Тепловые насосы

ВЫБОР РАБОЧЕГО ТЕЛА

Диап^он рабочих тел фактически безграничен. Каждая жид­кость, способная испаряться в интервале давлений от 0,1 до 2 МПа при приемлемойктем пера туре, представляет интерес. Но и за пре­делами указанного интервала могут открыться новые возможности.

Следуя установившейся практике, пронумеруем хладоагенты в соответствии со стандартным перечнем ASHRAE. Они разделены на галоидоуглеродные, циклические органические соединения, азеотропы углеводороды, кислородные соединения, азотные соеди­нения, неорганические соединения и ненасыщенные органические соединения. Далее рассматриваются в основном галоидоуглерод­ные соединения, известные по их. торговым наименованиям: Фреон, Арктон, Генетрон и т. п. В соответствии с обозначениями ASHRAE они далее обозначаются просто, например, как R12 (CC12F2).

На первый взгляд, выбор рабочего тела непосредственно влия­ет на КОП. На практике, однако, КОП остается почти постоянным

Таблица 3.1. Свойства хладоагентов

Хладоагент

Эта и

Окнсь азота Двуокись углерода Бромтрифтор метан Пропилен Пропан

22/115 Азеотроп

Хлордифтор метай

Хлорпентафторэтан

Аммиак

12/152а

Азеотроп

Д ихлордифтор метан

Метилхлорид

Изобутаи

Двуокись серы

Метиламии

Бутан

Дихлортетрафторэтан

Дихлорфтор метан

Этилхлорид

Этиламии

Трнхлорфтор метан

Метилформат

Этиловый эфир

Метиленхлорид

Трихлортрифторэтан

Днхлорэтилеи

Трихлорэтилен

Для широкого набора хладоагентов с существенно разными давле­ниями и плотностями, если при этом температуры испарения и кон­денсации одинаковы (табл. 3.1).

В этой таблице КОП для разных хладоагентов подсчитан для температуры испарения—13 и температуры конденсации 30° С. Метод расчета такой же, как описанный в предыдущей главе. Предполагалось, что всасывается насыщенный пар во всех случа­ях, кроме R113, R114 и R115. Для них предполагалось, что при всасывании пар слегка перегрет, а на выходе из компрессора до­стигаются условия насыщения. Такое допущение связано с приня­тым в расчете предположением о сжатии по изоэнтропе, которая для указанных хладоагентов на р — h диаграмме приводит к ли­нии насыщения.

Отметим, что КОП. остается постоянным в пределах 4,8±10%. Важным исключением являются также хладоагенты, у которых температура конденсации 30° С близка к критической. Причина становится ясной из рис. 2.4. По мере приближения температуры к

Критической скрытая теплота парообразования быстро уменьшает­ся. Теплоту отдает перегретый пар, но при существенном сниже­нии КОП. Примером служит R170 (КОП = 2,41, критическая тем­пература 32° С) и R744 (КОП=2,56, критическая температура 31° С) [6].

Как. видно из сравнения хладоагентов, наилучший путь для по­вышения эффективности состоит в удалении от критического дав­ления. На практике, однако, это ведет к понижению плотности пара и еще более серьезным ограничениям, чем потеря эффектив­ности.

Теперь отметим в табл. 3.1 графу «Объемный расход». Прохо­димый поршнем компрессора в единицу времени объем для раз­личных хладоагентов изменяется более чем в 500 раз при сравии - тельно малом изменении мощности. Очевидно, что цена и эффек* тивность различных компрессоров, необходимых для каждого из хладоагентов, имеет большее значение, чем теоретическая величи­на КОП. Указанные обстоятельства заставляют работать в области температур, более близких к критической, чем это вытекает из требований энергетической эффективности. Сопоставление цифр для степени сжатия приводит к тому же заключению: работа при низких давлениях пара ведет к непропорционально большим ком - пресрорам.

Эти соображения оставляют диапазон возможных хладоаген­тов от R13B1 до R40 (метилхлорид), из которого и подбираются подходящие рабочие тела. Все эти вещества весьма близки по сте-. пени сжатия и объемному расходу, так что окончательный выбор делается на основе соображений безопасности, энергетической эф - фективности и стоимости.

С точки зрения безопасности такие горючие вещества, как про­пилен, пропан, метилхлорид, исключаются из рассмотрения. Их нельзя применять в тех случаях, когда не может быть обеспечена удовлетворительная техническая эксплуатация, в частности при теплоснабжении жилищ.

Аммиак нежелателен из-за его токсичности, которая выше толь­ко у сернистого ангидрида. Несмотря на это, аммиак все же при­меняется довольно широко в домашних холодильниках, где накоп­лен немалый опыт эксплуатации. Как видно из табл. 3.1, наиболее приемлемым являются негорючие нетоксичные галоидоуглеродные соединения, среди которых можно сделать выбор. Как показано в гл. 5, для домашних абсорбционных установок аммиак остается предпочтительным.

Было бы слишком поспешным давать здесь рекомендации ка­кой-то одной жидкости, но из приведенных цифр становится ясно, почему так широко применяются R22 и R12. Преимущество азеот­ропних смесей, в том числе недавно изобретенных 12В1 и 13В1, трудно использовать из-за их дороговизны. Ниже приведены отно­сительные стоимости смесей 12В1 и 13В1, широко применяемых в пожаротушении благодаря их инертности, в сопоставлении с дру­гими хладоагентами:

Rll R12 R13B1 R22 R114 R502

1*0 1,14 6,4 2,0 2,0 2,95

Химическая стабильность имеет существенное значение для тепловых насосов. В холодильниках и кондиционерах рабочие жид­кости применяют уже много лет, но в тепловых насосах рабочие температуры существенно выше. Разрушение хладоагента в основ­ном происходит, на выходе из компрессора — в наиболее горячей точке цикла. Здесь металлические поверхности играют роль ката­лизатора разложения хладоагента в смеси с небольшим количест­вом масла, движущегося с большой скоростью. Моделировать та­кие условия в опытах с запаянными трубками или других испыта­ниях на совместимость очень трудно. Следует опираться на прямой опыт эксплуатации, который дает возможность [12] указать мак­симальную температуру длительной выдержки для хладоагентов (табл. 3.2).

Продукты разложения хладоагентов обычно имеют кислотный характер. Они оказывают вредное действие на металлические де­тали и ограничивают ресурс машины. Меры предосторожности об­суждаются более подробно в § 4.6, а пример выбора хладоагента для высокотемпературного теплового насоса приведен в гл. 7.