Свойства смесей хладагентов

На рис. 11 представлены два варианта протекания процесса, А, при котором жидкости нагреваются в разных сосудах, а B — кипение смеси. Если у каждой чистой жидкости температура испарения, она же температура конденсации, постоянна, то смесь кипит в интервале температур. Точка кипения или температура испарения чистой жидкости равны температуре конденсации. Кипение начинается в точке начала кипения (точке появления пузырьков) и заканчивается в точке росы.

На рис. 11 приведена зависимость между температурой и концентрацией испарившейся фракции. Это практичный способ описания состояния смеси, поскольку он напрямую приложим, скажем, к испарителю. Хладагент поступает в испаритель частично испарившимся и выходит из него перегретым, т.е. кривая кипения характеризует ту часть процесса, при которой в испарителе имеется двухфазная смесь. Кроме того, эту характеристику легко получить экспериментально даже для очень сложных смесей. Смеси углеводородов, такие как бензин, часто характеризуют кривыми кипения или дистилляции.

Типы поведения двухкомпонентных смесей удобнее объяснять с помощью графика зависимости температуры от концентрации одного из компонентов в обеих фазах — жидкой и паровой, т.е. кривой равновесия, рис. 12. Кривая кипения может быть вычислена из кривой равновесия, но не наоборот. На рис. 12 показаны различия между зеотропной и двумя типами азеотропных смесей. Существуют азеотропные смеси трех и более компонентов, но их труднее представить графически.

Азеотропы во всех практически важных отношениях ведут себя подобно чистым жидкостям. Их состав может немного изменяться с давлением, т.е. теоретически они могут разделяться, но это, по-видимому, возможно лишь для смесей с близкими температурами кипения компонентов, т.е. их температурным глайдом в любом случае можно пренебречь.

Смесь двух компонентов азеотропа, взятых в ином — не азеотропном — соотношении, ведет себя подобно смеси двух жидкостей — азеотропа и чистого компонента. Хорошо известным примером является смесь спирта и воды, которая разделяется дистилляцией на 95,4% спирт и почти чистую воду.

• Зеотропы можно характеризовать кривой кипения, как на рис. 11, но для расчета теплообменников необходима дополнительная информация. Нужно знать температуру, энтальпию и физические свойства пара и жидкости при данном давлении в одной или нескольких точках. Для хладагентов со слабым глайдом или без него достаточно одной точки, а для хладагентов с большим глайдом, как правило, достаточно трех (начальная, средняя и конечная).
• Когда жидкая смесь начинает кипеть, в фазе пара увеличивается содержание низкокипящего компонента (НКК), но присутствует также и высококипящий компонент (ВКК). Аналогично, когда пары начинают конденсироваться, в жидкой фазе увеличивается содержание ВКК, но присутствует также и НКК. НКК не испаряется без ВКК, оба процесса идут одновременно, хотя с разными скоростями.
• В противоположность широко распространенному мнению, состояние системы не меняется в точном соответствии с кривой испарения, от точки начала кипения до точки росы. Процесс идет по кривой испарения лишь при условии, что жидкость и пар интенсивно перемешиваются и движутся с одной скоростью. Другими словами, определенное количество жидкости должно присутствовать и смешиваться с паром в течение всего процесса. То же самое действительно и для конденсации.
• Это условие не всегда выполняется, особенно в конденсаторах некоторых типов. Если жидкость удаляется по мере конденсации, она не участвует в поддержании равновесия с паровой фазой. Когда конденсируются остатки паров, они находятся в равновесии с только что образовавшимся конденсатом, а не со всем конденсатом, полученным в ходе процесса. Этот только что образовавшийся конденсат содержит относительно больше НКК, чем конденсат в целом, в результате смесь должна быть охлаждена до более низкой температуры для полной конденсации.
• К счастью, условия в ПТО благоприятствуют «идеальному» протеканию фазового перехода, поскольку обе фазы интенсивно перемешиваются и движутся с одной скоростью.
• Когда кипящий зеотроп находится в контакте с поверхностью нагрева в испарителе, в ближайшем к стенке слое жидкости испаряется, в основном, ЛКК. Поэтому температура в этом слое повышается, и в результате разность температур становится меньше расчетной. Практический эффект состоит в кажущемся понижении коэффициента теплопередачи.
• То же самое происходит в конденсаторах, только в них эффект проявляется слабее.