Tewi analysis of compressor units when operating with traditional and alternative refrigerants

Full Text

Перед разработчиками холодильных машин и установок стоят достаточно сложные энергоэкологические задачи одновременного повышения их энергетической эффективности и снижения негативного воздействия применяемых хладагентов, хладоносителей и вспенивающих веществ на ход глобальных процессов. При решении таких задач целесообразно использовать в качестве критерия значение полного эквивалента глобального потепления TEWI (Total Equivalent Global Warming Impact) |9-10, 13].

 

Рис. 1. Коэффициент подачи λ = f(π) компрессора П110 при работе на R22 и R717

 

В данной работе для оценки энерго-экологической эффективности компрессорного агрегата, работающего на различных хладагентах, применяется расширенная трактовка критерия TEWI, учитывающего энергетические, экологические и эксплуатационные затраты при производстве и использовании холодильного оборудования [4, 14]. Причем принимается во внимание и прямой вклад в TEWI хладагента от его эмиссии, и косвенный от энергетических за грат на эксплуатацию, создание оборудования и обеспечение мер пожаробезопасности:

TEWI_V= GWPLτ+ GWP m(1-a) + GWP M+βEt +$\sum _{i=1}^n\beta E_i$ ,                                                 (1)

 

где GWP- соответственно потенциалы глобального потепления хладагента и вспенивающего агента теплоизоляции; L — утечка хладагента, кг/год; т — время эксплуатации оборудования, годы; m - масса хладагента в единице продукции, кг; α— доля утилизированного хладагента; М — масса хладагента для вспенивания теплоизоляции, кг; [3 — эмиссия СО, при производстве 1 кВт ч электроэнергии, кг СО,/(кВт-ч); Е — годовые затраты электроэнергии па эксплуатацию оборудования, кВт ч/год; E_i - затраты на создание оборудования и обеспечение мер пожаробезопасности, кВт ч.

Для сравнения энерго-экологических характеристик как в рамках моделей термодинамических циклов, так и в приложении к реальным системам охлаждения по мере усложнения их технической реализации (компрессорныйагрегат→ компрессорно-конденсаторный агрегат→ холодильная машина → холодильная установка) удобнее пользоваться не абсолютными значениями TEWI а их удельными величинами, предложенными в работе [4] в следующем виде:

TEWI _N=TEWl_N /TEWI _E;                                                (2)

TEWI=TEWI_N/(Q_oβℑ),           (3)

гдеTEWI_E=βEℑ + $\sum _{i=1}^n\beta E_i$ вклад в TEWI  N от энергетических затpaт на создание оборудования и его эксплуатацию; Q₀ - холодопроизводительность, кВт.

Цель настоящей работы — изучение в рамках TEW1-анализа энерго-экологических показателей компрессорного агрегата при его работе па хладагентах R717 и R22, а также в случае перевода его на альтернативные рабочие тела. В качестве последних как ретрофита R22 выбраны R407C, R410An R410B.

В табл.1 подобно тому, как это сделано в работах [2, 5], приводятся в сравнении основные характеристики перечисленных рабочих веществ компрессорных агрегатов.

Из табл. 1 видно, что оценки по ряду критериев (1-6) носят качественный характер и в некотором роде даже субъективны. Что же касается значений ODP и GWP, то и на их основе нельзя сделать окончательный вывод об энерго экологической экспертизы конкретного хладагента. Обоснованное заключение относительно пригодности того или иного хладагента как рабочею тела компрессорного агрегата можно сделать только в рамках TEWI-анализа.

 

Таблица 1 экологической эффективности

№ п/ п	Критерий	Xладагент
		Аммиак R717	R22	R407C ( R32/R125/R 134а)1	R410A (R32/R125)2)	R410B (R32/R125)3)
1	Изученность	*****	****	**	**	**
2	Токсичность	*	***	***	***	***
3	Пожаробезопасность	**	****	****	**	**
4	Легкость обнаружения	*****	*****	*****	*****	*****
5	Стоимость обслуживания	****	****	***	***	***
6	Стоимость хладагента	*****	***	*	*	*
7	Потенциал ОDP4’	0	0,05	0	0	0
8	Потенциал G W Рь)	≈0	1600	1600	1890	2000
Примечание. Оценки: ***** - отлично;**** - хорошо;*** - удовлетворительно;** - плохо; * - очень плохо. 1)Массовый состав, %: 23/ 25/ 52.2)Массовый состав, %: 50/ 50.3)Массовый состав, %: 45/ 55. 4)Значения потенциала разрушения озонового слоя ODP относительно R11. 5)GWP 100 лет.

 

В качестве объекта исследований были выбраны компрессорные агрегаты A 110-7-2 (аммиачный) и А110-2-2 (для R22), которые комплектуются одним и тем же не прямоточным сальниковым четырехцилиндровым компрессором П 110 с V-образным расположением цилиндров. В аммиачный компрессорный агрегат входит маслоотделитель с маслоперепускным устройством, обеспечивающим авто- магический возврат масла в картер компрессора.

 

Рис. 2. Зависимость электрического КПД ηel от π компрессора П 110 при работе на R22 и R717

 

Для компрессорных агрегатов имеются зависимости холодопроизводительности Q_О, потребляемой электрической мощности N _el от температуры кипения хладагента t ₀ при варьировании температур конденсации t _k [8]. Данные экспериментов при работе агрегата на R717 и R22 использовались для установления зависимостей: коэффициента подачи агрегата λ(π) = Vr/Vh;

электрического КПД η_el (π) = Af,

где π = p_k/p₀ — степень повышения давления; V r, V_h — часовые действительная и теоретическая производительности компрессора, м³/ ч; р_k? p₀ - давления конденсации и кипения соответствующего хладагента, МПа;

Ns =λ(V_h/V₁)l_s   - мощность адиабатного сжатия, кВт; V1 — удельный объем хладагента на всасывании в компрессор, м3/кг; l_s — удельная адиабатная работа, кДж/кг.

Полученные в результате обработки экспериментальных данных функции λ(π) и η_el представлены на рис. 1 и 2. Для описания указанных зависимостей полиномом принимали во внимание термодинамически обоснованное поведение функций λ(π) и η_el(π) в некоторых точках кривых. Из характера изменения функций λ(π) и следует, что, во-первых, при →1 значение λ→λ_mах, а согласно выражению (4) η_el →0, так как l→0; во-вторых, при π→π_mах значение λ→0, а поэтому в соответствии с выражением (4) и η_el→0. Это подтверждают графические зависимости (см. рис. 1, 2). Значение λ(π) в диапазоне 1<π<π_mах монотонно убывает с ростом π, a имеет в этом диапазоне экстремум, так как па отрезке [0,π_mах ] дважды обращается в нуль. Значения λ_mах для условий работы компрессорного агрегата на R717 и R22 определяли экстраполяцией графиков  λ(π) и η_el  для компрессора П110, содержащихся в работе [7].

В итоге с учетом вышесказанного зависимости коэффициента подачи и электрическою КПД от степени повышения давления л описаны в виде следующих полиномов:

для R717:

λ(π) = —0,410+1,434ехр(—π/24,29);                  (5)

η_el(π) = 0,856 - 1,876- 10-⁵ π^2,5 - 0,0404 π-⁵In (π) - 2,327е^-π;                                       (6)

для R22:

λ(π) = 0,942 - 0,0398π-^0,5In ^(π) ;                (7)

η_el(π) = 1,062 — 0,0256π - 6,582π^-1,5 +

+ 3,1706π^-2In (π) + 5,544π^-2.                                       (8)

Из сравнения функций λ(π) и η_el(π)  для R717 и R22 следует, что их значения существенно различаются с ростом л, т.е. на объемные и энергетические характеристики компрессорных агрегатов А110- 7-2 и А110-2-2, несмотря на использование одного и того же компрессора П110, влияет род рабочего тела. В связи с этим не удалось получить обобщенные функции λ(π) и η_el(π) , описывающие характеристики агрегата при работе на различных хладагентах.

Анализ показал, что дня прогнозирования реальных объемных и энергетических характеристик компрессорного агрегата при использовании в нем альтернативных хладагентов R407C, R410A и R410B за основу следует брать зависимости λ(π) и η_el(π) для R22 как для вещества, близкого этим хладагентам по термодинамическим свойствам. В качестве источника предварительной информации по термодинамическим свойствам альтернативных хладагентов применяли данные фирмы «Дюпон», а более точные данные из работы |3] использовали для окончательного описания параметров термодинамических циклов на R407C, R4I0A и R410B.

При расчетах параметров циклов на неазеотропных смесях R407C, R410A и R410B в связи с наличием у них неизотермичности при фазовых переходах поступали следующим образом: температуры точек кипения, т.е. низшие температуры на изобарах р отождествляли с температурами отвода теплоты термодинамического цикла; температуры точек росы, т.е. верхние температуры на изобарах р₀, считали температурами подвода теплоты термодинамического цикла холодильной машины. Таким образом, указанным смесям в отличие от R717 и R22 при наличии изотермических верхнего и нижнего источников теплоты свойственна потеря от необратимости в процессах их конденсации и кипения.

 

Таблица 2

№ п/ п	Показатель	Энерго-экологические характеристики агрегатов на базе компрессора П 110 при использовании различных хладагентов (tK = 30 °C и t0 = -15°С)
		R717	R22	R407C	R410A	R410B
1	t НАГ ⸰С	110,0	81,6	100,7	107,5	104,5
2	Рк, кП а	1169,0	1190,8	1248,3	1885,0	1877,9
3	р0, кП а	236,4	296,6	284,5	483,0	479,9
4	G= λ (Vn/v1) (кг/с)	0,124	0,773	0,716	1,164	1.072
5	Qo, кВт	138,6	130,0	123,9	210,3	190,0
6	N, кВт	44,3	42,1	56,7	102,0	93,1
7	ε	3,13	3,09	2,18	2,06	2,04
8	TEWIN10~4, кгСО2	272,8	274,5	364,5	650,8	597,7
9	(TEW IN + 2%) 10-4, кгСО2	272,8	278,1	367,7	655,7	602,9
10	(TEW IN+5%) 10-4, кгСО2	272,8	282,9	372,51	663,1	610,7
11	(TEWIn+10%)10-4, кгСО2	272,8	290,9	380,5	675,4	623,7
12	TEWIN	1,0	1,062	1,046	1,039	1,046
13	TEW I N+2%	1,0	1,074	1,055	1,047	1,055
14	TEW I N + 5%	1,0	1,093	1,069	1,059	1,068
15	TEW IN+10%	1,0	1,124	1,092	1,078	1,091
16	TEW 1+2%	0,321	0,349	0,484	0,508	0,517
17	TEW 1 + 5%	0,321	0,355	0,490	0,514	0,524
18	TEW 1 + 10%	0,321	0,365	0,501	0,524	0,535

На рис. 3 представлены гистограммы TEW1 для трех режимов работы компрессорного агрегата, использующего в качестве хладагентов R717, R22. R407C, R4I0A и R4I0B. Из сравнения значений TEWI следует, что наилучшие энерго-экологические характеристики имеет R7I7 как рабочее вещество компрессорного агрегата А110-7-2.
Ему несколько уступает R22 при его использовании в агрегате А110- 2-2, причем с понижением Го при неизменном /к различие в TEWI уменьшается. Это обусловлено тем, что с ростом я снижаются объемные и энергетические потери в компрессорном агрегате при работе на R22 по сравнению с R717 (см. рис. 1 и 2). При переводекомпрессорного агрегата Al 10-2-2 на хладагенты R407C, R410A и R4I0B можно ожидать ухудшения его энерго-экологической эффективности. Поэтому нецелесообразно данные альтернативные хладагенты использовать в существующих агрегатах на базе компрессора П110.

Расчетные исследования, базирующиеся на данных об экспериментальных характеристиках агрегатов на основе одного того же компрессора П110, позволяют сделать следующие выводы:

• критерий TEWI в виде выражения (1) дает возможность одновременно учитывать энергетические и экологические характеристики компрессорного агрегата при работе как на традиционно используемых хладагентах (R717, R22).
• при невысоких значениях GWPa, для сравниваемых хладагентов в величине TF.WI Vглавную роль играет энергетическая составляющая производства холода. Это особенно ярко проявляется в приложении к аммиаку. Поэтому важны целенаправленные меры по повышению эффективности аммиачных холодильных машин наряду с уменьшением их массовой заправки и снижением пожароопасности [5];
• в связи с тем что альтернатинные хладагенты R407C, R410A и R410B во всевозрастающих объемах будут использоваться для замены R22 [6], необходима разработка специальных компрессоров с уменьшенными объемными и энергетическими потерями при работе именно на этих хладагентах. При создании холодильных машин и установок следует стремиться максимально использовать некоторые благоприятные свойства данных хладагентов, такие как более высокая холодопроизводительность компрессорного агрегата, высокие коэффициенты теплоотдачи, что особенно свойственно хладагентам R410A и R410B.
  

  Перед разработчиками холодильных машин и установок стоят достаточно сложные энергоэкологические задачи одновременного повышения их энергетической эффективности и снижения негативного воздействия применяемых хладагентов, хладоносителей и вспенивающих веществ на ход глобальных процессов. При решении таких задач целесообразно использовать в качестве критерия значение полного эквивалента глобального потепления TEWI (Total Equivalent Global Warming Impact) |9-10, 13].

Таблица 3

Составляющие TEWI+10%	Относительные значения составляющих TEW I для компрессорного агрегата при его работе на различных хладагентах, % общего значения
	R717	R22	R407C	R410A	R410B
GWPR Lτ	0	5,5	4,2	3,6	4,2
GWPRm(1- a)	0	5,5	4,2	3,6	4,2
BEt	99,6	88,7	91,4	92,6	91,5
∑	0,4	0,3	0,2	0,2	0,1

 

Результаты расчетов абсолютных величин TEWI и их относительных значений согласно выражениям (Г)—(3) сведены в табл. 2.

В последнее слагаемое в выражении (1) входят значения Е как затраты на создание оборудования и обеспечение мер пожаробезопасности. Значение Е. для компрессорного агрегата известной конструкции рассчитывали с использованием рекомендаций, содержащихся в работах [I, 14]. Для определения Е применяли значения энергоемкостей единицы материалов, из которых изготовлены компрессор со всасывающим и нагнетательным вентилями, муфта, электромотор, маслоотделитель (только для R717) и рама агрегата.

Кроме того, при расчетах абсолютных и удельных значений TEWI вводили дополнительные затраты энергии на обеспечение мер пожаробезопасности. Нами принимались во внимание рекомендации [12], согласно которым обеспечение условий пожаробезопасной эксплуатации оборудования приводит к его удорожанию на 30 %. Поэтому последнее слагаемое при TEWI-анализе аммиачного компрессорного агрегата увеличивалось окончательно в 1,3 раза.

Из анализа табл. 3 следует, что наибольший вклад в величину TEWI обусловлен затратами электроэнергии на производство холода. Поэтому повышение эффективности реального цикла холодильной машины, характеризуемой при определенных Г и величиной электрического холодильного коэффициента е _г является одной из важнейших задач в решении энерго-экологических проблем.

 

Рис 3. Значения TEWI для компрессорных агрегатов при работе на R717, R22, R407C, R410A, R410B при температуре конденсации tK -3 0 °C и различных температурах кипения

About the authors

G. K. Lavrenchenko

Odessa State Academy of Refrigeration

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com

Dr. tech. sciences, prof., acad. MAX

Russian Federation

I. V. Volobuev

Odessa State Academy of Refrigeration

Email: info@eco-vector.com

Ph.D. Sciences

Russian Federation

P. V. Zhelezny

Odessa State Academy of Refrigeration

Email: info@eco-vector.com

Ph.D. Sciences

Russian Federation

O. V. Lysenko

Odessa State Academy of Refrigeration

Email: info@eco-vector.com

Ph.D. Sciences

Russian Federation

References

Supplementary files