Химия

Поиски альтернативных хладагентов


                      Министерство образования Украины
                 Западный территориальный отдел образования
                           Лицей №32, секция химии
                             Малая академия наук



                                    [pic]



                                                  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 (=9100 Вт/м2*К (при нерастворимом масле (=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     |(, кг/м3  |(, 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,
AsH3): 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*108 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     [pic]


                             Таблица 1.3
[pic]

|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.



[pic]
[pic]



      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.


смотреть на рефераты похожие на "Поиски альтернативных хладагентов"