Температуры испарения и конденсации хладагентов с глайдом

• Температура испарения — это среднее между входной температурой и точкой росы при выходном давлении. Поскольку хладагент обычно поступает в испаритель частично испаренным, температурный глайд в испарителе меньше разности между точкой росы и точкой начала кипения.
• Температура конденсации — это среднее между точкой росы и точкой начала кипения.
• Перегрев в испарителе — это разность между входной температурой и точкой росы при выходном давлении.
• Переохлаждение конденсата — это разность между выходной температурой и точкой начала кипения при выходном давлении.

• Выходная температура не является суммой температуры испарения и перегрева. На рис. 13 для хладагента R407° C она равна 9,6°С, т.е. не является суммой 2°С и 5 К, как в случае R22. Легко допустить ошибку, взяв слишком низкую входную температуру воды, особенно для ТРВ с большим перегревом.
• Преимущество глайда в том, что он позволяет чуть сильнее охладить воду. Если разность между выходной температурой охлаждаемой и входной температурой охлаждающей среды для какого-то теплообменника составляет 3 К, то в качестве испарителя, работающего при температуре 2°С, он охладит воду приблизительно до 5°С, если использует R22, и до 3°С, если использует R407° C. Однако см. предыдущий абзац.
• Температура на входе в испаритель может меняться, поскольку меняется температура на входе в ТРВ. Это означает, что, несмотря на постоянство давления, средняя температура также меняется, что затрудняет сравнение с другими системами.
• Несмотря на положительную температуру испарения, входная температура может быть отрицательной, т.е. существует. Нельзя забывать, что при замене R22 хладагентом R407° C входная температура может быть ниже нуля, хотя температура испарения равна 2°С.

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.

Хладагенты с температурным глайдом

Кривая упругости пара

Существуют ситуации, в которых регулятор давления или ТРВ работают с ошибкой.

A) Прямая замена старого хладагента новым. Кривые упругости пара нового и старого хладагентов различаются, как бы удачно ни был подобран хладагент для замены.

Б) Неисправность приборов. В термобаллоне ТРВ может быть неподходящий заполнитель, манометр может быть механически блокирован и т.д. Это может случиться как с новыми, так и со старыми хладагентами.

B) Неопределенность физических свойств. Иногда физические свойства хладагента, заявленные разными изготовителями, отличаются друг от друга (и от реальности), особенно в случае хладагентов с температурным глайдом (см. ниже). Отклонения обычно невелики, но иногда достигают 2°С по температуре насыщения.

Г) Изменение состава. Вероятно, наиболее распространенный пример,— это разбавление аммиака водой, что приводит к понижению давления пара аммиака. Более свежие примеры — изменения состава хладагентов с температурным глайдом и изменения состава при неправильно выполненной прямой замене, приводящей к смешиванию старого и нового хладагентов. Различия между идеальной и фактической кривыми упругости пара влияют на давление конденсации и испарении, а также на перегрев в испарителе.

Д) Температурный глайд. Хладагент не имеет постоянной температуры кипения или испарения, фазовый переход происходит в некотором температурном диапазоне. Это явление — температурный глайд.