CC BY
25
УДК 621.575
Альтернативные рабочие вещества для комбинированного термотрансформатора
Канд. техн. наук А. А. ДЗИНО, канд. техн. наук А. А. МАЛЫШЕВ, канд. техн. наук О. С. МАЛИНИНА [email protected] Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет ИТМО Институт холода и биотехнологий 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9
Использование комбинированного цикла для выработки холода и теплоты позволяют рационально использовать энергию и решать стоящие перед экономикой задачи. Рассмотрен принцип работы комбинированного термотрансформатора на альтернативных хладагентах для одновременного получения холода, теплоты системы отопления и горячего водоснабжения.
Ключевые слова: энергосбережение, комбинированный термотрансформатор, альтернативные хладагенты.
Alternative working substances for the combined thermotransformer
Ph. D. A. A. DZINO, Ph. D. A. A. MALYSHEV,
Ph. D. O. S. MALININA
[email protected] University ITMO Institute of Refrigeration and Biotechnologies 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str, 9
Use of the combined cycle for development of cold and warmth allow to use rationally energy and to solve problems facing economy. The combined thermotransformer on alternative coolants for simultaneous receiving cold, warmth of system of heating and hot water supply.
Keywords: the energy saving, the combined thermotransformer, alternative coolants.
Одной из задач Международной академии холода является поиск направлений энергосбережения в области техники низких температур и низкопотенциальной энергетики [1]. Использование комбинированного цикла для выработки холода и теплоты позволяют рационально использовать энергию и решать стоящие перед экономикой задачи.
Как известно, по обратному циклу работают следующие тепловые машины: холодильная машина, тепловой насос и машина, работающая по комбинированному циклу (комбинированный термотрансформатор [2]). Данный термотрансформатор предназначен для одновременного получения холода и теплоты. Поскольку согласование холодопроизводительности и теплопроизводительности здесь не рассматривается, за основу берется холодильная нагрузка, а тепловая компенсируется аппаратами воздушного охлаждения (если тепло вырабатывается с избытком) или установкой дополнительных нагревательных аппаратов (если теплоты недостаточно).
Комбинированный термотрансформатор (КТ) может использоваться для одновременного хладо- и теплоснабжения как малых предприятий, например, предприятий общественного питания с децентрализованной системой теплоснабжения, где требуется холод с температурой -6 °С для кратковременного хранения охлажденных продуктов, так и для крупнотоннажных производств, где более «жесткие» условия хранения мороженных грузов с температурой до -20 °С и более высокой температурой теплоснабжения.
В качестве рабочих веществ комбинированного термотрансформатора, рассмотрены следующие хладагенты: Я134а, Я717, Я407С, Я410Л и Я600а, результаты сравнения свойств которых представлены в табл. 1. Как видно из табл. 1, все хладагенты озонобезопасны. Близки к бивалентности Я717 и Я600а, однако, их основными недостатками являются токсичность и врыво-опасность.
Для малых предприятий выбраны традиционные схема и цикл одноступенчатого комбинированного термотрансформатора с регенеративным теплообменником. В данной схеме после компрессора предусмотрен форконденсатор для организации нагрева воды в системе горячего водоснабжения. Рассчитан следующий режим работы комбинированного термотрансформатора: холодопроизводительность Q0 = 100 кВт, температурный график нагрева воды для системы отопления (СО) tWl /tщ = 43/47 °С, температурный график для системы горячего водоснабжения (СГВ) t' /V = 4 / 60 °С; температурный график по хладоносителю для потребителя
холода t. Д = -3/ -7 °С.
*1 *2
В табл. 2 представлены результаты расчетов комбинированного термотрансформатора, особенностью которых было определение процентного соотношения теплового потока перегрева, отводимого в систему горячего водоснабжения к удельному тепловому потоку конденсатора, идущего в систему отопления.
Из проведенных расчетов видно, что процентное соотношение потоков является наибольшей у Я410Л (34,6 %), поэтому для системы горячего водоснабжения можно рекомендовать в первую очередь данный
Таблица 1
Сравнение свойств рабочих веществ [3-5]
Параметр Рабочие вещества
Ю34а Я717 Я407С Я410Л Я600а
Химическая формула, состав СНЛ ын3 Я32/Ю25 /Ю34а (23/25/52) Я32/Я125 (50/50) С4Н10
Потенциал разрушения озонового слоя ОБР (относительно Ю1) 0 0 0 0 0
Потенциал глобального потепления О^Г (относительно СО2) 1300 <1 1600 540 1890 2900 3
Потенциал глобального потепления (относительно Ю1, Ю2) 0,34 0 0,29 0,39 0,42 0
Взрывоопасность невзрывоопасен взрывоопасен невзрывоопасен невзрывоопасен взрывоопасен
Горючесть негорючий горючий негорючий негорючий горючий
Токсичность нетоксичен токсичен нетоксичен нетоксичен токсичен
Таблица 2
Параметры рабочих веществ одноступенчатого комбинированного термотрансформатора с регенеративным теплообменником
Параметры Рабочие вещества
Ю34а Я717 Я407С Я410Л Я600а
Температура кипения ґ0,°С -10 -10 -10 -10 -10
Температура конденсации ґк, °С 50 50 50 50 50
Р Степень повышения давления п= — Р 6,65 7,0 5,60 5,21 6,19
Температура пара в конце процесса сжатия ґ2, °С 75 160 89 99 63,5
Температура рабочего вещества на линии насыщения ї °С 50 50 55 51 50
Отопительный коэффициент, ^ 4,31 4,42 4,04 3,16 4,35
Удельный объем в рабочего вещества при всасывании в компрессор (точка 1) V, м3/кг 0,111 0,445 0,0637 0,0505 0,367
Удельная массовая холодопроизводительность д кДж/кг 138,6 1058,3 143,0 144,2 254,1
Удельная объемная холодопроизводительность д, кДж/м3 1250,4 2378,2 2244,9 2855,4 782,0
Удельный тепловой поток, отводимый в систему СО, дк, кДж/кг 180,4 1367,9 190,0 210,8 330,0
Массовый расход рабочего вещества О кг/с 0,721 0,0945 0,0699 0,0693 0,0393
Изоэнтропная работа компрессора 1, кДж/кг 41,8 309,6 47,0 66,6 75,9
Теплопроизводительность Qк, кВт 130,0 129,3 132,8 146,1 129,7
Холодильный коэффициент, є 3,31 3,42 3,04 2,16 3,35
Отопительный коэффициент, ^ 4,31 4,42 4,04 3,16 4,35
Удельный тепловой поток, отводимый в систему ГВД д'к, кДж/кг 27,5 23,4 41,0 72,9 6,19
Отношение удельного теплового потока перегрева, отводимого в систему ГВД к удельному тепловому потоку конденсатора Ад'к , % 15,2 23,4 21,6 34,6 7,8
хладагент. Кроме того, этот хладагент обладает самой высокой удельной объемной холодопроизводительнос-тью. Таким образом, исходя из проведенных расчетов и вышеизложенных факторов, для малых предприятий можно рекомендовать хладагент Я134а и Я410А.
Как было сказано выше, для крупнотоннажных производств рассматриваются более «жесткие» условия по температурам кипения и конденсации. В связи с этим фактором выбран двухступенчатый комбиниро-
ванный термотрансформатор с теплообменниками (фор-конденсатор предусмотрен после компрессора верхней ступени). Данный комбинированный термотрансформатор работает в следующем режиме: холодопроизводи-тельность Q0 = 100 кВт, температурный график нагрева воды для системы отопления tщ /tщ = 63/67 °С, температурный график для системы горячего водоснабжения
= 4 /70 °С; температурный график по хладоноси-
телю V /? = -18/-22 °С.
*1 *2
Таблица 3
Параметры рабочих веществ двухступенчатого комбинированного термотрансформатора
Параметры Рабочие вещества
Ю34а Я717 Я407С Я410Л Я600а
Р , МПа 1,805 3,31 3,467 4,742 1,133
Р0, МПа 0,107 0,15 0,232 0,33 0,0575
я= Р Ро 16,9 22,1 14,9 14,7 19,7
Рт Ч Рк ■ Ро 0,439 0,705 0,897 1,251 0,255
Р = Р 1 Р т 4,11 4,69 3,86 3,79 4,44
Р = ^ 2 Р о 4,10 4,70 3,87 3,79 4,43
В табл. 3 представлены результаты сравнения свойств рассматриваемых хладагентов, из которой очевидно, что по степени повышения давления и максимально допустимому давлению конденсации в общепромышленных поршневых холодильных машинах сравнительный анализ можно проводить для Я134а и Я600а.
Из проведенного авторами расчета, результаты которого представлены в табл. 4, видно, что наиболее перспективным рабочим веществом для крупнотоннажных производств является Я134а, несмотря на то, он не отвечает требованием бивалентности по парниковому эффекту. Альтернативой Я134а может быть Я600а на тех производствах, где данное вещество является сырьем или продуктом. Однако, при работе на данном хладагенте, необходимо предусмотреть соблюдение всех правил пожарной безопасности.
Таблица 4
Параметры рабочих веществ двухступенчатого комбинированного термотрансформатора с теплообменниками
Параметры Рабочие вещества
Ю34а Я600а
Температура кипения Г0,°С -25 -25
Температура конденсации Гк, °С 70 70
„ Рк Степень повышения давления Р = — Ро 16,9 19,7
Промежуточное давление Рт, МПа 0,439 0,255
Температура пара в конце процесса сжатия рабочего вещества в компрессоре II ступени Г4, °С 123 105
Удельный объем рабочего вещества при всасывании в компрессор второй ступени (точка 1) V, м3 /кг 0,235 0,750
Удельная массовая холодопроизводительность д0, кДж/кг 159,3 311
Удельная объемная холодопроизводительность д, кДж/м3 677,9 414,7
Удельный тепловой поток, отводимый в систему СО, дк, кДж/кг 195 350
Массовый расход рабочего вещества первой ступени О ^ , кг/с 0,628 0,321
Массовый расход рабочего вещества второй ступени О “ , кг/с 0,801 0,434
Теплопроизводительность Qч, кВт 156,2 151,9
Изоэнтропная мощность компрессора I ступени, кВт 22 21,6
Изоэнтропная мощность компрессора II ступени, кВт 34,1 30,47
Отопительный коэффициент, ^ 2,78 2,92
Холодильный коэффициент, 8 1,78 1,92
Удельный тепловой поток, отводимый в систему СГВ <5^ , кДж/кг 68,6 77,6
Отношение удельного теплового потока перегрева, отводимого в систему ГВД к удельному тепловому потоку конденсатора Дд'к , % 35,2 22,2
Список литературы
1. Цветков О. Б., Лаптев Ю. А. Холодильные агенты — без границ. // Вестник Международной академии холода. 2010. № 1.
2. Соколов В. Я., Бродянский В. М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения: Учеб. Пособие для вузов. — 2-е изд., перераб. — М.: Энергоиздат, 1981.
3. Бабакин Б. С. Хладагенты, масла, сервис холодильных систем: Монография. — Рязань: Узорочье, — 2003.
4. Железный В. П., Жидков В. В. Эколого-энергети-ческие аспекты внедрения альтернативных хладагентов в холодильной технике. — Донецк: Изд-во «Донбасс», 1996.
5. Цветков О. Б. Холодильные агенты: Монография. — СПб.: СПбГУНиПТ, 2002.
