Поиск наиболее энергоэффективного состава смеси диметилового эфира и диоксида углерода в качестве хладагента системы кондиционирования воздуха

Обоснование. Углекислота рассматривается как альтернативный холодильный агент парокомпрессионных холодильных систем, в частности, для систем кондиционирования воздуха (СКВ). Одна из проблем этого агента — повышенное давление в холодильном контуре. Для снижения давления можно использовать смесь СО₂ с веществом, имеющим в тех же условиях значительно меньшие давления, например, с диметилэфиром (ДМЭ), который имеет нулевые GWP и ODP, недорог, доступен. Исследованием ДМЭ, в частности, занималась кафедра Э4 «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Однако, ДМЭ среднетоксичен и горюч.

Цель работы — исследование смеси ДМЭ и диоксида углерода на предмет возможности энергоэффективного применения в СКВ с использованием серийно выпускаемых компрессоров для R410A.

Методы. Сравнительный расчетный анализ характеристик простого одноступенчатого парокомпрессионного цикла на R410A и на смеси ДМЭ с диоксидом углерода при использовании расчетных пакетов Mathcad 15, Aspen HYSYS v. 10, SOLKANE8 и REFPROP.

Результаты. Наиболее эффективным с точки зрения холодильного коэффициента является цикл на чистом ДМЭ: ε = 5,63 при температуре воздуха окружающей среды 26°С, ε = 3,07 — при 40°С.

Необходимо учесть влияние температурных глайдов, средняя величина которых лежит в диапазоне от 10°С до 30°С в зависимости от концентрации компонентов.

При соотношении ДМЭ/СО₂ 40/60% и 60/40% (в мольных долях) давление нагнетания соответствует давлению нагнетания в цикле R410A: 39,62 бар при температуре окружающей среды 26°С и 37 бар при 40°С, соответственно.

Заключение. Предложена экологичная смесь диметилового эфира и диоксида углерода с малым GWP и нулевым ODP. Увеличение процентного содержания ДМЭ в смеси увеличивает холодильный коэффициент и уменьшает диапазон давлений, но при этом возникают значительные температурные глайды, которые сказываются на эффективности работы установки: переходу к циклу с докипателем, т.е. с рекуперативным теплообменником между потоком хладона, выходящего из испарителя и потоком хладона, выходящего из конденсатора. Предложенная смесь менее эффективна, чем хладон R410A, с точки зрения холодильного коэффициента и давления нагнетания. Однако, возможно дальнейшее рассмотрение смеси ДМЭ и СО₂ с концентрациями 40% и 60% соответственно, как замена хладагенту R410, так как наблюдается соответствие давлений нагнетания для серийных компрессоров (порядка 40 бар), но при этом необходимо помнить о пожароопасности смеси.