Рабочие вещества холодильных машин и тепловых насосов

ВОПРОСЫ ЛЕКЦИИ
1. Классификация рабочих веществ
2.Система обозначений хладонов
3.Термодинамические характеристики
хладонов
4. Взаимодействие хладагентов с окружающей средой

Влияние на показатели работы холодильных машин и тепловых насосов оказывают следующие свойства хладагентов:
Термодинамические, теплофизические;
Токсичность, пожаробезопасность;
Взаимодействие с конструкционными материалами и смазочными маслами.
Рабочее вещество, посредством которого
в холодильной машине (ХМ) осуществля-
ется термодинамический цикл, называют
холодильным агентом или
Определение
хладагентом

В настоящее
время применяют
порядка 20
хладагентов
Классификация рабочих веществ
Виды рабочих веществ и их условные обозначения
Причины ограничения применения
воды воздуха
-низкое давление водяного - малая теплоемкость
пара (0,796 кПа при t=2Co) (около 1 кДж/(кг.К)),
-большие удельные объемы вследствие чего в ХМ
пара при низких t-рах должно циркулировать
(226 м3/кг при t=0Co) большое количество-невозможность осуществления воздуха.
термодинамического цикла ХМ . при отрицательных t-рах .
Наиболее доступными хладагентами
являются вода и воздух

NH3
Аммиак
Достоинства:
-хорошие термодинамические свойства;
-высокая объемная холодопроизводительность;
-относительно невысокие давления конденсации;
-давления кипения близки к атмосферному.
Применяют в ХМ средней и крупной производительности
для получения средних температур охлаждения.
Недостатки:
-реагирует с большинством цветных металлов;
-взрывоопасен;
-пожароопасен;
-токсичен.

Фреоны
- фторхлорбромпроизводные углеводо-
родов метана, этана, пропана и бутана.
Возможны 15 типов соединений галогенпроизводных метана, 55 - этана, 332 - пропана, более 1000 - бутана
CmHnFpClqBrr
Это обобщенная химическая формула фреона,
где m, n, p, q, r - числа атомов химических элементов,
входящих в состав данного фреона.
Иногда вместо термина «фреон» используют
термин «хладон».

Система обозначений хладонов
Международный стандарт МС ИСО 817-74
Система состоит из наименования -
буква R или слово refrigerant (хладагент) -
и цифры, связанной со структурой
молекулы хладагента.

Хладагенты неорганического происхождения
У хладагентов неорганического происхождения цифры соответствуют их молекулярной массе, увеличенной на 700.
Например:
вода (Н2О), М=18; -R718
аммиак (NH3) - R717
двуокись углерода (CO2) - R744

Хладоны - производные метана
Соединения без атомов водорода записывают цифрой 1, к которой подставляют цифру, равную числу атомов фтора.
Например:
CF2Cl2 - R12;
CF4 - R14.
При наличии атомов водорода к первой цифре прибавляют
число, равное числу незамещенных атомов водорода.
Например:
CНFCl2 - R21.
При наличии в молекуле хладона атомов брома к числовому
обозначению добавляют букву В и цифру, соответствующую
числу атомов брома.
Например:
CF2Br- R12В2.

Производные этана, пропана, бутана
Перед цифрой, определяющей число атомов фтора, для
производных этана ставится число 11, пропана -21,
бутана -31
Например:
C2F2Cl4 - R112;
C4F7Cl - R317.
При наличии атомов водорода ко второй цифре прибавляют
число, равное числу незамещенных атомов водорода.
Например:
C2Н3F3 - R143.
Если в молекуле хладона 10 и более атомов фтора, пос-
ледние две цифры отделяются от предыдущей чертой.
Например:
C4F10 - R31-10.

Изомеры
Начиная с галогенпроизводных этана появляются изомеры.
Они имеют одинаковое цифровое обозначение и
различаются строчной буквой в конце.
Симметричный изомер обозначается только цифрами.
Указанием асимметрии являются строчные буквы а, в, с и т.д.
Например:
CНF2 - CНF2 - R134.
CF3СН2F - R134а.

Азеотропная смесь
Азеотропная смесь — смесь двух или более жидкостей, состав которой не меняется при кипении.
Например, азеотропная смесь воды и этилового спирта содержит смесь из 95,57% C2H5OH и кипит при температуре 78,15°С.
Этим объясняется принятая промышленная концентрация этилового спирта 96%: это азеотропная смесь и дальнейшей перегонкой её нельзя разделить на фракции. Температура кипения для азеотропной смеси может быть как меньше, так и больше температуры кипения компонента.
Наряду с чистыми фреонами широко применяют и их смеси

Неазеотропная смесь
Азеотропными называются смеси, состоящие из двух и более компонентов (фреонов), которые кипят и конденсируются при постоянной температуре как однородные вещества.
Неазеотропные смеси характеризуются разделением равновесных концентраций компонентов в жидкой и газовой фазах. Кипение и конденсация неазеотропных смесей происходит при переменных температурах.
Их применяют для увеличения холодопроизводительности, снижения температур конца сжатия, расширения диапазона применения по температурам кипения и конденсации.
Наряду с чистыми фреонами широко применяют и их смеси

Неазеотропные смеси хладагентов
В обозначении указываются виды хладагентов, входящих
в смесь, и их процентное содержание в смеси.
Например:
R22/R12 (90/10) представляет
собой смесь, состоящую из
90% R22 и 10% R12 .
В обозначении хладагенты располагаются
в порядке повышения нормальных температур
кипения.

Рабочие растворы абсорбционных ХМ
Не имеют условных обозначений.
Употребляют либо их названия, либо химические
формулы их компонентов.
Например:
рабочий раствор -
водный раствор бромистого лития,
или H2O - LiBr;
раствор метанол - бромистый литий,
или СН3ОН - LiBr.

Хладагенты классифицируют по
давлениям нормальным
насыщенного температурам
пара кипения
хладагенты высокого давления
2 - 7 МПа при t=30 0С
( R13, R503, R744)
хладагенты среднего давления
0,3 - 2 МПа при t=30 0С
( R717, R12, R22, R134а)
хладагенты низкого давления
< 0,3 МПа при t=30 0С
( R11, R718, R113)
низкотемпературные
tн < -60 0С
среднетемпературные
-60 0С < tн < -10 0С
высокотемпературные
tн > -10 0С
Хладагенты высокого давления
являются низкотемпературны-
ми рабочими веществами, низ-
кого давления - высокотемпера-
турными.
Классификации по давлениям
и температурам взаимосвязаны.

R718 H2O 18,016 100,0 374,15
R21 CHFCl2 102,92 8,73 178,50
R123 CF3-CHCl2 152,9 27,9 183,8
R142 C2H3F2Cl 100,49 -9,20 136,45
R318 C4F8 200,04 -5,97 115,32
Термодинамические характеристики рабочих веществ парокомпрессорных холодильных машин
Рабочее Химич. Молярная Нормальная Критическая
Вещество формула масса М, температура температура
кг/кмоль кипения tн,0С tкр, 0С
Рабочие вещества низкого давления

R718 22,11 2259,72 461,51 1,330
R21 5,173 239,0 80,78 1,160
R123 3,674 167,6 54,368 ---
R142 4,138 223,5 82,74 1,135
R318 2,780 112,0 41,56 ---
Термодинамические характеристики рабочих веществ парокомпрессорных холодильных машин
Рабочее Критическое Удельная теплота Газовая Показатель
Вещество давление парообразования постоянная адиабаты
ркр, МПа при 98 кПа r, R, Дж/(кг.К) k
кДж/кг
Рабочие вещества низкого давления
продолжение

R12 CF2Cl2 120,91 -29,74 112,00
R22 CHF2Cl 86,47 -40,81 96,13
R32 CH2F2 52,02 -51,7 78,4
R125 CHF2 - CF3 120,0 -49,3 66,25
R134a CF3CH2F 102,03 -26,80 101,10
R143 C2H2F2 84,04 -47,58 73,10
R152a CF2H-CH3 66,05 -24,15 113,3
R290 C3H8 44,10 -41,97 96,81
R717 NH3 17,03 -33,35 132,40
Термодинамические характеристики рабочих веществ парокомпрессорных холодильных машин
Рабочее Химич. Молярная Нормальная Критическая
Вещество формула масса М, температура температура
кг/кмоль кипения tн,0С tкр, 0С
Рабочие вещества среднего давления

R12 4,119 166,0 68,76 1,140
R22 4,990 229,0 96,16 1,160
R32 5,830 391,9 159,8 ---
R125 3,631 161,9 69,275 ---
R134a 4,067 217,8 81,49 ---
R143 4,110 226,0 98,93 ---
R152a 4,520 331,9 125,9 ---
R290 4,269 419,0 88,55 1,130
R717 11,397 1360,0 488,16 1,300
Термодинамические характеристики рабочих веществ парокомпрессорных холодильных машин
Рабочее Критическое Удельная теплота Газовая Показатель
Вещество давление парообразования постоянная адиабаты
ркр, МПа при 98 кПа r, R, Дж/(кг.К) k
кДж/кг
Рабочие вещества среднего давления
продолжение

Термодинамические характеристики рабочих веществ парокомпрессорных холодильных машин
Рабочее Химич. Молярная Нормальная Критическая
Вещество формула масса М, температура температура
кг/кмоль кипения tн,0С tкр, 0С
Рабочие вещества высокого давления
R13 CF3Cl 104,46 -81,59 28,75
R14 CF4 88,0 -128,02 -45,65
R23 CHF3 70,01 -82,14 26,30
R170 C2H6 30,07 -88,53 32,27
R150 CH2=CH2 28,05 -103,74 9,50
R744 CO2 44,10 -78,50 31,20
воздух --- 28,95 -192…-195 -140,70

Термодинамические характеристики рабочих веществ парокомпрессорных холодильных машин
Рабочее Критическое Удельная теплота Газовая Показатель
Вещество давление парообразования постоянная адиабаты
ркр, МПа при 98 кПа r, R, Дж/(кг.К) k
кДж/кг
Рабочие вещества высокого давления
продолжение
R13 3,868 149,7 79,59 ---
R14 3,745 136,3 94,48 1,220
R23 4,811 239,5 118,76 ---
R170 4,934 470,0 276,51 1,250
R150 5,056 465,57 296,37 ---
R744 7,383 573,13* 188,54 1,300
воздух 3,756 196,80 288,0 1,400
* - теплота сублимации

4. Взаимодействие хладагентов с окружающей средой

Химическая стабильность фреонов
Химическая стабильность фреонов столь высока,
что молекулы этих веществ не разрушаются в тропосфере (до 16 км) и достигают стратосферы (45 км).
Под действием ультрафиолета происходит распад молекул фреонов с выделением атомов хлора.
ХЛОР вступает в реакцию с озоном с образованием
окислов и кислорода: Cl + O3 ClO + O2

Химическая стабильность фреонов
Характеризуется:
1. Температурой разложения
2. Воспламеняемостью;
3. Взрывоопасностью.
t разложения фреонов применяемых в технике
значительно выше tt, при которых работают ТН и ХМ (холод.маш).
Термическая устойчивость
различна: АММИАК при 250 оС расп.на N и Н.
СО2 -при 1500 оС