работы.
Хладагент R402В. Это близкозеотропная смесь с температур ным глайдом менее 1 К. Хладагент разработан как заменитель R502 для ретрофита холодильного оборудования, в котором необходимо оптимизи ровать холодильный коэффициент. В тех случаях, когда сообра жения энергетической эффективности являются определяющи ми, предпочтение отдается хладагенту R402В, который превос ходит R502 по энергетическим характеристикам. Хлад агент перспективен для применения в торговом холодильном оборудовании, в охлаждаемом объеме которого температура ки пения не опускается ниже -30 °С. Важно, что если температура кипения достигает -40 °С, то температура нагнетания может быть на 15 °С выше, чем у R502. Такое повышение температуры может отрицательно повлиять на систему смазки и сократить срок службы компрессора.
Хладагент совместим с минеральными маслами, со смесями минерального и алкилбензольного масел, а также с алкилбензольными и полиэфирными маслами. Во время ретрофита фильтр-осушитель необходимо заменять.
Вследствие того что состав хладагента многокомпонентный, могут произойти селективная потеря какого-либо компонента из-за утечки, вызванной негерметичностью холодильной системы, или изменение массы в отдельных ее элементах, что вызовет ухуд шение энергетических характеристик оборудования.
Альтернативные многокомпонентные хладагенты группы ГФУ
Хладагент R404А. Это близкозеотропная смесь R125/R143а/R134а с соотношением массовых долей компонентов 44/52/4. Темпера турный глайд менее 0,5 К.
В зависимости от условий эксплуатации обеспечиваются повы шение холодопроизводительности на 4...5 % и снижение темпера туры нагнетания в компрессоре до 8 % по сравнению с аналогич ными характеристиками R.502.
После поступления в продажу с конца 1993г. R404А первона чально 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 полиэфир ное и фильтра-осушителя.
Изменение состава смеси (R404А), циркулирующей в холо дильной системе, может привести к ухудшению ее энергетических характеристик, особенно в схемах с ресивером или при значитель ной 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 низ ких температурах для возникновения горючести требуются высо кие давления. Поэтому R404А также не следует смешивать с воз духом или пользоваться и допускать присутствия высоких кон центраций воздуха с давлением выше атмосферного или при вы соких температурах.
Хладагент R407С. Торговая марка SUVA®9000. В качестве альтернативы хладагенту R22 фирма «Du Pont» для использова ния 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 (массо вые 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 оптималь ную 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 действу ющем оборудовании (при незначительных изменениях), либо по добрать хладагент вместо R22 для нового оборудования.
Вместе с тем большинство компаний озабочены большим температурным глайдом tgl = 5...7 К, характерным для R407С, поэтому массовые доли компонентов предлагаемых смесей варь ируют в широких пределах. Данный недостаток значительно за трудняет обслуживание холодильных систем. Так, в системах с несколькими испарителями возможно нарушение исходной кон центрации рабочего вещества, заправленного в систему. Анало гичные трудности возникают и в холодильных системах с затоп ленным испарителем.
При использовании R407С не требуется вносить существенные изменения в конструкцию холодильной установки - приходится лишь заменить холодильное масло на полиэфирное, а также элас томеры, адсорбенты фильтров-осушителей и предохранительные клапаны. Совместимые с R407С полиэфирные масла чрезвычайно гигроскопичны. Это предъявляет жесткие требования к техноло гии сборки холодильной машины. Кроме того, для R407С харак терны 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 теплооб мена 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 протека ющих в нем процессов теплообмена. Так, присутствие в рабочем веществе 0,2 % полиэфирного масла снижает коэффициент тепло передачи R407С на 2 %. При содержании 2 % масла в хладагенте коэффициент теплопередачи уменьшается на 14 %.
При более низкой температуре нагнетания и немного более вы соком давлении нагнетания энергетическая эффективность R407С близка к энергетической эффективности R22.
Важно, что R407С не предназначен для работы в смеси с дру гими хладагентами. Добавление R407С к любому другому хлад агенту 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 послед ней с пластиками и эластомерами. Как показали исследования, не существует ни одной группы эластомеров или пластиков, которая бы подходила ко всем альтернативным хладагентам. Рекомендует ся перед заменой хладагента и внесением конструктивных изме нений в холодильную систему по отношению к таким ее элемен там, как прокладки, уплотнения и поршневые кольца, прокон сультироваться с производителем оборудования.
Холодильное масло подбирают с учетом трех факторов: возвра та масла в компрессор; смазывающей способности и совместимости с материалами элементов холодильной установки. Для ис пользования в сочетании с R407С рекомендуются полиэфирные масла. Производителей полиэфирных масел много, поэтому пе ред выбором масла необходимо проконсультироваться с предста вителем 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 гигро скопичность по сравнению с минеральными. Для погло щения влаги маслом достаточен лишь кратковременный контакт его с окружающей средой, что делает масло непригодным для ис пользования в холодильной системе. Поскольку полиэфирное масло более предрасположено к удерживанию влаги, чем мине ральное, ее гораздо труднее удалить, применяя вакуум. Поэтому рекомендуется заправлять систему полиэфирным маслом, массо вая доля влаги в котором не более 50 млн -1. При помощи фильт ра-осушителя соответствующего размера можно поддержать мас совую долю влаги в системе на уровне менее 50 млн -1. Если содер жание влаги в масле, заправленном в холодильную систему, до стигает 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 хладаген тами и маслами. Однако индикатор влаги может давать непра вильные показания. Действительный уровень влаги в масле будет выше, чем видно в смотровом стекле. Это происходит в резуль тате высокой гигроскопичности полиэфирного масла.
Так как полиэфирные смазочные масла обладают гигроскопич ностью 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 герметич ных 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. Допу стимое остаточное количество минерального масла в холодильной системе зависит от ее конфигурации и от рабочих условий. Если в холодильном контуре появляются признаки падения интенсивно сти теплообмена в испарителе или наблюдается ухудшение воз врата масла в компрессор, то, возможно, требуется дальнейшее снижение количества остаточного минерального масла. После про ведения 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 холо дильной 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 количест ва хладагента в системе ее производительность восстанавливается. Однако если происходит утечка пара из парожидкостной зоны не работающей системы, состав оставшейся части хладагента изменя ется. В оставшейся части повышается концентрация высококипя щего компонента (R134а), концентрация низкокипящих компо нентов (R32 и R125) понижается. Следствием изменения концен траций компонентов, составляющих хладагент, является измене ние 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. Молеку лярная масса 98,86 г/моль. Потенциал разрушения озона ОDР = О, потенциал глобального потенциала GWP = 3900. Хладагент разра ботан для ретрофита низкотемпературных холодильных систем, работающих на R502, и для заправки нового оборудования в соче тании с применением полиэфирных масел. Характеристики хлад агента 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 мень ше на 8... 11 %, а холодопроизводительность- на 1,..3%, чем в хо лодильных системах, работающих на R502. Однако более низкие (на 6...9°С) значения температуры нагнетания позволяют приме нять этот хладагент в тех низкотемпературных системах, где ис пользование R502 встречает ограничения. Близкие к R502 значения плотности альтернативного хладагента R507 на входе в компрессор и степени сжатия указывают на необходимость самых минималь ных 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 %). По тенциал разрушения озона СDР = 0. Потенциал глобального по тепления НGWR = 0,45. Он служит хладагентом, альтернативным R22, и предназначен для заправки новых систем кондиционирова ния воздуха высокого давления. Удельная холодопроизводительность R410А примерно на 50 % больше, чем у R22 (при температу ре конденсации 54 °С), а рабочее давление в цикле на 35...45 % выше, чем у R22, что приводит к необходимости внесения кон структивных изменений в компрессор и теплообменники, а сле довательно, к возрастанию капитальных затрат.
Поскольку плотность R410А выше, чем R22, компрессоры, коммуникационные линии и теплообменники должны иметь мень шие размеры.
В холодильных системах, работающих на R410А, рекомендует ся использовать полиэфирные масла.
Хладагент R508В. Торговая марка SUVA®95. Представляет со бой азеотропную смесь R23 и R116 при соотношении массовых долей компонентов 46 и 54 %. Температура кипения -88,3 °С По тенциал разрушения озона СDР = 0. Предназначен для замены R503, R13 и R23 в низкотемпературном оборудовании. В качестве холодильного масла рекомендуется полиэфирное.
3.3.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.
3.4.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.
|
Концент-рация, % |
Плотность при 15 оС |
Темпратура замерзания оС |
Теплоемкость, кДж/кг∙К |
Концент-рация, % |
Плотность при 15 оС |
Темпратура замерзания оС |
Тепло-емкость, кДж/кг∙К |
|
4,6 |
1005 |
-2 |
4,10 |
27,4 |
1035 |
-15 |
3,72 |
|
8,4 |
1010 |
-4 |
4,06 |
31,2 |
1040 |
-17 |
3,64 |
|
12,2 |
1015 |
-5 |
3,98 |
35,0 |
1045 |
-21 |
3,57 |
|
16,0 |
1020 |
-7 |
3,90 |
38,8 |
1050 |
-26 |
3,52 |
|
19,8 |
1025 |
-10 |
3,86 |
42,6 |
1055 |
-29 |
3,44 |
|
23,6 |
1030 |
-13 |
3,77 |
46,4 |
1060 |
-33 |
3,35 |
3.5 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.
3.6 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, до стигнув 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.
4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАТНЫХ ЦИКЛОВ
4.1. Классификация обратных циклов
Классификация обратных циклов. В соответствии со вторым законом термодинамики перенос теплоты от ИНТ к ИВТ возможен при условии подвода энергии извне. Согласно первому закону термодинамики количество теплоты Q, отдаваемой ИВТ, равно сумме количества теплоты Qo, отведенной от ИНТ, и теплового эквивалента энергии L, подведенной извне, т. е.
Q = Q0 + L
или для 1 кг рабочего вещества
q = qQ+ L
Перенос теплоты от ИНТ к ИВТ осуществляется с помощью рабочего вещества (холодильного агента). Термодинамические и физические свойства рабочего вещества оказывают значительное влияние на показатели обратных циклов. Рабочее вещество совершает обратный цикл за счет механической или другого вида энергии. Различают три разновидности обратных циклов: холодильный цикл, цикл теплового насоса, а также комбинированный (или) теплофикационный цикл.
Холодильная машина работает по холодильному циклу и служит для охлаждения какой-либо среды или поддержания низкой температуры в охлаждаемом помещении в том случае, когда теплота от источника низкой температуры (охлаждаемого объекта) передается окружающей среде. Такой цикл показан на рис. 4.1. В процессе 4-1 (цикл 2) теплота q0 подводится к рабочему веществу от источника низкой температуры, в процессе 1-2 рабочее вещество сжимается и к нему подводится тепловой эквивалент работы компрессора 1К. В процессе 2-3 от рабочего вещества отводится в окружающую среду теплота q, в процессе 3-4 расширяется рабочее вещество с совершением работы I . Согласно первому закону термодинамики работа, необходимая для совершения цикла,
Так как в компрессоре работа затрачивается, а при расширении ее можно получить, тогда работа цикла
Рис.4.1 Обратные циклы
1 – холодильный, 2- теплового насоса, 3 - комбинированный
Для определения энергетической эффективности холодильного цикла вводиться холодильный коэффициент, который определяет количество отводимой от источника теплоты на единицу затраченной в цикле работы:
Холодильный коэффициент может меняться от + до 0.
В том случае, когда с помощью холодильной машины теплота отводится от окружающей среды и передается источнику высокой температуры, этот цикл называется циклом теплового насоса. Такая холодильная машина служит для целей теплоснабжения или динамического отопления. Цикл теплового насоса показан на рис. 4.1 (цикл II). В процессе 4-1 к рабочему веществу подводится от окружающей среды теплота . В процессе 1—2 рабочее вещество воспринимает тепловой эквивалент работы , вследствие чего его температура повышается. Теплота , полученная от окружающей среды, и тепловой эквивалент работы передаются в процессе 2—3 источнику высокой температуры. Эта теплота служит для отопления помещений или других технологических нужд. В процессе 3-4 рабочее вещество расширяется, совершая работу . Энергетическая эффективность цикла теплового насоса характеризуется отопительным коэффициентом , который определяется количеством теплоты, подводимой к источнику высокой температуры, на единицу затраченной в цикле работы:
Между холодильным и отопительным коэффициентами существует связь
Отопительный коэффициент меняется от +1 до +.
Комбинированный (теплофикационный) цикл — это цикл холодильной машины, при котором теплота от источника низкой температуры передается источнику высокой температуры. Такой цикл показан на рис. 4.1 (цикл III). В этом цикле в процессе 1-4 теплота подводится к рабочему веществу, в процессе 1-2 рабочее вещество получает тепловой эквивалент работы ; в процессе 2-3 теплота q отводится к источнику высокой температуры, далее в процессе 3—4 рабочее вещество расширяется, совершая при этом работу .
Так как при помощи холодильной машины, работающей по комбинированному циклу, получают одновременно холод и теплоту, то энергетическая эффективность такого цикла характеризуется двумя коэффициентами и :
где и — соответственно работа циклов 1—b-а—4 и b-2-З-а.
4.2 Необратимые потери обратных циклов.
Понятие об обратимости процессов и циклов имеет фундаментальное значение в термодинамической теории холодильных машин. Процесс называют обратимым, если после его завершения тела, принимавшие в нем участие, можно вернуть в первоначальное состояние без каких-либо затрат работы или каких-либо других изменений. Принципиальным является разделение необратимости на внутреннюю и внешнюю. Такое разделение позволяет правильно установить источники необратимых потерь в циклах и дает возможность искать пути их устранения. Источниками внутренней необратимости в обратных циклах являются: внутреннее трение частиц рабочего вещества, трение в элементах машины, дросселирование, диффузия, смешение потоков рабочего вещества, химические реакции, неравновесные фазовые превращения. Внешняя необратимость определяется наличием конечной разности температур в процессе теплообмена рабочего вещества с источниками низкой и высокой температур или с окружающей средой.
Возможны различные сочетания внутренне и внешне обратимых и необратимых процессов. Их можно классифицировать следующим образом:
процессы вполне обратимые как внутренне, так и внешне;
процессы внешне обратимые, но внутренне необратимые;
процессы внешне необратимые, но внутренне обратимые;
процессы необратимые как внешне, так и внутренне.
Все без исключения процессы, происходящие в реальных холодильных машинах, относятся к четвертой группе. Тем не менее при термодинамическом анализе можно использовать процессы первых трех групп, применяя метод наращивания (суммирования) потерь. Обратимые процессы можно изображать в термодинамических диаграммах, в то время как изображение необратимых процессов в значительной мере условно.
В термодинамике существуют равнозначные понятия: обратимый обратный цикл, цикл-образец, цикл с минимальной работой, т. е. цикл, при помощи которого с минимальными затратами работы можно перенести теплоту от ИНТ к окружающей среде или к ИВТ. Наличие необратимых потерь в обратном цикле ведет к увеличению затраченной работы, которая в этом случае определяется по формуле
где Lmin — работа, затраченная холодильной машиной, рабочее вещество которой совершает обратимый цикл; — дополнительная работа, затраченная на компенсацию необратимых потерь.
Очень важным является правильное построение обратимого цикла, которое должно осуществляться исходя из следующих положений:
процессы сжатия и расширения идут обратимо;
теплообмен рабочего вещества с внешними источниками происходит при бесконечно малой разности температур;
холодопроизводительность обратимого цикла равна холодо-производительности рассматриваемого цикла;
для цикла теплового насоса теплота, отдаваемая источнику высокой температуры в обратимом цикле, и эта же теплота в рассматриваемом цикле равны между собой.
Как уже отмечалось ранее, различают три разновидности обратных циклов: собственно холодильный, теплового насоса и теплофикационный. Принципиальной разницы между ними нет, поэтому их термодинамический анализ будем проводить на примере собственно холодильного цикла. При необходимости анализа циклов теплового насоса или теплофикационного можно воспользоваться полученными закономерностями с учетом их специфики.
Для определения дополнительной работы, затраченной на компенсацию необратимых потерь, будем пользоваться уравнением Гюи—Стодолы
где
— суммарное приращение энтропии всех тел, прини-
мающих участие в процессах.
Учитывая, что анализ циклов будем вести с использованием диаграммы s-T, которая, как известно, составлена для 1 кг рабочего вещества, запишем уравнение Гюи—Стодолы для удельных величин
где — увеличение удельной работы цикла, вызванное наличием необратимых потерь; — суммарное удельное приращение энтропии всех тел, принимающих участие в процессах.
Энтропия — функция состояния, поэтому в замкнутом обратном цикле изменение энтропии рабочего вещества равно нулю. Следовательно, под при совершении обратного цикла следует понимать изменение энтропии внешних источников теплоты.
Предположим, что необходимо отвести теплоту от источника низкой температуры, характер изменения состояния которого показан на рис. 4.2, при температуре окружающей среды . Следует обратить внимание на то, что физические свойства внешних источников и рабочего вещества различны, поэтому процессы изменения их состояния можно изображать на одной диаграмме только условно.
Для отвода теплоты будем использовать обратный цикл 1—2—3—4. В нем имеется внешняя необратимость, которая обусловлена наличием разности температур при теплообмене рабочего вещества и внешних источников. Каких-либо других необратимых потерь в этом цикле нет.
Рис. 4.2. Обратные циклы при конечных разностях температур
Для того чтобы определить необратимые потери в цикле 1-2-3-4, необходимо построить цикл с минимальной работой (обратимый цикл) по внешним источникам. Таким циклом будет цикл a—c—d—b. В этом цикле процессы сжатия и расширения идут изоэнтропно, теплообмен рабочего вещества с источниками происходит при бесконечно малых разностях температур, удельные холодопроизводительности циклов 1-2-3-4 и a-c-d-b должны быть равны, т. е. при помощи этих циклов от ИНТ передается к окружающей среде одинаковое количество теплоты (площадь m—b—a—n равна площади m—4—l—f). Работа обратимого цикла lmin эквивалентна площади a-c-d-b, работа цикла 1-2-3-4 — площади 1—2—3—4. Увеличение работы в цикле 1—2—3—4 по сравнению с обратимым циклом является следствием внешней необратимости и определяется как разность площадей
пл. 1—2—3—4 — пл. a—c—d—b = пл. 4—Ь—а—с — d—3—2—l -= пл. 4-Ь-а-с-2'-1 + пл. d-3-2-2'.
Так как по условию построения циклов пл. m—b—a—n = = пл. m—4—l—f, то пл. 4—Ъ—а—5 = пл. n—5—l—f, поэтому пл. 4-b-а-с-2'-1 = пл. n-c-2'-f.
Площадь m-З-2-f, эквивалентная количеству теплоты, отводимой от рабочего вещества в окружающую среду в процессе 2-3, равна площади m-d-k-e, т. е. количеству теплоты, которое принимает окружающая среда, поэтому пл. d-3-2-2' = пл. f-2'-k-e. Таким образом пл. 4-b—a-c-d-3—2—1 = пл. 4-Ь-а-с-2'-1 + пл. d-3-2-2' = пл. n-c-2'-f+ пл. f-2'-k-e, т. е. ,
где — изменение энтропии внешних источников,
Здесь и — изменения энтропии источников низкой температуры и окружающей среды.
Изменения энтропии внешних источников вычисляют по уравнениям:
где синт — теплоемкость источника низкой температуры (принята постоянной); — количество теплоты, которое отдает рабочее вещество в окружающую среду в процессе 2-3.
Степень термодинамического совершенства цикла 1-2-3-4 определяется коэффициентом обратимости ,
т. е. с ростом необратимых потерь коэффициент обратимости уменьшается.
Коэффициент обратимости, определенный по уравнению, дает представление о термодинамической эффективности цикла в целом, однако в некоторых случаях появляется необходимость выяснить, как влияют процессы теплообмена на необратимые потери каждый в отдельности.
Рассмотрим охлаждение источника низкой температуры от состояния а до состояния b (см. рис. 4.2) с помощью обратного цикла l—2'—d—4. В этом цикле только один вид необратимости, которая связана с теплообменом рабочего вещества с источником низкой температуры при конечной разности температур. Цикл с минимальной работой (обратимый цикл) для данных условий будет a-c-d—b, работа которого эквивалентна площади a-c-d-b. Работа цикла 1-2 -d-4 эквивалентна площади 1-2'-d-4. Разность этих площадей не что иное, как увеличение работы , связанное только с наличием необратимых потерь в процессе теплообмена рабочего вещества и источника низкой температуры, т. е. > пл. l—2'-d—4 - пл. a-c-d-b = пл. 4—Ъ—а—с—2'—1.
Как уже было показано, пл. 4—Ь—а—с—2'—1 = пл. n—c—2'—f
или
, где
Как отмечалось ранее, дросселирование всегда сопровождается увеличением энтропии, значит, наличие такого процесса в обратном цикле ведет к необратимым потерям. Рассмотрим необратимые потери, связанные с дросселированием.
На рис. 4.3 показан обратный цикл 1—2—3—4, в котором расширение рабочего вещества происходит при дросселировании 3—4. В этом цикле других необратимых потерь нет, поэтому можно определить, как влияет необратимый процесс дросселирования на работу цикла. По заданным внешним источникам построим обратимый цикл 1-2-5-4, работа которого lmin будет эквивалентна площади 1-2-5-4, а работа цикла 1—2-3—4 — площади 1-2-3-0-1. Разность этих площадей является увеличением работы цикла, которое связано с наличием в цикле необратимых дроссельных потерь
Рис. 4.4 необратимые потери при дросселировании
~ Lm °° пл. 1-2-3-0-1 - пл. 1-2-5-4 = пл. 0-3-5-4-0.
Рабочее вещество в точке 3 обладает энергией, которая эквивалентна площади 0—3—6. При дросселировании эта энергия переходит в кинетическую энергию движущегося рабочего вещества. За дросселем кинетическая энергия при торможении потока рабочего вещества превращается в теплоту трения (пл. m—6—4—n), которая подводится к рабочему веществу. В соответствии с законом сохранения энергии пл. 0-3-6 = пл. m-6-4-n, тогда ~ пл. 0-3-5-4-0 = пл. 0-3-6 + пл. 6-3-5-4 = пл. m-6-4-n + + пл. 6-3-5-4 = пл. т-З-5-п, т. е.
На рис. 4.5 показан внутренне и внешне необратимый обратный цикл 1—2—3—4, в котором имеется необратимый процесс дросселирования (3-4), а теплообмен рабочего вещества с внешними источниками идет при конечной разности температур.
Построим для цикла 1-2-3—4 цикл-образец. Таким циклом будет цикл а—c—d—b, построенный по внешним источникам, в котором площадь под процессом Ь—а равна площади под процессом 4—1, т. е. удельные холодопроизводительности циклов a—c—d—b и 1—2—3—4 будут равны.
В цикле a—c—d—b процессы сжатия и расширения идут изо-энтропно, т. е. обратимо, а теплообмен рабочего вещества с внешними источниками происходит при бесконечно малой разности температур и также обратимо. Работа цикла 1-2—3-4 эквивалентна площади 1-2—3—т-п-4-1, работа цикла-образца — площади a—c—d—b.
Необратимые потери в цикле 1-2-3-4 или дополнительная или дополнительная работа , которую необходимо затратить для компенсации необратимых потерь, будут равны разности этих площадей, а коэффициент обратимости цикла 1-2-3—4 определится из выражения
Анализ обратных циклов показывает, что дополнительная работа, связанная с наличием необратимых потерь, велика, поэтому при эксплуатации холодильных машин необходимо стремиться к сокращению этих потерь. Это можно достигнуть простейшими мероприятиями, например своевременным выпуском масла из испарителя, своевременной чисткой аппаратов, правильной подачей хладо- и теплоносителей в аппараты.
Рис. 4.5. Цикл с внутренней и внешней необратимостью
Источником необратимых потерь в обратном цикле могут быть также процессы в компрессоре или детандере, однако эти потери зависят от типа компрессора, поэтому их влияние на работу цикла будет рассмотрено в главах 7, 8 и 9.
4.3. Выбор обратимого цикла
От построения обратимого цикла зависит правильность термодинамического анализа действительного цикла. Рассмотрим некоторые общие положения, касающиеся построения обратимых циклов для различных внешних условий. Предположим, что внешние источники имеют постоянную температуру (рис. 4.6). Для таких источников обратимым будет обратный цикл Карно 1—2—3—4. В этом цикле теплообмен рабочего вещества с внешними источниками будет идти при бесконечно малых разностях температур. Процессы сжатия и расширения адиабатны и изоэнтропны, т. е. тоже обратимы.
Для внешних источников с постоянными температурами обратимым также будет цикл 1-5-6-4, в котором s5 – s1 = s6- s4.
Такой цикл носит название регенеративный цикл или обобщенный цикл Карно.
Значения холодильного коэффициента цикла Карно и регенеративного будут одинаковы, т. е.
Рис. 4.6. Цикл Карно
Рис. 4.7. Цикл Лоренца
В том случае, когда внешние источники имеют переменную температуру, цикл Карно уже не может быть выбран в качестве обратимого, так как в цикле Карно теплота подводится и отводится в изотермическом процессе, поэтому появляется внешняя необратимость.
Для условий внешних источников с переменной температурой (рис. 4.7) обратимым циклом будет цикл 1-2-3-4. Такой цикл называют циклом Лоренца.
Рис. 4.8 Сопоставление циклов Лоренца и Карно
Сопоставим энергетическую эффективность циклов Лоренца и Карно при внешних условиях, показанных на рис. 4.8, т. е. при постоянной температуре окружающей среды и переменной температуре источника низкой температуры, которая меняется от Т2 до T1 В этих условиях обратимым будет «треугольный» цикл Лоренца, в котором: процесс 1-2 — подвод теплоты к рабочему веществу, процесс 2-3 — изотермическое сжатие, процесс 3—1 — изоэнтропное расширение. Цикл Карно, дающий такую же холодопроизводительность при минимальной температуре цикла Лоренца, будет 4-5-3-1. Из рисунка видно, что работа, затрачиваемая в цикле Лоренца, меньше, чем в цикле Карно (пл. 1-2-3-1 < пл. 4-5-3-1). Отношение холодильных коэффициентов циклов Лоренца и Карно имеет вид
где
Рис.4.9 Сопоставление холодильных коэффициентов циклов Лоренца и Карно.
При , при , т. е. при охлаждении какой-либо среды с постоянной теплоемкостью, эффективность цикла Лоренца по крайней мере вдвое превышает эффективность цикла Карно. На рис. 4.9 показана зависимость , из которой следует, что использование треугольного цикла целесообразно при любых значениях , хотя наибольшее преимущество достигается при малых значениях . Следует подчеркнуть, что экономия работы будет иметь место только при охлаждении, но не при поддержании температуры на постоянном уровне. В этом случае обратимым циклом будет цикл с постоянной температурой рабочего вещества в процессе подвода теплоты. Это утверждение относится и к отводу теплоты от рабочего вещества.
При рассмотрении необратимых потерь обратных циклов речь шла в основном о холодильных циклах, однако все вышесказанное можно отнести также к циклам теплового насоса и комбинированным, так как в любом случае это обратные циклы, в которых внешние источники находятся на разных температурных уровнях по сравнению с холодильным циклом.
4.4. Методы сокращения необратимых потерь
Методы сокращения необратимых потерь в обратных циклах. Наличие необратимых потерь существенно увеличивает затраты энергии на получение искусственного холода, поэтому их сокращение имеет большое практическое значение. Рассмотрим методы сокращения необратимых потерь, связанных с дросселированием.
В цикле 1-2-3-4 (рис. 4.10) эти необратимые потери эквивалентны площади 0-3-а-4, коэффициент обратимости
Рис. 4.10. Сокращение необратимых потерь при дросселировании
Понизим температуру рабочего вещества перед дроссельным вентилем до состояния 3', тогда рабочее вещество будет совершать обратный цикл 1—2—3—3'—4'. В этом цикле по сравнению с циклом 1—2—3—4', увеличивается удельная холодопроизводительность, поэтому обратимым циклом будет цикл 1—2—b—4', а его работа lmin ~ пл. 1-2-b-4'. Необратимые потери , связанные с дросселированием, будут эквивалентны пл. О—З—b—4', т. е. уменьшаются, коэффициент обратимости при этом увеличивается:
Таким образом, понижение температуры рабочего вещества перед дроссельным вентилем ведет к сокращению необратимых потерь, однако для этого необходимо затратить дополнительную работу, либо использовать источник с более низкой температурой, чем окружающая среда. Поэтому решение о способе охлаждения рабочего вещества перед дроссельным вентилем необходимо принимать после технико-экономического расчета.
Второй вид необратимых потерь, который оказывает большое влияние на эффективность холодильной машины — это необратимые потери, связанные с теплообменом рабочего вещества и внешних источников. Как было показано ранее, эти потери уменьшаются с понижением разности температур при теплообмене. Этого можно добиться, увеличивая поверхность теплообмена, что, естественно, ведет к повышению капитальных затрат. Поэтому разность температур определяется на основе технико-экономических расчетов. Сократить разность температур в процессе теплообмена источника низких температур и рабочего вещества можно также, используя для отвода теплоты вместо одного обратного цикла два или несколько. Сравнительный анализ таких циклов показан на рис. 4.11
Рис. 4.11 Сокращение необратимых потерь в процессе теплообмена рабочего вещества и источника низкой температуры.
При использовании большего количества машин эффект будет значительнее, однако при этом возрастут капитальные затраты. Поэтому решение о применении данного способа необходимо принимать после технико-экономических расчетов.
В том случае, когда внешние источники имеют переменные температуры, весьма перспективным также является применение в качестве рабочего вещества неазеатропных смесей, которые, как известно, имеют переменные температуру кипения и температуру конденсации при постоянных давлениях. Это обстоятельство ведет к уменьшению разности температур в процессах теплообмена и, как следствие, к сокращению внешних необратимых потерь, что, естественно, повышает энергетическую эффективность холодильной машины.
Так, исследования, проведенные на кафедре холодильных машин и НПЭ СПбГАХПТ, показали, что при термической обработке продуктов на городском молочном заводе замена обычной холодильной машины на машину, работающую на смеси хладонов R12 и R11, позволяет сэкономить до 40% электроэнергии от общей мощности привода компрессоров.
Кроме того, одним из путей сокращения внешней необратимости является интенсификация процессов теплообмена.
4.5. Связь прямого и обратного циклов
Связь прямого и обратного циклов. Для того чтобы осуществить обратный цикл, необходимо затратить работу, получаемую в прямом цикле, поэтому для определения эффективности получения холода (в холодильном цикле) или теплоты (в цикле теплового насоса) необходимо рассмотреть совместную работу обратных и прямых циклов.
На рис. 4.12 изображены обратный и прямой обратимые циклы Карно (циклы I) (1-2-3-4 и 8—7—6—5), в которых используется одно и то же рабочее вещество.
Работа, полученная в прямом цикле (в цикле теплового двигателя),
,
где - работа расширителя и компрессора в прямом цикле.
Термический КПД прямого цикла
где qп.ц. – теплота затраченная в прямом цикле.
Холодильный коэффициент обратного цикла
Рис. 4.12. Прямой и обратный циклы: I — с одинаковыми рабочими веществами; II — с разными рабочими веществами
Условимся, что вся работа прямого цикла используется в обратном цикле без потерь, тогда
.
Термодинамическая эффективность совместной работы прямого и обратного циклов определяется отношением количества теплоты, подведенной к рабочему веществу обратного цикла, к количеству теплоты, подведенной к рабочему веществу прямого цикла. Это отношение называется тепловым коэффициентом ,
На рис. 4.12 (циклы II) показаны прямой и обратный циклы, в которых рабочие вещества различны. Зависимости, полученные для циклов с одинаковыми рабочими веществами, будут такими же и для циклов с разными рабочими веществами.
Действительный тепловой коэффициент учитывает потери прямого и обратного циклов () и потери при передаче работы от прямого к обратному циклу (). С учетом перечисленных потерь, действительный тепловой коэффициент определяют по формуле
Критерием термодинамического совершенства действительных циклов является отношение
Величина показывает степень приближения действительных процессов системы прямой — обратный циклы к обратимым.
4.6. Эксергетический анализ обратных циклов
Рассмотрим неизолированную систему, состоящую из источника работы, который представляет собой поток рабочего вещества с давлением р1 и температурой T1 а также окружающей среды, параметры которой ро.с и То с. Очевидно, что система будет производить максимально полезную работу в том случае, если процессы, ведущие к установлению равновесия с окружающей средой, осуществляются обратимо. Такими процессами будут (рис. 4.13): обратимый изоэнтропный процесс расширения 1-а, в результате которого температура рабочего вещества снижается до температуры окружающей среды, а давление до давления ра, и изотермический процесс сжатия а-0, в котором за счет теплообмена с окружающей средой при бесконечно малой разности температур рабочее вещество достигает давления ро с.
Рис. 4.13 Обратимые процессы
Работа обратимого перехода рабочего вещества из состояния 1 в состояние 0 будет равна сумме работ процессов 1—а и а—О, т. е.
Поскольку работа процесса обратимого изменения состояния рабочего вещества представляет собой максимальную полезную работу (работоспособность) потока, то после некоторых преобразований можно записать
Удельную работоспособность потока называют эксергией потока и обозначают буквой е:
где i, s — энтальпия и энтропия рабочего вещества в каком-то состоянии; i0, s0, Toc — энтальпия, энтропия и температура рабочего вещества при его полном равновесии с окружающей средой.
Полная эксергия потока рабочего вещества
где G — расход рабочего вещества.
Таким образом, эксергия термодинамической системы в данном состоянии определяется количеством энергии, которое может быть получено внешним приемником энергии от системы при ее обратимом переходе из данного состояния в состояние полного равновесия с окружающей средой. Очевидно, что и в состоянии полного равновесия с окружающей средой система обладает некоторой энергией, однако эту энергию использовать нельзя. Такую энергию называют анергией.
По аналогии с эксергией потока рабочего вещества вводится понятие эксергии теплоты EQ.
Известно, что термический КПД цикла Карно определяется по формуле
тогда
эксергия механической энергии ЕL равна самой механической энергии.
При эксергетическом анализе обратных циклов необходимо иметь в виду, что весь цикл или часть его процессов располагается ниже температуры окружающей среды. В этом случае окружающая среда приобретает некоторую работоспособность по отношению к рабочему веществу, температура которого ниже температуры окружающей среды, однако необходимо иметь в виду, что эта работоспособность получена за счет прямого цикла.
Эксергетический КПД. Обозначим буквами EQ, EG, EL эксергию, введенную в систему, а буквами E'Q, E'G, E'L — эксергию, полученную в результате процесса, который совершает система, тогда, основываясь на втором законе термодинамики, можно написать
EQ + EG + EL > E'Q+ E'G+E'L
В этом соотношении знак равенства соответствует обратимым процессам в системе, знак неравенства — необратимым. В любом элементе системы (холодильной машины) подводимая и отводимая энергии всегда равны, однако отводимая эксергия в действительных условиях всегда будет меньше. Уменьшение эксергии обусловлено наличием необратимости в действительных процессах.
В общем случае значение потерянной эксергии можно определить по формуле
где — изменение энтропии всех тел, участвовавших в процессе.
Для каждого элемента установки рассчитывают коэффициент термодинамических потерь
а для всей установки — степень термодинамического совершенства (эксергетический КПД)
При эксергетическом анализе определенную часть машины или установки отделяют условными граничными сечениями n и k (рис. 4.14) и определяют потоки эксергии Еin и Еik через эти сечения, затем рассчитывают эксергетический КПД данного элемента
,
потерю эксергии в нем
и эксергетический КПД рассматриваемой части установки
Рис. 4.14. Потоки эксергии теплоты, массы и механической работы в элементе системы
Очевидно, что эксергетический КПД равен коэффициенту обратимости , поэтому конечные результаты эксергетическо-го анализа тождественны энтропийному. Однако эксергетический анализ обладает более широкими возможностями анализа разнообразных машин и установок, в том числе работающих по разомкнутым циклам и с химическими превращениями рабочих веществ.
Эксергетический анализ применяют для решения двух задач. Первая — определение максимальных термодинамических возможностей и расчет безвозвратных потерь эксергии вследствие необратимости процессов; вторая — обоснование и выбор рекомендаций по сокращению этих потерь.
Эксергетический анализ дает возможность определить степень термодинамического совершенства всей холодильной машины и ее элементов. В ряде случаев удается при помощи эксергети-ческого анализа отыскать условия, соответствующие минимуму потерь эксергии в отдельных элементах холодильной машины, а в некоторых случаях и для всей машины. При выработке рекомендаций по совершенствованию холодильной машины необходимо учитывать взаимосвязь потерь в отдельных процессах и их влияние на общее совершенство холодильной машины. Так, термодинамический анализ холодильной машины не в состоянии сам по себе указать на зависимость потерь в конденсаторе от работы компрессора, даже идеального в эксергетическом смысле (с изоэнтропным сжатием рабочего вещества). В том случае, когда используется понятие об эксергетическом КПД процессов )а, необходимо знать функциональную связь
.
Вид этой функции чаще всего неизвестен, и эта зависимость может быть установлена посредством использования так называемых структурных коэффициентов. Для того чтобы избежать ошибок при термодинамическом анализе процессов, необходимо одновременно рассматривать соответствующий цикл-образец, так как не только необратимость отдельного процесса, но и любые отклонения от цикла-образца ведут к снижению эксергетического КПД.
5.Схемы и циклы паровых компрессорных холодильных машин
5.1.Классификация паровых компрессионных холодильных машин.
Паровые компрессионные холодильные машины.
Паровыми называются холодильные машины, в которых хладагент меняет свое агрегатное состояние, циркулируя по системе. В зависимости от элемента машины холодильный агент может быть в виде насыщенной жидкости, влажного пара, перегретого пара, охлажденной жидкости и т.д. Компрессионными являются холодильные машины, у которых для получения низких температур расходуется механическая энергия. В паровых компрессионных холодильных машинах хладагент совершает обратный термодинамический цикл. Отвод теплоты от охлаждаемых объектов осуществляется за счет кипения холодильного агента в испарителе. На предприятиях торговли и общественного питания такие холодильные машины нашли наибольшее применение по сравнению с другими типами машин. В зависимости от температур и давлений кипения и конденсации паровые компрессионные холодильные машины бывают одноступенчатыми, двухступенчатыми, многоступенчатыми и каскадными.
5.2.Одноступенчатые холодильные машины.
Схемы и циклы одноступенчатых паровых
компрессионных холодильных машин.
Схема и цикл с расширением и сжатием в области влажного пара.
А Б В
Рисунок 5.1.Схема и цикл одноступенчатой холодильной машины с сжатием и расширением в области влажного пара.
Цикл с расширением рабочего вещества осуществляется в холодильной машине, состоящей из компрессора, конденсатора, детандера и испарителя (см.рисунок 5.1.). Влажный пар холодильного агента состояния т.1 выходит из испарителя и поступает на всасывание в компрессор. В компрессоре влажный пар адиабатически сжимается при постоянной энтропии в процессе 1 – 2 от давления кипения Ро до давления конденсации Рк. Причем точка 2, характеризующая состояние хладагента в конце сжатия, лежит на правой пограничной кривой. Для осуществления процесса сжатия затрачивается работа сжатия lсж. После компрессора сжатый насыщенный пар направляется в конденсатор, где конденсируется при постоянной температуре Тк и постоянном давлении Рк в процессе 2 – 3 за счет теплообмена с внешней охлаждающей средой (водой или воздухом). При этом от холодильного агента отводится теплота конденсации qк. В процессе конденсации образуется насыщенная жидкость, которая затем поступает в детандер. В детандере хладагент адиабатически расширяется в процессе 3 - 4 от давления конденсации Рк до давления кипения Ро при постоянной энтропии с совершением полезной работы расширения lр. После детандера холодильный агент направляется в испаритель, где жидкость кипит (испаряется) при постоянной температуре То и постоянном давлении Ро в процессе 4 - 1, отнимая теплоту qо от охлаждаемой среды. Образовавшийся при кипении влажный пар всасывается компрессором и цикл повторяется вновь.
Удельная холодопроизводительность цикла или количество теплоты, подведенной к 1 кг холодильного агента в испарителе qо в S - T-диаграмме эквивалентна площади под процессом кипения 4 - 1, т.е. Пл.14аб1 или может быть определена разностью энтальпий хладагента в начале h4 и конце h1 процесса:
qo = Пл.14аб1 = h1 – h4.
Удельная теплота конденсации qк в S - T- диаграмме измеряется площадью под процессом конденсации 2 - 3, т.е. Пл. 23аб2 или определяется разностью энтальпий хладагента в начале h2 и в конце h3 процесса:
qк= Пл.23аб2 = h2 – h3.
Удельная работа цикла lц находится из теплового баланса холодильной машины:
qк = lц + qо
Отсюда получем:
lц = qк – qо= Пл.23аб2 – Пл.14аб1 = Пл.12341.
Таким образом, удельная работа цикла равна разности теплоты, подведенной в конденсаторе и теплоты, отведенной в испарителе и в S - T- диаграмме эквивалентна площади самого цикла 12341.
С другой стороны с учетом энтальпий холодильного агента
lц = qк – qо = (h2 – h3) – (h1 – h4),
или после преобразования получается:
lц = (h2 – h1) – (h3 – h4) = lсж - lр,
где lс = (h2 – h1) – удельная работа сжатия, т.е. работа, затраченная на сжатие 1 кг пара холодильного агента в процессе 1-2, Дж/кг; lр = (h3 – h4) – удельная работа расширения, т.е. полезная работа, полученная в детандере одним килограммом хладагента в процессе 3-4, Дж/кг.
Термодинамическая эффективность цикла находится как отношение удельной холодопроизводительности к затраченной работе цикла:
.
Данный цикл можно рассматривать как теоретический цикл Карно при условии, что температура конденсации Tк будет равна температуре окружающей среды Tос, а температура кипения холодильного агента в испарителе будет равна температуре охлаждаемой среды (источника низкой температуры) Тинт. При этом все процессы цикла будут обратимыми, а работа цикла будет минимальной lmin.
Термодинамическая эффективность цикла Карно оценивается теоретическим холодильным коэффициентом. который является самым высоким из всех обратных термодинамических циклов при одинаковой разнице температур (Тос – Тинт).
Схема и цикл с дросселированием и сжатием влажного пара.
В действительных промышленных холодильных установках цикл с расширением в детандере практически не применяется. Вместо детандера в реальных холодильных машинах используется дроссельное устройство. Эта замена обусловлена следующем. Детандер представляет собой сложный дорогостоящий механизм по конструкции напоминающий компрессор с обратным принципом действия. На преодоление сил трения в нем расходуется часть полученной полезной работы при расширении холодильного агента. В связи с этим действительная полученная работа расширения оказывается пренебрежимо малой по сравнению с затраченной работой сжатия. Она является существенной только в очень крупных
А Б
Рис 5.2 Схема и цикл с дросселированием и сжатием влажного пара
холодильных установках. Кроме того из-за сложности конструкции детандер является ненадежным, требующим постоянного обслуживания. И наоборот в качестве дроссельных устройств используются очень простые и дешевые приспособления (вентиль, шайба, капилярная трубка и др.). Они значительно надежней в работе и практически не требуют специального обслуживания. Однако замена детандера дроссельным устройством приводит к двум видам необратимых потерь цикла (см. рисунок 5.3).
А Б
Рис.5.3.Схема и цикл одноступенчатой холодильной машины с сжатием в области влажного пара и дросселированием.
Во-первых заметно уменьшается удельная холодопроизводительность цикла qо, так как процесс дросселирования сопровождается необратимыми потерями и протекает при постоянной энтропии (процесс 3-4) в отличие от адиабатического процесса расширения 3-4, т.е.
qо2 = (h1 – h4) qо1 = (h1 – h4)
Во вторых теряется полезная работа расширения, получаемая в детандере
lр = h3 – h4 = 0,
тогда работа такого цикла будет равна:
lц2 = lc = h2 – h1 < lц1.
Холодильный коэффициент цикла с дросселированием намного меньше, чем цикла с расширением в детандере
Схема и цикл с перегревом пара и переохлаждением жидкого
холодильного агента перед дросселированием.
Для увеличения холодопроизводительности действительных холодильных машин поддерживается режим, при котором в испарителе выкипает весь жидкий холодильный агент. Для гарантированного исключения попадания жидкости в компрессор всегда пар хладагента перед всасыванием перегревается. В холодильных установках предприятий массового питания для сжатия пара как правило применяются поршневые компрессоры. Попадание даже небольшого количества жидкости в полость цилиндров может вызвать гидравлический удар и аварию всей холодильной машины, так как жидкость практически не сжимаема. Поэтому «сухой ход» – это обязательное условие работы компрессора холодильной машины. Кроме того с целью снижения необратимых потерь при дросселировании в реальных холодильных машинах жидкий хладагент перед дроссельным устройством охлаждается. Это повышает удельную холодопроизводительность цикла и холодильной установки в целом. Перегрев пара перед всасыванием в компрессор осуществляется или во всасывающем трубопроводе, или в самом испарителе, или в специальном аппарате – регенеративном теплообменнике. Охлажение жидкого холодильного агента паред дросселированием может происходить или в специальном переохладителе, или в самом конденсаторе, или также в регенеративном теплообменнике. В малых хладоновых холодильных машиных торговли и общественного питания как правило используется регенеративный теплообменник. Схема и цикл холодильной машины с регенеративным теплообменником показаны на рисунке 5.4.
Рисунок 5.4 – Схема и цикл холодильной машины с регенеративным теплообменником.
После испарителя насыщенный пар холодильного агента состояния т.1′ направляется в регенеративный теплообменник, где перегревается в процессе 1′ - 1″ за счет теплообмена с теплым жидким холодильным агентом, идущим из конденсатора. Перегретый пар всасывается компрессором, в котором адиабатически сжимается в процессе 1″ - 2″ от давления кипения Ро до давления конденсации Рк. При этом его температура повышается. Сжатый горячий пар подается в конденсатор. где сначала охлаждается до температуры насыщения, а затем конденсируется в общем процессе 2″ - 3′. Образовавшаяся в процессе конденсации жидкость поступает в ренегеративный теплообменник, в котором охлаждается в процессе 3′ - 3″ за счет теплообмена с холодным паром, выходящим из испарителя. Охлажденный жидкий хладагент дросселируется в процессе 3″ - 4″ от давления конденсации Рк до давления кипения Ро. После дросселирования холодильный агент поступает в испаритель, где жидкость кипит в процессе 4″ - 1′, отводя теплоту от охлаждаемой среды. Пар, образовавшийся при кипении, перегревается в регенеративном теплообменнике, всасывается компрессором и цикл повторяется вновь.
Удельная холодопроизводительность цикла:
qо3 = h1′ - h4″.
Удельная работа цикла
lц3 = h2″ - h1″.
Массовый расход холодильного агента
где - Qо – полная тепловая нагрузка испарителя (полная холодопроизводительность холодильной машины).
Объемный расход хладагента
Vа = Gа∙х∙νвс,
где νвс – удельный объем всасываемого пара холодильного агента, м3/кг.
Теоретическая потребляемая мощность компрессором
Nт = lц3∙Gа.
Холодильный коэффициент цикла
Степень перегрева пара перед всасыванием в компрессор и охлаждения жидкости перед дросселированием зависит от вида рабочего вещества и конкретных условий работы холодильной машины. Так например для аммиачных машин при среднетемпературном режиме перегрев принимается Δtвс = (5 – 10)С, для хладоновых Δtвс = (10 – 30)С. В аммиачных холодильных машинах регенеративный теплообменник не применяется из-за его низкой эффективности. Поэтому в таких машинах имеет место незначительное охлаждение жидкости перед дросселированием Δtохл = (3 –5)С. В хладоновых особенно малых машинах регенеративный теплообменник обязателен не только для охлаждения, но и для возврата в компрессор масла высокой концентрации (выпаривания жидкого хладагента из маслохладонового раствора). В этом случае состояние жидкого холодильного агента перед дросселированием определяется из теплового баланса регенеративного теплообменника, который имеет вид:
qпод = qотв,
где qпод – количество подведенной теплоты от теплого жидкого холодильного агента, Дж/кг;
qпод = h3' - h3",
где qотв – количество отведенной теплоты от холодного пара после испарителя, Дж/кг;
qотв = h1" – h1'.
h3' – h3'' = h1'' – h1'
Отсюда находится энтальпия жидкого хладагента после регенеративного теплообменника h3":
h3" = h3' – (h1" – h1').
5.3.Двухступенчатые холодильные машины.
Схемы и циклы двухступенчатых холодильных машин.
Существует большое количество схем холодильных машин двухступенчатого сжатия с однократным и двукратным дросселированием; с полным и неполным промежуточным охлаждением; с одним или двумя испарителями; с теплообменниками; с эжектором и др. В данном учебном пособии рассматриваются только некоторые наиболее распространенные схемы.
Причины перехода к многоступенчатому сжатию.
При снижении температуры кипения холодильного агента в испарителе То соответственно уменьшается и давление кипения Ро. Также при повышении температуры конденсации Тк увеличивается давление конденсации Ро. Снижение давления кипения и повышение давления конденсации вызывает увеличение степени повышения давлений π = Рк/Ро. Возрастание степени повышения давлений π приводит к следующим отрицательным явлениям:
1.Повышается температура нагнетания в компрессоре, которая может превысить предельно допустимые значения. Допустимые температуры нагнетания для аммиачных поршневых компрессоров 160 оС, для хладоновых – 130 оС. При более высоких температурах в компрессоре может произойти разложение холодильного агента и масла, ухудшение смазывающей способности масла и его самовоспламенение.
2.Возрастают необратимые потери при дросселировании, в результате чего уменьшается удельная холодопроизводительность цикла, а значит и полная холодопроизводительность всей холодильной машины.
3.В испаритель поступает большее количество пара и меньше жидкого холодильного агента, а теплоотдача от пара в десятки раз хуже, чем от жидкости. Это приводит к снижению интенсивности теплообмена в аппарате.
4.Увеличивается удельная работа цикла, что вызывает повышение потребляемой мощности компрессора при том же массовом расходе холодильного агента.
5.Ухудшаются все объемные и энергетические коэффициенты компрессора, что ведет к снижению производительности и увеличению потребляемой мощности компрессора.
6.На узлы и детали компрессора воздействуют более высокие силы. Однако все узлы и детали имеют определенный предел прочности. Так например, для современных аммиачных одноступенчатых холодильных машин разность давлений конденсации Рк и кипения Ро не должна превышать 1,7 Мпа.
Таким образом, при определенных температурных режимах, производство холода одноступенчатой холодильной машиной может оказаться экономически невыгодным, а в некоторых случаях и невозможным. Исследования работы промышленных холодильных машин показали, что одноступенчатое сжатие не целесообразно при степени повышения давлений более или равно восьми, т.е. при π = Рк/Ро ≥ 8.
Выбор промежуточного давления.
В циклах двухступенчатых холодильных машин величина промежуточного давления имеет большое значение. Промежуточное давление влияет на работу сжатия в ступенях низкого и высокого давлений и соответственно на потребляемую мощность холодильной машины. Существует несколько способов определения промежуточного давления. Как правило, оно рассчитывается из условий наименьшей суммарной работы в ступенях сжатия. Для идеального газа справедливо уравнение
где Ро, Рк и Рпр – соответственно давления кипения, конденсации и промежуточное, Па;
k – показатель политропы сжатия.
Отсюда промежуточное давление будет равно
Холодильный агент не идеальный газ, поэтому данное уравнение является приближенным для действительных хладагентов.
По другим способам оптимальное промежуточное давление находится методом последовательного приближения по максимальному холодильному коэффициенту или минимальной суммарной объемной производительности в ступенях сжатия. Для этого первоначально промежуточное давление находится по уравнению для идеального вещества. Рассчитывается цикл и определяется холодильный коэффициент или минимальная суммарная объемная производительность. Затем принимаются несколько больших и меньших значений промежуточного давления и расчеты повторяются. Оптимальным является то промежуточное давление при котором будет наибольший холодильный коэффициент или наименьшая суммарная объемная производительность ступеней сжатия.
Как показали сопоставления промежуточные давления, найденные по разным способам, различаются незначительно. Поэтому в обычных инженерных расчетах можно пользоваться уравнением для идеального газа. При более точных расчетах необходимо выбирать более точные способы.
Схема и цикл с промежуточным охладителем и однократным дросселированием.
Рис. 5.5 - Двухступенчатая холодильная машина
Двухступенчатая холодильная машина, функциональная схема которой представлена на рисунке 5.5. включает в себя компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, промежуточный охладитель, конденсатор, испаритель и дроссельное устройство. Термодинамический цикл в S-T и h-Р диаграммах показан на том же рисунке.
Перегретый пар холодильного агента, выходящий из испарителя, поступает на всасывание в компрессор низкого давления. В компрессоре пар адиабатически сжимается в процессе 1-2 от давления кипения Ро до промежуточного давления Рпр. При этом затрачивается работа сжатия lсн и температура пара повышается до температуры Т2. После ступени низкого давления сжатый горячий пар направляется в промежуточный охладитель, где охлаждается при постоянном давлении Рпр в процессе 2-3 за счет теплообмена с внешней охлаждающей средой с отводом теплоты промежуточного охлаждения qп.о. В качестве охлаждающей среды в охладителе как правило используется тот же источник охлаждения, что и для конденсатора (вода или воздух). Поэтому температура охлажденного пара после промежуточного охладителя близка к температуре конденсации, т.е. Т3 ≈ Тк. Далее охлажденный пар всасывается компрессором высокого давления, в котором адиабатически сжимается в процессе 3-4 от промежуточного давления Рпр до давления конденсации Рк с затратой работы lсв. Затем сжатый пар поступает в конденсатор, где охлаждается и конденсируется при постоянном давлении в процессе 4-5, отдавая теплоту конденсации qк внешней охлаждающей среде. Образовавшаяся жидкость из конденсатора направляется к дроссельному устройству и дросселируется в нем при постоянной энтальпии в процессе 5-6 от давления конденсации Рк до давления кипения Ро. После дросселирования холодильный агент поступает в испаритель, где жидкость кипит при постоянном давлении Ро в процессе 6-1′ за счет подвода теплоты qoот охлаждаемой среды. Пар, образовавшийся при кипении, перегревается в процессе 1′-1, всасывается компрессором низкого давления и цикл повторяется снова.
Количество теплоты, подведенной к 1 кг холодильного агента в испарителе или удельная холодопроизводительность цикла равна.
qo = h1′ - h6,
где qо – удельная холодопроизводительность цикла, Дж/кг;
h6, h1′ - энтальпия холодильного агента на входе и выходе из испарителя, Дж/кг.
Количество теплоты, отведенной от 1 кг холодильного агента в конденсаторе или удельная теплота конденсации qк, Дж/кг рассчитывается по формуле:
qк = h4 – h5,
где h4 и h5 – энтальпия холодильного агента на входе и выходе из конденсатора, Дж/кг.
Удельные работы сжатия в компрессоре низкого давления и в компрессоре высокого давления определяются так:
lсн = h2 – h1,
lсв = h4 – h3,
где h1 и h2 – энтальпия пара хладагента на входе и выходе их компрессор низкого давления, Дж/кг;
h3, h4 – энтальпия пара хладагента на входе и выходе из компрессора высокого давления, Дж/кг.
Особенностью данного цикла является то, что компрессоры низкого и высокого давления имеют одинаковую массовую производительность.
Gа = Gан = Gав = .
Объемный расход в ступенях низкого и высокого давлений рассчитываются так:
Vан = νвсн • Gан = νвсн • Gа,
Vав = νвсв • Gав = νвсв • Gа,
где νвсн, νвсв – удельный объем пара хладагента на всасывании в ступени низкого и высокого давлений, м3/кг.
, примерно в 2÷3 раза.
Теоретические мощности компрессоров низкого и высокого давлений равны:
Nтн = lсн • Gан = lсн • Gа,
Nтв = lсв • Gав = lсв • Gа.
Общая потребляемая теоретическая мощность находится как сумма мощностей ступеней низкого и высокого давлений:
Nт = Nтн + Nтв = lсн • Gан + lсв • Gсв = (lсн + lсв) • Gа.
Термодинамическая эффективность цикла оценивается теоретическим холодильным коэффициентом εт, который равен отношению холодопроизводительности к теоретической мощности.
.
Такой цикл в промышленных холодильных машинах практически не применяется из-за низкой термодинамической эффективности и высоких температур нагнетания в ступени высокого давления, так как температура пара после охлаждения в промежуточном охладителе не снижается ниже + (20–30) оС.
Схема и цикл с полным промежуточным охлаждением и однократным дросселированием.
В схему холодильной машины, представленной на рисунке 5.5. для промежуточного охлаждения включен специальный промежуточный сосуд со змеевиком. Цикл в S – T и h – Р диаграммах показан на том же рисунке. Перегретый пар холодильного агента после испарителя поступает на всасывание в ступень низкого давления, где сжимается в процессе 1 – 2 от давления кипения Ро до промежуточного давления Рпр. Сжатый пар из ступени низкого давления направляется в промежуточный охладитель, где охлаждается в процессе 2 – 3 внешней охлаждающей средой (водой или воздухом) до температуры, близкой к температуре конденсации, т.е. Т3 ≈ Тк. Затем предварительно охлажденный пар подается по трубопроводу в нижнюю часть промежуточного сосуда под слой жидкого холодильного агента, температура которой равна промежуточной температуре Тпр. Пузырьки пара поднимаются вверх (барбатируются) сквозь толщу жидкости и одновременно охлаждаются в процессе 3 – 4 за счет тепломассообмена с жидким холодильным агентом. Теоретически считается, что при этом происходит идеальный теплообмен, в результате которого пар хладагента охлаждается до промежуточной температуры, т.е. Т4 = Тпр. После промсосуда охлажденный пар всасывается ступенью высокого давления, где сжимается в процессе 4 – 5 от промежуточного давления Рпр до давления конденсации Рк. Сжатый горячий пар из ступени высокого давления поступает в конденсатор, в котором сначала охлаждается а потом конденсируется в процессе 5 – 6 при постоянном давлении конденсации Рк. Образовавшаяся жидкость перед промсосудом делится на два потока. Меньшая часть жидкости дросселируется во вспомогательном дроссельном устройстве в процессе 6 – 7 и поступает в промежуточный сосуд для пополнения и поддержания в нем постоянного уровня жидкого холодильного агента. Основной поток проходит по змеевику промежуточного сосуда и охлаждается в процессе 6 – 8 за счет теплообмена с жидким холодильным агентом, который находится в промсосуде. Температура охлажденной жидкости, выходящей из змеевика промсосуда, на (2-3) оС выше промежуточной температуры, т.е. Т8 = Тпр + (2 - 3) оС. Далее охлажденный жидкий хладагент дросселируется в основном дроссельном устройстве в процессе 8 – 9 от давления конденсации Рк до давления кипения Ро. После дросселирования холодильный агент поступает в испаритель, в котором жидкость кипит в процессе 9 - 1' за счет подвода теплоты от охлаждаемой среды. Пар образовавшийся при кипении перегревается в процессе 1' – 1, всасывается компрессором нижней ступени и цикл повторяется вновь.
Рисунок 5.5. Схема и цикл с полным промежуточным охлаждением и однократным дросселированием
Удельная холодопроизводительность цикла (количество теплоты, подведенной к 1 кг холодильного агента в испарителе):
qо = h1' – h9.
Удельная тепловая нагрузка конденсатора:
qк = h5 – h6.
Удельная работа сжатия в ступенях низкого и высокого давления:
lс.н = h2 – h1,
lс.в = h5 - h4.
Массовая производительность ступени низкого давления:
Массовая производительность ступени высокого давления Gа.в находится из теплового баланса промежуточного сосуда, который имеет вид:
;
Тогда имеем:
Полный тепловой поток в конденсаторе:
Теоретическая потребляемая мощность в низкой и высокой ступенях сжатия:
Общая потребляемая мощность в ступенях низкого и высокого давлений:
Nт = Nт.н + Nт.в
Теоретический холодильный коэффициент:
Схема и цикл с неполным промежуточным охлаждением и двукратным дросселированием.
А Б В
Рисунок 5.6 - Схема и цикл с неполным промежуточным охлаждением и двукратным дросселированием.
В такой холодильной машине применяется промежуточный сосуд без змеевика Ее схема и цикл в S – T и h – Р диаграммах представлен на рисунке 5.6. Пар холодильного агента после испарителя сжимается в ступени низкого давления в процессе 1-2 от давления кипения Ро до промежуточного давления Рпр. После компрессора сжатый пар предварительно охлаждается в промежуточном охладителе в процессе 2-3 до температуры, близкой к температуре конденсации, т.е. Т3 ≈ Тк. Далее предварительно охлажденный пар смешивается с холодильным паром выходящим из промежуточного сосуда в состоянии 10. В результате смешивания получается пар какого-то среднего состояния 4. После смешивания охлажденный пар всасывается ступенью высокого давления, где сжимается в процессе 4-5 от промежуточного давления Рпр до давления конденсации Рк. Пар холодильного агента после сжатия направляется в конденсатор, в котором охлаждается и конденсируется в процессе 5-6. Вся образовавшаяся в процессе конденсации жидкость дросселируется в первом дроссельном устройстве в процессе 6-7 от давления конденсации Рк до промежуточного давления Рпр. После дроссельного образуется влажный пар состояние 7 который поступает в промежуточный сосуд, в промежуточном сосуде происходит фазовое разделение потоков на пар процесс 7-10 и жидкость процесс 7-8. Пар как более легкая фаза поднимается вверх и выходит из промсосуда на всасывание в ступень высокого давления. Жидкость опускается в нижнюю часть промежуточного сосуда и выходит ко второму дроссельному устройству, где дросселируется в процессе 8-9 от промежуточного давления Рпр до давления кипения Ро. После дросселирования хладагент направляется в испаритель, в котором кипит в процессе 9-1′, отнимая теплоту от охлаждаемой среды. Пар, образовавшийся в результате кипения, перегревается в процессе 1′-1, всасывается компрессором низкого давления, сжимается и цикл повторяется вновь.
Удельная холодопроизводительность цикла qo (количество теплоты, подведенной к 1 кг холодильного агента при кипении в испарителе, Дж/кг):
qo = h1′ - h9
Удельный тепловой поток в конденсаторе, Дж/кг
qк = h5 – h6
Удельная работа сжатия в ступенях низкого и высокого давлений, Дж/кг
lс.н = h2 – h1
lс.в = h5 – h4
Массовый расход хладагента в ступени низкого давления, кг/с
Массовый расход хладагента в ступени высокого давления находится из теплового баланса промежуточного сосуда, который имеет вид:
Gа.в
Полный тепловой поток в конденсаторе, Вт
Qк = qо • Gа.в
Теоретическая мощность в ступенях низкого и высокого давлений, Вт
Nт.н = lс.н • Gа.н
Nт.в = lс.в • Gа.в
Общая теоретическая мощность холодильной машины
Nт = Nт.н + Nт.в
Теоретический холодильный коэффициент
5.4.Трехступенчатые холодильные машины.
Схема и цикл трехступенчатой холодильной машины.
Трехступенчатые холодильные машины применяются для получения температур порядка (-60 ÷ -80)оС (Например, для получения твердого диоксида углерода, т.е. “сухого” льда). Такая машина работает, как правило, по циклу с трехкратным дросселированием и полным промежуточным охлаждением. Схема трехступенчатой холодильной машины представлена на рисунок.5.7., а термодинамический цикл в S – T и h - Р диаграммах - на рисунке.5.7.. Порядок работы такой холодильной машины аналогичен работе двухступенчатой машине с полным промежуточным охлаждением и двукратным дросселированием только на одну ступень больше. Промежуточные давления между ступенями сжатия выбираются с учетом равных отношений давлений π в отдельных ступенях.
А Б
Рисунок.5.7. Схема и цикл трехступенчатой холодильной машины.
При заданных значениях температуры кипения То и температуры конденсации Тк промежуточные давления находятся как для идеального рабочего вещества.
Массовые расходы холодильного агента в отдельных ступенях сжатия определяются из тепловых балансов промежуточных сосудов:
где Gа1 – массовый расход холодильного агента в первой ступени сжатия, кг/с,
Полная тепловой поток в конденсаторе, Вт
Qк = qк • Gа1 = (h7 – h8) • Gа3.
5.5.Каскадные холодильные машины.
Схема и цикл каскадных холодильных машин
В многоступенчатых холодильных машинах объемная производительность компрессора нижней ступени в несколько раз больше объемной производительности компрессора верхней ступени. Поэтому компрессоры более низкой ступени сжатия имеют большие массогабаритные показатели и потребляемую мощность, чем компрессоры верхней ступени. Чем ниже температура кипения, тем эти различия более выражены. Например, в трехступенчатой аммиачной холодильной машине объемная производительность нижней ступени в пять раз больше, чем в верхней ступени, а следовательно, в пять раз больше массогабаритные показатели и потребляемая мощность нижней ступени.
Для получения низких температур порядка – 60 - – 90 оС наиболее целесообразным является использование каскадных холодильных машин. Каскадными называются холодильные машины, состоящие из отдельных, связанных между собой, холодильных машин. Общим элементом отдельных каскадов является испаритель-конденсатор. Для верхнего каскада он является испарителем, для нижнего – конденсатором. В каждом каскаде циркулирует свой холодильный агент.
Каскадная холодильная машина может состоять из двух или нескольких каскадов. Каждый каскад представляет собой одноступенчатую или многоступенчатую холодильную машину. Простейшая каскадная холодильная машина состоит из двух одноступенчатых холодильных машин (схему и цикл см. рисунок.5.8.).
Рисунок.5.8 - Схема и цикл каскадных холодильных машин
В испарителе нижнего каскада кипит низкотемпературный холодильный агент в процессе 4-1' за счет подвода теплоты от охлаждаемой среды qо. Образовавшийся пар всасывается компрессором нижнего каскада, в котором сжимается в процессе 1-2 от давления кипения нижнего каскада Рон до давления конденсации нижнего каскада Ркн с затратой работы сжатия lсн. После компрессора сжатый пар хладагента нижнего каскада поступает в конденсатор-испаритель, где конденсируется в процессе 2-3 за счет теплообмена с кипящим холодильным агентом верхнего каскада, отдавая удельную теплоту конденсации qкн. Далее сконденсировавшийся хладагент дросселируется в дроссельном вентиле нижнего каскада в процессе 3-4 от давления конденсации Ркн до давления кипения Рон и направляется в испаритель. В испарителе жидкость снова кипит и цикл в нижнем каскаде повторяется вновь. В верхнем каскаде осуществляется точно такой же термодинамический цикл как и в нижнем, только на более высоком температурном уровне. В компрессоре верхнего каскада сжимается пар высоко- или среднетемпературного холодильного агента в процессе 5-6 от давления кипения верхнего каскада Ров до давления конденсации верхнего каскада Ркв с затратой работы сжатия lсв. Затем сжатый пар конденсируется в конденсаторе в процессе 6-7, отдавая теплоту конденсации qк охлаждающей среде (воде или воздуху). Образовавшаяся жидкость дросселируется в дроссельном вентиле верхнего каскада в процессе 7-8 от давления Ркв до давления Ров. После дросселирования хладагент поступает в конденсатор-испаритель, где он кипит в процессе 8-5', отнимая теплоту qов от конденсирующегося холодильного агента верхнего каскада.
Удельная холодопроизводительность цикла qо (Дж/кг)
qо = h1 – h4
где h4 и h1 – энтальпия хладагента нижнего каскада на входе и выходе из испарителя (Дж/кг)
Удельная работа сжатия в компрессоре нижнего каскада lсн (Дж/кг)
lсн = h1 – h2
где h1 и h2 – энтальпия хладагента нижнего каскада на входе и выходе из компрессора (Дж/кг).
Удельная теплота конденсации хладагента нижнего каскада qкн (Дж/кг)
qкн = h2 – h3
где h2 и h3 – энтальпия хладагента нижнего каскада на входе и выходе из конденсатора-испарителя (Дж/кг).
Массовый расход хладагента нижнего каскада Gан (кг/с)
где Qо – полная заданная холодопроизводительность каскадной холодильной машины, Вт.
Массовый расход холодильного агента верхнего каскада находится из теплового баланса конденсатора-испарителя. При установившемся режиме работы в конденсаторе-испарителе количество теплоты отведенной от конденсирующегося хладагента нижнего каскада должно быть равно количеству теплоты, подведенной к кипящему хладагенту верхнего каскада, т.е.
Qкн = Qов
или
Отсюда
Из данного уравнения можно определить относительный массовый расход:
6.СХЕМЫ И ЦИКЛЫ ГАЗОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН.
6.1.Классификация газовых холодильных машин.
Газовые холодильные машины.
Газовыми называются холодильные машины, у которых весь термодинамический цикл осуществляется в области очень перегретого пара, т.е. газа. В таких машинах хладагент не меняет своего агрегатного состояния не зависимо от элемента холодильной машины.
По принципу получения низких температур газовые холодильные машины (ГХМ) делятся на два типа:
1)Детандерные ГХМ, в которых холодильный агент расширяется в специальных расширительных устройствах - детандерах с понижением температуры и с получением полезной работы;
2)Вихревые ГХМ, у которых эффект охлаждения осуществляется за счет температурного разделения потоков в специальных вихревых трубах без получения полезной работы.
При наличии в схеме регенеративного теплообменника цикл ГХМ называется регенеративным. Если в схеме регенеративный теплообменник отсутствует, то цикл является не регенеративным.
Кроме того, ГХМ могут работать по замкнутому или разомкнутому циклам. В замкнутых циклах по системе ГХМ постоянно циркулирует один и тот же холодильный агент. В разомкнутых циклах поток рабочего вещества после какого-то элемента выходит из системы и затем заменяется новой порцией холодильного агента. По разомкнутому циклу работают, как правило, воздушные газовые холодильные машины, у которых холодильным агентом является атмосферный воздух.
В качестве холодильных агентов в газовых холодильных машинах могут использоваться любые вещества в газообразном состоянии. Например, воздух, аммиак, хладоны, диоксид углерода, чистые углеводороды (пропан, метан, бутан и т.д.), азот и другие рабочие вещества. На практике чаще всего используется воздух.
В данном учебном пособии рассматриваются теоретические ГХМ, в которых отсутствуют все необратимые потери. т.е. в циклах все процессы как внутренне, так и внешне обратимы. Следовательно, процессы сжатия и расширения являются изоэнтропными, а процессы охлаждения и нагревания – изобарными.
6.2.Детандерные замкнутые холодильные машины.
Детандерный не регенеративный замкнутый цикл ГХМ.
Такая ГХМ состоит из компрессора, промежуточного охладителя, детандера и теплообменного аппарата (см. рисунок 6.1.). Термодинамический цикл в S-T - и h-Р – диаграммах показан на том же рисунке.
А Б
Рисунок 6.1 - Детандерный не регенеративный замкнутый цикл ГХМ
Порядок работы следующий. После теплообменного аппарата газ поступает в компрессор, где сжимается в процессе 1-2 от начального давления Р1 до конечного давления Р2. В процессе сжатия повышается температура газа до температуры Т2. После компрессора сжатый горячий газ направляется в промежуточный охладитель, в котором охлаждается в процессе 2-3 за счет теплообмена с внешней охлаждающей средой (водой или воздухом). Далее охлажденный холодильный агент расширяется в детандере в процессе 3-4. При расширении температура газа резко снижается до температуры Т4. После детандера холодный газ поступает в теплообменный аппарат, в котором нагревается в процессе 4-1, отводя теплоту от охлаждаемой среды. Затем подогретый хладагент всасывается компрессором, сжимается и цикл повторяется вновь.
Удельная холодопроизводительность цикла в S-T – диаграмме эквивалентна площади под процессом 1-2, т.е.
qо = Пл. б41аб = h1 – h4 = cр(Т1 – Т4)
Удельная теплота, отведенная от хладагента в промежуточном охладителе в S-T - диаграмме эквивалентна площади под процессом 2-3, т.е.
q = Пл. б32аб = h2 – h3 = ср(Т2 – Т3)
Удельная работа цикла определяется из теплового баланса холодильной машины и в S-T – диаграмме находится как разность площадей q и qо.
lц = q - qо = Пл. б32аб – Пл. б41аб = Пл. 12341
или
lц = q – qо = (h2 – h3) – (h1 –h4) = (h2 – h1) – (h3 –h4)
В цикле 1234 (h2 – h1) = lсж - затраченная работа сжатия газа в компрессоре, Дж/кг, а (h3 – h4) = lр – полученная работа расширения в детандере, Дж/кг, тогда
lц = lcж – lр
lц = q – qо = ср(Т2 – Т3) – ср(Т2 – Т1)
Холодильный коэффициент цикла
или
Теплоемкость газа в первом приближении можно считать постоянной, тогда
Таким образом холодильный коэффициент теоретического цикла зависит только от температурных параметров.
Детандерный регенеративный замкнутый цикл ГХМ.
В отличие от нерегенеративной ГХМ в регенеративный цикл включен регенеративный теплообменник, в котором происходит теплообмен между прямым теплым потоком и обратным холодным потоком рабочего вещества (см.рисунок 6.2.).
А Б
Рисунок 6.2. Детандерный регенеративный замкнутый цикл ГХМ
Работа такой газовой холодильной машины отличается тем, что после промежуточного охладителя предварительно охлажденный газ состояния 3 направляется в регенеративный теплообменник, в котором еще больше охлаждается в процессе 3-4 за счет теплообмена с холодным обратным потоком, идущим из теплообменного аппарата. В тоже время обратный холодный поток в регенеративном теплообменнике нагревается в процессе 6-1 за счет теплообмена с прямым теплым потоком.
Удельная холодопроизводительность цикла:
qо = Пл. г56вг = h6 – h5 = ср(Т6 – Т5)
Удельная теплота, отведенная от хладагента в промежуточном охладителе:
q = Пл. б32аб = h2 – h3 = ср(Т2 – Т3)
Работа цикла:
lц = q – qo = Пл. б32аб – Пл. г56вг = (h2 – h3) – (h6 – h5)
или
lц = ср(Т2 – Т3) – ср(Т6 – Т5)
Работу цикла так же можно найти из теплового баланса холодильной машины, который имеет вид:
qo + qрт.п. + lс = q + qрт.от. + lр
где qрт.от - удельная теплота, отведенная от теплого прямого потока в регенеративном теплообменнике, qрт.от. = (h3 - h4), Дж/кг;
qрт.п. – теплота, подвенная к холодному потоку в регенеративном теплообменнике, qрт.п. = (h1 – h6).
Отсюда:
lц = q + qрт.от. - qo - qт.п. = (h2 – h3) + (h3 - h4) – (h6 – h5) – (h1 – h6) =
= (h2 – h1) – (h4 – h5)
В цикле 1234561 (h2 – h1) = lс - удельная работа, затраченная на сжатие хладагента в компрессоре в процессе 1 - 2, (h4 – h5), = lр – полезная работа, полученная при расширении газа в детандере в процессе 4 - 5. Тогда:
lц = lс - lр
Холодильный коэффициент цикла:
6.4 Детандерный разомкнутый регенеративный цикл ГХМ.
Если рабочим веществом газовой холодильной машины является атмосферный воздух, то можно использовать разомкнутый цикл. При этом из схемы можно исключить переохладитель. Отвод теплоты в этом случае осуществляется путем непосредственного тепломассообмена холодильного агента с окружающей средой.
Существуют два вида разомкнутых циклов: цикл с превышением давления и вакуумный цикл. По конструкции такие ГХМ аналогичны друг другу, отличительным является только порядок работы. В вакуумном цикле, предложенном В.С.Мартыновским, в системе поддерживается давление ниже атмосферного. В цикле с превышением давления, предложенном Н.Н.Кошкиным, в системе поддерживается давление выше атмосферного. На практике наибольшее применение получили ГХМ с превышением давления. Такая холодильная машина состоит из воздушного компрессора, детандера, двух регенераторов и теплообменного аппарата 4 (см. рисунок.6.3.).
А Б
Рисунок 6.3 - Детандерный разомкнутый регенеративный цикл ГХМ
Атмосферный воздух с температурой окружающей среды всасывается компрессором, в котором адиабатно сжимается в процессе 1-2 от начального атмосферного давления Р1 до конечного давления Р2. После компрессора сжатый горячий воздух через клапанную коробку поступает в регенератор, где охлаждается в процессе 2-3 за счет теплообмена с обратным холодным потоком, выходящим из теплообменного аппарата. Далее охлажденный холодильный агент адиабатно расширяется в детандере в процессе 3-4 от конечного давления Р2 до начального давления Р1, равного атмосферному давлению Ратм. После детандера холодный воздух направляется в теплообменный аппарат, в котором подогревается в процессе 4-5, отнимая теплоту от охлаждаемой среды. Затем подогретый холодильный агент поступает в регенератор, где еще более нагревается в процессе 5-6 за счет теплообмена с горячим прямым потоком, выходящим из компрессора. После регенератора горячий воздух через клапанную коробку выбрасывается в атмосферу, где охлаждается до температуры окружающей среды в процессе 6-1 за счет смешивания и тепломассообмена с атмосферным воздухом. Далее все процессы повторяются вновь.
Особенностью работы ГХМ с тепломассообменом является непрерывное поступление в компрессор атмосферного воздуха, содержащего влагу. При охлаждении влажного воздуха в регенераторе из него выпадает влага в виде конденсата или кристаллов льда. Выпавшие кристаллы льда могут забить проходное сечение регенератора или детандера и нарушить работу всей холодильной машины. Поэтому в таких ГХМ обычно применяют двухсекционный регенератор, секции которого работают попеременно. Сначала по первой секции проходит обратный холодный сухой поток, а по второй секции – прямой горячий влажный поток воздуха, из которого охлаждаясь конденсируется влага. Через 1-2 минуты таймером автоматически переключается клапанная коробка. После этого по первой секции течет прямой влажный горячий поток, а по второй секции – обратный холодный сухой поток воздуха, который впитывает в себя оставшейся после прямого потока конденсат и выбрасывает в атмосферу. Через 1-2 минуты снова переключается клапанная коробка и процессы повторяются.
qо = h5 – h4
lсж = h2 – h1
6.4 Разомкнутый регенеративный цикл с вихревой трубой.
Вихревая холодильная машина состоит из компрессора, переохладителя, вихревой трубы (принцип действия вихревой трубы описан ранее) и теплообменного аппарата или холодильной камеры (см.рисунок 6.4.).
Рисунок 6.4 - Разомкнутый регенеративный цикл с вихревой трубой
Атмосферный воздух при температуре окружающей среды То.с всасывается компрессором и адиабатно сжимается в процессе 1-2 от атмосферного давления Ратм до конечного давления Р2. После сжатия горячий воздух попадает в переохладитель, и охлаждается в нем до температуры окружающей среды в процессе 2-3 за счет теплообмена с холодной внешней средой. Затем охлажденный воздух направляется в вихревую трубу, в которой происходит температурное разделение потоков на холодный поток в процессе 3-4 и горячий поток в процессе 3-5. Горячий поток выбрасывается в атмосферу, где, смешиваясь с наружным воздухом, охлаждается в процессе 5-1 до температуры окружающей среды. Холодный поток выходит из вихревой трубы и поступает в теплообменный аппарат или непосредственно в холодильную камеру. Там он нагревается в процессе 4-1, отнимая теплоту от охлаждаемой среды. Далее воздух вновь всасывается компрессором, сжимается и цикл повторяется снова.
Коэффициент расхода холодного воздуха:
Удельный тепловой поток в теплообменнике:
Удельный тепловой поток в переохладителе:
Холодильный коэффициент цикла:
7.Схемы и циклы термоэлектрических холодильных машин.
7.1.Теоретические основы термоэлектричекого охлаждения.
Принцип действия термоэлектрической холодильной машины (ТХМ) основан на использовании термоэлектрического эффекта (эффекта Пельтье).
Термоэлектрическая батарея состоит из ряда соединенных между собой термоэлементов. Термоэлементы выполнены из двух полупроводников, имеющих разную проводимость: электронную (n-типа) и дырочную (р-типа). В зависимости от назначения и конкретных условий работы соединение полупроводников может быть последовательным, каскадным или комбинированным. При последовательном соединении обеспечивается наибольшая площадь контакта с охлаждаемой средой и наибольшая холодопроизводительность. Каскадное соединение позволяет получить максимальную разность температур холодного и горячего спаев, но меньшую площадь контакта.
Термоэлементы по форме могут быть, прямоугольными, круглыми, кольцевыми или секторными. В качестве термоэлектрических материалов применяются полупроводниковые сплавы.
Основной показатель качества термоэлементов является коэффициент добротности Z, К-1.
где α – коэффициент термоэлектродвижущей силы, Вт/К;
σ – удельная электропроводность, Ом-1 ∙ м-1;
λ – удельная теплопроводность материала, Вт /(м ∙ К)
Коэффициент добротности определяет максимальную разность температур горячих и холодных спаев
где Тх – температура холодного спая, К.
Наибольшим коэффициентом добротности обладают многокомпонентные соединения на основе теллуридов висмута и сурьмы. Добротность ветвей термоэлементов, изготовленных из этих материалов составляет (3 - 3,3) 10-3 К-1. Это позволяет при температуре горячего спая Тг = 30 оС получить температуру на холодном спае Тх = (-45 ÷ -50)оС, т.е. ∆Тмах = (75 – 80)оС.
Материалы для изготовления ветвей термоэлементов выбираются с учетом температурного диапазона работы, прочностных характеристик, совместимости с конструкционными материалами, стабильности термоэлектрических свойств, возможности реверсирования тепловых потоков, стоимости и т.д. Сплавы на основе Sb2Te – Bi2Te3 и Bi2Te3 – Bi2Se3 достаточно хорошо отвечают необходимым требованиям.
Электрическое соединение ветвей термоэлементов осуществляется через коммутационный переход. Основными требованиями, предъявляемыми к коммутационному переходу, являются малое контактное электрическое сопротивление, исключение диффузии его компонентов в полупроводники и достаточная эластичность при тепловом реверсировании. Наиболее часто в качестве шин коммутационных переходов служат медь, алюминий и заливочный материал на основе висмута. Соединение электроведущих шин с ветвями термоэлементов осуществляется пайкой, напылением, прижимом, склеиванием и другими способами.
Для улучшения теплообмена горячих спаев с охлаждающей средой и холодных спаев с охлаждаемой средой на рабочих плоскостях термоэлектрических батарей, как правило, располагаются теплообменники.
По характеру соединения теплообменников с термоэлементами различаются безызоляционные соединения и с электроизоляционными соединениями. В безызоляцыонных конструкциях все термоэлементы имеют индивидуальные теплообменники, которые могут выполнять и функции коммутационных пластин. Такие соединения применяют только в случае использования диэлектрических теплоносителей. В конструкциях с электроизоляционными соединениями между теплообменником и токоведущими элементами батареи располагается слой электроизоляции.
По виду среды теплообменники бывают водяные и воздушные. В некоторых ТХМ используются промежуточные теплоносители с изменяющимся агрегатным состоянием. Водяной теплообменник представляет собой плиту или пластину с внутренними каналами, по которым циркулирует вода. Воздушные теплообменники имеют большую площадь теплообмена. Увеличение площади теплообменной поверхности осуществляется игольчатым или пластинчатым оребрением. В качестве конструкционных материалов для теплообменников обычно применяются медь или алюминий.
7.2.Взаимосвязь термоэлектрических эффектов.
Анализ работы и расчет термоэлектрических холодильных машин основан на взаимодействии термоэлектрических явлениях: Эффекта Зеебека, эффекта Пельтье, эффекта Томпсона и др.
Эффект Зеебека заключается в том, что при поддержании различных температур на спаях двух полупроводников в цепи возникает термоэлектродвижущая сила и в цепи появляется электрический ток. На данном принципе основана работа термопар для измерения температур.
ТермоЭДС на концах разомкнутой цепи определяется по уравнению
В том случае, когда термоэлектрическая цепь состоит из однородных полупроводников дырочной или электронной проводимости, их термоЭДС оказываются противоположно направленными. Тогда:
αр = αр1 - αр2,
αn = αn1 - αn2.
где αр и αn – коэффициенты термоЭДС дырочного и электронного полупроводников, Вт/К.
Если термоэлектрическая батарея состоит из полупроводников различной проводимости, то их коэффициенты темоЭДС суммируется по абсолютным значениям, т.е.
Для цепи, состоящей из n последовательно соединенных пар плоупроводников, термоэлектродвижущая сила равна:
или для цепи из двух полупроводников
ΔЕ = α (Тг – Тх)
Эффект Пельтье заключается в том, что при протекании электрического тока через два, спаянных между собой полупроводника, в местах спаев возникают различные температуры: один спай становится горячим, другой – холодным.
Теплота, выделяемая или поглощаемая на горячем и холодном спаях, называется теплотой Пельтье.
Теплота Пельтье определяется по формуле:
где П – коэффициент Пельтье;
I – сила тока, А.
Коэффициент Пельтье связан с эффектом Зеебека следующим соотношением
Тогда:
Эффект Томпсона заключается в поглощении теплоты по всей длине термоэлементов. Наличие разности температур вдоль материала батареи приводит к тому, что электроны на горячем спае приобретают более высокую энергию, чем на холодном. Эта разность потенциалов неодинакова и приводит к возникновению термоэлектродвижущей силы. При этом возникает тепловой поток Томпсона
где τ – коэффициент Томпсона.
Для рассмотрения взаимодействия между термоэлектрическими эффектами термоэлектрическую холодильную машину можно представить как машину, в которой рабочим веществом является электрический ток (электрический газ). Термодинамический цикл в S-T – диаграмме холодильной машины, в которой отсутствуют дополнительные потери, показан на рисунке 7.1. Процесс 4-1 – процесс подвода теплоты Пельтье к холодному спаю; процесс 1-2 – процесс поглащения теплоты Томпсона полупроводником n-типа; процесс 2-3 – процесс отвода теплоты Пельтье от горячего спая; процесс 3-4 – процесс выделения теплоты Томпсона от полупроводника p-типа.
Рисунок 7.1 - Схема и цикл термоэлектрической холодильной машины.
В веществах с различными типами полупроводников эффект Томпсона практически равен нулю и в расчетах, как правило, не учитывается.
Количество теплоты Пельтье, подведенное к холодному спаю или теоретическая холодопроизводительность машины:
Количество теплоты, отведенной от горячего спая:
Работа цикла 1234, которую совершает термоЭДС при протекании электрического тока, равна разности отведенной и подведенной теплоты к спаям, т.е.
Теоретический холодильный коэффициент цикла:
Таким образом, теоретический коэффициент цикла термоэлектрической холодильной машины равен холодильному коэффициенту цикла Карно.
В действительности работа термоэлемента сопровождается необратимыми потерями.
Во-первых, при протекании электрического тока по цепи в термобатареи, выделяется теплота Джоуля-Ленца:
где R – электрическое сопротивление термоэлементов, Ом.
Считается, что в первом приближении Qдж распределяется между спаями поровну, т.е.:
Qхдж = Qгдж = 0,5 Qдж
Во-вторых, за счет теплопроводности материала термобатареи, часть теплоты от горячего спая передаётся холодному спаю в количестве
С учетом потерь действительная холодопроизводительность термоэлектрической холодильной машины Qо.д и количество теплоты, отведенной от горячего спая Qг.д , будут равны:
Потребляемая мощность:
Действительный холодильный коэффициент
Важными режимами работы термоэлектрической холодильной машины является режим максимального холодильного коэффициента εmax, режим максимальной холодопроизводительности Qо.max и режим минимального тока Imin.
7.3.Эффективность применения термоэлектрического охлаждения.
Термоэлектрические холодильные машины обладают следующими преимуществами по сравнению с паровыми компрессионными машинами:
1.Лучшие массогабаритные показатели при Qо < 20 Вт;
2.Отсутствие холодильного агента;
3.Бесшумность в работе;
4.Простота конструкции;
5.Отсутствие движущихся частей;
6.Удобство в обслуживании.
Недостатками термоэлектрических холодильных машин являются:
1.Худшие массогабаритные показатели при Qо > 20 Вт;
2.Большая потребляемая мощность;
3.Высокая стоимость полупроводников;
4.Необходимость применения постоянного тока.
Потенциал разрушения озона ОDР определяется наличием ато мов хлора в молекуле хладагента и принят за единицу для R11 и R12. Для хладагентов группы ХФУ потенциал разрушения озона ОDР1, для ГХФУ ОDР< 0,1, а для ГФУ ODP = 0.
Потенциал глобального потепления, GWP принят за единицу для диоксида углерода (СО2) с временным горизонтом 100 лет, а по тенциал НGWP подсчитывают относительно значения этого пара метра для R1 1, также принятого за единицу.
91