+7 (495) 688 84 00 +7 (495) 221 28 84
многоканальный

Заказать звонок
Холодхиммаш
Москва Протопоповский пер., д. 25Б
Пн.-Пт. – 8.30 – 18.00 frost@sokhem.com info@cholodchimmash.ru
          

  РИА РБК

Сравнение рефрижераторных циклов на многокомпонентных смесях хладагентов с предварительным и промежуточным дросселированием.


ДК 651.574.041.

А. А. Жердев, А. С. Кротов, Б. А. Макаров




 

Сравнение рефрижераторных циклов на многокомпонентных смесях хладагентов с предварительным и промежуточным дросселированием.




Рассмотрены два варианта реализации дроссельного рефрижераторного цикла на смесях хладагентов: цикл с предварительным дросселированием и цикл с промежуточным дросселированием. Приведено обоснование выбора рабочего тела. Представлены расчётные характеристики циклов.

Перспективы развития и применения дроссельных систем в большей степени зависит от возможности устранения их главного недостатка – низкой термодинамической эффективности. В данной работе сравниваются две модификации дроссельного цикла на смесях хладагентов на примере системы криогенного термостатирования на температурный уровень -170 0С. КПД дроссельного цикла может быть повышен подбором состава компонентов и давлений, что позволяет обеспечить оптимальный процесс теплообмена с малыми потерями. Одновременно уменьшение температурного напора на холодном конце рекуперативного теплообменника позволяет повысить КПД дросселя до 90-95 %. Таким образом, КПД дроссельной ступени удается довести до 85 %. Основным недостатком рефрижераторов на смесях остаются высокие давления сжатия.

Состав смеси во многом определяется температурой термостатирования. При этом минимальная температура термостатирования, которая может быть достигнута при применении многокомпонентной смеси заданного состава, как правило, определяется нормальной температурой кипения при атмосферном давлении низкокипящего компонента. Наиболее приемлемым низкокипящим  компонентом  смеси хладагентов на температурный уровень -170 0С, является азот, нормальная температура кипения которого составляет -195,8 0С.

В качестве высококипящих компонентов смеси хладагентов используются либо хлор- и фторсодержащие хладагенты, либо углеводороды. Как показали теоретические и экспериментальные исследования [5, 6] смеси с использованием углеводородов приблизительно на 20 %  эффективнее смесей с использованием традиционных хладагентов. В связи с этим, в качестве рабочего тела системы криогенного термостатирования на температурный уровень -170 0С предлагается пятикомпонентная смесь «азот – метан – этан – пропан – изобутан» следующего мольного состава: Азот – 18,4 % , Метан – 30 %, Этан – 14 %, Пропан – 9,3 %, Изобутан – 28,3 %.

Выбор состава определяется следующими обстоятельствами. Во первых, температура термостатирования близка к нормальной температуре кипения метана (-161,59 0С), во вторых, нормальные температуры кипения остальных компонентов лежат в промежутке от температуры термостатирования до температуры окружающей среды, что обеспечит непрерывное фазовое превращение в процессе теплообмена между прямым и обратным потоками. Ранее для этой смеси были получены экспериментальные данные по фазовому равновесию и, как показали проведенные расчеты, они удовлетворительно с ними согласуются.  В таблице 1 приведены значения критических параметров и молярной массы компонентов смеси.

Параметры компонентов смеси

 

Таблица 1.

На рис. 1 приведены графики зависимости давления насыщения от температуры для многокомпонентного рабочего тела и азота. Как следует из рис. 1, при низких температурах эти кривые практически совпадают. С ростом температуры  эти кривые расходятся, что объясняется влиянием высококипящих компонентов на зависимость давления от температуры, с ростом температуры давление насыщения смеси существенно меньше, чем давление насыщения азота. Поэтому увеличение концентрации азота в смеси приведет к увеличению давления нагнетания в дроссельном рефрижераторном цикле

 


Рис. 1. Зависимости давления насыщения от температуры для многокомпонентного рабочего тела и азота.

 

Реализация  дроссельного рефрижераторного цикла Линде для получения  низких температур связана с определенными трудностями, обусловленными необходимостью сепарации смазочного масла компрессора, чтобы исключить забивку дросселирующего устройства. Даже самые эффективные сепараторы не обеспечивают полную очистку многокомпонентного рабочего тела от масла, поскольку на выходе из компрессора часть масла находится в парообразном состоянии. В связи с этим возникла необходимость в предварительном охлаждении потока и последующей сепарации масла. Этого можно добиться, разделив поток после конденсатора на жидкую и парообразную фазы, и дросселируя жидкую фазу в обратный поток. Также, при предварительном охлаждении и последующем отделении жидкости, на нижний температурный уровень попадает смесь, обогащённая нижекипящими компонентами, вследствие чего возрастает доля жидкости на входе в испаритель и удельная холодопроизводительность.

Авторами были рассчитаны параметры двух циклов где осуществляется предварительное охлаждение потока, а также были проведены экспериментальные исследования, которые подтвердили результаты расчётов.

Простейшая схема дроссельного рефрижераторного цикла с предварительным дросселированием сконденсированной жидкой фазы многокомпонентного рабочего тела  в  обратный  поток представлена  на  рис. 2.


 


Рис. 2. Схема дроссельного рефрижераторного цикла с предварительным дросселированием.

КМ – компрессор; КД – конденсатор; ОЖ – отделитель жидкости; Д1 – предварительный дроссель; Д2 – основной дроссель; РТ1 – предварительный рекуперативный теплообменник; РТ2 – основной рекуперативный теплообменник; ИС – испаритель.

 

Рефрижераторный цикл с предварительным дросселированием может быть реализован при давлении нагнетания Pнвыше некоторого значения, при котором начинается процесс конденсации высококипящих компонентов смеси в конденсаторе. Как уже было отмечено, при разделении фаз в отделителе жидкости паровая фаза обогащается низкокипящими компонентами смеси: азотом и метаном. На рисунке 3 представлены  расчётные зависимости мольной концентрации азота в паровой фазе yN1 и массового паросодержания X на выходе из конденсатора. При исходной концентрации азота yN0=0,184 мольная концентрация азота в паровой фазе на выходе из конденсатора КР монотонно возрастает с ростом давления нагнетания и при давлении нагнетания Pн= 2,2  МПа составляет yN1=0,249. С ростом давления нагнетания массовое паросодержание монотонно убывает. Как известно холодопроизводительность циклов на смесях определяется произведением минимального изотермического дроссель-эффекта в диапазоне от температуры окружающей среды до температуры термостатирования и массового расхода рабочего тела в испарителе. На    рис. 4 представлены расчётные графики зависимости холодопроизводительности Q0и минимального изотермического дроссель-эффекта  ?iminот давления нагнетания Pн





Рис. 3. Зависимость паросодержания и концентрации азота в паровой фазе в отделителе жидкости от давления нагнетания.





Рис. 4. Зависимость минимального изотермического дроссель-эффекта и удельной холодопроизводительности от давления нагнетания.

 

Как следует из графиков, с ростом давления нагнетания минимальный изотермический дроссель-эффект   монотонно возрастает, в то же время удельная холодопроизводительность сначала возрастает, а затем начинает медленно уменьшаться. Рост минимального изотермического дроссель-эффекта  с ростом давления нагнетания объясняется увеличением мольных концентраций низкокипящих компонентов в паровой фазе на выходе из конденсатора. В то же время, с ростом давления нагнетания уменьшается массовое паросодержание на выходе из конденсатора, что в конечном  итоге приводит   к уменьшению массового расхода через испаритель и, как следствие, к уменьшению удельной холодопроизводительности. Максимальное значение холодопроизводительности достигается при давлении нагнетания Pн= 1,8  МПа, при этом же давлении нагнетания холодильный коэффициент и ? и термодинамический коэффициент полезного действия ? имеют максимум (рис. 5).





Рис. 5. Зависимость термодинамического КПД и холодильного коэффициента от давления нагнетания.

 

 В таблице 2 представлены характеристики дроссельного рефрижераторного цикла с предварительным дросселированием, соответствующие максимальному значению термодинамического коэффициента полезного действия.

 

Параметры дроссельных циклов



Таблица 2.

P0 – давление на всасывании в компрессор; Pн – давление нагнетания; T0.С – температура окружающей среды; Q0 – удельная холодипроизводительность; LСЖ – работа сжатия в компрессоре;   – холодильный коэффициент;   – термодинамический КПД

 

В этой же таблице представлены характеристики цикла Линде, рассчитанные для  тех же исходных данных и также соответствующие максимальному значению ?. При практически равных значениях Q0 термодинамический КПД цикла с предварительным дросселированием несколько выше, чем термодинамический КПД цикла Линде, а оптимальное давление нагнетания меньше чем в цикле Линде.

 

При получении сверхнизких температур для исключения попадания смазочного масла в низкотемпературную часть криогенной системы и исключения забивки основного дросселирующего устройства возникает необходимость дальнейшего понижения температуры сепарации жидкой фазы. С этой целью после конденсатора устанавливают предварительный рекуперативный теплообменник, который фактически является продолжением конденсатора. Охлаждение прямого потока в предварительном теплообменнике осуществляется за счет обратного потока.

Принципиальная схема дроссельного рефрижераторного   цикла с промежуточным дросселированием сконденсированной фазы в обратный поток представлена на рис. 6.


Рис. 6. Схема дроссельного рефрижераторного цикла с промежуточным дросселированием.

КМ – компрессор; КД – конденсатор; ОЖ – отделитель жидкости; Д1 – предварительный дроссель; Д2 – основной дроссель; РТ1 – предварительный рекуперативный теплообменник; РТ2 – промежуточный рекуперативный теплообменник; РТ3 – основной рекуперативный теплообменник; ИС – испаритель.

 

При данной схеме реализации дроссельного цикла в низкотемпературную часть системы поступает ещё более обогащенная низкокипящими компонентами смесь. Как видно из графиков на рис. 7, по мере понижения температуры предварительного охлаждения растёт концентрация азота в паровой фазе в отделителе жидкости, но в тоже время само паросодержание падает.

На рис. 8 представлены графики зависимостей удельной холодопроизводительности Q0и минимального изотермического дроссель-эффекта  ?imin от температуры прямого потока рабочего тела исходного состава на выходе из предварительного теплообменника РТ1, т.е. от температуры предварительного охлаждения рабочего тела.


Рис. 7. Зависимость паросодержания и концентрации азота в паровой фазе в отделителе жидкости от температуры предварительного охлаждения.


Рис. 8. Зависимость минимального изотермического дроссель-эффекта и удельной холодопроизводительности от температуры предварительного охлаждения.

 

Как следует из графиков, несмотря на то, что с понижением температуры минимальный изотермический дроссель-эффект резко возрастает, что объясняется увеличением мольной концентрации азота в паровой фазе на выходе из предварительного теплообменника РТ1 (рис. 7), удельная холодопроизводительность  Q0постепенно уменьшается, что объясняется уменьшением массового расхода через низкотемпературную часть криогенной системы (уменьшением массового паросодержания X прямого потока многокомпонентного рабочего тела на выходе из предварительного теплообменника РТ1) (рис. 8). В конечном итоге это приводит к уменьшению холодильного коэффициента  и термодинамического коэффициента полезного  действия с понижением температуры предварительного охлаждения (рис. 9).


Рис. 9. Зависимость термодинамического КПД и холодильного коэффициента от температуры предварительного охлаждения.


При температуре предварительного охлаждения, равной температуре окружающей среды, дроссельный рефрижераторный цикл с промежуточным дросселированием вырождается в дроссельный рефрижераторный цикл с предварительным дросселированием. Поэтому можно сделать вывод о том, что дроссельный рефрижераторный цикл с промежуточным дросселированием менее эффективен, чем дроссельный рефрижераторный цикл с предварительным дросселированием и его применение  может быть оправдано только техническими причинами: исключением попадания смазочного масла из компрессора в низкотемпературную часть криогенной системы.


Для получения консультации о продукции и услугах компании
свяжитесь со специалистами по телефонам:

+7 (495) 688 84 00 +7 (495) 221 28 84

или закажите обратный звонок




Продукция производителей
Продукция Bitzer

Продукция Dorin

Продукция Bock

Продукция Copeland

Продукция BrazeTec

Продукция K-Flex

Продукция Danfoss
Danfoss

Продукция Guntner


Продукция Хайлянг
          
Карта сайта