Natural refrigerants are favored by the future

Full Text

ОБОСНОВАНИЕ

Снижение отрицательного техногенного влияния на окружающую среду является одним из перспективных направлений развития техники низких температур. В связи с этим производится поиск альтернативных применяемым ранее хладагентам (R134a, R404A, R507A, R407C и т.д.), среди которых можно выделить две группы: природные (пропан, аммиак, СО₂ и т.д.) и синтетические (R32, R1234yf, R1234ze, R1233zd, R454B, R513A, R455A, R448A, R449A, R452B и т.д.)

Согласно ратифицированной Российской Федерацией поправке к Монреальскому соглашению, применение гидрофторуглеродов должно сократиться к 2036 году на 85%. На ввоз хладагентов данных групп была введена соответствующая квота, которая будет снижаться пропорционально указанной выше цели. Стоит отметить, что хладагенты данной группы не производятся в Российской Федерации, поэтому проблема с доступностью и стоимостью становится острой [2].

В связи с этим углеводороды (УВ) были рекомендованы в качестве хладагентов следующего поколения из-за нулевого озоноразрушающего потенциала (ОРП) и низкого потенциала глобального потепления (ПГП. Исследованиям природных углеводородных хладагентов в последние годы посвящено много работ, как в нашей стране, так и за рубежом [1–10]. Например, в работе [11] представлен сравнительный анализ конденсации хладагентов HC (R600, R600a) и хладагентов HFC (R134a, R143a). Также известно [12], что пропан – популярный углеводород (R290 или HC-290), рекомендованный в качестве потенциального хладагента-кандидата, поскольку он имеет хорошие термодинамические свойства, улучшенные характеристики теплопередачи, пониженную температуру нагнетания компрессора и уменьшенную заправку хладагента. Углеводороды (R290 или R1270) применяются (апробируются) приблизительно в 100 централизованных системах супермаркетов в странах ЕС. Хладагенты R290 и R1270 эффективны при использовании как на средне-, так и на низкотемпературном уровнях охлаждения [13]. Обзоры различных систем, в которых используются природные хладагенты и модификации систем, которые могли бы обеспечить более высокую эффективность представлены в работах [14, 16, 17].

Таким образом, применение природных хладагентов, производимых в Российской Федерации, позволит решить приведенную выше проблему, несмотря на то что к проектированию холодильных систем требуется определенный подход.

ЦЕЛЬ

Дать обоснование применению углеводородов в качестве хладагентов с точки зрения эффективности применения.

МЕТОДЫ

Ниже приведен анализ холодильных установок, работающих по циклу одноступенчатого сжатия с однократным дросселированием для хладагентов R134a, R404A, R1270 и R290. В качестве метода анализа применялся энтропийно-статистический метод термодинамического анализа [18].

Исходные данные для анализа холодильной установки с температурой кипения -25 °С приведены в таблице 1; данные для анализа холодильной установки с температурой кипения -18 °С приведены в таблице 2, данные для анализа холодильной установки с температурой кипения -13 °С – приведены в таблице 3. Значения адиабатного КПД компрессора принимались на основании данных, указанных в программе подбора компрессоров Bitzer Software v6.17.7. Принципиальная схема цикла приведена на рис. 1.

Таблица 1. Исходные данные для анализа холодильной установки с температурой кипения -25 °С

Table 1. Initial data for analysis of the refrigeration unit with a boiling point of -25 °С

Таблица 2. Исходные данные для анализа холодильной установки с температурой кипения -18 °С

Table 2. Initial data for analysis of the refrigeration unit with a boiling point of -18 °С

Таблица 3. Исходные данные для анализа холодильной установки с температурой кипения -13 °С

Table 3. Initial data for analysis of the refrigeration unit with a boiling point of -13 °С

Рис. 1. Принципиальная схема цикла. КМ – компрессор, К_д – конденсатор, И – испаритель, РВ – регулирующий клапан.

Для анализа использовались следующие основные зависимости:

удельная массовая холодопроизводительность

$q_{\text{o}}=h_2-h_7$, (1)

массовый расход

$G=\frac{Q_{\text{o}}}{q_{\text{o}}}$, (2)

необходимая удельная работа для генерации холода

$l_{min}=q_o\times \frac{T_{ос}-T_{п}}{T_{п}}$, (3)

адиабатная работа сжатия

$l_{ад}=h_{3ад}-h_2$, (4)

действительная затрачиваемая удельная работа сжатия

$l_{сж}=q_{кд}-q_o=h_3-h_6-(h_2-h_7)=\frac{l_{ад}}{{\eta }_{ад}}$, (5)

степень термодинамического совершенства

${\eta }_{терм}=\frac{l_{min}}{l_{сж}}$, (6)

холодильный коэффициент при адиабатном процессе сжатия

${\epsilon }_{ад}=\frac{q_{о}}{l_{ад}}$, (7)

действительное значение холодильного коэффициента

${\epsilon }_{д}=\frac{q_o}{l_{сж}}$. (8)

Необходимые удельные затраты работы сжатия для компенсации производства энтропии в конденсаторе складываются из суммы минимально необходимых работ для компенсации производства энтропии при охлаждении паров хладагента от температуры нагнетания до температуры насыщения Δl_пк, конденсации паров хладагента в конденсаторе Δl_кк и переохлаждении жидкого хладагента Δl_ок:

$\Delta l_{кд}=\Delta l_{пк}+\Delta l_{кк}+\Delta l_{ок}$, (9)

где

$\Delta l_{пк}=(h_{3ад}-h_4)-T_{ос}\times (s_{3ад}-s_4)$, (10)

$\Delta l_{кк}=T_{ос}\times (h_4-h_5)\times \left(\frac{1}{T_{ос}}-\frac{1}{T_{к}}\right)$, (11)

$\Delta l_{ок}=T_{ос}\times (h_5-h_6)\times \left(\frac{1}{T_{ос}}-\frac{1}{T_{по}}\right)$, (12)

где

$T_{по}=\frac{T_5-T_6}{ln\left(T_5\right)-ln\left(T_6\right)}$. (13)

Необходимые удельные затраты работы сжатия для компенсации производства энтропии при дросселировании:

$\Delta l_{др}={Т}_{ос}\times (s_6-s_7)$ (14)

Необходимые удельные затраты работы сжатия для компенсации производства энтропии в испарителе при передаче теплоты от охлаждаемого объекта в цикле при средней температуре воздуха в потребителях (кипение жидкого хладагента):

$\Delta l_{и.кип}=\left(h_1-h_7\right)\times T_{ос}\times \frac{T_{п}-T_o}{T_o\times T_{п}}$ (15)

Необходимые удельные затраты работы сжатия для компенсации производства энтропии в испарителе при передаче теплоты от охлаждаемого объекта в цикле при средней температуре воздуха в потребителях (перегрев хладагента в испарителе):

$\Delta l_{и.пер}={Т}_{п}\times (s_2-s_1)-(h_2-h_1)$ (16)

Общие необходимые удельные затраты работы сжатия для компенсации производства энтропии в испарителе:

$\Delta l_{и}=\Delta l_{и.кип}+\Delta l_{и.пер}$ (17)

Суммируя величины необходимых удельных затрат работ для компенсации производства энтропии во всех элементах холодильной машины, находим расчетную величину адиабатной работы сжатия:

$l_{ад.р}=l_{min}+\Delta l_{кд}+\Delta l_{др}+\Delta l_{и}$ (18)

Энергетические потери в компрессоре:

$\Delta l_{км}=l_{сж}-l_{ад.р}$ (19)

Расчетная работа сжатия:

$l_{сж.р}=l_{ад.р}+\Delta l_{км}$ (20)

Для сравнения потерь в элементах холодильной установки при использовании разных хладагентов целесообразно использовать потери мощности, определяемые по следующей зависимости:

$\Delta N_i=l_i\times G$ (21)

Результаты анализа приведены на рис. 2–4 и в таблицах 4–6 .

Рис. 2. Распределение потерь мощности по элементам холодильной установки с температурой кипения −25 °С, Вт.

Рис. 3. Распределение потерь мощности по элементам холодильной установки с температурой кипения −18 °С, Вт.

Рис. 4. Распределение потерь мощности по элементам холодильной установки с температурой кипения −13°С, Вт.

Таблица 4. Показатели эффективности холодильной установки с температурой кипения -25 °С

Table 4. Performance indicators of the refrigeration unit with a boiling point of -25 °С

Таблица 5. Показатели эффективности холодильной установки с температурой кипения -18 °С

Table 5. Performance indicators of the refrigeration unit with a boiling point of -18 °С

Таблица 6. Показатели эффективности холодильной установки с температурой кипения -13 °С

Table 6. Performance indicators of the refrigeration unit with a boiling point of -13 °С

На территории РФ производством УВ хладагентов (R600, R600a, R290, R1270) занимается компания ООО «НПП Синтез». Выпускаемые пропан и пропилен соответствуют следующим показателям:

Хладон R290 (Пропан)

Основная область применения:

– при производстве бытовых холодильников;

– в коммерческих и промышленных системах кондиционирования воздуха;

– в промышленных холодильных установка для СПГ.

Таблица 7. Показатели качества R290.

Таблица 7. Показатели качества R290

Table 7. Quality indicators R290

Хладон R1270 (Пропилен)

Основная область применения:

– в торговом холодильном оборудовании;

– в коммерческих и промышленных системах кондиционирования воздуха;

– в чиллерных системах.

Таблица 8. Показатели качества R1270.

Таблица 8. Показатели качества R1270

Table 8. Quality indicators R1270

Таблица 9. Условные обозначения

Table 9. Nomenclature

РЕЗУЛЬТАТЫ

В таблицах 4–6 приведены значения показателей эффективности при использовании рассматриваемых хладагентов на разных температурных уровнях. На рис. 2–4 приведены значения распределений потерь мощности по элементам системы для разных температурных уровней.

ОБСУЖДЕНИЕ

1. Рассматриваемые природные хладагенты R1270 и R290 обладают более высокими показателями эффективности по сравнению с традиционно используемыми хладагентами R134a и R404A. Более низкие показатели эффективности для R134a объясняются низкими значениями адиабатного КПД компрессора, обеспечивающему заданную холодопроизводительность. Значения холодильного коэффициента при адиабатном сжатии выше на 16,28% по сравнению с R404A, на 1,81% по сравнению с R1270, на 1,14% по сравнению с R290 для установки с температурой кипения -13 °С. Значения холодильного коэффициента при адиабатном сжатии выше на 16,84% по сравнению с R404A, на 1,13% по сравнению с R1270, на 0,58% по сравнению с R290 для установки с температурой кипения -18 °С. Значения холодильного коэффициента при адиабатном сжатии выше на 18,53% по сравнению с R404A, на 0,8% по сравнению с R1270, на 0,43% по сравнению с R290 для установки с температурой кипения -25 °С.
2. R290 является перспективны хладагентом для применения в холодильных установках, поскольку значения показателей эффективности выше, чем у рассматриваемых установках с применением синтетических хладагентов. Степень термодинамического совершенства при использовании R290 выше на 27,99% по сравнению с R134a, на 19,2% по сравнению с R404A, на 14,79% по сравнению с R1270 для установки с температурой кипения -13 °С. Степень термодинамического совершенства при использовании R290 выше на 21,25% по сравнению с R134a, на 14,71% по сравнению с R404A, на 9,9% по сравнению с R1270 для установки с температурой кипения -18 °С. Степень термодинамического совершенства при использовании R290 выше на 27,94% по сравнению с R134a, на 11,44% по сравнению с R404A, на 3,61% по сравнению с R1270 для установки с температурой кипения -25 °С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Природные хладагенты следует максимально исследовать и тестировать уже сейчас, потому что будущие правила в отношении синтетических хладагентов могут быть жесткими. Углеводороды и их смеси служат хорошими хладагентами для различных холодильных установок и системы кондиционирования. А также имеют меньшую цену и доступность по сравнению с аналогами. Использование углеводородных хладагентов, в частности R290 и R1270, растет из-за их низкого воздействия на окружающую среду, выдающихся термодинамических характеристик и не токсичности. Недостаток углеводородов, такой как воспламеняемость, можно преодолеть, используя системы минимальной заправки и тщательного обнаружения утечек. Воспламеняемость также может быть снижена при использовании углеводородов в смесях, в том числе и с углекислым газом [14, 15, 19]

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. В.Г. Пономарев – сбор данных о производстве хладагентов в Российской Федерации, обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, написание текста и редактирование статьи; М.С. Талызин – проведение расчетов, обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, подготовка и написание текста статьи.

Источник финансирования. Отсутствует.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведенным исследованием и публикацией настоящей статьи.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. V.G. Ponomarev helped in collecting data on the production of refrigerants under the Russian Federation, literature review, collection and analysis of literary sources, writing and editing of the article; M.S. Talyzin contributed to calculations, literature review, collection and analysis of literary sources, preparation and writing of the text of the article.

Funding source. No external funding was received for this work.

Competing interests. The authors have no competing interests to declare.

About the authors

Vladimir G. Ponomarev

Email: info@nppsintez.com

Cand. Sci. (Chem.)

Maxim S. Talyzin

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

Cand. Sci. (Tech.)

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Circuit diagram of the cycle. КМ – compressor, Кд – condenser, И – evaporator, РВ – control valve.

Download (47KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Distribution of power losses in the elements of the refrigeration plant with a boiling point of −25 °С, W.

Download (46KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Distribution of power losses in the elements of the refrigeration plant with a boiling point of −18 °С, W.

Download (54KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Distribution of power losses in the elements of the refrigeration plant with a boiling point of −13 ° С, W.

Download (49KB)

Indexing metadata