автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Применение диметилового эфира в качестве рабочего тела холодильных установок дизельных авторефрижераторов

ВВЕДЕНИЕ-АННОТАЦИЯ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. История диметилового эфира как хладагента.

1.2. Термодинамические характеристики.

1.2.1. Давление насыщения пара и жидкости, удельный объем пара, плотность жидкости на линии насыщения.

1.2.2. Скрытая теплота испарения.

1.2.3. Теплоемкость.

1.2.4. Энтальпия.

1.2.5. Энтропия.

1.3. Переносные свойства.

1.3.1. Теплопроводность.

1.3.2. Динамическая вязкость.

1.3.3. Поверхностное натяжение.

1.4. Эксплуатационные свойства.

1.4.1. Растворимость в масле.

1.4.2. Применение как компонента холодильного агента-смеси (R723).

1.4.3. Экологические характеристики и пожароопасность.

1.4.4. Токсичность.

1.4.5. Совместимость с материалами.

1.4.6. Термическая стабильность.

1.4.7. Электрические свойства.

1.4.8. Методы синтеза и промышленное производство.

1.4.9. Технические требования к готовому продукту.

1.4.10. Транспортирование и хранение.

1.4.11. Другие области применения.

1.5. Конструктивные характеристики.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДМЭ.

2.1. Термодинамические свойства.

2.1.1. Давление насыщения пара и жидкости.

2.1.2. Удельный объем пара.

2.1.3. Плотность жидкости.

2.1.4. Скрытая теплота испарения.

2.1.5. Теплоемкость газа.

2.1.6. Энтальпия.

2.1.7. Энтропия.

2.1.8. Построение диаграммы "InP -1" для ДМЭ.

2.1.9. Нахождение коэффициентов а и Ъ для уравнения Редлиха-Квонга.

2.2. Расчет холодильных циклов на ДМЭ, и сравнение их с циклом на R12.

2.3. Оценка эффективности регенерации теплоты.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

3.1. Описание лабораторного стенда-калориметра.

3.2. Порядок проведения испытаний и методика обработки результатов.

3.3. Анализ полученных экспериментальных данных холодильного цикла на ДМЭ.

3.4. Экспериментальная проверка растворимости ДМЭ в минеральном масле.

3.5. Оценка погрешности экспериментальных данных.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ И ОБОБЩЕНИЕ ИМЕЮЩИХСЯ ДАННЫХ О

ПЕРЕНОСНЫХ СВОЙСТВАХ ДМЭ.

4.1. Динамическая вязкость газа ДМЭ.

4.2. Динамическая вязкость жидкости ДМЭ.

4.3. Кинематическая вязкость газа ДМЭ.

4.4. Кинематическая вязкость жидкости ДМЭ.

4.5. Теплопроводность газа ДМЭ.

4.6. Теплопроводность жидкости ДМЭ.

4.7. Поверхностное натяжение.

4.8. Работа теплообменных аппаратов на ДМЭ и R-12.

4.8.1. Поверхность теплообмена конденсатора.

4.8.2. Поверхность теплообмена воздухоохладителя.

4.8.3. Гидравлическое сопротивление.

ВЫВОДЫ

Актуальной задачей, стоящей перед холодильной техникой всего мира, является поиск замены хладагентам хлорфторсодержащего класса для использования в холодильных установках, в том числе и транспортных. К этой замене обязывают условия Монреальского протокола и других международных соглашений. Другой, не менее важной задачей является снижение токсичности выбросов двигателей транспорта и энергетических установок, поиск альтернативных видов топлив для двигателей внутреннего сгорания - дизелей. При этом был проявлен интерес к диметиловому эфиру (ДМЭ).

В данном случае ДМЭ может быть применен одновременно в качестве топлива и хладона. Это обстоятельство позволяет получить хладоресурс ДМЭ и снизить эксплуатационные расходы путем полного отказа от заправки фреонами холодильной машины авторефрижератора.

Испытания ДМЭ в качестве альтернативного топлива для дизельных двигателей за границей и нашей стране показывают, что использование ДМЭ открывает новые возможности: повышение термического КПД, сверхчистый выхлоп отработавших газов и снижение шумности двигателя [11] (Международная научно-техническая конференция «Двигатель-97», Москва, 1997 г.). Выброс окислов азота и альдегидов - ниже норм EURO-3, шумность снижается на 15 дБ(А), цетановое число - более 55, повышенное содержание кислорода (химическая формула ДМЭ - СН3ОСН3) позволяет получить выхлоп без сажи при сгорании. Стоимость получения в промышленных масштабах ДМЭ из метана несколько выше, чем дизельного топлива, но ниже, чем бензинового топлива (при существующей цене на нефть). Низкий уровень токсичности отработавших газов не требует нейтрализации выхлопа.

ДМЭ в качестве хладагента имеет ряд положительных качеств. Он практически эквивалентный заменитель хладона R-12. ДМЭ имеет низкую температуру кипения при атмосферном давлении (-24,8 °С), т.е. близка к R-12 (-29.74°С), хранится и транспортируется также, как сжиженный нефтяной газ пропан-бутановая смесь), под давлением 0,5.0,7 МПа при температуре окружающей среды. Как хладагент ДМЭ известен с XIX века, но был вытеснен появившимся аммиаком. Удельная скрытая теплота испарения (массовая) у ДМЭ в 3 раза больше по сравнению с хладоном R12, и в 2 раза больше по сравнению с R22 и имеет величину, как у пропан-бутановой смеси (г = 450 кДж/кг). Объемная холодопроизводительность ДМЭ приблизительно совпадает с данной величиной R12, поскольку плотность пара ДМЭ приблизительно в 3 раза меньше плотности пара R12. Стоимость ДМЭ - ниже ХФУ уже сейчас. Недостаток - горючесть - не столь существенен, если ДМЭ используется как топливо и залит в баке. По имеющимся многочисленным данным ДМЭ не токсичен.

ДМЭ в настоящее время широко используется как пропеллент. Для его применения как топлива должны быть созданы технологии массового производства на существующей производственной базе. В нашей стране и за рубежом ведутся интенсивные работы в этом направлении, и задача вскоре будет решена. По последним данным японская корпорация "Нихон КоКан" предлагает начать строительство в 2002 году первой очереди завода по производству ДМЭ производительностью 1500 т в сутки в Углегорском или Александровск-Сахалинском районе. Возможности производства ДМЭ на НАК «Азот» в г. Новомосковске составляют на сегодняшний день 4000 ч- 10000 т/год. Для сравнения - объем производства R-12 в период его массового потребления (в середине 70-х годов) достиг 340 тыс. тонн в год, из которых 27 тыс. тонн предназначалось для холодильных систем. Новая технология одноступенчатого синтеза ДМЭ разработана в РФ профессором Розовским А. Я. (в НИИ НХС АН РФ). Особенно важен переход на ДМЭ в городах, в том числе в г. Москве.

Кафедра Э-4 МГТУ им. Баумана имеет опыт создания холодильных установок для авторефрижераторов, в которых используется хладоресурс моторного топлива (пропан-бутановой смеси), т.е. топливо используется как хладагент в холодильной установке изотермического кузова автомобиля-авторефрижератора.

Целью настоящей работы является исследование ДМЭ как холодильного агента для дизельного авторефрижератора, использующего диметиловый эфир в качестве топлива.

Наиболее важные результаты, полученные в работе:

1) Исследованы термодинамические свойства ДМЭ и построена диаграмма p-i для расчетов холодильных циклов для холодильных машин с воздушным конденсатором;

2) Проанализированы и обобщены переносные свойства ДМЭ, позволяющие проводить технические расчеты, в том числе машин и аппаратов холодильных машин;

3) Экспериментально исследован вопрос растворимости ДМЭ в холодильном минеральном масле ХФ-12-16;

4) Экспериментально исследована работа ДМЭ в холодильной машине при температурах охлаждения t0 = - 25.5°С и температурах конденсации tK = 25. .55 °С, а также влияние рекуперации теплоты в холодильном цикле.