Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературных данных и постановка задачи исследования . 10
1.1. История вопроса .10
1.2. Основные требования к новым хладагентам. 20
1.3. Особенности термодинамических свойств смесей-хладагентов ...22
1.4. Перспективы применения альтернативных хладагентов... 29
1.5. Альтернативные хладагенты, предназначенные для замены R12 33
1.5.1. Хладагенты - чистые вещества 33
1.5.2. Многокомпонентные хладагенты... 39
1.5.2.1. Многокомпонентные хладагенты на основе углеводородов 39
1.5.2.2. Многокомпонентные хладагенты группы ГХФУ. ...41
1.6. Энергетические показатели компрессионных холодильников и морозильников .45
1.7. Проблемы применения углеводородов в качестве хладагентов в бытовой холодильной технике 50
1.8. Анализ литературных данных и постановка и задачи исследовательской работы. 55
ГЛАВА 2. Исследование характеристик работы холодильной машины на бинарной и тройных смесях 58
2.1. Выбор концентрации бинарной
идеальной смеси при замене R12. 58
2.2. Оптимизация концентраций компонентов смеси с учетом ее неидеальности 63
2.3 Описание лабораторного калориметрического стенда 65
2.3.1. Монтаж и наладка лабораторного стенда. 65
2.3.2. Методика проведения испытаний. 72
2.4. Испытания бинарной смеси R22/RC318 на калориметрическом стенде. 77
2.5. Выводы по испытаниям бинарной смеси. 89
2.6. Испытания тройной смеси «Экохол-3» 91
2.7- Испытания модифицированной тройной смеси «Экохол-МГТУ» 98
ГЛАВА 3. Сравнение энергетических характеристик морозильника stinol-106 при работе на R12, смеси «ЭКОХОЛ-МГТУ» и ДМЭ ...105
3.1. Сравнение суточного энергопотребления при испытании заводского образца морозильника на R12 и экологически безопасных ХА 105
3.1.1. Создание экспериментального стенда 105
3.1.2. Сравнительные испытания R12 и «Экохол-МГТУ» 109
3.1.3 Определение оптимальной массы заправки ДМЭ 112
3.2. Оптимизация размеров капиллярной трубки при использовании ДМЭ в качестве хладагента...116
3.3. Оценка погрешности экспериментальных данных... 121
Выводы 123
Список литературы
- Особенности термодинамических свойств смесей-хладагентов
- Проблемы применения углеводородов в качестве хладагентов в бытовой холодильной технике
- Описание лабораторного калориметрического стенда
- Создание экспериментального стенда
Введение к работе
Развитие холодильной техники в настоящее время находится под влиянием трех определяемых экологическими проблемами взаимосвязанных факторов:
требований Монреальского протокола о прекращении потребления веществ, разрушающих озоновый слой (в первую очередь R12) и о временном и количественном ограничении применения веществ переходной группы (в том числе R22), имеющих малый потенциал разрушения озонового слоя (ODP);
требований Киотского протокола к «Рамочной конвенции ООН об изменении климата» о регулировании эмиссии парниковых газов (веществ, имеющих высокий потенциал глобального потепления - GWP), к которым относятся широко применяемые хладагенты R22, R134a и многие другие вещества, используемые в холодильной технике;
ГОСТ Р МЭК 66035-2-24-2001, разрешающий использование в приборах бытовой холодильной техники углеводородов (пропан, изобутан, пропан-бутан) при ограниченной массе заправки (до 150 г).
Анализируя наиболее известные, разработанные в нашей стране и за рубежом хладагенты — заменители R12, можно убедиться, что у каждого из них имеются уязвимые места с точки зрения выполнения перчисленных выше требований.
Обзор литературных данных показал, что равноценной замены R12 в холодильной технике для условий нашей страны пока не найдено, особенно для ретрофита действующего холодильного оборудования. Использование многочисленных альтернативных хладагентов, таких как R134a, R401A, R401B, R401C, R409A и др.. [1], предлагаемых зарубежными компаниями, сталкивается с определенными трудностями. Предлагаемые хладагенты запатентованы компаниями-производителями и имеют высокую стоимость. Зачастую в состав хладагентов-смесей входят редкие и, следовательно,
дорогие, компоненты, что существенно увеличивает затраты на сервисное обслуживание холодильных систем. Применение большинства новых хладагентов требует изменения условий работы системы (замены масла, замены некоторых агрегатов и аппаратов холодильной машины). Российские разработки направлены на использование более дешевых смесевых хладагентов (R22/R142b, СІ, С10М1 и др. [2, 3]). Преимуществом отечественных хладагентов является их относительная дешевизна и возможность использования без изменения конструкции холодильной машины и замены масла. Однако у этих смесей существует ряд недостатков. В состав смесевых хладагентов на основе R22 нередко входят дорогостоящие компоненты-фреоны. Применение таких смесей, несмотря на относительно высокую стоимость, перспективно в холодильных машинах малой производительности (холодильниках, например), где масса заправки составляет 100-150 грамм и составляет около 5% от общей стоимости холодильного аппарата. Поэтому применение смеси R22/RC318 может быть экономически оправдано при ретрофите холодильных машин малой производительности. Для ретрофита холодильных машин большей производительности на Кирово-Чепецком химическом комбинате была создана смесь "Экохол-3" (R22(40%)/RC318(12%)/R142b(48%)), где, для снижения концентрации дорогостоящего RC318 введен третий компонент -R142b. Но эксплуатационные и термодинамические характеристики "Экохол-3" не были исследованы. Проблемой является также пожароопасность отдельных компонентов смесевых хладагентов (Rl 42Ь). Смеси, включающие этот компонент , как правило имеют невысокую стоимость, но, при возможной утечке негорючего компонента, концентрация горючего компонента увеличивается, и может возникнуть пожароопасная ситуация.
С другой стороны, решения Киотского протокола, ограничивающие применение фреонов в холодильной технике и новая редакция ГОСТов России, допускающая использование углеводородов в качестве хладагентов
[4, 5, 6], открывают новые возможности для применения углеводородов в холодильных машинах малой производительности, где масса заправки мала. Однако в нашей стране опыт применения углеводородов, в частности диметилового эфира (ДМЭ) в холодильной технике ограничен, а возможность их применения в холодильных машинах практически не исследована. ДМЭ лучше, чем рекомендованные смесевые хладоны (С1, например), поэтому работы по применению ДМЭ проводятся в МГТУ им Н.Э.Баумана несколько лет. Из чистых веществ возможно применение только изобутана R600a (ts = -11,7С), поэтому его использование в морозильниках (to = -18...-25С) исключено. С другой стороны, ДМЭ может использоваться в качестве дизельного топлива, поэтому его цена должна быть на порядок ниже, чем у других хладонов.
Положения Федерального закона «Об энергосбережении» обязывают производителей холодильной техники (в т.ч. бытовых холодильных приборов) искать пути повышения энергетической эффективности новой техники, что, в частности, может быть достигнуто путем применения новых хладагентов [7, 8].
Целью работы является выбор отечественного недорогого озонобезопасного хладагента, имеющего низкий или нулевой потенциал глобального потепления, который способен заменить R12 в действующем холодильном оборудовании без существенного изменения конструкции холодильной машины и замены масла: сервисные смеси на основе R22 и чистое вещество ДМЭ.
Особенности термодинамических свойств смесей-хладагентов
Гетероазеотропная смесь (расслаивающаяся смесь) - это смесь, имеющая область несмесимости, т.е. бинарный жидкий раствор при определенных условиях состоит из 2-х равновесных жидких фаз, и при его испарении система окажется трехфазной, состоящей из двух жидких и одной паровой фазы. При данном давлении температура кипения и равновесный состав пара смеси в области расслоения будут постоянными, пока сосуществуют обе жидкие фазы (рис. 1.2).
Концентрации паровой и жидкой фаз зеотропной смеси в условиях термодинамического равновесия различаются, а изотерма под кривой насыщения в lg Р - і координатах имеет наклон, т.е. кипение при постоянном давлении происходит при увеличении температуры хладагента от Tg до Тц, а конденсация - при падении температуры от Тз до Т5 (рис. 1.3).
Это необходимо учитывать при определении степени перегрева пара на входе в компрессор, а также при оценке энергетических характеристик холодильной установки. Неизотермичность фазового перехода при постоянном давлении (при кипении или конденсации) получила название ATgi или температурный глайд. Значение ATgj зависит от состава рабочего тела и является важным технологическим параметром.
Перегрев всасываемого пара вычисляют как разность температуры Ті на входе в компрессор и температуры точки росы Ті і хладагента при давлении всасывания р0. Переохлаждение жидкости вычисляют как разность между действительной температурой жидкости и температурой точки конца конденсации Т5 при давлении рк.
Особенно важно при регулировании давления учитывать температурный глайд смеси хладагентов, например хладагентов R407C, R410A и др. Кроме того, температурный глайд - решающий фактор при определении размеров теплообменных аппаратов. Потери давления в системе существенно увеличивают температурный глайд. Пренебрежение данным явлением при составлении теплового баланса может привести к занижению размеров теплообменных аппаратов и других элементов холодильной системы. Влияние этого фактора особенно существенно, когда система эксплуатируется на пределе своих возможностей.
В связи с наличием глайда появляется неопределенность в определении характеристик холодильной машины, поскольку сравнительные температурные условия по стандартам ASHRAE 41.9, EN 12 900 (CECOMAF) и ГОСТ 17008-85 не соответствуют реальным условиям работы компрессоров в составе холодильных машин малой производительности (в том числе бытовых холодильных приборов) [13]. Для сравнения характеристик холодильных машин (компрессоров), работающих на (неа)зеотропных смесях и моновеществах, авторами [13] предложен эквивалентный термодинамический цикл для смесевых хладагетов (рис. 1.3), который харктеризуется следующим: средняя температура Ткср. в процессе конденсации неазеотропной смеси соответствует темпреатуре конденсации для моновещества Тк; средняя температура Тоср. в процессе кипения неазеотропной смеси соответствует темпреатуре кипения для моновещества т0; температура парообразного хладагента на входе в компрессор Твс(температура на выходе из регенеративного теплообменника) в циклах для моновещества и неазеотропной смеси совпадает; в цикле для зеотропной смеси учитывается докипание части жидкого хладагента в регенеративном теплообменнике, что снижает температуру жидкого хладагента пред дросселем. В этом цикле средняя температура кипения То соответствует условию і ю - І9 = iy- U» а. средняя температура конденсации Тк - условию із — І4 — U— Ь При этом удельная массовая холодопроизводительность цикла (кДж/кг) Чо =0i — ls) — (і ю- h), удельная объемная холодопроизводительность цикла (кДж/м ) qv=qo/ b где о і — удельный объем пара на всасывании в компрессор (м3/кг), изоэнтропная работа сжатия (кДж/кг) ls =(іг - і і), холодильный коэффициент eu=qo /ls. Холодопроизводительность холодильной машины с данным компрессором (кВт) Qo = X/qv"VT, где VT — теоретическая объемная производительность компрессора (м3/с), X - коэффициент подачи. Эквивалентный цикл для неазеотропных смесей (рис 1.3) соответствует условиям использования компрессора в однокамерных бытовых холодильниках, морозильниках, холодильных машин различного назначения. Однако, при расчете и проектировании холодильной установки на смеси, вообще говоря, можно рассматривать два режима: охлаждение при Тх = var, что соответствует охлаждению потока вещества, температура которого в идеале уменьшается от Ті до Т4 (рис 1.4), например, потока хладоносителя, а также режим термостатирования, для которого необходимо поддерживать Тх= idem = Ti.
Проблемы применения углеводородов в качестве хладагентов в бытовой холодильной технике
К моменту начала данной работы в нашей стране имелось ограниченное количество ремонтных смесей для замены озоноразрушающих ХА в действующем холодильном оборудовании. Причем подавляющее большинство из них были зарубежного производства и имели достаточно высокую стоимость. Поэтому остро стоял вопрос о создании отечественной ремонтной смеси, которая отвечала бы требованиям Монреальского протокола, была бы достаточно дешевой, совместимой с минеральными маслами; и по эксплуатационным характеристикам близка к заменяемому R12. Однако, решения Киотского протокола поставили под вопрос применение фреонов в холодильной технике. На первый план в качестве потенциальных ХА вышли так называемые «природные» вещества. Существенную долю природных хладагентов составляют углеводороды, но к природным отнесены также аммиак, диоксид углерода, вода и воздух [56].
Самый яркий представитель углеводородов - метан, но он является «парниковым» газом, поэтому в холодильной технике речь идет о пропане, этане, бутане, пропилене, ДМЭ и их смесях. В нефтехимии углеводороды используют многие годы для получения промышленного холода. Углеводороды доступны, сравнительно дешевы и не имеют монополистов-производителей, тем более трансконтинентальных. Углеводороды озонобезопасны, обладают нулевым или близким к нулю потенциалом глобального потепления, нетоксичны, не образуют фосгена. Преимуществом углеводородов является их совместимость с производимыми в России минеральными маслами и традиционно используемыми в отечественной холодильной технике материалами. Углеводороды не боятся влаги, не создают потенциальной опасности коррозии. Высоки термодинамические и теплообменные характеристики углеводородов, особенно при фазовых переходах. Для углеводородов характерны большая в сравнении с фреонами текучесть и соответственно до 40-50% меньшее падение давления в трубопроводах и клапанах системы. Углеводороды снижают трение.
Многие фирмы производят углеводороды и смеси для холодильной техники. Это брэнды: CARE 30 (пропан/изобутан), CARE 40 (пропан), НС 12А (пропан/н-бутан), НС 22А (пропан), ECOOL-PIB (пропан/изобутан), ECOOL-PRO (пропан), CARE 50 (этан/пропан). Углеводороды в настоящее время широко применяют в основном в интервале температур -35...+6С, т.е. это бытовые холодильники, чиллеры и коммерческие холодильные установки.
Углеводороды взрыво- и пожароопасны. Как видно из табл. 2, пожароопасность углеводородов стоит особняком даже в сравнении с аммиаком и фреоном R152a. Поэтому при использовании углеводородов должно строго выполняться обязательное условие — при внезапной эмиссии концентрация их в помещении не должна превышать нижнего предела горючести. По стандартам Британии (BS 4434), Германии (DIN 7003), США (ASHRAE 15) требования еще более жесткие — концентрация не должна превышать 20-25% нижнего предела горючести. Эти стандарты основаны на ограничении количества ХА, заправляемого в систему [56].
Стандарты на использование пожароопасных хладагентов в разных странах существенно отличаются. Так стандарты США и Франции (ASHRAE 15 и NF Е35-400 и 4002) ограничивают применение ХА, имеющих высокую пожароопасность в промышленном холодильном оборудовании. Напротив, европейский стандарт prEN 378, Международный электротехнический союз (IEC 60335-2-24 и 60335-2-40) и несколько национальных европейских стандартов (Британии (ВS 4434), Германии (DIN 8975 и 7003) позволяют использовать в оборудовании углеводороды при обеспечении дополнительных мер, гарантирующих безопасность эксплуатации холодильной техники [57]. Таблица 2. Пожаро- и взрывоопасность хладагентов
Показатель Пропан R290 Изобутан R600a Аммиак R717 ДМЭ RE170 ДифторэтанR152a
Предел горючести в смеси с воздухом, об.%нижнийверхний 2,1 9,5 1,3 8,5 15,0 28,0 3,4 18 3,9 16,9 Температура самовоспламенения, С 466 455 651 350 Энергия воспламенения, Дж 2,5-КГ4 2,5-10-4 0,68 0,22
В ряде зарубежных стандартов разрешается без ограничений использовать углеводороды при выполнении следующих условий: количество заправляемого ХА должно быть меньше 0,15 кг, система герметична (все соединения должны быть паяными или сварными), а оборудование спроектировано так, чтобы предотвратить случайные утечки в холодильную камеру [58]. Таким образом, в соответствии с этими стандартами разрешается применять углеводороды в бытовых холодильниках и морозильниках, а также в малых тепловых насосах. Масса ХА, заправляемого в бытовые холодильники и морозильники, незначительна, и наблюдается тенденция к ее уменьшению. Так, количество изобутана, заправляемого в современный бытовой холодильник объемом 130 л, составляет около 20 г, из которых примерно 12 г растворено в компрессорном масле [59]. Для сравнения, можно отметить, что созданный в начале 1930-х годов первый бытовой холодильник аналогичного объема содержал 250 г пропана [59].
Существуют данные [60] об исследовании четырех различных смесей пропана и бутана для оценки их способности заменить R12 в бытовом холодильном оборудовании. Смесь, содержащая 50% пропана, 38,3% бутана и 11,7% изобутана оказалась самой подходящей среди изучаемых углеводородных смесей. Холодильник с предложенными альтернативными хладагентами работал удовлетворительно и не нуждался в какой-либо доработке или регулировке. Авторы [61] показали, что в домашнем холодильнике эффективно применение природного газа (ПГ). При заправке холодильника 80 г. ПГ, удельное энергопотребление в 3-4 раза ниже, чем показатели холодильников на R12. В. Tashtosh и др. [62] показали, что характеристики цикла при работе на смеси пропан/бутан/Rl34а превысили соответствующие характеристикипри работе холодильника на R12; при этом система не нуждается в дополнительном расходе смазывающих средств. В [63] отмечено, что смесь пропан/изобутан - перспективный вариант для замены R12 и R134a, с точки зрения экономии энергии, к тому же требующий минимальных доработок в существующих сейчас холодильниках.
Описание лабораторного калориметрического стенда
Лабораторный стенд Stinol-106 был создан для определения энергетических характеристик бытового морозильника Stinol-106 при работе на смеси «Экохол-Зм» и ДМЭ и сопоставления их с аналогичными характеристиками морозильника на R12 без изменения конструкции и замены масла.
Принципиальная схема экспериментального стенда представлена на рис. 3.1. В состав стенда входит холодильный контур на базе бытового холодильника Stinol 106 с герметичным компрессором AEZ 1380А производства фирмы L UNITE HERMETIQUE.
Перед заправкой ДМЭ система вакуумировалась при помощи заправочной станции REFCO СН 6285, которая состоит из вакуум-насоса, раздаточной коробки, контрольных манометров и трубопроводов (рис. 3.1 и рис. 3.2). Количество заправленного в систему хладагента определялось путём взвешивания баллона с ДМЭ до и после заправки. В применяемом диапазоне масс взвешиваемых баллонов (до 15 кг) точность используемых электронных весов составляет ±5 грамм. Хладагент заправлялся в газообразном состоянии через заправочный патрубок компрессора.
Контрольно-измерительная система предназначена для измерения массы заправляемого хладагента, давлений на всасывании и нагнетании 106 компрессора, контроля температуры в морозильной камере, температуры картера компрессора, мгновенной мощности, потребляемой компрессором, времени работы/стоянки компрессора. В состав системы входят: 1. Измерительный комплекс. 2. Манометры REFCO Classe 1.6 3. Счетчик потребляемой мощности (по ГОСТ 6570-75) 4. Весы электронные ПВ 30.
Испытания проводились на стенде, созданном на базе серийного морозильника Stinol-106 без принципиальных изменений конструкции (компрессор, капилляр, испаритель и конденсатор заводской комплектации) и замены масла. Температура окружающей среды в процессе испытаний согласно ГОСТ 16317-87 [72] составляла 25С. Также были проведены испытания для проверки работоспособности Stinol-106 (морозильника класса N) при максимальной температуре окружающей среды 32С [72]. Температура морозильной камеры в процессе эксперимента поддерживалась -24С. Целью испытаний являлось определение оптимальной массы заправки морозильника, обеспечивающей минимальный суточный расход электроэнергии и сравнения с соответствующими показателями R12. Также в процессе испытаний определялись температуры всасывания, нагнетания и картера компрессора. Результаты эксперимента приведены в табл. 15 и 16 и представлены в виде графиков на рис. 3.5 и 3.6.Из результатов видно, что оптимальная масса заправки составила 70 грамм (для R12 (паспортная) — 214 г). Испытания проводились при температурах окружающей среды 25 С и 32 С без замены капиллярной трубки (то есть без каких-либо переделок морозильника). Результаты испытаний показали, что при температуре в морозильнике -24С суточное потребление энергии при работе на ДМЭ ниже, чем на R12: при температуре окружающей среды 25С на 15% и при температуре окружающей среды 32С на 13% . Экономичная работа морозильника может быть обеспечена только при увязке размеров капиллярной трубки с количеством ХА в машине данной конструкции [73, 74], поэтому необходимо подобрать оптимальную длину капилляра в целях дальнейшего снижения суточного расхода электроэнергии.
В табл. 17 приведены сравнительные величины температур всасывания, нагнетания и картера компрессора для R12, «Экохол-МГТУ» и ДМЭ (Т0С=25С и 32С, при оптимальной массе заправки 70 г).
Создание экспериментального стенда
При измерении любой физической величины не представляется возможным свободный от искажения результат, вследствие несовершенства методов измерения, средств измерения, непостоянства условия измерения. К тому же многие параметры могут быть определены не непосредственно в результате прямого измерения по прибору, а лишь косвенно в результате вычислений по формуле, куда входят результаты прямых измерений других величин. Погрешность параметра, определяемого косвенно, может быть вычислена по формуле ,-№-Щ . (3-і.) где у = f(xb X2,..., хп) - параметр п, определяемый по формуле, связывающей аргументы Xj,..., X;,...; Xi,..., хп- значения измерянных аргументов; Gy — среднеквадратичное отклонение параметра , Dy—дисперсия параметра ».
В проведенных экспериментах в результате прямых измерений определяются избыточное давление по манометрам, атмосферное давление по барометру, падение напряжения на термометрах сопротивления, электрическая мощность ТЭНов, мощность, потребляемая компрессором. Точность замера температуры составила 0,2С, давления - 0,01 МПа. Электрическая мощность измерялась прибором К50, класс точности — 0,5, суточное энергопотребление измерялось бытовым электросчетчиком с классом точности 2,5, точность весов, посредством котрых осуществлялась заправка составляет ±5 г. Остальные величины, такие как абсолютное давление, температура, тепловая нагрузка на испаритель, работа компрессора, расход хладагента, холодильный коэффициент, нагрузка на конденсатор, расход охлаждающей воды определяются косвенным способом по соответствующим формулам.
Оценим максимальную относительную погрешность определения температуры, измеряемой при помощи термометра сопротивления: 8тах= (АХтах /Х 100% = (0,2/5)-100% = 4% где АХтах =0,2С - максимальная абсолютная погрешность термометра; X - минимальное значение измеренной температуры, С. Оценим максимальную относительную погрешность определения давления, измеряемого при помощи тензопреобразователя: 5тах= (АХтах /Х)-100% = (0,001/0,1)400% = 1% где АХтах =0,001 МПа - максимальная абсолютная погрешность манометра; X - минимальное значение измеренного давления, МПа.
1. Экспериментальное сравнение основных термодинамических характеристик циклов на R12 и смеси R22/RC318 показало, что для адекватной замены R12 концентрация R22 в смеси должно быть не ниже 40...45% массовых. При этом холодильный коэффициент цикла на смеси по сравнению с циклом на R12 возрастает на 2...16%.
2. На основе данных об отрицательном отклонении давления конденсации от идеальности в реальной смеси, концентрация R22 в «Экохол-3» повышена с 40% до 50%, при соответствующем уменьшении концентрации других компонентов. Экспериментальные исследования новой смеси, получившей название «Экохол-МГТУ» показали, что смесь является адекватной заменой R12. Холодильный коэффициент цикла на «Экохол-МГТУ» близок к аналогичному показателю цикла на R12. На основании вышесказанного, можно рекомендовать смеси R22/RC318 и «Экохол-МГТУ» как сервисные при ретрофите холодильного оборудования на R12.
3. Определена оптимальная масса заправки бытового морозильника при работе на ДМЭ. Она составила 70 г, при этом суточное энергопотребление по сравнению с работой на R12 снизилось на 15% при температуре охлаждения -24С. Результаты эксперимента показывают перспективность использования ДМЭ в качестве хладагента для бытовой холодильной техники.
4. Проведена экспериментальная оптимизация длины капиллярной трубки бытового морозильника на ДМЭ. При этом оптимальная длина капилляра составила 4,75 м (3,5 для R12). Энергопотребление по сравнению с R12 снизилось на 9%.
