Свойства хладагентов


Категория Холодильное оборудование судов

Выбор хладагентов для использования на промысловых судах в значительной мере обусловлен спецификой работы флота рыбной промышленности. Судам флота приходится работать в любых районах земного шара, причем значительная их часть постоянно работает в тропических широтах при температуре окружающего воздуха и забортной воды более 30 °С. В этих условиях давление насыщенных паров хладагента не должно быть очень большим, так как в противном случае повышаются требования к прочности оборудования и увеличивается его металлоемкость. При более низких значениях давления насыщенных паров улучшаются условия безопасной эксплуатации холодильного оборудования, снижаются энергозатраты на производство холода. Важным требованием к хладагентам является достаточно высокое (выше атмосферного) давление насыщенного пара при температуре кипения в приборах охлаждения. Это необходимо, чтобы не создавать вакуума в системе хладагента во избежание подсоса влажного атмосферного воздуха. При достаточно низких давлениях конденсации и высоких давлениях кипения уменьшаются нагрузки на детали компрессоров, определяемые их разностью, и повышается коэффициент полезного действия, определяемый их отношением. Важным параметром хладагента является температура пара в конце сжатия при заданных давлениях нагнетания и параметрах пара на всасывании компрессора. При высоких температурах конца сжатия могут нарушаться условия смазки, происходить коксование масла, а также существенные температурные деформации деталей компрессора. Важной термодинамической характеристикой хладагента является объемная холодопроизводительность при заданных параметрах пара на всасывании. Удельной объемной холодо-производительностью называют отношение удельной производительности к удельному объему пара, выходящего из испарителя. Чем больше удельная объемная холодопроизводительность хладагента, тем меньший объем пара должен всасываться компрессором для обеспечения требуемой холодопроизводительности и тем меньшими будут размеры компрессора.

Наряду с перечисленными термодинамическими свойствами значительное влияние на конструктивные и эксплуатационные параметры холодильных машин оказывают такие физические свойства хладагентов, как коэффициент теплопроводности, плотность, вязкость, критическая температура и температура затвердевания. При уменьшении коэффициента теплопроводности и увеличении вязкости уменьшаются коэффициенты теплоотдачи в теплообменных аппаратах, что вызывает необходимость увеличения площади их поверхности. Например, коэффициенты теплоотдачи при кипении и конденсации R22 на 20…30% выше, чем R12, имеющего меньшее значение коэффициента теплопроводности. В результате при равных значениях тепловых нагрузок площади поверхности теплообмена в аппаратах с R22 на 10…15% меньше, чем с R12. При меньших значениях вязкости и плотности хладагентов уменьшаются гидравлические потери в трубопроводах и дроссельные потери в клапанах компрессоров. Обычно при сравнимых значениях массовых расходов хладагента трубопроводы фреоновых холодильных установок имеют значительно большие диаметры, чем аммиачные, для уменьшения их гидравлического сопротивления вследствие снижения скорости движения хладагента. Это позволяет сократить затраты энергии на подачу хладагента к приборам охлаждения. Вынужденное увеличение диаметров трубопроводов приводит к увеличению их материалоемкости и нерациональному использованию полезного объема судна.

Критическая температура хладагента, применяемого в судовой холодильной установке, должна значительно превышать температуру забортной воды. В противном случае хладагент просто не удастся сконденсировать в конденсаторе. Даже в том случае, если критическая температура несколько выше температуры забортной воды, конденсация хладагента происходит с очень значительными отклонениями реального цикла от цикла Карно, что приводит к резкому уменьшению холодильного коэффициента. Низкие значения критической температуры имеют R13 (28,8 °С) и R744 (31,0 °С). Если для R717 холодильный коэффициент в теоретическом цикле одноступенчатой холодильной машины при стандартных условиях (t0 = -15 °С; tK = 30 °С) составляет 4,76, то для R744 всего 2,56.

В ряде случаев при выборе хладагента следует учитывать его температуру затвердевания, которая должна быть значительно ниже температуры кипения в испарительной системе во избежание замерзания. Причиной, по которой не применяется в паровых компрессионных холодильных машинах в качестве хладагента вода, наряду с ее весьма малой удельной объемной производительностью и очень низким давлением насыщенного пара при сравнительно высоких температурах является высокая температура замерзания (0 °С). Для ряда технологических процессов недостаточно низкой оказывается и температура затвердевания R717 (-77,7 °С).

Как видно из табл. 3, близкие значения давления насыщенных паров при температуре 30 °С имеют R717, R22 и R502. Сочетание умеренных значений давления конденсации и сравнительно низких температур кипения при атмосферном давлении обусловило преимущественное применение этих хладагентов в промышленном и торговом холодильном оборудовании. При этом, исходя из того, что для большинства, производственных холодильных установок промысловых судов оптимальной считается температура кипения хладагента —40…—45 °С, холодильные установки (ХУ) на R717 имеют недостаток, так как на большинстве судов работают при давлении в испарительной системе ниже атмосферного, что допускает попадание влажного наружного воздуха в систему через неплотности. Одним из преимуществ R22 является более низкая температура кипения (f0) при атмосферном давлении. Перспективно применение R502, имеющего более низкую по сравнению с R22 температуру кипения и при этом в полтора раза большую удельную объемную производительность.

Ограниченное применение R12 связано с его более высокой температурой кипения по сравнению с вышеперечисленными хладагентами и с малой удельной объемной производительностью (в 1,6 раза меньшей, чем у R22). В то же время перспективным оказалось применение R12 в провизионных ХУ с воздушными конденсаторами ввиду сравнительно небольших. значений давления конденсации этого хладагента (провизионные установки судов типа «Орленок», «Моонзунд»). Однако R12 оказывает более вредное воздействие на окружающую среду, чем R22.

Диоксид углерода в настоящее время в судовых холодильных установках (СХУ) не применяется из-за очень высоких значений давления насыщенного пара при рабочих температурах, несмотря на то что этот хладагент имеет высокую удельную объемную холодопроизводи-тельность, в 4 раза превышающую холодопроизводительность R22 и в 6,5 раза R12. По этой же причине ограничено и применение R13, который используется в каскадных ХУ в нижней ветви каскада. В 70-х годах народным предприятием «Кюльаутомат» (ГДР) была сделана Попытка применить каскадную холодильную машину с R13 в нижней ветви и R22 в верхней ветви для работы на плиточный роторный морозильный аппарат FGP-31,5 на одном из учебных судов типа «Атлантик-2» Применение R13 позволило осуществлять работу морозильного аппарата (МА) при температуре хладагента -70 °С и ниже, сохраняя при этом давление в испарительной системе выше атмосферного. Однако в ходе эксплуатации возникают сложности, связанные со значительным повышением давления насыщенного пара R13 в период, когда установка не работает. Для каскадных холодильных установок малой производительности с небольшой массой R13 в системе защита от чрезмерного повышения давления обеспечивается установкой расширительных емкостей. Для описываемой холодильной установки, работающей по насосной системе охлаждения и имеющей массу хладагента в системе более 1000 кг, применение расширительных емкостей оказывается невозможным. Во избежание чрезмерного повышения давления в системе в циркуляционный ресивер МА монтируют дополнительные змеевики, непрерывно охлаждаемые одной из вспомогательных холодильных машин на R12 в период стоянки основной холодильной машины. Но даже это не обеспечивает эффективной защиты от повышения давления R13 в экстремальных случаях, например при обесточи-вании судна.

Среди рассмотренных хладагентов выделяется по своим свойствам R142, имеющий относительно низкое давление насыщенного пара при температуре окружающей среды и сравнительно высокую температуру кипения при атмосферном давлении. Эти свойства практически исключают его применение в холодильных машинах, работающих по холодильному циклу, но в то же время делают его незаменимым хладагентом для машин, работающих по циклу теплового насоса. Низкое давление насыщенного пэ,ра позволяет осуществлять работу холодильной машины на R142 при температуре конденсации (7К) до 80 °С. Опыт использования тепловых насосов в судовых кондиционерах при работе в зимнем режиме позволяет сократить затраты энергии на отопление помещений в 4 раза по сравнению с использованием обычных электронагревателей.

Перспективным является применение R13B1, имеющего достаточно низкую температуру кипения при атмосферном давлении и большую удельную объемную холодоп^оизводительность. Однако в настоящее время тенденции применения R13B1 на судах не прослеживаются, что связано прежде всего с тем, что он имеет относительно высокое давление насыщенного пара при температуре конденсации по сравнению с R22, R717 и другими распространенными хладагентами.

Приведенные примеры свидетельствуют о том, что, несмотря на многообразие хладагентов, применяемых в холодильной технике, выбрать хладагент, отвечающий по своим свойствам требованиям к конкретной установке, оказывается весьма затруднительным. Совокупность термодинамических, теплофизических, химических, физиологических, эксплуатационных и других свойств любого хладагента никогда не может в полной мере удовлетворить проектировщика. Например, фреоны обладают значительно меньшей токсичностью по сравнению с R717 и невзрывоопасны, но имеют гораздо большие плотность и вязкость. R717 в присутствии воды корродирует цинк, медь и другие медные сплавы, кроме фосфористой бронзы, поэтому элементы ХМ на R717 изготавливаются из черных металлов. В то же время фреоны практически инертны к большинству цветных металлов. Благодаря этому в составе фреоновых ХУ применяются теплообменные аппараты с трубками из цветных металлов. В результате, несмотря на более низкие коэффициенты теплообмена между фреоном и металлом по сравнению с R717, теплообменные аппараты фреоновых холодильных установок с оребренными трубками из медных сплавов, имеющих более высокие значения коэффициентов теплопроводности по сравнению со сталью, оказываются значительно компактнее аммиачных теп-лообменных аппаратов со стальными трубками, не подвергаются коррозии и гораздо легче чистятся.

Особенностью фреонов является слабая взаимная растворимость. В результате попадания даже сравнительно небольших количеств влаги в системы фреоновых ХМ происходят замерзание ее в дроссельных устройствах и нарушение нормальной работы холодильной установки. Попадание воды в систему холодильной машины на R717 менее опасно, так как она растворяется в R717 и циркулирует в дроссельных устройствах. Но при этом образуется оксид аммония, который разрушает смазку и загрязняет компрессоры.

Хладагенты по-разному реагируют со смазочными маслами. При плохой взаимной растворимости хладагента и смазочного масла меньше поступает масла в систему холодильной машины. Но при этом унесенное масло труднее возвращается и требуется его периодическое удаление из теплообменных аппаратов.

Недостатком фреонов по сравнию с R717 является чрезвычайно большая текучесть — способность проникать через малейшие неплотности, даже через поры чугуна, что связано с их хорошей растворяющей способностью. Отсутствие цвета и запаха затрудняет обнаружение утечек.

Несмотря на ряд недостатков, фреоны получили преимущественное распространение на судах вследствие того, что неядовиты и безопасны, дают возможность высокой степени автоматизации ХУ, простоту обслуживания, отказ от несения постоянной вахты в рефрижераторном отделении. Поэтому на период до 2000 г. основным типом хладагента для большинства промысловых судов будет оставаться R22 для производственных ХУ и установок кондиционирования воздуха и R12 для провизионных ХУ. В этот же период на некоторых судах будет применен R502.

Широкое применение фреонов на промысловых судах в перспективе после 2000 г. может быть несколько ограничено. Это связано с необходимостью сократить эмиссию фреонов в атмосферу во избежание разрушения слоя озона и для гГредотв ращения изменения температурных условий вследствие парникового эффекта.

Основной причиной попадания фреонов в атмосферу является применение аэрозолей, содержащих обычно до 50% R12, а также криогенных морозильных аппаратов на фреонах. Многие зарубежные фирмы уже сейчас ищут пути замены хлорсодержащих хладагентов для паровых компрессионных ХМ, в частности R12, другим, менее вредным для озонового слоя. Фирма «Дюпон»“ (США) исследует возможность применения вместо R12 нового хладагента FC 134а, не содержащего хлора и брома. Ряд зарубежных фирм исследуют возможности применения в ХМ различных смесей хладагентов, экологически более чистых, чем однокомпонентные вещества.

В связи с определенной экологической вредностью применения фреонов не исключена возможность некоторого увеличения в будущем доли судовых холодильных установок на R717.


Читать далее:

Категория Холодильное оборудование судов