Исследование диметилового эфира и смесей хладонов R22, RC318 и R142b для замены R12 в промышленных и бытовых холодильных установках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат технических наук Шарабурин, Алексей Владимирович

• Шарабурин, Алексей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шарабурин, Алексей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ И

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. История вопроса.

1.2. Основные требования к новым хладагентам.

1.3. Особенности термодинамических свойств смесей-хладагентов.

1.4. Перспективы применения альтернативных хладагентов.

1.5. Альтернативные хладагенты, предназначенные для замены R12.

1.5.1. Хладагенты - чистые вещества.

1.5.2. Многокомпонентные хладагенты.

1.5.2.1. Многокомпонентные хладагенты на основе углеводородов.

1.5.2.2. Многокомпонентные хладагенты группы ГХФУ.

1.6. Энергетические показатели компрессионных холодильников и морозильников.

1.7. Проблемы применения углеводородов в качестве хладагентов в бытовой холодильной технике.

1.8. Анализ литературных данных и постановка и задачи исследовательской работы.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ НА БИНАРНОЙ И ТРОЙНЫХ СМЕСЯХ.

2.1. Выбор концентрации бинарной идеальной смеси при замене R12.

2.2. Оптимизация концентраций компонентов смеси с учетом ее неидеальности.

2.3 Описание лабораторного калориметрического стенда.

2.3.1. Монтаж и наладка лабораторного стенда.

2.3.2. Методика проведения испытаний.

2.4. Испытания бинарной смеси R22/RC318 на калориметрическом стенде.

2.5. Выводы по испытаниям бинарной смеси.

2.6. Испытания тройной смеси «Экохол-3».

2.7- Испытания модифицированной тройной смеси

Экохол-МГТУ».

ГЛАВА 3. СРАВНЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК МОРОЗИЛЬНИКА STINOL-Юб ПРИ РАБОТЕ НА R12, СМЕСИ

ЭКОХОЛ-МГТУ» И ДМЭ.

3.1. Сравнение суточного энергопотребления при испытании заводского образца морозильника на R12 и экологически безопасных ХА.

3.1.1. Создание экспериментального стенда.

3.1.2. Сравнительные испытания R12 и «Экохол-МГТУ».

3.1.3 Определение оптимальной массы заправки ДМЭ.

3.2. Оптимизация размеров капиллярной трубки при использовании ДМЭ в качестве хладагента.

3.3. Оценка погрешности экспериментальных данных.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование диметилового эфира и смесей хладонов R22, RC318 и R142b для замены R12 в промышленных и бытовых холодильных установках»

Развитие холодильной техники в настоящее время находится под влиянием трех определяемых экологическими проблемами взаимосвязанных факторов: требований Монреальского протокола о прекращении потребления веществ, разрушающих озоновый слой (в первую очередь R12) и о временном и количественном ограничении применения веществ переходной группы (в том числе R22), имеющих малый потенциал разрушения озонового слоя (ODP); требований Киотского протокола к «Рамочной конвенции ООН об изменении климата» о регулировании эмиссии парниковых газов (веществ, имеющих высокий потенциал глобального потепления - GWP), к которым относятся широко применяемые хладагенты R22, R134a и многие другие вещества, используемые в холодильной технике;

ГОСТ Р МЭК 66035-2-24-2001, разрешающий использование в приборах бытовой холодильной техники углеводородов (пропан, изобутан, пропан-бутан) при ограниченной массе заправки (до 150 г).

Анализируя наиболее известные, разработанные в нашей стране и за рубежом хладагенты — заменители R12, можно убедиться, что у каждого из них имеются уязвимые места с точки зрения выполнения перчисленных выше требований.

Обзор литературных данных показал, что равноценной замены R12 в холодильной технике для условий нашей страны пока не найдено, особенно для ретрофита действующего холодильного оборудования. Использование многочисленных альтернативных хладагентов, таких как R134a, R401A, R401B, R401C, R409A и др. [1], предлагаемых зарубежными компаниями, сталкивается с определенными трудностями. Предлагаемые хладагенты запатентованы компаниями-производителями и имеют высокую стоимость. Зачастую в состав хладагентов-смесей входят редкие и, следовательно, дорогие, компоненты, что существенно увеличивает затраты на сервисное обслуживание холодильных систем. Применение большинства новых хладагентов требует изменения условий работы системы (замены масла, замены некоторых агрегатов и аппаратов холодильной машины). Российские разработки направлены на использование более дешевых смесевых хладагентов (R22/R142b, CI, С10М1 и др. [2, 3]). Преимуществом отечественных хладагентов является их относительная дешевизна и возможность использования без изменения конструкции холодильной машины и замены масла. Однако у этих смесей существует ряд недостатков. В состав смесевых хладагентов на основе R22 нередко входят дорогостоящие компоненты-фреоны. Применение таких смесей, несмотря на относительно высокую стоимость, перспективно в холодильных машинах малой производительности (холодильниках, например), где масса заправки составляет 100-150 грамм и составляет около 5% от общей стоимости холодильного аппарата. Поэтому применение смеси R22/RC318 может быть экономически оправдано при ретрофите холодильных машин малой производительности. Для ретрофита холодильных машин большей производительности на Кирово-Чепецком химическом комбинате была создана смесь "Экохол-3" (R22(40%)/RC318(12%)/R142b(48%)), где, для снижения концентрации дорогостоящего RC318 введен третий компонент -R142b. Но эксплуатационные и термодинамические характеристики "Экохол-3" не были исследованы. Проблемой является также пожароопасность отдельных компонентов смесевых хладагентов (R142Ь). Смеси, включающие этот компонент , как правило имеют невысокую стоимость, но, при возможной утечке негорючего компонента, концентрация горючего компонента увеличивается, и может возникнуть пожароопасная ситуация.

С другой стороны, решения Киотского протокола, ограничивающие применение фреонов в холодильной технике и новая редакция ГОСТов России, допускающая использование углеводородов в качестве хладагентов

4, 5, 6], открывают новые возможности для применения углеводородов в холодильных машинах малой производительности, где масса заправки мала. Однако в нашей стране опыт применения углеводородов, в частности диметилового эфира (ДМЭ) в холодильной технике ограничен, а возможность их применения в холодильных машинах практически не исследована. ДМЭ лучше, чем рекомендованные смесевые хладоны (С1, например), поэтому работы по применению ДМЭ проводятся в МГТУ им Н.Э.Баумана несколько лет. Из чистых веществ возможно применение только изобутана R600a (ts = -11,7°С), поэтому его использование в морозильниках (to = -18.-25°С) исключено. С другой стороны, ДМЭ может использоваться в качестве дизельного топлива, поэтому его цена должна быть на порядок ниже, чем у других хладонов.

Положения Федерального закона «Об энергосбережении» обязывают производителей холодильной техники (в т.ч. бытовых холодильных приборов) искать пути повышения энергетической эффективности новой техники, что, в частности, может быть достигнуто путем применения новых хладагентов [7, 8].

Целью работы является выбор отечественного недорогого озонобезопасного хладагента, имеющего низкий или нулевой потенциал глобального потепления, который способен заменить R12 в действующем холодильном оборудовании без существенного изменения конструкции холодильной машины и замены масла: сервисные смеси на основе R22 и чистое вещество ДМЭ.

Заключение диссертации по теме «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения», Шарабурин, Алексей Владимирович

ВЫВОДЫ

1. Экспериментальное сравнение основных термодинамических характеристик циклов на R12 и смеси R22/RC318 показало, что для адекватной замены R12 концентрация R22 в смеси должно быть не ниже 40.45% массовых. При этом холодильный коэффициент цикла на смеси по сравнению с циклом на R12 возрастает на 2. 16%.

2. На основе данных об отрицательном отклонении давления конденсации от идеальности в реальной смеси, концентрация R22 в «Экохол-3» повышена с 40% до 50%, при соответствующем уменьшении концентрации других компонентов. Экспериментальные исследования новой смеси, получившей название «Экохол-МГТУ» показали, что смесь является адекватной заменой R12. Холодильный коэффициент цикла на «Экохол-МГТУ» близок к аналогичному показателю цикла на R12. На основании вышесказанного, можно рекомендовать смеси R22/RC318 и «Экохол-МГТУ» как сервисные при ретрофите холодильного оборудования на R12.

3. Определена оптимальная масса заправки бытового морозильника при работе на ДМЭ. Она составила 70 г, при этом суточное энергопотребление по сравнению с работой на R12 снизилось на 15% при температуре охлаждения -24°С. Результаты эксперимента показывают перспективность использования ДМЭ в качестве хладагента для бытовой холодильной техники.

4. Проведена экспериментальная оптимизация длины капиллярной трубки бытового морозильника на ДМЭ. При этом оптимальная длина капилляра составила 4,75 м (3,5 для R12). Энергопотребление по сравнению с R12 снизилось на 9%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шарабурин, Алексей Владимирович, 2004 год

1. Педерсен Т. Статус хладагентов — краткая сводка // Журнал Danfoss. — 1996.-№3.-С. 14-15.

2. Перспективы развития производства озонобезопасных хладонов на Кирово-Чепецком химическом комбинате. / Н.С. Верещагина,

3. A.Н. Голубев, В.Ю. Захаров и др. // Холодильное дело. 1998. -№2-С. 4-5.

4. Альтернативный хладагент С ЮМ для ретрофита холодильного оборудования, работающего на R12 / В.С.Зотиков, В.А.Сараев,

5. B.И.Самойленко и др. // Холодильная техника. 1999. - №2. — С.6-9.

6. Калнинь И.М., Смыслов В.И., Фадеков К.Н. Оценка перспектив применения экологически безопасных хладагентов в бытовой холодильной технике. / Холодильная техника. 2001. - №12. — С.4-8.

7. Цветков О.Б., Лаптев Ю.А. Углеводороды перспективы и реалии. / Холодильный бизнес. - 2002. - №3. - С. 8-9.

8. ГОСТ Р МЭК 60335 — 2 24 — 2001. Безопасность бытовых и аналогичных электрических приборов. Дополнительные требования к холодильным приборам, мороженицам и устройствам для производства льда. - 2-е изд. — М.: Изд-во стандартов. - 2002. - 20 с.

9. Фадеков К.Н. Применение смесевых зеотропных хладагентов для повышения энергетической эффективности бытовых холодильников: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. — М., 2002.-18 с.

10. ГОСТ Р 5165 2000. Приборы холодильные электрические бытовые: Эффективность энергопотребления. Методы определения. - Введен с 01.01.2000. - М.: Изд-во стандартов, 2000. - 5 с.

11. Бабакин Б.С., Стефанчук В.И., Ковтунов Е.Е. Альтернативные хладагенты и сервис холодильных систем на их основе: Справочное руководство. -М.: Колос, 2000.-160 с.

12. Ю.Хаттатов В.У. Ни реабилитировать, ни помиловать хладоны нельзя. // Холодильный бизнес. 2001. - №3 - 4. - С. 4-5.

13. П.Абдульманов Х.А. О реабилитации фреона-12. // Холодильный бизнес. -2001.- №2.- С. 4-5.

14. Кириллин В.А., Шейндлин А.Е., Шпильрайн Э.Э. Термодинамика растворов. — М., «Энергия», 1980. 290 с.

15. Температурные режимы калориметрических испытаний малых герметичных холодильных компрессоров/ И.А.Афанасьева, И.М.Калнинь, В.И.Смыслов и др. // Холодильная техника. 2002 - №2. - С. 8-12.

16. Боярский М.Р., Лунин А.И., Могорычный В.И. Характеристики криогенных систем при работе на смесях. — М.: Изд-во МЭИ, 1990.-87с.

17. Бабакин Б.С. Хладагенты, масла, сервис холодильных систем: Монография. Рязань: Узорочье. - 2003. - 470 с.

18. Промышленные фторорганические продукты: Справочное издание. / Б.Н. Максимов, В.Г. Барабанов, И.Л. Серушкин и др. Изд. 2-е, пер. и доп. — СПб.: Химия, 1996. - 544 с.

19. ASEREP fur EXCEL (Demo). Version 1.3c. Programmbeschreibung. Institut fur Luft- und Kaltetechnik, Dresden. - 1999.

20. Бродянский B.M. От твердой воды до жидкого гелия (история холода). -М.: Энергоатомиздат, 1995. 336 с.

21. Жердев А.А., Глухов С.Д., Богаченко В.Н. Диметиловый эфир — топливо и хладагент для дизельных авторефрижераторов

22. Вестник МГТУ им.Н.Э.Баумана. Серия «Машиностроение». Специальный выпуск. 2000. - С. 182-185.

23. Поляков А.В. Применение диметилового эфира в качестве рабочего тела холодильных установок дизельных авторефрижераторов: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. М., 2001. - 19 с.

24. Жердев А.А.Разработка и исследование холодильных установокс использованием в качестве рабочих тел экологически безопасных топлив: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М. - 2003. - 35 с.

25. Жердев А.А., Глухов С.Д., Шарабурин А.В. Диметиловый эфир — рабочее тело холодильных машин. // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. Серия «Машиностроение». Специальный выпуск. 2002. - С. 55-62.

26. Коптелов К.А. Альтернативные смесевые хладагенты. // Холодильный бизнес. 1999. - №5. - С. 6-7.

27. Патент №2088629 С1 РФ. Рабочая смесь для холодильных машин / В.Г.Барабанов, А.Ю.Беляев, С.Д.Егоров и др. // Б.И. 1997. - №24.

28. Беляев А.Ю., Егоров С.Д. Озонобезопасная смесь С1 — альтернатива хладагенту R12. // Холодильное дело. 1997. - № 6. - С. 11-13.

29. Патент №2072382 С1 РФ. Озонобезопасная рабочая смесь / О.Н.Подчерняев, А.И. Лунин, М.Ю.Боярский и др. // Б.И. 1997. - №3.

30. Патент №2073058 С1 РФ. Озонобезопасная рабочая смесь / О.Н.Подчерняев, А.И. Лунин, М.Ю .Боярский и др. // Б.И. 1997. - №4.

31. А.С. SU 1781279 А1. Рабочая смесь для холодильных машин / Е.Г.Савельев, А.А.Никонов, М.Ю.Боярский и др.// Б.И. 1992. - №46.

32. Патент №2119937 С1 РФ. Хладагентная композиция, способ охлаждения / Б.В.Юдин, Р.Стивенсон, М.Ю.Боярский и др. // Б.И. 1998. - №28.

33. Патент №2072486 С1 РФ. Рабочий агент для холодильной установки / А.М.Архаров, А.С.Нуждин, С.Д.Глухов и др. // Б.И. 1997. - № 1.

34. Патент №2057779 С1 РФ. Рабочая смесь для холодильных машин / И.М.Мазурин // Б.И. 1996. - №10.

35. Патент №2117025 С1 РФ. Композиция хладагента / В.Г.Барабанов,

36. A.Ю.Беляев, В.С.Зотиков и др. // Б.И. 1998. - №22.

37. Патент №2135541 С1 РФ. Композиция хладагента / В.Г.Барабанов,

38. B.С.Зотиков, Б.Н.Максимов и др. // Б.И. 1999. - №24.

39. Патент №2140431 С1 РФ. Композиция хладагента / В.Г.Барабанов, В.С.Зотиков, В.А.Сараев и др. // Б.И. 1999. - №30.

40. Патент №2161637 С2 РФ. Композиция хладагента (варианты) / В.М.Андрюшин, А.Ю.Беляев, В.С.Зотиков и др. // Б.И. 2001. - №1.

41. Патент №2177491 С2 РФ. Композиция хладагента для железнодорожного холодильного оборудования /С.Н Науменко, В.И.Панферов, А.Ю.Беляев и др. //Б.И. -2001. -№36.

42. Патент №2098441 С1 РФ. Композиция хладагента / В.Г.Барабанов,

43. A.Ю.Беляев, В.С.Зотиков и др. // Б.И. 1997. - №37.

44. Альтернативный хладагент С ЮМ для ретрофита холодильного оборудования, работающего на R12 / В.С.Зотиков, В.А.Сараев,

45. B.И.Самайленко и др. // Холодильная техника. 1999. - №2. - С. 6-7.

46. Букин В.Г., Кузьмин А.Ю. Экспериментальное исследование малых холодильных машин на смеси R22/R142b // Холодильная техника. 1996. - №5. - С.12-13.

47. Букин В.Г. Закономерности теплообмена при конденсации и кипении неазеотропных смесей холодильных агентов: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. СПб., 1998. — 35 с.

48. Букин В.Г., Шуршев В.Ф., Данилова Г.Н. Экспериментальное исследование теплообмена при кипении смеси R22/R142b в испарителе холодильной машины // Холодильная техника. №3. —1996. С.10-11.

49. Сопоставление энергетических и эксплуатационных характеристик холодильной машины МХВ-4-1-2, работающей на R12 и смеси R22/R142b / В.И.Соломин, В.А.Мельников, Ю.Н.Алексеев и др. // Холодильная техника. 1999. - №2.1. C.10-11.

50. Патент №2013431 С1 РФ. Композиция хладагента / Такемаса К. // Б.И. -1994.-№10.

51. А.С. SU 1022979 А1. Холодильный агент / Г.Э.Одишария, Н.И.Изотов, Ю.Г.Мутовин и др.// Б.И. — 1977. №22.

52. Патент №2022339 С1 РФ. Азеотропоподобная композиция / Ф.Л.Бартлетт, Дж.Э.Криззо, В.М.Феликс и др. // Б.И. 1994. - №9.

53. Патент №2090588 С1 РФ. Невоспламеняющаяся охлаждающая композиция для холодильных устройств / С.Ф.Пирсон // Б.И. 1997. -№26.

54. Патент №2092515 С1 РФ. Озонобезопасная рабочая смесь для холодильных машин / И.М.Мазурин, А.Я.Столяровский, А.С.Доронин и др.// Б.И.- 1997.-№28.

55. Патент №2095390 С1 РФ. Рабочая смесь для рефрижераторных систем и тепловых насосов / О.Н.Подчерняев, А.И. Лунин, М.Ю.Боярский и др.1. Б.И. 1997. - №31.

56. Патент №21409955 С1 РФ. Композиция,содержащая фторидоуглерод (варианты), способ применения хладагента / Дж.С.Нимиц, Л.Х.Лэнкфорд //Б.И.-1999.-№31.

57. Патент №2109789 С1 РФ. Рабочая смесь для рефрижераторных систем

58. О.Н.Подчерняев, А.И. Лунин, М.Ю.Боярский и др. // Б.И. 1998. - №12.

59. Патент №2121488 С1 РФ. Бинарная композиция / В.Ф.Антипенок, Н.С.Верещагина, А.Н.Голубев и др. // Б.И. —1997. №4.

60. Патент №2182819 С2 РФ. Бинарная композиция хладагента /

61. В.Ф.Антипенок, Н.С.Верещагина, А.Н.Голубев и др. // Б.И. — 2002. №15.

62. Патент №2184133 С2 РФ. Композиция хладагента / В.В.Азатян, О.В.Васина, И.А.Болодьян и др. // Б.И. 2002. - №18.

63. Патент №2024569 С1 РФ Холодильный агент / Н.Д.Захаров, Н.Н.Сурьянинова // Б.И. 1994. - №23.

64. Бабакин Б.С., Выгодин В.А. Бытовые холодильники и морозильники/ 2-е изд., испр. и доп. М.: Колос, 2000. - 656 с.

65. Цветков О.Б. Природные холодильные агенты — углеводороды // Холодильная техника. 2002. - №7. - С. 10-13.

66. Железный В.П., Хлиева О.Я., Быковец Н.П. Перспективы ипроблемы применения углеводородов в качестве хладагентов // Холодильная техника. 2002. - №7. - С. 14-16.

67. Granryd Е. Hydrocarbons as refrigerant an overview // Int. J. Refrig. - 2001. - Vol. 24. - P. 103-112.

68. Steimle F. HCFS's and HFC's Perspective // Proc. IIR Conference «Refrigerant Management and Destruction Technologies of CFC». -Dubrovnik (Croatia). 2001. - 254 p.

69. Hammad M.A., Fssad Ma. The use of hydrocarbon mixtures as refrigerant in domestic refrigerators // Appl. Therm. Eng. 1999. - Vol. 19. - P. 1181-1189.

70. Akash B.A., Said S.A. Assessment of LPG as a possible alternative to R12 in domestic refrigerators // Energy Conv. Manag. 2003. - Vol. 44.1. P. 381-388.

71. Tashtoush В., Tanat M. and Shudeifat M.A. Experimental study of new refrigerant mixtures to replace R12 in domestic refrigerators // Appl. Therm. Eng. 2002. - Vol. 22. - P. 495-506.

72. Jung D., Kim C.B., Song K., Park B. Testing of propane/isobutane mixtures domestic refrigerators // Int. J. Refrig. 2000. - Vol. 23. - P. 517-527.

73. Железный В.П., Хлиева О.Я., Быковец Н.П. Оценка перспектив применения изобутана в бытовой холодильной технике с помощью эколого-термоэкономического метода

74. Холодильная техника. 2001. - №9. - С. 11-13.

75. Осипов С. Дави на газ // ТверскаяДЗ. 31.01.2002. - №10. - С.4.

76. Постановление правительства Москвы №170-1111 «О городской программе использования альтернативных видов моторного топлива на автомобильном транспорте на 2002-2004 г» от 12.03.2002г.

77. Богданов С.Н., Иванов О.П., Куприянова А.В. Холодильная техника. Свойства веществ: Справочник. — JL: Машиностроение, 1978.-167 с.

78. Лавренченко Г.К. Формирование эффективныхмногокомпонентных рабочих тел и создание на их основе компрессионных дроссельных систем охлаждения //Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. ОГАХ. — Одесса, 1985.

79. Whipple G.H. Vapor-Liquid Equilibria of Some Fluorinated Hydrocarbon Systems // Industrial and engineering chemistry. — 1952. — Vol. 44 (7).-P. 1664-1667.

80. Нуждин А.С.,Ужанский B.C. Измерения в холодильной технике. -М.: Агропромиздат, 1986г. 368 с.

81. Коптелов К.А. Расчет количества заправляемого хладагента и объема ресивера для холодильных установок // Холодильный бизнес. 2002. - №2. - С.20-23.

82. ГОСТ 16317 87. Приборы холодильные электрические бытовые: Общие технические условия. — Введен с 01.07.88. — 4-е изд. - М.: Изд-во стандартов, 1999. - 21 с.

83. Вейнберг Б.С., Вайн JI.H. Бытовые компрессионные холодильники. М.: Пищевая промышленность, 1974. - 272 с.

84. Холодильные компрессоры / А.В.Быков, Э.М. Бежанишвили, И.М. Калнинь и др. Под ред. А.В.Быкова М.: Колос, 1992. -304 с.