Эксергетический анализ работы судовых холодильных машин на хладагенте R22 и смесях R407c и R410a

УДК 621.564

А. В. Букин, А. Ю. Кузьмин

ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ СУДОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН НА ХЛАДАГЕНТЕ R22 И СМЕСЯХ R407C И R4ЮA

Одной из серьезных задач, стоящих перед производителями и эксплуатирующими организациями судовой холодильной техники, является поэтапный переход на озонобезопасные холодильные агенты и отказ от использования хладагента Я22. Необходимо, чтобы при ретрофите судовладельцы несли минимальные потери. Соблюдая требования Монреальского протокола, Российский морской регистр судоходства с 1995 г. запретил использование озоноразрушающих хладагентов Я12 и Я502 в новых установках. В качестве хладагентов, альтернативных Я22, были предложены смесевые холодильные агенты Я407С и Я410А.

Для выбора подходящего хладагента при замене Я22 в действующем холодильном оборудовании необходима методика анализа и сравнения работы холодильной машины на различных хладагентах. Существуют два основных метода - энергетический, с помощью холодильного коэффициента, и эксергетический, использующий понятие теплового потенциала относительно окружающей среды. Эксергетический анализ позволяет судить о термодинамическом совершенстве процессов, происходящих внутри каждого элемента холодильной машины.

При эксергетическом анализе производится расчет холодильной машины, в результате которого определяются сначала теплофизические и термодинамические свойства состояния хладагента на входе и выходе из элементов установки, а затем рассчитывается и эксергия в этих точках.

Была разработана математическая модель работы холодильной машины и проведен расчет судовой фреоновой одноступенчатой холодильной машины холодопроизводительностью 5 кВт для фреонов Я22, Я410Л, Я407С.

Параметры, для которых проводился расчет, были характерными для работы судовых холодильных машин: температура кипения -30, -15, 0 °С; температура конденсации 30, 40, 50 °С; температура перегрева пара на всасывании в компрессоре - 10 °С; температура переохлаждения жидкости после конденсатора - 5 °С; температура окружающей среды - 20 °С.

Схема эксергетического баланса холодильной машины представлена на рис. 1.

Рис. 1. Эксергетический баланс установки: dэм, й?км, й?к, й?р.в, й?и - потери эксергии соответственно в электродвигателе, компрессоре, конденсаторе, регулирующем вентиле и испарителе

По результатам расчета проводилось сравнение холодильных машин, работающих на од-нокомпонентом Я22 и смесевых хладагентах Я410Л и Я407С. Сравнивались полный КПД и потери эксергии в элементах холодильной установки. Результаты расчета были представлены в виде графиков зависимости потерь эксергии в элементах холодильной установки от температуры конденсации и температуры кипения. На основе анализа данных диаграмм были выявлены преимущества и недостатки применения того или иного хладагента в различных диапазонах температуры кипения и конденсации. Затем был проведен расчет холодильной машины при неизменной температуре кипения и различных значениях температуры конденсации для хладагентов Я22, Я410Л, Я407С (табл. 1).

Таблица 1

Результаты расчета изменения потерь эксергии в зависимости от температуры конденсации

Хладагент, «о = -15 °С « С *-к» С КПДуст ^км &к ^р.в

R410 30 0,46 4,37 8,960 3,89 6,16

40 0,334 5,38 16,030 2,64 9,97

50 0,253 6,20 22,500 1,47 14,36

R407 30 0,464 4,32 6,545 5,85 5,57

40 0,31 5,52 15,830 5,01 10,85

50 0,238 6,26 21,190 3,87 15,54

R22 30 0,483 3,99 7,770 3,32 4,69

40 0,365 4,89 15,350 3,20 6,74

50 0,288 5,66 21,200 3,05 9,67

Были построены сравнительные графики зависимости потерь эксергии в элементах от температуры конденсации, из которых видно, какой хладагент предпочтительнее в данной установке (рис. 2).

а б

Рис. 2. Зависимость потерь эксергии: а - в конденсаторе; б - в компрессоре/электродвигателе от температуры конденсации при /0 = -15 °С

Из рисунка видно, что с ростом температуры конденсации происходит рост потерь эксергии в конденсаторе для всех исследуемых хладагентов. Следует отметить, что Я410Л имеет наибольшие потери в конденсаторе во всем диапазоне изменения температуры конденсации, а потери при работе на Я407С имеют наименьшие значения при температуре конденсации ниже 35 °С. Видно также, что при увеличении температуры конденсации растут и суммарные потери эксергии в компрессоре и электродвигателе. Потери при работе на хладагентах Я410Л и Я407С на 9-14 % больше, чем при работе на Я22.

В табл. 2 приведены результаты расчета холодильной машины, работающей на хладагентах Я22, Я410Л и Я407С. При постоянной температуре конденсации = 30 оС найдены значения потерь эксергии в узлах холодильной машины в зависимости от температуры кипения.

Таблица 2

Результаты расчета изменения потерь эксергии в зависимости от температуры кипения

Хладагент, «к = 30 °С «о, °С КПДуст ^км &к ^р.в

R410 0 0,3581 2,76 8,277 3,47 2,64

-15 0,46 4,37 8,960 3,89 6,16

-30 0,4714 6,47 9,700 4,38 11,73

R407 0 0,370 2,69 5,809 5,19 2,64

-15 0,464 4,32 6,545 5,85 5,57

-30 0,487 6,21 7,765 6,25 10,55

R22 0 0,390 2,42 7,167 2,89 2,05

-15 0,483 3,99 7,769 3,32 4,69

-30 0,503 5,88 10,163 3,97 8,21

На рис. 3 показаны зависимости потерь эксергии в испарителе и регулирующем вентиле от температуры кипения. Для всех сравниваемых хладагентов прослеживается рост потерь эк-сергии с уменьшением температуры кипения как в испарителе, так и в регулирующем вентиле. Характерно также, что интенсивность роста потерь примерно одинакова, однако эти потери при работе на Я22 наименьшие, а при работе на Я407С - наибольшие. В регулирующем вентиле холодильной машины потери при работе на Я22 также наименьшие, а при работе на Я407С и Я410Л больше на 5-20 % и 5-30 % соответственно.

а б

Рис. 3. Зависимость потерь эксергии: а - в испарителе; б - в регулирующем вентиле от температуры кипения при ^ = 30 °С

Для сравнения эксергетических характеристик холодильных машин рассмотрим графики на рис. 4, где Котн - коэффициент отношения эксергетического КПД холодильной машины, работающей на Я410Л или Я407С, к КПД холодильной машины, работающей на Я22. Из графика на рис. 4, а видно, что показатели КПД холодильной машины, работающей на Я407С и Я410Л ниже, чем работающей на Я22, т. к. все значения коэффициента отношения Котн меньше 1. Отметим, что с ростом температуры конденсации значения КПД холодильной машины, работающей на альтернативных хладагентах, все более уменьшаются: значения его КПД холодильной машины, работающей на Я407С ниже, чем у Я22 на 4-17 %, у Я410А - на 5-12 %.

На рис. 4, б показана зависимость Котн от температуры кипения: показатели КПД холодильной машины, работающей на Я410Л и Я407С, также ниже, чем работающей на Я22. Отметим, что с ростом температуры кипения значения КПД холодильной машины, работающей на Я410Л и Я407С, уменьшаются относительно Я22. Следовательно, применение альтернативных хладагентов при более низких значениях температуры выгоднее, т. к. значения КПД холодильной машины приближаются к значениям при работе на Я22 и уступают им не более чем на 3-6 %. Однако при более высокой температуре кипения значения КПД при работе на Я410А уступают таковым при работе на Я22 уже более чем на 8 %. Представляет интерес также то, что Котн для Я410Л имеет максимальное значение при температуре кипения -15 °С.

а б

Рис. 4. Зависимость Котн: а - от температуры конденсации; б - температуры кипения

Из результатов эксергетического анализа следует, что применение хладагентов Я407С и Я410А приводит к росту потерь эксергии во всех узлах холодильной машины. Эти потери уступают Я22 в меньшей степени при работе холодильной машины с как можно меньшей температурой конденсации. При ^ = 35 °С и ниже потери эксергии в конденсаторе при работе на Я407С имеют меньшие значения, чем при работе на Я22. Следует также отметить, что растут потери и при уменьшении температуры кипения. При работе на Я410А эти потери на 30-40 % больше, чем при работе на Я22, а при работе на Я407С потери больше в 2-2,5 раза. Потери растут также и в регулирующем вентиле при уменьшении температуры кипения, однако темпы роста при работе на Я410Л и Я407С несколько большие, чем у Я22.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Бродянский И. П. Эксергетический метод анализов. - М.: Агропромиздат, 1986. - 294 с.

Статья поступила в редакцию 25.03.2009

THE EXERGY ANALYSIS

OF THE MARINE REFRIGERATING MACHINE WORK ON THE REFRIGERANT R22 AND MIXTURES R407C AND R410A

A. V. Bukin, A. Yu. Kuzmin

The comparison of the marine refrigerating machine work and their elements on the ozone-saving mixed refrigerants R410A, R407C and ozone-depleting R22 is made on the basis of the exergic analysis. The parameters of the marine refrigerating machine work such as specific refrigerating capacity, exergy, exergy losses in the refrigerating machine units, exergic coefficient of efficiency are calculated. The graphics of these parameters dependence on the boiling-point and condensation are made. It is stated that the use of the refrigerants R407C and R410A as an alternative of R22 leads to the increase of the exergy losses in all refrigerating machine units.

Key words: refrigeration, specific refrigerating capacity, exergy, exergy losses in the refrigerating machines units, exergy coefficient of efficiency are calculated.