ТРАНСФОРМАТОРАХ ТЕПЛОТЫ

Для осуществления процессов в трансформаторах теплоты применяют рабочие вещества (агенты), обладающие необходи­мыми термодинамическими и физико-химическими свойствами. Они могут быть однородными или являются смесью нескольких (обычно двух) веществ. У большинства трансформаторов теп­лоты рабочие вещества подвергаются фазовым превращениям.

В настоящее время в трансформаторах теплоты применяют следующие рабочие вещества:

1) холодильные агенты – вещества, имеющие при атмосфер­ном давлении низкую температуру кипения t_s (от 80 до –130 °С). Холодильные агенты с температурой кипения от 80 до –30 °С применяются обычно в теплонасосных установках, а с более низкими температурами кипения (от 0 до –130 °С) – в установках умеренного холода;

2) газы и газовые смеси (в том числе и воздух) с низкими температурами кипения;

3) рабочие агенты и абсорбенты абсорбционных установок;

4) вода (применяется в холодильных установках, где тем­пература нижнего источника теплоты t_н > 0 °С, например, для кондиционирования воздуха).

Для экономичной и безопасной работы трансформаторов теплоты холодильный агент должен удовлетворять следующим требованиям:

1) иметь невысокое избыточное давление при температуре кипения и конденсации, большую теплопроизводительность на 1 кг агента, малый удельный объем пара, малую теплоемкость жидкости для уменьшения потерь от дросселирования и высокие коэффи­циенты теплопроводности и теплоотдачи;

2) иметь невысокую вязкость, возможно более низкую тем­пературу затвердения, не растворяться в масле;

3) быть химически стойким, не горючим, не взрывоопасным, не вызывать коррозии металлов;

4) быть безвредным для организма человека;

5) быть доступным и недорогим.

Рабочие агенты газовых холодильных установок должны иметь низкую нормальную температуру кипения, иметь малую вязкость, большую теплопроводность и теплоемкость с_р, мало зависящую от температуры и давления.

Рабочие агенты абсорбционных установок, кроме удовле­творения вышеперечисленных требований, должны хорошо абсорбироваться и десорбироваться в сочетании с соответствую­щими сорбентами.

Полностью удовлетворить всем перечисленным требованиям не может ни один из применяемых в настоящее время холо­дильных агентов. Поэтому при выборе холодильного агента сле­дует учитывать назначение холодильной установки, условия ра­боты и конструктивные особенности машины.

Основную роль при выборе агента играют следующие его свойства: токсичность, горючесть и воспламеняемость, корро­зионная активность и стоимость.

Большую роль при расчетах трансформаторов теплоты играют вязкость, теплопроводность и теплоемкость холодильного агента в жидком и парообразном состоянии. Так, например, вязкость оказывает влияние на выбор оптимальной скорости агента в клапанах компрессора, в оборудовании и коммуникациях холодильной установки. Теплопередача в теплообменных аппаратах зависит от теплопроводности, теплоемкости и вязкости агента.

Зависимость давлений на всасе и нагнетании компрессора от заданных температур холодильного агента определяет раз­меры компрессора, экономичность его работы, потребную мощ­ность.

Величина удельной объемной холодопроизводительности на 1 м³ всасываемого пара q_v также влияет на габариты компрес­сора: чем больше q_v,тем меньше размеры компрессора.

Основные термодинамические свойства холодильных агентов приводятся в таблицах и на Т, s диаграммах. Расчет и построение циклов компрессорных машин производится с по­мощью этих диаграмм.

Химические свойства холодильных агентовхарактеризуются их взрывоопасностью и воспламеняемостью, температурой раз­ложения, а также растворимостью в масле, воздействием на материалы (металлы), взаимодействием с водой. Первые два фактора являются решающими при выборе холодильного агента.

Некоторые холодильные агенты обладают токсичными свойствами. Наибо­лее опасными в этом отношении являются сернистый ангидрид, хлористый метил и в несколько меньшей степени аммиак.

Первые два хладоагента в настоящее время не применяются. Менее вредными считаются фреон-11 и фреон-22. Фреон-12 и фреон-114 являются нетоксичными, и их вредное влияние мо­жет сказаться при вытеснении этими газами воздуха помеще­ния. Жидкий холодильный агент, попадая на кожу, вызывает обмораживание; он также опасен для глаз.

В холодильных установках нашли применение следующие хо­лодильные агенты.

Аммиак применяется главным образом в поршневых ком­прессорных и абсорбционных установках. Это бесцветный газ с резким запахом. Он токсичен, горюч и взрывоопасен, разъ­едает металлы (кроме фосфористой бронзы). Аммиак слабо рас­творяется в масле, но интенсивно поглощается водой. К досто­инствам аммиака относятся: высокая объемная теплопроизводительность, малый удельный объем при температурах испаре­ния в основной области его использования, умеренные давления в конденсаторе и испарителе, сравнительно высокие значения теплоты парообразования, теплоемкости и коэффициента тепло­проводности. Его утечки легко обнаруживаются благодаря резкому запаху. Практическая область использования аммиа­ка – для температур кипения до –60 °С и температур конден­сации до +40° С.

Фреоны – производные насыщенных углеводородов, со­держащие фтор и хлор. Фреоны практически безвредны и в большинстве случаев не взрывоопасны. Фреоны при отсут­ствии влаги нейтральны ко всем металлам, почти не растворяют воду, не взаимодействуют со смазочными маслами, но интен­сивно растворяются в них. Высокая текучесть фреонов требует особой герметичности всей установки.

Фреоны обладают большой плотностью, что приводит к необхо­димости снижать скорость их движения в элементах холодиль­ной установки. Термодинамические свойства фреонов зависят от их молекулярного состава. В настоящее время в холодиль­ной технике наиболее часто применяются фреон-11, фреон-12, фреон-13, фреон-22 и фреон-142. Из этой группы фреонов самым распространенным является фреон-12. Он обладает меньшими значениями удельной объемной холодопроизводительности и бо­лее низкими давлениями, чем аммиак. Фреон-12 применяют в компрессорных холодильных машинах для температур кипе­ния до –25 °С и конденсации до +60 °С.

Другие фреоны также применяются в поршневых холодиль­ных машинах и трубокомпрессорах для различных температур кипения и конденсации. Фреон-142 используют в цикле тепло­вого насоса.

Углекислота – бесцветный газ без запаха, применяется в установках для выработки сухого льда. Она относительно безвредна, негорючая, химически не агрессивна. Процессы кипе­ния и конденсации углекислоты происходят при высоких дав­лениях из-за низкой критической температуры (t_кр = +31 °С) и высокого критического давления (P_кр = 7,5 МПа). Так как ра­бочий процесс протекает вблизи критической точки, увеличива­ется затрата работы на получение холода.

Помимо вышеуказанных веществ в качестве рабочих агентов применяются: воздух, азот, кис­лород, водород, метан и нейтральные газы (неон, аргон, гелий и др.).

В рабочем цикле абсорбционных установок осуществляются последовательно реакции поглощения (абсорбция) рабочего ве­щества абсорбентом, а затем освобождения (десорбция) абсор­бента от рабочего агента. Поэтому рекомендовать применение того или иного рабочего вещества можно, если для него найден соответствующий поглотитель (абсорбент).

Хладоносителями называют жидкие или газообраз­ные низкопотенциальные теплоносители, отбирающие тепло от охлаждаемой среды и передающие его холодильным агентам в испарителе холодильной машины. Хладоноситель является транспортирующей средой и участвует в процессах теплообмена у потребителей холода и в испарителе холодильной машины, когда они установлены раздельно. Хладоносители должны удовлетворять следующим требованиям:

1) иметь низкую температуру замерзания, обладать высокой теплоемкостью и малой вязкостью;

2) быть химически стойкими и нейтральными по отношению к металлам, малотоксичными, негорючими, взрывобезопасными;

3) не образовывать отложений на теплопередающих поверх­ностях холодильных установок;

4) быть доступными к применению (изготовлению) и деше­выми.

В качестве хладоносителей обычно применяются: воздух, вода, водные растворы хлористого кальция и хлористого натрия, а в низкотемпературных установках – растворы этиленгликоля, фреон-11, фреон-30 и др.