Хладоагенты, криоагенты и их свойства

 

К рабочим телам, которые используются в теплотрансформаторах предъявляются следующие требования:

- рабочее тело должно обладать большой теплоемкостью;

- рабочее тело должно иметь низкую температуру затвердевания;

- рабочее тело должно быть пожаро- и взрывобезопасными по возможности.

Виды рабочих тел:

Хладоагенты – вещества или группы веществ, которые при Р=0,1 МПа имеют нормальную Ts=120…350К

Криоагенты – вещества и их смеси, которые при Р=0,1 МПа имеют нормальную Ts<120К

Наибольшее распространенными из хладоагентов являются NH3, фреон.

Фреоны – галогенизированные углеводороды, которые производятся на основе метана СН4.

При этом несколько атомов Н2 заменяются на F, Cl или Br.

В СССР они были известны как хладоны, сейчас – фреоны.

По ИСО 817-74 все фреоны имеют маркировку R.

Они делятся на 2 группы: - органического происхождения;

- неорганического происхождения

Фреоны органического происхождения делаются на основе природного газа.

Все фреоны имеют буквенное и цифровое обозначение.

Например, R-22=CHClF₂

Последняя цифра = 2 обозначает число атомов F, предпоследняя – 2 – оставшееся число атомов Н2, увеличенное на 1.

 

К хладоагентам неорганического происхождения относят NH₃, SO₂,CO₂.

В обозначениях используется цифра – 7, остальные – молекулярная масса вещества.

NH₃ имеет резкий запах, легче воздуха, бесцветный, токсичен, пожаро- и взрывоопасен.

Используется для холодильных установок большой производительности, имеет высокое значение теплоты парообразования.

Фреоны, не имеют запаха, пожаро- и взрывобезопасны, не растворяются в воде, хорошо растворимы в масле, при контакте с открытым пламенем образуют ядовитый газ – фосген. По сравнению с NH3 худшие теплофизические свойства. Используется для малых и средних производительностей.

 

Процесс дросселирования.

Дифференциальный дроссель-эффект Джоуля-Томсона.

 

Дросселирование реального газа сопровождается дифференциальным эффектом

αh = () h = const, который характеризует изменение температуры как функции изменения давления при постоянной энтальпии.

В зависимости от природы газов и параметров проведения процесса температура в ходе дросселирования может изменяться или оставаться постоянной.

Т > 0; Т < 0; Т = 0

Т.к. при дросселировании давление всегда уменьшается, то αh < 0; αh > 0; αh = 0

Когда αh = 0, то это состояние называется инверсией.

На PV диаграмме геометрическое место точек, которые соответствуют состоянию инверсии называется инверсионной кривой.

 

Для криорефрижераторов, которые используют процесс дросселирования, т.е. для криорефрижераторов параметры рабочего тела должны находиться в области положительного дроссель-эффекта.

Рассмотрим процесс дросселирования на TS-диаграмме при различных начальных условиях:

1-2 – процесс дросселирования в зоне положительного дроссель-эффекта.

Т2 < Т1, Р уменьшается.

Сместимся по изотерме Т1 вправо и начнем дросселирование с т. 1’, также в зоне положительного дроссель-эффекта. Охлаждающий эффект ниже, чем в 1-2.

Сместимся от т.1 влево – т. 1’’.

В процессе дросселирования 1’’-2’’, температура сперва растет, достигает максимума и падает. ∆Р был больше, а охлаждающий эффект меньше

∆Р = (P’’1 – P’’2) > (P1 – P2)

Попробуем перемещаться по изобаре Р1 вверх и вниз в область различных начальных температур.

Если проводить дросселирование в области температур выше, чем t1, обнаруженный максимум будет сглаживаться и при t3 процесс дросселирования пройдет по 3-4 без изменения температуры.

3-4 – процесс дросселирования, принадлежит зоне αп = 0, t3 называется температурой инверсии.

В процессе 3-4 изотерма совпадает с изоэнтальпией.

При дальнейшем увеличении начальной температуры больше, чем t3, дросселирование идет с увеличением температуры, 3’-4’.

Эта зона в области отрицательного дроссель-эффекта и не подходит для криорефрижераторов.

 

Рассмотрим зону температур ниже, чем t1.

5-7 в зоне температур дроссель-эффекта, с уменьшением температуры по сравнению с 1-2 охлаждающий эффект выше.

Максимальный дроссель-эффект в области близкой к критической точке.

Максимум температур сползет влево.

Соединим максимумы пунктирной кривой, называемой инверсионная кривая.

Справа от нее находится область, когда дросселирование идет с уменьшением температуры, слева – с увеличением.

 

Например, у Н₂ и Не инверсионная кривая проходит ниже температуры окружающей среды, и если начальные температуры этих сред находятся в зоне больше 170…180 К, то дросселирование приводит к нагреванию газа и не может использоваться как способ уменьшения температуры.

При положительном дифференциальном дроссель-эффекте и заданным конечным Р₂ – чем больше начальное давление, тем больше охлаждающий эффект.

Максимальный эффект достигается когда начальные параметры лежат на инверсионной кривой.

Для воздуха при температуре окружающей среды давление, которое соответствует параметрам инверсии – 42 МПа.

При дальнейшем росте давления попадаем в область отрицательного дроссель-эффекта и охлаждающий эффект уменьшается.