Анализ энергоэффективности судовых холодильных машин, работающих на смесевых хладагентах

УДК 621.564

А. В. Букин, А. Ю. Кузьмин, П. Ю. Потехин

АНАЛИЗ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СУДОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН, РАБОТАЮЩИХ НА СМЕСЕВЫ1Х ХЛАДАГЕНТАХ

Решения Монреальского протокола изменили подход к традиционным озоноразрушающим хладагентам, и на одно из первых мест вышел вопрос об экологической безопасности хладагентов. Перед производителями и организациями, эксплуатирующими судовую холодильную технику, стоит непростая задача - переход на озонобезопасные холодильные агенты и отказ от использования хладагента R22. России предстоит осуществить быстрый вывод из обращения основных гидрофторхлоруглеводородов (ГХФУ), прежде всего R22. Процесс должен быть фактически завершен к 2020 г., причем к 1 января 2010 г. сокращение потребления ГХФУ должно достичь отметки в 75 % от объема потребления ГХФУ по состоянию на 1989 г. В настоящее время предъявляются дополнительные требования к холодильным системам: повышение энергетической эффективности, снижение выбросов хладагентов, уменьшение количества хладагента в системе, совершенствование технологии сервисного обслуживания и ориентация на хладагенты с низким потенциалом глобального потепления.

В последние годы для использования в судовых холодильных машинах предложено значительное количество альтернативных экологически безопасных хладагентов, эффективных в относительно узком диапазоне рабочих температур, что значительно усложняет выбор требуемого хладагента для конкретных условий эксплуатации. Следует отметить, что разработанные альтернативные хладагенты имеют ряд особенностей, которые необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации холодильного оборудования. В частности, для неазеотропных смесей характерно наличие температурного «глайда» (разность температур фазового перехода при постоянном давлении), изменение состава смеси при утечке одного из компонентов, несмешиваемость ряда хладагентов с минеральными маслами, различная растворимость компонентов смеси в холодильном масле. В качестве альтернативных хладагентов взамен R22 были предложены R404A, R407A, R407C, R410A и другие новые смеси, а также R600a, R290, CO2 [1].

Чтобы подобрать холодильный агент, альтернативный R22, обеспечивающий высокие параметры энергоэффективности, необходимо разработать метод сравнения параметров работы судовых холодильных машин, работающих на однокомпонентных и смесевых хладагентах. Существуют два основных способа термодинамического анализа холодильной машины - с помощью холодильного коэффициента и с помощью эксергетического метода. Эксергетический анализ холодильных машин осуществлялся ранее другими авторами [2], но только для однокомпонентных хладагентов. Но он может использоваться и для расчета холодильных машин, работающих на смесевых рабочих веществах. Такой анализ дает возможность рассчитать потери эксергии и степень термодинамического совершенства не только в холодильной установке в целом, но и в каждом ее узле.

Для выбора смесевого хладагента, альтернативного R22, в действующем и вновь производимом холодильном оборудовании, в [3, 4] использовался эксергетический метод. Были разработаны физическая и математическая модели, построены эксергетические диаграммы для хладагентов R407C и R410А. Диаграммы позволяют найти работу и некоторые другие эксергетиче-ские характеристики как для отдельных процессов, так и для циклов холодильных машин, работающих на смесевых холодильных агентах. В ходе исследований производился расчет одноступенчатой холодильной машины, работающей на хладагентах R22, R410A, R407C. Полученные результаты обработаны и представлены в виде графиков зависимостей: эксергетического КПД, потерь эксергии в испарителе, компрессоре, конденсаторе и регулирующем вентиле от температур кипения или конденсации. Проведено качественное и количественное сопоставление параметров работы холодильных машин при работе на указанных хладагентах.

Для апробации и проверки полученных результатов была разработана методика проведения исследований, спроектированы и созданы экспериментальные стенды (рис. 1). Экспериментальный стенд № 1 был создан на базе водоохлаждающей холодильной машины фирмы «RHOSS clima evolution» марки TCAEBY6410T, работающей на хладагенте R407C. Экспериментальный стенд № 2 представляет собой водоохлаждающую холодильную машину фирмы «RHOSS clima evolution» марки TCAE2160T, работающую на хладагенте R410А.

б

Рис. 1. Схема экспериментальных стендов холодильных машин, работающих на хладагентах Я407С и К410Л: а - стенд № 1; б - стенд № 2.

Км - компрессор; Ис - испаритель; Кд - конденсатор; ТРВ - терморегулирующий вентиль

а

В ходе исследований на экспериментальных стендах производились замеры следующих параметров: температуры и давления кипения и конденсации, температуры хладагента на всасывании, расхода воды в испарителе, расхода воздуха через конденсатор, напряжения и силы тока на обмотках электродвигателя.

В результате экспериментов были определены параметры холодильной машины для различных температурных режимов. На рис. 2 приведены графики зависимости эксергетического КПД холодильной машины от температуры конденсации. Из графиков видно, что с ростом температуры конденсации КПД уменьшается, что связано с ростом необратимых потерь от ненулевого температурного напора. Следует отметить, что при увеличении температуры конденсации на 20 °С (с 30 до 50 °С) эксергетический КПД установки падает почти вдвое. Наибольший КПД наблюдался у Я22 и наименьший - у Я407С во всем диапазоне изменения температуры конденсации, однако при низких значениях температуры конденсации значения КПД установки у Я410А и Я407С становятся близкими друг к другу.

♦ К410Д

О К410а эксп ерим ентально

К407с экспериментально

Ік, °С

Рис. 2. График зависимости КПД установки от температуры конденсации /к

Следовательно, при ретрофите судовых холодильных машин с К22 на Я410А или Я407С будет происходить снижение энергоэффективности, что делает актуальным продолжение поиска альтернативных хладагентов.

Из графика видно, что расхождение экспериментальных данных и результатов расчетов по разработанным в [3, 4] физической и математической моделям, не превышает 10-15 %.

На рис. 3 приведены графики зависимости потерь эксергии в регулирующем вентиле и в компрессоре в зависимости от температуры конденсации. С ростом температуры конденсации наблюдается увеличение потерь эксергии в каждом из этих элементов холодильных машин, что также связано с ростом необратимости вследствие увеличения отношения давлений конденсации Рк и кипения Р0 - Рк/Р0. Следует отметить, что потери в компрессоре для Я410Л с ростом увеличиваются быстрее, чем для Я407С, а при температуре конденсации = 50 °С они практически сравниваются друг с другом.

а б

Рис. 3. Графики зависимости потерь эксергии от температуры конденсации ^: а - в регулирующем вентиле ^рв; б - в компрессоре й?км

Наибольшие потери эксергии в регулирующем вентиле для большинства экспериментальных исследований были у холодильной машины, работающей на хладагенте Я407С. Однако следует отметить, что при температуре конденсации ниже 32 °С потери в регулирующем вентиле для холодильной машины, работающей на Я410Л, выше, чем у работающей на Я407С. Из графиков видно, что результаты экспериментальных и теоретических данных хорошо согласуются.

Применение разработанной модели эксергетического анализа для оценки энергоэффективности холодильных машин, работающих на смесевых хладагентах, будет востребовано организациями и предприятиями, занимающимися проектированием, производством и эксплуатацией климатической техники и холодильного оборудования. Результаты работы, предложенная методика позволяют выбрать энергоэффективный способ замены озоноразрушающих холодильных агентов альтернативными смесевыми хладагентами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Букин В. Г., Кузьмин А. Ю. Холодильные машины, работающие на неазеотропных смесях хладагентов: учеб. пособие. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2003. - 156 с.

2. Бродянский В. М. Эксергетический метод и перспективы его развития // Теплоэнергетика. - 1988. -№ 2. - С. 14-17.

3. Букин А. В., Кузьмин А. Ю. Эксергетический анализ работы судовых холодильных машин на хладагенте Я22 и смесях Я407С и Я410Л // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2009. - № 1. - С. 165-168.

4. Букин А. В., Кузьмин А. Ю., Глазунов А. В. Использование эксергетического метода для анализа ретрофита судовых холодильных машин // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2009. - № 1. - С. 169-171.

Статья поступила в редакцию 12.02.2010

ANALYSIS OF POWER EFFICIENCY OF MARINE REFRIGERATING MACHINES,

OPERATING WITH MIXED REFRIGERANTS

A. V. Bukin, A. Yu. Kuzmin, P. Yu. Potekhin

The evaluation of power efficiency changes at retrofit of R22 refrigerating machine into mixed refrigerants is made. It is offered to evaluate power efficiency using excergic method based on the developed mathematical and physical models. To approbate and verify the results the experimental stands of refrigerating machines working with R407C and R410A were designed and created. The experimental data were processed and compared with the results of theoretical research. Comparison helped to make a good qualitative and quantitative concordance.

Key words: marine refrigerating machine, ozone protection, power efficiency, exergic analysis, experimental researches, retrofit.