Экспериментальные исследования работы холодильной машины на однокомпонентном и смесевом холодильных агентах

УДК 621.51

А. Ю. Кузьмин, А. В. Букин, С. А. Котишкин

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ НА ОДНОКОМПОНЕНТНОМ И СМЕСЕВОМ ХОЛОДИЛЬНЫХ АГЕНТАХ

A. Yu. Kuzmin, A. V. Bykin, S. A. Kotishkin

EXPERIMENTAL STUDY OF THE WORK OF REFRIGERATOR ON ONE-COMPONENT AND MIXED REFRIGERANT

На основе разработанной методики экспериментальных исследований на изготовленном авторами экспериментальном стенде проведено исследование работы холодильной машины на холодильных агентах R22 и R410A. Полученные данные были обработаны в виде зависимостей эксергетического КПД и величин потерь эксергии в элементах холодильной машины от режимных параметров. Результаты экспериментов позволили сделать вывод об энергоэффективности ретрофита холодильной машины с озоноразрушающего хладагента R22 на смесь R410A. Экспериментальные исследования завершили практическую апробацию разработанной авторами модели эксергетического анализа одноступенчатой холодильной машины.

Ключевые слова: холодильная машина, холодильные агенты, экспериментальный стенд, энергоэффективность, ретрофит, эксергетический анализ.

On the basis of the developed methods of experimental research on the experimental stand made by authors investigation of the work of refrigeration machine on refrigerants R22 and R410A is made. The experimental data were processed in the form of dependencies of exergy efficiency and the values of exergy losses in the elements of the refrigerating machine on the regime parameters. Results of experiments led to the conclusion about energy efficiency retrofit of the refrigeration unit with an ozone-depleting refrigerant R22 on mixture R410A. Experimental studies have completed the practical testing of the authors' model of exergy analysis of a single-stage refrigeration machine.

Key words: refrigerating machine, refrigerant, experimental stand, energy efficiency, retrofit, exergy analysis.

Энергоэффективность холодильной машины зависит не только от режимных параметров, но и от вида рабочего вещества, используемого в качестве холодильного агента. Работа холодильных машин на однокомпонентных холодильных агентах качественно отличается от их работы на смесевых холодильных агентах [1]. В первом случае холодильная машина работает по циклу Карно, во втором - по циклу Лоренца. Для сопоставления энергоэффективности холодильных машин, работающих на однокомпонентных и смесевых холодильных агентах, можно воспользоваться эксергетическим методом, который позволяет не только оценить энергетические характеристики всей холодильной машины в целом, но и провести анализ энергетических потерь в отдельных ее элементах.

Нами разработана эксергетическая модель анализа энергоэффективности одноступенчатой холодильной машины, работающей на различных холодильных агентах [2], экспериментальная апробация которой и явилась целью наших исследований. На спроектированном и изготовленном экспериментальным стенде [3] были проведены экспериментальные исследования при работе на холодильных агентах R22 и R410A в следующем диапазоне режимных параметров:

— тепловая нагрузка на холодильную машину Q: от 200 до 1 000 Вт;

— температура кипения t0: -5 и 0 °С.

Полученные данные были обработаны в виде зависимостей энергетических характеристик холодильной машины от режимных параметров.

На рис. 1 представлена зависимость электрической мощности компрессора от температуры кипения при фиксированной тепловой нагрузке на воздухоохладитель. Как видно из графика, с ростом температуры кипения и тепловой нагрузки потребляемая электрическая мощность компрессора растет, причем её рост больше при работе холодильной машины на R22.

to,

♦ К22, N пушки = 1 000 Вт —-[322, N пушки = 500 Вт

—А— Р22, N пушки = 200 Вт — -А — Р410А, N пушки = 200 Вт

Рис. 1. График зависимости электрической мощности компрессора от температуры кипения

при работе на Я22 и смеси К410Л

На рис. 2 показана зависимость потерь эксергии в компрессоре от температуры кипения при фиксированной тепловой нагрузке на воздухоохладитель. С ростом температуры кипения и тепловой нагрузки потери убывают как при работе на Я22, так и при работе на Я410Л. Из рис. 3 видно, что при работе на смеси Я410Л при температуре кипения ¿0 = -5 °С потери в компрессоре выше на 22 %, чем при работе на К22, а при ^ = 0 °С - на 17 %.

«с,

* 1322, N пушки = 1 000 Вт;   Р22, N пушки = 500 * R22, N пушки = 200 Вт

Рис. 2. График зависимости потерь эксергии в компрессоре от температуры кипения при работе на Я22

«>, °с

А Р22/Р410А, N пушки = 200 Вт

Рис. 3. График отношения потерь эксергии в компрессоре в зависимости от температуры кипения

при работе на Я22 и смеси Я410Л

Потери эксергии в конденсаторе и испарителе холодильной машины с ростом температуры кипения и холодопроизводительности холодильной машины уменьшаются как при работе на Я22, так и при работе на смеси Я410Л (рис. 4). При работе на смеси потери в конденсаторе меньше до 70 % (рис. 4), а потери в испарителе больше до 13 % (рис. 5).

А К22/К410А, N пушки = 200 Вт

Рис. 4. График отношения потерь эксергии в конденсаторе в зависимости от температуры кипения

при работе на Я22 и смеси Я410Л

А К22/К410А, N пушки = 200 Вт

Рис. 5. График отношения потерь эксергии в испарителе в зависимости от температуры кипения

при работе на Я22 и смеси Я410Л

Потери эксергии в регулирующем вентиле с ростом температуры кипения уменьшаются при работе и на К22, и на Я410Л. Но при работе на смеси эти потери при ^ = -5 °С такие же, как и при работе на К22, а при t0 = 0 °С выше до 30 %.

На рис. 6 показана графическая зависимость эксергетического КПД установки от температуры кипения при фиксированной тепловой нагрузке на воздухоохладитель при работе на Я22. С ростом температуры кипения эксергетический КПД уменьшается, так же как и эксер-гетический КПД установки при её работе на смеси Я410, но он ниже на 18 % (рис. 7).

Го, °С

—А— К22, N пушки = 200 Вт; —К22 ^ушки = 500 Вт; К22 ^ушки = 1 000 Вт

Рис. 6. График зависимости эксергетического КПД установки от температуры кипения

при работе на Я22

«о,

А К22/К410А, N пушки = 200 Вт

Рис. 7. График отношения эксергетического КПД установки в зависимости от температуры кипения

при работе на Я22 и смеси Я410Л

Полученные экспериментальные данные будут сопоставлены с расчетными по разработанной нами методике оценки энергоэффективности работы холодильной машины.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Букин В. Г., Кузьмин А. Ю. Экспериментальные исследования малых холодильных машин на смеси Я22/Я142Ь // Холодильная техника. - 1996. - № 5. - С. 12-14.

2. Букин А. В., Кузьмин А. Ю. Эксергетический анализ работы судовых холодильных машин на хладагенте Я22 и смесях Я407С и Я410 // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника

и технология. - 2009. - № 1. - С. 165-168.

3. Котишкин С. А., Букин А. В., Исеркипов М. Ш. Экспериментальный стенд для исследования ретро-

фита холодильных машин систем кондиционирования воздуха на озонобезопасные смесевые холодильные агенты // Тез. докл. Междунар. конф. с элементами науч. школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур». - М.: МГУИЭ, 2010. - С. 244-247.

Статья поступила в редакцию 16.11.2011

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Кузьмин Андрей Юрьевич - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры "Холодильные машины"; kuzmin@astu.org.

Kuzmin Andrey Yurievich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Refrigerating Machines"; kuzmin@astu.org.

Букин Александр Владимирович - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Холодильные машины»; bukin80@rambler.ru.

Bukin Alexander Vladimirovich - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Refrigerating Machines"; bukin80@rambler.ru.

Котишкин Сергей Александрович - Астраханский тепловозоремонтный завод - филиал ОАО «Желдорремаш»; мастер участка; fimat@yandex.ru.

Kotishkin Sergey Aleksandrovich - Astrakhan diesel-locomotive-repairing plant, branch of Public corporation "Zheldorremash"; Supervisor; fimat@yandex.ru.