A mixture of carbon dioxide and dimethyl ether as a refrigerant for ground air conditioning system

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Выбор хладагентов для современных систем кондиционирования воздуха (СКВ) наземных объектов представляет собой многопрофильную задачу. В частности, необходимо обеспечить требуемую энергоэффективность холодильного цикла, экологическую безопасность производства, эксплуатации и утилизации холодильной установки. При этом важную роль играют уровни рабочих давлений в цикле, которые влияют на доступность, стоимость и безопасность холодильного оборудования. Важной также является и пожарная безопасность рабочего вещества.

Начиная с 1970-х годов с целью минимизации вредного воздействия на окружающую среду стали вводиться ограничения на использование определенных групп хладагентов, таких, как хлорфторуглероды (ХФУ), разрушающие озоновый слой [1], доказательство чему было обнаружено в 1987 [2]. Последствия разрушения озонового слоя описаны в [3] и [4]. Поворотными моментами, повлекшими к кардинальному изменению динамики используемых веществ, стали Монреальский ([5], [6]) и Киотский ([7], [8]) протоколы, закрепившие экологичность вещества как весомый критерий при его выборе.

Экологичность хладагента оценивается по двум параметрам — потенциалу истощения озонового слоя (ODP) и потенциалу глобального потепления (GWP). Первый — показывает насколько вещество опасно для озонового слоя, второй — насколько данное рабочее вещество может способствовать процессу глобального потепления климата. За единицу потенциала истощения озонового слоя принят коэффициент хладагента R11. За единицу потенциала глобального потепления принят коэффициент диоксида углерода.

Наибольшее распространение в настоящее время имеют СКВ с парокомпрессионными холодильными циклами. До недавнего времени в парокомпрессионных установках кондиционирования воздуха ХФУ были основным рабочим телом. ХФУ получаются из углеводородов посредством замещения атомов водорода атомами хлора и фтора. Согласно положениям Монреальского протокола [9], принятого в 1987 году, использование таких хладонов было прекращено в большинстве стран, а с 2013 года в Российскую Федерацию запрещен ввоз озоноразрушающих веществ и содержащей их продукции. Результаты влияния человечества на парниковый эффект, в том числе, в силу использования неэкологичных хладонов в течение 20-го века, представлены в [10]. Следует отметить, что с каждым новым улучшением в методологии [10] прогнозы норвежских и американских ученых становятся все более мрачными.

С учетом вышесказанного, наиболее оптимальной заменой ХФУ в СКВ являются природные хладагенты. К их числу можно отнести воздух, воду, аммиак, пропан, изобутан, диоксид углерода, дметиловый эфир (ДМЭ) и др. Одним из примечательных хладонов с точки зрения экологичности является R1234yf. Однако, в рамках данной работы он не будет рассматриваться в силу его высокой стоимости и отсутствия производства данного хладона в России.

Вызывает особый интерес диоксид углерода, поскольку он озонобезопасен, имеет единичный потенциал глобального потепления, пожаробезопасен, в малых концентрациях нетоксичен, экологичен. Однако, среди его особенностей наблюдается более высокий уровень рабочих давлений по сравнению с традиционными хладагентами (от 40 до 140 бар, вместо 6–26 бар для традиционного озонобезопасного хладагента R407C), более высокая тройная точка (-56,6 °С) и более низкая критическая точка (31,06 °С). На практике, тройная точка связана с выпадением сухого льда, что следует учитывать при эксплуатации системы в регионах с пониженной температурой окружающей среды.

При равных условиях, диоксид углерода несколько проигрывает пропану и аммиаку [11].

Использование диоксида углерода в СКВ в условиях умеренного или более жаркого климата возможно только в транскритических циклах [12], в которых и наблюдаются повышенные давления.

Для снижения рабочих давлений в цикле СКВ при использовании СО₂ возможно применение не чистого СО₂, а его смеси с веществом, имеющим в тех же условиях значительно меньшие давления. Одним из таких веществ является ДМЭ, исследованием которого довольно долго занималась кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ имени  Н.Э. Баумана [13].

Диметиловый эфир — сопродукт производства этилового спирта, стоит меньше бензина, экологически безопасен и эффективен. С точки зрения экологии также нужно отметить, что диметиловый эфир можно получить гидрогенизацией из диоксида углерода [14], что вносит дальнейший вклад в борьбу человечества с парниковыми газами. Обычно, диметиловый эфир хранится в жидком виде, и может быть альтернативой существующим топливам как сам по себе [15, 16], так и в составе смеси [17]; например, при использовании в дизельных двигателях они производят меньше шума [18], и сами двигатели при переходе на диметиловый эфир изменять не обязательно [19]. Однако, он среднетоксичен и горюч.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Целью исследования является изучение смеси диметилового эфира и диоксида углерода на предмет возможности энергоэффективного и безопасного применения в СКВ. У диметилового эфира и диоксида углерода имеются недостатки, которые препятствуют их практическому применению в полной мере. Горючие вещества, такие как диметиловый эфир использовать небезопасно, особенно это касается кондиционеров большой мощности. В свою очередь, диоксид углерода при его использовании в парокомпрессионных циклах для СКВ будет иметь более высокий диапазон давлений по сравнению с традиционными хладагентами (от 40 до 140 бар), что требует более прочного и дорогостоящего оборудования, чем при использовании традиционных хладагентов, таких как R410A.

Предполагается, что можно составить такую смесь диметилового эфира и диоксида углерода, которая будет одновременно негорючей или горючей в разрешенных пределах и, в то же время, будет иметь ощутимо более низкие уровни давления, в идеальном случае равные давлениям в системах с R410A, что позволит использовать массово производимое холодильное оборудование для R410A (главным образом компрессоры).

Первая задача, которая была поставлена — подбор концентрации компонентов смеси на основании критериев пожарной безопасности. Предварительный расчет показал, что при концентрации диметилового эфира, превышающей 8,3% от смеси, смесь становится горючей, поэтому сравнение с уже используемыми веществами R22 и R410A будет проведено для концентраций диметилового эфира от 4 до 8%.

Конечная задача настоящей работы — сравнение холодопроизводительности данных веществ в рамках простого парокомпрессионного цикла (рис. 1), что позволит сделать вывод о том, возможно ли использование уже производимых серийно компрессоров для данной смеси.

 

Рис. 1. Схема простого парокомпрессионного цикла. Км — компрессор, К — конденсатор, ТРВ — дроссель (терморегулирующий вентиль), И — испаритель.

Fig. 1. Schematic of a simple vapor–compression cycle. Km — compressor, K — condenser, ТРВ — thermostatic control valve (throttle), and И — evaporator.

 

Таблица 1. Сравнительная таблица свойств хладагентов

Table 1. Comparative table of refrigerant properties

Вещество	ODP	GWP	Доп. концентрация, ppm
R22	0,05	1810	1000
R410A	0	2088	1000
R744 (СО2)	0	1	1400
R-E710 (ДМЭ)	0	0,3	1000

 

МЕТОДЫ

Простой парокомпрессионный цикл был рассмотрен в рамках работ [20] и [21]. Сравнительная таблица свойств используемых в рамках работы хладагентов представлена в таблице 1.

Исходные данные: требуемая холодопроизводительность, объемный или массовый расход воздуха на входе в испаритель, температура и относительная влажность воздуха на входе в испаритель и температура воздуха на выходе из испарителя, температура охлаждающего воздуха на входе в конденсатор, барометрическое давление. Первоначально задается недорекуперация в теплообменниках — конденсаторе и испарителе, исходя из чего, определяется температура конденсации хладагента.

Для расчета могут использоваться расчетные пакеты Mathcad, HYSYS, CoolPack и REFPROP.

Алгоритм расчета:

1. Определяются координаты точки 1 — всасывание в компрессор, перегрев отсутствует, точка находится на линии насыщенного пара.
2. Определяются координаты точки 2 — нагнетание из компрессора, изоэнтропное сжатие (принято для проведения сравнительной оценки); соответствует энтропии точки 1 и давлению при температуре конденсации хладагента.
3. Определяются координаты точки 3 — при температуре конденсации хладагента она находится на линии насыщенной жидкости.
4. Определяются координаты точки 4 — соответствует выходу из дросселя (ТРВ), следовательно, энтальпии точки 3 и температуре точки 1.
5. Определяется теплоемкость воздуха при нормальном давлении и средней температуре воздуха в испарителе.
6. Определяется требуемый массовый расход хладагента по соотношению:

$G_{хладона}=\frac{G_{возд}\cdot {с}_{p.возд}\cdot (T_{вход.и}-T_{выход.и})}{h_1-h_4}$                                         (1)

где G_возд — массовый расход воздуха; с_р.возд — теплоемкость воздуха, найденная в 5); T_вход.и , Т_{выход.и} — температура на входе и выходе из испарителя; h₁, h₄ — энтальпии точек, соответствующих всасыванию в компрессор и выходу из дросселя.

7. Определяется работа изоэнтропного сжатия в компрессоре:

1_км = h₂ – h₁                                                                                                              (2)

где h₂ — точка, соответствующая концу процесса сжатия;

8. Определяется холодильный коэффициент:

${\epsilon }_X=\frac{Q_{х}}{N_{км}}$                                                                                       (3)

где Q_x — требуемая холодопроизводительность; N_км— мощность компрессора, затрачиваемая при изоэнтропном сжатии.

В рамках данной работы приняты следующие исходные данные: температуру кипения хладагента 7 °С, перегрев хладагента в испарителе 10 °С, температура воздуха окружающей среды 35 °С, следовательно, для субкритических циклов температура конденсации 50 °С, а переохлаждение 5 °С, а для транскритических циклов — температура хладагента на выходе из газоохладителя 45 °С.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Предложена экологичная смесь диметилового эфира и диоксида углерода с малым GWP и нулевым ODP.

Результаты расчетов простых парокомпрессионных циклов на выбранных для сравнения хладагентах представлены в таблице 2.

 

Таблица 2. Зависимость холодильного коэффициента в цикле в зависимости от вещества

Table 2. Dependence of the refrigeration coefficient on the cycle and substance

Состав смеси	Процентное соотношение	Уровень давлений кипения-конденсации, бар
R22	100	6–19	5,08
R410A	100	10–30	4,52
R744; R-E710	96; 4	39–105	2,53
R744; R-E710	95; 5	38–104	2,65
R744; R-E710	94; 6	38–103	2,74
R744; R-E710	93; 7	38–102	2,82
R744; R-E710	92; 8	37–101	2,88
R-E710	100	3–11	5,38

 

Увеличение процентного содержания диметилового эфира в смеси уменьшает температурный глайд в газоохладителе, являющийся свойством СО₂, а также уменьшает давления, при которых работает смесь. В связи с горючестью диметилового эфира эксплуатационные свойства смеси ограничены, однако, с точки зрения экологических показателей, данный вариант представляет некоторый интерес для практического использования.

Расчет показал, что предложенная смесь ДМЭ и СО₂ менее энергоэффективна, чем уже используемые вещества, с точки зрения холодильного коэффициента. Следует отметить, что чистый ДМЭ работает на близких с сравниваемыми веществами диапазонах давлений, однако его горючесть и токсичность ограничивают его применение. Имеет смысл попробовать смесь диметилового эфира с другим хладагентом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен расчет по пожарной безопасности. Определена концентрация диметилового эфира в смеси, при которой смесь становится горючей и небезопасной для применения в системах кондиционирования, равная 8,3%.
2. С увеличением содержания диметилового эфира в смеси ДМЭ и СО₂ в пределах от 4 до 8% увеличивается холодильный коэффициент цикла с 2,53 до 2,88, но он в 1,57 раза меньше, чем у R410A.
3. Определена разница рабочих давлений между применяемыми неэкологичными хладагентами и предлагаемой к использованию смесью. Она позволяет сделать вывод, что в текущем виде смесь диметилового эфира и диоксида углерода неприменима на компрессорах массового производства, используемых для хладагента R410A. Давление конденсации наиболее эффективной и негорючей смеси ДМЭ и СО₂ (с концентрацией ДМЭ 8%) составляет 101 бар против 30 бар для R410A.
4. В дальнейшем предполагается проверять смеси диметилового эфира с другими веществами.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, связанного с подготовкой и публикацией статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования и подготовке публикации.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contributions. All authors made a substantial contribution to the conceptual development and preparation of this article and read and approved the final version before publication.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by external sources of funding.

About the authors

Anton A. Zharov

Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: zharov_a@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-9945-0850
SPIN-code: 8581-1809

Cand. Sci. (Tech.)

Russian Federation, 1 Lefortovskaja naberezhnaja, 105005, Moscow

Sergey A. Garanov

Bauman Moscow State Technical University

Email: garanovsa@bmstu.ru
SPIN-code: 8646-2754

Cand. Sci. (Tech.)

Russian Federation, 1 Lefortovskaja naberezhnaja, 105005, Moscow

Maksim S. Talyzin

Bauman Moscow State Technical University

Email: talyzin_maxim@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7244-1946
SPIN-code: 6524-3085

Cand. Sci. (Tech.)

Russian Federation, 1 Lefortovskaja naberezhnaja, 105005, Moscow

Nikita A. Kovalchuk

Bauman Moscow State Technical University

Email: kovalchukna@student.bmstu.ru
ORCID iD: 0009-0008-2569-8210
Russian Federation, 1 Lefortovskaja naberezhnaja, 105005, Moscow

References

Supplementary files