 |
НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Доклад: Поиски альтернативных хладагентов
Доклад: Поиски альтернативных хладагентов
Министерство образования Украины
Западный территориальный отдел образования
Лицей №32, секция химии
Малая академия наук
Работа ученика 10-А класса
лицея №32
Родионова Дмитрия Александровича
Руководители:
учитель химии - Гасанова Ирина Владимировна
доцент кафедры теплофизики ОГАХ - Железный В.П.
г. Одесса, 1997 г
До начала 1930-ых годов основными хладагентами, применявшимися в холодильных
системах, являлись аммиак, диоксид серы, метил хлорид и диоксид углерода.
Каждое из указанных рабочих тел обладало весьма существенными
технологическими и экологическими недостатками.
Однако в конце 20-ых годов Томас Мидгрей открыл новое фторуглеродное
семейство веществ, которое обладало практически оптимальными для хладагентов
свойствами. С этим открытием холодильная промышленность получила возможность
приступить к массовому выпуску разнообразной холодильной техники. Кроме того,
галоидопроизводные углеводороды стали применяться для производства аэрозолей,
пенополиуретанов, растворителей и средств пожаротушения.
К началу 70-ых годов мировой рынок хлорфторуглеродов (ХФУ) принял огромные
размеры. Поэтому, естественно, возник вопрос о конечной судьбе этих
соединений, попадающих в большом количестве в атмосферу. Проводимые в это
время исследования показали, что некоторых ХФУ необычайно долговечны в силу
своей химической стабильности. Они могут существовать в атмосфере, не
разрушаясь в течение длительного времени. Однако под действием излучения
происходит их постепенное разложение с выделением атомов хлора, которые
вступает во взаимодействие с озоном, уменьшая тем самым его количество в
стратосфере.
Как известно, стратосферный озон поглощает большую часть ультрафиолетовой
радиации Солнца. Поэтому разрушение озонового слоя увеличивает уровень
ультрафиолетовой радиации, попадающей на Землю, что приводит к возрастанию
числа раковых заболеваний у людей и животных, гибели растений, сокращению
биологических ресурсов океанов. Т.е. уменьшение концентрации озона в
стратосфере является глобальной экологической опасностью для существования
биологической формы жизни на Земле.
Впервые в международном масштабе проблема регулирования производства и
потребления озоноразрушающих ХФУ была поднята Венской Конвенцией по защите
озонового слоя в 1985 г. Важным дальнейшим шагом в решении этой проблемы
стало подписание Монреальского протокола в 1987 г., согласно которому по
уровню влияния на озоновый слой Земли галоидопроизводные углеводороды были
разделены на 3 группы:
1. ХФУ - хлорфторуглероды, которые обладают высоким потенциалом разрушения
озонового слоя (Ozon Depleting Potention - ODP). Иногда используется термин
«потенциал истощения озона». Хладагенты этой группы R11, R12, R113, R500, R502,
R503 имеют ODP>0,05. Озоноразрушающая способность R11 была принята за
единицу - OPD=1.
2. ГХФУ - гидрофторхлоруглероды, в молекулах которых содержится водород. Для
этих веществ характерно меньшее время существования в атмосфере по сравнению с
ХФУ и, как следствие, они оказывают меньшее влияние на разрушение озонового
слоя ODP<0,55. Некоторые многокомпонентные рабочие тела, предлагаемые в
качестве альтернативы ХФУ, содержат в своем составе ГХФУ, например, R22.
3. ГФУ - гидрофторуглероды. Эти вещества не содержат хлора, а состоят из
атомов углерода, водорода и фтора. Они не разрушают озоновый слой (ODP=0) и
имеют короткий период жизни в атмосфере. ГФУ считаются долгосрочной
альтернативой ХФУ в холодильных системах. Примерами таких хладагентов
являются R134a, R125, R152a и др.
Несмотря на принятые мировым сообществом меры, проблема, вызванная эмиссией
хладагентов в атмосферу, продолжала обостряться, и в ноябре 1992 г. в
Копенгагене на очередной встрече стран-участниц Монреальского протокола была
принята более жесткая редакция этого документа. Более того, на совещании
подчёркивалось, что альтернативные (с точки зрения влияния на озоновый слой
Земли) хладагенты должны обладать незначительным влиянием и на парниковый
эффект, а само холодильное оборудование должно быть более эффективным, чем
существующее. Тем самым проблема перевода холодильного оборудования на
альтернативные хладагенты приобрела принципиально новые оттенки.
Проблема разрушения озонового слоя Земли поставила перед учёными и
промышленностью сложную задачу замены озоноактивных холодильных агентов на
альтернативные. Проблема замены озоноактивных холодильных агентов на
альтернативные оказалась более сложной и многоплановой, чем это могло
показаться в 1987г. Она включает в себя:
n изучение воздействия хладагентов на озоновый слой, влияние хладагента не
парниковый эффект;
n исследование токсичности и горючести;
n изучение теплофизических свойств и термодинамической эффективности новых
рабочих тел;
n оценку теплообменных характеристик;
n рассмотрение вопросов, связанных с совместимостью хладагентов с
конструкционными материалами и растворимостью их в холодильных маслах;
n проектирование нового холодильного оборудования;
n разработку экономически выгодных технологий синтеза озонобезопасных
хладагентов и освоение мощностей для их производства.
Среди мер, принимаемых мировым сообществом, направленных на регулирование
производства и потребления озоноразрушающих веществ, главным является
требование полного отказа к 2000-му году от использования ХФУ во всех видах
холодильного оборудования. Необходимость замены этих веществ, нашедших
широкое применение в качестве теплоносителей, растворителей, рабочих тел
холодильных установок, явилась причиной поиска альтернативных хладагентов,
близких к ХФУ по своим физико-химическим свойствам.
Проведение оценки эффективности использования новых рабочих тел в
существующем и разрабатываемом холодильном оборудовании, а также освоение
новых технологий с использованием озонобезопасных хладагентов возможно на
основе информации о термодинамических свойствах этих веществ, наиболее
надёжным средством получения которой остаётся эксперимент.
Критерием оптимизации по энергетическим и экономическим факторам может
служить TEWI (общий эквивалент теплового воздействия), методика расчёта
которого широко используется при определении оптимального состава
многокомпонентного рабочего тела.
В реальной холодильной установке рабочим телом является маслохладоновый
раствор, свойства которого значительно отличаются от свойств чистых
хладагентов.
В настоящее время предметом пристального внимания являются работы,
посвященные изучению свойств масло-аммиачных растворов.
Аммиак практически не растворяется в масле. Поэтому оно загрязняет
коммуникационные трубопроводы и соединения, осаждается на поверхности
конденсатора и труб охлаждения, уменьшая теплопередачу.
При температурах нагнетания свыше 140° возможно нарушение смазки компрессора
в результате образования толстого слоя нагара на клапанах. Смесь из
свободного водорода, аммиака и воздуха может вызвать вспышку масла и взрыв.
Известно, что фирмой Sulrer Escher Wyss было синтезировано масло, растворимое в
аммиаке. Растворимость масла в аммиаке исключает образование на теплообменных
поверхностях плёнки, что повышает коэффициент теплоотдачи до a=9100 Вт/м2
*К (при нерастворимом масле a=2700 Вт/м2*К).
Наиболее часто в качестве растворимого в аммиаке масла предлагаются
синтетические масла типа ПАГ (полиоксиалкиленгликоль) (см. патент США
5037570). ПАГ растворимы в аммиаке при низких температурах, обладают хорошей
вязкостно-температурной зависимостью. Однако их характерными недостатками
являются сравнительно высокая критическая температура расслоения
маслохладонового раствора, а также недостаточная противоизносные свойства и
термоокислительная стабильность.
Сотрудниками Одесской Государственной Академии Холода и Института
биологической химии и нефтехимии Украины предложено новое синтетическое
соединение, которое может быть использовано в качестве растворимого в R717
холодильного масла - ХМРА-1.
Данное масло обладает в 1,85 раза более высокой термоокислительной
стабильностью и в 1,9 раза более высокими противоизносными свойствами по
сравнению с маслами на основе ПАГ. Кроме того, оно частично растворяется в
минеральных нефтяных маслах, что упрощает решение отдельных эксплуатационных
проблем. Основные теплофизические свойства масла ХМРА-1 приведены в таблице
1.1.
Таблица 1.1
| T, K | P, Па | r, кг/м3 | h, Па*с | Ср, кДж/кг*К | | 250 | 5,6 | 1095,2 | 4305,00 | 1,712 | | 260 | 11,9 | 1087,8 | 1059,00 | 1,724 | | 270 | 24,1 | 1080,4 | 343,200 | 1,772 | | 280 | 46,4 | 1073,0 | 137,700 | 1,803 | | 290 | 85,4 | 1065,6 | 65,350 | 1,833 | | 300 | 150,9 | 1058,2 | 35,410 | 1,863 | | 310 | 256,9 | 1050,9 | 21,320 | 1,873 | | 320 | 423,3 | 1043,5 | 19,980 | 1,923 | | 330 | 676,4 | 1036,1 | 9,817 | 1,954 | | 340 | 1051,5 | 1028,7 | 7,287 | 1,984 | | 350 | 1093,9 | 1021,3 | 5,666 | 2,015 |
Аммиак получил маркировку хладагент R717. Рассмотрим особенности строения и
свойств аммиака.
В образовании химических связей в молекуле аммиака принимают участие 3
неспаренных атома азота и электроны трёх атомов водорода. Два электрона атома
азота остаются неподелёнными.
H
. ..
:N + 3H. = :N:H
. ..
H
В образовании связей участвуют как 2p-электроны, так и 2s-электроны, т.е. имеет
место гибридизация атомных орбит, близкая к тетраэдрической гибридизации в
4-валентном углероде. Атомы водорода располагаются в трёх вершинах тетраэдра,
центр которого занят атомом азота. Угол между связями H-N-H равен 108°, т.е.
весьма близок к тетраэдрическому. Дипольный момент молекулы аммиака, равный
1,43D, создаётся в основном всё же не полярностью связей, а тем, что гибридная
орбита вытянута в сторону от ядра вершине тетраэдра, не занятого атомами
водорода. Поляризуемость молекулы аммиака равна 22,6*10-25 см3
. Благодаря отсутствию неспаренных электронов аммиак диамагнитен.
Неподелённая пара электронов не гибридной основе создаёт у молекулы аммиака
способность к образованию водородной связи. Это обстоятельство, а также
значительная полярность молекул аммиака вызывает весьма сильное взаимодействие
между ними, вследствие чего физические свойства аммиака имеют ряд аномалий по
сравнению с однотипными соединениями (PH3, SbH3, AsH
3): температуры плавления и кипения относительно велики, теплота испарения
велика.
Собственная электролитическая диссоциация аммиака: 2NH3 = NH4
+ + NH2- совершенно ничтожна. Жидкий аммиак
фактически не проводит электрического тока. Удельная электропроводность 3,0*10
8 ом-1.
Хладагент R717 используется уже много лет в крупных холодильных установках.
Аммиак не обладает озоноразрушающей способностью и не имеет прямого вклада в
увеличение парникового эффекта. Энергетическая эффективность использования
R717 в холодильном оборудовании столь же высока, как и при применении R22, а
ряде случаев даже превышает её. Кроме того, стоимость аммиака значительно
ниже стоимости галоидопроизводных углеводородов. По сравнению с
галоидопроизводными углеводами, R717 имеет более высокий коэффициент
теплоотдачи. В силу резкого запаха появление течи в холодильной системе легко
обнаруживается оператором. Именно по этой причине R717 нашёл широкое
применение в крупных холодильных установках. Растворимость масла в аммиаке
исключает образование плёнки масла на теплообменных поверхностях. R717 имеет
чрезвычайно высокое значение теплоты испарения (при температуре кипения
1369,7 Дж/кг), вследствие чего сравнительно небольшой поток циркулирующей
массы. Дополнительные сложности по созданию холодильного оборудования
вызывает высокая активность по отношению к меди и медным сплавам. В силу
высокой токсичности и горючести аммиака сварные соединения подлежат
тщательному контролю. Электропроводность R717 затрудняет создание
полугерметичных и герметичных компрессоров.
Разработанное в ОГАХ новое синтетическое масло по сравнению с патентом США
№5037570 обладает более высокими противоизносными свойствами, лучшей
термоокислительной способностью и более низкой критической температурой
расслоения.
Целью работы является комплексное экспериментально-расчётное исследование
равновесий бинарной смеси R717-ХМРА с последующей разработкой таблиц
термических свойств этой смеси.
Научная новизна.
Получены экспериментальные данные о термических свойствах раствора R717-ХМРА
на линии жидкость-пар в интервале температур 281,736..................383,362
К, а также разработаны таблицы термических свойств раствора в состоянии
фазового равновесия.
Для исследования фазовых равновесий масло-аммиачной смеси был выбран
статический метод. Эксперимент проводился в установке, реализующей метод
пьезометра постоянного объёма. Проводились измерения давления при
определённых температурах в момент наступления термодинамического равновесия
в зависимости от концентрации масла и аммиака в масло-аммиачной смеси. В ходе
эксперимента изучалась динамика установления термодинамического равновесия в
зависимости от соотношения концентраций масла и аммиака в маслохладоновой
смеси.
Результаты эксперимента приведены в таблицах 1.2, 1.3
Таблица 1.2
Таблица 1.3
| Т, К | 360 | 380 | 400 | | Х | Р, Бар | Р, Бар | Р, Бар | | 0,60 | 42,9687 | 62,1563 | 86,8990 | | 0,65 | 43,9448 | 63,8454 | 89,7001 | | 0,70 | 44,8509 | 64,4280 | 92,3450 | | 0,75 | 45,6106 | 66,7977 | 94,6872 | | 0,80 | 46,1764 | 67,8871 | 96,6288 | | 0,85 | 46,6033 | 68,7676 | 98,2698 | | 0,90 | 47,0459 | 69,6609 | 99,9147 | | 0,95 | 47,5731 | 70,6663 | 101,7068 | | 1,00 | 47,6503 | 71,0188 | 102,5675 |
На основе полученных экспериментальных данных сотрудники кафедры теплофизики
ОГАХ построили диаграммы и таблицы, позволяющие произвести теоретические
расчёты по предсказанию свойств смеси R717-ХМРА в различных условиях.
Анализ проведённого расчёта позволяет сделать вывод о том, что присутствие
даже незначительного количества масла в холодильной системе оказывает
существенное влияние на энергетическую эффективность холодильного цикла (до
4,5% на холодильный коэффициент). Наличие масла в аммиаке влияет как на
адиабатическую работу сжатия, так и на холодопроизводительность (особенно
объёмную ...). Чем меньше температура в испарителе, тем большее влияние на
эффективность оказывает масло. Это обстоятельство можно объяснить
температурной и концентрационной зависимостью теплоты испарения
маслоаммиачной смеси и большой разницей в теплотах испарения её компонентов.
| |
|
|
