CC BY
12
УДК 621.576: 621.564.35
Теплонасосные установки, работающие на смесевых хладагентах
Д-р техн. наук К.О. ВЕЗИРИШВИЛИ, канд. техн. наук Н. А. МИРИАНАШВИЛИ
АН Грузии
Results of theoretical and experimental study are presented. The results give the possibilities of choice of preferable refrigerant that attached to thermodynamical cycle, temperature area and the heat pump model.
Применение неазеотропных смесей фреонов с различной нормальной температурой кипения может расширить возможности выбора рабочих веществ с заданными теплофизическими свойствами, обеспечивающими повышение энергетической эффективности теплонасосных установок (ТНУ), которая может быть достигнута в результате улучшения термодинамики цикла. Исследованиями [4] установлено, что в регенеративном цикле по сравнению с однокомпонентным
/п* / Г„"
веществом
■ > 1, что является важной положитель-
а, 2 - константа, характеризующая данную смесь; А^|, А^2 — мольные доли первого и второго компонентов смеси хладагентов.
Это уравнение было обобщено для тройных смесей:
Р = лЧ + лЧ + аЧ + а.лад(А° - Рг) +
+ a2.3N2Ni(P2 ~Ръ ) + «., lNlN}(Pl ~Pi )■
(2)
^0 I го
ной особенностью цикла с применением смесей, имеющих неизотермичность. Поэтому для ТНУ неазеот-ропные смеси особенно эффективны. Процесс кипения неазеотропных смесей существенно отличается от кипения чистого вещества: температура при кипении смеси увеличивается, т.е. процесс характеризуется постоянством давления, но не температуры. Процесс конденсации, напротив, сопровождается понижением температуры и повышением концентрации пара над раствором. С учетом этой специфики становится необходимым рассматривать свойства смесей.
Разнообразие составов смесей хладагентов, а также интервалы температур и давлений, используемые в холодильной промышленности, столь велики, что получить исчерпывающие данные из зависимости р - V - Т - N (давление - объем - температура - мольная доля) невозможно даже для технически наиболее важных смесей. Поэтому большое значение приобретает предсказание р - V- Г - Лг-соотношений для смесей, в частности, по р -V - Г-данным для соответствующих чистых хладагентов.
Для двойных смесей было предложено уравнение, характеризующееся высокой точностью:
Р = + р2Ч + а[гЫ^2 (р° -р1), (1)
о о
где р, Р, , Р2 - соответственно давление смеси, чистого первого и второго компонентов;
Для эффективного использования этих уравнений необходимо иметь экспериментальные значения констант а\ 2> а2,1> а1,з- Э™ константы не зависят от соотношения компонентов смесей и в первом приближении независимы от температуры (при строгом подходе зависимость от температуры существует, но для инженерных расчетов ее вполне допустимо не учитывать). Таким образом, возможно ограниченный опыт по термодинамическим свойствам смесей использовать для их расчета в широком диапазоне параметров Изменение энтропии при равновесном переходе системы из одного состояния в другое для системы, находящейся под всесторонним внешним давлением, определяется по формуле [3]:
іrcvdT rf dp
-Р?-+Даг
(3)
где s - энтропия;
cY- теплоемкость при постоянном объеме.
С применением уравнения реального гязарУ = ZRT, где Z — коэффициент сжимаемости реального газа, или
—І =—Z,и с учетом условия су= const получаем
дТ
s2~sl = cy In-*-
м
V
+RZ\n—.
К
(4)
Энтропия моля хладагента равна 5 = Су\пТ + 1пУ + 50,
где 50 = 5, (Г, - Су\пТх - 2Я 1пК,.
Энтропия V молей реального газа, занимающего при температуре Т объем V,
5 = у(су 1пГ+ т 1п V + %). (5)
5
V
В соответствии с теоретическим положением энтропия газов до смешения
+у,
у
Су Іп Т + ZIRI 1п — + 5'0)
У
СУі_ ІП Т + г2ІІ2 1п—р+502 . 2 у
(6)
а после смешения
V +У
с„ ІпГ + Z.R. 1п—1---------+5„,
' N. 01
+У21 сУг 1п Т + г2Я21п У'+^'1 + \
Приращение энтропии смеси газов:
V + V V + V
Лу = 52 - = У,2,Л, 1п ——— + у22гЯг 1п —--
(7)
(8)
у ‘ " * К
м г I
На основе этой закономерности рассчитывается эн тропия смеси газов (хладагентов) 5СМ:
V + V V + V- ’ ’
^м = у1г1/?||п т, 2+у2г2я2 іп ' 2+у, +і2,
(9)
где 5, , .52 — энтропии компонентов до смешения;
Уи У2- объем, занимаемый V! и у2 молями газов при температуре Т.
Рис. I. Алгоритм расчета показателей ТНУ, работающего на смесях фреонов
Таким образом, на основе термодинамических данных отдельных компонентов возможно подсчитать энтропию смеси хладагентов. С изменением состава смеси возможно плавно менять теплопроизводитель-ность, температуру конденсации и коэффициент преобразования ТНУ.
Используя вышеуказанные закономерности и основные положения термодинамики, можно рассчитать показатели ТНУ, работающих на смесях (рис. 1).
Для этого задаются определенного состава смеси, разность температур кипения (начало и конец) и давления. Посредством уравнений, характеризующих отдельные компоненты, подбираются эти температуры для фиксированного давления. Данная разность температур должна лежать внутри разности температур источника низкопотенциального тепла. Если это условие не выполняется, то необходимо изменить состав смеси. Затем рассчитывают параметры смеси давление рш[, объем Усм], коэффициент сжимаемости 2си], энтальпию гсм1, энтропию 5см1 и параметры после сжатия (с индексом 2), исходя из условия 5см1 = л’см2 (итерационным методом).
Таким образом возможно получить температуры конденсации при фиксированных рш2, г|(. Если выполняются условия разности температур конденсации, то определяют Ьсж, тепловую мощносьт QTHу и коэффициент преобразования (р. В случае невыполнения этого условия необходимо изменить состава в сторону уменьшения концентрации второго компонента смеси.
Таким образом рассчитывают все показатели ТНУ, работающей на смеси хладагентов.
Этот алгоритм возможно рассматривать также и как метод регулирования установки. Как известно, все устройства регулирования характеризуются потерями, наибольшие из которых достигают 15 - 20 %, а наименьшие - 10 %, и регулирование изменением состава смеси позволяет избежать потерь и плавно переходить от одного режима к другому.
При расчете ТНУ отношение давлений нагнетания рн и всасывания рвс обычно задается температурами конденсации и кипения. Основные показатели - тепловую мощность Q, потребляемую электрическую мощность N и их отношение - коэффициент преобразования ф - можно определить с помощью эмпирических
*2=У,
+
Рекомендация по применению хладагентов в ТНУ
Температура, °С ТНУ на базе компрессоров
поршневых винтовых центробежных
хладагент цикл хладагент цикл хладагент цикл
40...65 Я22 1 Я22 1 Ю34а 1; 4
-5...+75 1122/11142 3 - - Я 134а 1; 4
90 Ш42 1 Я142 1 Ш42 і
110 Ю42, Я21 1; 4 Я142, Я21 1; 4 Ю42, К113 1; 4
10...60 К22/Я142 3 Я 134а, Я22 1 Ш34а 4
-5...+75 ЯШа/Я 142 3 Ю.2/ША2 3 Ю34а 4
90 Я134а,Я142 4; 1 Я 134а, Ш42 4; 1 Ю42 1; 4
5...60 Я 134а, 1122 1; 4 Я 134а, И22 1; 4 Я 134а, К22 1; 4
-10...+75 Я134а/Я142 3 К134а/Ю42, Я21 3; 4 Ш42, Я21 1; 4
ми компрессорами на фреонах Ш42Ь, Я134а при температуре конденсации до 90 °С и мощности до 600 кВт. В нашей стране применение ТНУ часто сдерживается из-за отсутствия требуемого оборудования. Вместе с тем опыт внедрения ТНУ на Самтредской чайной фабрике, где применена серийно выпускаемая холодильная машина ХМФУУ 400/2 на К142Ь, показывает, что во многих случах можно использовать серийно выпускаемое оборудование [4].
Проведенные исследования дали возможность установить предпочтительные хладагенты, привязанные к виду термодинамического цикла (рис. 2), температурной области и типу ТНУ. Рекомендации, основанные на результатах этих исследований, представлены в таблице.
Список литературы
1. Везиришвши О.Ш. Безразмерные характеристики парокомпрессионных ТНУ // Холодильная техника. 1986. №6.
2. Гомелаури В.И., Везиришвили О.Ш., Мирианаш-вили Н. А. Опыт использования ТНУ для тепло- и хладоснабжения Самтредской чайной фабрики // Холодильная техника. 1986. № 3.
3. Кириллин В.А. и др. Техническая термодинамика. -М.: Энергоиздат, 1972.
4. Перелъштейн И.И. Теплофизические свойства рабочих веществ. - М., 1984.
соотношений, полученных при обработке многолетнего промышленного экспериментального материала [1]:
-2- = 1-0,041-^;
Ряс
-^- = 0,33^ + 0,34;
Р«У Р. с
Р. с
где д - удельная объемная теплопроизводительность хладагентов кДж/м3;
V- теоретическая объемная производительность компрессора ТНУ, м3/с;
рн, рвс - давление пара на нагнетании и всасывании компрессора, кПа.
Эти формулы рекомендуются для ТНУ с поршневы-
5
Рис. 2. Возможные термодинамические циклы ТНУ: 1 — с регенеративным теплообменом;
2 — двухступенчатый; 3 — на неазеотропной смеси; 4 — каскадный
