CC BY
54
УДК 621.514
А. М. Ибраев, Т. Н. Мустафин, М. Н. Хамидуллин
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ХОЛОДИЛЬНЫХ АГЕНТОВ ПАРОКОМПРЕССИОННЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН ПО ОЖИДАЕМОЙ ХОЛОДОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ.
Ключевые слова: холодильная машина, хладагент, анализ работы.
Одними из наиболее ответственных этапов проектирования холодильных машин определяется выбором ее схемы и хладагента. Во многом их эффективность определяет сочетание данных двух факторов. Анализ свойств может помочь выработать рекомендации по проектированию холодильных машин
Keywords: refrigeration machine, refrigerant, analysis of the working process.
One of the mains stage of refrigeration machine developments are choice of refrigerant and refrigeration machines structure. Its efficacy will determined by complex choice of this both factor. Analysis of refrigerants properties can help to give recommendation to refrigeration machine developments.
В результате развития холодильной техники, как в плане теоретических исследований, так и опыта эксплуатации, к середине 20-го столетия номенклатура холодильных агентов, используемых в паро-компрессионных холодильных машинах (ПХМ), работающих в области средних температур и системах кондиционирования воздуха, сократилась до исторического минимума, и выглядела вполне устоявшейся. Однако затем новые экологические взгляды и требования привели к тому, что часть из применяемых на тот момент времени холодильных агентов попали под запрет или были ограничены по срокам использования. В первую очередь следует назвать наиболее рас-пространенные в промышленности и быту хладоны Я12 и Я22. Эта ситуация стимулировала работы связанные с разработкой новых экологически безопасных веществ, молекулы которых не содержат атомы хлора и брома, к использованию их в качестве холодильных агентов ПХМ.
Появление новых холодильных агентов в свою очередь делает актуальной задачу исследования структуры энергетических потерь, возникающих в термодинамическом цикле ПХМ при использовании этих агентов. Анализ структуры энергетических потерь позволяет определить, какие из потерь следует минимизировать в первую очередь путём рационального построения схемы ПХМ.
В данной работе выполнен анализ термодинамических свойств и энергетических потерь дросселирования и перегрева [1, 2], возникающих в цикле ПХМ для наиболее распространённых в настоящее время холодильных агентов. Такими агентами являются: аммиак и галогенные производные углеводородов не содержащие в составе молекул хлора и брома.
Аммиак Я717 (КН3). Агент используют в ПХМ для получения температур кипения до минус 30°С, без вакуума в системе охлаждения. Обладает прекрасными термодинамическими свойствами. Является одним из первых (с середины 19 века) холодильных агентов ПХМ. Экологически безопасен, но токсичен и взрывоопасен. Широко распространён, однако в России, после передачи аммиачных холодильных установок в введение Ростехнадзора, его популярность значительно снизилась.
Хладагент Я12 (СР2С12). Один из наиболее распространённых и без-опасных в эксплуатации до 90-х годов 20-го столетия хладагентов. Хладон Я12 применяют в холодильных машинах с температурой кипения не ниже минус 30°С. В настоящее время, по экологическим соображениям, международными соглашениями его использование запрещено.
Хладагент Я22 (СНБ2С1). Обладает хорошими теплофизическими и термодинамическими характеристиками, нетоксичен и невзрывоопасен. Применение И22 в ПХМ обеспечивает диапазон температур кипения от +10 до минус 40°С. Хотя молекула Я22 содержит атом хлора, хладагент имеет низкий озоноразрушающий потенциал и его использование разрешено до 2030 года.
Хладагент Я134а (С2Н2Б4). Хладагент Я134а разработан, как озонобезопасная замена Я12 и достаточно широко применяется в настоящее время.
Хладагент Я404а (зеотропная смесь Я125/Я143а/Я134а). Хладагент разработан, как озонобезопасная замена Я12 и Я22 в области низких и средних температур. Широко применяется в настоящее время.
Хладагент Я407с (зеотропная смесь Я32/Я125/Я134а). Хладагент Я407 сразработан как озонобезопасная альтернатива Я22 для использования в системах кондиционирования воздуха.
Хладагент Я410а (зеотропная бинарная смесь хладагентов Я32/Я125). Хладагент Я410а разработан для замены Я22, однако обладает повышенным давлением в элементах ПХМ, по сравнению с Я22, что часто требует использования специального холодильного оборудования. Хладагент Я410а распространен в современных бытовых кондиционерах.
Хладагент Я600а (С4Н10 - изобутан). Находит применение в домашних холодильниках, как экологически безопасная замена Я12. Масса его заправки в холодильный агрегат (менее 50 грамм), значительно меньше, чем в случае применения галогенных производных углеводородов. Это позволяет отказаться от соблюдения дополнительных мер безопасности связанных с пожаро- и взрывоопасностью.
Определенный интерес представляет сравнение представленных холодильных агентов по ожидаемой холодопроизводительности при их поочередной заправке в систему некой условной ПХМ.
Известно [4,5], что характеристикой, позволяющей получить подобное сравнение, является зависимость удельной объёмной холодопроизводительности холодильного цикла ПХМ от его температурных границ. Однако удельная объёмная холодопроизводительность зависит не только от термодинамических свойств вещества - холодильного агента, но и от большого количества характеристик самого цикла: температурных границ цикла, количества ступеней сжатия и дросселирования, наличия регенерации, величины перегрева на всасывании в компрессор и др.
Если при оценке холодильных агентов исключить характеристики холодильного цикла и оставить только характеристики вещества, то для их сравнения между собой по ожидаемой холодопроиз-водительности можно предложить удельную объёмную теплоту парообразования
гу = г/ у", кДж! м3, где г - массовая теплота парообразования вещест-ва(кДж/кг); у" - удельный объём насыщенного пара (м3/кг).
Результаты расчёта зависимости величины гу от температуры для вышеприведенных холодильных агентов представлены на рис.1.
г0 кДж/кгм3
8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000
0
230 240 250 260 270 280 То, К
Рис. 1 - Зависимость ОТ ТО: 1 - Я410а, 2 -Я404а, 3 - Я22, 4 -Я407а, 5-Я717, 6 - Я12, 7 -Ш34а, 8 - Я600а
Полученные результаты в целом качественно согласуются с результатами расчётов удельной объёмной холодопроизводительности для одноступенчатых циклов ПХМ, работающих на различных холодильных агентах [4]. В частности, достоверно отражается снижение ожидаемой холодопроизводи-тельности со снижением температуры кипения в холодильном цикле ПХМ, которую в данном случае представляет температура, при которой определяется теплота парообразования. Тем не менее, оценку по величине ГУ вряд ли можно рекомендовать к практическому использованию. Дело в том, что на величину холодо-производительности цикла ПХМ существенное влияние оказывает угол наклона пограничной кривой (линии насыщенной жидкости), но это никак не учитывается при оценке при помо-
щи ГУ. Это приводит к заниженным прогнозам для холодильных агентов с малым углом наклона кривой и завышенным для агентов с большим наклоном. Тем не менее, величина ГУ для данных агентов представляет самостоятельный интерес, поскольку показывает максимальную величину возможной холодопроизводительности цикла ПХМ, к которой можно стремиться путём совершенствования холодильного цикла. Методами такого совершенствования являются использование регенерации, переход к многоступенчатому дросселированию и многоступенчатому сжатию.
Из графика (рис.1) следует, что Я717, Я22 и Я407а образуют группу агентов с близкими характеристиками. Несколько выше величина ГУ у хладагента Я404а. Еще одну группу образуют Я12 и Я134а, которые уступают первой группе по величине гу около 20%. Наилучшая характеристика из рассмотренных агентов у Я410а и заметно всем проигрывает Я600а.
Тк
Рис. 2 - Теоретический цикл ПХМ
Более точным критерием для оценки холодильных агентов по ожидаемой холодопроизводи-тельности будет величина а = а0 / у". Здесь а0 -величина теплоты процесса 41-1 - фазового перехода парожидкостной смеси холодильного агента в состояние насыщенного пара. Геометрическим образом этой величины (рис.2) будет площадка 6-41-1-в. От теплоты парообразования (геометрический образ-пл. д-0-1-в) ч0 отличается на величину площадки д-0-41-б, что связано с парообразованием части жидкого холодильного агента в процессе дросселирования 3-41.
Площадка д-0-41-б, в свою очередь, состоит из площадки д-0-4э-а = ДБчТ0 и площадки, характеризующей потери от дросселирования [2] - пл. а-4э-41-6 = Дч0= бБг^Т0.
Величины этих площадок можно определить по следующим уравнениям [2]
ДБ-Т0 = ех'-Т• (Тк -Тэ);
Т к
да = 1с '•(Тк- Т0)2, да° 2 Тк
где сх' - теплоёмкость холодильного агента в процессе, идущем по линии насыщенной жидкости; Тк, ТО - соответственно температуры конденсации и кипения холодильного агента.
Тогда критерий Ч можно записать в виде следующего выражения
Ч = (г - ох'- То-(Тк - То) -
' к
q, кДж/м3
.(Тк - То)2
Тк
■)/у".
Величина q достаточно близка к величине удельной объёмной холодопроизводительности. При этом не учитываются лишь такие процессы холодильного цикла ПХМ, как перегрев в испарителе перед всасыванием в компрессор и переохлаждение жидкости перед дросселированием. В данном критерии из массовой теплоты парообразования вычтена величина снижения холодопроизводительности холодильного цикла связанная с образованием балластного (не производящего холодильный эффект в испарителе) пара в процессе дросселирования [2].
Это позволяет учесть влияние формы линии насыщенной жидкости, но при этом вносит в определение величины критерия температурные границы холодильного цикла Тк и ТО, которые не являются характеристикой вещества. Однако, при этом следует учесть, что величина Т0, как и в предыдущем случае, выступает в качестве параметра характеристик сравнения холодильных агентов, а величина Тк в летних режимах эксплуатации ПХМ меняется в незначительных пределах и может быть принята фиксированной при расчётах. В данном случае расчёты выполнены (рис.3) при Тк = 30°С, что характерно при применении водяных конденсаторов и Тк = 40°С (рис. 4), что характерно для воздушных конденсаторов. Величина теплоёмкости сх' при выполнении расчётов определялась, в соответствии с допущениями принятыми при выводе формул [2] и построением (рис.2), как
сх' = Тк (э3 - эО)/(Тк - ТО).
q, кДж/м3
7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000
0
230 240 250 260 270 280 То, К
Рис. 3 - Зависимость О от ТО: 1 - Я717; 2 -Я12; 3 Я22; 4 - Я404а;5 - Я134а; 6 - Я407е; 7 - Я410а; 8 Я600а
0
230 240 250 260 270 280 То, К
Рис. 4 - Зависимость О от ТО: 1 - Я717; 2 - Я12; 3 - Я22; 4 - Я404а; 5 - Я134а; 6 - Я407е; 7 -Я410а; 8 - Я600а
Для одноступенчатых циклов ПХМ критерий q вполне может применяться для сравнения холодильных агентов, обеспечивая при этом достоверные результаты.
Учёт потерь холодопроизводительности из-за образования балластного пара привёл к некоторым качественным изменениям соотношений между рассмотренными холодильными агентами. Так характеристики аммиака Я717 выросли по отношению к остальным, и он по ожидаемой холодпроизводиль-ности вышел на второе место после Я410а. Характеристики Я404а и Я22 практически сравнялись.
Объяснение этим изменениям можно дать, если проанализировать изменение степени сухости х парожидкостной смеси холодильных агентов по-сле дросселирования, в точке 41 (рис.2) холодильного цикла. График таких зависимостей дан на рис. 5.
х, %
40
30
20
10
0
230 240 250 260 270 280 То, К
Рис. 5 - Зависимость степени сухости Х от ТО: 1 ■ Я410а, 2 - Я404а, 3- Я22, 4 - Я407е, 5 - Я717, 6 Я12, 7- Ш34а, 8 - Я600а
Величину х (относительное содержание пара в жидкости) также можно представить, как относительную величину потери холодопроизводительно-сти цикла по отношению к максимально возможной величине.
Из графика следует, что меньшими потерями холодопроизводительности в порядке малости их величины обладают Я717, Я22 и Я12, то есть холодильные агенты наиболее широко распространенные в середине 20-го века. При этом Я717 значительно выигрывает у всех остальных органических холодильных агентов.
Холодильные агенты, разрабо-танные на замену вышеперечисленных, имеют большую, но близкую к Я12 величину потерь. Кроме Я404а, у которого х (величина потерь) значительно выше, чем у остальных агентов. Из этого следует, что при росте разности температур , как за счёт роста температуры конденсации, так и за счёт снижения температуры кипения, снижение холодопроизводительно-сти у этих агентов будет проходить с большей скоростью, чем у Я717, Я22 и Я12. Это можно наблюдать, например, сравнивая между собой (рис.3) характеристики Я12 и Я134а. Но особенно эта тенденция касается Я404а. Так при Тк = 40°С (рис. 4) Я404а уже проигрывает по холодопроизводительно-сти Я22. Из этого можно сделать предварительный вывод, что для таких агентов, как Я404а, Я410а и Я134а переход от одноступенчатого к двухступенчатому холодильному циклу должен осуществляться на более ранних стадиях, чем у Я717, Я22 и Я12. Однако, окончательное решение о таком переходе,
как правило, должно приниматься на основании технико-экономи-ческих показателей.
Некоторым исключением при сравнении холодильных агентов по величине q является Я600а. Это связано со спецификой холодильного цикла ПХМ домашнего холодильника, в котором для увеличения холодопроизводительности и охлаждения плюсового отделения принимается большая величина перегрева на всасывании в компрессор. У Я600а отсутствуют первичные потери от перегрева [3], что позволяет заметно увеличить его холодопроизводи-тельность, за счет перегрева на всасывании, без существенного увеличения энергетических потерь.
Литература
1. Ибраев А.М. Влияние потерь от перегрева на эффективность работы парокомпрессионной холодильной машины. / Т.Н. Мустафин, М.С. Хамидуллин // Вестник Казан. технол. ун-та. - №7- 2013.-225-229.
2. Ибраев А.М.Влияние потерь от дросселирования на эффективность работы парокомпрессионных холодильных машин. / Т.Н. Мустафин, М.С. Хамидуллин // Вестник Казан. технол. ун-та - т.16 №20 - 2013. - 240-242.
3. Ибраев А.М. Анализ энергетических потерь парокомпрессионной холодильной машины, связанных с процессом перегрева рабочего тела в испарителе. / М.С. Хами-дуллин, И.И. Шарапов, Р.Д. Шарапова // Вестник Казан. технол. ун-та - т.16 №21 - 2013. - 238-241.
4. ВизгаловС.В. Термодинамические циклы и рабочие тела парокомпрессионных холодильных машин./Учебное пособие/А.М. Ибраев, М.С. Хамидуллин // Казан. гос. техол. ун-т, Казань, 2005. 128с.
5. Розенфельд Л.М. Холодильные машины и аппараты. / А.Г. Ткачев // М.: Государственное издательство торговой литературы. - 1960. 656 с.
© А. М. Ибраев - канд. техн. наук, доцент кафедры холодильной техники и технологий КНИТУ, [email protected]; Т. Н. Мустафин - канд. техн. наук, доцент кафедры холодильной техники и технологий КНИТУ, [email protected]; М. Н. Хамидуллин - канд. техн. наук, доцент кафедры холодильной техники и технологий КНИТУ, [email protected].
