Рис. 1.2. Схема термоэлектрического охлаждения:

а — термоэлемент; б — термобатарея; 1, 2— полупроводники; 3 — спай термоэлементов; Qa — поглощаемая теплота; & — выделяемая теплота; Гх и tr — температуры соответственно охлаж­дения и нагревания

Охлаждение с помощью абсорбционных холодильных машин. В абсорбционных холодильных машинах бытовых холодильников применяют растворы, где функции хладагента, кипящего при низкой температуре, выполняет аммиак, а абсорбента (поглоти­теля) — бидистиллят воды, компонентами раствора являются также ингибитор двухромовокислый натрий, вводимый в количе­стве 2 % для предохранения внутренней поверхности труб холо­дильного агрегата от коррозии, и инертный газ — водород для создания противодавления аммиачному пару. Принцип работы абсорбционной холодильной машины следующий (рис. 1.3).

В генераторе 7, обогреваемом нагревателем 5 (электрическим, газо­вым и др.), кипит концентрированный водоаммиачный раствор и выделяются пары аммиака с незначительным количеством водя­ных паров. Затем смесь паров поступает в дефлегматор 2, где водяной пар конденсируется, после чего стекает в генератор 7, а концентрированные пары аммиака поступают в конден­сатор 3 с воздушным охлажде­нием.

Высококонцентрирован­ный жидкий хладагент из кон­денсатора 3 направляется в испаритель 4, где он кипит при отрицательной температу­ре [парциальное давление ки­пения аммиака составляет (2...3)105 Па], отбирая теплоту из холодильной камеры 7.

Оставшийся в генераторе после выкипания аммиака сла­бый водоаммиачный раствор возвращается в абсорбер 6 и охлаж­дается окружающей средой до температуры начала абсорбции. Выходящие из испарителя 4 пары хладагента также поступают в абсорбер навстречу движущемуся охлажденному слабому раство­ру. В абсорбере пары хладагента поглощаются слабым раствором с выделением некоторого количества теплоты абсорбции в окру­жающую среду. Образовавшийся в абсорбере 6 концентрирован­ный раствор с помощью термосифона уносится в генератор 7, преодолевая сопротивление трубок.

Циркуляция раствора и аммиака осуществляется непрерывно, пока работают генератор и термосифон, обогреваемые нагревате­лем. Таким образом, в абсорбционной холодильной машине роль всасывающей части механического компрессора играет абсорбер, а поглотительной — термосифон.

Для повышения эффективности холодильного цикла абсорб­ционной холодильной машины применяют также жидкостные и паровые теплообменники, сокращающие непроизводительные потери теплоты.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ ХЛАДАГЕНТОВ.

ХОЛОДИЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ

Термодинамические диаграммы. 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. Диаграм­мы для озонобезопасных хладагентов, используемых в бытовых холодильниках, приведены в приложении 7.

В практике наибольшее применение находят диаграммы эн­тальпия — давление (h—lg р) и энтропия — температура (5—7). Диаграмма Л—lg р наиболее удобна, так как теплота и работа для адиабатного процесса изображаются на ней отрезками по оси абсцисс, а не площадями, как в s — 7-диаграмме. Ниже рассмат­ривается диаграмма h—lg р (рис. 1.4).

На рис. 1.4, а приведены области фазового перехода хладаген-

та, 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 (рис. 1.4, б). 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. Показанная на рис. 1.4, б диаграмма h—lg р отражает шесть параметров хладагента, изображенных в виде линий. Циф­ровые значения основных параметров приведены в удельных величинах, отнесенных к 1 кг 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 и и потенциальной энергии давления pv, т. е. h = и + 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.

Холодильные циклы. Искусственное охлаждение (согласно второму закону термодинамики) не может происходить без за­траты энергии. При этом совокупность процессов, протекающих при искусственном охлаждении, называют обратным термодина­мическим циклом. В обратном цикле (холодильном) с помощью затраченной энергии теплота переносится от холодного тела (7Х) к нагретому (Гк). В условиях постоянных значений Г0 и Тк идеальным циклом для передачи теплоты является цикл, состоя­щий из двух изотерм и двух адиабат (обратный цикл Карно).

При рассмотрении принципа действия холодильной машины различают идеальный теоретический и действительный циклы. В идеальном теоретическом цикле пары хладагента всасываются в компрессор в состоянии насыщения при температуре и давлении кипения, а жидкость из конденсатора поступает в дросселирую­щий орган в состоянии насыщения при температуре и давлении конденсации. Считается также, что в системе нет потерь давле-

Рис. 1.5. Принципиальная схема (я) и цикл холодильной машины с теплообменни­ком (б)

ния на трение и местные сопротивления в трубопроводах и аппаратах. Кроме того, процесс сжатия в компрессоре адиабат­ный (без теплообмена с окружающей средой) и отсутствуют объ­емные потери в компрессоре.

Действительный цикл применяют при эксплуатации холо­дильных машин в реальных условиях.

Принципиальная схема и цикл компрессионной холодильной машины (с регенеративным теплообменником) представлены на рис. 1.5. Принцип работы холодильной машины следующий. Пар, образующийся в результате кипения хладагента в испарите­ле, отсасывается компрессором Км (рис. 1.5, а). В компрессоре пар сжимается (при этом температура и давление его повышают­ся), а затем пар высокого давления нагнетается через трубопро­вод в конденсатор Кд. В конденсаторе пары хладагента охлажда­ются воздушной средой и конденсируются, превращаясь в жид­кость. Далее жидкий хладагент по трубопроводу поступает в дросселирующий орган ДО, где происходят его дросселирование и резкое снижение давления и температуры. Из дросселирующе­го органа хладагент поступает в испаритель И, где происходит его кипение, в результате чего он превращается из жидкости в пар и поглощает определенное количество теплоты от объекта охлаждения (холодильной камеры). Пары хладагента по всасыва­ющему трубопроводу далее направляются в компрессор, но пред­варительно они подогреваются в регенеративном теплообменни­ке, образованном капиллярной трубкой и плотно соединенным с ней всасывающим патрубком. Переохлаждение жидкости способ­ствует увеличению холодопроизводительности, а перегрев пара во всасывающем трубопроводе уменьшает объемные потери и также повышает холодопроизводительность компрессора. Кроме того, при наличии теплообменника допускается некоторое пере­полнение испарителя хладагентом без опасения гидравлического удара и появляется возможность лучше организовать возврат масла из испарителя в компрессор.

Цикл фреоновой холодильной машины с теплообменником приведен на рис. 1.5, б. Для построения рабочего цикла в диа­грамме h—lg р задаются конкретными параметрами: температу­рой кипения г0, температурой конденсации tK, температурой вса­сывания tm. Вначале определяют р0 и рк по соответствующим температурам и проводят две горизонтальные прямые — изобары рк и р0. Пересечение изобары давления кипения р$ с кривой насыщенного пара показывает состояние хладагента на выходе из испарителя (точка Г на диаграмме). Перегрев пара.происхо­дит в теплообменнике и во всасывающем трубопроводе перед компрессором при pQ до температуры /вс. Точка всасывания / лежит на пересечении изобары р0 и изотермы 1ВС в области перегретого пара. При сжатии пара в компрессоре давление по­вышается до рк, а сам процесс сжатия считается адиабатным, точка конца сжатия 2 лежит на пересечении адиабаты, проведен­ной из точки 1, и изобары рк. Температуру этой точки называют температурой нагнетания компрессора. Из компрессора перегре­тый пар поступает в конденсатор, где сначала охлаждается до состояния насыщения (точка 2м), а затем конденсируется при постоянной температуре до состояния насыщенной жидкости (точка 3'). Процесс переохлаждения (3—3') проходит в тепло­обменнике, и точка 3 определяется из соотношения hз— hj = h[ — hj", откуда hj= h3>+ hy^- hj.

Переохлажденная жидкость поступает к дросселирующему ор­гану ДО и дросселируется до давления кипения /?0 при A=const. Линия изоэнтальпии (энтальпия) проходит вертикально вниз до пересечения с изобарой р^. В состоянии влажного пара (точка 4) хладагент поступает в испаритель, где кипит при постоянных температуре и давлении кипения до состояния насыщенного пара (точка 4). Цикл замыкается и повторяется вновь.

Таким образом, действительный цикл холодильной машины Состоит из следующих процессов:

Г — I — перегрев пара на всасывании в компрессор при ро—const;

— 2 — адиабатное сжатие в компрессоре от ро до рк при 5=const;

— 2" — сбив перегрева в конденсаторе при pK=const;

2" — 3' — конденсация пара в конденсаторе при p=const;

3' — 3 — переохлаждение жидкости при p=const;

4 — дросселирование от рк до ро при h—const,

1" — кипение жидкости в испарителе при po=const и fo=const.

Для каждой узловой точки определяют все термодинамичес­кие параметры и составляют таблицу их значений. Зная парамет­ры узловых точек цикла, можно определить параметры теорети­ческого цикла.

Удельная массовая холодопроизводительность хладагента (кДж/кг)

% = Л1" — h4,

удельная работа сжатия в компрессоре (кДж/кг)

^2 Л j,

удельная тепловая нагрузка на конденсатор (кДж/кг) qK = h2~ h3.,

холодильный коэффициент цикла £т = я/^т-

Холодильный коэффициент е характеризует КПД цикла и используется для сравнения эффективности работы различных компрессионных машин: чем выше е, тем выше эффективность цикла. При эксплуатации холодильной машины стремятся под­держивать по возможности более высокую температуру кипения, так как при понижении на каждый градус затраты механичес­кой работы увеличиваются на 2...4 %.

По известным параметрам теоретического цикла можно опре­делить основные параметры действительной холодильной маши­ны, имеющей компрессор с теоретической объемной производи­тельностью Vr.

Теоретическую объемную производительность компрессора (м3/с) определяют из выражения

VT = *£szn,

где D — диаметр цилиндра, м; S— ход поршня, м; z — число цилиндров; п — частота вращения, с-1.

Действительная объемная производительность компрессора (м3/с)

Уд = щ,

где X — коэффициент подачи компрессора, учитывающий суммарные объемные потери; А.=0,5...0,75.

На основании полученного значения Vr подбирают компрес­сор или агрегат по каталогу или таблицам.

Теоретическую объемную производительность компрессора можно определить по выражению

К ~ ^KMVBc/^’

где vnc — удельный объем всасываемого пара, м3/кг; AfKM=ZQ/q0 — массовый рас­ход хладагента, необходимый для отбора суммарных теплопритоков ZQ.

Холодопроизводительность компрессора

Qo=m или Qo = Мкм%.

Нагрузка на конденсатор Qk ~ ^км#к-

Теоретическая мощность компрессора N = М L

/»Т 7ИКМ|Т’

где lj — удельная работа сжатия.

Действительная потребляемая мощность (от сети)

Л/э ^т/Лэ,

где г)у — КПД компрессора, учитывающий потери из-за отклонения действитель­ного цикла от теоретического: потери на трение и потери в электродвигателе.

Действительный холодильный коэффициент ед = Qq/N3. Зна­чение Ед примерно в 2 раза меньше, чем ц.

ГЛАВА 2

ХЛАДАГЕНТЫ, ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАСЛА И АДСОРБЕНТЫ

ХЛАДАГЕНТЫ

Общие сведения. В большинстве бытовых холодильников ком­прессионного типа хладагентами служат фреоны (применяют фреоны с 1930 г.).

В абсорбционных бытовых холодильниках используют водоам­миачный раствор, включающий хладагент с низкой температурой замерзания — аммиак (как хладагент аммиак известен с 1874 г.) и абсорбент — воду.

Прежде чем рассматривать свойства хладагентов, остановимся на основных требованиях, предъявляемых к ним. Требования к хладагентам подразделяются на следующие группы:

экологические — озонобезопасность, низкий потенциал гло­бального потепления (желательно), негорючесть и нетоксич- ность;

термодинамические — высокая объемная холодопроизводи- тельность; низкая температура кипения при атмосферном давле­нии; невысокое давление конденсации; высокий коэффициент теплопроводности; низкие плотность и вязкость хладагента, обеспечивающие сокращение гидравлических потерь на трение и местные сопротивления при его транспортировке; максимальная приближенность к заменяемым хладагентам по давлениям, тем­пературам, удельной объемной холодопроизводительности, холо­дильному коэффициенту (для озонобезопасных хладагентов);

эксплуатационные — термохимическая стабильность, хими­ческая совместимость с материалами и холодильными маслами, достаточная взаимная растворимость с маслом для обеспечения его циркуляции, технологичность применения; негорючесть и невзрывоопасность; способность растворять воду, незначитель­ная текучесть; наличие запаха, цвет и т. д.;

экономические — наличие товарного производства, доступные (низкие) цены.

Хладагенты, отвечающие перечисленным требованиям, найти практически невозможно, поэтому в каждом отдельном конкрет­ном случае выбирают хладагент с учетом конкретных условий работы холодильной машины, и предпочтение следует отдавать таким, которые удовлетворяют принципиальным и определяю­щим требованиям.

Альтернативными веществами могут быть чистые (простые) вещества и смеси.

Предпочтение прежде всего отдается чистым веществам.

В России внедрен международный стандарт ИСО-817 «Орга­нические хладагенты», согласно которому предусмотрены цифро­вые обозначения хладагентов в сервисной документации на хладагенты и масла..

Стандартом допускается несколько обозначений хладагентов: условное (символическое), торговое (марка), химическое и хими­ческая формула.

Условное обозначение хладагентов является предпочтитель­ным и состоит из буквы R или слова Refrigerant (хладагент) и цифры. Например, хладон-12 имеет обозначение R12 (CF2CI2). Цифры расшифровываются в зависимости от химической фор­мулы хладагента. Первая цифра (1) указывает на метановый ряд, следующая цифра (2) соответствует числу атомов фтора в соеди­нении. В том случае, когда в производных метана водород вытес­нен не полностью, к первой цифре добавляют количество остав­шихся в соединении атомов водорода, например R22.

Для этановото ряда вначале записывают цифру 11, для пропа­нового — 21, для бутанового — 31. Для этих производных ко вто­рой цифре прибавляют число атомов водорода, если они есть, например трифтортрихлорэтан C2F2CI3 — R113.

Хладагенты неорганического происхождения имеют номера, соответствующие их относительной молекулярной массе, плюс 700. Например, аммиак обозначают R717, воду — R718.

Хладагент R12 — дифтордихлорметан, относящийся к группе CFC, — бесцветный газ со слабым специфическим запахом, в 4,18 раза тяжелее воздуха. Один из наиболее распространенных и безопасных хладагентов. При содержании его в воздухе более 30 % (по объему) наступает удушье из-за недостатка кислорода. В частности, предельно допустимая концентрация при длитель­ности воздействия 2 ч составляет 38,5...30,4 % (по объему). Хлад­агент R12 невзрывоопасен, но при t > 330 °С разлагается с обра­зованием хлористого водорода, фтористого водорода и следов отравляющего газа — фосгена. Хладагент неограниченно раство­ряется в масле, не проводит электрический ток, слабо растворя­ется в воде. Объемная доля влаги в R12 для бытовых холодиль­ников не должна превышать 0,0004 %. Обезвоженный R12 ней­трален ко всем металлам. Этот хладагент характеризуется повышенной текучестью, что способствует проникновению 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 R12 — хороший растворитель многих орга­нических веществ, при изготовлении прокладок применяют спе­циальную резину — севанит или паронит.

Хладагент R22 — дифторхлорметан, относящийся к группе HCFC, — 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. При температуре выше 330 °С в присутствии металлов 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.

Хладагент R502 — азеотропная смесь (т. е. такая, в которой при кипении и конденсации массовая доля компонентов практи­чески не изменяется). Массовая доля R22 составляет 48,8 %, а Rl 15 достигает 51,2 %. Хладагент невзрывоопасен, малотоксичен и химически инертен к металлам. Растворимость R502 в маслах, коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации близки к соответствующим значениям для R22. Характерная особенность: R502 малорастворим в воде. Предельно допустимая концентра­ция R502 в воздухе составляет 3000 мг/м3. Объемная холодопро- йзводительность 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 применяют в низкотемпературных компрессионных холодильных установках.

Хладагент R11 — фтортрихлорметан, тяжелый газ (в 4,74 раза тяжелее воздуха), безвреден для организма человека. Невзрыво­опасен, неограниченно растворяется в минеральном масле. В воде Rl 1 нерастворим, допустимая массовая доля влаги не более 0,0025 %. Обезвоженный хладагент нейтрален ко всем металлам, за исключением сплавов, содержащих более 20 % магния. Объ­емная холодопроизводительность R11 мала; применяют его в холодильных машинах при температурах кипения до —20 °С.

Аммиак (R717) — газ с резким удушливым запахом, вредный для организма человека. Газ без цвета, допустимая концентрация в воздухе 0,02 мг/дм3 (0,0028 % по объему). В соединении с воздухом при концентрации 16...26,8 % (по объему) и наличии открытого пламени аммиак взрывоопасен.

Пары R717 легче воздуха, он хорошо растворяется в воде (один объем воды может растворить 700 объемов аммиака, что исключа­ет замерзание влаги в системе). Минеральные масла R717 почти не растворяет. Массовая доля влаги не должна превышать 0,2 %. На черные металлы, алюминий и фосфористую бронзу R717 не действует, однако в присутствии влаги разрушает цветные метал­лы (цинк, медь и ее сплавы).

По термодинамическим свойствам R717 —один из лучших хладагентов: по объемной холодопроизводительности он значи­тельно превышает R12, Rll, R22 и R502.

Озонобезопасные хладагенты. В последние годы усилия мно­гих стран направлены на разработку озонобезопасных хладаген­тов, в том числе для использования в бытовых холодильниках.

В 1993 г. в России произведено 3,4 млн холодильников и морозильников. В них использовано 5200 т озоноразрушающих ХФУ (хлорфторуглеродов).