Сравнительные характеристики рабочих веществ судовых холодильных машин общего назначения

ВВЕДЕНИЕ

Правильный выбор рабочего вещества судовой холодильной установки во многом определяет ее экономичность, габариты и надежность эксплуатации.

Особенно важно правильно выбрать рабочие вещества агрегатов сжижения газов (АСГ) для обеспечения широкого диапазона регулирования температурных режимов в грузовых танках при перевозке сжиженных газов.

Таблицы термодинамических свойств рабочих веществ судовых холодильных установок общего назначения — для рефрижераторных трюмов, морозильных аппаратов и провизионных кладовых — обычно приводятся в учебной литературе. Эти таблицы ограничены состоянием насыщения, что требует при расчетах привлечения тепловых диаграмм. Что касается рабочих веществ АСГ, их термодинамические свойства приводятся лишь в специальной справочной литературе, не всегда имеющейся в распоряжении студентов и курсантов.

В Методических рекомендациях дается достаточная информация о термодинамических свойствах рабочих веществ судовых холодильных установок различного назначения, что избавляет от необходимости пользоваться другими литературными источниками, в том числе тепловыми диаграммами.

Приведенные в Методических рекомендациях справочные материалы в значительной степени основаны на исследованиях, выполненных в Одесском институте инженеров морского флота. При необходимости можно привлекать более подробные таблицы, указанные в списке литературы.

РАБОЧИЕ ВЕЩЕСТВА ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Сравнительные характеристики рабочих веществ судовых холодильных машин общего назначения

Поддержание необходимых температурных режимов в рефрижераторных трюмах, провизионных кладовых, морозильных аппаратах и танках сжиженных газов можно обеспечить холодильными машинами различных типов, использовать различные рабочие вещества и системы охлаждения.

Выбору рабочих веществ — холодильных агентов (ХА) следует уделять особое внимание, так как они влияют на экономические, эксплуатационные и массо-габаритные показатели холодильных машин.

Промышленностью освоен выпуск ряда рабочих веществ, универсальных компрессоров для различных ХА и компрессоров для индивидуальных рабочих веществ — этана, этилена, пропана, аммиака и др.

Известно, что физико-термодинамические, эксплуатационные и физиологические свойства ХА существенно различаются. Необходимо сравнивать абсолютные давления в конденсаторе и испарителе, отношения давлений р_к к р_ии их разности, значения критических температур, теплот испарения в рабочем диапазоне температур, теплоемкости, коэффициенты вязкости и теплопроводности жидких и парообразных ХА, удельные энергозатраты, выяснить степень взаимодействия этих веществ со смазочными маслами, черными и цветными металлами, прокладочными материалами, с влагой и т. д. Необходимо проверить ХА с точки зрения легкости обнаружения утечек, воздействия их на организм человека, термической стойкости. Естественно, что ХА должны быть негорючими, невзрывоопасными и иметь низкую стоимость.

В настоящее время уже не ставится вопрос о применении универсального ХА для машин различного назначения. Ниже пока­зано, что в холодильных машинах рефрижераторных судов, пред­назначенных для перевозки мороженого мяса или рыбы, могут применяться R22, R502, R13B1, в провизионных кладовых — R12. В системах кондиционирования воздуха в зависимости от типа установки могут применяться R114, R115, RC318. В теплоиспользующих эжекторных холодильных машинах наилучшие экономические показатели достигаются при использовании хладонов-21 и -142. В теплоиспользующих холодильных машинах с турбиной и компрессором применяются хладоны -12, -21 и -113.

Ниже рассмотрены термодинамические характеристики рабочих веществ, применяемых в холодильных установках рефрижераторных судов. Также рассмотрены основные эксплуатационные характеристики, в частности взаимодействие ХА со смазочным маслом. В этой связи отметим следующее. Масло, поступающее на смазку движущихся деталей компрессора, в значительной степени уносится ХА. Если не происходит их взаимного растворения или они при температурах 30—50°С растворяются слабо, надежный возврат масла обеспечивается маслоотделителем, устанавливаемым после компрессора. Если во всем рабочем диапазоне температур, включая низкие, ХА образует с маслом однородный раствор, маслоотделитель практически не нужен, и проблема возврата масла не ставится. Однако присутствие в установке раствора масла с ХА несколько ухудшает коэффициенты теплоотдачи в теплообменных аппаратах и уменьшает объемную производительность компрессора по сравнению с чистым рабочим веществом.

Значительно усложняется эксплуатация холодильной машины, если наблюдается хорошая растворимость масла при температурах 30—50°С и существенно снижается растворимость при низких температурах. Это приводит к конденсации масла в испарителе, и требуются дополнительные устройства для его возврата в компрессор.

Рассмотрены перспективные ХА, позволяющие интенсифицировать работу существующего холодильного оборудования без существенной модернизации его.

Значительное внимание уделено свойствам рабочих веществ. Прежде всего сравниваются нормальные температуры кипения хладагента t_н.к. Это продиктовано следующим обстоятельством. Перевозка мороженого мяса и рыбы осуществлялась в 60-х годах при температуре в трюмах —18°С. В настоящее время имеются суда, на которых мороженые продукты перевозятся при температуре —30°С. Например, при воздушно-рассольной системе охлаждения потребуются температуры испарения ниже —42°С. Для поддержания избыточных давлений в испарителях необходимо применить ХА с более низкими нормальными температурами кипения.

В табл. 1.1 приводятся t_н.к, теплоты испарения при этих температурах и параметры в критических точках некоторых ХА. Как видно из таблицы, для указанных целей подходят R22, R502, R504, R13B1. Низкая t_н.к не является единственным критерием выбора ХА. Например, в судовых машинах не применяются СО₂, R13, R116 и многие другие ХА, имеющие более низкие t_н.к.Это объясняется тем, что их критические температуры близки к температуре забортной воды, что затрудняет конденсацию их и практически срывает получение холода в условиях тропиков.

Если учитывать только термодинамические характеристики различных ХА, то наиболее совершенными в этом отношении являются аммиак и пропан либо смеси пропана с хладонами. Однако ни аммиак, ни пропан не могут быть рекомендованы для судовых холодильных машин общего назначения по соображениям безопасности труда и пожарной безопасности.

В последние годы в холодильной технике находят применение смеси. Напомним, что некоторые вещества при определенных концентрациях образуют азеотропные смеси, которые в двухфазной области обладают свойствами, присущими чистым веществам. В частности, при постоянных давлениях в аппаратах температуры кипения и конденсации также не меняются.

R500 представляет собой азеотропную смесь 73,8% по массе R12 и 26,2% R152. Нормальная температура кипения смеси —33,3°С, т. е. всего на 3,5° ниже, чем у R12. Эта смесь применяется некоторыми зарубежными фирмами в холодильных установках небольшой мощности, рассчитанных на использование электрического тока частотой 60 Гц. При этом обеспечивается та же холодопроизводительность, что и на R12, но с использованием тока частотой 50 Гц.

R501 представляет собой азеотропную смесь 75% R22 и 25% R12; нормальная температура кипения такая же, как у R22. Принципиальное отличие заключается в том, что эта смесь лучше, чем R22, растворяет смазочное масло и не требует специальных устройств для возврата масла. Например, при 10%-ных растворах масла с R12 конденсация масла начинается при температурах ниже — 100°С, а с R22 — уже при +10°С, и в испарителе постепенно накапливается масло, выпадающее из раствора. Рассматриваемая азеотропная смесь имеет более низкую температуру растворения масла, и при 10%-ном содержании его конденсация происходит при температурах ниже —36°С. При меньших концентрациях масла температура его конденсации еще ниже.

R502 представляет собой азеотропную смесь 48,8% R22 и 51,2% R115. Нормальная температура кипения на 4,8° ниже, чем у R22. Температура конца сжатия в компрессоре значительно ниже по сравнению с работой на R22, а объемная холодопроизводительность выше.

Некоторые термодинамические свойства R22 и R502 на линиях насыщения приводятся в табл. 1.2 и 1.3.

В одноступенчатом цикле при t_к=+30°С и t_и = —40°С объемная холодопроизводительность при работе на R22 составляет 740 кДж/м³, а при работе на R502 — 755 кДж/м³. Коэффициенты подачи поршневых компрессоров соответственно равны 0,337 и 0,377. Таким образом, при том же геометрическом объеме компрессора V_h, рассчитанного на R22, можно повысить холодопроизводительность этой же машины на 14%, используя в ней R502. Если не менять холодопроизводительность, то, переходя на R502, можно достигнуть более низких по сравнению с R22 температур испарения. Эта замена осуществляется просто. Требуется терморегулирующий вентиль и жидкостная линия большего сечения. Применение R502 особенно перспективно для морозильных аппаратов и установок, обеспечивающих низкие температуры в рефрижераторных трюмах. В настоящее время в СССР налаживается массовое производство этого ХА.

R504 является азеотропной смесью 48,2% R32 и 51,8% R115. Смесь отличается повышенным давлением кипения по сравнению с входящими в нее компонентами. Поэтому на входе в компрессор значения давлений, плотностей и теплоемкостей паров значительно выше, чем у ее компонентов. В рабочем интервале температур давления в испарителях избыточные, выше объемная холодопроизводительность и меньше степень сжатия. Эта смесь перспективна для низкотемпературных установок грузовых трюмов и морозильных аппаратов, поскольку t_н.к на 16,4° ниже, чем у R22. Вследствие слабой растворимости масла в R504 необходимо после компрессора устанавливать маслоотделитель, что обеспечивает надежный возврат масла. Особенно перспективно применение R504 в герметичных холодильных машинах, так как R504 практически не растворяет прокладочные материалы и изоляцию обмотки электродвигателей. Обладая по сравнению с R22 более низкими температурами конца сжатия, R504 позволяет поддерживать обмотку электродвигателей холодной. Высокая объемная холодопроизводительность приводит к существенному уменьшению размеров машин. Теплоемкость жидкости примерно на 20% выше, чем у R22, что позволяет соответственно уменьшить размеры теплообменных аппаратов. По сравнению с R115, образующим смесь, эти преимущества еще контрастнее. Для сравнения в табл. 1.5 приводятся термические свойства R115 на линии насыщения, теплоты испарения при различных температурах, а также удельные объемы кипящей жидкости при различных концентрациях масла.

В последние годы многими исследователями изучались различные бромированные хладоны. Для судовых холодильных машин (СХМ) перспективным является R13B1.

В табл. 1.4 приводятся данные о термодинамических свойствах этого вещества на линии насыщения. Рассмотрение теоретического цикла при t_к=+30°C и t_и—40°С показывает, что объемная холодопроизводительность составляет 1003 кДж/м³, т. е. в 1,4 раза выше, чем при использовании R22. Коэффициент подачи составляет 0,443 против 0,337 у R22. Это гарантирует уменьшение массы и габаритов поршневых машин. Нормальная температура кипения R13B1 составляет —57,8°С, т. е. на 17° ниже, чем у R22. Избыточное давление в системах будет при всех практически необходимых температурах испарения. Давление в конденсаторе примерно в 1,5 раза выше, чем при работе на R22. Удельные объемы газа и жидкости по сравнению с R22 существенно отличаются. Системы трубопроводов и теплообменные аппараты необходимо проектировать на другие параметры. Интенсифицировать работу установленного на судах холодильного оборудования путем простой замены R22 на R13B1 не представляется возможным. Необходимо заменять оборудование.

R13В1 можно также рекомендовать в качестве рабочего вещества верхнего каскада трехкаскадной установки сжижения природных газов.

В настоящее время проблемным является выбор типа холодильной машины для рефрижераторных контейнеров. Эти машины должны обладать следующими особенностями:

обеспечивать широкий диапазон регулирования температур в контейнере от —30 до +15°С;

обеспечивать надежную работу установки с воздушным конденсатором;

обеспечивать низкие температуры конца сжатия в компрессоре в одноступенчатом цикле;

допускать применение бессальниковых компрессоров со встроенными электродвигателями;

иметь по возможности меньшие массу и габариты.

Зарубежные фирмы выпускают рефрижераторные контейнеры с использованием в холодильных машинах R22 и R502. В СССР с перечисленных позиций исследовалась новая азеотропная смесь 68,4% RH5 и 31,6% R290, обозначенная в табл. 1.1 условно R505. Нормальная температура кипения на 1° ниже, чем у R502, давление в критической точке значительно меньше, чем у других ХА, также ниже давление в конденсаторе при одинаковых температурах, меньше степень сжатия. По сравнению с R22 и R502 энергетические показатели лучше. Важным достоинством R505 является полная растворимость масла при низких температурах до —50°С и содержании масла до 20% по массе. Рассматриваемая смесь практически не токсична. Если говорить о воспламеняемости, то смеси R115 и R290 (пропан) воспламеняются в смеси с воздухом. Однако высокое содержание R115 в азеотропной смеси существенно сужает пределы воспламеняемости, и, по данным ряда исследователей, R505 практически не опасен.

Таким образом, приведенные данные позволяют сравнить по энергозатратам и другим показателям перспективные для судовых установок ХА, позволяют обосновать выбор их исходя из назначения судовой холодильной машины и рабочего диапазона температур.

Подробные данные о теплофизических свойствах различных ХА приводятся в рекомендуемой справочной литературе и в гл. 2.