Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Применение альтернативных хладагентов в бхп. состояние вопроса и задачи исследования 14
1.1. Перевод холодильной техники на альтернативные хладагенты 14
1.2. Исследование бытовых холодильников при работе на зеотропных смесях 19
1.3. Методы анализа эффективности холодильных систем 26
1.4. Выводы 29
ГЛАВА 2. Анализ эффективности термодинамических циклов 31
2.1. Введение 31
2.2. Базовые циклы на простых и зеотропных хладагентах 33
2.3. Регенеративный цикл на простых веществах ... 38
2.4. Регенеративные циклы на зеотропных смесях. 42
ГЛАВАЗ. Объект исследования 60
3.1. Выбор холодильных агентов 60
3.2. Принятая для исследования система охлаждения
3.2. Термодинамические циклы системы охлаждения двухкамерного холодильника 66
3.3. Зависимости для ожидаемых действительных характеристик системы охлаждения -
ГЛАВА4. Экспериментальное исследование... 89
4.1. Методика исследования 89
4.2. Калориметрический стенд 92
4.2.1. Описание стенда и средств измерения 92
4.2.2. Программа исследования 95
4.2.3. Особенности методики проведения испытаний на смесевых зеотропных холодильных агентах 97
4.2.4. Методика обработки результатов измерения 98
4.3. Теплотехнический испытательный стенд 102
4.3.1. Описание стенда и средств измерения... 102
4.3.2. Программа исследования 105
4.3.3. Методика обработки результатов измерения 106
4.4. Погрешности определения основных величин
при испытаниях и обработке результатов 109
ГЛАВА 5. Обобщение результатов экспериментального исследования . 114
5.1. Характеристики компрессора 114
5.2. Характеристики системы охлаждения
5.2.1. Холодопроизводительность 117
5.2.2. Холодильный коэффициент 117
5.3. Характеристики теплообменных аппаратов... 121
5.3.1. Коэффициенты теплопередачи 121
5.3.2. Гидросопротивления 126
ГЛАВА 6. Рекомендации по совершенствованию систем охлаждения бытовых холодильников при использовании зеотропных смесевых хладагентов ... 127
6.1. Введение 127
6.2. Определение необходимой холодопроизводительности системы охлаждения.. 130
6.3. Определение температурного режима работы системы охлаждения 132
6.4. Определение потерь давления в испарителях системы охлаждения 133
6.5. Подбор компрессора холодильного агрегата... 134
6.6. Расчет теплообменных поверхностей аппаратов БХП 135
6.7. Определение энергетической эффективности БХП 138
Выводы 142
Список литературы
- Исследование бытовых холодильников при работе на зеотропных смесях
- Регенеративный цикл на простых веществах
- Описание стенда и средств измерения
- Методика обработки результатов измерения
Исследование бытовых холодильников при работе на зеотропных смесях
Хладагент R22 (CF2C1H) используется как краткосрочная альтернатива R12 для переходного периода. Применение его в действующем оборудовании связано со значительными затратами, так как требует замены компрессора или теплообменной аппаратуры [18, 57, 65]. Долгосрочных перспектив у этого фреона нет [66, 106].
Во многих странах Европы потенциал глобального потепления считают большей проблемой, чем воспламеняемость; поэтому там упор делается на применение природных горючих веществ с соблюдением необходимых мер по обеспечению пожаро-взрывобезопасности [88, 95].
Углеводороды - естественные вещества, которые имеют хорошие перспективы в холодильной технике из-за своих превосходных термодинамических свойств и хорошей растворимости с недорогими минеральными маслами. Большим преимуществом этих хладагентов является то, что они имеют потенциал глобального потепления и потенциал разрушения озона около нуля [102].
Все углеводороды высоко огнеопасные, и это пока ограничивает пути, по которым они могут использоваться. Углеводороды, которые могут применяться в качестве рабочих веществ в холодильных системах, включают бутан, изобутан, пропан и зеотропные смеси на их основе [52, 69, 73, 77, 80, 81]. Наибольшее применение углеводороды получили в северных Европейских странах, таких как Германия, Норвегия, Швеция, Дания и др. [107]. За последние годы заметен также небольшой, но постоянный рост применения этих рабочих веществ в Западном, Юго-Западном и Южном регионах Азии [44].
В качестве альтернативы запрещённому R12 предлагается дешевый хладагент - изобутан, R600a (С4Ню). Объемная I холодопроизводительность изобутана ниже, чем R12, поэтому объем ; цилиндра компрессора должен быть в два раза больше. Холодильный коэффициент (є) агрегатов на R600a выше, чем у R12. Опыт показывает, что агрегаты на изобутане работают менее шумно, чем работающие на других хладагентах.
Недостаток изобутана - горючесть. Однако объем его заправки в два раза меньше, чем R12. Компрессоры, пригодные для работы на R600a в бытовых холодильниках, широко используются в Европе и Южной Америке. Имеется положительный опыт безаварийной работы на R600a более пятнадцати миллионов холодильников [81, 95].
Наибольшее применение в мире среди зеотропных хладагентов на сегодняшний день получили ЗС с малой неизотермичностью (2-5 К). В основном это смесевые хладагенты, выпускаемые фирмой "Du Pont" (R404A, R409 А и др.) и применяемые в. России трёхкомпонентные композиции на основе R22/R21 с введенными в них модифицирующими добавками, например R134a, R142b, R152a и др., получившие общее название "смесевые хладагенты группы С ЮМ". Все перечисленные ЗС нетоксичны и негорючи, содержат компоненты "переходного типа", применение которых ограничено. Проведенные испытания подтвердили удовлетворительные результаты применения их в качестве заменителей R12 без изменения в конструкции холодильников [19, 88]. При этом следует учитывать, что хладагенты R404A, R409A требуют применения дорогостоящих синтетических масел, а российские смеси С10М содержат отрицательно влияющий на человека хладагент R21.
Зеотропная смесь пропан/изобутан (R290/R600a) получила достаточно широкое применение в бытовых двухкамерных холодильниках в различных странах. Заправка смеси составляет всего одну треть от объёма заправки R12. В Германии в настоящее время продаются холодильники, работающие на данной смеси, ее широко
-19-внедряют в Китае и в Индии [1, 60, 76, 112]. Причем а модернизированном оборудовании экономия электроэнергии составляет до 10% по сравнению с системами, работающими на R12 [79]. Все Европейское оборудование, работающее на углеводородах, выполнено с повышенными требованиями по безопасности.
Проведенный анализ показывает, что пока ни один из предложенных на рынке альтернативных хладагентов в полной мере не отвечает требованиям, предъявляемым к возможным заменителям R12. Многие смесевые хладагенты в качестве одного из компонентов содержат переходные вещества, применение которых ограничено Монреальским протоколом. Часть возможных заменителей имеют нормальную температуру кипения значительно отличающуюся от ts R12, что требует замены при их использовании в действующем оборудовании применяемых в настоящее время мотор-компрессоров или теплообменной аппаратуры. R134a и зарубежные смесевые хладагенты требуют использования дорогостоящих синтетических масел. Кроме того, энергетическая эффективность систем охлаждения при использовании заменителей в большинстве случаев ниже, чем на R12. Применение зеотропных смесевых хладагентов на базе углеводородов позволяет избежать всех этих недостатков. Однако необходимо соблюдение повышенных требований к конструкции холодильника по пожаро- и взрывобезопасности, чтобы при утечке хладагента из системы в зонах размещения электрических узлов, где может возникнуть воспламенение, не было условий для создания взрывоопасной концентрации.
Регенеративный цикл на простых веществах
Разнородные элементы холодильной машины, взаимодействуя, реализуют заданный термодинамический цикл рабочего вещества. Термодинамический цикл является объединяющей основой холодильной системы, и в то же время может рассматриваться как ее отдельный элемент, характеристики которого при взаимодействии с характеристиками основных элементов формируют внешние характеристики системы в целом.
Раздельное изучение термодинамических циклов, характеристик отдельных элементов холодильных систем, и характеристик целых систем, является общепринятым методом теории холодильных машин. Развитию парокомпрессионных холодильных машин, как в нашей стране, так и за рубежом, уделяется большое внимание в течение достаточно длительного времени. Работа отечественного ученого [15] посвящена бытовым холодильникам и морозильникам. В ней впервые рассмотрены все основные конструктивные особенности холодильников и их элементов, условия работы и характеристики. Необходимо отметить, что в этой работе, изданной в начале 70-годов, указано на целесообразность в перспективе применения в БХП бинарных смесей фреонов с целью сокращения необратимых потерь, связанных с сильно различающимися температурами воздуха в морозильной и холодильной камерах. Долгое время работа [15] была единственной методической базой для создания холодильников в нашей стране. Лишь спустя более двадцати лет была написана работа [2], посвященная обобщению существующих конструкций многих -27-выпускаемых в настоящее время в нашей стране и за рубежом бытовых компрессионных, абсорбционных и термоэлектрических холодильников и морозильников. Но в этих работах [2, 15] отсутствует анализ термодинамических циклов систем охлаждения БХП.
В фундаментальных работах по холодильной технике отечественных и зарубежных ученых [28, 34, 40, 41, 71, 84, 85] решены принципиальные вопросы теории парокомпрессионных холодильных машин. Дальнейшее развитие теории идет, главным образом, по пути детализации, углубленного изучения элементов, усовершенствования термодинамических циклов, в том числе на новых рабочих веществах, оптимизации взаимодействия элементов. Этот путь можно охарактеризовать, как развитие прикладной теории, которая на современном этапе дает наибольший полезный выход научных исследований в рассматриваемой области техники.
При этом все большое значение приобретают методы анализа эффективности технических систем, основанные на упрощенных расчетно-теоретических моделях, которые раскрывают влияние основных факторов.
Для анализа эффективности и выбора термодинамических циклов требуются зависимости на уровне приближенной математической модели, позволяющие связать достигаемый эффект со значениями определяющих термодинамических свойств.
Многие российские исследователи [3, 4, 12, 34, 39, 40, 43] анализировали эффективность циклов с помощью приближенных уравнений в зависимости от характерных термодинамических свойств (осредненных удельных теплоємкостей насыщенной жидкости, сухого насыщенного пара, перегретого пара, удельной теплоты фазового превращения), температур цикла (конденсации, кипения, -28-переохлаждения жидкости, перегрева пара, конца сжатия по изоэнтропе).
Существует также большое количество зарубежных публикаций на эту тему. В различных исследованиях [45, 47, 78] рассматриваются различные методические подходы для определения важнейших характеристик термодинамических циклов на моновеществах по ограниченному числу их определяющих свойств. Методика анализа термодинамических циклов для моновеществ на основе определяющих термодинамических свойств, наиболее полно и системно представлена в работе [34]. Эта методика использована многими исследователями.
Ряд работ [7, 16, 25, 28, 29] посвящен выбору состава и концентрации компонентов смесевых хладагентов и влиянию этих факторов на теплотехнические и эксплуатационные характеристики холодильных машин. Влияние основных термодинамических свойств на характеристики циклов в этих работах не рассмотрено. Этому вопросу посвящена работа [11]. В ней впервые предложен целый комплекс уравнений, который при ограниченных данных о теплофизических свойствах зеотропных смесей, позволяет определить все основные характеристики цикла. В статье были также определены основные факторы, которые оказывают влияние на эффективность термодинамических циклов на зеотропных смесях.
При оценке целесообразности использования зеотропных смесевых хладагентов необходимо сопоставление эффективности термодинамических циклов на смесевых хладагентах и на моновеществах. Такая методика разработана недостаточно. Для ее совершенствования необходимо, чтобы анализ эффективности термодинамических циклов на MB и на ЗС базировался на единых принципах. В частности, необходимо разделить факторы, влияющие
Описание стенда и средств измерения
Как видно из таблиц 2.1. и 2.2., при заданных температурных условиях соотношения параметров циклов определяются следующими величинами для всех хладагентов Ср - приведенной средней удельной теплоёмкостью перегретого пара при постоянном давлении Р0 , Сх - приведенной средней удельной теплоёмкостью насыщенной жидкости и дополнительно для зеотропных смесей: параметром AlgPH, который пропорционален неизотермичности АТН (рис.2.1 Г.).
На рис. 2.12. подтверждается удовлетворительная сходимость значений характеристик цикла, определенных по уравнениям таблиц 2.1. и 2.2. и рассчитанных с помощью уравнений состояния на примере фреона R12.
Значения коэффициента ц/т (рис. 2.12.), вычисленные по формулам таблицы 2.2., в среднем на 3 - 5% выше, чем рассчитанные по уравнениям состояния (на примере R290/R600), так как в выведенных выражениях учитывается только один вид потерь: внутренние необратимые потери от дросселирования, а потерями от перегрева пара в процессе сжатия, пренебрегают.
Соотношения параметров рассмотренных выше циклов для сравниваемых хладагентов различно в разных диапазонах рабочих температур t0 и tK. Чтобы выявить это, на рис.2.13. - 2.18. приведены расчётные данные для t0 = -30...+10 С и tK = t0 + 50 С (т.е., например, температуре t0 = -20 С соответствует tK = +30 С; t0 = 0 С соответствует tK = 50 С). Эквивалентные температуры кипения и конденсации для зеотропных смесей приняты как средние (Т0 ср., Тк. ср) в процессах кипения и конденсации.
Между параметрами, характеризующими теплофизические свойства хладагентов на рис. 2.11. и коэффициентами, характеризующими эффективность циклов на рис.2.13. - 2.15., 0,7
Коэффициенты эффективности термодинамических циклов для R12. -54 наблюдается хорошая корреляция. Большим значением Сх соответствует более низкое значение ЛтіСвязь соотношений холодильных коэффициентов цикла ТІ с теплофизическими свойствами хладагентов раскрывается при сопоставлении коэффициентов обратимости циклов Лті = єті / єобР. (рис. 2.13.). Вместе с тем, большие значения Сх в сочетании с большим Ср обуславливают более высокие значения коэффициентов фТ2, фт4-Хладагент R22 / R142b имеет в сравнении с другими низкую удельную теплоёмкость перегретого пара Ср 5 что обуславливает более низкие значения ГТ1 (существенна доля внутренних необратимых потерь цикла от перегрева пара при сжатии; расчёт гТ1 по формуле таблицы 2.1., не учитывающей эти потери, даёт завышенные значения на 4...6 %) и достигаемые значения \/Т2. Однако в цикле Т4 его эффективность практически выравнивается с хладагентами R134a и R12. Весьма благоприятными углеводородов R290 / R600 (низкие Сх , высокие Ср и AlgPH), для которой в цикле Т4 может быть достигнута высокая степень обратимости, близкая к 0,9.
Соотношение отношений давлений (рис. 2.16.) ЯТ1 = Рк / Р0 даёт представление об ожидаемых значениях рабочих коэффициентов компрессора, если известны эти характеристики при работе на одном из сравниваемых хладагентов (например, на R12), так как обычно для хладагентов, близких по уровню давлений, характеристики На рис. 2.17. приведены графики предельных значений пт, равные отношению давлений Р0/?о для трёх регенеративных циклов тг
Подтверждена хорошая сходимость значений характеристик цикла по выведенным зависимостям, позволяющим оценивать эффективность использования различных хладагентов и эффект от применения регенеративных циклов в зависимости от теплофизических свойств рабочего вещества, и рассчитанных с помощью уравнений состояния.
Эффективность термодинамических циклов при заданных температурных условиях в основном зависит от следующих величин: Ср - приведенной средней удельной теплоёмкости перегретого пара при постоянном давлении Р0 , Сх -приведенной средней удельной теплоёмкости насыщенной жидкости. Эффективность регенеративных циклов на ЗС зависит от параметра AlgPH, который пропорционален неизотермичности АТН.
Исходя из анализа термодинамических свойств, в качестве альтернативных хладагентов предпочтительно выбирать те, у которых относительно более низкие значения Сх и более высокие Ср , а для зеотропных смесей - высокие значения параметра AlgPH (АТН).
Анализ подтвердил, что термодинамические характеристики R134a хуже, чем R12 во всех рассмотренных циклах. Зеотропный смесевой хладагент R22/R142b в базовом цикле уступает R12, а в регенеративных циклах его энергетическая эффективность уравнивается с R12.
Зеотропная смесь пропан/бутан уже в базовом цикле без регенерации превосходит по энергетической эффективности R12, а при переходе к регенеративному циклу (Т4) холодильный коэффициент R290/R600 дополнительно вырастает еще 10 - 15%.
Методика обработки результатов измерения
Таблиц состояния в парожидкостнои области"; кДж i8, - — - энтальпия кипящей парожидкостнои смеси после кг испарителя морозильной камеры, определяемая по температуре и давлению на выходе из МК с помощью "Таблиц состояния в парожидкостнои области". qXK = i9 - i, — удельная холодопроизводительность холодильной кг камеры, (рис. 3.03.), кДж где i8, - — - энтальпия кипящей парожидкостнои смеси перед кг испарителем холодильной камеры, определяемая по температуре и давлению на входе в ХК с помощью "Таблиц состояния в парожидкостнои области"; камеры, определяемая по температуре и давлению на выходе из ХК с помощью "Таблиц перегретых паров".
Холодильный коэффициент системы охлаждения. Сравниваем холодильные коэффициенты, вычисленные с помощью различных выражении: Разбаланс между Э S этими значениями должен составить не более Погрешности определения основных величин при испытаниях и обработке результатов. Систематические ошибки при испытаниях исключались тарированием приборов. Случайные ошибки исключались из результатов путем сравнения с большинством аналогичных точек при построении рассматриваемых характеристик компрессора и системы охлаждения.
Погрешности измеряемых величин.
В проведенных экспериментах определялись четыре величины -температура, давление, расход и мощность. Оценим максимальную погрешность измерения этих величин.
Предельная абсолютная погрешность Давления измеряются образцовыми манометрами класса 0,4. при этом в соответствии с ГОСТ 2405 - 88 определяется ценой деления шкалы и составляет при числе делений 250:
Эти манометры используются таким образом, что предельные относительные погрешности составляют для калориметрического и теплотехнического стендов, соответственно:
Погрешность измерения температуры определим, выделив погрешность средств измерения и погрешность метода измерения.
Погрешность средств измерения ЛТС1 - оценивалась с использованием паспортных данных о максимальной приведенной погрешности. Измерения температуры проводилось с помощью термопреобразователей, показания которых выводились на микропроцессорный измеритель-регулятор типа TPM5-PIC, обеспечивающего диапазон контроля от -50 до 200 С с точностью 0,1 К. Предельно допустимая основная приведенная погрешность 0,5%.
Принцип работы прибора состоит в высокоточном измерении напряжения пропорционального измеряемому параметру, преобразовании этого значения в частоту и дальнейшей обработке однокристальным контроллером. Все введенные параметры регулирования заносятся в электрически - перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство, что обеспечивает их сохранность и неизменность при отключении питания прибора. С учетом чувствительности термопреобразователей получаем 5С1=0,1%.
Погрешность метода измерения температуры определялась следующими ее составляющими. Погрешность градуировки термопреобразователей оценивалась с учетом степени чистоты веществ, используемых при градуировке, и погрешности измерительного прибора. Она составила 5М] =0,2%. Погрешность, связанная с градиентом температуры между потоком хладагента и стенкой. Она составила 5М2 =0,2%
Таким образом, максимальная абсолютная погрешность измерения температуры составляет 8t Макс = Sci + $мі + $мг = ,5 0// Для определения расхода воды, прошедшей через конденсатор, использовался водяной счетчик, допускающий относительную погрешность измерения расхода aG = 0,8%, что соответствует предельной относительной погрешности 5Q - 1,5 %.
Мощность определяли с помощью лабораторного автотрансформатора - "комплекта измерительного К540". Предельные относительные погрешности измерений потребляемой внутренней мощности составили в соответствии с ГОСТ 8746-93 не более 5N = 1,0 %.
