Исследование возможности применения бинарного хладагента в каскадной холодильной машине

В последние годы проведено много исследований по замене хлорфторуглеродов (ХФУ) на гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) в каскадных холодильных системах. Исследователи продолжают изучать смеси гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ) и заинтересованы в их использовании в качестве заменителя ХФУ.

Ганг (Gang) и др. [1] построили двухступенчатую каскадную холодильную испытательную установку, использующую смесь R170/R116 в качестве потенциального заменителя хладагента для R508b. Они обнаружили, что смесь R 170/R116 показывает высокий уровень коэффициента единичной холодильной мощности EER, который примерно на 10 % выше, чем у R508b. В других работах исследователи больше были сосредоточены на использовании природных жидкостей, таких как вода, аммиак, углекислый газ и углеводороды. Никола (Nicola) и др. [2] проанализировали производительность каскадного холодильного цикла, работающего со смесью углекислого газа R744 и гидрофторуглеродов ГФУ R125, R41, R32, R23, которые применялись для низкой ступени, и аммиака, который применялся в высокой ступени. Они пришли к выводу, что смеси с R744 можно рассматривать как целесообразный вариант для низкотемпературной каскадной системы, работающей при 200 К.

Б. Ни (В. Niu) и др. [3] предложили вместо R13 использовать новый экологически чистый альтернативный хладагент R744/R290 с массовым соотношением 71/29. Результаты показали, что смеси R744/R290 можно рассматривать как хорошую замену R13 при температуре испарителя выше 201 К.

Ким и др. [4] создали экспериментальную установку кондиционирования воздуха для оценки транскритического цикла СО 2 и субкритического цикла смеси СО 2 /пропан в массовых соотношениях 75/25 и 60/40. Они обнаружили, что холодильная система, работающая на R744, может работать без существенного влияния на ее холодильный коэффициент в относительно более широком диапазоне вблизи уровня оптимального заряда. На основе этой работы Мин Чо (Min Cho) и др. [5] исследовали характеристики теплоотдачи испарения смеси хладагентов CO 2 /пропан. Они обнаружили, что использование смеси при массовом соотношении 75/25 (CO 2 /пропан) для холодоснабжения или для системы кондиционирования воздуха приводит к снижению рабочего давления, что является одним из больших преимуществ.

Все перечисленные работы [1÷5] доказывают, что пропановая смесь, углекислый газ и другие природные хладагенты имеют огромные перспективы применения в хладотехнике. Однако их широкое использование тормозят такие свойства, как высокая горючесть, токсичность, небезопасность или низкая энергетическая эффективность. Для устранения этих препятствий Ванг (Wang) и др. [5] предложили использовать новые хладагенты в комплексе с системой охлаждения вторичного контура.

В [6÷7] исследователями показаны каскадные системы с использованием в качестве хладагента углекислого газа R744 и других «чистых» жидкостей, таких как аммиак R717 и R134a. За образец принято использование диоксида углерода R744. Применение CO 2 имеет такие недостатки, как высокое давление и высокая тройная точка, что не позволяет работать при более низкой температуре. Для преодоления этих недостатков было решено изучить более подходящие смеси для каскадной системы, которые смогут обеспечить наибольшую производительность, и за основу были приняты аналогичные системы, которые работают на хладагенте три-фторметан R23.

Автокаскадное охлаждение (Auto-cascade refrigeration system, далее – ACR) берет свое начало от традиционного каскадного цикла, который впервые был описан Подбельняком (Podbielniak W.J.) [8].

В 1950-х гг. ACR был успешно применен в промышленности по сжижению природного газа с использованием цикла, предложенного А.П. Клименко [9], поэтому ACR часто называют холодильником Клименко. Ранние автокаскадные системы охлаждения ACR использовали один или два фазовых сепаратора для разделения компонентов неазеотропных смешанных хладагентов [8÷9]. Важно отметить, что масло, содержащееся в циркулирующем хладагенте, не может быть эффективно удалено сепараторами при температуре ниже температуры замерзания масла. Миссимер (Missimer D.J.) [10] предложил одноступенчатую ACR, использующую более трех сепараторов, которые позволяли эффективно удалять масло, но это услож- нило систему. Литтл (Little W.A.) [11] исследовал одноступенчатый ACR, использующий однофазный сепаратор, на верхней части которого был установлен фракционирующий аппарат для усиления разделения нефти и загрязняющих веществ.

Цель исследований

По сравнению с многокомпонентными хладагентами использование именно бинарных хладагентов наиболее удобно при проектировании, производстве и обслуживании холодильника (особенно во время частичной перезарядки системы после утечки). Таким образом, можно сделать вывод, что одноступенчатая автокаскадная система охлаждения ACR, работающая с ректификационной колонной и бинарным хладагентом, актуальна, имеет многообещающие перспективы применения в тех областях, где требуется длительный безотказный срок службы ACR для обеспечения температуры -60 °С, например в пищевой, медицинской и биологической промышленности.

Информации о выполнении и испытании автокаскадных систем охлаждения ACR при температурах ниже -60 °C очень мало, поэтому в данной работе был предложен новый эмпирический подход к оптимизации производительности каскадной холодильной машины, использующей на втором каскаде автокаскад, работающий на бинарных хладагентах при температуре кипения -68 °С. Полученные результаты могут стать руководством при модернизации существующих каскадных холодильных машин, создания новых и для дальнейших исследований в целом.

Материалы и методы

Парокомпрессионное охлаждение является наиболее распространенным методом получения холода. Применение каскадной парокомпрессионной холодильной системы наиболее целесообразно, когда нам нужна низкая температура охлаждения, а температура кипения в воздухоохладителе - 200÷210 К.

На рисунке 1 показана каскадная система, которая состоит из двух отдельных контуров - высокой и низкой ступеней. Они соединены каскадным конденсатором-испарителем, который работает как испаритель для высокой ступени и как конденсатор - для низкой ступени. Производительность каскадной системы связана промежуточной температурой T i (температурой конденсации низкой ступени (Low-stage Condensation temperature)). Когда T i увеличивается, степень сжатия увеличивается для низкоступенчатого компрессора и уменьшается для другого. Следовательно, коэффициент единичной холодильной мощности низкой ступени EER LS уменьшается, а коэффициент единичной холодильной мощности высокой ступени EER HS увеличивается, что позволяет как уменьшать, так и увеличивать коэффициент единичной холодильной мощности системы EER Sys . Это означает, что существует оптимальная промежуточная температура, поэтому цикл будем изучать при оптимальных условиях (T i ).

Подписание Монреальского протокола в 1987 г. определило важность замены хлорфто-руглеродов (ХФУ) на альтернативные хладагенты, обладающие нулевым потенциалом разрушения озонового слоя ODP как в старых, так и в новых системах.

Негорючие смешанные хладагенты находят широкое применение во многих областях. Однако на сегодня проблематично найти «идеальные» негорючие смешанные хладагенты, которые имеют нулевой или низкий потенциал разрушения озонового слоя ODP в сочетании с нулевым или низким потенциалом глобального потепления GWP и с высокими показателями эффективности в каскадных холодильных машинах.

Комде**сатоо

Рисунок 1 – Двухступенчатая система охлаждения

Из «чистых» хладагентов для исследования выбран бинарный хладагент R23/R134a.

Физические и экологические данные их компонентов представлены в таблице.

Таблица

Физические и экологические характеристики хладагентов R23 и R134a

Наименование хладагента / Pure refrigerant	Точка кипения (0 bar) NBR, 0 °C	Нижний предел воспламеняемости, LFL, %	Потенциал Разрушения озонового слоя, ODP	Потенциал глобального потепления, GWP
R23	-82,1	нет	0	12000
R134a	-26,1	нет	0	1300

Приведенные в таблице данные показывают, что ODP каждого выбранного бинарного хладагента равен нулю. Бинарный хладагент представляет собой негорючие фторированные углеводороды с высоким потенциалом глобального потепления.

При разработке каскадных холодильных машин в качестве испытательного оборудования была поставлена цель решить следующие две задачи:

• 1.    Каскадная холодильная машина должна выходить на режим с максимальной скоростью.

• 2.    Обеспечить работу и провести испытание каскадной холодиной машины в стационарном режиме, когда требуется значительно меньшая холодопроизводительность, чем в нестационарном режиме.

Традиционно для получения низких температур ставят мощные холодильные машины с регулированием производительности после выхода в стационарный режим. Однако такие установки имеют ряд недостатков:

• -    требуется большая мощность холодильной установки;

• -    при нестационарном режиме происходит обмерзание корпуса компрессора.

Обмерзание корпуса происходит, когда некоторое количество хладагента в жидкой фазе попадает в картер компрессора и, как следствие, происходит его проникновение в область сжатия. Не имеет значения, какой механизм используется для процесса сжатия хладагента в компрессоре, т. е. какой тип компрессора применяется: поршневой компрессор, роторный, спиральный компрессор или винтовой. В результате попадания в область сжатия компрессора несжимаемых или малосжимаемых субстанций многократно возрастают механические, температурные и токовые нагрузки на узлы и детали компрессоров: поршни, стенки цилиндров, роторные, спиральные и винтовые механизмы, клапанные устройства, узлы вращения приводов и электродвигателя.

«Внутрикомпрессорное» развитие таких перегрузок зачастую происходит лавинообразно быстро, и внешние устройства защиты от перегрузок холодильных агрегатов не успевают среагировать. «Залив» компрессора опасен, в конце сжатия получаем высокую темпера- туру, и в компрессор не возвращается масло.

В настоящее время базовым хладагентом в каскадных холодильных машинах на втором каскаде является хладагент R23. Для выполнения поставленных задач были произведены сравнительные испытания системы с использованием чистого хладагента R23 и с использованием бинарной смеси R23/R134a.

Эксперименты проводились на каскадной холодильной машине «Фрасколд» (рис. 2), где в качестве хладагента 1-го каскада был использован R507, в качестве хладагента 2-го каскада вначале был использован R23. Расчеты показали, что для выхода на заданный режим за 3 ч требуется компрессор холодопроизводительностью 28 кВт. В холодильной камере были установлены два воздухоохладителя из нержавеющей стали суммарной холодопроизводительностью 28 кВт.

Рисунок 2 – Холодильная каскадная машина «Фрасколд»

Установили компрессор холодопроизводительностью 14 кВт. Время выхода на режим составило 15 ч. Масло из компрессора за это время не вернулось, температура конца сжатия достигла 90 °С. Результаты эксперимента представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Результаты испытаний низкой ступени каскадной холодильной машины «Фрасколд» на хладагенте R23 и на бинарной смеси R23/R134a

Для увеличения скорости выхода на режим гарантированного возврата масла и снижения температуры конца сжатия решено было использовать бинарную смесь хладагентов R23/R134a, и для рациональной стабилизации цикла работы холодильной машины на второй каскад был установлен рекуперативный теплообменник HE фирмы «Данфосс» (см. рис. 1). В систему был добавлен хладагент R134a в массовом соотношении 40 % к массе хладагента R23. Время выхода на режим по заданной температуре показано на рисунке 3. Продолжительность процесса выхода на режим сократилась более чем в 5 раз, масло вернулось в компрессор, а температура конца сжатия установилась на значении +60 °С.

В результате обработки эксперимента получили уравнение зависимости изменения температуры от времени работы холодильной машины на втором каскаде на бинарной смеси R23/R134a с массовым соотношением компонентов 60/40 c достоверностью аппроксимации R 2 =0,997 при работе в области температур 70:20 ° С.

τ = -0,0279t + 1,0092, где т - время охлаждения, ч; t - температура охлаждения, °С.

Результаты и обсуждение

Проведен теоретический анализ производительности каскадных холодильных систем с использованием смесей R23/R134a с массовым соотношением компонентов 60/40, а также проведены сравнительные испытания низкой ступени каскадной холодильной машины, работающей на чистом хладагенте R23 и на бинарной смеси R23/R134a.

Время выхода на режим сократилось в 5 раз, что аналогично увеличению холодильного коэффициента в 2 раза. Достигнуты возврат масла и снижение температуры конца сжатия на втором каскаде до +60 °С. Параметры первого каскада при этом оставались неизменными.

Выводы

• -    уменьшены потери объемной производительности в холодильном контуре, а также уменьшено количество хладагента в системе;

• -    обеспечен возврат масла в компрессор;

• -    снижена температура газа на сжатии в компрессоре;

• -    доказано на практике, что применение бинарной смеси R23/R134a для каскадной холодильной машины позволяет обеспечить стационарный режим работы, повысить холодопроизводительность в два раза, что позволяет выбрать компрессор меньшего типоразмера, а также значительно снизить капитальные и энергетические затраты.