Способы и системы охлаждения помещений

Физико-химическими требованиями к хладагентам являются: малая плотность (ρ) и вязкость (μ), обеспечивающие наименьшие потери давления при циркуляции хладагента в контуре; химическая инертность к металлам и материалам внутренних элементов контура (при наличии контакта с ними); химическая стойкость; негорючесть (желательно); минимальная способность проникать через неплотности; способность растворять воду и т.д.

Холодильные агенты должны быть безвредными для здоровья человека (физиологическое требование) и иметь стоимость, сопоставимую с аналогами (экономическое требование).

Рабочие вещества абсорбционных холодильных машин должны отвечать дополнительным требованиям: образовывать между собой растворы и обладать разными температурами кипения (вещество с более низкой температурой кипения является хладагентом, с более высокой — абсорбентом).

С приходом новых озонобезопасных  хладагентов, выбор не стал проще. И  сегодня при выборе рабочего вещества первичного контура приходится учитывать:

 

• критические параметры и термодинамические свойства (tк , Pк);
• свойства переноса;
• тепломассообменные характеристики;
• температуры замерзания и термического разложения;
• растворимость в смазочных маслах;
• озоноразрушающую способность (ODP);
• потенциал глобального потепления (GWP);
• токсичность (ПДК и LD50);
• доступность;
• пожаро- и взрывоопасность;
• совместимость с применяемыми в машиностроении материалами и водой;
• легкость в обнаружении утечек;
• стоимость.

Коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи должны быть максимально большими, так как при этом улучшается работа теплообменных аппаратов (испарителя и конденсатора). Растворимость хладагента в масле создает благоприятные условия для смазки компрессора, так как масло в смеси

 

с холодильным агентом  проникает в труднодоступные места. С другой стороны, если хладагент не растворяется в масле, то из цилиндра компрессора уносится меньше масла, не изменяется температура кипения при постоянном давлении, в то время как для растворимого в масле хладагента температура кипения зависит от его концентрации в смеси. Однако масло, попадающее с нерастворимым агентом в теплообменные аппараты, оседает на поверхности и ухудшает теплопередачу.

Плохая растворимость  хладагента в воде является отрицательным свойством. При попадании влаги в систему она может замерзнуть и нарушить циркуляцию хладагента. Хладагент должен быть химически инертным по отношению к металлам и другим материалам, которые применяют в машине. Отрицательным свойством хладагента является большая текучесть, т.е. способность проникать через мельчайшие щели и даже поры в металле.

Желательно, чтобы хладагент  был негорюч, невзрывоопасен и не разлагался при высоких и низких температурах, хотя эти требования на практике часто нарушаются.

Холодильный агент должен быть безопасен для жизни и здоровья человека, его стоимость не должна быть высокой.

Практически невозможно подобрать такие вещества, которые  удовлетворяли бы всем вышеперечисленным  требованиям, поэтому в каждом конкретном случае отдают предпочтение таким, которые отвечают принципиальным требованиям.

Одним из наиболее широко применяющихся хладагентов является аммиак. В бытовых абсорбционных холодильниках он используется в смеси с водой, играющей роль абсорбента.

В бытовых холодильниках  и кондиционерах в качестве хладагентов в настоящий («переходный») период широко используются хладагенты фреоновой группы, аммиак, агенты групп HCFC и HFC, в том числе смеси различных углеводородов.

Аммиак NH₃ (R717) — бесцветный газ с резким запахом, вызывающий раздражение слизистых оболочек даже при малой концентрации в воздухе. При содержании аммиака в воздухе в количестве 16...25% открытое пламя вызывает взрыв. Обладает хорошими термодинамическими свойствами. Нормальная температура кипения аммиака -33,3 °С. Аммиак имеет большую объемную холодопроизводительность, относительно небольшое рабочее давление конденсации. Он почти нерастворим в масле, но интенсивно поглощается водой.

С черными металлами (чугун, сталь) аммиак в реакцию не вступает, но в присутствии влаги разъедает цинк, медь и ее сплавы. Аммиак горюч, но в воздухе он горит плохо, а в среде кислорода — хорошо.

Газообразный аммиак легче воздуха. Жидкий аммиак — проводник электрического тока. Аммиак — доступный и дешевый холодильный агент.

Фреон-12 (R12, дифтордихлорметан CF₂C1₂) — хладагент группы CFС, бесцветный газ, практически без запаха, в 4.18 раза тяжелее воздуха. Нормальная температура кипения -29,8 °С. R12 невзрывоопасен, негорюч, но при температурах свыше 400°С разлагается с образованием хлористого и фтористого водорода, а также ядовитого газа фосгена. R12 хорошо растворяет различные органические веществ и лаковые покрытия, что следует учитывать, в частности, при использовании обмоток электродвигателей с подобными покрытиями и т.п. R12 обладает хорошей взаиморастворимостью с маслом, образуя однородную смесь. При этом вязкость масла резко уменьшается. Концентрации масла и R12 в жидкой фазе этой смеси зависят от ее температуры и давления, что имеет большое практическое значение, оказывая влияние на смазку холодильного агрегата. При отсутствии влаги R12 нейтрален почти ко всем металлам. В жидком виде он способен смывать с внутренней поверхности машин и аппаратов окалину, ржавчину и т.п.

Фреон-22 (R22, дифторхлорметан CHF₂C1) — хладагент группы HCFC — бесцветный газ со слабым запахом хлороформа, негорюч, взрывобезопасен, имеет физиологические свойства примерно такие же, как R12. Термодинамические свойства примерно такие же, как аммиак. Нормальная температура кипения R22 — 40,8 °С. По сравнению с R12 хладагент R22 лучше растворяет воду, но хуже растворяется в масле.

R134a (C₂H₂F₄) — хладагент группы HFC, бесцветный газ Нормальная температура кипения -26,2°С. Объемная холодопроизводительности и холодильный коэффициент при температурах кипения ниже -15 °С меньше, чем уR12. R134a негорюч, при открытом пламени разлагается с выделением отравляющих веществ, таких, как фторводород. Хладагент рекомендуется применять в бытовых холодильниках и торговом оборудовании. Он может быть использован для ретрофита (перевода) систем, работающих на R12.

В Германии Министерство экологии и охраны окружающей среды  рекомендует перевод существующих холодильных установок, работающих на хладагенте R12, на R22 и R134a. Однако для этих целей можно использовать также и другие хладагенты с низким потенциалом истощения озонового слоя, например R410A, R507.

В качестве альтернативы используемым в настоящее время  в промышленных и коммерческих установках хладагентам R12, R22 и R502 рекомендуются так называемые «природные» хладагенты, такие, как пропан (R290), изобутан (R600a) и аммиак (R717), которые не представляют угрозы для окружающей среды. Однако при использовании таких хладагентов должны строго выполняться все предписанные меры предосторожности, позволяющие избежать опасных воздействий на обслуживающий персонал или сооружения, в которых установлены холодильные установки.

До 1980 г. хладагенты (хлорфторуглероды, или CFC) применялись широко в холодильной  технике как безопасные и имеющие  хорошие термодинамические свойства. Но после проведения исследований ученые пришли к выводу, что эти вещества оказывают вредное воздействие на окружающую среду в связи с повышением парникового эффекта и возможным нарушением озонового слоя.

Парниковый эффект позволяет  поддерживать на поверхности земли  температуру, при которой возможна жизнь человека. Природный парниковый эффект является следствием того, что пары воды земной атмосферы задерживают инфракрасное излучение земной поверхности. При отсутствии парникового эффекта температура поверхности земного шара была бы ниже, чем она есть, и земля была бы необитаемой. Парниковый эффект, т.е. удержание инфракрасного излучения в природе, происходит не только благодаря парам воды, содержащимся в воздухе, но и другим газам, в частности диоксиду углерода СО2 и хладагентам группы CFC. Наличие в атмосфере СО2 и CFC создает искусственный парниковый эффект, который добавляется к природному, обусловленному наличием паров воды. Хотя концентрация всех хлорфторуглеродов CFC в атмосфере гораздо меньше, чем концентрация СО2 , их влияние на парниковый эффект во много тысяч раз больше вследствие их очень длительного периода «жизни» в атмосфере. Например, 100 лет для R12 и 250 лет для R115, входящего в состав R502. Для сравнения хладагентов по степени их влияния на парниковый эффект введен показатель – потенциал парникового эффекта (возможности глобального потепления) за 100 лет. Этот показатель обозначают GWP ( Global Warming Potential). Эмиссия в атмосферу различных газов, влияющих на глобальное потепление, различна, но наиболее существенна доля СО2 Значительная часть попадающего в атмосферу СО2 выделяется на тепловых электростанциях при сжигании мазута, газа и угля. По данным ученых, вклад газов в парниковый эффект различен и составляет : СО2 -55%; CFC – 17; HCFC – 7; N2O – 6; СH4 – 15% . 
Возможное разрушение озонового слоя Земли связано с энергетическим ультрафиолетовым излучения Солнца. Наиболее удаленным от Земли слоем атмосферы является стратосфера, которая представляет собой шаровой слой толщиной примерно 35 км, начинающийся на высоте 15 км от поверхности Земли. В этом слое находится озон О3, который поглощает 99% ультрафиолетового излучения Солнца и выполняет роль защитного экрана для Земли. Разрушение озонового слоя происходит следующим образом: хлорфторуглероды CFC медленно поднимаются вверх и через 1-2 года доходят до стратосферы, где их молекулы под действием ультрафиолетового излучения распадаются с выделением атомов хлора, которые вступают в реакцию с озоном, образуя оксид хлора и молекулярный кислород. Одна молекула хлора может вызвать разрушение многих тысяч молекул озона. Для сравнения хладагентов по степени разрушения озонового слоя введен показатель - озонирующий потенциал. Этот показатель обозначают ODP (Ozone Depletion Potential). Уменьшение озонового слоя вызывает опасность проникновения биологически активного ультрафиолетового излучения к поверхности Земли, что наиболее опасно для ДНК человека. В связи с этими факторами возникла необходимость замены хладагентов категории CFC экологически безопасными хладагентами категории HFC . Например замена R12 на R 409a и далее на хладагент R134a, который в настоящее время используется в современных холодильных установках рефрижераторного контейнера. Хладагент R134a – это чистое вещество, изготовленное на базе этана (CH2F-CF3). Негорючий хладагент нетоксичен, но при соприкосновении с пламенем и с горячими поверхностями разлагается, как и все производные углеводородов, с образованием высокотоксичных продуктов. Термодимнамические и основные физико-химические свойства R134a аналогичны свойствам R12 . 
Использование хладагентов нового поколения в холодильных установках рефрижераторных контейнеров делает их эксплуатацию абсолютно безопасной не только в отношении хранимого груза, но и окружающей среды.

При работе холодильной  машины, в том числе и компрессионного  бытового холодильника, в ней непрерывно происходят процессы, изменяющие агрегатное состояние хладагента и его параметры. Надежная эксплуатация холодильной машины невозможна без правильного понимания происходящих в ней термодинамических процессов. Для определения параметров хладагента при изучении отдельных процессов, входящих в цикл паровой компрессионной холодильной машины, а также отдельных характеристик холодильной машины используют термодинамические диаграммы хладагентов. Умение пользоваться диаграммами позволяет осуществлять контроль и анализ параметров действующих машин, настройку приборов автоматики и расчет циклов холодильных машин. Для каждого хладагента существуют свои диаграммы, но принцип их построения и пользования ими одинаков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В практике наибольшее применение находят диаграммы энтальпия - давление (h—lg p) и энтропия—температура (s—T). Диаграмма h—lg p наиболее удобна, так как теплота и работа для адиабатного процесса изображаются на ней отрезками по оси абсцисс, а не площадями, как в s — Т-диаграмме. Ниже рассматривается диаграмма h—lg p.

На рисунке приведены  области фазового перехода хладагента, отделенные одна от другой кривыми насыщенной жидкости и насыщенного пара. Слева от кривой насыщенной жидкости находится область переохлажденной жидкости. Между кривыми насыщенной жидкости и насыщенного пара расположена область влажного пара. Влажный пар представляет собой смесь насыщенной жидкости и насыщенного пара, находящуюся либо в состоянии кипения, либо в состоянии конденсации. Фазовый переход от жидкости к пару происходит слева направо (кипение), а из пара в жидкость — справа налево (конденсация). Содержание пара в парожидкостной смеси определяет линия постоянного паросодержания x = const, показывающая массовую долю пара в парожидкостной смеси в долях единицы. На линии насыщенной жидкости паросодержание х=0, на линии насыщенного пара х=1.

Область перегретого  пара отражает состояние пара с температурой выше температуры насыщения при соответствующем давлении р. Диаграмма h—lg p отражает шесть параметров хладагента, изображенных в виде линий. Цифровые значения основных параметров приведены в удельных величинах, отнесенных к 1кг хладагента.

Линии постоянного паросодержания х проходят в области влажного пара. 
Линии постоянного давления р (МПа) — изобары — проходят горизонтально через все области фазового перехода. Для удобства пользования диаграммой и вследствие неравномерности шкалы давлений в области вакуума и избыточного давления по оси ординат применен логарифмический масштаб (lg р). 
Линии постоянных температур t(°С) — изотермы — в области переохлаждения проходят вертикально, в области влажного пара — горизонтально. В этой области изотермы совпадают с изобарами, так как фазовое состояние хладагент меняет при постоянных значениях t и р. В области перегретого пара изотермы с наклоном идут вниз. Линии постоянных удельных энтальпий h (изоэнтальпы) отложены по оси абсцисс и проходят вертикально. Удельной энтальпией называют полную энергию 1 кг рабочего тела, равную сумме удельной внутренней энергии u и потенциальной энергии давления pv, т. е. h = u + pv. Изменение удельной энтальпии (кДж/кг) в термодинамическом процессе при р =const равно удельному количеству подведенной теплоты. 
Линии постоянных удельных объемов v (м³/кг) — изохоры — обозначены прерывистыми линиями, проходящими в области влажного и перегретого пара. В области жидкости изохоры не показаны из-за слишком малого объема жидкости по сравнению с объемом пара, поэтому данный параметр по диаграмме не определяется (его можно найти по таблице насыщенных паров хладагента).

Линии постоянных удельных энтропий s [кДж/(кг·К)] — адиабаты — проходят через поле диаграммы в виде наклонных кривых. Энтропия — это функция состояния термодинамической системы, характеризующая направление протекания процесса теплообмена между системой и внешней средой.

Каждой точке на поле диаграммы соответствует состояние  хладагента с определенными параметрами. Соединение двух точек линией указывает на характер процесса, протекающего между двумя состояниями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

 

1. Холодильная техника  и технология продуктов питания: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / Сергей Алексеевич Большаков. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 304 с.

2. Термодинамические диаграммы i-lgP для хладагентов. М.: АВИСАНКО, 2003. – 50 с.

3. Основы холодильной техники и технологии пищевых отраслей промышленности. Шавра В.М. М.: ДеЛи принт, 2002, 39-40 с.

4. Совершенствование холодильной техники и технологии (на примере предприятий мясной и молочной промышленности). / Бабакин Б.С., Тихонов Б.С., Юрчинский Ю.М. Москва: "Галактика-ИГМ", 1992. - 175 с.

5. Холодильная техника и технология. Методические указания к выполнению расчётно-графической работы. Составитель С.А. Будасова, канд. Тех. Наук, доц.Рецензент Спарин В.А. НГТУ,1999 г.

6. Холодильная техника:  Учебник / Румянцев Ю.Д., Калюнов В.С. — Издательство: Профессия, 2005. — 306 с.

7. Терехова  О.Н.  Сборник  примеров  расчетов  и  лабораторных  работ  по курсу «Холодильная  техника  и  технология»  для  студентов  специальностей 170600 «Машины  и  аппараты  пищевых  производств», 270800 «Технология консервирования» /  Алтайский  государственный  технический  университет им. И.И. Ползунова. – Барнаул: Изд.-во. АлтГТУ, 2005 г.- 124 с.