The use of domestic refrigerant mixtures for the retrofit of refrigeration machines with centrifugal compressors

Full Text

Одна из актуальных проблем холодильного машиностроения — перевод холодильного оборудования на озонобезопасные хладагенты (ретрофит). Особое место в решении этой задачи занимает репрофит холодильных машин с холодильными центробежными компрессорами, работающих на запрещенном к применению хладагенте R12.

Сложность выбора озонобезопасного хладагента, альтернативного R12 для данного типа машин, заключается в том, что характеристики и работоспособность центробежного компрессора (в отличие от компрессоров объемного типа) в большой степени зависят от термодинамических свойств хладагента.

Как показали расчетно-теоретические и экспериментальные исследования, наиболее целесообразно использовать для ретрофита холодильных машин с центробежными компрессорами хладагент R134a [2, 5]. Однако в настоящее время в России хладагент Rl34a и совместимые с ним масла не производятся.

В последние годы усиленно ведутся работы по созданию альтернативных R12 озонобезопасных смесей на основе выпускаемых в России хладагентов. В случае положительного результата применение таких смесей во многом могло бы облегчить проведение ретрофита холодильных машин с центробежными компрессорами, обеспечив возможность использования отечественных рабочих веществ и минеральных масел.

Институтом проблем энергетики Национальной академии наук Беларуси (ИПЭ НАНБ) в качестве альтернативных R12 предложены смеси хладагентов — «Экохол-2» (0,42R142b/0,58RC318) и смесь (0,6R22/0,4R218) [1]. Возможность применения этих смесей для ретрофита холодильных машин с центробежными компрессорами проверяли на примере холодильной машины 10ТХМВ- 4000-2 Казанского компрессорного завода, работающей на R12. Задачу решали с использованием математических моделей холодильных машин по методике, разработанной во ВНИИхолодмаше [3, 4].

Термодинамические свойства по обеим смесям хладагентов представлены ИПЭ НАНБ в виде таблиц теплофизических свойств.

Для расчета характеристик компрессора и холодильной машины использовали специальный программный комплекс, разработанный ОАО «ВНИИхолодмаш-Холдинг» применительно к холодильным машинам с центробежными компрессорами.

Чтобы учесть реальные свойства рассматриваемых смесей хладагентов, потребовалось привести исходные данные по свойствам к определенному виду и создать банк свойств, а также провести тестовые расчеты для подтверждения соответствия исходных данных и созданного банка.

Характеристики компрессоров на смесях рассчитывали на тот же режим работы по температурам кипения, что и компрессоров на R12, при сохранении неизменными конструкции проточной части и частоты вращения п.

Результаты расчета характеристик для смеси (0,6R22/0,4R218) свидетельствуют о том, что ее невозможно использовать для ретрофита холодильных машин с центробежными компрессорами. Это связано с существенным увеличением холодопроизводительности, что недопустимо в первую очередь из-за ограничений по установленной мощности электродвигателя (1250 кВт), а также по нагрузках на аппараты.

На рис. 1 показана зависимость относительной холодопроизводительности определяемая как отношение холодопроизводительности при работе холодильной машины на смеси.

 

Рис.1 . Зависимость относительной холодопроизводительности холодильной машины ТО ТХМВ-4000-2 (смесь 0,6R22/ 0,4R218) от температуры конденсации допроизводительности при работе на R12 от температуры конденсации при температуре кипения 3 °C.

 

Кроме того, из-за более высоких давлений, характерных для данной смеси, даже при условии снижения холодопроизводительности и мощности остаются ограничения по максимально допустимым температурам конденсации. Для холодильной машины 10ТХМВ-4000-2 максимальное давление, определяемое прочностными характеристиками, составляет 1,6 МПа. Это означает, что центробежный компрессор может работать] на рассматриваемой смеси только в области температур конденсации < 35 °C.

Наибольший интерес представляют данные, полученные для работы компрессора на смеси «Экохол-2». Основные характеристики холодильной машины для этого! варианта в виде изменения относительных параметров и определимых аналогично изложенному выше, приведены на рис. 2.

Результаты расчетов свидетельствуют я том, что использование смеси «Экохол-2» для ретрофита холодильных машин с центробежными компрессорами возможно. Однако при этом потребитель недополучает 25 % холода при худших энергетических показателях (снижение потребляемой мощности при этом составило только 21 %),то является следствием влияния несколькиx причин, включая меньшую термодиршческую эффективность смеси посравнению с R12.

 

Рис. 2. Зависимость относительной холодопроизводительности и эффективной мощности холодильной машины 10ТХМ В-4000-2 (смесь «Экохол-2») от температуры конденсации

 

При использовании «Экохола-2» предельная температуре конденсации увеличивается 5 °C (на расчетном режиме получено 150 °C вместо 45 °C на R12). В то же время по помпажному режиму работы в 10 °C целесообразен, так как эффективность работы компрессора па расчетном режиме снижается из-за работы ступеней в области коэффициента расхода, т. е. меньших КПД. Чтобы привести в соответствие оптимальную зону эффективности ступеней расчётный режим работы, необходимо снизить частоту вращения, но это также не- ресообразно и з-за дальнейшего снижения холодопроизводительности.

Было показано, что в случае применения смеси «Экохол-2» холодопроизводительность центробежного компрессора можно повысить путем использования новых проточных частей на базе ступеней, освоенных ОАО «Казанькомпрессормаш», и изменения частоты вращения ротора компрессора.

Рассмотрено три варианта:

• повышение частоты вращения при сомнении геометрии проточной части компрессора неизменной;
• использование ступеней с увеличенными расходными характеристиками при том же значении частоты вращения;
• комбинация первых двух вариантов.

Конкретные параметры холодильных центробежных компрессоров, принятые в расчетах, приведены в таблице.

 

Таблица

№ вари­анта	Хладагент	Относительная ширина ступени b2		Частота враще- ния п, об/мин
		1-я ступень	2-я ступень
1	RI2	5	3,44	5561
2	"Экохол-2"	5	3,44	5561
3	"Экохол-2"	5	3,44	6100
4	"Экохол-2"	6	4	5561
5	"Экохол-2"	6	4	6100
6	"Экохол-2"	6	4	6529
7	RI34a	3,44	5	6529

 

Максимально допустимую частоту вращения компрессора при работе на «Экохоле-2» определяли по режиму с температурой кипения 7 °C, т.е. по режиму работы с максимальной потребляемой мощностью. Как следует из полученных результатов, при допустимой перегрузке электродвигателя до 1300 кВт в рабочем диапазоне температур конденсации максимальная частота вращения ротора компрессора с увеличенной проточной частью при работе на смеси «Экохол-2» составляет 6100 об/мин. Дальнейшее повышение частоты вращения недопустимо из-за значительного роста потребляемой мощности.

 

Рис. 3. Зависимость холодопроизводи­тельности холодильной машины 10ТХМ В-4000-2 от температуры конденсации при различных вариантах проточной части (хладагенты R12, R134a и «Экохол-2»): 1, 2, 3, 4, 5, 7 - номера вариантов. Вариант 6 не рассмотрен вследствие невозможности его реализации

 

На рис. 3 приведена зависимость холодопроизводительности холодильной машины от температуры конденсации при температуре кипения 3 °C (с учетом ограничения частоты вращения мощностью электродвигателя). Как видно из рис. 3, при расширении проточной части и увеличении частоты вращения (кривая 5) холодопроизводительность компрессора на расчетном режиме повышается до 4100 кВт, но при этом не обеспечивается требуемая по ТУ. Из этого следует, что применение такого решения нецелесообразно, так как при одинаковом объеме работ, как и в случае ретрофита с использованием R134a (т. е. при одинаковой стоимости изготовления проточной част и и мультипликатора), заказчик получает менее эффективный компрессор.

Использование варианта с увеличением частоты вращения при сохранении неизменной проточной части (кривая 3) уменьшает объемы и стоимости работ, однако эффективность компрессора снижается в большей степени.

Поскольку снижение холодопроизводительности при тех же теплообменных поверхностях, расходах хладоносителя и охлаждающей воды в теплообменных аппаратах неизбежно изменит поминальный режим работы компрессора по температурам кипения и конденсации, для оценки действительного снижения параметров холодильных машин с центробежными компрессорами потребовалось рассчитать их характеристики с учетом характеристик теплообменных аппаратов.

Характеристики холодильной машины рассчитывали в соответствии с [3] для трех значений температур охлаждающей воды  25; 20 и 15 °C в диапазоне изменения температуры хладоносителя на выходе из испарителя от 3 до 9 °C.

Для расчетного режима работы холодильной машины с температурами хладоносителя на выходе из испарителя 7 °C и воды на входе в конденсатор 30 °C получено увеличение холодопроизводительности до 375 кВт, что на 22 % ниже холодопроизводительности при работе на R12. 

Анализируя полученные данные, можно сделать следующие выводы.

Использование смеси, состоящей из R22 и R218, для ретрофита существующего парка холодильных машин с центробежными компрессорами (типа ХТМФ и ТХМВ) недопустимо из-за значительного увеличения потребляемой мощности, а также вследствие повышения давлений, ограничивающих диапазон рабочих температур конденсации значением 35 °C.

Применение «Экохола-2» для ретрофита холодильных машин с центробежными компрессорами возможно. Однако при этом холодопроизводительность машины 10ТХМВ-4000-2 на расчетном режиме (температура кипения 3 °C, температура конденсации 40 °C) снижается на 22 %, а энергетическая эффективность -на 3 %. Учитывая, что существующий парк холодильных машин с центробежными компрессорами (типов ХТМФ и ТХМВ), как правило, имеет значительную наработку и ретрофиту предшествуют ремонтные работы по восстановлению технического ресурса компрессорного агрегата, целесообразность применения «Экохола-2» неоднозначна и должна оцениваться в каждом конкретном случае с учетом индивидуальных требований потребителя.

Увеличение холодопроизводительности и повышение эффективности холодильной машины па «Экохоле-2» путем изменения геометрических характеристик проточной части и частоты вращения ротора экономически невыгодно, так как при одинаковых (по сравнению с хладагентом R134a) затратах на переделку компрессорного агрегата холодопроизводительность остается ниже требуемой почти па 15 %.

About the authors

I. Ya Sukhomlinov

OJSC VNIIholodmash-Holding

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

M. V. Golovin

OJSC VNIIholodmash-Holding

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation

D. L. Slavutsky

OJSC VNIIholodmash-Holding

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation

I. Yu. Saveleva

OJSC VNIIholodmash-Holding

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation

B. D. Timofeev

IPE NASB

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation

O. N. Belyaeva

IPE NASB

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation

References

Supplementary files