Эффективность циклов парокомпрессионных трансформаторов тепла с альтернативными хладагентами

УДК 536.71+533.717+621.577-9

С. В. Здитовецкая, ассистент (БГТУ);

В. И. Володин, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой (БГТУ);

П. М. Клепацкий, кандидат технических наук, доцент

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЦИКЛОВ ПАРОКОМПРЕССИОННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТЕПЛА С АЛЬТЕРНАТИВНЫМИ ХЛАДАГЕНТАМИ

Проведен сравнительный анализ термодинамической эффективности хладагентов, которые предложены в качестве альтернативных для замены хлорсодержащих хладагентов групп CFC и HCFC. Анализ их эффективности оценивали путем сравнения параметров циклов парокомпрес-сионных трансформаторов тепла. Для замены хладагента R22, принадлежащего к группе HCFC, рекомендуются R600a, R134a-R152a, R290.

The comparative analysis of thermodynamic efficiency of coolants which are offered as alternative for replacement chlorine-containing coolants of groups CFC and HCFC is carried out. The analysis of their efficiency estimated by comparison of parameters of cycles steamcompressive heat transformers. For replacement of coolant R22 belonging to group HCFC, are recommended R600a, R134a-R152a, R290.

Введение. Существенное влияние на энергетическую эффективность, материалоемкость и надежность работы трансформаторов тепла оказывают термодинамические и теплофизиче-ские свойства хладагентов [1]. Термодинамические характеристики рабочих веществ влияют главным образом на температурные режимы работы трансформатора тепла, эффективность циклов, показатели и характеристики теплообменников и компрессоров.

В качестве хладагентов парокомпрессион-ных холодильных машин и тепловых насосов широкое применение нашли галогенсодержа-щие углеводороды (фреоны), обладающие требуемыми термодинамическими и теплофизиче-скими свойствами и являющиеся озоноразру-шающими веществами.

По степени озоноразрушающей активности галоидопроизводные углеводороды разделены на три группы:

• хладагенты группы CFC с высокой озоноразрушающей активностью;

• хладагенты группы HCFC с низкой озо-норазрушающей активностью;

• хладагенты, не содержащие атомов хлора, с нулевой озоноразрушающей активностью: фторуглероды (FC), гидрофторуглероды (HFC), углеводороды (HC).

Для анализа экологической целесообразности применения хладагентов используют потенциал разрушения озона (ODP) и потенциал глобального потепления (GWP). Для хладагентов группы CFC ODP > 1, для группы HCFC ODP < 0,1, а для озонобезопасных хладагентов - ODP = 0.

В соответствии с Монреальским протоколом в странах Евросоюза полностью прекращено производство и применение хладагентов группы CFC. Сокращение производства хладагентов группы HCFC начато с 2004 г. и должно быть прекращено к 2030 г. [2-4].

Возникает задача поиска и разработки эффективных рабочих веществ, а также исследования влияния их теплофизических свойств, методов расчета и разработки соответствующих прикладных программ, которые будут использоваться при проектировании и оптимизации трансформаторов тепла [5].

Фактором, который определяет возможность использования вещества в качестве хладагента, является оценка его термодинамической эффективности. При этом с переходом на новые хладагенты необходимо сохранение хо-лодо- и теплопроизводительности эксплуатируемых трансформаторов тепла.

Объект и метод исследования. В данной работе рассчитывалась эффективность циклов холодильной машины с хладагентами Я134а, Я218, Я134а-Я152а, Я600а, И290, И22. Схема исследуемой установки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема холодильной машины: 1 - испаритель; 2 - регенератор; 3 - компрессор; 4 - конденсатор; 5 - охладитель; 6 - терморегулирующий вентиль

2,2. 2,0. 1,8. 1,61,41,21,00,80,60,40,2-

-- R134a -а- R218 -ж- R600a -♦- R22 -- R134a-R152a -•- R290

200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750

к, кДж/кг

Рис. 2. Термодинамические циклы при идеальном сжатии в компрессоре и Дри = 0, Дрк = 0

Расчеты параметров циклов для холодильной установки были проведены при следующих допущениях:

• идеальное сжатие в компрессоре при отсутствии потерь давления в испарителе и конденсаторе, т.е. Дри = 0 и Дрк = 0;

• идеальное сжатие в компрессоре с учетом потерь давления в испарителе и конденсаторе, т.е. Дри Ф 0 и Дрк Ф 0;

• сжатие в реальном компрессоре с учетом потерь давления в испарителе и конденсаторе, т.е. Дри Ф 0 и Дрк Ф 0.

При расчете циклов задавались следующие исходные параметры установки: температура кипения ¿и = 5°С, температура конденсации ¿к = 40°С, перегрев пара в испарителе Д^ = 5°С.

Расчет проводился с помощью вычислительного эксперимента на основе разработанного комплексного метода численного анализа паро-компрессионных трансформаторов тепла [6, 7]. Данный метод включает в себя совместный расчет параметров цикла и теплообменников с учетом необратимых потерь в контуре. Комплексный метод анализа реализован в виде пакета прикладных программ на языке Фортран.

Результаты вычислительного эксперимента. На рк-диаграмме (рис. 2) приведены термодинамические циклы для перечисленных хладагентов.

Для хладагента Я218, имеющего из рассмотренных хладагентов наименьшую критическую температуру Тс = 344,95 К, форма цикла растянута по вертикали, холодильный коэффициент и коэффициент преобразования соответственно равны 2,19 и 3,19.

Хладагенты Я22, Я134а и композиционный Я134а-Я152а (80% Я134а) имеют достаточно

близкие значения критических температур соответственно 369,15; 374,15 и 377,52 К. Формы циклов данных хладагентов подобны.

Цикл с хладагентом К22 сдвинут вправо по оси абсцисс. Данный хладагент имеет самое высокое критическое давление (5,054 МПа) среди рассматриваемых веществ. Хладагенты Я22 и Я134а-Я152а имеют высокие значения холодильного коэффициента - 6,6 и 6,06 соответственно, холодильный коэффициент Я134а составляет 2,2. Циклы хладагентов Я290 и Я600а растянуты вдоль оси абсцисс. Степень сжатия в компрессоре - 2,81-2,84. Холодильный коэффициент К290 равен 6,79, а для Я600а -6,7. Значения коэффициента преобразования составляют 7,7 и 7,68 соответственно.

На рис. 3 представлены данные расчета параметров цикла с учетом гидравлических потерь в теплообменных аппаратах контура: конденсаторе Дрк = 10 кПа и испарителе Дри = 40 кПа для всех рассматриваемых хладагентов.

Результаты рис. 3 согласуются с результатами, представленными на рис. 2. Однако потери давления в теплообменных аппаратах приводят к уменьшению холодильного коэффициента для всех рассматриваемых веществ в среднем приблизительно на 8-15%, а коэффициента преобразования - на 6-13% (см. рис. 5).

На рис. 4 представлены результаты расчета циклов с использованием компрессора ХГВ-14 с учетом необратимых потерь в теплообменниках и компрессоре. Полученные данные согласуются с результатами, представленными на рис. 2 и 3. Учет необратимости процессов в компрессоре, как и учет потерь давления в теплообменных аппаратах, приводит к дальнейшему уменьшению энергетических характеристик.

2,22,01,8" 1,6" 1,41,2" 1,0" 0,80,60,40,2-

-- Я134а Я218 -- Я600а -♦- Я22 -*- Я134а-Я152а -•- Я290

0,0"1—1—I——I—1—I——I——I—1—I—1—I—1—I—1—I—1—г

200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750

к, кДж/кг

Рис. 3. Термодинамические циклы при идеальном сжатии в компрессоре и Дри Ф 0, Дрк Ф 0

Для хладагентов Я134а, Я134а-Я152а, К290, Я600а и К22 наблюдается уменьшение холодильного коэффициента на ~30%, по сравнению с идеальным циклом. Для хладагента К218 холодильный коэффициент снизился на ~52%, что объясняется близостью рабочих параметров компрессора к параметрам критической точки. Коэффициент преобразования понизился на ~30% по сравнению с идеальным циклом для Я134а, Я134а-Я152а, И290, Я600а, И22, а для И218 - на 50%.

На рис. 5 представлены значения холодильного коэффициента и коэффициента преобразования для рассматриваемых хладагентов. Результаты приведены для всех трех вариантов расчета параметров цикла, упомянутых выше.

Видно, что энергетические характеристики имеют максимальное значение в случае идеального процесса сжатия в компрессоре и при от-

сутствии необратимых потерь в теплообменных аппаратах. Необратимое сжатия в компрессоре и наличие гидравлических потерь в аппаратах снижают энергетические показатели для Я134а, Я134а-Я152а, И290, Я600а, И22 в среднем на 2530%, а для И218 - на 50% (рис. 5).

Заключение. Анализ энергетической эффективности циклов показал, что по совокупности значений холодильного коэффициента и коэффициента преобразования хладагенты Я134а-Я152а, Я600а, Я290 не уступают К22. Хладагенты Я134а и И218 имеют невысокие энергетические параметры и уступают К22 в эффективности приблизительно в 2,0-2,5 раза. Исследование хладагента И218 следует продолжить в области более низких температур. Полученные данные способствуют расширению номенклатуры хладагентов, применяемых в трансформаторах тепла.

2,22,01,81,6" 1,4" 1,2" 1,0" 0,80,60,4" 0,2"

0,0

-- Я134а Я218 -- Я600а -♦- Я22 -*- Я134а-Я152а -•- Я290

1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г

200 250 300 350 400 4550 500 550 600 650 700 750

ж, кДж/кг

Рис. 4. Термодинамические циклы при реальном сжатии и Дри Ф 0, Дрк Ф 0

R22

R600a

R290

R134a-R152a

R218

R134a

0 1 2 3 4 5 6 7 8 Рис. 5. Холодильный коэффициент и коэффициент преобразования:

1 - идеальное сжатие в компрессоре при Дри = 0 и Дрк = 0;

2 - идеальное сжатие в компрессоре при Дри Ф 0 и Дрк Ф 0;

3 - сжатие в реальном компрессоре при Дри Ф 0 и Дрк Ф 0

5. Анализ высокотемпературных циклов холодильных машин / В. И. Володин [и др.] // Труды БГТУ. Сер. III, Химия и технология неорган. в-в. - 2006. - Вып. XIV. -С.143-146.

6. Володин, В. И. Комплексный подход к расчету параметров компрессионной холодильной машины / В. И. Володин // Холодильная техника. - 1998. - № 2. - С. 8-10.

7. Здитовецкая, С. В. Пакет прикладных программ для комплексного анализа компрессионных тепловых насосов / С. В. Здитовецкая, В. И. Володин // Энергетика (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2009. -№ 5. - С. 85-90.

Поступила 28.02.2011

] Коэффициент преобразования

Холодильный коэффициент

Литература

1. Холодильные машины / А. В. Бараненко [и др.]; под общ. ред. Л. С. Тимофеевского. -СПб.: Политехника, 1997. - 992 с.

2. Калм, Дж. М. Следующее поколение хладагентов / Дж. М. Калм // Холодильная техника. - 2008.- № 8. - С. 39-42.

3. Calm, Jm. Emission and Environmental Impacts from Air Conditioning and Refrigerating Systems / Jm. Calm // International Journal of Refrigeration. - 2002. - No. 25(3). - P. 293-305.

4. Цветков, О. Б. Современные хладагенты, хладоносители и проблемы экологии / О. Б. Цветков // Холодильная техника. - 2008. -№ 1.- С. 30-35.