автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Исследование диметилового эфира и смесей хладонов R22, RC318 и R142b для замены R12 в промышленных и бытовых холодильных установках

На правах рукописи

Шарабурин Алексей Владимирович

УДК 621.564

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА И СМЕСЕЙ ХЛАДОНОВ К22, КС318 и К142Ь ДЛЯ ЗАМЕНЫ К12 В ПРОМЫШЛЕННЫХ И БЫТОВЫХ холодильных УСТАНОВКАХ.

Специальность 05.04,03. - Машины, аппараты и процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва- 2004

Диссертация выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н.Э.Баумана

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Глухов С .Д.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Афанасьев В.Н.

кандидат технических наук, профессор Стрельцов А.Н.

Ведущая организация: ОАО «РИТМ»

Защита диссертации состоится <23»> СсотиЛ 2004 г. в V часов на заседании Специализированного совета Д.212.142.16 при Московском госудаоственном техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу: 107005, Москва, Лефортовская наб., д.. 1, корпус факультета «Энергомашиностроение».

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатаю, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Автореферат разослан «/Л> Л^а^Р_2004 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д212.141.16, л

кандидат технических наук, доцент > Глухов С.Д.

2/5ЮТ

Общая характеристика работы.

Актуальность. Развитие холодильной техники в настоящее время находится под влиянием трех определяемых экологическими проблемами взаимосвязанных факторов:

требований Монреальского протокола о прекращении потребления веществ, разрушающих озоновый слой (в первую очередь R12) и о временном и количественном ограничении применения веществ переходной группы (в том числе R22), имеющих малый потенциал разрушения озонового слоя (ODP);

требований Киотского протокола к «Рамочной конвенции ООН об изменении климата» о регулировании эмиссии парниковых газов (веществ, имеющих высокий потенциал глобального потепления - GWP), к которым относятся широко применяемые хладагенты R22, R134a и многие другие вещества, используемые в холодильной технике;

ГОСТ Р МЭК 66035-2-24-2001, разрешающий использование в приборах бытовой холодильной техники углеводородов (пропан, изобутан, пропан-бутан) при ограниченной массе заправки (до 150 г).

Анализируя наиболее известные, разработанные в нашей стране и за рубежом хладагенты - заменители R12, можно убедиться, что у каждого из них имеются уязвимые места с точки зрения выполнения перчисленных выше требований.

Обзор литературных данных показал, что равноценной замены R12 в холодильной технике для условий нашей страны пока не найдено, особенно для ретрофита действующего холодильного оборудования. Использование многочисленных альтернативных хладагентов, таких как R134a, R401A, R401B, R401C, R409A и др., предлагаемых зарубежными компаниями, сталкивается сопределенными трудностями. Предлагаемые хладагенты запатентованы компаниями-производителями и имеют высокую стоимость. Зачастую в состав хладагентов-смесей входят редкие и, следовательно, дорогие, компоненты, что существенно увеличивает затраты на сервисное обслуживание холодильных систем. Применение большинства новых хладагентов требует изменения условий работы системы (замены масла, замены некоторых агрегатов и аппаратов холодильной машины).

Российские разработки направлены на использование более дешевых смесевых хладагентов (R22/R142b, CI, С10М1 и др.). Преимуществом отечественных хладагентов является их относительная дешевизна и возможность использования без изменения конструкции холодильной машины и замены масла. Однако у этих смесей существует ряд недостатков. В состав смесевых хладагентов на основе R22 нередко входят дорогостоящие компоненты-фреоны. Применение таких смесей, несмотря на относительно высокую стоимость, перспективно в

з

холодильных машинах малой производительности (холодильниках, например), где масса заправки составляет 100-150 грамм и не превышает 5% от общей стоимости холодильного аппарата. Поэтому применение смеси 1122/11С318 может быть экономически оправдано при ретрофите холодильных машин малой производительности. Для ретрофита холодильных машин большей производительности на Кирово-Чепецком химическом комбинате была предложена смесь "Экохол-3" (И22(40%)Л1С318(12%)/Я142Ь(48%)), где для снижения концентрации дорогостоящего ИС318 введен третий компонент - Ш42Ь. Но эксплуатационные и термодинамические характеристики "Экохол-3" не были исследованы. Проблемой является также пожароопасное» отдельных компонентов смесевых хладагентов (Д142Ь). Смеси, включающие этот компонент , как правило, имеют невысокую стоимость, но, при возможной утечке негорючего компонента концентрация горючего компонента увеличивается, и может возникнуть пожароопасная ситуация.

С другой стороны, решения Киотского протокола, ограничивающие применение фреонов в холодильной технике и новая редакция ГОСТа России, допускающая использование углеводородов в качестве хладагентов, открывают новые возможности для применения углеводородов в холодильных машинах малой производительности, где масса заправки мала. Однако в нашей стране опыт применения углеводородов, в частности диметилового эфира (ДМЭ), в холодильной технике ограничен, а возможность их применения в холодильных машинах практически не исследована. Работы по применению ДМЭ проводятся в МГТУ им Н.Э.Баумана несколько лет. Из чистых веществ вместо Ш2 возможно применение только изобутана 11600а = -11,7°С), поэтому его использование в морозильниках (1о = -18...-25°С) исключено. С другой стороны, ДМЭ может использоваться как дизельное топливо, поэтому его цена должна быть на порядок ниже, чем у других хладонов.

Целью работы был поиск отечественного недорогого озонобезопасного хладагента, имеющего низкий или нулевой потенциал глобального потепления, который способен заменить Ш2 в действующем холодильном оборудовании без существенного изменения конструкции холодильной машины и замены масла: сервисные смеси на основе В22 и чистое вещество ДМЭ.

Задачи исследования, решаемые в ходе работы:

1. Определение необходимой концентрации компонентов в смеси И22Л1С318 с целью получения давления нагнетания, холодопроизводительности и холодильного коэффициента на уровне Ш2; получение экспериментальных термодинамических характеристик холодильного цикла, подтверждающих

возможность использования данной смеси в холодильной технике.

2. Экспериментальное исследование с целью улучшения термодинамических и эксплуатационных характеристик смеси «Экохол-3» (К22(40%)/ЯСЗ 18(12%)/К142Ь(48%)) путем увеличения концентрации 1122.

3. Экспериментальное исследование нового экологически безопасного углеводородного хладагента диметилового эфира (ДМЭ) в аппаратах бытовой холодильной техники, в частности, бытовых морозильниках путем подбора оптимальной массы заправки ДМЭ, а также оптимизация длины капилляра с целью снижения потребления электрической энергии.

Методы исследования. Экспериментальные: исследована работа хладагентов-смесей на основе Я22, ЯС318 и Я142Ь в цикле холодильной машины на калориметрическом стенде; экспериментальное подтверждение возможности использования ДМЭ в качестве хладагента для бытового морозильника. Научная новизна:

1. Получены новые результаты сравнительного экспериментального исследования характеристик холодильной машины при работе на Я12 и смесях К22/ЛС318 с различной концентрацией К22, а также на смеси «Экохол-3».

2. Предложена новая смесь «Экохол-МГТУ» и проведены эксперименты, подтвердившие, что холодопроизводительность, работа компрессора и холодильный коэффициент не уступают аналогичным величинам для хладона Я12.

3 Получены новые результаты экспериментального исследования бытового морозильника при работе на диметиловом эфире (ДМЭ): определена оптимальная масса заправки ДМЭ, оптимизированы энергетические характеристики бытового морозильника при изменении длины капилляра. Практическая значимость.

1. Предложенная смесь Л22Л1С318 (с концентрацией Л22 50% массовых) является эквивалентной альтернативой Ю2 без замены масла.

2. Предложенная смесь «Экохол-МГТУ» (с концентрацией Я22 50% массовых) является эквивалентной альтернативой Ш2 без замены масла.

3. Определена оптимальная масса заправки бытового морозильника 8йпо1-10б при использовании ДМЭ в качестве хладагента. При этом уровень удельного энергопотребления снизился на 10... 14% по сравнению с Ш2. Найдено оптимальное сочетание длины

капилляра и массы заправки ДМЭ для аппарата Stinol-106, при котором удельное энергопотребление минимально. Апробация работы. Сделано 2 доклада на Международных научно-технических конференциях в Санкт-Петербурге: («Природные холодильные агенты - альтернатива глобальному потеплению» 2003 г. и «Айс-сларри и однофазные хладоносители» 2004 г.) Публикации. По теме диссертации опубликовано три статьи в научных журналах.

Структура и объем диссертагрти Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (74 наименования). Диссертация изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц и 45 рисунков.

Содержание работы.

Во введении подчеркивается актуальность проблемы перевода холодильной техники на экологически безопасные хладагенты, формулируются цель и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность данного исследования.

В первой главе рассмотрены характеристики большинства хладагентов, использумых в настоящее время в холодильных машинах малой производительности. Проведен анализ основных требований к альтернативным хладагентам, а также оценены перспективы их применения в качестве замены R12 в свете требований Монреальского протокола и Киотского соглашения. Рассмотрены проблемы применения хладагентов-углеводородов в бытовых холодильных приборах. Особо отмечены отечественные заменители, более дешевые, чем импортные.

Анализ научно-технической литературы показал сложность адекватной замены R12. И зарубежные, и отечественные хладагенты не отвечают всем требованиям, которые предъявляет современная холодильная техника; экономически применение этих хладагентов для ретрофита оборудования, работающего на R12, оправдано далеко не всегда. Отсутствуют данные об использовании ДМЭ в бытовой холодильной технике.

На основе анализа литературных данных были сформулированы задачи исследования.

Вторая глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию характеристик цикла холодильной машины при работе на бинарных смесях R22/RC318 и тройных смесях R22/RC318/R142b («Экохол-3» и «Экохол-МГТУ»). В главе приведено описание калориметрического стенда, методика проведения эксперимента, результаты испытаний и их анализ. 6

Первым этапом работы стало определение концентрации R22 в смеси R22/RC318, при которой давление конденсации смеси было бы равно давлению конденсации чистого R12. Для идеальной смеси эта концентрация составила 27% массовых. С учетом найденных в литературе данных об отрицательном отклонении свойств смеси от идеальности, концентрация R22 в смеси была повышена до 47% массовых, при этом давление конденсации осталось равным давлению для R12. С учетом этих же данных была проведена оптимизация смеси «Экохол-3» и рекомендовано повысить концентрации R22 с 40% масс, до 50% масс., что увеличивает холодопроизводительность смеси.

Экспериментальное определение реальных параметров холодильного цикла: холодопроизводительности, мгновенной потребляемой мощности и реального холодильного коэффициента при работе на новом озонобезопасном холодильном агенте н сопоставление с аналогичными параметрами при работе на фреоне R12 при тех же температурах охлаждения и конденсации производилось на экспериментальном калориметрическом стенде.

Схема стенда имеет вид замкнутого контура (рис. 1), который включает в себя герметичный смазываемый одноступенчатый поршневой компрессор. В ходе экспериментальных исследований цикла выполнялись измерения следующих параметров: давления нагнетания, всасывания и в объеме калориметра; температуры: нагнетания, всасывания, входа и выхода хладона в конденсатор, входа и выхода воды в конденсатор, входа и выхода хладона в испаритель, прямого и обратного потоков на входе и выходе из рекуперативного теплообменника, корпуса компрессора; электрической мощности компрессора; электрической мощности, подводимой к нагревательным элементам калориметра. Измерения выполнялись с помощью комплекса, предназначенного для сбора и обработки информации в ходе эксперимента. Измерительный комплекс содержит: модуль аналого-цифрового преобразования Крейт КАМАК, датчики температуры, датчики давления, компьютер ШМ PC/AT 486.

Для сравнительного исследования холодопроизводительности цикла на хладонах R12 и смеси R22/RC318 были выбраны режимы с температурой охлаждения -5, -15, -25°С и температурой конденсации 30°С. Исследовалась смесь R22/RC318 с концентрацией R22 39% массовых и смесь с концентрацией R22 50% массовых (рис. 2).Также было исследовано влияние рекуперации теплоты в холодильном цикле.

ш--

Ь к 0

П—М—спрос |0

со

-ту

ж

Кя - икркнар

Кн-кщкссор

Кд-вмяакщ

ТО-тешхбшяш

ФО-фаирссушпсш

ТРВ-щщаущущш кяшп ВЮ-кщруаюшщ кат Ф-^ттр РД-рсгс дшкш

едИ-рет шплго > ?ДИ-рек шпат дшст Ш-штюры Ш-ывошуумпря Ш-шуушшжос ¡¡шж-зщютя бит

вип-тип-

СО-акяраис оперли Ш- зхпрошыя

раушор мщаосп У/- шмары

220 V

х

Рис. 1. Принципиальная схема калориметрического стенда

При испытаниях холодильной машины на смеси состава К22/ЯС318(39%/61%) потребляемая мощность компрессора ниже, чем при работе на фреоне Ш2 в среднем на 12%, холодопроизводительность меньше в среднем на 5%, холодильный коэффициент ниже в среднем на 10%. Поскольку процесс кипения смеси неизотермичен, то за температуру кипения принята Тч>= (Т] +Т4)/2, где Т) ,Т4 - соответственно температуры начала и окончания кипения.

При испытаниях смеси И22/КС318 (50%/50%) машина также была работоспособна во всем диапазоне температур кипения от -5 до -25°С. Повышение концентрации низкокипящего компонента привело к увеличению холодопроизводительности цикла на смеси (в среднем на 15% по сравнению с Я12) и увеличению холодильного коэффициента (в • среднем на 9%), а также к росту мощности компрессора. Она превысила

потребляемую мощность машины при работе на Ю2 в среднем на 6% . Исследование влияния рекуперации проводилось для бинарной смеси концентрации Я22/ЯС318(39%/61 %). При работе на бинарной смеси применение рекуперативного теплообменника привело к увеличению холодопроизводительности в среднем на 9% при незначительном увеличении работы сжатия, и, следовательно, к увеличению холодильного коэффициента (при -5°С повышение холодильного коэффициента на 4%; при -15°С повышение холодильного коэффициента на 12%).

Из результатов исследования можно сделать вывод, что при замене хладона Я12 на смесь К22/ЯС318 в целях обеспечения паспортной холодопроизводительности необходима смесь с концентрацией Я22 не ниже 40...45% массовых; это не приводит к увеличению давления нагнетания, замене масла и изменению компрессора.

Для испытаний хладонов Ш2 и "Экохол-3" были выбраны режимы с температурой охлаждения -5, -15, -25°С при температуре конденсации 30°С (рис. 3). Холодопроизводительность цикла на смеси "Экохол-3" оказалась ниже, чем при работе на Ю2 в среднем на 20%, а мощность, потребляемая компрессором ниже, чем у Я12 в среднем на 12%. Холодильный коэффициент цикла при работе на смеси также оказался ниже в среднем на 12%, чем при работе на Л12.

Снижение давления конденсации у смеси "Экохол-3" по сравнению с К12 на 7-8% и мощности, потребляемой компрессором (до 15% на режиме охлаждения -25°С) показало, что возможно увеличение концентрации 1122 в смеси "Экохол-3" до 50% массовых, при сохранении давления конденсации, как у Я12 - смесь «Экохол-МГТУ». Для испытания "Экохол-МГТУ" были выбраны режимы с температурой охлаждения -5, -15, -25°С и температура конденсации 30"С.

Холодопроизводительность цикла на новой смеси при температуре охлаждения -5°С ниже холодопроизводительности чистого Я12 на 3,5%, а температурах охлаждения - 15°С, -25°С превышает холодопроизводительность чистого Я12 на 5%.

Рис. 2. Экспериментальные характеристики цикла на бинарных смесях и R12 (а - холодопроизводительность, б - мощность компрессора, в - холодильный коэффициент) при температуре конденсации tK= 30°С

(без регенерации).

и 1112 (а- холодопроизводительность, б - мощность компрессора, в -холодильный коэффициент) при температуре конденсации и= 30°С (без

регенерации).

Мощность, потребляемая компрессором при работе на смеси "Экохол-МГТУ" превышает мощность, потребляемую в цикле на чистом Я12 не более чем на 6% при температурах охлаждения -5°С, ~15°С, а при температуре охлаждения -25°С ниже мощности, потребляемой в цикле на чистом Я12 на 13%. Холодильный коэффициент цикла на испытываемой смеси оказался на 9% ниже, чем у цикла на Ш2 при температуре

охлаждения -5°С, а при температурах охлаждения -15°С, -25°С превьшшет холодильный коэффициент цикла чистого R12 до 14% соответственно.

Эти результаты подтвердили тот факт, что в реальной смеси при повышении массовой концентрации R22 приблизительно до 50% давление конденсации в цикле практически не изменяется по сравнению с работой на R12, но при этом холодопроизводительность, мощность компрессора и холодильный коэффициент превышают характеристики холодильной машины на чистом R12.

При испытании смеси «Экохол-МГТУ» с использованием рекуперативного теплообменника наблюдалось повышение холодильного коэффициента на режиме при to—5°С - на 6%; при to= -15°С - на 9%, а при to= -25°С - на 3%.

Данные, полученные в ходе эксперимента, показали, что смесь "Экохол-МГТУ" является адекватной заменой озоноопасному R12 в действующем холодильном оборудовании во всем интервале температур кипения -5...-25°С, но холодильный коэффициент при to> -15°С при работе на R12 - выше.

Третья глава посвящена сравнительному исследованию энергетических характеристик бытового морозильника Stinol-106, объемом 233 л при работе на R12 и ДМЭ. Первой частью работы явилась оптимизация массы заправки морозильника при работе на ДМЭ. Испытания проводились на стенде, созданном на базе серийного морозильника Stinol-106 без принципиальных изменений конструкции (компрессор, капилляр, испаритель и конденсатор заводской комплектации) и замены масла. Стенд был оснащен измерительным комплексом, включающим датчики-термосопротивления, датчики давления и электросчетчик, фиксирующий суточное энергопотребление морозильника. Температура окружающей среды в процессе испытаний согласно ГОСТ 16317-87 составляла 25°С. Были также проведены испытания для проверки работоспособности Stinol-106 при максимальной температуре окружающей среды 32°С. Температура морозильной камеры в процессе эксперимента поддерживалась -24°С. Целью испытаний являлось определение оптимальной массы заправки морозильника, обеспечивающей минимальный суточный расход электроэнергии и сравнение с соответствующими показателями R12. В проведенных экспериментах в результате прямых измерений определяются избыточное давление по манометрам, атмосферное давление по барометру, падение напряжения на термометрах сопротивления, электрическая мощность ТЭНов, мощность, потребляемая компрессором. Точность замера температуры составила 0,2 К, давления - 0,01 Мпа. Электрическая мощность измерялась прибором К50, класс точности - 0,5, суточное 12

энергопотребление измерялось бытовым электросчетчиком с классом точности 2,5.

Цгп,кВт*час

• ДМЭ

40 60 80 100 120

масса запрабки, г

а)

4 ' 3 " Г 2 ■ кВт* час Т«:= + 32'С

1

«12

•дмэ

40 60 80 100 120

масса запробки, г

б)

Рис.4. Зависимость суточного энергопотребления морозильника от массы заправки ДМЭ при Т«= -24°С (а -1 к = 25°С, б - г к = 32°С).

При проведении эксперимента выяснилось, что оптимальная масса заправки ДМЭ составила 70 грамм (паспортная заправка Я12 - 214 г). Испытания проводились без замены капиллярной трубки (то есть без каких-либо переделок морозильника).

Результаты испытаний (рис. 4) показали, что при температуре в морозильнике -24°С суточное потребление энергии при работе на ДМЭ ниже, чем на Я12: при температуре окружающей среды 25"С на 15%,а при температуре окружающей среды 32°С на 13%.

Дальнейшая работа была продолжена в направлении подбора оптимальной длины капилляра в целях дальнейшего снижения суточного расхода электроэнергии при работе на ДМЭ Подбор производится методом перебора сочетаний длины капилляра и дозы заправки. Для этого был создан экспериментальный стенд на базе морозильника 8Ьшо1-106 с измененной конструкцией, позволившей проводить смену капилляра. При этом теплообмен капилляра и обратного потока из испарителя исключался, т.е. регенерация в цикле отсутствовала. В данном эксперименте использовались пять капилляров диаметром 0,8 мм и длиной 2,25 м, 3,5 м, 4,75 м, 6,0 м, 7,25 м. При проведении эксперимента температура в термокамере поддерживалась равной 25°С, температура внутри морозильной камеры составляла -18°С.

Суточное энергопотребление Ш2, составившее 2,4 кВт-ч/сут (рис. 5), получено экспериментальным путем при определении оптимальной массы заправки стенда Я12 (составившей 240 г) при применении капилляра, используемого в заводской комплектации (3,5 м).

Суточное энергопотребление при работе стенда на Ю2 превышает этот показатель у заводского образца морозильника, что объясняется внесением в конструкцию морозильника изменений (увеличение длины трубопроводов, наличие вентилей и т.д.) для возможности испытания капиллярных трубок различной длины.

Эксперименты показали (рис. 5), что капиллярами, обеспечивающими минимальное суточное энергопотребление на ДМЭ являются капилляры длиной 4,75 м, 2,25 м и 3,5 м. При использовании этих капилляров суточное энергопотребление морозильника снизилось по сравнению с Ш2 соответственно на 10% и менее. При этом оптимальная масса заправки изменялась от 80 г до 100 г. Удельное энергопотребление морозильника на ДМЭ с капиллярами длиной 6,0 м и 7,25 м превышает этот показатель при использовании Я12 соответственно на 12% и на 14%. Таким образом оптимальным для данной системы при работе на ДМЭ является капилляр длиной 4,75 м (диаметр 0,8 мм).

• - 7 ф - 2 Л. ~ У Ш - 4 □ - 5

Рис. 5. Зависимость суточного энергопотребления морозильника 81шо1-106М в зависимости от массы заправки ДМЭ при различных значениях длины капилляра (1 - 2,25 м, 2 - 3,5 м, 3 - 4,75 м, 4 - 6,0, 5 - 7,25 м)

Основные результаты и выводы.

1 Экспериментальное сравнение основных термодинамических характеристик циклов на Ю2 и смеси К22/ЯС318 показало, что для адекватной замены Ю2 концентрация 1122 в смеси должно быть не ниже 40...45% массовых. При этом холодильный коэффициент цикла на смеси по сравнению с циклом на Ш2 возрастает на 2... 16%.

2. На основе данных об отрицательном отклонении давления конденсации от идеальности в реальной смеси, концентрация 1122 в «Экохол-3» повышена С 40% до 50%, при соответствующем уменьшении концентрации других компонентов. Экспериментальные исследования новой смеси, получившей название «Экохол-МГТУ» показали, что смесь является адекватной заменой Ш2. Холодильный коэффициент цикла на «Экохол-МГТУ» близок к аналогичному показателю цикла на Я12. На основании

вышесказанного, можно рекомендовать смеси Я22/ПС318 и «Экохол-МГТУ» как сервисные при ретрофите холодильного оборудования наЯ12.

3. Была определена оптимальная масса заправки бытового морозильника при работе на ДМЭ. Она составила 70 г, при этом суточное энергопотребление по сравнению с работой на 1*12 повысилось на 15% при температуре охлаждения -24°С. Результаты эксперимента доказывают перспективность использования ДМЭ в качестве хладагента для бытовой холодильной техники.

4. Проведена экспериментальная оптимизация длины капиллярной трубки бытового морозильника на ДМЭ. При этом оптимальная длина капилляра составила 4,75 м (3,5 для Я12). Энергопотребление по сравнению с Я12 снизилось на 9%.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Диметиловый эфир - рабочее тело холодильных машин / А.А.Жердев, С.ДГлухов, А.В.Поляков, А В.Шарабурин // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. Машиностроение. - 2002. - Специальный выпуск. - С. 55-62.

2. Глухов С.Д., Шарабурин A.B., Королев В.Г. Исследование смеси R22/RC318/R142b для замены озоноопасного хладонаШ2. // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. Машиностроение. - 2002. -Специальный выпуск. - С. 62-71.

3. Использование диметилового эфира как моторного топлива и хладагента / А.М.Архаров, С.Д.Глухов, А.В.ПТарабурин и др. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2003. - №6. - С. 1721.

«

Подписано к печати 11 мая 2004 г.

Объем 1 п/л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана. 105005, Москва, 2-я Бауманская улица, дом 5.

РНБ Русский фонд

2006-4 8484

\ i

23 ^ .

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ И

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. История вопроса.

1.2. Основные требования к новым хладагентам.

1.3. Особенности термодинамических свойств смесей-хладагентов.

1.4. Перспективы применения альтернативных хладагентов.

1.5. Альтернативные хладагенты, предназначенные для замены R12.

1.5.1. Хладагенты - чистые вещества.

1.5.2. Многокомпонентные хладагенты.

1.5.2.1. Многокомпонентные хладагенты на основе углеводородов.

1.5.2.2. Многокомпонентные хладагенты группы ГХФУ.

1.6. Энергетические показатели компрессионных холодильников и морозильников.

1.7. Проблемы применения углеводородов в качестве хладагентов в бытовой холодильной технике.

1.8. Анализ литературных данных и постановка и задачи исследовательской работы.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ НА БИНАРНОЙ И ТРОЙНЫХ СМЕСЯХ.

2.1. Выбор концентрации бинарной идеальной смеси при замене R12.

2.2. Оптимизация концентраций компонентов смеси с учетом ее неидеальности.

2.3 Описание лабораторного калориметрического стенда.

2.3.1. Монтаж и наладка лабораторного стенда.

2.3.2. Методика проведения испытаний.

2.4. Испытания бинарной смеси R22/RC318 на калориметрическом стенде.

2.5. Выводы по испытаниям бинарной смеси.

2.6. Испытания тройной смеси «Экохол-3».

2.7- Испытания модифицированной тройной смеси

Экохол-МГТУ».

ГЛАВА 3. СРАВНЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК МОРОЗИЛЬНИКА STINOL-Юб ПРИ РАБОТЕ НА R12, СМЕСИ

ЭКОХОЛ-МГТУ» И ДМЭ.

3.1. Сравнение суточного энергопотребления при испытании заводского образца морозильника на R12 и экологически безопасных ХА.

3.1.1. Создание экспериментального стенда.

3.1.2. Сравнительные испытания R12 и «Экохол-МГТУ».

3.1.3 Определение оптимальной массы заправки ДМЭ.

3.2. Оптимизация размеров капиллярной трубки при использовании ДМЭ в качестве хладагента.

3.3. Оценка погрешности экспериментальных данных.

ВЫВОДЫ.

Развитие холодильной техники в настоящее время находится под влиянием трех определяемых экологическими проблемами взаимосвязанных факторов: требований Монреальского протокола о прекращении потребления веществ, разрушающих озоновый слой (в первую очередь R12) и о временном и количественном ограничении применения веществ переходной группы (в том числе R22), имеющих малый потенциал разрушения озонового слоя (ODP); требований Киотского протокола к «Рамочной конвенции ООН об изменении климата» о регулировании эмиссии парниковых газов (веществ, имеющих высокий потенциал глобального потепления - GWP), к которым относятся широко применяемые хладагенты R22, R134a и многие другие вещества, используемые в холодильной технике;

ГОСТ Р МЭК 66035-2-24-2001, разрешающий использование в приборах бытовой холодильной техники углеводородов (пропан, изобутан, пропан-бутан) при ограниченной массе заправки (до 150 г).

Анализируя наиболее известные, разработанные в нашей стране и за рубежом хладагенты — заменители R12, можно убедиться, что у каждого из них имеются уязвимые места с точки зрения выполнения перчисленных выше требований.

Обзор литературных данных показал, что равноценной замены R12 в холодильной технике для условий нашей страны пока не найдено, особенно для ретрофита действующего холодильного оборудования. Использование многочисленных альтернативных хладагентов, таких как R134a, R401A, R401B, R401C, R409A и др. [1], предлагаемых зарубежными компаниями, сталкивается с определенными трудностями. Предлагаемые хладагенты запатентованы компаниями-производителями и имеют высокую стоимость. Зачастую в состав хладагентов-смесей входят редкие и, следовательно, дорогие, компоненты, что существенно увеличивает затраты на сервисное обслуживание холодильных систем. Применение большинства новых хладагентов требует изменения условий работы системы (замены масла, замены некоторых агрегатов и аппаратов холодильной машины). Российские разработки направлены на использование более дешевых смесевых хладагентов (R22/R142b, CI, С10М1 и др. [2, 3]). Преимуществом отечественных хладагентов является их относительная дешевизна и возможность использования без изменения конструкции холодильной машины и замены масла. Однако у этих смесей существует ряд недостатков. В состав смесевых хладагентов на основе R22 нередко входят дорогостоящие компоненты-фреоны. Применение таких смесей, несмотря на относительно высокую стоимость, перспективно в холодильных машинах малой производительности (холодильниках, например), где масса заправки составляет 100-150 грамм и составляет около 5% от общей стоимости холодильного аппарата. Поэтому применение смеси R22/RC318 может быть экономически оправдано при ретрофите холодильных машин малой производительности. Для ретрофита холодильных машин большей производительности на Кирово-Чепецком химическом комбинате была создана смесь "Экохол-3" (R22(40%)/RC318(12%)/R142b(48%)), где, для снижения концентрации дорогостоящего RC318 введен третий компонент -R142b. Но эксплуатационные и термодинамические характеристики "Экохол-3" не были исследованы. Проблемой является также пожароопасность отдельных компонентов смесевых хладагентов (R142Ь). Смеси, включающие этот компонент , как правило имеют невысокую стоимость, но, при возможной утечке негорючего компонента, концентрация горючего компонента увеличивается, и может возникнуть пожароопасная ситуация.

С другой стороны, решения Киотского протокола, ограничивающие применение фреонов в холодильной технике и новая редакция ГОСТов России, допускающая использование углеводородов в качестве хладагентов

4, 5, 6], открывают новые возможности для применения углеводородов в холодильных машинах малой производительности, где масса заправки мала. Однако в нашей стране опыт применения углеводородов, в частности диметилового эфира (ДМЭ) в холодильной технике ограничен, а возможность их применения в холодильных машинах практически не исследована. ДМЭ лучше, чем рекомендованные смесевые хладоны (С1, например), поэтому работы по применению ДМЭ проводятся в МГТУ им Н.Э.Баумана несколько лет. Из чистых веществ возможно применение только изобутана R600a (ts = -11,7°С), поэтому его использование в морозильниках (to = -18.-25°С) исключено. С другой стороны, ДМЭ может использоваться в качестве дизельного топлива, поэтому его цена должна быть на порядок ниже, чем у других хладонов.

Положения Федерального закона «Об энергосбережении» обязывают производителей холодильной техники (в т.ч. бытовых холодильных приборов) искать пути повышения энергетической эффективности новой техники, что, в частности, может быть достигнуто путем применения новых хладагентов [7, 8].

Целью работы является выбор отечественного недорогого озонобезопасного хладагента, имеющего низкий или нулевой потенциал глобального потепления, который способен заменить R12 в действующем холодильном оборудовании без существенного изменения конструкции холодильной машины и замены масла: сервисные смеси на основе R22 и чистое вещество ДМЭ.

ВЫВОДЫ

1. Экспериментальное сравнение основных термодинамических характеристик циклов на R12 и смеси R22/RC318 показало, что для адекватной замены R12 концентрация R22 в смеси должно быть не ниже 40.45% массовых. При этом холодильный коэффициент цикла на смеси по сравнению с циклом на R12 возрастает на 2. 16%.

2. На основе данных об отрицательном отклонении давления конденсации от идеальности в реальной смеси, концентрация R22 в «Экохол-3» повышена с 40% до 50%, при соответствующем уменьшении концентрации других компонентов. Экспериментальные исследования новой смеси, получившей название «Экохол-МГТУ» показали, что смесь является адекватной заменой R12. Холодильный коэффициент цикла на «Экохол-МГТУ» близок к аналогичному показателю цикла на R12. На основании вышесказанного, можно рекомендовать смеси R22/RC318 и «Экохол-МГТУ» как сервисные при ретрофите холодильного оборудования на R12.

3. Определена оптимальная масса заправки бытового морозильника при работе на ДМЭ. Она составила 70 г, при этом суточное энергопотребление по сравнению с работой на R12 снизилось на 15% при температуре охлаждения -24°С. Результаты эксперимента показывают перспективность использования ДМЭ в качестве хладагента для бытовой холодильной техники.

4. Проведена экспериментальная оптимизация длины капиллярной трубки бытового морозильника на ДМЭ. При этом оптимальная длина капилляра составила 4,75 м (3,5 для R12). Энергопотребление по сравнению с R12 снизилось на 9%.

1. Педерсен Т. Статус хладагентов — краткая сводка // Журнал Danfoss. — 1996.-№3.-С. 14-15.

2. Перспективы развития производства озонобезопасных хладонов на Кирово-Чепецком химическом комбинате. / Н.С. Верещагина,

3. A.Н. Голубев, В.Ю. Захаров и др. // Холодильное дело. 1998. -№2-С. 4-5.

4. Альтернативный хладагент С ЮМ для ретрофита холодильного оборудования, работающего на R12 / В.С.Зотиков, В.А.Сараев,

5. B.И.Самойленко и др. // Холодильная техника. 1999. - №2. — С.6-9.

6. Калнинь И.М., Смыслов В.И., Фадеков К.Н. Оценка перспектив применения экологически безопасных хладагентов в бытовой холодильной технике. / Холодильная техника. 2001. - №12. — С.4-8.

7. Цветков О.Б., Лаптев Ю.А. Углеводороды перспективы и реалии. / Холодильный бизнес. - 2002. - №3. - С. 8-9.

8. ГОСТ Р МЭК 60335 — 2 24 — 2001. Безопасность бытовых и аналогичных электрических приборов. Дополнительные требования к холодильным приборам, мороженицам и устройствам для производства льда. - 2-е изд. — М.: Изд-во стандартов. - 2002. - 20 с.

9. Фадеков К.Н. Применение смесевых зеотропных хладагентов для повышения энергетической эффективности бытовых холодильников: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. — М., 2002.-18 с.

10. ГОСТ Р 5165 2000. Приборы холодильные электрические бытовые: Эффективность энергопотребления. Методы определения. - Введен с 01.01.2000. - М.: Изд-во стандартов, 2000. - 5 с.

11. Бабакин Б.С., Стефанчук В.И., Ковтунов Е.Е. Альтернативные хладагенты и сервис холодильных систем на их основе: Справочное руководство. -М.: Колос, 2000.-160 с.

12. Ю.Хаттатов В.У. Ни реабилитировать, ни помиловать хладоны нельзя. // Холодильный бизнес. 2001. - №3 - 4. - С. 4-5.

13. П.Абдульманов Х.А. О реабилитации фреона-12. // Холодильный бизнес. -2001.- №2.- С. 4-5.

14. Кириллин В.А., Шейндлин А.Е., Шпильрайн Э.Э. Термодинамика растворов. — М., «Энергия», 1980. 290 с.

15. Температурные режимы калориметрических испытаний малых герметичных холодильных компрессоров/ И.А.Афанасьева, И.М.Калнинь, В.И.Смыслов и др. // Холодильная техника. 2002 - №2. - С. 8-12.

16. Боярский М.Р., Лунин А.И., Могорычный В.И. Характеристики криогенных систем при работе на смесях. — М.: Изд-во МЭИ, 1990.-87с.

17. Бабакин Б.С. Хладагенты, масла, сервис холодильных систем: Монография. Рязань: Узорочье. - 2003. - 470 с.

18. Промышленные фторорганические продукты: Справочное издание. / Б.Н. Максимов, В.Г. Барабанов, И.Л. Серушкин и др. Изд. 2-е, пер. и доп. — СПб.: Химия, 1996. - 544 с.

19. ASEREP fur EXCEL (Demo). Version 1.3c. Programmbeschreibung. Institut fur Luft- und Kaltetechnik, Dresden. - 1999.

20. Бродянский B.M. От твердой воды до жидкого гелия (история холода). -М.: Энергоатомиздат, 1995. 336 с.

21. Жердев А.А., Глухов С.Д., Богаченко В.Н. Диметиловый эфир — топливо и хладагент для дизельных авторефрижераторов

22. Вестник МГТУ им.Н.Э.Баумана. Серия «Машиностроение». Специальный выпуск. 2000. - С. 182-185.

23. Поляков А.В. Применение диметилового эфира в качестве рабочего тела холодильных установок дизельных авторефрижераторов: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. М., 2001. - 19 с.

24. Жердев А.А.Разработка и исследование холодильных установокс использованием в качестве рабочих тел экологически безопасных топлив: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М. - 2003. - 35 с.

25. Жердев А.А., Глухов С.Д., Шарабурин А.В. Диметиловый эфир — рабочее тело холодильных машин. // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. Серия «Машиностроение». Специальный выпуск. 2002. - С. 55-62.

26. Коптелов К.А. Альтернативные смесевые хладагенты. // Холодильный бизнес. 1999. - №5. - С. 6-7.

27. Патент №2088629 С1 РФ. Рабочая смесь для холодильных машин / В.Г.Барабанов, А.Ю.Беляев, С.Д.Егоров и др. // Б.И. 1997. - №24.

28. Беляев А.Ю., Егоров С.Д. Озонобезопасная смесь С1 — альтернатива хладагенту R12. // Холодильное дело. 1997. - № 6. - С. 11-13.

29. Патент №2072382 С1 РФ. Озонобезопасная рабочая смесь / О.Н.Подчерняев, А.И. Лунин, М.Ю.Боярский и др. // Б.И. 1997. - №3.

30. Патент №2073058 С1 РФ. Озонобезопасная рабочая смесь / О.Н.Подчерняев, А.И. Лунин, М.Ю .Боярский и др. // Б.И. 1997. - №4.

31. А.С. SU 1781279 А1. Рабочая смесь для холодильных машин / Е.Г.Савельев, А.А.Никонов, М.Ю.Боярский и др.// Б.И. 1992. - №46.

32. Патент №2119937 С1 РФ. Хладагентная композиция, способ охлаждения / Б.В.Юдин, Р.Стивенсон, М.Ю.Боярский и др. // Б.И. 1998. - №28.

33. Патент №2072486 С1 РФ. Рабочий агент для холодильной установки / А.М.Архаров, А.С.Нуждин, С.Д.Глухов и др. // Б.И. 1997. - № 1.

34. Патент №2057779 С1 РФ. Рабочая смесь для холодильных машин / И.М.Мазурин // Б.И. 1996. - №10.

35. Патент №2117025 С1 РФ. Композиция хладагента / В.Г.Барабанов,

36. A.Ю.Беляев, В.С.Зотиков и др. // Б.И. 1998. - №22.

37. Патент №2135541 С1 РФ. Композиция хладагента / В.Г.Барабанов,

38. B.С.Зотиков, Б.Н.Максимов и др. // Б.И. 1999. - №24.

39. Патент №2140431 С1 РФ. Композиция хладагента / В.Г.Барабанов, В.С.Зотиков, В.А.Сараев и др. // Б.И. 1999. - №30.

40. Патент №2161637 С2 РФ. Композиция хладагента (варианты) / В.М.Андрюшин, А.Ю.Беляев, В.С.Зотиков и др. // Б.И. 2001. - №1.

41. Патент №2177491 С2 РФ. Композиция хладагента для железнодорожного холодильного оборудования /С.Н Науменко, В.И.Панферов, А.Ю.Беляев и др. //Б.И. -2001. -№36.

42. Патент №2098441 С1 РФ. Композиция хладагента / В.Г.Барабанов,

43. A.Ю.Беляев, В.С.Зотиков и др. // Б.И. 1997. - №37.

44. Альтернативный хладагент С ЮМ для ретрофита холодильного оборудования, работающего на R12 / В.С.Зотиков, В.А.Сараев,

45. B.И.Самайленко и др. // Холодильная техника. 1999. - №2. - С. 6-7.

46. Букин В.Г., Кузьмин А.Ю. Экспериментальное исследование малых холодильных машин на смеси R22/R142b // Холодильная техника. 1996. - №5. - С.12-13.

47. Букин В.Г. Закономерности теплообмена при конденсации и кипении неазеотропных смесей холодильных агентов: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. СПб., 1998. — 35 с.

48. Букин В.Г., Шуршев В.Ф., Данилова Г.Н. Экспериментальное исследование теплообмена при кипении смеси R22/R142b в испарителе холодильной машины // Холодильная техника. №3. —1996. С.10-11.

49. Сопоставление энергетических и эксплуатационных характеристик холодильной машины МХВ-4-1-2, работающей на R12 и смеси R22/R142b / В.И.Соломин, В.А.Мельников, Ю.Н.Алексеев и др. // Холодильная техника. 1999. - №2.1. C.10-11.

50. Патент №2013431 С1 РФ. Композиция хладагента / Такемаса К. // Б.И. -1994.-№10.

51. А.С. SU 1022979 А1. Холодильный агент / Г.Э.Одишария, Н.И.Изотов, Ю.Г.Мутовин и др.// Б.И. — 1977. №22.

52. Патент №2022339 С1 РФ. Азеотропоподобная композиция / Ф.Л.Бартлетт, Дж.Э.Криззо, В.М.Феликс и др. // Б.И. 1994. - №9.

53. Патент №2090588 С1 РФ. Невоспламеняющаяся охлаждающая композиция для холодильных устройств / С.Ф.Пирсон // Б.И. 1997. -№26.

54. Патент №2092515 С1 РФ. Озонобезопасная рабочая смесь для холодильных машин / И.М.Мазурин, А.Я.Столяровский, А.С.Доронин и др.// Б.И.- 1997.-№28.

55. Патент №2095390 С1 РФ. Рабочая смесь для рефрижераторных систем и тепловых насосов / О.Н.Подчерняев, А.И. Лунин, М.Ю.Боярский и др.1. Б.И. 1997. - №31.

56. Патент №21409955 С1 РФ. Композиция,содержащая фторидоуглерод (варианты), способ применения хладагента / Дж.С.Нимиц, Л.Х.Лэнкфорд //Б.И.-1999.-№31.

57. Патент №2109789 С1 РФ. Рабочая смесь для рефрижераторных систем

58. О.Н.Подчерняев, А.И. Лунин, М.Ю.Боярский и др. // Б.И. 1998. - №12.

59. Патент №2121488 С1 РФ. Бинарная композиция / В.Ф.Антипенок, Н.С.Верещагина, А.Н.Голубев и др. // Б.И. —1997. №4.

60. Патент №2182819 С2 РФ. Бинарная композиция хладагента /

61. В.Ф.Антипенок, Н.С.Верещагина, А.Н.Голубев и др. // Б.И. — 2002. №15.

62. Патент №2184133 С2 РФ. Композиция хладагента / В.В.Азатян, О.В.Васина, И.А.Болодьян и др. // Б.И. 2002. - №18.

63. Патент №2024569 С1 РФ Холодильный агент / Н.Д.Захаров, Н.Н.Сурьянинова // Б.И. 1994. - №23.

64. Бабакин Б.С., Выгодин В.А. Бытовые холодильники и морозильники/ 2-е изд., испр. и доп. М.: Колос, 2000. - 656 с.

65. Цветков О.Б. Природные холодильные агенты — углеводороды // Холодильная техника. 2002. - №7. - С. 10-13.

66. Железный В.П., Хлиева О.Я., Быковец Н.П. Перспективы ипроблемы применения углеводородов в качестве хладагентов // Холодильная техника. 2002. - №7. - С. 14-16.

67. Granryd Е. Hydrocarbons as refrigerant an overview // Int. J. Refrig. - 2001. - Vol. 24. - P. 103-112.

68. Steimle F. HCFS's and HFC's Perspective // Proc. IIR Conference «Refrigerant Management and Destruction Technologies of CFC». -Dubrovnik (Croatia). 2001. - 254 p.

69. Hammad M.A., Fssad Ma. The use of hydrocarbon mixtures as refrigerant in domestic refrigerators // Appl. Therm. Eng. 1999. - Vol. 19. - P. 1181-1189.

70. Akash B.A., Said S.A. Assessment of LPG as a possible alternative to R12 in domestic refrigerators // Energy Conv. Manag. 2003. - Vol. 44.1. P. 381-388.

71. Tashtoush В., Tanat M. and Shudeifat M.A. Experimental study of new refrigerant mixtures to replace R12 in domestic refrigerators // Appl. Therm. Eng. 2002. - Vol. 22. - P. 495-506.

72. Jung D., Kim C.B., Song K., Park B. Testing of propane/isobutane mixtures domestic refrigerators // Int. J. Refrig. 2000. - Vol. 23. - P. 517-527.

73. Железный В.П., Хлиева О.Я., Быковец Н.П. Оценка перспектив применения изобутана в бытовой холодильной технике с помощью эколого-термоэкономического метода

74. Холодильная техника. 2001. - №9. - С. 11-13.

75. Осипов С. Дави на газ // ТверскаяДЗ. 31.01.2002. - №10. - С.4.

76. Постановление правительства Москвы №170-1111 «О городской программе использования альтернативных видов моторного топлива на автомобильном транспорте на 2002-2004 г» от 12.03.2002г.

77. Богданов С.Н., Иванов О.П., Куприянова А.В. Холодильная техника. Свойства веществ: Справочник. — JL: Машиностроение, 1978.-167 с.

78. Лавренченко Г.К. Формирование эффективныхмногокомпонентных рабочих тел и создание на их основе компрессионных дроссельных систем охлаждения //Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. ОГАХ. — Одесса, 1985.

79. Whipple G.H. Vapor-Liquid Equilibria of Some Fluorinated Hydrocarbon Systems // Industrial and engineering chemistry. — 1952. — Vol. 44 (7).-P. 1664-1667.

80. Нуждин А.С.,Ужанский B.C. Измерения в холодильной технике. -М.: Агропромиздат, 1986г. 368 с.

81. Коптелов К.А. Расчет количества заправляемого хладагента и объема ресивера для холодильных установок // Холодильный бизнес. 2002. - №2. - С.20-23.

82. ГОСТ 16317 87. Приборы холодильные электрические бытовые: Общие технические условия. — Введен с 01.07.88. — 4-е изд. - М.: Изд-во стандартов, 1999. - 21 с.

83. Вейнберг Б.С., Вайн JI.H. Бытовые компрессионные холодильники. М.: Пищевая промышленность, 1974. - 272 с.

84. Холодильные компрессоры / А.В.Быков, Э.М. Бежанишвили, И.М. Калнинь и др. Под ред. А.В.Быкова М.: Колос, 1992. -304 с.