Неазеотропные смеси
Как нам уже известно, состояние насыщения смеси может быть определено двумя степенями свободы, поэтому используя законы газовых смесей можно строить диаграммы состояний смесей. В качестве степеней свободы выбирают температуру Т и массовые концентрации компонентов в жидкой Хж и паровой фазах Хп. Выбор определяется тем, что в реальных машинах процессы тепло - и массообмена происходят при постоянных давлениях смесиp^-const.
Рассмотрим диаграмму состояния смеси Т-Х. Для построения этой диаграммы используют значения температуры кипения жидкости и составы паров для смесей разного состава при условии p-const. По оси ординат откладывают температуру Г, по оси абсцисс - величины Хж и Хп (рис.6.15).
Бинарная смесь состоит из двух чистых рабочих веществ, одно из которых высококипящее (RH), другое - низкокипящее (RL). Концентрация смеси X всегда определяется по низкокипящему веществу, т. е. Х—0 соответствует чистому RH (точка А), а Х=1 - чистому RL (точка В). Смесь обладает двумя граничными температурами кипения: максимальной - TRH (при Х=0) и минимальной TRL (при Х=1).
При некоторой температуре кипения Г в диапазоне TRL<T<TRH, при условии р-const состоянию насыщения будут соответствовать жидкость с концентрацией Хж и пар с концентраций Х„, причем Х„>ХЖ.
Область, ограниченная линиями кипения и конденсации, представляет двухфазную область (область влажного пара). Ниже линии кипения (= насыщенная жидкость) существует переохлажденная жидкость, выше линии конденсации (= насыщенный пар) перегретый пар.
Используя диаграмму состояний смеси Т-Х, рассмотрим последовательные изменения состояния смеси при переходе из зоны переохлажденной жидкости (точка 1) в зону перегретого пара (точка 5) при X=const - рис.6.16 - фазовые переходы смеси.
Рис.6.16. Процессы, происходящие со смесью (X^-const) при подводе/отводе тепла |
Рис.6.15. Диаграмма ТХ для смеси рабочих веществ |
Смесь в состоянии точки 1 представляет переохлажденную жидкость с параметрами {Т1г р, X). При подводе тепла смесь нагрева
ется до тех пор, пока температура не достигнет значения Т2, точка 2 - насыщенная жидкость с параметрами! T2=T0mm, p,X}, т. е. точки 2 и 2' на диаграмме состояний совпадают, следовательно ХСМ=Х2>, а равновесный пар соответствует состоянию в точке 2 " {T2~=T0mm, p,X2~}.
При дальнейшем подводе тепла смесь кипит при повышении температуры с изменением равновесных состояний жидкости и пара. Для произвольной точки 3, лежащей в области влажного пара и определяемой параметрами {Т3, р, X}, состояние равновесной жидкости определяется точкой 3' {Тзу р, Хз }, а равновесного пара - точкой 3"{Тз, р,Хз~].
Полное выкипание жидкости будет характеризоваться точкой 4 - насыщенный пар с параметрами{T4-T0max, р> X}, т. е. точки 4 и 4" на диаграмме состояний совпадают, следовательно Х-Х^ , а равновесная жидкость соответствует состоянию в точке 4' {Т4-Т0тах, р, Х4 }.
Если продолжать подводить тепло, то пар будет перегреваться при X, например, до точки 5.
Процесс перехода смеси из состояния перегретого пара в переохлажденную жидкость происходит в обратном порядке.
На основании подробного рассмотрения процессов со смесью можно сделать вывод, что температура фазового перехода смеси представляет переменную величину и зависит от концентрации смеси. Для любой концентрации смеси разность температур (Тотах - Т0тт) называют температурным глайдом.
Смеси, для которых фазовые переходы проходят при p=const и Тфсопм получили название неазеотропных.
Температурный глайд для различных неазеотропных смесей может изменяться в значительных пределах от десятых долей градуса, чем, естественно, можно пренебречь при выполнении расчетов, до десятков градусов, что обязательно должно быть учтено при анализе. В таблице 6.6 приведены значения температурных глайдов некоторых неазеотропных смесей рабочих веществ при условии 50% концентрации смесей.
Неазеотропные смеси синтезированных рабочих веществ обозначают как новое рабочее вещество (например, R-401x), где х - буква описывает некоторый процентный состав компонентов. Неазеотропные смеси натуральных рабочих веществ обозначают «суммой» компонентов (например, R-170+R-290) или химическими формулами компонентов (например, NH3-H20).
Все трех - и четырехкомпонентные рабочие вещества представляют неазеотропные смеси.
Некоторая информация по экологически чистым (альтернативным рабочим веществам) - неазеотропным смесям приведена в таблице 6.7. Все рабочие вещества по степени воспламенения и токсичности соответствуют категории А1 (Таблица 6.2). Влияние концентрации чистых рабочих веществ в смеси на температуру воспламенения смеси показано на примере смесей R125/R32/R134a и R125/R143a/R-134a - рис.6.17.
Таблица 6.6
R- 32 |
28 23 23 15 10 5 4 З З З |
44 40 38 29 23 И 8 4 4 4 З |
23 19 17 11 7 З З З |
23 19 17 11 7 З З З З |
4 4 4 3 |
23 19 17 11 7 3 3 |
R - 125 |
6 5 4 3 |
6 5 4 3 3 |
R - 143а |
R- 22 |
R - 218 |
R - 134а |
R - 152а |
R - 124 |
R - 124а |
R - 142Ь |
С- 318 |
R - 143 |
Рис.6.17. Зоны воспламеняемости трехкомпонентных неазеотропных смесей
R-143a
Зона воспламеняемости
66% j |
60°С |
55% л |
2#t
JOOfcr
,33% |
33%
R-134a R-125
R-134a |
R-125 |
Зона невоспламеняемости
Таблица 6.7
|