ВЫБОР ЗЕОТРОПНЫХ СМЕСЕЙ ХЛАДАГЕНТОВ ДЛЯ ПАРОКОМПРЕССИОННЫХ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

E-mail: recvicv@gmail.com

Abstract

The issues of the use of heat pumps are considered taking into account the features of
operation. The working bodies are analyzed and the optimal composition of a zeotropic mixture of coolants of heat pump equipment is analyzed.

Аннотация

Рассмотрены вопросы применения тепловых насосов с учётом особенностей эксплуатации. Проанализированы рабочие тела и проведен анализ оптимального состава зеотропной смеси хладагентов теплонасосной техники.

Применение тепловых насосов (ТН) даёт возможность преобразования низкопотенциальной теплоты в энергию более высокого потенциала, сэкономить невозобновляемые энергоресурсы, снизить до минимума загрязнение окружающей среды и удовлетворить нужды потребителей в высокопотенциальном тепле.
По различным оценкам низкое энергопотребление позволяет получить на 1 кВт фактически затраченной энергии 3-6 кВт тепловой энергии или до 2 кВт мощности по охлаждению. Такая высокая эффективность достигается тем, что ТН вовлекает в полезное использование низкопотенциальное тепло естественного происхождения (теплоту грунта, грунтовых вод, природных водоемов, солнечной энергии) и техногенного происхождения (теплоту промышленных стоков, технологических выбросов, очистных сооружений, вентиляции) с температурой от +3°С до +40°С, т.е. такое тепло, которое не может быть напрямую использовано для теплоснабжения [1].
Производство ТН в развитых странах мира, прежде всего, ориентировано на удовлетворение потребностей внутреннего рынка. ТН довольно интенсивно вытесняют традиционные способы теплоснабжения, основанные на сжигании органического топлива. Большую часть эксплуатируемого в мире теплонасосного оборудования составляют парокомпрессионные ТН. В качестве рабочего тела в теплонасосных циклах используют хладагенты. В ТН имеется три основных агрегата (испаритель, конденсатор и компрессор) и три контура (хладоновый, водный низкопотенциального источника и водный отопления).
При проектировании теплонасосной техники на рабочих телах необходимо оценивать
их преимущества и недостатки. К одним из достоинств ТН относится снижение капитальных затрат за счет отсутствия газовых взрывоопасных коммуникаций, увеличение безопасности жилища, возможность одновременного получения от одной установки отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования.
Рабочие тела для холодильной и теплонасосной техники по-прежнему остаются в центре внимания, и обсуждение проблем, связанных с сопутствующими им озоновыми дырами
и глобальным потеплением, не утихают. Озабоченность человечества глобальным потеплением климата на планете способствовала выработке рекомендаций и требований, предъявляемых к хладагентам четвертого поколения, отличительной особенностью которых является ограничение эмиссии парниковых газов. В эту группу вошли хладагенты с низким значением потенциала глобального потепления и природные хладагенты.
На сегодняшний день альтернативой природным хладагентам являются однокомпонентные вещества и смеси с низким значением потенциала глобального потепления (GWP).
Смеси представляют собой хорошую альтернативу для замены озоноопасных хладагентов. Смесь состоит из двух или более чистых рабочих жидкостей, и может быть зеотропная, азеотропная или близкой к азеотропной. Переходные хладагенты содержат в своем составе небольшую часть R22 или другие хлорсодержащие рабочие жидкости.
В обзоре [2] опубликован исчерпывающий литературный анализ испытаний и необходимых изменений в действующем оборудовании, в частности, в конструкциях компрессоров, теплообменников, регулирующих устройств и смазки. Проведенные испытания показали, что R410А имеет одинаковую или лучшую энергоэффективность по сравнению с R22. Для систем охлаждения наблюдалось ее увеличение на 1 – 7 %, а для систем обогрева – от уменьшения эффективности на 3 % до повышения на 7 %. До 5 % роста эффективности можно получить, используя противоточные теплообменники, чтобы приблизиться к термодинамическому циклу Лоренца, который позволяет использовать температурный глайд для испарителей и конденсаторов противоточного типа.
Смесевые хладагенты R407С и R410А — наиболее распространенные хладагенты, используемые в долгосрочных перспективных объектах, призванные, в конечном итоге, заменить все хлорсодержащие рабочие жидкости. R407С состоит из смеси хладонов R32, R125 и R134a (20/40/40 масс. %) и имеет большой температурный глайд (△T_gl=6,52 К).R410А представляют собой смесь R32 и R125 (50/50 масс. %) и имеет минимальный температурный глайд ( △ T_gl=0,05 К). При замене хладонов в уже существующих установках необходимо учитывать множество особенностей, поэтому возникает необходимость замены некоторых компонентов теплонасосных систем или проводить существенную реконструкцию при замене хладонов в существующих установках.
Определение энергетической эффективности парокомпрессионных ТН, работающих на
зеотропных смесевых хладагентах, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к хладагентам последнего поколения, является важной задачей.
Из анализируемой группы хладонов можно отобрать три хладагента, которые приемлемы по экологическим требованиям. Это хладагенты R32, R134а и R152а. Наиболее безопасным с экологической точки зрения является хладагент R152а. Теплофизические характеристики близки к характеристикам хладона R12 и R134а. Хотя хладон R152а является хорошим заменителем хладона R12, однако в чистом виде он не используется из-за его горючести. Применяется R152а преимущественно в негорючих смесях хладагентов. Хладагент R152а токсикологически безопасен, термически и химически стабилен.
По экологическим характеристикам представляет интерес хладон R32, не содержащий в
себе атомов хлора. По своим холодильным свойствам он схож с хладагентом R502 (R22/R115 48,8/51,2 масс.%) и R22. Однако в чистом виде не может рассматриваться как заменитель этих двух хладагентов, так как давления паров при сжатии слишком высокие. Кроме того R32 имеет пределы взрывоопасности (12,7 – 33,4 объемного % в воздухе), по этой причине он классифицируется как «высоковоспламеняемый». И напротив, R32 отлично подходит в качестве компонента смеси для альтернативных хладагентов. Так он уже применяется в составе многокомпонентных смесей хладагентов R407А – R407D, R410А и R410В [3].
Наилучшим выходом из сложившейся ситуации является использование смесей хладагентов из отобранных по экологическим характеристикам однокомпонентных веществ. В отечественных и зарубежных источниках опубликовано большое количество материалов, касающихся физико-химических свойств зеотропных смесей хладагентов. Ряд авторов отмечают, что зеотропные хладагенты имеют неизотермичность фазового перехода или температурный глайд. Температурный глайд может быть использован для повышения производительности, но для этого требуется изменение конструкции оборудования.
Преимуществом смесей является то, что они могут быть выполнены под каждую систему индивидуально, чтобы соответствовать конкретным потребностям. Температурный
глайд для различных смесей является переменной величиной. Концентрации паровой и жидкой фаз зеотропной смеси в условиях термодинамического равновесия различаются, а изотермы под пограничной кривой в lgP-i координатах (давление – энтальпия) имеют наклон.
Работа с зеотропными хладагентами требует выполнения определенных правил, игнорирование которых при эксплуатации установки может привести к ряду нежелательных последствий. Это связано в первую очередь с возможностью изменением концентрации входящих в смесь компонентов в процессе заправки, что в конечном итоге повлияет на его термодинамические свойства.
Хладагенты, имеющие незначительные коэффициенты теплоотдачи, не могут работать
также эффективно, как те, у которых коэффициенты теплоотдачи выше, несмотря даже на их термодинамическое преимущество. Однако усовершенствование конструкции может нивелировать это различие. Аналогичным образом смеси с большим глайдом, например, R407Е( △ T_gl=7,26 К), могут не достигать производительности, указанной для конструкций теплообменников с поперечным потоком (например, для воздуха и, реже, для воды, движущейся перпендикулярно потоку хладагента), но могут превзойти ее в теплообменниках с противотоком [4, 5].
В качестве рабочих тел закрытого теплосилового контура ТН можно рассматривать
озонобезопасные бинарные зеотропные смеси R32/R134а и R32/R152а. Особенностью применения хладагента R32 заключается в высоком значении давления (до 4,9 МПа при температуре 70°С). Для поршневых компрессоров, используемых в теплонасосной и хладотехнике, максимальные рабочие давления до 2,8 МПа. Этот фактор учитывался при выборе состава зеотропной смеси хладагентов. Были проведены расчеты смесей хладонов R32/R134а и R32/R152а с различной концентрацией компонентов. Определен состав смеси, для которой при достаточно высокой производительности (в сравнении с R12), рабочие давления находятся в допустимых пределах. Это возможно при содержании хладагента R32 в смеси до 30%. Так для хладагента R32/R134а (30/70) давление конденсации при температуре 63°С составляет 2,5 МПа, для смеси R32/R152а (30/70) – 2,1 МПа. Проведенный анализ показывает, что рассмотрение смесей с содержанием в смеси хладагента R32 более 30% нецелесообразно.

Список литературы

1. Янтовский, Е. И., Левин, Л. А. Промышленные тепловые насосы. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 128 с.
2. Minor, B. H. R410A and R407C design and performance – a literature review [Тext] /
   B. H. Minor // Proc. of the Earth Technologies Forum, Arlington, Va., Alliance for Responsible
   Atmospheric Policy, 2004.
3. Волчок, В. О. Термодинамічні властивості альтернативних холодоагентів серії R400:
   автореф. дис. … канд. техн. наук: (спец. 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика: захист 03.07.2013) / Волчок Віктор Олександрович; наук. кер. М. І. Лапардін. – О.,2013. – 17 с.
4. Антаненкова, И. С. Термодинамическая эффективность теплонасосных установок / И. С.
   Антаненкова, А. А. Сухих // Вестник Международной академии холода. – 2013. – № 1. – С.43-47.
5. Zhao, L. Thermodynamic analysis of organic Rankine cycle using zeotropic mixtures / L.
   Zhao, J. Bao // Applied Energy. – Vol. 130. – 2014. – P. 748-756.