Химическая стабильность

Лекция 9.

Химическая стабильность. Взрывопожароопасность.

    Синтетические хладагенты при высоких температурах могут разлагаться на несколько элементов, входящих в химическую формулу. При рассмотрении стабильности хладагентов, надо учитывать, что при нормальной эксплуатации ХМ, в них не могут быть температуры выше 150 ^оС.

    При разложении фреонов наблюдаются следы фазгенов.

    Температуры разложения надо учитывать при работе с хладагентом вне ХМ (в процессе обслуживания). Термодинамическая стабильность хладагентов снижается в контакте со смазочными маслами, продукты разложения хладагента снижает служебные свойства масла и срок их службы. Хладагенты в различной степени обладают воспламеняемостью и взрывоопасностью.  Наиболее опасными являются углеводороды R290 (пропан), R600 (бутан) и амиак R717. Фреоны малоопасны в этом отношении, их воспламеняемость связана с наличием в молекуле не замещенного водорода. Для взрывоопасных хладагентов устанавливают границы взрывоопасной концентрации паров хладагента в воздухе. Чем ниже уровень этих концентраций, тем более опасен хладагент.

      Концентрация в объемных процентах.

     Токсичность.

    Устанавливается путем опытного изучения физиологического воздействия на живые организмы. В результате определяют предельно допустимую концентрацию паров хладагента в воздухе с размерностью  называется ПДК – предельно допустимая концентрация.

          ПДК

    У большинства других хладагентов ПДК = 3000.

Потенциалы истощения азонового слоя и глобального потепления.

    ODP (Ozone depletion potential) – потенциал истощения азонового слоя.

    GWP (Global warning potential) – потенциал глобального потепления.

    Молекулы хлорфтор замещенных углеводородов обладают высокой устойчивостью, попадая в атмосферу их молекулы в неизменном виде сохраняются в течении длительного времени (от 1 до 100 лет).

    Под действием воздушных потоков в атмосфере они попадают в верхние слои атмосферы и вызывают два негативных последствия:

    1. Они образуют экран, действия которого в 1000 раз больше чем у молекулы CO₂, который препятствует отражению тепла с поверхности земли и создает парниковы эффект.

    Потенциал GWP ниже для веществ, в молекулах которых присутствует незамещенный водород.

    2. Вещества, включающие в молекулу хлор, под действием  солнечной радиации наконецразлагаются с выделением атомарного хлора.

    О­₂ – кислород.

    О₃ – озон.

    Активный атом хлора отрывает атом кислорода от молекулы озона и образуется  молекула ClO и молекула О₂, затем ClO освобождается от атома кислорода, т.к. в атмосфере присутствует атомарный кислород О и снова разрушает имеющуюся в атмосфере молекулу озона.

    В результате такого циклического каталитического процесса один атом хлора разрушает до 10000 молекул озона.

    В атмосфере все время происходит процесс О₃ ⇆ О₂ + О’

    R12 = CCl₂F₂

    CCl₂F₂ → Cl’ + CClF₂

    Cl’ + O₃ → ClO + O₂

    ClO + O’ → Cl + O₂

    В 1996г. было принято международное Венское соглашение по защите озонового слоя, а в 1985г. был принят Монреальский протокол, в котором все синтетические хладагенты были разделены на 3 группы:

    CFC – запрещены в производстве и применении;

    HCFC – разрешены на ограниченный срок времени (до 2020г.);

    HFC и FC – с точки зрения ODP могут применяться неограниченное колличество времени.

    В части глобального потепления имеется Киотский протокол, устанавливающий предельные уровни эмиссии в атмосферу парниковых газов: 1 место – СО₂, синтетические хладагенты также входят в число парниковых газов. В соответствии с этим протоколом страны должны отчитываться об объемах эмиссии парниковых газов.

    В качестве единицы оценки ODP принят ODP R11. В качестве единицы для оценки GWP принят СО₂.

Принципы выбора и области применения хладагентов.

    Общие требования при выборе:

    ODP по возможности равной 0;

    GWP по возможности равной 0;

    Токсичность минимальной;

    Отсутствие пожароопасности;

    Низкие значения р_к; р_о; .

    Специальные требования связаны с конкретной ХМ, в которой хладагент используется: кинематическая зона (температура ОС); уровни температур охлаждения (Т_инт); холодопроизводительность (малая, средняя, большая); тип используемого компрессора (поршневой, винтовой, центробежный и др.); область применения машины (промышленное, предприятие, общественное здание, холодильный транспорт, бытовой прибор).

    Очевидно, что выполнение общих требований для любой конкретной ХМ выполнено быть не может, однако стремятся чтобы выбранный хладагент удовлетворял большинству или наиболее важным требованиям. Выбор хладагента всегда является компромисным. Допустимость невыполнения каких либо требовний, особенно связанных с безопасностью эксплуатации ХМ должны быть всесторонне обоснованы.

    Важным фактором является также стоимость.

    Наибольшее применение фрионов из списка требований.

НД → R123, R600a

СД → R22, R134a, R717, R407c, R410a, R404a.

ВД → R508B, R744 (CO₂).

    Хладагенты низкого давления применяются для температур конденсации выше 60^оС, а именно в специальных кондиционерах, работающих в тропических условиях или в тяжелых условиях на промышленных предприятиях, в тепловых насосах для нагрева воды до 80…100^оС, а также в ХМ с центробежным компрессором, когда необходимы низкие значения . Хладагенты высокого давления используются в низкотемпературных, каскадных ХМ, для охлаждения ИНТ до уровня -80…-130^oC. Хладагенты среднего давления используются  в подаляющем большинстве выпускаемых ХМ. В диапазоне температур, температура конденсации t_k до 50^оС (63^оС), t_о хладагента до -35^оС при одноступенчатом сжатии и до -60^оС при двухступенчатых схемах.

    Диапазон нормальных температур кипения хладагента среднего давления от -10 до -50^оС достаточно широк, поэтому при выборе хладагента для конкретных условий учитывается нормальная температура кипения каждого вещества, которая влияет на параметры ХМ. Применение СО₂ в последние годы также связано с необходимостью отказа от экологически небезопасных хладагентов; он применяется в каскадных ХМ как хладагент высокого давления, но СО₂ применяется также в ХМ и тепловых насосах при отводе тепла конденсации к ОС с температурой 40 и более ^оС. Такие машины работают по сверхкритическому термодинамическому циклу и расчитаны на высокие давления в системе, до 13 МПа.

Циклы и схемы парокомпрессионных ХМ.

    В данном разделе рассматриваются теоретические циклы и соответствующие им принципиальные схемы ХМ, которые находят применение в различных конкретных условиях, отличающиеся следующими факторами: уровнем температур Т_инт, Т_ивт(ос), применяемым хладагентом, назначением ХМ. Теоретический цикл отличается от действительного следующими факторами: процесс сжатия принимается проходящим по изоэнтропе, не учитываются потери давления в системе ХМ, не учитываются теплопритоки из окружающей среды к холодным частям машины и отвод тепла в окружающую среду от нагретых частей машины.

    При оценке эффективности циклы прнимаются внешне обратимыми, т.е. температура кипения хладагента совпадает с температурой Т_инт, а температура конденсации хладагента совпадает с Т_ивт(ос).

    В основу анализа различных термодинамических циклов положено сравнение этих циклов с базовым циклом. Параметры базового цикла обозначаются индексом Т1. Параметры рассматриваемого цикла обозначается индексом Т2. Схема любого рассматриваемого теоретического цикла более сложна, чем схема базового цикла. Это делается для того, чтобы повысить энергетическую эффективность цикла, его холодильный коэффициент, за счет сокращения необратимых потерь, связанных с процессом дросселирования и перегревом пара выше температуры конденсации (см. раздел термодинамические основы). Кроме того схема на реальных ХМ учитывает влияние ряда факторов связанных с использованием конкретного холодильного оборудования, например компрессоры, с их рабочими характеристиками (коэффициент подачи и КПД). Располагая характеристиками теоретического цикла можно приближенно определить ожидаемые характеристики действительного цикла реальной ХМ.

    Определение коэффициента обратного базового цикла позволяет первично оценить термодинамическое совершенство данного рабочего вещества.

    Оценку термодинамической эффективности рассматриваемых далее циклов Т2 производят путем сравнения характеристик цикла Т2 с характеристиками базового цикла Т1.

Бесплатная лекция: "Практика американского лидерства" также доступна.

    Желательно, чтобы >1