CC BY
58
УДК 621.564
А. В. Букин, А. Ю. Кузьмин, А. В. Глазунов
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭКСЕРГЕТИЧЕСКОГО МЕТОДА ДЛЯ АНАЛИЗА РЕТРОФИТА СУДОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН
В судовых холодильных машинах до настоящего времени применялись такие хладагенты, как Я12 и Я22. В соответствии с положениями «Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой» Правилами Регистра [1] с 1995 г. не допускается применение хладагента Я12 в новых холодильных машинах. При этом использование данного холодильного агента в эксплуатируемом оборудовании возможно вплоть до его естественной убыли.
Правительством Российской Федерации принят ряд Постановлений [2, 3]1, регламентирующих правовые вопросы государственного регулирования производства и потребления озоноразрушающих веществ в стране. Этими же документами установлены ограничения на производство, ввоз и вывоз из Российской Федерации хладагентов Я12 и И22. В связи с этим судовладельцы могут столкнуться с трудностями, связанными с дефицитом Я12 и Я22, которые требуются для обслуживания судовых холодильных машин, находящихся в эксплуатации, и с необходимостью их замены.
В мире производятся холодильные агенты, альтернативные Я12 и И22, - неазеотропные смеси Я410А, Я407С, Я404а, Я407а .
Из хладагентов, альтернативных Я12 и Я22, предлагаемых на рынке, необходимо подобрать наилучший для той или иной судовой холодильной машины в различных условиях применения. Для этого надо иметь способ сравнения и сопоставления энергетических и эксплуатационных характеристик работы холодильной установки и ее узлов при ретрофите с И22 на альтернативные смесевые хладагенты. Существуют два энергетических способа анализа холодильной машины - с помощью холодильного коэффициента и с помощью эксергетического метода.
Недостаток первого метода - невозможность анализировать отдельные элементы холодильной машины. Недостатком является и то, что холодильный коэффициент установки по циклу Карно можно определять только для чистых веществ, а для неазеотропных хладагентов, у которых фазовые превращения проходят при переменных температурах, для расчета холодильного коэффициента необходимо задавать дополнительные исходные данные.
В эксергетическом анализе используется понятие тепловой энергии системы, которая имеет потенциал относительно окружающей среды. Эксергетический анализ дает возможность рассчитать потери эксергии не только в самой холодильной установке, но и в каждом ее узле. Степень термодинамического совершенства того или иного процесса, происходящего в элементах холодильной установки, определяется эксергетическим КПД. При расчете задаются определенные параметры окружающей среды (температура и давление), и в дальнейшем расчет производится по параметрам хладагента, которые соответствуют параметрам окружающей среды.
Для проведения эксергетического анализа удобно пользоваться эксергетическими диаграммами эксергия - энтальпия. В настоящее время таких диаграмм для хладагентов Я407С и Я410А не существует.
Для автоматизации расчета термодинамических и теплофизических свойств холодильных агентов Я407С и Я410А были получены аналитические зависимости этих параметров от температуры. В качества расчетной зависимости был выбрано уравнение, представляющее собой полином 4-й степени. В результате аппроксимации получены коэффициенты аппроксимации, позволяющие определить теплофизические и термодинамические свойства хладагента для любого значения температуры в диапазоне от -40 до +60 °С :
У = А0 + А1 • Т + А2 • Т2 + А3 • Т3 + А4 • Т4, (1)
где - А0, А1, А2, А3, А4 - коэффициенты аппроксимации (табл. 1).
Для оценки погрешности аппроксимации определялось среднеквадратичное отклонение Я.
Результаты аппроксимации представлены в табл. 1 и 2.
1 [2] - запрещает с 1 июля 2000 г. производство хладагента Ю2 для целей использования его в холодильной
технике; [3] - запрещает с 1 марта 2000 г. ввоз и вывоз вышеуказанного вещества в качестве хладагента.
В результате были определены аппроксимационные уравнения для расчета давления р, удельной энтальпии насыщенного пара и жидкости /', /", плотности насыщенного пара и жидкости р', р'', удельной теплоты парообразования г, коэффициент динамической и кинематической вязкости насыщенного пара и жидкости ц', ц'', Vі, V", коэффициент теплопроводности насыщенного пара и жидкости V, V'.
Таблица 1
Коэффициенты аппроксимации для Я410Л
Параметр У=А0 + А1 • х1 + Л2х22 + АЗ • хЗ3 + А4 • х44
А0 А1 А2 А3 А4 Я
р(Т) 9 323,533 -159,178 1,0877 -0,003577 4,79516Е-06 0,9999
1'(Т) 4 470,698 -70,4 0,403 -0,001006 9,431Е-07 0,9999
Г(Т) 1 776,823 29,588 -0,1658 0,0004233 -4,108Е-07 0,9999
р'(Т) -1 2984 224 -1,2862 0,0032447 -3,0885Е-06 0,9999
р''(Т) 1 4078 -213,25 1,212 0,003069 2,934Е-06 0,9999
г(Т) -6 389,6 102,07 -0,5802 0,00145 -1,378Е-06 0,9998
ц'(Т) 0,000861 6,359Е-06 8,809Е-08 2,830Е-10 2,919Е-13 0,9999
ц''(Т) 0,00092 -1,383Е-05 7,823Е-08 1,956Е-10 1,833Е-13 0,9998
у'(Т) 0,0118 0,000156 7,731Е-07 1,708Е-09 1,417Е-12 0,9995
у"(Г) 0,00023 2,984Е-06 1,459Е-08 3,183Е-11 2,611Е-14 0,9998
вд -0,8197 0,0159 9,379Е-05 2,360Е-07 -2,226Е-10 0,9999
Х'(Т) 0,5455 -0,0083 4,742Е-05 -1,196Е-07 1,138Е-10 0,9999
Таблица 2
Коэффициенты аппроксимации для Я407Є
Параметр У = А0 + А1 • х1 + А2х22 + АЗ • хЗ3+А4 • х44
А0 А1 А2 А3 А4 Я
Р(Т) 1 6086 -266,19 1,7016 -0,005 6,00Е-06 0,9960
/(Т) -807,66 14,674 -0,0825 0,0002 -2,00Е-07 0,9900
Г(Т) 555,98 -11,778 0,0748 -0,0002 2,00Е-07 0,9960
р'(Т) 271,82 33,2 -0,2106 0,0006 -6,00Е-07 0,9970
р''(Т) 4 979,8 -76,274 0,4395 -0,0011 1,00Е-06 0,9999
г(Т) -1 460,4 27,875 -0,1651 0,0004 4,00Е-07 0,9990
ц'(Т) 0,0051 -4,00Е-05 1,00Е-07 -2,00Е-10 8,00Е-14 0,9960
ц''(Т) 0,0003 -5,00Е-06 3,00Е-08 -7,00Е-11 7,00Е-14 0,9945
^(Т) 0,0338 0,0005 2,00Е-06 -5,00Е-09 4,00Е-12 0,9950
У'(Т) 0,0005 -7,00Е-06 3,00Е-08 -7,00Е-11 6,00Е-14 0,9960
ВД -0,6512 0,01985 -8,5Е-05 3,3Е-07 -2,4Е-10 0,998
Х'(Т) 0,5236 -0,00523 8,6Е-05 -5,3Е-07 5,0Е-10 0,998
Далее было выполнено построение эксергетических диаграммы е— холодильных агентов Я407С и Я410Л, в которых эксергетические функции используют непосредственно в качестве одной из координат - для этого задаются параметрами окружающей среды. Основные принципиальные положения эксергетического метода базируются на определении работоспособности, которая вычисляется относительно термодинамических параметров окружающей среды. Под окружающей средой, как правило, понимают среду с фиксированными параметрами, отражающими среднестатистическое состояние атмосферы у поверхности земли.
Для расчета эксергии используют формулу (2), в которой были бы параметры хладагента и его параметры при заданных параметрах окружающей среды:
Ех = I - 7'о.с - Го.с(5 - 5о.с), (2)
где 7о.с, То.с, 5о.с - параметры хладагента при заданных параметрах окружающей среды, энтальпия, кДж/кг; температура, К; энтропия, кДж/(кг • К); /, 5 - энтальпия, кДж/кг; энтропия, кДж/кг • К, в данной точке.
То.с = 20 °С.
Далее производятся расчеты. По данным параметрам хладагента точек на линии насыщения жидкости и пара рассчитывают значения эксергий и на диаграмме (е—) строятся линии насыщения (рис.). Для того чтобы получить линии констант давлений и температур, необходимо задаться одним давлением и температурой и снимать данные энтальпий и энтропий по этим линиям констант. По уравнению рассчитывают эксергию и строят соответствующие линии.
e, кДж/кг
насыщ 1 — насыщ 2 — 1...............
40.....
0,6
0,7....
0,8 .....
0,9....
2......
4
6......
8......
10
20.....
30.....
-50 — -40 — -30 П -20 — -10 — 0 — 10 — 30 _
Диаграммы (е, /) для фреонов: а - Я407С; б - Я410Л
С помощью эксергетических диаграмм удобно решать задачи по нахождению величин эк-сергии и ее составляющих для различных веществ и смесей. Диаграмма позволяет найти работу и некоторые другие эксергетические характеристики как различных процессов, так и циклов, проводимых с реальными рабочими телами.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Правила Российского морского регистра судоходства. - СПб.: Регистр судоходства России, 1995.
2. Постановление Правительства РФ от 5 мая 1999 г. Об усилении мер государственного регулирования производства и потребления озоноразрушающих веществ в РФ.
3. Постановление Правительства РФ от 9 декабря 1999 г. Об усилении мер государственного регулирования ввоза в РФ и вывоза из РФ озоноразрушающих веществ и содержащей их продукции.
Статья поступила в редакцию 25.03.2009
а
USE OF EXERGY METHOD FOR THE ANALYSIS OF RETHROPHITE OF MARINE REFRIGERATING MACHINES
A. V. Bukin, A. Yu. Kuzmin, A. V. Glazunov
The article is devoted to the problems of remittance of ozone-depleting refrigerant R22 in marine refrigerating machines on alternative mixed refrigerants. To compare energetic indices of marine refrigerating machine's work the exergic method has been chosen. The formula of dependence of any parameter of refrigerant on temperature is derived; with the help of the approximation by the 4th degree polynominal the approximation coefficients allowing to determine thermophysical and thermo-dynamical properties of refrigerant for any temperature in definite range are set, the valuables of approximation coefficients are given in the table. The exergic diagrams for alternative refrigerants R407C and R410A are drawn.
Key words: refrigerant, mixture, Freon.
