Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
Рассматриваются преимущества и недостатки холодильных машин, работающих на неазеотропных смесях хладагентов. Проиллюстрирована их главная особенность по сравнению с чистыми веществами – неизотермичность при фазовых переходах, что может быть эффективно при охлаждении или нагревании потоков, которые значительно изменяют свою температуру, и неэффективно при работе с объемами, в которых требуется поддерживать неизменную температуру. В первом случае происходит уменьшение внутренней необратимости процессов теплообмена в испарителях и конденсаторах, во втором – увеличение. При использовании смесевых хладагентов в одноступенчатой машине возможно одновременно получить несколько температурных уровней при одном давлении в испарителях, можно получить низкие температуры кипения хладагента без вакуума в испарителе и регулировать холодопроизводительность машины путем изменения состава смеси. Аргументированы перспективы применения смесей, рабочих тел холодильных машин. Представлены диаграммы T – S, Т – ξ, i – ξ, позволяющие рассчитать цикл работы машины, определить ее рабочие параметры и вычислить технические и энергетические характеристики. Разработанные тепловые диаграммы позволяют точно рассмотреть динамику процессов кипения и конденсации бинарной смеси, иллюстрируют изменение концентраций смеси в паровой и жидкостной фазах, предоставляют возможность построить и рассчитать цикл холодильной машины, работающей на смесевом хладагенте. Рассмотрены примеры построениях циклов двух схем холодильных машин, работающих на смесевом хладагенте: с разделением потока рабочего вещества и без разделения. Представлены методики расчета цикла.
холодильная машина, смесевые хладагенты, цикл, диаграммы, сравнение результатов
Введение
Рабочие вещества судовых холодильных установок, такие как фреоны 12 и 22, аммиак, по экологическим показателям запрещены и находятся в стадии прекращения производства или опасны при использовании. Взамен им предлагаются смесевые хладагенты.
Применение смесевых хладагентов имеет как преимущества, так и недостатки. Главная их особенность по сравнению с чистыми веществами состоит в неизотермичности при фазовых переходах, это может быть эффективно при охлаждении или нагревании потоков, которые значительно изменяют свою температуру, и неэффективно при работе с объемами, в которых требуется поддерживать неизменную температуру [1]. В первом случае это приводит к уменьшению внутренней необратимости процессов теплообмена в испарителях и конденсаторах, во втором – к увеличению [2, 3].
При использовании смесевых хладагентов возможно одновременное получение в одноступенчатой машине нескольких температурных уровней при одном давлении в испарителях; кроме того, в них можно получить низкие температуры кипения хладагента без вакуума в испарителе и регулировать холодопроизводительность машины путем изменения состава смеси. Все это свидетельствует о перспективности применения смесей как рабочих тел холодильных машин [2, 3].
Известно, что интенсивность теплообмена при фазовых переходах смесей и составляющих их компонентов значительно отличаются [4, 5]. В то же время характеристики поршневого компрессора мало отличаются, если рабочие вещества близки по свойствам. Отсюда следует, что главные изменения характеристик холодильных машин будут определяться качеством работы испарителей и конденсаторов, поэтому определение свойств смесей в процессе кипения и конденсации является ключевой частью этой проблемы.
Холодильные машины на смесевых хладагентах
В Астраханском государственном техническом университете и Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) выполнено комплексное исследование неазеотропной бинарной смеси R22/142b. Ее молекулярная масса: 91,2; нормальная температура кипения: –36÷–32 оС (в зависимости от концентрации смеси). Критическая температура: 114,8 оС; критическое давление: 5,6 МПа; показатель адиабаты k = 1.16.
Работа была составной частью комплексной программы фундаментальных исследований проблем машиностроения, механики и процессов управления раздела 2 «Машиностроение» Российской академии наук, включена в план научных программ Международной академии холода по секции теоретических основ холодильной и криогенной техники. Использование данной смеси в холодильной технике рекомендовано Межведомственной комиссией при Правительстве Российской Федерации.
На основании теоретических и экспериментальных данных предложены рабочие концентрации смеси: ξ1 = 0,6 кг/кг; ξ2 = 0,7 кг/кг.
Для расчета холодильных машин нужны тепловые диаграммы, в которых можно построить циклы работы машины, определить параметры характерных точек и рассчитать технические и энергетические показатели этих машин.
Рассмотрим схемы одноступенчатых холодильных машин, работающих на смесевом хладагенте.
При работе по схеме на рис. 1, а смесевой хладагент после сжатия в компрессоре Км, под давлением конденсации Pk поступает в конденсатор Кд, где происходит сбив перегрева и конденсация, в теплообменнике ТО жидкий хладагент переохлаждается парами, идущими из испарителя И, в регулирующем вентиле РВ происходит дросселирование, часть жидкости превращается в пар при давлении кипения P0, оставшаяся жидкость кипит в испарителе, совершая холодильное действие, и пар через теплообменник ТО поступает в компрессор Км, цикл замыкается. Цифры на рисунке соответствуют точкам на представленных ниже диаграммах циклов холодильной машины и иллюстрируют состояние рабочего вещества в обозначенном месте холодильной машины.
Рис. 1. Схема холодильных машин: а – без разделения потока; б – с разделением потока
Для отображения процессов цикла построена тепловая диаграмма T – S [6–8]. Цикл в диаграмме изображен на рис. 2, где проиллюстрирована неизотермичность при кипении от –28 до –22 оС, при конденсации от 44 до 35 оС.
Рис. 2. Цикл в диаграмме T – S для холодильной машины по схеме на рис. 1, а
В данном случае реализуется цикл Лоренца, где при расчете холодильного коэффициента удобней пользоваться средней температурой кипения и конденсации. Но тепловая диаграмма не позволяет подробно рассмотреть процессы при фазовых переходах, связанные с изменением концентрации жидкости и пара, что можно сделать, используя диаграмму Т – ξ [6], где построен цикл работы холодильной машины, работающей на смеси с рабочей концентрацией ξр = 0,6 кг/кг (рис. 3).
Как можно заметить, после сбива перегрева 2–3 начинается конденсация, первым каплям жидкости соответствует точка 3ʹ с той же температурой t3 = 44 oC, но с меньшей концентрацией ξ3ʹ = 0,3 кг/кг. По мере конденсации пара в проточном конденсаторе его состояние изменяется по линии насыщения до точки 4 с постоянным ростом концентрации до ξ4 = 0,84 кг/кг и понижением температуры до 35 оС, в то время как концентрация образующейся жидкости возрастает и после конденсации последних объемов пара становится равной рабочей концентрации ξр = 0,6 кг/кг [4].
Далее в теплообменнике жидкость переохлаждается 4–5, и после РВ получается парожидкостная смесь в состоянии 5, в которой имеется жидкость в состоянии 5ʹ и пар 5ʹʹ с температурой –28 оС и Р0. При кипении жидкости в проточном испарителе ее концентрация уменьшается до 0,24 кг/кг с соответствующим повышением температуры до –22 оС. Образующийся при кипении пар также повышает свою температуру с понижением концентрации. После испарения последнего объема жидкости пар будет иметь рабочую концентрацию ξр = 0,6 кг/кг [9]. Далее происходит перегрев в теплообменнике 1–1ʹ и сжатие в компрессоре 1'–2 с постоянной концентрацией ξр = 0,6 кг/кг.
Положение точки 2 определяется по формуле
, (1)
где k – показатель адиабаты смеси.
Рис. 3. Цикл в диаграмме Т – ξ для холодильной машины по схеме на рис. 1, а
Неизотермичность при конденсации объясняется тем, что из двух компонентов смеси R142b в тех же условиях конденсируется при более высокой температуре, поэтому в начале процесса он конденсируется в большей степени, тем самым повышая концентрацию оставшегося пара до ξ4 = 0,84 кг/кг и снижая температуру процесса t4 до 35 оС. При кипении смеси легкокипящим компонентом является R22, поэтому в начале кипения он выкипает в большей степени, уменьшая концентрацию жидкости ξ1ʹ до 0,24 кг/кг и повышая температуру t1ʹ до –22 оС.
На рис. 1, б представлена схема холодильной машины, работающей на смеси с разделением хладагента на два потока с разными концентрациями. После сжатия в компрессоре Км смесь под давлением Рk и рабочей концентрацией ξр поступает в конденсатор Кд1, охлаждаемый окружающей средой, где происходит частичная конденсация смеси с большим содержанием легкоконденсирующего компонента в жидкости, т. е. концентрация жидкости, принимающаяся всегда по низкокипящему компоненту, будет меньше рабочей, и поэтому концентрация оставшегося пара будет выше рабочей. Затем парожидкостная смесь поступает в линейный ресивер ЛР, где разделяется на жидкость и пар. Жидкость дросселируется в регулирующем вентиле РВ1 и под давлением Р0 поступает в высокотемпературный испаритель И1, где частично выкипает. Оставшаяся парожидкостная смесь попадает в конденсатор Кд2, где жидкость выкипает, отбирая теплоту от конденсирующегося пара. Конденсат через теплообменник, где он переохлаждается, и регулирующий вентиль РВ2 попадает в низкотемпературный испаритель И2 под давлением Р0, где жидкость испаряется, а пар, нагреваясь в теплообменнике, смешивается с паром, идущим из конденсатора Кд2, и идет на всасывание компрессора под давлением Р0 и концентрацией ξр.
Поскольку концентрация смеси в холодильной машине имеет три значения (в компрессоре Км и первом конденсаторе Кд1 – рабочая ξр; в высокотемпературном испарителе И1 и испарительной части конденсатора Кд2 – меньше рабочей: ξ1 < ξр; в низкотемпературном испарителе И2 и конденсаторе Кд2 – больше рабочей: ξ2 > ξр), то построить цикл работы такой машины в общепринятых тепловых диаграммах невозможно. Для построения цикла и расчета таких холодильных машин создана специальная диаграмма i–ξ (рис. 4) [6].
Рис. 4. Циклы в диаграмме i – ξ для холодильных машин по схеме на рис. 1, а и 1, б
Цикл этой машины построен для тех же давлений Pk и P0, что и для машины по схеме на рис. 1, а. После компрессора смесь при давлении Pk и ξр поступает в конденсатор Кд1, где происходит сбив перегрева (2–2ʹ) и частичная конденсация до состояния 3, затем разделяется на жидкость 3ʹ и пар 3ʹʹ, положение этих точек определяется давлением Pk и равной температурой t3 = t3ʹʹ = t3ʹ, при этом жидкость будет иметь концентрацию ξ1, а пар ξ2. Жидкость 3ʹ дросселируется в РВ1, но поскольку в этом процессе не изменяется ни энтальпия, ни суммарная концентрация, то положение точки 4 совпадает с точкой 3ʹ, но уже при P0. В испарителе И1 жидкость частично выкипает до состояния 7, а затем полностью выкипает в испарительной части конденсатора Кд2 (7–7ʹ). В другой ветви пар 3ʺ конденсируется в Кд2 (3ʺ–5), переохлаждается в ТО (5–5ʹ) при Pk и ξ2, дросселируется в РВ2, точка 6 совпадает с точкой 5ʹ при P0 и ξ2, кипит в испарителе И2 (6–8), перегревается в ТО (8–8ʹ) до температуры точки 7ʹ и смешивается с паром 7, который имеет то же P0, но ξ1. После смешения получается рабочая концентрация ξр при P0 (состояние 1).
Далее пар идет в компрессор. Положение точки 2 определяется по формуле (1).
На диаграмме (рис. 3) можно изобразить цикл машины, выполненной по схеме рис. 1, а, с концентрацией, например, ξр = 0,3 кг/кг, которая в цикле не изменяется. Номера точек на диаграмме соответствуют схеме на рис. 1, а.
Расчет цикла
При разделении потока на две ветви обозначим пар с высоким содержанием низкокипящего компонента – М, тогда содержание жидкости будет (1 – М), где М:
где i – энтальпия рабочего тела в соответствующей точке.
Удельная холодопроизводительность в низкотемпературном испарителе, кДж/кг:
Удельная холодопроизводительность в высокотемпературном испарителе, кДж/кг:
Удельная теплота конденсации в первом конденсаторе, кДж/кг:
Тепловой баланс второго конденсатора:
Удельная работа компрессора, кДж/кг:
Холодильный коэффициент:
Заключение
Разработанные тепловые диаграммы позволяют точно рассмотреть динамику процессов кипения и конденсации бинарной смеси, иллюстрируют изменение концентраций смеси в паровой и жидкостной фазах и дают возможность построить и рассчитать цикл холодильной машины, работающей на смесевом хладагенте.
Сопоставление циклов машин по схемам на рис. 1 доказывает, что с разделением потока при том же давлении конденсации и кипения за счет большей концентрации низкокипящего компонента в испарителе можно получить значительно более низкие температуры. Если по схеме на рис. 1, а минимальная температура в испарителе t0 = –28 oC, то по схеме на рис. 1, б минимальная температура t0 = –42 oC без вакуума в испарителе и в одноступенчатом цикле. Если учесть, что при работе по второй схеме понижается и давление конденсации при неизменной температуре окружающей среды, то можно получить более низкую температуру кипения.
1. Герасимов Я. И., Гейдерих В. А. Термодинамика растворов. М.: Изд-во МГУ, 1980. 183 с.
2. Букин В. Г., Кузьмин А. Ю. Экспериментальное исследование малых холодильных машин на смеси R22/R142b // Холодильная техника. 1996. № 5. С. 12-14.
3. Букин В. Г., Кузьмин А. Ю., Кокуев А. Д. Использование смеси R22/R142b для замены в действующем холодильном оборудовании // Холодильная техника. 1997. № 8. С. 8-10.
4. Букин В. Г., Кузьмин А. Ю. Обработка результатов экспериментальных исследований процесса конденсации неазеотропных смесей холодильных агентов R142b-R22 на горизонтальной трубе // Сб. Санкт-Петербург. гос. акад. холода и пищевых технологий. СПб.: Изд-во СПГАХиПТ, 1994. С. 82-86.
5. Букин В. Г., Шуршев В. Ф., Данилова Г. Н., Лебедкина И. К. Влияние концентрации на теплообмен при кипении смеси холодильных агентов R22/R142b // Теплофизические свойства холодильных агентов и процессы тепломассообмена: межвуз. сб. науч. тр. СПб.: Изд-во СПГАХиПТ, 1996. С. 68-71.
6. Букин В. Г., Кузьмин А. Ю., Ежов А. В. Т - ξ, i - ξ и T - S диаграммы для смеси R22/R142b // Холодильная техника России. Состояние и перспективы накануне ХХI века: сб. науч. тр. СПб.: Изд-во СПГАХиПТ, 1998. С. 14-15.
7. Букин В. Г., Кузьмин А. Ю., Ежов А. В. Тепловые диаграммы смеси холодильных агентов R22/R142b // Свойства рабочих веществ и процессы тепломассообмена в холодильных установках: межвуз. сб. науч. тр. СПб.: Изд-во СПГАХиПТ, 2000. С. 32-34.
8. Ребров П. Н., Букин В. Г. Исследование теплоотдачи фреона R22 в затопленных испарителях крупных фреоновых турбокомпрессорных холодильных установок // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2017. № 1 (63). С. 45-49.
9. Букин В. Г., Шуршев В. Ф., Данилова Г. Н. Экспериментальное исследование теплообмена смеси R22/R142b в испарителях холодильных машин // Холодильная техника. 1996. № 3. С. 10-11.
