CC BY
0
УДК 621.56/.59
Прогнозирование свойств бинарной смеси ДМЭ/СО2 для использования в холодильных машинах
Канд. техн. наук И. Е. СЯЗИН1, д-р техн. наук Г. И. КАСЬЯНОВ2, д-р техн. наук А. В. ГУКАСЯН3,
канд. техн. наук О. Н. КАМИНИР4 Кубанский государственный технологический университет 11syazin@gmail.com, 2kasyanov@kubstu.ru, 3aleksandr_gukasyan@mail.ru, 4kaminir17@gmail.com
Представлены результаты исследований бинарной смеси, состоящей из диоксида углерода R744 и диметилового эфира RE170, на возможность использования в качестве хладагента на базе хладоновых холодильных машин. Проведено исследование смеси R744/RE170 на сорастворимость. Установлено, что диоксид углерода и диме-тилэфир обладают достаточно хорошей сорастворимостью. СО2 и DME при непосредственном контакте по сорбционной способности соотносятся как абсорбат и абсорбент в зависимости от агрегатного состояния, температуры и давления. Показано, что вследствие разности температур и давлений в приграничных областях кривых насыщения компонентов представляется сложным определить сорастворимость, поскольку диоксид углерода, находясь в газообразном состоянии, при дальнейшем охлаждении или повышении давления довольно хорошо растворяется в диметиэфире, таким образом образуя с ним гомогенную зеатропную смесь. Установлено, что смесь R744/RE170 имеет большую удельную холодопроизводительность, чем средняя удельная холодопро-изводительность большинства хладонов класса HFC и смесевых хладонов. Представлена схема холодильной машины на смеси R744/RE170. Представлены данные результатов испытаний смеси R744/E170 по определению давления и температуры конденсации и кипения в зависимости от соотношения компонентов, температура нагнетания и всасывания. Поскольку бинарная смесь R744/RE170раздельно кипящая (зеатропная), она характеризуется температурным глайдом. Приведены формулы по расчету температурного глайда, в качестве базовой экспериментальной переменной принимается коэффициент, устанавливающий зависимость температурного глайда от термодинамических и других показателей компонентов смеси R744/RE170. Кроме этого, исследованы некоторые другие характеристики и особенности смеси R744/RE170, такие, как влияние отделителя жидкости на состав смеси и инертность по отношению к материалам.
Ключевые слова: альтернативные хладагенты; диметилэфир, диоксид углерода, машина холодильная, R744, RE170. Информация о статье:
Поступила в редакцию 27.01.2023, одобрена после рецензирования 06.04.2023, принята к печати 21.04.2023 DOI: 10.17586/1606-4313-2023-22-3-20-28 Язык статьи — русский Для цитирования:
Сязин И. Е., Касьянов Г. И., Гукасян А. В., Каминир О. Н. Прогнозирование свойств бинарной смеси ДМЭ/СО2 для использования в холодильных машинах // Вестник Международной академии холода. 2023. № 3. С. 20-28. DOI: 10.17586/1606-4313-2023-22-3-20-28
Binary mixture of carbon dioxide and dimethyl ether and its properties for use in refrigeration machines
Ph. D. I. E. SYAZIN1, D. Sc. G. I. KASYANOV2, D. Sc. A. V. GUKASYAN3, Ph. D. O. N. KAMINIR4
Kuban State Technological University 11syazin@gmail.com, 2kasyanov@kubstu.ru, 3aleksandr_gukasyan@mail.ru, 4kaminir17@gmail.com
The results of studies of a binary mixture consisting of carbon dioxide R744 and dimethyl ether RE170 are presentedfor the possibility of using it as a refrigerant based on freon refrigeration machines. A study of the R744/RE170 mixture for cosolubility was carried out. It has been found that carbon dioxide and dimethyl ether have fairly good cosolubility. CO2 and DME correlate as absorbate and absorbent in direct contact in terms of sorption capacity, depending on the state of aggregation, temperature and pressure. It is shown that, due to the difference in temperatures and pressures in the near-boundary regions of the saturation curves of the components, it seems difficult to determine the cosolubility, since carbon dioxide, being in a gaseous state, dissolves rather well in dimethiether upon further cooling or increasing pressure, thus forming a homogeneous zeatropic mixture with it. It has been found that the R744/RE170 blend has a higher specific cooling capacity than the average specific cooling capacity of most HFCs and blended refrigerants. The scheme of the refrigerating machine on R744/RE170 mixture is presented. The data of the test results of the R744/E170 mixture to determine the pressure and temperature of condensation and boiling, depending on the ratio of components, the discharge and suction temperatures
are presented. As R744/RE170 binary mixture is separate boiling one (zeatropic), it is ch aracterized by a temperature glide. Formulas for calculating the temperature glide are given, and the coefficient that establishes the dependence of the temperature glide on the thermodynamic and other indicators of the R744/RE170 mixture components is taken as the basic experimental variable. In addition, some other characteristics andfeatures of the R744/RE170 mixture were investigated, such as the effect of the liquid separator on the composition of the mixture and inertness with respect to materials. Keywords: alternative refrigerants; dimethyl ether, carbon dioxide, refrigerating machine, R744, RE170.
Article info:
Received 27/01/2023, approved after reviewing 06/04/2023, accepted 21/04/2023 DOI: 10.17586/1606-4313-2023-22-3-20-28 Article in Russian For citation:
Syazin I. E., Kasyanov G. I., Gukasyan A. V., Kaminir O. N. Binary mixture of carbon dioxide and dimethyl ether and its properties for use in refrigeration machines. Journal of International Academy of Refrigeration. 2023. No 3. p. 20-28. DOI: 10.17586/1606-4313-2023-22-3-20-28
Введение
Очередное в истории охлаждение отношений западной цивилизации и русского мира определило существующую на сегодняшний день санкционную конъюнктуру и экономическую ситуацию в целом. Запрет производства хладонов R22 и R12 в постперестроечное время сказался на дальнейшем производстве фторуглеводородных хладагентов [1, 2], и поставила российских потребителей хладонов в зависимость от западного поставщика и КНР. Наиболее применяемые в настоящее время модификации хладонов марок R134а, R410a, R404а в России производятся в очень ограниченном количестве и не способны обеспечить весь парк российского холодильного оборудования. Поэтому в настоящее время весьма актуальна проблема разработки нового хладагента для всего парка холодильных машин [3, 4]. Однако следует отметить такие немаловажные факторы, как пожароопасность, что в конечном счете определило ограниченное применение аммиака NHз, несмотря на несравненно высокий по отношению к хладонам показатель теплоты парообразования. Следует также отметить, что в связи с дефицитом хладонов наметилась тенденция к переходу на такие хладагенты, как алифатические углеводороды и спирты. Одним из известных представителей существующих соединений, рассматриваемых в качестве альтернативы хладонам, является изомер этилового спирта диметило-вый эфир (сокращенно — диметилэфир, DME) с химической формулой С2Н6О.
Диметилэфир представляет собой инертный газ с характерным запахом с температурой кипения -23,65 °С при давлении 0,1 МПа, имеет международную марку RЕ170. Известна смесь, состоящая из 75% R152а 25% диментилэфира БМБ, являющаяся альтернативой Я-134а. Недостатком, серьезно ограничивающим применение ЯЕ170, является его низкий уровень пожаробезопасности. Учитывая указанный фактор, следует упомянуть об уникальных свойствах диоксида углерода (СО2), способного менять свойства веществ при его добавлении в определенной пропорции смеси [5]-[8]. Критическая температура RЕ170 при давлении 5,23 МПа составляет 126,9 °С, коэффициент растворимости — 35, что гораздо хуже, чем у аммиака (685), но лучше, чем у диоксида углерода (0,88).
Известен также хладон Я723, состоящий на 60% из Я717 и 40% ЯЕ170, это хладагент имеет более высокую
степень растворимости с минеральными маслами, более пологой кривой сжатия (соответственно, температура конца сжатия ниже), более высокой плотностью, обладает химической инертностью. Недостатком этого рабочего вещества, также ограничивающим его применение, является пожароопасность.
Цель и задачи исследования
Целью исследований является определение возможности работы холодильной машины на бинарной смеси R744/RЕ170.
Задачами исследования являются:
— исследование смеси R744/RЕ170 на сораствори-мость;
— исследование смеси R744 и RЕ170 на пожароо-пасность;
— определение удельной холодопроизводительно-сти (в качестве основного критерия работоспособности машины на смеси Я744/ЯЕ170). Поскольку бинарная смесь R744/RЕ170 раздельнокипящая (зеатропная), в качестве критерия используется также температурный глайд Д/см;
— определение характеристик смеси: температурного глайда, влияния отделителя жидкости на состав смеси, инертность по отношению к материалам.
Исследование смеси R744/RЕ170 на сорастворимость
Поскольку кривая насыщенной жидкости ЯЕ170 располагается на термодинамической диаграмме при гораздо более выгодных температуре и давлении, то исследование на сорастворимость двухфазной бинарной системы газ-жидкость проведем при условии, что RE — жидкость, R744 — газ.
Процесс испытания смеси R744/RЕ170 на сорастворимость проводилась следующим образом (рис. 1):
— 300 г диметилового эфира помещали и герметично закрывали в сосуд высокого давления объемом 500 мл, и вес герметичного сосуда измеряли с помощью электрического весового устройства;
— сосуд под давлением помещали в ванну с постоянной температурой и поддерживали при постоянной температуре;
— Я744 вводили с помощью бустерного насоса до получения постоянного давления;
— вес заполненного R744 рассчитывали путем взвешивания до и после заполнения;
— соотношение R744/RE170 (СО/DME) определялось автоматически, при достижении в сосуде постоянного давления.
Результаты испытаний смеси R744/E170 на сораство-римость ее компонентов сведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты испытаний смеси R744/E170 на сорастворимость
Table 1
Experiments on cosolubility of R744/E170 mixture
Состав смеси R744/RE170, % Давление смеси, МПа
4,2 2,5 0,8 4,2 2,5 0,8
Температура смеси, °С
-20 10
90/10 Р Р Р Ч Ч Ч
70/30 Р Р Р Ч Ч Ч
50/50 Р Р Р Ч Ч Ч
30/70 Р Р Р Р Ч Ч
10/90 Р Р Р Р Р Ч
Примечание: Р — полная; Ч — частичная.
Из проведенных опытов было установлено, что:
— растворимость СО2 обратно пропорциональна температуре растворения;
— растворимость СО2 в DME в общем случае подчиняется закону Дальтона — Генри: при постоянной температуре растворимость газа в жидкости пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью;
— при низкой температуре (при которой СО2 находится в переохлажденном состоянии) смесь R744/Е170 гомогенная;
— R744/Е170 представляет собой физическую бинарную хорошо смешивающуюся смесь;
— хорошее смешивание компонентов, если БМЕ — газ, а СО2 — жидкость, обусловлено тем, что жидкий СО2 имеет отличные сорбционные свойства, и является хорошим растворителем DME;
— ограниченное смешивание (обозначенное в табл. 1 символом «Ч») может быть следствием разности температур насыщения, другими словами, недостаточная со-растворимость при высокой концентрации СО2 является следствием того, что при параметрах «Ч» оба компонента смеси находились в парожидкостном или газообразном состоянии. Следовательно, при повышении давления до давления конденсации компонентов наблюдалось бы их полное смешивание;
— DME и С02 при изменении температуры и давления смешивания, котороую логично было бы назвать температурой и давлением инверсии, меняются местами абсорбат — абсорбент.
Очевидно, что для докритического диапазона СО2 сорастворимость СО2-ЭМЕ можно выразить через формулу:
= K,Pk' [1
(1)
где P — давление газа, МПа;
1 2 3
Рис. 1. Аппаратурное оформление метода оценки соотношения смеси R744/RE170: 1 — сосуд под давлением без весов; 2 — емкость с СО2; 3 — сосуд под давлением с весами Fig. 1. Equipment for evaluation R744RE170 mixture ratio: 1 — unpressurized vessel with weighing device; 2 — vessel with СО2; 3 — pressurized vessel with weighing device
Т—температура газа, К;
Кж — коэффициент, характеризующий сорбционную способность жидкого БМЕ при данных термодинамических параметрах по отношению к газу СО2; кр — коэффициент, характеризующий растворимость СО2 в зависимости от давления;
к — коэффициент, характеризующий растворимость СО2 в зависимости от температуры, при условии, что Р > 0,1 МПа, 1 > кр > 0, кр ф 0, к > 1, кр ф 0, Т > 0.
Более подробные условия, например диапазон Т, будет известен после построения графических зависимостей.
Для холодильных машин важно, чтобы смеси хорошо смешивались при низкой температуре и низком давлении, и при высокой температуре и высоком давлении, этому критерию отвечает смесь R744/Е170.
Исследование смеси R744 и RЕ170 на пожароопасность
Поскольку показатели безопасности зависят от давления и замкнутости объема, в котором происходит контакт компонентов смеси [9]-[12], исследование пожаро-опасности смеси R744/RЕ170 приводилось в условиях давления в емкости, равной парциальным давлениям компонентов, и температуре 10 °С, на установке, представленной на рис. 2.
В целях безопасности, испытания на пожароопасность проводились на открытом воздухе следующим образом: из подготовленных баллонов с СО2 (Я744) и С2Н6О ^Е170) емкость испытательная заправлялась на соответствующее значение массовой доли каждого из компонентов %744/%Е170 (согласно табл. 1), их количество контролировалось по электронным весам с ценой деления 2 г и погрешностью ±0,5%. После заправки газов замерялись давление и температура: давление перед испытанием определялась посредством коллектора манометрического, подключаемого к емкости через клапан Шредера, который соединен с емкостью через специальный трехходовой вентиль, температура — с помощью термопары электронного мультиметра. Объем емкости составлял 1 дм3. При выпуске газа из емкости к концу клапана подводилось пламя с температурой-350 °С на небольшом расстоянии от места выхода газа из трубопровода.
Рис. 2. Установка по испытанию смеси R744/E170 на пожа-роопасность: 1 — стол испытательный; 2 — ручка механизма крепления штатива; 3 — лапы крепежные штатива; 4 — хомут штатива; 5 — трехходовой вентиль с переходником под клапан Шредера; 6 — емкость испытательная высокого
давления со смесью Fig. 2. Unit for testingflammability of R744/E170 mixture: 1 — testing desk; 2 — stand fixing knob; 3 — stand legs; 4 — stand clamp; 5 — three-way valve with Schrader Valve adapter; 6 — high pressure experimental container with mixture
Рис. 4. Электронная структура молекулы диоксида углерода Fig. 4. Electronic structure of carbon dioxide molecule
В табл. 2 сведены результаты испытаний смеси R744/ Е170 пожароопасность.
Как известно, диметилэфир имеет температуру самовоспламенения, равную 350 °С [13]. Нижний предел взрываемости диметилового эфира при контакте с воздухом 3,4% (по объему), верхний — 27,0%, и контакте с кислородом верхний и нижний пределы составляют 3,9% и 61,6%, соответственно.
Рассмотрим электронные формулы атомов молекул СО2 и С2Н6О. Атом кислорода О имеет электронное облако 2s2 2р4 (2 нескомпенсированных электрона на внешнем р-подуровне 2-го уровня). Атом углерода С в обычной конфигурации может иметь электронное облако в виде: 2s1 2р3 и 2s2 2р2, что обусловливает в 4-валентность С (т. е. С имеет 4 нескомпенсированных электрона: 3 — на р-подуровне 2-го уровня и 1 — на s-по-дуровне 2-го уровня, либо 4 вакантных места на р-поду-ровне 2-го уровня). Водород Н определяется электронной
конфигурацией в виде т. е. Н имеет 1 неспаренный электрон на s-подуровне 1-го уровня. Электронная структура молекулы диметилэфира представлена на рис. 3.
Электронная структура молекулы диоксида углерода (инертного газа) представлена на рис. 4.
Электронные формулы, как хорошо видно на вышеприведенных рисунках, не оставляют ни одного неспа-ренного электрона, что обусловливает химическую стабильность атомов, однако только молекула СО2 стабильна в практически неограниченных пределах, что проявлено не только в химической инертности, но и в отсутствии реакции горения с выделение теплоты и продуктов реакции. В отличие от стабильного СО2, молекула С2Н6О, хотя и не имеет неспаренные электроны, как указано выше, но способна вступать в химическую реакцию горения с выделением конечных продуктов горения при условии повышения температура или при контакте с кислородом или другим окислителем. Именно
Результаты испытаний смеси R744/Е170 на пожароопасность Experiments on flammability of R744^170 mixture
Таблица 2 Table 2
Состав смеси Наблюдаемый эффект Парциальное давление Парциальное давление Давление смеси
R744/RE170, % (горение) PR744 при th МПа Pre™ при tfc МПа МПа бар
90/10 — 4,2 42
80/20 — 3,8 38
70/30 — 3,3 33
60/40 — 2,9 29
50/50 — 4,6 0,38 2,5 25
40/60 — 2,1 21
30/70 — 1,6 16
20/80 едва заметное нестабильное горение (газ) 1,2 12
10/90 едва заметное горение (газ) 0,8 8,0
в молекуле С^О двух атомов углерода С, которые могут иметь электронные оболочки вида 1б2 2s1 2р3 и 2s2 2р2 и обусловливают реакцию горения, сообщение молекуле некоторого количество энергии в виде порогового значения тепла при наличии окислителя (например, кислорода О) вызывает нестабильность электронных оболочек атомов в молекуле, что определяет переход электронов в атоме углерода С р-уровня на s-уровень или наоборот, при этом в химическую связь вступают молекулы кислорода О, что вызывает распад молекулы С2Н6О в процессе горения, таким образом, образуются продукты распада С2Н6О с выделением теплоты в виде горения. Пространственная структура С2Н6О определяет пороговые температуры процесса горения.
Химическая реакция горения С2Н6О проходит по схеме:
С2Н6О+302=2С02+3Н20,
т. е. одна молекула диметилэфира С2Н6О при контакте с 3 молекулами молекулярного кислорода О2 выделяет энергию (горит), образуя конечные продукты реакции в виде 2 молекул диоксида углерода СО2 и 3 молекул воды Н20.
В свою очередь, из данных табл. 2 видно, что при повышении концентрации минимальный уровень пожа-роопасности наблюдается уже при концентрации Я744 в смеси, равной более 10... 20%, при этом следует учесть, что противовесом увеличения концентрации является общее повышение давление смеси, поскольку в соответствии с законом Дальтона, давление смеси Рсм равно сумме давлений его компонентов
Рм =Х Их Р' (2)
отсюда следует, что давление смеси Я744/ЯЕ170
Pсм=PR744+PRE170, МПа, (3)
где Р К744 — парциальное давление хладагента R744; Рига- парциальное давление хладагента ЯБ170.
Определение удельной холодопроизводительности
Недостатками, которые могут ограничить применение в смеси Я744/Е170 при повышении компонента Я744:
— низкая критическая температура Тк Я744, равная 31,1 °С;
— высокое давление. Например, при температуре 20 °С давление парожидкостной смеси Я744 составляет порядка 5,8 МПа.
Исходя из этого, следует отметить, что в целях замены хладонов на Я744/Е170 оптимальным можно считать давление, приблизительно равное давлениям сред-нетемпературных хладонов или бинарных (зеатропных) смесей, таких, как Я410А, Я404, Я407С.
Определим кажущуюся молекулярную массу компонентов, массовые доли газов и удельную газовую постоянную газовой смеси Я744/ЯЕ170 = 50/50.
Кажущаяся молекулярная масса компонентов (СО2 и С2Н6О) и смеси:
^см > (4)
где г, — объемная доля компонента смеси;
ц — молекулярная масса компонента смеси.
Дсо2=12+16-2=44 а. е. м.; ^2^0=12-2+1-6+16=46 а. е. м.; цсм=44 0,5+46 0,5=45 а. е. м.
При объемном составе гС02 = 0,5 и гС2Н60=0,5, массовые доли газов
.1 ^
gi =-
(5)
,С02=0,544/45=0,4889=48,9%;
ЯС2Н60 = 0,5 46/45=0,511 = 51,1%.
Удельная газовая постоянная смеси:
Ясм=8314/дсм=8314/45 = 184,76 Дж/ (кгК). (6)
Поскольку при температуре ниже -56,6 ° и давлении ниже 2 МПа R744 может находиться только в твердом состоянии, давление кипения t0 смеси R744/RЕ170 не должно быть ниже этого значения.
Применение Я744 сильно ограничивается температурой конденсации, которая влияет на давление, определяющее толщину стенок аппаратов и стоимость холодильной машины в целом. Например, при температуре 22 °С давление Я744 составляет более 6 МПа.
Для среднетемпературного хладагента оптимальной может считаться температура, приблизительно равная температуре кипения -30 °С при давлении выше атмосферного (что не вызовет затруднений, связанных с подсасыванием воздуха).
Определим давление газовой смеси R744/ ЯЕ170=30/70 по формуле
Pсм=PR744'WR744+PRE170'WRE170, МПа, (7)
для температуры кипения ^=-30 °С (243,15 К): Р0 = 1,56^0,3+0,08^0,7=0,52 МПа=5,2 бар, и для температуры конденсации 4 = 30 °С (303,15 К): Рк = 7,1^0,3+0,68^0,7=2,61 МПа=26,1 бар.
Как видно из результата расчета, давление очень высокое и степень его повышения составляет:
е=Рк/Р0=26,1/5,2=5,0, (8)
что отвечает требованиям одноступенчатой поршневой холодильной машины.
При других соотношениях компонентов смеси R744/ ЯЕ170 при температуре конденсации 4=30 °С получим следующие данные по давлению конденсации Рк (табл. 3).
Важно отметить, что необходим выбор соотношения компонентов Пт^1АА/пт^Б110), который обеспечит наиболее высокую температуру конденсации ^ при низком давлении конденсации Рк и достаточно низкой температуре кипения
Для исследования возможности работы холодильной машины на смеси Я744/ЯЕ170 после теоретической проработки построена схема холодильной машины, которая и использовалась для исследований, при этом оборудование (компрессор, теплообменные аппараты) изначаль-
см
Таблица 3
Результаты расчета Рк при соотношениях компонентов R744/RE170 и температуре конденсации iK=30 °С
Table 3
Calculation of Рк at various R744/RE170 components' ratios and condensation temperature fK=30 °C
Состав смеси R744/RE170, % Парциальное давление PR744 при tK Парциальное давление PRE170 при tK Давление конденсации Рк
МПа бар
90/10 7,2 0,68 6,55 65,5
80/20 5,90 59,0
70/30 5,24 52,4
60/40 4,59 45,9
50/50 3,94 39,4
40/60 3,29 32,9
30/70 2,61 26,1
20/80 1,98 19,8
10/90 1,33 13,3
Рис. 5. Схема испытательной холодильной машины: КП — компрессор поршневой; ОМ — отделитель масла; КВ — конденсатор водяной; ВД — вентиль шаровый; НС — насос центробежный; ГВ — градирня вентиляторная; РЛ—ресивер линейный; ПК — клапан предохранительный; ФО — фильтр-осушитель; КС — клапан соленоидный; ТРВ — вентиль терморегулирующий;
ОВ — воздухоохладитель; ОЖ — отделитель жидкости Fig. 5. Experimental refrigeration machine: КП — piston compressor; ОМ — oil separator; КВ — water condenser; ВД — ball faucet; НС — reciprocating pump; ГВ — cooling tower; РЛ — linear receiver; ПК — safety valve; ФО —filter-drier; КС — solenoid valve; ТРВ — thermoregulating valve; ОВ — air-cooler; ОЖ — liquid separator
но предназначалось для работы на смесевых хладонах среднего давления. Схема показана на рис. 5.
При определении удельной холодопроизводитель-ности смеси R744/RЕ170 следует указать термодинамические параметры работы лабораторной холодильной машины (табл. 4).
Полученные результаты определялись возможностями холодильной машины, в том числе состоянием компрессора и возможностями терморегулирующего вентиля.
Определение характеристик смеси
В результате наблюдений и анализа поведения смеси R744/RЕ170 в качестве хладагента наблюдались также следующие характеристики и особенности, сведенные в табл. 5.
Изменение тона работы компрессора может быть следствием разных парциальных давлений компонентов и попадания капель жидкости в полость всасывания, поэтому
с точки зрения безопасности гидроудара из-за резкого вскипания вещества при очередном пуске компрессора, а также с точки зрения энергетической эффективности холодильной машины, рационально установить теплообменник для обмена теплом между жидкостью, поступающей из конденсатора, и парожидкостной смесью из испарителя, или предусмотреть регулятор давления на всасывании. Также может быть эффективным процесс отвода тепла от электродвигателя бессальникового компрессора.
Как известно, температурный глайд At0 представляет собой разность между температурой точки росы при заданном давлении tmax и температуры кипения при заданном давлении ¿тт
^ах ^т. (9)
Логично предположить, что температурный глайд смеси А/0 коррелирует с плотностью смеси р, разностью удельных энтальпий компонентов А/ при заданной тем-
Таблица 4
Параметры работы опытной холодильной машины на смеси R744/RE170
Table 4
Operation parameters of experimental refrigeration machine working on R744/RE170 mixture
Температура и давление кипения t0=-10 °С, P0=0,94 МПа
Температура нагнетания tK=70 °С
Температура и давление конденсации t=25 °С, Рк=2,4 МПа
Перегрев пара в испарителе Д^=5 °С
Перегрев пара на всасывании Дtвс=16 °с
Температура всасывания /вс=11 °
Степень отношения давлений Рк/Р0 8=2,55
пературе кипения t0 и заключен в разности площадей AS, ограничивающих области парожидкостной смеси между кривыми насыщенной жидкости и насыщенного пара термодинамических диаграмм компонентов R744/RE170:
Ato=f (Ai, to, AS...). (10)
Исходя из этих данных можно выполнить ориентировочный расчет температурного глайда:
At0=(Ah1n1 +Ah2n2) k¡, °C, (11)
где Ah1, Ah2 — удельные энтальпии компонентов при данной температуре и давлении смеси, Дж/кг; n1, n2 — доли содержания компонентов в смеси; k¡ — коэффициент, характеризующий разность температур кипения компонентов смеси для данного значения давления P0 смеси, и зависящий от таких показателей компонентов при их собственных парциальных давлениях кипения P0, как: в первую очередь, степень сухости x и удельная энтальпия Ai, и во вторую — температуропроводность а (что есть функция теплопроводности X, плотности р и изобарной теплоемкости Cp) и удельный объем v (или плотность р). Учет всех перечисленных факторов представляет сложную математическую задачу и требует выведение дифференциального уравнения, которое может быть применено только при конкретных параметрах состояния.
Температурный глайд смеси можно назвать характеристикой, определяющей разницу между нижней и высшей температурой кипения смеси при заданных показателях: температура кипения t0, n, Ahi каждого из компонентов. Если принять часть уравнения (11) в скобках за Ah, то At0 можно выразить через долю разности энтальпий компонентов
Anh=(Ahсм — Ah)/A^мх100, %, (12)
Литература
1. Журлова П. Ю., Заболотный Д. Ю., Гаранов С. А. Сравнение парокомпрессионного цикла теплового насоса на различных смесевых хладагентах в программном пакете Aspen HYSYS и повышение его эффективности // Холодильная техника. 2017. № 1. С. 38-43.
Таблица 5
Характеристики и особенности смеси R744/RE170
Table 5
Properties of R744/RE170 mixture
Температурный глайд Д^=5,2 °С
*Холодопроизводи-тельность 1 кг при Г0=-15 °С q0=275 кДж/кг
Влияние отделителя жидкости на состав смеси Изменение тона работы компрессора, нестабильность давления нагнетания, повышенная вибрация в первое время после пуска компрессора.
Инертность по отношению к материалам Инертна к черным металлам. При разборке контактирующих со смесью медных поверхностей изменений не замечено.
Примечание: *без учета потерь в аппаратах машины
где Дhсм — удельная энтальпия смеси, Дж/кг, отсюда логично заключить, что Дпк определяет интервал Дt0 (по формуле (9)), поэтому, если At0 выразить в Кельвинах
Д10=ДпцДТ-К (13)
где ДТ — разность температур кипения чистых компонентов при данном давлении смеси, К; ks — поправочный коэффициент (определяется опытным путем).
Следует отметить, что полученные расчетные и опытные значения показателей могут отличаться в зависимости от соотношения компонентов смеси, применяемой схемы холодильной машины, компрессора, особенностей терморегулирующего вентиля, состояния и особенностей теплообменных аппаратов и параметров состояния смеси. Только после построения реальной диаграммы смеси R744/RE170 можно узнать точные показатели и на их основе составлять схему и производить расчет холодильной машины.
Таким образом, исследования выявили возможность использования бинарной (зеатропной) смеси R744 и RE170 в качестве холодильного агента. Негативным аспектом увеличения концентрации R744 является повышение давления смеси R744/RE170. Полученный хладагент R744/RE170 является хорошей альтернативой рабочим веществам на основе HFC, ClFC и смесям на их основе благодаря низкой стоимости, доступности и повышенным показателям безопасности, по сравнению, например, с аммиачной смесью R723. Смесь R744/RE170 имеет более низкое давление, чем чистый R744, что позволяет использовать смесь на базе хладоновых холодильных машин. Получаемая температура смеси ограничивается в большей степени нижним и верхним давлениями R744.
References
1. Zhurlova P. Yu., Zabolotny D. Yu., Garanov S. A. Comparison of the vapor compression cycle of a heat pump on various mixed refrigerants in the Aspen HYSYS software package and improving its efficiency. Kholodilnaya tekhnika. 2017. No. 1. p. 38-43. (in Russian)
2. Заболотный Д. Ю., Журлова П. Ю., Воронов В. А. Сравнение парокомпрессионного цикла теплового насоса на различных хладагентах в программном пакете Aspen HYSYS // Молодежный научно-технический вестник. 2016. № 10. С. 12.
3. Воронов В. А. и др. Подбор экологичных смесевых хладагентов для парокомпрессионных холодильных машин и тепловых насосов. // Аллея науки. 2017. Т. 2. № 10. С. 712-716.
4. Сязин И. Е. Проектирование скороморозильного аппарата для криозамораживания растительного сырья. Системы холодоснабжения: монография. Краснодар: Экоинвест, 2016. 100 с.
5. Сязин И. Е. и др. Автоматизированные системы СО2-тех-нологий: монография. Краснодар: Экоинвест, 2021. 110 с.
6. Касьянов Г. И., Яралиева З. А., Ахмедов М. Э. Технология плодово-ягодных криопорошков. Краснодар: Экоинвест, 2018. 155 с.
7. Касьянов Г. И. Технология получения легкой воды крио-статическим способом // Совершенствование технологии консервирования сырья растительного и животного происхождения: Матер. межд. науч.-практ. конф., Краснодар, 18 мая 2021 г. Краснодар: КубГТУ, 2021. С. 238-241.
8. Сязин И. Е., Гукасян А. В. Обоснование применения способов анализа энергоэффективности внедрения технических решений в области низкотемпературной техники на основе уравнений теплоэнергетического баланса// Вестник Международной академии холода. 2023. № 1. С. 93-98. DOI: 10.17586/1606-4313-2023-22-1-93-98
9. Вогман Л. П. Особенности физикохимических, пожаровзры-воопасных свойств аммиака и пожарная опасность объектов защиты, в которых он используется // Холодильная техника. 2020. № 3. С. 30-37.
10. Bolaji B. O. Energy and Thermal Conductivity Assessment of Dimethyl-Ether and its Azeotropic Mixtures as Alternative Low Global Warming Potential Refrigerants in a Refrigeration System // Environmental and Climate Technologies, 25 January 2021. 2021. P. 12-28.
11. Zharov A. A. et. al. Carbon dioxide and dimethyl ether mixture as a refrigerant for air conditioning systems for space ground-based infrastructure. // AIP Conference Proceedings: XLIII Academic Space Conference: Dedicated to the Memory of Academician S. P. Korolev and Other Outstanding Russian Scientists — Pioneers of Space Exploration, Moscow, 28.01.1901.02.2019. Vol. 2171. Moscow: American Institute of Physics Inc., 2019. P. 120009.
12. Ciccolini R. P. et. al. Vapor — Liquid equilibrium data and predictive correlations for the carbon dioxide — Dimethyl carbonate binary mixture. // Journal of Chemical and Engineering Data. 2010. Vol. 55. No 8. P. 2673-2681.
13. Кузьменко И. Е., Лейнасаре Д. А. Пропелленты на аэрозольных упаковках. Латв. ССР: Химия, 1970. 206 с.
Сведения об авторах
Сязин Иван Евгеньевич
К. т. н., доцент кафедры технологического
оборудования и систем жизнеобеспечения Кубанского
государственного технологического университета, 350020,
г. Краснодар, ул. Красная, 135, 1syazin@gmail.com.
ORCID 0000-0003-3939-7722
2. Zabolotny D. Yu., Zhurlova P. Yu., Voronov V. A. Comparison of the vapor compression cycle of a heat pump using various refrigerants in the Aspen HYSYS software package. Youth scientific and technical bulletin. 2016. No. 10. P. 12. (in Russian)
3. Voronov V. A. Selection of environmentally friendly mixed refrigerants for vapor compression refrigerating machines and heat pumps. Alley of Science. 2017. V. 2. No. 10. S. 712-716. (in Russian)
4. Syazin I. E. Design of a quick freezer for cryofreezing of vegetable raw materials. Refrigeration systems: monograph. Krasnodar: Ecoinvest, 2016. 100 p. (in Russian)
5. Syazin I. E. and others. Automated systems of CO2-technolo-gies: monograph. Krasnodar: Ecoinvest, 2021. 110 p. (in Russian)
6. Kasyanov G. I., Yaralieva Z. A., Akhmedov M. E. Technology of fruit and berry cryopowders. Krasnodar: Ecoinvest, 2018. 155 p. (in Russian)
7. Kasyanov G. I. Technology for obtaining light water by cryo-static method. Improving the technology of preserving raw materials of plant and animal origin: Mater. int. scientific-practical. Conf., Krasnodar, May 18, 2021. Krasnodar: KubGTU, 2021. P. 238-241. (in Russian)
8. Syazin I. E., Gukasyan A. V. Substantiating the application of methods for analyzing the energy efficiency from the implementation of technical solutions in the field of low-temperature technology based on the heat and power balance equations. Journal of International Academy of Refrigeration. 2023. No 1. p. 93-98. DOI: 10.17586/1606-4313-2023-22-1-93-98 (in Russian)
9. Vogman L. P. Features of the physicochemical, fire and explosion hazardous properties of ammonia and the fire hazard of protection objects in which it is used. Kholodilnaya tekhnika.
2020. No. 3. S. 30-37. (in Russian)
10. Bolaji B. O. Energy and Thermal Conductivity Assessment of Dimethyl-Ether and its Azeotropic Mixtures as Alternative Low Global Warming Potential Refrigerants in a Refrigeration System. Environmental and Climate Technologies, 25 January 2021.
2021. P. 12-28.
11. Zharov A. A. et. al. Carbon dioxide and dimethyl ether mixture as a refrigerant for air conditioning systems for space ground-based infrastructure. AIP Conference Proceedings: XLIII Academic Space Conference: Dedicated to the Memory of Academician S. P. Korolev and Other Outstanding Russian Scientists — Pioneers of Space Exploration, Moscow, 28.01.1901.02.2019. Vol. 2171. Moscow: American Institute of Physics Inc., 2019. P. 120009.
12. Ciccolini R. P. et. al. Vapor — Liquid equilibrium data and predictive correlations for the carbon dioxide — Dimethyl carbonate binary mixture. Journal of Chemical and Engineering Data. 2010. Vol. 55. No 8. P. 2673-2681.
13. Kuzmenko I. E., Leinasare D. A. Propellants on aerosol cans. Latv. SSR: Chemistry, 1970. 206 p. (in Russian)
Information about authors
Syazin Ivan E.
Ph. D., Associate Professor of Technological Equipment and
Life Support Systems Department of Kuban State Technological
University, Russia, 350020, Krasnodar, 135 Krasnaya St.,
1syazin@gmail.com. ORCID 0000-0003-3939-7722
Касьянов Геннадий Иванович
Д. т. н., профессор, профессор кафедры технологии продуктов питания животного происхождения Кубанского государственного технологического университета, 350072, г Краснодар, ул. Московская, 2, kasyanov@kubstu.ru, ОЯСГО 0000-0001-9848-7715
Kasyanov Gennady I
Dr. Sc., Professor, Professor of the Department of Food Technology of Animal Origin of Kuban State Technological University, Russia, 350072, Krasnodar, 2 Moskovskaya St., kasyanov@kubstu.ru, ORCID 0000-0001-9848-7715
Гукасян Александр Валерьевич
Д. т. н., доцент, директор Института механики, робототехники, инженерии транспортных и технических систем Кубанского государственного технологического университета, 350020, г Краснодар, ул. Красная, 135, aleksandr_gukasyan@mail.ru. ОЯСГО 0000-0003-3622-448Х
Gukasyan Aleksandr V.
Dr. Sc., Associate Professor, Director of the Institute of Mechanics, Robotics, Engineering of Transport and Technical Systems of Kuban State Technological University, Russia, 350020, Krasnodar, 135 Krasnaya St., aleksandr_gukasyan@mail.ru. ORCID 0000-0003-3622-448X
Каминир Ольга Николаевна
К. т. н., доцент кафедры общей математики Кубанского государственного технологического университета, 350072, г Краснодар, ул. Московская, 2, kaminir17@gmail.com, ОЯСГО 0000-0002-8506-6126
Kaminir Olga N.
Ph. D., Associate Professor of Department of General Mathematics of Kuban State Technological University, Russia, 350072, Krasnodar, 2 Moskovskaya St., kaminir17@gmail.com, ORCID 0000-0002-8506-6126
@0®
Статья доступна по лицензии
Creative Commons «Attribution-NonCommercial»
Памяти Галимовой Ларисы Васильевны
23 июля 2023 года ушла из жизни Лариса Васильевна Галимова, доктор технических наук, профессор, академик Международной академии холода, председатель Астраханского регионального отделения Международной академии холода. Большая часть ее жизни связана с Астраханским государственным техническим университетом (АГТУ), который ранее носил название Астраханский технический институт рыбной промышленности и хозяйства. В этом вузе она работала с 1963 года, заведовала кафедрой «Холодильные машины», занимала должность декана Механического факультета АГТУ, с 2003 года являлась профессором кафедр «Холодильные машины» и «Теплоэнергетика и холодильные машины».
Лариса Васильевна квалифицированный, известный и авторитетный специалист по холодильной технике. За 60 лет педагогической и научной деятельности ею подготовлено большое число инженерных и научных кадров для холодильной отрасли нашей страны и зарубежных государств. Она была работоспособным и добросовестным педагогом и ученым. Подготовленные под ее руководством диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, защищавшиеся в диссертационном совете Университета ИТМО, всегда отличались глубиной научных результатов.
Она часто выступала оппонентом при защитах диссертаций в диссертационном совете университета ИТМО. Будучи специалистом высокой квалификации, она всегда видела суть работы, ее достоинства, недостатки и перспективы дальнейших исследований по теме защищаемой работы.
Лариса Васильевна была одним из организаторов Международной академии холода, одним из активнейших ее членов, длительное время возглавляла Астраханское региональное отделение академии.
Лариса Васильевна была чутким и доброжелательным человеком, истинным патриотом нашей страны.
Светлая память большому педагогу и ученому Ларисе Васильевне Галимовой, нашему коллеге и другу.
Президиум Международной академии холода, редакция журнала «Вестник МАХ» выражают искренние соболезнования родным и близким Л. В. Галимовой.
