CC BY
4
УДК 664
DOI 10.24412/2311-6447-2023-3-2
Анализ эффективности транскритических углекислотных систем в сравнении с R404a и R290
Analysis of the effectiveness of transcritical carbon dioxide systems in comparison with R404a and R290
Аспирант Н.Э. Алдаматов, профессор С.А. Бредихин, профессор А.В. Журавлёв Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева, тел. +7(499) 977-92-73, sbredihin kpia@rgau-msha.ru
PhD student N.E. Aldamatov, Professor S.A. Bredikhin, Professor A.V. Zhuravlev Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, tel. +7(499) 977-92-73, sbredihin_kpia@rgau-msha.ru
Аннотация. На сегодняшний день гидрохлорфторуглероды это наиболее популярные рабочие вещества в холодильной технике для среднетемпературного охлаждения (в среднем от -5 до +5 °С в охлаждаемой среде). Большинство ГФУ, хотя и обладает нулевым потенциалом разрушения озонового слоя (ОРС), имеет высокий потенциал глобального потепления (ПГП) и значительно влияет на общий объем выбросов парниковых газов холодильными установками. По этой причине природные хладагенты в настоящее время рассматриваются как потенциальное решение на будущее. Среди хладагентов природного происхождения интерес в современной индустрии холода представляют углекислый газ (R744) и пропан (R290). Натуральные хладагенты обладают благоприятными для окружающей среды свойствами, такими как нулевой уровень ОРС и низкий ПГП. Проведен сравнительный анализ эффективности для транскритических циклов R744 с целью использования в среднетемпературном охлаждении. Проведено сравнение с одним из наиболее распространенных хладагентов на сегодняшний день -R404A и обладающим наибольшей конкурентной способность с углекислым газом среди природных рабочих веществ - пропаном (R290). Исследование направлено на определение коэффициента полезного действия COP сравниваемых систем и указывает, как можно увеличить данную величину в транскритических углекислотных системах.
Abstract. To date, hydrochlorofluorocarbons are the most popular working substances in refrigeration technology for medium-temperature cooling (on average from -5 to +5 C in a cooled environment). Most HFCs, although they have zero ozone depletion potential (ODP), have a high global warming potential (GWP) and significantly affect the total greenhouse gas emissions from refrigeration plants. For this reason, natural refrigerants are currently being considered as a potential solution for the future. Among the refrigerants of natural origin, carbon dioxide (R744) and propane (R290) are of interest in the modern refrigeration industry. Natural refrigerants have environmentally friendly properties, such as zero ODP and low GWP. A comparative analysis of the efficiency for R744 transcritical cycles for use in medium-temperature cooling is carried out. A comparison was made with one of the most common refrigerants today - R404A and having the greatest competitive ability with carbon dioxide among natural working substances - propane (R290). The study is aimed at determining the COP efficiency of the compared systems and indicates how this value can be increased in transcritical carbon dioxide systems.
Ключевые слова: охлаждение, R744, COP, углекислый газ, холодильная техника
Keywords: cooling, R744, COP, carbon dioxide, refrigeration
Холодильная система работает с использованием цикла сжатия пара, передавая теплоту из области низких температур в область высоких. Базовый цикл паро-компрессионной холодильной машины состоит из четырех компонентов: компрессора, конденсатора/газоохладителя, расширительного устройства и испарителя (рис. 1).
© Н.Э. Алдаматов, С.А. Бредихин, А.В. Журавлёв А.В., 2023
)щий принцип работы холодильной машины (ХМ) следующий. Компрессор всасывает из испарителя газообразный хладагент низкого давления, сжимает, повышая до давления конденсации, и нагнетает в конденсатор. В конденсаторе хладагент меняет свое агрегатное состояние из газообразного в жидкое. Жидкость далее направляется в расширительное устройство, в котором происходит резкое снижение давления, вследствие чего рабочее вещество переходит из жидкого состояния в парожидкостное. Данный процесс сопровождается стремительным снижением температуры хладагента. Парожидкостная смесь направляется в испаритель, где происходит отвод теплоты от охлаждаемой среды. Подвод данной теплоты к хладагенту позволяет рабочему веществу полностью принять газообразное состояние и цикл повторяется.
Конденсатор/газоохладитель
-1
X
Расширительное устройство
{
ч У
Компрессор
Испапитель
Рис. 1. Схема базового цикла парокомпрессионной холодильной машины Одной из ключевых термодинамических свойств хладагента для определения эффективности холодильной машины является энтальпия. Данная характеристика определяется по 1оя(Р)-Ь (давление-энтальпия) диаграмме рабочего вещества, ось абсцисс которой приводит величину энтальпии, а ось ординат представляет значения давления. Принципиальная схема цикла и соответствующие диаграммы давления-энтальпии для хладагентов Ы744, Ы404А и Ы290 показаны на рис. 2. Точки 1, 2, 3 и 4 на циклах соответствуют точкам в базовом цикле холодильной машины рис. 1. Точка 1 отражает всасывающий тракт компрессора с газообразным рабочим веществом. По диаграмме давления-энтальпии точка 2 показывает повышение давления после компрессора. В точке 3 происходит фазовый переход, сопровождающийся уменьшением величины энтальпии перед расширительным устройством. Точка 4 отражает область парожидкостного состояния хладагента согласно диаграмме на рисунке 2 в испарителе холодильной машины.
Рис. 2. Принципиальная схема цикла и соответствующие диаграммы давления-энтальпии для хладагентов Я744, Я404Л и Я290 при температуре испарения -10°С и температуре конденсации/охлаждения газа +40 °С
Анализ рис. 2 главным образом показывает, что различные рабочие вещества имеют разные величины рабочих давлений при одинаковых величинах температуры кипения и конденсации. В цикле R744 газ испаряется и охлаждается при гораздо более высоких давлениях, чем в циклах R404A и R290. Также видно, что диапазон рабочих энтальпий хладагентов разный, как и потенциал отвода теплоты, который определяется разностью энтальпий.
Цель исследования - определение величины коэффициента полезного действия различных хладагентов при одинаковых температурах кипения и конденсации для сравниваемых машин. Сравнение производится между одноступенчатым холодильным циклом хладагентов R404A и R290 и транскритической холодильной машиной R744 с внедрением различных элементов в конструкцию установки.
Рассматривали транскритические установки с базовым набором элементов одноступенчатой холодильной машины (рис. 1), с включением промежуточного теплообменника (ПТО) на жидкостновсасывающей линии при одноступенчатом сжатии (рис. 3 и 4), с применением промежуточного теплообменника между ступенями (рис. 5 и 6) при двухступенчатом сжатии, а также двухступенчатую холодильную машину с промежуточным теплообменником на линии всасывания и между ступенями сжатия (рис. 7 и 8).
В первую очередь величину коэффициента полезного действия холодильных машин определяли при температуре конденсации в зимнем и летнем режимах, т.е. при +25 и +40 ^ соответственно (рис. 9). Все холодильные машины работали по циклу, представленному на рис. 1.
Далее COP определяли при различных температурах испарения хладагента (рис. 10) при одноступенчатом сжатии (по циклу рис. 1) и температуре конденсации +25 и +40 °С. В дальнейших исследованиях рассматривали одноступенчатые циклы фреонов R290 и R404A, одноступенчатые углекислотные ХМ с ПТО и без, а также двухступенчатые транскритические системы с ПТО и без (рис. 11). Коэффициент полезного действия холодильных машин определяется по формуле [2 ]:
КПД = (Ь-Ь4)/(Ь-Ь), (1)
где Ы - энтальпия рабочего вещества в точке всасывания хладагента компрессором, кДж/кг; h2 - энтальпия рабочего вещества в точке нагнетания хладагента компрессором, кДж/кг; h4 - энтальпия рабочего вещества в точке конца процесса расширения жидкого хладагента после расширительного устройства, кДж/кг.
На рис. 3 показана схема цикла ХМ с включением теплообменника жидкост-новсасывающей магистрали при одноступенчатом сжатии, который используется для обеспечения переохлаждения жидкого хладагента и защиты компрессора от попадания жидкости. Соответствующая диаграмма log(P)-h цикла для R744 с теплообменником жидкостновсасывающей магистрали показана на рис. 4.
Рис. 3. Схема цикла парокомпрессионной холодильной машины с промежуточным теплообменником
13744
100
а.
га ю
IX
а
з; х
ш ц
ш
га
а:
20
-31.1 "С I \ \40°С
3|нх 3 2 2|нх
-10 °с
/ А\их 4
/ 1 1 |нх\ 1 МАЛ
Энтальпия 1ч, кДж/кг
Рис. 4. 1од(Р)-Н диаграмма цикла для Я744 с теплообменником жидкостновсасывающей магистрали
На рис. 5 и 6 показаны схемы цикла ХМ с ПТО между ступенями при двухступенчатом сжатии и ее log(P)-h диаграмма соответственно. Данный теплообменник позволяет осуществить компрессию холодильного агента в 2 ступени, что позволяет достичь более низких рабочих температур испарения, а также снизить температуру нагнетаемого газа в конденсатор/газоохладитель.
Рис. 5. Схема цикла холодильной машины с промежуточным теплообменником между ступенями при двухступенчатом сжатии
Рис. 6. ¡од(Р)-Н диаграмма цикла холодильной машины с промежуточным теплообменником между ступенями при двухступенчатом сжатии
204
Рис. 7 отражает конфигурацию транскритической двухступенчатой ХМ с ПТО на жидкостно-всасывающей магистрали и ПТО между ступенями сжатия компрессоров. Соответствующая ей диаграмма ^(Р)-Ь представлена на рис. 8.
Рис. 7. Схема конфигурации транскритической двухступенчатой холодильной машины с промежуточным теплообменником на жидкостно-всасывающей магистрали и ПТО между ступенями сжатия компрессоров
Рис. 8. 1од(Р)-Н диаграмма цикла транскритической двухступенчатой холодильной машины с промежуточным теплообменником на жидкостно-всасывающей магистрали и ПТО между ступенями сжатия компрессоров
На рис. 9 показана зависимость величины КПД от температуры конденсации для 3 хладагентов. При повышении температуры конденсации коэффициент полезного действия снижается для всех хладагентов. При этом Ы290 показывает самый высокий КПД в моделируемом диапазоне температур конденсации, за ним следует Ы404Л, а затем Ы744. Связано это с тем, что при повышении температуры конденсации происходит повышение давления нагнетания компрессора, который осуществляет процесс сжатия рабочего вещества. При одной и то же величине температуры кипения хладагента, но при разных величинах температуры конденсации степень сжатия, которая представляет собой отношение давления нагнетания к давлению испарения, будет разной. Увеличение степени сжатия приводит к уменьшению производительности компрессора.
1.5 • ^-----
I _■_■_I_■_■ _
20 25 30 35 40 45
Температура конденсации Тк,
Рис. 9. Зависимость величины коэффициента полезного действия от температуры конденсации
На рис. 10 представлена зависимость величины КПД от температуры испарения при температурах конденсации/охлаждении газа 25 и 40 °С. К290 показывает наиболее высокий КПД для обеих температур конденсации, за которым следует Ы404Л. Ы744 показывает самый низкий КПД для температуры конденсации 25 °С. При температуре отвода теплоты 40 °С Ы744 работает в транскритическом режиме, что еще больше снижает его производительность по сравнению с двумя другими хладагентами. На рис. 10 показано, что по мере повышения температуры испарения КПД цикла И744 еще больше отклоняется от СОР циклов И290 и И404А.
Температура испарения То, °С
Рис. 10. Зависимость величины коэффициента полезного действия от температуры испарения при температурах конденсации/охлаждении газа 25 и 40 °С
На рис. 11 показана зависимость величины COP от температуры испарения для циклов, рассмотренных в данной статье. КПД цикла R744 ниже, чем у цикла R404A и R290 во всем диапазоне температур испарения. КПД двухступенчатого цикла R744 с внутренним теплообменником существенно выше, чем у одноступенчатого цикла, но ниже, чем у аналогичных циклов R404A и R290. Производительность циклов R744 улучшается по мере снижения температуры испарения.
4.5
R290 R4U4A
-30
-25 -20 -15 -10
Температура испарения То, 'С
-5
0
Рис. 11. Зависимость величины СОР при различных конструктивных конфигурациях транскритических углекислотных ХМ в сравнении с одноступенчатыми циклами хладагентов Я290 и Я404Л
Общий анализ результатов показывает, что наиболее эффективным из исследуемых хладагентов является Ы290. Данное рабочее вещество показывает высокую величину КПД как при сравнении эффективности при различных температурах конденсации, так и при отличающихся величинах температуры испарения. Эффективность холодильной машины, работающей на пропане, является также наивысшей при сравнении с различными конфигурациями машин, работающих на углекислом газе. Данная зависимость сохраняется при понижении температуры конденсации до +25 °С. Пропан отличается тем, что повышение температуры испарения рабочего вещества сопровождается более резким изменением величины СОР в большую сторону. Это означает, что данное рабочее вещество обладает большими перспективами в области среднетемпературного охлаждения по сравнению с «искусственными» холодильными агентами. Однако пропан является легковоспламе-няемым и пожароопасным веществом, что не позволяет ему получить широкое распространение в применении. Данное вещество без цвета и запаха, что затрудняет обнаружение потенциальных утечек в контуре.
Ы404Л не обладает столь же высоким КПД, как Ы290, но величина СОР у данного хладагента выше, чем у Ы744. Эффективность выше как при изменении температуры конденсации, так и при температуре испарения. В отличие от Ы290 изменение эффективности работы происходит более равномерно во всех случаях.
Ы744 показал самые низкие значения КПД среди анализируемых веществ. Внедрение различных дополнительных элементов, таких как промежуточный теплообменник на жидкостно-всасывающей магистрали или промежуточный охладитель между ступенями сжатия, в конструкцию углекислотных холодильных машин позволяет увеличить эффективность транскритических ХМ, приближая их величину КПД к «искусственным» рабочим веществом. Несмотря на низкие величины коэффициента полезного действия, холодильные машины, работающие на Ы744, обладают высоким потребительским потенциалом в связи с сегодняшней тенденцией к «экологизации» промышленности. На сегодняшний день данный хладагент представляет наибольший интерес в холодильной индустрии за счет своей нетоксичности, негорючести и безопасности к окружающей среде.
ЛИТЕРАТУРА
1. Комарова Н.А. Холодильные установки. Основы проектирования: учебное пособие. - М.: ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», 2012. - 368 с.
2. Процессы и аппараты пищевой технологии / под ред. Бредихина С.А., // Бредихин С.А., Бредихин А.С., Жуков В.Г., Космодемьянский Ю.В., Якушев А.О. Санкт-Петербург: Издательство «Лань», изд- е второе 2023. - 544 с.
3. Индустриальные технологические комплексы пищевых производств/ под ред. Панфилова В.А.// Антипов С.Т., Бредихин С.А., Овсянников В.Ю., Панфилов В.А. Санкт-Петербург: Издательство «Лань», 2023. - 440 с.
4. Бредихин С.А. Технологическое оборудование переработки молока. Санкт-Петербург: Издательство «Лань», изд- е пятое.- 2022. - 416 с.
REFERENCES
1. Komarova N.A. Refrigeration units. Fundamentals of design: textbook. - M.: Kemerovo Technological Institute of Food Industry, 2012- - 368 p.
2. Processes and devices of food technology / ed. Bredikhina S.A., //Bredikhin S.A., Bredikhin A.S., Zhukov V.G., Kosmodemyansky Yu.V., Yakushev A.O. Saint Petersburg: Lan Publishing House, second edition 2023. - 544 p.
3. Industrial technological complexes of food production/ ed. Panfilova V.A.// An-tipov S.T., Bredikhin S.A., Ovsyannikov V.Yu., Panfilov V.A. Saint Petersburg: Lan Publishing House, 2023. - 440 p.
4. Bredikhin S.A. Technological equipment for milk processing. St. Petersburg: Publishing House "Lan", fifth edition.- 2022. - 416 p.
