Кривая давления насыщения

Лекция 7.

Кривая давления насыщения.

    Это связь температуры и давления в паро-жидкостной области диаграммы состояния рабочего вещества на кривых насыщения жидкости Х=0 и сухого насыщенного пара Х=1. В координатах p,t эти линии сливаются и для каждого рабочего вещества она ограничена: внизу тройной точкой, наверху критической точкой, характеризующаяся температурой Т_кр, р_­кр, и Т_f, p_f – является нормальной температурой T_s и p=0,1 МПа.

    Иногда зависимость давления от температуры апроксимируют (дают математическое описание) уравнением такого вида

    С, В, F, D – индивидуальные константы для каждого рабочего вещества.

    Для смесевых хладагентов зеотропных смесей связь температуры и давления на линии Х=0 и на линии Х=1 различают и по этому у этих рабочих веществ будут 2 разные линии насыщения, которые смыкаются в критической точке.

    Уравнение состояния.

Рекомендуемые материалы

    Термические параметры состяния идеального газа связаны между собой уравнением Клапейрона:

    Для реального газа это уравнение недействительно. Для реального газа

    z – коэффициент сжимаемости, который характеризует отклонение связи параметров состояния от идеального газа. По существу z выступает как четвертый парметр состояния, который имеет свое значение в любой точке диаграммы состояния.

    В настоящее время для описания связи параметров p, T, ρ, z разрабатываются уравнения состояния, которые представляют собой полиномы различной степени. В начальный период разработок таких уравнений они носили имена своих разработчиков. Например Редлиха-Квонга, Боголюбова-Майера, Битти-Бриджмена и др. Эти уравнения были не очень совершенны, имели определенную погрешность. В настоящее время, с использованием вычислительных средств, разрабатываются восокоточные уравнения состояния, не только для термических, но и для калорических параметров состояния. Расчетные, основанные на таких уравнениях, получили широкое распространение в том числе для расчета свойств смесевых хладагентов.

    m и n – характерная размерность полиномы;

     – вириальный коэффициент;

     – индивидуальные const подобранные для конкретного рабочего вещества или группы веществ.

    Разрабатываемое уравнение состояния базируется на параметрах состояния в реперных точках, получаемых экспериментальным путем, путем измерения с высокой точностью.

    В начальной стадии определения коэффициента сжимаемости z использовали экспериментальные зависимости z от приведенного давления и приведенной температуры.

Обобщающие зависимости рабочих веществ для параметров состояния.

    Для огромного количества рабочего вещества, параметры состояния которых существенно различаются, тем не менее существуют некоторые единые общие соотношения параметров.

    р_к(Т_к) – давление и температура конденсации;

    р_о(Т_о) – давление и температура кипения;

     – удельная холодопроизводительность;

     – работа цикла, сжатия;

     – удельная объемная холодопроизводительность цикла;

     - холодоильный коэффициент.

    Число Гульдберга:

    Число Трутона:

    Величина  характеризует ширину паро-жидкостной области для данного рабочего вещества.

  Из этого вытекает, что рабочие вещества с более высокими значениями

     молекул массы  будут иметь меньше величину  и  в фиксированном температурном режиме базового цикла.

    Вывод: рабочие вещества у которых  больше, у них  меньше, следовательно массовый расход будет больше.

    В соответствии с формулой (1) при прочих равных условиях, работа сжатия пропорциональна индивидуальной газовой постоянной данного рабочего вещества. Индивидуальная газовая постоянная :

    Следовательно, у рабочих веществ с большей молекулярной массой работа цикла  будет меньше примерно пропорциональна значению молекулярной массы. Отсюда следует, что холодильный коэффициент , для разных рабочих веществ не может отличаться существенно. И поиск исключительных рабочих веществ с исключительно высоким , для заданных температурных условий работы, бесперспективен.

    Для заданных температурных условий (Т_к, Т₀), для разных рабочих веществ существует зависимость таких величин как р_к, р_о,  от нормальной температуры кипения Т_s. Все эти величины, кроме , тем более, чем ниже нормальная температура кипения холодильного агента. А величина  напротив, тем выше, чем выше Т_s.

Влияние свойств холодильных агентов на конструкцию и эксплуатационные показатели ХМ.

    Свойства: р_к; р_о;

    k – показатель адиабаты.

    р_о: Уровень р_о важен с точки зрения вакуума в системе ХМ, который желательно избежать. Вакуум в системе связан с опасностью подсоса воздуха в систему по имеющимся неплотностям и нарушениям режима работы ХМ.

    р_к: Уровень р_к определяет требование к прочности всех элементов на стороне высокого давления ХМ (корпусов, компрессоров, конденсаторов, трубопроводов, арматуры (запорные)). Для выпускаемых компрессоров различными фирмами максимальный р_к ограничивается величиной 2..2,5 МПа. Если для данного рабочего вещества при заданной t_к, давление превышает предельное давление для компрессора (или других элементов), то этот хладагент не может быть использован для этих условий и необходимо применение хладагента с более высокой нормальной температурой кипения.

     - определяет нагрузку на механизм движения компрессора, например, разность давления в конце сжатия в цилиндре поршневого компрессора (над поршнем) и давлением под поршнем. В выпускаемых компрессорах различными фирмами устанавливается предельно для данной конструкции , в пределах 1,4…2,3 МПа.

    : Уровень  (который выше у хладагентов с более высокой t_s) определяет уровень рабочего коэффициента компрессора, а именно КПД и коэффициент подачи:  Чем выше , тем ниже эти коэффициенты.

    : сравнивает мощность потребляемая компрессором с мощностью при сжатии хладагента по изоэнтропе.

    : сравнивает реальный массовый расход, обеспечиваемый компрессором в сравнении с теоретическим, когда весь объем рабочей полости (объем цилиндра) наполняется паром с удельным объемом , в точке начала сжатия.

    Обычно стремяться обеспечить работу ХМ с . От  косвенно зависит температура пара в конце сжатия. Чем выше , тем выше температура

    Предельное значение , с точки зрения температуры в конце сжатия ограничивает применение компрессоров и ХМ по сочетанию температуры кипения и конденсации, например при данной температуре кипения ограничивается максимальная температура конденсации.

    Максимальная темепература в конце сжатия допускается в пределах 90…130 ^оС.

    : Определяет тербуемую объемную производительность компрессора при заданной холодопроизводительности Q_o.

    Действительная объемная холодопроизводительность

    Теоретическая объемная холодопроизводительность

    Чем выше  рабочего вещества, тем меньше объемная производительность компрессора требуется (можно выбрать компрессор меньшего размера). Показатель адиабаты оказывает влияние: на работу цикла (1); на температуру в конце сжатия. Чем выше значение k, тем выше

    : Оказывает влияние на величину q₀, . Кроме того  определяет уровень скорости звука в потоке рабочего вещества при заданной рабочей температуре, которая в большой степени определяет выбор параметров центробежных компрессоров ХМ.

Зависимость некоторых свойств хладагентов от нормальной температуры кипения.

    Условия:

    t_o=-15^оС, t_к=30^оС.

Влияние теплофизических свойств на интенсивность теплоотдачи при кипении и конденсации холодильного агента.

    На теплоотдачу оказывают влияние следующие теплофизические свойства:

     - насыщенная жидкость, а  - сухой насыщенный пар на правой пограничной кривой.

     при кипении растет если растет  и если снижается .

     при конденсации растет если растет  и если снижается .

Лекция 8.

Смесевые хладагенты.

    В парокомпрессионных ХМ наряду с моновеществами применяется двух- и многокомпонентные смеси веществ.

    Смеси могут состоять из синтетических и природных компонентов.

    Подбором состава и концентрацией компонентов можно обеспечить желаемые термодинамические и эксплуатационные параметры для определенных условий работы ХМ.

    Смесевые холодильные агенты получили применение в последние 20 лет, в связи с необходимостью замены моновеществ, являющихся парниковыми газами и веществами истощающими азоновый слой.

    Смесевые хладагенты относятся к двум группам, в зависимости от процентного состава жидкой фазы и равновесной паровой фазы: если составы жидкой и паровой фазы совпадают, то смесь называется азеотропной (АС), если разные составы – то это зеотропная смесь (ЗС). Это различие отражается на диаграмме фазовых равновесий для данной смеси. Для простоты рассмотрим двух компонентную смесь.

     - неизотермичность фазового превращения (в данном случае кипения);

     - неизотермичность фазового превращения (в данном случае конденсации).

    Для некоторых паравеществ обнаруживается зона концентрации смеси, где процессы фазовых превращений проходят при постоянной температуре и следовательно хладагент (смесевой) ведет себя как моновещество.

Вид термодинамических циклов для зеотропов и азиатропов.

    Примечание:

    Для МВ и АС в области насыщения между пограничными линиями Х=0 и Х=1. Процессы кипения при постоянном давлении происходят с постоянной температурой (линия p=const и T=const горизонтальны и совпадают).

    Для ЗС процессы фазовых превращений при постоянном давлении проходят с переменной температурой: процесс кипения начинается при более низкой температуре Т_1.4  и заканчивается при более высокой температуре Т_о­. Процесс конденсации начинается при более высокой Т – Т_к’’ и заканчивается при более низкой Т – Т_к’. Эти изменения температуры температуры характеризуются неизотермичностью  (одновременно эти процессы происходят с переменной концентрацией компонентов в жидкой и парообразной фазах, что видно из диаграммы Т - %).

    Для ЗС в области насыщения изотермы и изобары не совпадают и пересекаются.

Что может дать применение смесевого хладагента (в том числе ЗС)?

    Снижение давления конденсации р_к; .

    Применение АС возможно в выпускаемых или действующих ХМ без изменения конструкции их элементов.

    Применение ЗС требует специального исполнения ряда элементов ХМ: прежде всего – испарителей и конденсаторов, для того чтобы избежать последствий от неодинаковой концентрации компонентов в жидкой и парообразной фазах.

Взаимодействие холодильных агентов со смазочными маслами.

    В системе ХМ хладагент находится в контакте со смазочным маслом, некоторое количество масла неизбежно уносится из компрессора в систему ХМ вместе с потоком хладагента. Если это масло не вернуть в компрессор , то через некоторое время картер компрессора опустеет, смазка элементов компрессора прекратится и он выйдет из строя.

    Для того, чтобы масло из системы безпрепятственно возвращалось в компрессор вместе с потоком всасываемого пара хладагента необходимо, чтобы ХА и применяемое масло были взаимно растворимыми.

    В ХМ применяются специальные марки масла, создаваемые только для ХМ, которые обладают целым рядом особых свойств, например низкой температурой застывания, и выбор сорта масла в первую очередь определяется взаимной растворимостью масла с данным хладагентом.

    До недавнего прошлого использовались минеральные масла, получаемые из нефти. И они хорошо растворялись с хлорсодержащими хладагентами.

    ХФУ (CFI) – минеральные масла проходят;

    ГХФУ (HCFC) – некоторые минеральные масла проходят, однако для большинства случаев используются синтетические масла.

    ГФУ (HFC) и ФУ (FC) – использование только синтетических масел.

    Однако есть практика работы ХМ с маслом нерастворимым с хладагентом, это прежде всего относится к ХМ, работающим на амиаке R717 (NH₃). В амиачных машинах используются минеральные масла. Для возврата масла в компрессор, после компрессора устанавливается маслоотделитель, однако, он не может отделить 100% масла из потока хладагента. Уносимое в систему масло накапливается в теплообменных аппаратах, замасливает теплообменные поверхности. По регламенту обслуживания ХМ периодически останавливаю, удаляют из системы масло, пополняют масло в картер компрессора, т.е. безнадзорная, автоматическая работа системы не обеспечивается.

    Взаимная растворимость масла и хладагента, тем не менее, не обеспечивается при любых температурах масла и хладагента. Имеются области температур неограниченной растворимости, а также области, где растворимость обеспечивается лишь при небольшой концентрации масла в хладагенте эти условия растворимости отображаются диаграммой, с координатами концентрация – температура для данной пары хладагент – масло.

   Если рабочие температуры, t_k и t_o, оказываются выше области ограниченного растворения масла в хладагенте, то обеспечивается нормальный возврат масла при всех условиях работы.

    Температура конденсации во всех случаях должна быть выше t_кр. Если t_o оказывается ниже t_кр, то нормальная циркуляция масла обеспечивается в случае если концентрация масла в т.А выше концентрации масла в потоке хладагента (2…4)%.

Взаимодействие хладагентов с конструкционными материалами.

   В основном хладагенты инертны по отношению к металлам, исключение: амиак разрушает металлы содержащие медь.

    Некоторые фреоны разрушают алюминевые сплавы содержащие магний более 2%.

Бесплатная лекция: "139 Проблема продовольственных ресурсов в мире" также доступна.

    Фреоны – хорошие растворители органических соединений (применяются как моющее средство). Поэтому учитываются агрессивные воздействия конкретных ХА на уплотнительные материалы (резина, клеи, герметики, особенно серьезно стоит вопрос о материале изоляции проводов, встроенных в электродвигатель).

Взаимодействие с водой.

    Примеси, в том числе вода, в составе хладагента, влияют на его термодинамические и эксплуатационные свойства.

    Вода, растворенная в хладагенте, не представляет опасности, с точки зрения ее замерзание в системе. Однако она может создать условия для корозионного воздействия на сталь и ее сплавы (относятся к хлорсодержащим хладагентам).

    Растворимость воды в разных хладагентах различна, например, R12 при t=0^oC составляет 30 ppm, а R22 при t=0^oC составляет 500 ppm. Обычно в тех. условиях на хладагенты устанавливается его степень сухости, ограничение воды в нем на уровне 50…100 ppm.

ppm =