Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературных данных. постановка задачи исследования 10
1.1. История диметилового эфира как хладагента 10
1.2. Термодинамические характеристики
1.2.1. Давление насыщения пара и жидкости, удельный объем пара, плотность жидкости на линии насыщения 14
1.2.2. Скрытая теплота испарения 21
1.2.3. Теплоемкость 22
1.2.4. Энтальпия 22
1.2.5. Энтропия 23
1.3. Переносные свойства 23
1.3.1. Теплопроводность... 23
1.3.2. Динамическая вязкость 23
1.3.3. Поверхностное натяжение 24
1.4. Эксплуатационные свойства 24
1.4.1. Растворимость в масле 24
1.4.2. Применение как компонента холодильного агента-смеси (R723) 24
1.4.3. Экологические характеристики и пожароопасность 25
1.4.4. Токсичность 25
1.4.5. Совместимость с материалами 26
1.4.6. Термическая стабильность 27
1.4.7. Электрические свойства 27
1.4.8. Методы синтеза и промышленное производство 28
1.4.9. Технические требования к готовому продукту -3 Стр.
1.4.10. Транспортирование и хранение 29
1.4.11. Другие области применения 29
1.5. Конструктивные характеристики 29
ГЛАВА 2. Теоретическое исследование термодинамических свойств ДМЭ 30
2.1. Термодинамические свойства 30
2.1.1. Давление насыщения пара и жидкости 30
2.1.2. Удельный объем пара 31
2.1.3. Плотность жидкости 32
2.1.4. Скрытая теплота испарения 34
2.1.5. Теплоемкость газа 34
2.1.6. Энтальпия 36
2.1.7. Энтропия 38
2.1.8. Построение диаграммы "lnP-І" для ДМЭ 41
2.1.9. Нахождение коэффициентов а и Ъ для уравнения Редлиха-Квонга
2.2. Расчет холодильных циклов на ДМЭ, и сравнение их с циклом HaR12 46
2.3. Оценка эффективности регенерации теплоты 62
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование рабочих характеристик холодильной установки 64
3.1. Описание лабораторного стенда-калориметра 64
3.2. Порядок проведения испытаний и методика обработки результатов 69
3.3. Анализ полученных экспериментальных данных холодильного цикла на ДМЭ 76
3.4. Экспериментальная проверка растворимости ДМЭ в минеральном масле -4 Стр.
3.5. Оценка погрешности экспериментальных данных 89
ГЛАВА 4. Анализ и обобщение имеющихся данных о переносных свойствах ДМЭ 91
4.1. Динамическая вязкость газа ДМЭ 91
4.2. Динамическая вязкость жидкости ДМЭ 96
4.3. Кинематическая вязкость газа ДМЭ 97
4.4. Кинематическая вязкость жидкости ДМЭ 97
4.5. Теплопроводность газа ДМЭ 99
4.6. Теплопроводность жидкости ДМЭ 104
4.7. Поверхностное натяжение 106
4.8. Работа теплообменных аппаратов на ДМЭ и R-12
4.8.1. Поверхность теплообмена конденсатора 107
4.8.2. Поверхность теплообмена воздухоохладителя 111
4.8.3. Гидравлическое сопротивление 115
Выводы 123
Список литературы
- Давление насыщения пара и жидкости, удельный объем пара, плотность жидкости на линии насыщения
- Удельный объем пара
- Порядок проведения испытаний и методика обработки результатов
- Теплопроводность жидкости ДМЭ
Давление насыщения пара и жидкости, удельный объем пара, плотность жидкости на линии насыщения
В МГТУ им. Н.Э. Баумана разработаны малотоннажные авторефрижераторы на базе шасси автомобилей "Москвич", "УАЗ" и "Газель" с холодильной установкой расходного типа, где в качестве источника холода использовано автомобильное топливо - сжиженный нефтяной газ (пропан-бутановая смесь), который испаряется в воздухоохладителе изотермического кузова, после чего сгорает в двигателе [28].
Разомкнутый цикл имеет ряд преимуществ: отсутствие компрессора и конденсатора упрощает конструкцию холодильной установки, уменьшает массу и габаритные размеры, повышает надежность эксплуатации. Стоимость установки по сравнению с традиционным агрегатом снижается в 3...4 раза. К недостаткам разомкнутого цикла следует отнести "жесткую" связь с работой двигателя: холодопроизводительность установки определяется расходом топлива. При остановке двигателя холод не вырабатывается, при работе на холостом ходу холодопроизводительность падает.
Для устранения этого недостатка предложен цикл с реконденсацией [31]. Установка имеет традиционный компрессорно-конденсаторный агрегат, топливный бак служит линейным ресивером. В пути компрессор приводится в действие от электрогенератора автомобиля. На стоянке и в гараже агрегат подключается к сети и захолаживает изотермический кузов при неработающем двигателе.
Все разработки предназначались для автомобилей с искровым зажиганием, но в последние 4-5 лет появилась возможность применения подобных холодильных установок для авторефрижераторов с дизельным двигателем. Это связано с появлением нового дизельного топлива. В 1995 г. австрийские, датские и американские исследователи сообщили об использовании диметилового эфира (ДМЭ) в дизелях [36]. В последующие 2-3 года было подтверждено, что это топливо может радикально решить экологическую проблему использования экономичных дизельных двигателей в городских условиях. Московским НИИ двигателей [11] был испытан серийный дизель АМО-ЗИЛ Д-245 и получены следующие результаты: при сохранении мощности и экономичности в выхлопе полностью отсутствует сажа и в 3 раза снижено содержание окислов азота.
Теоретически, работа двигателя без образования сажи возможна только при использовании метанола СН3ОН, так как в своей молекуле он содержит кислород в количестве, отвечающему наилучшему сгоранию. Но по результатам зарубежных и отечественных исследователей [1, 20, 50, 64, 67, 70, 73] в продуктах сгорания дизелей, работающих на ДМЭ, сажа не обнаружена.
В чистом виде сажа не токсична. Однако ее частицы, обладая высокой адсорбционной способностью, несут на своей поверхности частицы токсичных веществ, в том числе и канцерогенных [8].
Условием образования в цилиндре дизеля сажи является наличие и взаимодействие в камере сгорания высокотемпературных и переобогащенных топливом зон [20]. В переобогащенных топливом зонах недостаток кислорода, не поступающего в эти зоны, частично восполняется вследствие структуры молекулы ДМЭ (СН3-0-СН3) атомарным кислородом, содержащимся в самом топливе.
Оксиды азота NOx являются одними из основных токсичных веществ отработавших газов двигателей. Их доля составляет от 60 до 96% в общей токсичности отработавших газов дизелей. Воздействие NOx становится причинами гибели лесов, сельскохозяйственных культур, заболеваний животных. Состояние же российских дизелей таково, что их выбросы NOx не удовлетворяют ни европейским, ни американским нормам [20, 36]. При применении ДМЭ в дизеле максимальная температура сгорания ниже, чем при использовании обычного дизельного топлива, следовательно, снижается и - 12-выход окиси азота в составе отработавших газов примерно на 40% [11, 15, 20,
Диметиловый эфир транспортируется и хранится так же, как и сжиженный нефтяной газ (пропан-бутановая смесь), т.е. при р = 0.5 МПа при t - 20 С. Поэтому для организации системы заправочных станций вполне может быть использована существующая инфраструктура снабжения транспорта сжиженным нефтяным газом, пропан-бутановой смесью.
Диметиловый (метиловый) эфир - одно из первых рабочих тел холодильных машин, появившихся более 100 лет назад, его использовали Линде, Гаррисон, Толье [12] и затем ДМЭ был вытеснен аммиаком. В 1863 г. Чарльз Теллер испытал компрессор, работающий на ДМЭ [2]. В 1948 году Фюнер опубликовал первую диаграмму состояния «In р - і» ДМЭ [66]. В 1955 Планк привел данную диаграмму в работе [71] и предложил уравнения по расчету основных термодинамических свойств. Позже [3, 6] на их основе Бадылькес предлагает свои уравнения по расчету термодинамических свойств ДМЭ. Приводятся основные физические свойства ДМЭ как холодильного агента. Нормальная температура кипения ДМЭ составляет - 24,8 С, т. е. близка к R12 (- 29.74 С), а скрытая теплота испарения - более 450 кДж/кг -существенно выше и близка к пропан-бутановой смеси. В 1997 Липпольд [63, 69] проводил исследования замены фреона R22 смесью МН3+ДМЭ, образующую азеотропную и имеющую нормальную температуру кипения, близкую к R22 (т.е. - 40С).
Удельный объем пара
Для выполнения поставленных в работе задач была создана экспериментальная установка, включающая в себя: 1. стенд-калориметр; 2. систему заправки стенда-калориметра; 3. контрольно-измерительную аппаратуру для снятия всех рабочих характеристик холодильной установки.
Определение реальных параметров холодильного цикла, таких как холодопроизводительность, мгновенная потребляемая мощность и реальный холодильный коэффициент при работе холодильной машины на новом озонобезопасном холодильном агенте и сопоставление их с аналогичными параметрами при работе на фреоне R-12 на соответствующих режимах производится на экспериментальном калориметрическом стенде.
В состав стенда входят следующие системы: пневмо-гидравлическая; контрольно-измерительная; Пневмо-гидравлическая система имеет вид замкнутого контура. В качестве объекта исследования используется холодильный агрегат калориметрического стенда, который включает в себя герметичный смазываемый одноступенчатый поршневой компрессор КК 37С1Е.
Основные характеристики и параметры компрессора КК 37С1Е: объем, описываемый поршнем, м 10" 19,24; ход поршня, мм 20; диаметр цилиндра, мм 35; число оборотов двигателя, 1/с 50; номинальная потребляемая электрическая мощность, Вт.. 1500;
Схема экспериментального стенда, реализующего однопоточный дроссельный цикл замкнутого типа с использованием в качестве рабочего тела исследуемый хладагент, представлена на рис. 3.1. После сжатия в компрессоре 1 смесь конденсируется в водяном конденсаторе 2. Конденсатор представляет собой теплообменный аппарат типа труба в трубе: наружная труба (водяная) - из нержавеющей стали и внутренняя (фреоновая) - из меди. Для очистки и осушки циркулируемого хладона после конденсатора установлен фильтр-осушитель 3, заполненный силикагелем. После фильтра установлен ресивер 4.
Влияние рекуперации в цикле исследуется с помощью теплообменника 5 змеевикового типа (длина 500 мм, наружный диаметр обечайки 50 мм, диаметр трубки, навитой на сердечник - 8 мм (длина - 1,92 м, диаметр сердечника - 20 мм)). Жидкостная трубка навита на сердечник с шагом 23 мм, количество витков -23.
Теплообменная поверхность испарителя 7 представляет собой медную трубку, свернутую в спираль в 4 яруса, причем расположение слоев горизонтальное (в первом слое трубка сворачивается от периферии к центру, во втором слое разворачивается и т.д.). Подача хладона происходит сверху, чтобы не создавать карманов залегания масла. На наружной поверхности происходит конденсация вторичного холодильного агента, в качестве которого использовался фреон R-12. Для обеспечения непрерывного испарения вторичного хладона в днище калориметра расположены электрические нагревательные элементы суммарной мощностью 5 кВт с возможностью плавного регулирования подводимой мощности ко вторичному холодильному агенту с помощью автотрансформатора 8. Подводимая мощность измеряется ваттметром 9.
Для визуального контроля над работой контура предусмотрены смотровые окна 10 и 11, установленные после конденсатора и испарителя соответственно.
Для вакуумирования магистралей стенда перед заполнением их хладагентом к нему подсоединяется вакуумный насос 12 типа НВР-33.
В состав стенда входит также устройство отбора проб 13 на хроматографический анализ, используемое также для заправки стенда хладагентом.
Как составная часть экспериментального стенда в него входит система приготовления и подготовки заправляемой смеси, основанная на массовом методе. Основным ее элементом являются оттарированные по массе баллоны емкостью 5 10" м , в которые отбираются компоненты смеси.
В ходе экспериментальных исследований цикла выполняются измерения следующих параметров: давления нагнетания, всасывания и в объеме калориметра; температуры: нагнетания, всасывания, входа и выхода хладона в конденсатор, входа и выхода воды в конденсатор, входа и выхода хладона в испаритель, прямого и обратного потоков на входе и выходе из рекуперативного теплообменника, корпуса компрессора; электрической мощности компрессора; электрической мощности, подводимой к нагревательным элементам.
Измерения выполняются с помощью измерительного комплекса, предназначенного для сбора и обработки информации в ходе эксперимента (на рис.3.1 не представлена).
Обрабатываемая информация представляется на экране монитора персонального компьютера в режиме "реального времени", а также может быть сохранена на жестком диске для последующей обработки ее пользователем.
Порядок проведения испытаний и методика обработки результатов
В проведенном литературном обзоре обнаружено, что ДМЭ прекрасно растворяется в минеральных маслах [71]. Известно также, что ДМЭ является прекрасным растворителем и используется в качестве газа-пропеллента в аэрозольных баллончиках. Поэтому был проведен эксперимент по проверке растворимости ДМЭ в минеральном масле ХФ-12-16 в диапазоне температур от -З0...+60С. Данное масло используется при работе холодильной машины на фреоне R-12.
Эксперимент проводился на специально созданном стенде (Рис. 3.20). Испытательная пробирка (П) опускалась в предварительно наполненный сосуд Дьюара водой со льдом (t = 0С) . В пробирку заливались масло и жидкий ДМЭ в объемном соотношении 50% / 50% и тщательно перемешивались специальной пружинкой и постоянным магнитом. По манометру (Мн) контролировали давление насыщения. При данной температуре смесь представляла собой однородную прозрачную жидкость, расслоение на две фазы не наблюдалось.
Для проверки растворимости при температуре t = 60 С в сосуд Дьюара заливалась горячая вода. По манометру (Мн) контролировали давление насыщения. При данной температуре смесь также представляла собой однородную прозрачную жидкость, расслоение на две фазы не наблюдалось.
Далее в сосуд Дьюара заливалась смесь этилового спирта и твердой углекислоты. Пробирка располагалась на высоте, при которой температура контролировалась по манометру и диаграмме состояния на уровне t = -30С. При данной температуре смесь также представляла собой однородную прозрачную жидкость, расслоение на две фазы не наблюдалось.
Мн - манометр Мб - маноЬакиуметр ВН - оокуумный насос Баллон - запрабочный даллон BL.B5 - запорные дентили П - проёирка Принципиальная схема стенда для исследования растворимости ДМЭ в минеральном масле
Вывод: ДМЭ полностью растворяется в минеральном масле ХФ-12-16 в диапазоне температур -30...+60С даже при объемном соотношении 50% / 50% и, следовательно, возможно использование ДМЭ вместо R-12 в холодильной установке без замены масла.
Оценка погрешности экспериментальных данных 1) Измерение давления. Максимальная относительная погрешность определения давления, измеряемого при помощи тензопреобразователя: 8ХЮХ = — 100% 0.1 где АХтах = 0,001 МПа - максимальная абсолютная погрешность тензопреобразователя; X - минимальное значение измерянного давления, МПа. Максимальная погрешность при измерении давления манометром. Класс манометра (образцового) - 0,5. Давление конденсации Р2 = 0.6. ..1.37 МПа. 2 5 0 5 Абсолютная погрешность: Д„ = = 0.0125 МПа. 1 100 Относительная погрешность при измерении Рк: г ."=ш.л =М =2%. 1.37 0.6 2) Измерение температуры. 0.2 100% = 4% V 5 При измерении температуры термометром сопротивления испарения в диапазоне -25...5С относительная погрешность: 8иш С 0 2 — 100% = 0,8%, где 0,2 С - максимальная абсолютная погрешность термометра; При измерении температуры конденсации в диапазоне 25...55С относительная 0.2 (02\ погрешность: /" 100% = 0.8%, 5? V 25 J 400% = 0,4%. V 55 у 3) Измерение мощности компрессора и холодопроизводительности с помощью ваттметра классом точности 0,5. Электрическая мощность компрессора Ьэл = 0,8... 1,7 кВт. Шкала - 0.. .2200 Вт. Абсолютная погрешность А = 0.5 0.01 2200 = 11 Вт.
Относительная погрешность: 8. = 100% = (1.3...0.6)% . U00...1700J Калориметр. Ваттметр класса точности 0.5, шкалы 2200 Вт и 5500 Вт. Измеряемые величины 740...2600 Вт. -90 Абсолютная погрешность А = 0.5 0.01 2200 = 11 Вт. 100% = (1.4...0.5)%. Относительная погрешность: 8( .740...2000, Абсолютная погрешность для второй шкалы Д = 0.5 0.01 5500 = 27.5Вт. С 27.5 100% = (1.3...1)%. Относительная погрешность: 80 = \ .2000.. .2600, Для средней величины Q0=1500 Вт 80 =0.73%)
4) Точность построения характеристик Qo=Qo(to) и LK=LK(to) Вследствие погрешности измерения температуры А = ±0.2С возможное смещение графика Qo=Qo(to) в диапазоне t0= -25...5С равна относительной (I 00% = ±0.66%). Изменение величины ПП0/„ 0.2 Qo: погрешности д =Q д, = 1500 (±0.67%) = ±10Вт. Относительная погрешность построения: 8 0 = 1500 100% = ±0.67%. 5) Систематическая погрешность из-за теплопритоков к конденсатору при !()= -25...5С составляет по расчету: абсолютную величину Д=(12,5...4,16) Вт, Аср= 8,3 Ґ Q 1 Вт. Относительная погрешность 8% = 8,3 1500 J 100% = 0,5% 6) Общая погрешность измерения Q0: 8 = 80 + 8\)+8(К: = 0,73 + 0.67 + 0,5 = 1,9 2% . Для определения гидравлического сопротивления на линии нагнетания и всасывания холодильной машины установлены манометры (см. Рис. З.1.). результаты измерения приведены в таблице 31.
Теплопроводность жидкости ДМЭ
Из таблицы 38 видно, что значение площади поверхности теплообмена для ДМЭ меньше, чем для R12 (например, при tK = +45С FRi2 M3 = 1,18). Следовательно, в пределах рабочих температур геометрические размеры конденсатора для ДМЭ будут меньше, чем для R-12 при одинаковой тепловой нагрузке. В случае замены R-12 на ДМЭ в работающем агрегате конденсатор будет обладать запасом по поверхности теплообменника. Теплообмен при конденсации у ДМЭ лучше, чем у R-12 за счет более высокого коэффициента теплопроводности жидкости и более низкой динамической вязкости жидкости.
Для расчета поверхности теплообмена воздухоохладителя за основу берем методику и конструктивные данные для теплообменных аппаратов из [44].
Коэффициент теплоотдачи со стороны рабочего тела [21]: где р", р - плотность пара и жидкости, соответственно кг/м3; Г -коэффициент динамической вязкости, Па с; А, - теплопроводность жидкости, Вт/(м К); с - теплоемкость жидкости; Дж/(кг К); а - поверхностное натяжение на границе раздела между жидкостью и паром, Н/м; г - скрытая теплота испарения, Дж/кг; Т0 - температура испарения жидкости, К;
Тепловой поток со стороны воздуха, приведенный к внутренней поверхности находится по формуле 4.26 на стр. 109.
Удельный тепловой поток в аппарате для ДМЭ и R12, отнесенный к внутренней поверхности, находится построением графических зависимостей по уравнениям (4.27) и (4.30).
Определение удельного теплового потока через стенку теплообменника показано на Рис. 4.13 при tHCn = -15 С и tK0IW = +35С. Результаты расчетов по формулам (4.27, 4.30) в диапазоне температуры испарения -25.. .5С, приведены в таблице 39.
Удельный тепловой поток через поверхность теплообмена при кипении ДМЭ и R- t С qaFBH(R12), Вт/м2 ЯаРш(ДМЭ),Вт/м2
Результаты расчетов для реальной холодильной машины на базе компрессора с описанным объемом 19,26 м и частотой вращения ротора 50 1/с приводятся в таблице 40. Величины холодопроизводительности, внутренней поверхности теплообмена и отношение величин внутренней поверхности теплообмена для R12 и ДМЭ в зависимости от температуры испарения Из таблицы 40 видно, что значение площади поверхности теплообмена воздухоохладителя для ДМЭ меньше, чем для R12 (например, при t0 = -15С Ріш/Рдмз = 1,67. Следовательно, в пределах рабочих температур геометрические размеры воздухоохладителя для ДМЭ будут существенно меньше, чем для R-12 при одинаковой тепловой нагрузке. В случае замены R-12 на ДМЭ в работающем агрегате воздухоохладитель будет обладать запасом по поверхности теплообменника. Теплообмен при кипении ДМЭ лучше, чем при кипении R-12 также за счет более высокого коэффициента теплопроводности жидкости и более низкой динамической вязкости жидкости.
Общее гидравлическое сопротивление при протекании в трубе кипящей жидкости складывается из следующих величин [21]: Ар = АРтр + Ару ± Арст, Па (4.32) где Артр - потери давления вследствие трения; Ару - потери давления вследствие ускорения потока; Лрст_ разность давлений из-за влияния высоты столба жидкости. Для сравнения гидравлических сопротивлений предлагается найти отношения данных компонентов для R-12 и ДМЭ: -116 (APn,P) "V ІДМЗ (4.34) У ДМЭ (4.35) (APcJ/W3 Для наиболее часто встречающегося случая полного испарения фреонов R-12 и R-22 Хавлой было предложено следующее уравнение [21]: АРтр = V T Н Г "Г" » Па (4-36) 0,3164 ,(шр )\ L Re"-25 2рп de где Re = 7 "" - критерий Рейнольдса; wp - весовая скорость холодильного агента в кг/м с; d - диаметр трубы в м; г)" - динамическая вязкость насыщенного пара в Па с, р и р" - соответственно плотность жидкости и насыщенного пара в кг/м ; L - длина трубы в м; \/тр - коэффициент, учитывающий влияние на трение паросодержания потока. Поскольку данных для ДМЭ по \/тр не найдено, принимаем (і/тр)дмз = (M/TP)R-12
