CC BY
16УДК 621.564+621.565
DOI: 10.25206/2588-0373-2021-5-4-55-64
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦИКЛОВ КАСКАДНЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН С ПРИМЕНЕНИЕМ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА
А. С. Хрёкин, И. В. Баранов, А. А. Никитин
Университет ИТМО, Россия, 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9
В данной публикации выполнен анализ и доказана целесообразность совершенствования энергетических показателей низкотемпературных холодильных машин, работающих на R744 с применением каскадных схем с хладагентами R134а, Р1234у1 и Р717, основываясь на ранее полученных данных при анализе двухступенчатых схем. В настоящее время, при существующих экологических запретах и возрастающем интересе к созданию низкотемпературных холодильных машин, работающих с применением диоксида углерода в двухступенчатой и каскадной схемах, представленное исследование дополняет научную литературу по обоснованию применения каждой из них.
Ключевые слова: каскадная холодильная машина, потенциал глобального потепления, верхний каскад, транскритический цикл, традиционные хладагенты, озоноразрушающая способность, диоксид углерода, холодопроизводительность, природный хладагент, холодильная установка.
I ■
л
О
1Я 1> N1
ОИ О О Е н Т х
>О 2 А
■ К > О
1 о
О
< К ОО
Введение
Принятые Российской Федерацией обязательства Монреальского протокола [1, 2] не допускают использование хладагентов с высоким значением парникового эффекта. В исследовании, опубликованном в статье [3], рассмотрены вопросы применения Я744 (СО2) как перспективного природного хладагента [4— 10] для объектов потребления холода в диапазоне температурных уровней от —40 °С до 10°С как перспективного направления и реальной возможности выполнения существующих международных экологических ограничений применения рабочих веществ холодильных машин. Выполнен анализ эффективности применения Я744 в низкотемпературных системах с полугерметичными компрессорами по теплотехническим, энергетическим, эксплуатационным показателям с учетом типа объекта холодоснабжения, температурных уровней потребления холода и внешних условий отвода теплоты в окружающую среду в сравнении с используемыми в настоящее время хладагентами. Из последних лучшие показатели достигаются при применении Я507а (азеотропной нетоксичной и пожаробезопасной смеси).
По результатам сравнения и термодинамического анализа циклов и составляющих процессов холодильных машин выполнены количественные оценки и обоснованы:
— преимущества использования Я744 в циклах нижней ступени низкотемпературных холодильных машин;
— отличия качественных и количественных показателей транскритических циклов в верхней ступени либо одноступенчатых среднетемпературных от традиционных субкритических для основных применяемых хладагентов;
— при технических преимуществах Я744, как дешевого природного экологически и пожаробе-
зопасного хладагента значительно более высокого давления, установлены низкие энергетические и теплотехнические показатели эффективности его применения при транскритических режимах в сравнении с Я404а и Я507а [3] для одноцелевых холодильных систем (только для получения холода);
— в настоящее время для рассмотренных условий потребления холода, требующих применения низкотемпературных двухступенчатых или каскадных циклов, Я744 является единственным природным хладагентом группы безопасности А1, отвечающим установленным экологическим запретам;
— показана целесообразность совершенствования работающих на Я744 низкотемпературных холодильных систем их каскадным исполнением.
Постановка задачи
Для верхнего каскада предпочтительны экологически безопасные нетоксичные хладагенты с низким показателем глобального потепления (СШР), группы опасности А1, однокомпонентные, азеотропные или зеотропные с незначительным температурным глайдом.
Указанным требованиям из разрешенных в настоящее время и приемлемых к применению в рассматриваемых условиях отвечают хладагенты Ш34а, Я404а, Я450а, Я507а, Я1234у [11-18]. Из них все хладагенты, кроме дорогостоящего Ш234у£ (различие на порядок), в полной мере не отвечают запрету Регламента Европейского союза № 517/2014 на использование хладагентов группы ГФУ
В первой части выполненного исследования [3] показано, что Я404а в сравнении с Я507а не имеет существенных преимуществ. Из остальных Ш234у£ является реальной альтернативой заменой Ш34а в цикле верхнего каскада, а Я450а предлагается как переходный, основным преимуществом которого является в 2,2 раза меньшее значение СШР, но превы-
кО чр
" аз
± а:
X 2
< <
< < со >"
Н ™ >
1- ф
ч
П
х
^
а
а
-
о
а
о
и
и
х
а
а
г
о
*
х
х
I ■а
Ф
-
ф % Ф "Ф
а
Ф Т.
& ©
< ¡ж
о ¡ж
В Ф и
х а
я = г Е с и
--
х
х Ф
I б
I и
я Ф
а л
о Ё
£ Ф ¡Ж
о и
к Ф
а N
а (С аэ
а ©
о е- « Ф а
я В
5
£
А н
*
г < --
о
А Я
н н
О <л < <
а.
о
о с^ о с^ 2
сч о ю СП 5 и^' 8 З
2 8СЕ-
о
га о 4 о '5 З
а Ф о Л со сч (О сз т 2
2 -Е
т га а к
(О
о
с к о
н
«
сч га ^ о от о с^ 2
о и^' 8
2 8СЕ- 5 СП 5 З
и
о
СП о о
аз от
Л 4СТЕи- из 5 из 2
со
о
^ 4БЕ8- 5У-
Т т сч 2 8'42 26,84 ^ ОТ
со
о
4
га о ЗУ- 4 5 с^ о
а ю сз аз от
Ф СИ - ^ ^
2 со
т Е
га л
а 4
о
с
к со
н о
« 4
га 5У- 5 аз 4 аз ^
2 4БЕ8- 8' 2 от
и
(О
о с^ о ю
а 4 8' 4'
' а
га
а га
о а
о о
о о о
Ф со т о
а Ф
с К а
2 О с
н о а о 2
и а с са о
ф ьй н . ¡г а
^ ей < £ X Ф < о еа а 3 О н \ Ф " а 2 о -Ф « (а о о ей ^
шающее значение запрета в 4 раза. По результатам сравнения с Ш34а для условий рассматриваемой задачи установлено, что для однотипного компрессора применение Я450а обеспечивает практически тождественный холодильный коэффициент (ниже на 2 — 4 %) и уменьшение холодопроизводительности на 13—15 %. Учитывая приведенное выше, истекающие сроки переходного периода, а также стоимость хладагента, содержащего в своем составе олефин Ш2347е, Я450а целесообразно исключить из последующего сравнения.
Удовлетворяют экологическим запретам с эксплуатационными ограничениями пожароопасные природные хладагенты: углеводороды и аммиак. Из них для каскадных холодильных систем применяют в основном аммиак (Я717) и редко пропан (Я290), что связано с повышенной пожарной опасностью последнего и ограниченной номенклатурой выпускаемого оборудования для его использования в холодильных системах.
С учетом приведенного выше, для сравнительного анализа двухступенчатых и каскадных циклов, для верхнего каскада приняты хладагенты Ш34а, Я507а, Ш234у£ Я717.
Сравнение необходимо выполнить по показателям, рассмотренным в статье [3], при переменных температурах:
— конденсации Я744 в нижнем каскаде холодильной машины I = —10...0 °С;
т '
— на выходе хладагента из конденсатора или теплообменника для транскритического режима t = = 25 — 50 °С (далее по тексту называемой конечной);
— разности температур хладагентов конденсации в нижнем и кипения в верхнем каскадах ДГ = = t -t = 3-7 К;
т о вк '
— перегрев пара на всасывании в компрессор принят 10 К для Я744 и 5 К для хладагентов верхнего каскада.
Результаты исследования
В табл. 1 приведена информация о выбранных для сравнения типах полугерметичных компрессоров компании Б^ег.
Тепловой поток От (табл. 1) указан при температурных условиях циклов: t = -10 °С, t = 35 °С, ДГ =
^ ^ ^ 1 т к ки
= 0 К, перегрев пара на входе в компрессор 10 К.
В табл. 2 представлены результаты сравнения циклов по величине холодильного коэффициента £ = = в диапазонах варьируемых параметров
с компрессорами 1-го типоразмера. Для наглядной оценки показатели для каскадных схем приведены в относительных величинах £/£* — отношения холодильных коэффициентов циклов верхних ступеней каскадной схемы и двухступенчатой, работающей на Я744 при тождественных значениях величин tm, tк и переменных ДГки. Последние выбраны в рациональных пределах для конденсаторов-испарителей.
Из приводимых данных (табл. 2) очевидна целесообразность совершенствования по энергетическим показателям низкотемпературных холодильных машин, работающих на Я744, с применением каскадных схем с хладагентами Ш34а, Я507а, Ш234у1.
Отметим, что для Я744 режимы при t = 0 °С и всего диапазона tк являются предельно допустимыми, а при tк = 45 °С, tк = 50 °С и всего диапазона tm ограничены по максимальному давлению нагнетания.
Для рассмотренных выше хладагентов верхнего каскада отсутствуют ограничения во всех диапазонах варьируемых переменных t , t и ДГ . Из них
^ ^ 1 т к ки
Таблица 2. Сравнение циклов по величине холодильного коэффициента Table 2. Comparison of refrigeration efficiency
£* = Qm/NsA Отношение £/£*
R744 R134а R507d R1234yf
tm, °C tk, °C Мки= 3К Мки= 7К Мки= 3К Мки= 7К Мки= 3К Мки= 7К
0 25 4,68 1,09 0,94 1,07 0,93 1,06 0,91
30 3,21 1,36 1,18 1,30 1,13 1,30 1,14
35 2,45 1,53 1,35 1,42 1,25 1,46 1,28
40 1,9 1,71 1,52 1,54 1,36 1,61 1,42
45 1,41 2,01 1,79 1,74 1,54 1,86 1,65
50 0,9 2,74 2,44 2,27 2,00 2,50 2,21
-5 25 3,73 1,14 0,99 1,12 0,98 1,10 0,96
30 2,62 1,40 1,23 1,34 1,18 1,34 1,18
35 2,04 1,57 1,38 1,45 1,28 1,49 1,30
40 1,6 1,74 1,54 1,56 1,38 1,63 1,44
45 1,28 1,91 1,70 1,64 1,45 1,76 1,55
50 0,91 2,35 2,09 1,92 1,70 2,12 1,88
-10 25 3,02 1,18 1,02 1,17 1,02 1,14 0,99
30 2,15 1,45 1,27 1,39 1,22 1,38 1,21
35 1,71 1,60 1,40 1,48 1,31 1,51 1,32
40 1,36 1,76 1,55 1,57 1,40 1,64 1,44
45 1,09 1,93 1,71 1,66 1,48 1,77 1,56
50 0,78 2,37 2,09 1,94 1,72 2,13 1,87
О
IS 1> N1
OS О О E н T x >0 z А
■ К > О
ia
i о
О
< К
O О
Рис. 1. Зависимость £ = f(tK) для циклов верхней ступени при работе на R744 и R134а в каскадной схеме с компрессорами первого типоразмера Fig. 1. Dependence of £ = f(tK) for upper stage cycles when operating on R744 and R134a in cascade design with first type of compressors size
Рис. 2. Зависимость £ = f(tK) для циклов верхней ступени при работе на R744 и R134а в каскадной схеме с компрессорами второго типоразмера Fig. 2. Dependence of £ = f(tK) for upper stage cycles when operating on R744 and R134a in cascade design with second type of compressors size
применение Ш34а обеспечивает более высокие значения холодильного коэффициента (при изменении ^ от 25 °С до 50 °С на 3-10 % в сравнении с ^234^ и на 1-18 % с Я507а). Преимуществом последнего, хладагента более высокого давления, является сокращение удельных массогабаритных показателей компрессоров, недостатком его последующего применения — отсутствие реальной альтернативы замены в существующем оборудовании хладагентом, удовлетворяющим условиям запрета. Замена Ш34а на ^234^ не сопряжена с указанной проблемой, но приводит к уменьшению холодопроизводительности от 2 до 10 % в рассмотренных диапазонах изменения
t , t и AT
m к
Сравнение энергетических показателей при такой замене приводится в табл. 2.
На рис. 1-2 представлено сравнение циклов верхней ступени для Я744 и каскадного для Ш34а по величине холодильного коэффициента £ в диапазоне температур t = -10-0 °С, t = 25-50 °С и ДГ =
^ 1 т к ки
= 3-7 °С (принятые тождественными для всех рассмотрений) и двух типоразмеров компрессоров, приведенных в табл. 1. Ряды данных докритического и транскритического режимов работы Я744 представлены раздельно.
На указанных и последующих рисунках принято обозначение рядов для Ш34а:
Таблица 3. Информация о выбранных типах аммиачных компрессоров фирмы Bitzer Table 3. The types of Bitzer ammonia compressors selected
Хладагент R717 Поршневые Винтовой
1-й типоразмер 2-й типоразмер
Тип компрессора W2TA- K W6HA- K OSKA5341- K
Qm, кВт 11,24 57,50 52,7
Vh, м3/час 19,68 110,50 84,0
Таблица 4. Сравнение циклов аммиачных компрессоров по величине холодильного коэффициента Table 4. Comparison of ammonia compressors refrigeration efficiency
£* = Qm/^л Отношение £/£* £*= Qm/NsA Отношение £/£*
R744 R717 1-й типоразм. R744 R717 2-й типоразм. R717 Винтовой
tm, C tk, °C Мки= 3К Мки= 7К Мки= 3К Мки= 7К Мки= 3К Мки= 7К
0 25 4,68 1,10 0,93 4,73 1,17 0,98 1,00 0,90
30 3,21 1,39 1,18 3,32 1,41 1,20 1,25 1,12
35 2,45 1,57 1,35 2,64 1,53 1,31 1,38 1,24
40 1,90 1,76 1,53 2,12 1,68 1,46 1,51 1,36
45 1,41 2,07 - 1,57 2,04 - 1,80 1,61
50 0,90 - - 1,00 - - 2,47 2,20
-5 25 3,73 1,11 0,94 3,87 1,15 0,96 1,08 0,96
30 2,62 1,39 1,19 2,78 1,37 1,17 1,31 1,17
35 2,04 1,56 1,35 2,26 1,48 1,27 1,41 1,26
40 1,60 1,75 - 1,83 1,62 - 1,53 1,36
45 1,28 - - 1,48 - - 1,65 1,46
50 0,91 - - 1,05 - - 2,04 1,79
-10 25 3,02 1,12 0,95 3,23 1,11 0,93 1,12 0,99
30 2,15 1,39 1,19 2,35 1,33 1,12 1,34 1,19
35 1,71 1,55 - 1,94 1,42 - 1,42 1,25
40 1,36 - - 1,59 - - 1,51 1,33
45 1,09 - - 1,29 - - 1,62 1,42
50 0,78 - - 0,93 - - - -
1Л чр
" ¡Я
± cl
X Z
с < с <
со >" ™ >
О <л < <
— при температурах конденсации Я744: tm1 = 0 °С, t 2 = -5 °С и t 3 = -10 °С;
т2 т3 '
— разностей температур конденсации Я744 и кипения Ш34а при переменных 1;ш индексами: * — ДГ = 5 К, ** — ДГ = 7 К, без индекса — ДГ = 3 К.
ки ки ки
Аналогичная система обозначений принята на всех последующих рисунках.
Выводы по результатам сравнения циклов верхних ступени и каскада с полугерметичными компрессорами:
1. При работе на Ш34а и Я744 энергетически менее эффективен цикл с применением Я744. Ухудшение холодильного коэффициента составляет для докритических режимов: 8-28 % для первого типоразмера, для второго типоразмера до 19 %; для транскритических режимов: 37-63 % для первого типоразмера, 25-56 % для второго типоразмера.
2. Отсутствуют технические ограничения в применении эффективного хладагента Ш34а группы опасности А1 в рассмотренных, типичных для холодильной техники, диапазонах переменных параметров работы цикла верхнего каскада.
3. При значительном мировом уровне производства и применения холодильной техники, работающей на Ш34а, полное выполнение экологических ограничений его использования сопряжено с существенными затратами. Представляется целесообраз-
ным применять Ш34а для верхнего каскада до его запрета и перейти с сохранением оборудования на альтернативный хладагент Ш234у1:, учитывая его стоимость и дефицит.
4. Каскадный цикл с Ш34а наиболее эффективен для условий, когда транскритический режим работы двухступенчатой холодильной машины на Я744 преобладает.
Областью применения хладагента Я717 являются, как правило, промышленные холодильные системы, в которых обеспечивается выполнение требований и ограничений, связанных с токсичностью и пожаро-опасностью аммиака. Особенности его химических свойств влияют на технические решения оборудования. В частности, выпускаемые аммиачные компрессоры по типу являются открытыми. Для сравнения выбраны компрессоры, приведенные в табл. 1 для Я744 и табл. 3 для Я717.
Тепловой поток От (табл. 3) указан при температурных условиях циклов: ^ = -10 °С, tк = 35 °С, ДГки = 0 К, перегрев пара на входе в компрессор 1 К.
Сравнение выполнено в том же диапазоне варьируемых параметров, из фиксируемых параметров цикла изменен перегрев пара на всасывании в компрессор, принятый для Я717 — 1 К.
В табл. 4 представлены результаты сравнения циклов по величине холодильного коэффициента
Рис. 3. Зависимость £ = f(tK) для циклов верхней ступени при работе на R744 и R717 в каскадной схеме с поршневым компрессором Fig. 3. Dependence of £ = f(tK) for upper stage cycles when operating on R744 and R717 in cascade design with reciprocating compressor
Рис. 4. Зависимость £ = f(tK) для циклов верхней ступени при работе на R744 и R717 в каскадной схеме с винтовым компрессором Fig. 4. Dependence of £ = f(tK) for upper stage cycles when operating on R744 and R717 in cascade design with screw compressor
i ■
О
IS 1> ü OS g о E н T x >0 z А
■ К > О
ía
í о
О
< К
O О
£ = Qm/Ыэл в диапазонах варьируемых параметров с поршневыми компрессорами первого и второго типоразмера, а также винтовым компрессором. В качестве наглядной оценки показатели для каскадных схем приведены в относительных величинах £/£* — отношения холодильных коэффициентов циклов верхних ступеней каскадной схемы на хладагенте R717 и двухступенчатой, работающей на R744 при тождественных значениях величин tm, tK и переменных ДГ . Последние выбраны в рациональных пределах для конденсаторов-испарителей.
Отметим затруднения проведенной сравнительной оценки показателей для данных условий:
— нарушена идентичность сравнения по используемому типу оборудования (полугерметичные и открытые компрессоры);
— фирма Bitzer поставляет открытые компрессоры без двигателей и приводит для них объективные данные по потребляемой мощности на валу, а для полугерметичных — электрической;
— в расчетах приняты КПД двигателей типа АИР по рекомендуемой номинальной мощности.
На рис. 3 — 4 представлено сравнение циклов верхней ступени для R744 и каскадного для R717 по величине холодильного коэффициента £ в указанном ранее диапазоне температур tm, tK и ДТш для компрессоров второго типоразмера, приведенных в табл. 3.
Ряды данных докритического и транскритического режимов работы R744 представлены раздельно.
Из табл. 4 и рис. 3, аналогично полученным результатам для R134а, видны энергетические преимущества каскадного цикла с поршневыми компрессорами в верхней ступени, работающими на хладагенте R717. Из весьма существенных недостатков применения аммиачных поршневых компрессоров для рассматриваемых условий следует отметить ограничения его применения по предельно допустимой температуре конденсации в рассматриваемом диапазоне изменения переменных. Предельные значения соответствуют линии тренда Tmax (рис. 3).
Учитывая экологические преимущества Я717 и реальных потребителей, предлагается сократить указанные ограничения применением винтовых аммиачных компрессоров. Подтверждают целесообразность такого решения результаты, приведенные в табл. 4 и на рис. 4. Имеется возможность дополнительного улучшения показателей цикла — применением экономайзерной схемы.
Сравнение по удельному тепловому потоку, передаваемому в окружающую среду верхней ступенью при работе на Я744 или каскадом при работе на хладагентах Ш34а и Я717, приведено на рис. 5-8.
Представленные результаты сравнения показывают существенное сокращение тепловых потоков в окружающую среду при каскадном исполнении холодильных машин и использованием хладагентов: в нижнем каскаде — Я744, в верхнем — Я717, Ш34а или Ш234у£ при tк > tр для Я717, т. е. при транскритических режимах работы верхней ступени машины с хладагентом Я744.
В этих условиях при рассматриваемом диапазоне tm, и ДГки и каскадном цикле, уменьшение 01/0т составляет: с применением Ш34а — 5-25 %, Я717 — 10-32 %. Последние относятся только к циклу с винтовым компрессором. Предельные значения соответствуют линии тренда Гтах (рис. 7).
Отличием Я744 от традиционных холодильных агентов является высокий показатель адиабаты пара, что приводит к его значительно большему нагреву при одинаковых температурах кипения и конденсации. При применении Я744 в нижнем каскаде это оказывает негативное влияние на термодинамические и эксплуатационные показатели, уменьшение которого может быть обеспечено внешним охлаждением нагнетаемого компрессором нижней ступени пара до его подачи в конденсатор-испаритель.
Анализ эффективности такого решения выполнен с использованием характеристик полугерметичного компрессора модели 4У8Ь-15К-40Р (Б^ег), холодопроизводительностью 54,8 кВт при темпера-
Рис. 5. Зависимость Qk/ Qm = f(tK) для циклов верхней ступени компрессоров первого типоразмера при работе на R744 и R134a в каскадной схеме Fig. 5. Dependence of Qk/ Qm = f(tK) for upper stage cycles with first type of compressors size when operating on R744 and R134a in cascade design
Рис. 6. Зависимость Qk/ Qm = f(tK) для циклов верхней ступени компрессоров второго типоразмера при работе на R744 и R134a в каскадной схеме Fig. 6. Dependence of Qk/Qm = f(tK) for upper stage cycles with second type of compressors size when operating on R744 and R134a in cascade design
Рис. 7. Зависимость Qk/ Qm = f(tK) для циклов верхней ступени компрессоров второго типоразмера при работе на R744 и R717 в каскадной схеме Fig. 7. Dependence of Qk/ Qm = f(tK) for upper stage cycles with second type of compressors size when operating on R744 and R717 in cascade design
Рис. 8. Зависимость Qk/Qm = f(tK) для циклов верхней ступени компрессора второго типоразмера при работе на R744 и аммиачного винтового компрессора в каскадной схеме Fig. 8. Dependence of Qk/Qm = f(tK) for upper stage cycles
with second type of compressors size when operating on R744 and ammonia screw compressor in cascade design
турах кипения t = -35 °С, конденсации tm = -10 °С и стандартном перегреве пара на входе в компрессор. Его характеристики по температурам нагнетания и отсутствии переохлаждения жидкости приведены в табл. 5.
Приняты условия внешнего охлаждения: температура пара на входе в конденсатор-испаритель равна температуре конденсации хладагента верхне-
го каскада t . Показателем эффективности влияния внешнего охлаждения на сокращение холодопроиз-водительности и энергозатрат принята доля теплового потока внешнего охлаждения от отводимого из нижнего каскада.
В табл. 6 приведены результаты анализа влияния основных параметров работы на полученный эффект. Принимаемый уровень внешнего охлаждения
Таблица 5. Характеристики полугерметичного компрессора 4VSL-15K-40P (Bitzer) Table 5. Characteristics of Bitzer semi-hermetic compressor 4VSL-15K-40P
Уровни температур Температура пара на выходе из компрессора fera-, °C
to, °C tm = -10 °C tm = —5 °C tm = 0 °C
-50 91,2 109,0 -
-45 71,6 87,1 103,7
-40 56,1 70,1 85,0
-35 43,6 56,5 70,1
-30 33,2 45,2 57,8
Таблица 6. Результаты анализа холодопроизводительности и энергозатрат в верхнем каскаде Table 6. Results from the analysis of refrigerating capacity and energy consumption in the upper cascade
Уровни температур Уменьшение холодопроизводительности и энергозатрат в верхнем касаде, %
tm, °C to, °C tK = 25 °C tK = 30°C tK = 35 °C tK = 40 °C tK = 45 °C tK = 50 °C
-10 -50 18,7 17,2 15,7 14,3 12,8 11,4
-45 14,0 12,4 10,9 9,4 7,9 6,4
-40 9,9 8,3 6,7 5,1 3,5 1,9
-35 6,3 4,5 2,9 1,2 - -
-30 2,9 1,1 - - - -
-5 -50 24,0 22,4 20,9 19,4 17,9 16,5
-45 19,1 17,4 15,8 14,2 12,7 11,1
-40 14,8 13,0 11,4 9,7 8,0 6,4
-35 11,0 9,1 7,4 5,6 3,9 2,2
-30 7,4 5,5 3,7 1,9 - -
0 -50 - - - - - -
-45 24,7 22,9 21,2 19,5 17,9 16,3
-40 20,2 18,4 16,6 14,8 13,1 11,4
-35 16,3 14,3 12,4 10,6 8,8 7,0
-30 12,6 10,5 8,5 6,6 4,7 2,9
О
IIS 1>
Ni
OS
K о
E Н T x
>9 z А
■ К > О
i о
О
< К O9
определяется конкретными условиями, минимальный должен обеспечить выполнение ограничений по термонапряженности конденсатора-испарителя. Последнее существенно для пластинчатых аппаратов, выпускаемых для работы на Я744.
Заключение
Применение каскадных схем в низкотемпературных холодильных машинах, с использованием хладагентов Я744 в нижнем каскаде и работающих при субкритических режимах хладагентов в верхнем каскаде, является перспективным направлением по увеличению энергетической эффективности данных машин и сокращению тепловых выбросов в атмосферу.
Выполненный сравнительный анализ энергетических показателей циклов верхней ступени при работе на Я744 и верхнего каскада при работе на Ш34а, ^334^, Я507а и Я717 показал преимущества каскадного варианта, особенно для условий, когда транскритический режим работы на Я744 преобладает.
Говоря о хладагентах группы опасности А1 для верхнего каскада, наиболее высокие показатели достигаются применением Ш34а, не имеющего технических ограничений в диапазоне рассматриваемых условий. До его полного запрета он целесообразен к применению с возможностью последующей замены на Ш234^ и сохранении оборудования.
Природный хладагент R717, несмотря на группу его опасности B2L, в настоящее время рассматривается как перспективный для промышленных холодильных систем по экологическим и экономическим показателям, а также эффективности холодильного оборудования. Анализ показателей при работе в рассматриваемых условиях верхнего каскада с поршневыми компрессорами подтвердил энергетическую эффективность его применения. Вместе с тем рассмотренные ограничения режимов работы являются существенным недостатком такого решения, и предлагается сократить его путем использования винтовых компрессоров, что подтверждается представленными результатами.
При применении R744 в нижнем каскаде целесообразно внешнее охлаждение пара, нагнетаемого компрессором, до его подачи в конденсатор-испаритель. Приведены результаты анализа эффективности внешнего охлаждения на сокращение хо-лодопроизводительности и энергозатрат верхнего каскада.
Список источников
1. Adoption of the Paris agreement // United Nations Conference of the Parties. Twenty-first session, Paris, 30 November to 11 December 2015. 32 p.
2. Protocole de Kyoto à la convention-cadre des nations unies sur les changements climatiques. Nations Unies, 1998. P. 6 — 13.
3. Хрёкин А. С., Баранов И. В. Сравнительный анализ эффективности циклов холодильных машин // Вестник Международной академии холода. 2021. № 1 (78). С. 12-21. DOI: 10.17586/1606-4313-2021-20-1-12-21.
4. Плешанов С. Ю., Катраев М. Ю. Опыт реализации транскритической холодильной установки на диоксиде углерода в магазине сети «Ашан» в г. Пушкино. Сравнение энергетической эффективности субкритических и транскритических схем коммерческих холодильных установок // Холодильная техника. 2020. № 1. С. 10-13.
5. Плешанов С. Ю., Катраев М. Ю. Повышение эффективности холодильной системы в условиях современного магази-ностроения. Опыт реализации транскритической установки на диоксиде углерода в магазине сети «Метро» в г. Солнцево // Холодильная техника. 2019. № 2. С. 11-14.
6. Manzolini G., Binotti M., Bonalumi D. [et al.]. CO2 mixtures as innovative working fluid in power cycles applied to solar plants. Techno-economic assessment // Solar Energy. 2019. Vol. 181. P. 530-544. DOI: 10.1016/j.solener.2019.01.015.
7. Wu Y., Wang X., Yang Y. [et al.]. A combined cooling and power system of supercritical/transcritical CO2 cycle with liquefied natural gas as cool source // Hsi-An Chiao Tung Ta Hsueh/J Xi'an Jiaotong Univ. 2015. Vol. 49. DOI: 10.7652/xjtuxb201509011.
8. Zhang Q., Ogren R. M., Kong S. C. Thermo-economic analysis and multi-objective optimization of a novel waste heat recovery system with a transcritical CO2 cycle for offshore gas turbine application // Energy Conversion and Management. 2018. Vol. 172. P. 212-227. DOI: 10.1016/j.enconman.2018.07.019.
9. Song J., Li X. Y., Ren X. D. [et al.]. Thermodynamic and economic investigations of transcritical CO2-cycle systems with integrated radial-inflow turbine performance predictions // Applied Thermal Engineering. 2020. Vol. 165. DOI: 10.1016/j. applthermaleng.2019.114604.
10. Fazelpour F., Morosuk T. Exergoeconomic analysis of carbon dioxide transcritical refrigeration machines // International Journal of Refrigeration. 2014. Vol. 38. P. 128-129. DOI: 10.1016/j. ijrefrig.2013.09.016.
11. Molina M. J., Rowland F. S. Stratospheric sink for chlorofluorome- thanes; chlorine atoms catalyzed destruction of ozone // Nature. 1974. Vol. 249. P. 810-814.
12. Safe use of HCFC alternatives in refrigeration and air-conditioning. An overview for developing countries. United Nations Environment Programme, 2015. 75 p.
13. Coulomb D. World tendencies and priorities in development of low-temperature engineering // Journal of International Academy of Refrigeration. 2012. No. 4. P. 2-6.
14. Целиков В. Н. О регулировании производства и потребления гидрохлорфторуглеродов в Российской Федерации // Холодильная техника. 2014. № 7. С. 4-11.
15. Coulomb D. The refrigerants future: the phase down of HFCFs and its consequences // Journal of International Academy of Refrigeration. 2014. No. 1. P. 2-5.
16. Цветков О. Б., Лаптев Ю. А. Энерго- и экологически эффективные рабочие вещества в технологиях генерации холода и теплоты // Холодильная техника. 2016. № 3. С. 18-24.
17. Цветков О. Б. Хладагенты на посткиотском экологическом пространстве // Холодильная техника. 2012. № 1. С. 70-72.
18. Цветков О. Б., Бараненко А. В., Лаптев Ю. А [и др.]. Синтетические хладагенты, регулируемые Киотским протоколом // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Холодильная техника и кондиционирование. 2015. № 4. С. 1-8.
ХРЁКИН Антон Сергеевич, аспирант факультета энергетики и экотехнологий. SPIN-код: 7410-0431 AuthorID (РИНЦ): 961509 ORCID: 0000-0001-5603-8460 Адрес для переписки: [email protected] БАРАНОВ Игорь Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), директор мегафакуль-тета биотехнологий низкотемпературных систем. SPIN-код: 1938-6901 AuthorID (РИНЦ): 227737 ORCID: 0000-0003-0595-368X AuthorID (SCOPUS): 57209773690 Адрес для переписки: [email protected] НИКИТИН Андрей Алексеевич, кандидат технических наук, доцент факультета энергетики и экотехно-логий.
SPIN-код: 8352-1164 AuthorID (РИНЦ): 626563 ORCID: 0000-0002-0084-7282 AuthorID (SCOPUS): 57218256585 Адрес для переписки: [email protected]
Для цитирования
Хрёкин А. С., Баранов И. В., Никитин А. А. Анализ эффективности циклов каскадных холодильных машин с применением диоксида углерода // Омский научный вестник. Сер. Авиа-ционно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2021. Т. 5, № 4. С. 55-64. DOI: 10.25206/2588-0373-2021-5-4-55-64.
Статья поступила в редакцию 22.10.2021 г. © А. С. Хрёкин, И. В. Баранов, А. А. Никитин
UDC 621.564+621.565
DOI: 10.25206/2588-0373-2021-5-4-55-64
THE ANALYSIS OF CASCADE REFRIGERATION MACHINE CYCLES EFFICIENCY USING CARBON DIOXIDE
A. S. Khrekin, I. V. Baranov, A. A. Nikitin
ITMO University, Russia, Saint Petersburg, Lomonosov St. 9, 191002
The paper analyzes and proves the feasibility of improving the energy performance of low-temperature refrigeration machines operating on R744 using cascade design with R134a, R1234yf and R717 as refrigerants based on data the scientific study of two-stage schemes analysis. At present, it is given the existing environmental prohibitions and the growing interest in the creation of low-temperature refrigeration machines operating on carbon dioxide (R744) in two-stage and cascade schemes, the presented research supplements the scientific literature on justifying the use of each of them.
Keywords: cascade refrigeration system, global warming potential, upper cascade, transcritical cycle, conventional refrigerants, ozone-depleting potential, carbon dioxide, cooling capacity, natural refrigerant, refrigeration unit.
i ■
O
IS 1>
NI
OS g o E h T x
>o
z A > O
is
ï o
O
< K
O o
References
1. Adoption of the Paris agreement // United Nations Conference of the Parties. Twenty-first session, Paris, 30 November to 11 December 2015. 32 p. (In Engl.).
2. Protocole de Kyoto à la convention-cadre des nations unies sur les changements climatiques [Kyoto Protocol to the United Nations Framework Convention on Climate Change]. Nations Unies, 1998. P. 6-13. (24 p.) (In French).
3. Khrekin A. S., Baranov I. V. Sravnitel'nyy analiz effektivnosti tsiklov kholodil'nykh mashin [Comparative analysis of the efficiency of refrigeration machine cycles] // Vestnik Mezhdunarodnoy akademii kholoda. Journal of International Academy of Refrigeration. 2021. No. 1. P. 12-21. DOI: 10.17586/1606-4313-2021-20-1-12-21. (In Russ.).
4. Pleshanov S. Yu., Katrayev M. Yu. Opyt realizatsii transkriticheskoy kholodil'noy ustanovki na diokside ugleroda v magazine seti «Ashan» v g. Pushkino. Sravneniye energeticheskoy effektivnosti subkriticheskikh i transkriticheskikh skhem kommercheskikh kholodil'nykh ustanovok [Experience in the implementation of a transcritical refrigeration unit on carbon dioxide in the «Auchan» store in Pushkino. Comparison of energy efficiency of subcritical and transcritical schemes of commercial refrigeration units] // Kholodil'naya tekhnika. Kholodilnaya Tekhnika. 2020. No. 1. P. 10-13. (In Russ.).
5. Pleshanov S. Yu., Katrayev M. Yu. Povysheniye effektivnosti kholodil'noy sistemy v usloviyakh sovremennogo magazinostroyeniya. Opyt realizatsii transkriticheskoy ustanovki na diokside ugleroda v magazine seti «Metro» v g. Solntsevo [Improving the efficiency of the refrigeration system in a modern store building. Experience in the implementation of a transcritical carbon dioxide plant in the «Metro» store in Solntsevo] // Kho-lodil'naya tekhnika. Kholodilnaya Tekhnika. 2019. No. 2. P. 11-14. (In Russ.).
6. Manzolini G., Binotti M., Bonalumi D. [et al.]. CO2 mixtures as innovative working fluid in power cycles applied to solar plants. Techno-economic assessment // Solar Energy. 2019. Vol. 181. P. 530-544. DOI: 10.1016/j.solener.2019.01.015. (In Engl.).
7. Wu Y., Wang X., Yang Y. [et al.]. A combined cooling and power system of supercritical/transcritical CO2 cycle with liquefied natural gas as cool source // Hsi-An Chiao Tung Ta Hsueh/J Xi'an Jiaotong Univ. 2015. Vol. 49. DOI: 10.7652/xjtuxb201509011. (In Engl.).
8. Zhang Q., Ogren R. M., Kong S. C. Thermo-economic analysis and multi-objective optimization of a novel waste heat recovery system with a transcritical CO2 cycle for offshore gas turbine application // Energy Conversion and Management. 2018. Vol. 172. P. 212-227. DOI: 10.1016/j.enconman.2018.07.019. (In Engl.).
9. Song J., Li X. Y., Ren X. D. [et al.]. Thermodynamic and economic investigations of transcritical CO2-cycle systems with integrated radial-inflow turbine performance predictions // Applied Thermal Engineering. 2020. Vol. 165. DOI: 10.1016/j. applthermaleng.2019.114604. (In Engl.).
10. Fazelpour F., Morosuk T. Exergoeconomic analysis of carbon dioxide transcritical refrigeration machines // International journal of refrigeration. 2014. Vol. 38. P. 128-129. DOI: 10.1016/j. ijrefrig.2013.09.016. (In Engl.).
11. Molina M. J., Rowland F. S. Stratospheric sink for chlorofluorome- thanes; chlorine atoms catalyzed destruction of ozone // Nature. 1974. Vol. 249. P. 810-814. (In Engl.).
12. Safe use of HCFC alternatives in refrigeration and air-conditioning. An overview for developing countries. United Nations Environment Programme, 2015. 75 p. (In Engl.).
13. Coulomb D. World tendencies and priorities in development of low-temperature engineering // Journal of International Academy of Refrigeration. 2012. No. 4. P. 2-6. (In Engl.).
14. Tselikov V. N. O regulirovanii proizvodstva i potreble-niya gidrokhlorftoruglerodov v Rossiyskoy Federatsii [About regulation of production and consumption of hydrochlo-rofluorocarbons in the Russian Federation] // Kholodil'naya tekhnika. Kholodilnaya Tekhnika. 2014. No. 7. P. 4-11. (In Russ.).
15. Coulomb D. The refrigerants future: the phase down of HFCFs and its consequences // Journal of International Academy of Refrigeration. 2014. No. 1. P. 2-5. (In Engl.).
16. Tsvetkov O. B., Laptev Yu. A. Energo- i ekologicheski effektivnyye rabochiye veshchestva v tekhnologiyakh generatsii kholoda i teploty [Energy and environmentally efficient working substances in technologies for generating cold and heat] // Kholodil'naya tekhnika. Kholodilnaya Tekhnika. 2016. No. 3. P. 18-24. (In Russ.).
17. Tsvetkov O. B. Khladagenty na postkiotskom ekologicheskom prostranstve [Refrigerants in the post-Kyoto ecological space] // Kholodil'naya tekhnika. Kholodilnaya Tekhnika. 2012. No. 1. P. 70-72. (In Russ.).
18. Tsvetkov O. B., Baranenko A. V., Laptev Yu. A. [et al.]. Sinteticheskiye khladagenty, reguliruyemyye kiotskim protokolom [Kyoto Protocol and environmentally acceptable Synthetic halocarbon refrigerants] // Nauchnyy zhurnal NIU ITMO. Seriya «Kholodil'naya tekhnika i konditsionirovaniye». Scientific Journal NRU ITMO. Series Refrigeration and Air Conditioning. 2015. No. 4. P. 1-8. (In Russ.).
KHREKIN Anton Sergeyevich, Graduate Student of
Energy and Ecotechnology Faculty.
SPIN-code: 7410-0431
AuthorlD (RSCI): 961509
ORCID: 0000-0001-5603-8460
Correspondence address: [email protected]
BARANOV Igor Vladimirovich, Doctor of Technical
Sciences, Professor, Head of Biotechnology and
Cryogenic Systems School.
SPIN-code: 1938-6901
AuthorlD (RSCI): 227737
ORCID: 0000-0003-0595-368X
AuthorlD (SCOPUS): 57209773690 Correspondence address: [email protected] NIKITIN Andrey Alekseyevich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Energy and Ecotechnology Faculty. SPIN-code: 8352-1164 AuthorlD (RSCI): 626563 ORCID: 0000-0002-0084-7282 AuthorlD (SCOPUS): 57218256585 Correspondence address: [email protected]
For citations
Khrekin A. S., Baranov I. V., Nikitin A. A. The analysis of cascade refrigeration machine cycles efficiency using carbon dioxide // Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2021. Vol. 5, no. 4. P. 55-64. DOI: 10.25206/25880373-2021-5-4-55-64.
Received October 22, 2021. © A. S. Khrekin, I. V. Baranov, A. A. Nikitin
LO Mp
" ¡3
± CL
X z
< <
< < co >"
I*
s S ™ >
O w ■i <
