Разработка и анализ эффективности холодильных машин на двуокиси углерода, работающих на уровне температур от -80 до -120 °С тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат наук Порутчиков Артём Фролович

• Порутчиков Артём Фролович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Порутчиков Артём Фролович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Потребители низких температур и низкотемпературные холодильные установки

1.1 Области применения низких температур

1.1.1 Холод в машиностроении

1.1.2 Технологии термообработки и хранения биоматериалов

1.1.3 Криохимические технологии

1.1.4 Криохимические нанотехнологии

1.2 Установки для получения низких температур

1.2.1 Парокомпрессионные холодильные установки

1.2.2 Воздушные холодильные машины

1.2.3 Регенеративные газовые холодильные машины

1.2.4 Сублимационное охлаждение с помощью диоксида углерода

Вывод по первой главе

ГЛАВА 2. Моделирование процесса охлаждения твердофазного диоксида углерода в вакуумно-сублимационной холодильной машине

2.1 Зависимость давления насыщенных паров от температуры

2.2 Зависимость плотности насыщенных паров, теплоемкости и теплоты сублимации твердой фазы от температуры

2.3 Зависимость теплоемкость термообрабатываемого продукта от температуры

2.4 Охлаждение гранулированного твердофазного диоксида углерода в процессе откачки паров в вакууме

2.5 Термообработка холодом при теплообмене с гранулированным CO2, в

процессе вакуумной откачки

Вывод по второй главе

ГЛАВА 3. Описание экспериментального стенда, получение опытных данных, их интерпретация и обобщение, оценка погрешностей измерения. Сопоставление опытных данных с расчетными показателями

Стр.

3.6 Вакуумно-сублимационная холодильная установка, работающая по разомкнутому циклу

3.7 Определение коэффициента теплоотдачи при теплообмене с сублимирующим гранулированным диоксидом углерода

3.8 Описание задействованного измерительного оборудования

3.9 Получение экспериментальных данных

3.9.1 Определение действительной производительности вакуумного насоса

3.10 Оценка погрешностей измерений

3.11 Анализ результатов экспериментов

3.12 Сравнение результатов, полученных по математической модели и данных экспериментов,

3.13 Определение энергетических характеристик экспериментальной

установки

Вывод по третьей главе

ГЛАВА 4. Расчет и анализ циклов низкотемпературных установок на уровень температур -120 °С

4.1 Четырехступенчатая схема с неполным промежуточным охлаждением

на диоксиде углерода

4.2 Вакуумно-сублимационная холодильная машина с двумя параллельными детандерами

4.3 Трехкаскадная холодильная машина с сублимацией диоксида углерода

4.4 Трехкаскадная холодильная машина на углеводородах

Вывод по четвертой главе

Основные выводы и результаты

Условные обозначения и индексы

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Развитие холодильной техники неразрывно связано с изучением свойств веществ, которые можно использовать в качестве рабочих тел в холодильных установках.

В первую очередь внимание было сконцентрировано на теплофизических свойствах веществ, которые непосредственным образом влияют на достигаемые температуры и энергетические показатели холодильных машин.

Использование природных веществ на заре развития холодильной техники обусловлено их доступностью. Роберт Стирлинг изобрел в 1816 году, а Джон Хершель предложил использование в качестве генератора холода машину Стирлинга, работающую на воздухе. В августе 1834 г. англичанин Я. Перкинс получил патент на «Аппарат для производства холода и охлаждения жидкостей», который заправлялся этиловым эфиром. Джон Горри в 1845 году разработал «льдоделательную машину», работающую на воздухе с поршневым детандером. В 1877 году на заседании Французской академии наук было доложено об успешном ожижении кислорода от двух независимых ученых, одним из которых был Р. Пикте, создавший двухкаскадную холодильную установку, где в качестве рабочих веществ в первой ветви каскада использовался SO2, а во второй CO2 [1].

Для создания холодильной техники с требуемыми характеристиками необходимо было создание рабочих веществ с прогнозируемыми свойствами. В 1928 году Т. Мидгли, А. Л. Хенне и Р. Р. Мак Нери синтезировали дифтордихлорметан (R12 по классификации ГОСТ ISO 817-2014). В последствии номенклатура хладагентов выросла, а их производство в мире к 1986 году достигло 1300 тыс. тонн [2].

Современный виток развития общества и техники заставляет пересматривать взгляды на разработку и эксплуатацию холодильного оборудования, четко прослеживается тенденция возврата к хладагентам на основе природных рабочих веществ. В 1974 году учеными из Калифорнийского университета (США) М. Молина, Ш. Роулэнд и П. Крутцен впервые описали

механизм истощения защитного озонового слоя земли за счет хлор- и бромосодержащих веществ [3].

Данные факты не могли остаться без ответа со стороны международных институтов. В 1987 году 46 стран ратифицировали Монреальский протокол, регулирующий оборот рабочих веществ холодильных установок, имеющих потенциал разрушения озонового слоя [4]. По состоянию на декабрь 2009 года 196 государств, являющихся членами ООН ратифицировали первоначальную версию Монреальского соглашения. [5]

Не смотря на данные факты среди ученых существует альтернативная точка зрения. Общепринятым можно считать признание влияния искусственных хладагентов на разрушение озонового слоя и изменение климата. В этой связи идет постоянное совершенствование рабочих веществ и обновление парка холодильной техники в пользу веществ, не имеющих потенциала разрушения озонового слоя и прямого влияния на окружающую среду, а также возврат к природным рабочим веществам. [33], [6], [7], [34], [35], [8], [36]. Альтернативная точка зрения полярна, вклад хладагентов в разрушение озонового слоя и «глобальное потепление» ставится под сомнение. [9]

Венская конвенция была принята СССР Постановлением Совета Министров СССР от 07.05.1986 № 525 «О принятии СССР Венской конвенции об охране озонового слоя и о мерах по обеспечению выполнения обязательств Советской Стороны». Россия подтвердила участие в Венской конвенции соответствующей нотой. Ограничение оборота и производства озоноразрушающих хладагентов продолжилось подписанием 183 странами Монреальского протокола. Российская Федерация является Стороной Монреальского протокола с 31.12.1991. Введение Лондонской поправки к Монреальскому протоколу и ратификации ее для Российской Федерации состоялось 13 января 1992 года, но ввиду недостаточности финансирования государственной программы по выводу из обращения озоноразрушающих веществ, организации выпуска безопасных веществ и перевода не него функционирующего оборудования, Россия не могла обеспечить выполнение Монреальского протокола. И только в 2000 году за счет собственных средств,

глобального экономического фонда и средств 10 стран - доноров, удалось вернуться в режим соблюдения Монреальского протокола. Соблюдение международных соглашений по климату предполагает прекращение производства озоноразрушающих веществ и переход на выпуск новых безопасных хладагентов. Данный процесс в условиях более 90% недофинансирования со стороны государства, протекал с серьезными потерями производственных мощностей и рабочих мест, что нанесло огромный экономический ущерб стране.

Находясь в правовом пространстве Российской Федерации, принявшей на себя обязательства Венской конвенции, Монреальского протокола, Лондонской поправки, Парижского соглашения необходимо обеспечить прекращение использования озоноразрушающих хладонов, в том числе и поступающих из зон, не ратифицировавших данные соглашения. К 2020 году необходимо отказаться от веществ с высокими показателями парникового эффекта, а к 2030 распространенных сегодня смесевых хладагентов в пользу новых полностью экологичных веществ. В период возврата в правовое пространство обозначенное Монреальским протоколом все же удалось наладить выпуск рабочих веществ: Я152а (ОАО «Каустик», г. Волгоград), Я141Ь и Я122 (ВОАО «Химпром», г. Волгоград), Я23 (ОАО «Редкинский опытный завод»), Я227еа (Российский научный центр «Прикладная химия», г. Санкт-Петербург), [10].

В настоящее время, для верхнего диапазона низких температур разрабатываются новые поколения искусственных рабочих веществ, такие как гидрофторолефины. При этом диапазон температур от -80 °С до -120 °С (от 193,15 К до 153,15 К), остается не охваченным экологичными рабочими веществами. Вместе с этим, возврат к природным рабочим веществам - уже состоявшаяся мировая тенденция. Как высоко-экологичный и безопасный, особое внимание заслуживает диоксид углерода и установки с использованием его, как холодильного агента. [37], [38], [39], [40].

Данные факторы приводят к переосмыслению принципов построения холодильных машин с учетом требований и допущений для конкретных технологических процессов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и анализ эффективности холодильных машин на двуокиси углерода, работающих на уровне температур от -80 до -120 °С»

Цель работы:

Разработка и исследование эффективности холодильных машин на диоксиде углерода, работающих на уровне температур от -80 °С до -120 °С.

Задачи работы:

- Создание экспериментальной вакуумно-сублимационной холодильной машины;

- Экспериментальное исследование характеристик холодильной машины, работающей по разомкнутому циклу на основе твердофазного хладагента - гранулированного С02, использующей процесс сублимации для получения холода;

- Сопоставление энергоэффективности схем холодильных установок для получения низких температур на уровне -120 0С;

- Математическое описание динамики процесса охлаждения массы С02 за счет сублимации, при вакуумной откачке паров. Математическое описание динамики процесса охлаждения массы С02 и погруженных в него термообрабатываемых деталей.

Научная новизна работы:

1. Получены экспериментальные данные по эффективности вакуумно-сублимационной холодильной машины для получения низких температур, работающей на твердом С02.

2. На основе решения дифференциального уравнения теплового баланса, получены численные результаты для прогнозирования динамики охлаждения массы гранулированного диоксида углерода в процессе вакуумной откачки, а также при совместном охлаждении термообрабатываемых объектов и рабочего вещества.

3. Экспериментально определен коэффициент теплоотдачи поверхности с гранулированным диоксидом углерода.

4. Предложены схемы вакуумно-сублимационных холодильных установок для получения низких температур в диапазоне от -80 до -120 0С. Некоторые схемы обладают признаками оригинальности, что подтверждается

наличием патента на изобретение №2617039, также подана заявка на предполагаемое изобретение №2017114944.

На защиту выносятся:

1. Экспериментальные данные по динамике охлаждения массы диоксида углерода при вакуумировании, а также экспериментальные данные, полученные при термообработке тел сферической формы малого диаметра в среде гранулированного диоксида углерода, подверженного вакуумной откачке.

2. Выражения для прогнозирования динамики охлаждения массы гранулированного диоксида углерода в процессе вакуумной откачки. А также для случая совместного охлаждения термообрабатываемых объектов и рабочего вещества.

3. Результаты численного решения выражения для расчета времени охлаждения массы гранулированного диоксида углерода и при совместном охлаждении термообрабатываемых объектов и рабочего вещества.

4. Данные сравнения энергетической эффективности циклов низкотемпературных холодильных установок на уровень температур -120 °С

Практическая ценность:

1. Создана и экспериментально исследована вакуумно-сублимационная холодильная машина для получения низких температур, работающая на твердом С02 в качестве холодильного агента.

2. Проведен анализ процесса сублимации массы твердого диоксида углерода при вакуумной откачке. Получены соотношения для расчета времени охлаждения массы диоксида углерода.

3. Проведен анализ охлаждения объектов, сферической формы малого диаметра, в вакуумно-сублимационной холодильной машине открытого цикла.

4. Разработаны варианты схемных решений вакуумно-сублимационной холодильной машины.

Апробация работы:

Основные положения и результаты работы были представлены на 5 конференциях:

1. Международная конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2015).

2. Всероссийская молодежная конференция «Научные инициативы и инновации для развития регионов России» (Москва, 2015).

3. Международная конференция «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2015).

4. Школа молодых ученых «Развитие индустрии холода на современном этапе» (Москва, 2016).

5. Школа молодых ученых «Развитие индустрии холода на современном этапе» (Москва, 2017).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 6 работ общим объемом 1,5 печатных листа, из них 3 в журналах из перечня, рекомендованного ВАК РФ, получен 1 патент на изобретение, опубликованы тезисы 2 докладов в сборниках трудов научно-практических конференций.

Структура и объем работы:

Диссертация включает в себя: введение, четыре главы, выводы, список литературы. Квалификационная работа изложена на 93 страницах текста, содержит 68 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 57 наименований.

В первой главе описываются технологии, требующие применения низких температур, рассматриваются установки для получения температур данного диапазона, анализируются достоинства и недостатки существующих способов машинного охлаждения. Предлагается использование сублимационного метода получения холода с помощью природного рабочего вещества - диоксида углерода, как альтернатива наиболее распространенному парокомпрессионному машинному охлаждению.

Во второй главе рассматривается процесс, протекающий в вакуумно-сублимационной холодильной машине при вакуумировании твердофазного гранулированного диоксида углерода.

Для описания динамики охлаждения массы рабочего вещества в процессе вакуумной откачки предлагается использование выражения теплового баланса в

дифференциальной форме. Полученное аналитическое решение позволяет рассчитать время охлаждения массы рабочего вещества до заданного температурного уровня.

Для получения более точных результатов предложено выражение, описывающее изменение массы рабочего вещества в процессе вакуумной откачки. Данное выражение, а также зависимости действительной производительности вакуумного насоса, изменения теплофизических свойств рабочего вещества использованы в уравнении теплового баланса для получения решения численным методом.

С учетом перечисленных выше факторов, численным методом получена зависимость температуры от времени охлаждения при термообработке тел в гранулированном диоксиде углерода, при вакуумной откачке паров (для Ы<0,1).

В третьей главе дается описание экспериментальных стендов и излагается методика выполнения опытов, описывается задействованное измерительное оборудование, система автоматической регистрации параметров, приводится оценка погрешности измерительной системы, анализируются результаты экспериментов, сравниваются результаты, полученные в ходе экспериментов расчетным методом по уравнению теплового баланса и при моделировании в пробной версии пакета СОМБОЬ.

В четвертой главе анализируются существующие и предлагаются оригинальные схемные решения низкотемпературных холодильных машин, работающих за счет сублимации твердотельного рабочего вещества.

Вакуумно-сублимационная холодильная машина с двумя параллельными детандерами (схема защищена патентом № 2617039) показывает меньший, но сопоставимый холодильный коэффициент. Приведенная схема в своем составе имеет минимальное число вспомогательных аппаратов. Максимальное давление в цикле составляет 6 атм, при этом степень сжатия верхней ступени равняется 6. Использование диоксида углерода в качестве рабочего вещества позволяет добиться максимальной экологичности и безопасности системы.

ГЛАВА 1. Потребители низких температур и низкотемпературные холодильные установки

1.1 Области применения низких температур

1.1.1 Холод в машиностроении

Элементы современных машин, аппаратов, приборов подвергаются воздействию низких температур: элементы установок низкотемпературного сжижения и разделения газов, узлы систем, работающих с сжиженными газами, элементы и системы космических аппаратов, элементы обшивки и наружные узлы современных самолетов, детали и узлы транспортной и строительной техники, работающей в условиях Крайнего Севера. Материалы должны обеспечивать устойчивость к данным факторам для длительной и надежной работы оборудования.

В зависимости от назначения и условий работы к современным конструкционным материалам могут предъявляться требования по высокой прочности и пластичности, малому удельному весу, коррозионной стойкости, сопротивляемости износу и радиационному облучению, специальным электромагнитным свойствам, хорошей свариваемости и обрабатываемости. Металлургам, металловедам и химикам приходится использовать все возможности современной технической физики и химии, чтобы обеспечить конструкторов материалами, необходимыми для создания новой техники.

Постоянно расширяется номенклатура используемых сталей. Легированные стали и сложные по составу сплавы, цветные металлы, композиционные материалы и пластики давно конкурируют с низкоуглеродистыми конструкционными сталями. Для выбора, наиболее подходящего для заданных рабочих условий материала и правильного определения надежности и долговечности изделий, конструктору требуются знания физической природы процессов, происходящих в материалах при всевозможных воздействиях в ходе эксплуатации, а также точные данные об

изменениях основных прочностных характеристик материалов под воздействием внешних условий.

Эффективность механической обработки ряда материалов можно повысить путем уменьшения пластичности и повышения твердости при низких температурах. Также при низких температурах улучшаются режущие свойства и повышается время работы металлорежущего инструмента. Стабилизации размеров прецизионных деталей и получение необходимой структуры возможно с использованием термической обработки холодом.

Остаточные явления, возникающие при глубоком охлаждении деталей, носящем как длительный, так и кратковременный характер, необходимо учитывать при эксплуатации для предотвращения опасности хрупкого разрушения материала. Для этого ответственные детали, которые в процессе работы могут подвергаться воздействию низких температур необходимо подвергать испытаниям.

Рисунок 1.1. Остаточное содержание аустенита в стали, в зависимости от

Одной из причин хрупкого разрушения, являются аустенитно-мартенситные превращения, сопровождающиеся увеличением объема и снижением ударной вязкости. На Рисунке 1.1 видно, что с увеличением содержания углерода, увеличивается остаточное содержание аустенита после

Й? <? 80

содержания углерода

термообработки, что свидетельствует о необходимости проведения низкотемпературной обработки, в первую очередь для углеродистых сталей.

Изменение объемов в телах сложной формы сопровождается возникновением местных напряжений, которые могут приводить к разрушению деталей.

Ввиду приведенных факторов, детали и узлы машин, которые предназначены для работы при низких температурах, необходимо подвергать воздействию низких температур. После низкотемпературной обработки в материалах закончатся процессы перекристаллизации и можно будет осуществить финишную обработку или забраковать детали, изменения в которых будут носить неприемлемый характер.

Рисунок 1.2. Температура начала и конца мартенситного превращения в зависимости от содержания углерода в стали. 1 - начало мартенситного превращения; 2 - конец мартенситного

превращения

В дополнение к вышеизложенному, изменения структуры материала влекут изменения таких физических параметров как плотность, прочностные характеристики, электрические и магнитные характеристики. Для необходимого

изменения указанных характеристик возможно прибегать к направленному воздействию холода на стальные детали.

Изучение изменения свойств материалов и характера их разрушения при низких температурах необходимо для успешного эксплуатирования оборудования в условиях Крайнего Севера и других холодных районов страны, где техника эксплуатируется значительное время года при низких (до -60° С) температурах. В таких условиях машины и механизмы, предназначенные для стандартных условий, быстро выходят из строя.

Элементы авиационных конструкций работают в условиях низких температур (до - 60° С) при очень высоких напряжениях и часто подвергаются знакопеременному тепловому удару. Так, при снижении самолета с высоты 1215 км он может в течение нескольких минут перейти из зоны с температурой -60° С в зону с температурой 40° С. Еще более резко изменяются температурные условия при выводе на орбиту и приземлении космических объектов: от - 250° С в космическом пространстве до 2000-3000° С при торможении в плотных слоях атмосферы. [11], [41], [42].

Прогнозировать поведение оборудования в целом и его составных элементов возможно при учете особенностей поведения материалов в условиях низких температур, правильного подбора конструктивных материалов, несущих значительные силовые нагрузки, испытаний материалов деталей, узлов и механизмов в целом в условиях низких температур, вакуума, тепловых ударов и т. д.

Отдельного внимания заслуживает отрасль космического аппаратостроения. Любой космический аппарат проходит испытания на земле в условиях, приближенных к космическим. Для этого служат установки тепловакуумных, вакуум-температурных, специальных испытаний. Например установка космического материаловодения в числе факторов космического пространства имеет возможность воздействия на испытуемый образец температур от -150 0С до +300 0С. [11]

1.1.2 Технологии термообработки и хранения биоматериалов

Первые эксперименты по замораживанию животных были проведены еще в XVII в. Уже в XX веке русским ученым П. Бахметьевым открыт первый криопротектор - глицерин, проведены опыты по заморозке тканей человека и млекопетающих. Роберта Эттингера, профессора Университета Уэйна, (США) автора работы «Перспективы бессмертия», можно считать основоположником современной крионики - технологии консервации при низкотемпературном охлаждении. Не смотря на спорность данного научного направления, в настоящее время существует несколько организаций по всему миру, предоставляющих услуги замораживания и хранения тканей, органов, тела человека полностью.

Для животноводства большое значение имеет технология криозамораживания и хранения генетического материала, используемого для репродукции скота. В растениеводстве широко применяется технология замедления всхожести семян и корнеплодов путем низкотемпературной обработки. Для медицины, биологии исключительно важны технологии консервирования крови и ее продуктов, спинного мозга, материнского молока, разработка эффективных криопротекторов, исключающих кристаллизацию в биологических жидкостях при их замораживании, применение холода для разрушения злокачественных опухолей за счет кристаллизации льда внутри тканей [12]. С широким распространением малоинвазивной хирургии, становится все более актуальной разработка криозондов и криохирургических инструментов, при проведении внутриполостных операций [13], [14].

Данные технологические процессы осуществляются при температурах в диапазоне от -70 0С до -196 0С. Нижний предел температур, можно объяснить широким распространением жидкого азота и недостатком в машинных способах охлаждения в данном интервале температур.

1.1.3 Криохимические технологии

Один из простых способов инициирования или повышения скорости химических реакций - это увеличение температуры. Это объясняется увеличением активных частиц в гомогенных системах, в результате взаимодействия которых происходит реакция. Как выяснилось, существуют реакции, скорость которых возрастает с понижением температуры. Объяснение данной аномалии связано с изменением механизма процесса и появлением термически нестойких комплексов молекул, активизирующих данное направление химического процесса. Понижение температурного уровня по-разному влияет на механизм сопряженных взаимодействий. С понижением температуры наиболее вероятным становится процесс, осуществляющийся с наименьшей энергией активации. Понижение температуры в таких системах может приводить к двум целевым результатам:

- изменение механизма образования целевого продукта облегчает процесс его накопления через низкотемпературные молекулярные комплексы;

- происходит подавление побочных процессов, характеризующихся более высокой энергией активации. Как результат реализуется высокоселективный химический процесс.

Ряд принципиально важных задач возможно решать применением низкотемпературных воздействий: перевод атомов и молекул в электронное состояние, невозможное при обычных температурах; выделить продукты взаимодействия, термодинамически и кинетически стабильные только при низких температурах; реализовать специфический механизм взаимодействия с участием молекулярных комплексов.

Говоря о перспективности использования холода в химии и химической технологии, условно выделяют три направления:

- низкотемпературное воздействие выступает самостоятельно, то есть не сопровождается другими, нетривиальными физическими воздействиями;

- холод комбинируется с нагревом;

- холод комбинируется с другими экстремальными физическими воздействиями.

В процессах, где комбинируются низко- и высокотемпературные воздействия выделяется криохимическая технология твердофазных материалов. К последним достижениям криохимической нанотехнологии следует отнести получение сверхпроводящих оксидных керамических материалов на основе многокомпонентных систем РЬ-Ш-Са-Бг-Си-О [15].

1.1.4 Криохимические нанотехнологии

Относительно новое, но бурно развивающееся направление криохимии — криохимические нанотехнологии.

Большое число свойств твердых тел напрямую зависят от характерного размера, существует нижняя планка ниже которой эти свойства изменяются. Это открывает возможность перехода к новому поколению материалов, свойства которых изменяются не путем изменения химического состава компонентов, а в результате регулирования их размеров и формы.

К наноматериалам относят: порошки твердых тел, состоящие из частиц размером менее 100 нм; стеклообразные и кристаллические материалы, в объеме которых распределены элементы структуры с наноразмерами; наноразмерные образования на поверхности различных материалов; пленки и волокна с наноразмерной толщиной. Поликристаллические материалы со средним размером зерен 100-1000 нм обычно называют ультрадисперсными материалами или продуктами (УДП), дисперсные системы со средним размером зерен 103104 нм — тонкодисперсными материалами или тонкими порошками.

Исследования последнего времени обнаруживают все большие области применения наноструктур в различных областях науки и техники (физике, химии, материаловедении, биологии, медицине и тд.). В качестве примера можно привести углеродные нанотрубки, которые на порядок прочнее стали (при этом их плотность в шесть раз меньше), наночастицы могут избирательно проникать в раковые клетки и поражать их, некоторые наноструктуры способны в

миллионы раз повышать быстродействие ЭВМ и т.д. В связи с углублением знаний о строении и функционировании природных объектов, а также живых организмов на уровне молекул, исследователи пытаются разработать общий подход к получению и использованию искусственных материалов с наноразмерной структурой.

Способов получения наноструктур большое количество, выбор и разработка наиболее недорогих методов и оборудования для их осуществления в больших количествах (нанотехнология) — одно из приоритетных направлений исследований, так как нанонаука способна добиться реальных успехов только при наличии экономически выгодных технологий пригодных для массового производства [15], [43].

1.2 Установки для получения низких температур

Для обеспечения обозначенного диапазона температур возможно применение холодильных машин, следующих типов:

- газовая регенеративная машина, работающая по обратному циклу Стирлинга;

- волновые криогенераторы;

- турбовоздушная холодильная машина с открытым циклом;

- парокомпрессионная каскадная установка;

- вакуумно-сублимационная холодильная установка с откачкой паров.

1.2.1 Парокомпрессионные холодильные установки

Парокомпрессионные холодильные установки, получили наибольшее распространение из всех существующих способов получения холода. Это связано с большой потребностью в системах кондиционирования, коммерческого и промышленного охлаждения, где востребованы температуры до -35 °С, на таких температурных уровнях данные типы холодильных систем показывают высокие энергетические характеристики. С развитием холодильного машино- и аппаратостроения, парокомпрессионные системы расширили

диапазон применения, выпускаются индивидуальные морозильники, работающие на хладонах, позволяющие достигать температурный уровень -152 °С [16], [44].

Принцип действия парокомпрессионных холодильных машин основан на изменении фазового состояния рабочего вещества, при этом процесс поглощения теплоты происходит при переходе из жидкого состояния в парообразное.

Термодинамические характеристики холодильных агентов искусственного происхождения определяют невысокую, относительно природных рабочих веществ, теплоту фазового перехода - жидкость-пар. Сравнительные диаграммы теплоты фазового превращения при нормальном давлении, а также нормальные температуры кипения и температуры тройной точки для хладонов, углеводородных и природных рабочих веществ приведены далее на Рисунках 1.3-1.8.

Го, кДж/кг

Теплота парообразования хладагентов

^ -С

-200 а

Рисунок 1.4. Нормальная температура кипения и температура тройной точки

хладагентов

Рисунок 1Теплота парообразования углеводородных и органических

хладагентов

Рисунок 1.6. Нормальная температура кипения и температура тройной точки углеводородных и органических хладагентов

Теплота парообразования хладагентов природного происхождения

*Для диоксида углерода указана теплота парообразования при 6 атм, т.к. давление тройной точки 5,2 атм

^ " - ^

Рисунок 1 К. Нормальная температура кипения и температура тройной точки рабочих веществ природного происхождения Из Рисунка 1.3 видно, что с понижением нормальной температуры кипения рабочего вещества, удельная теплота парообразования снижается, следовательно низкотемпературные парокомпрессионные системы на хладонах высокого давления будут иметь низкие показатели эффективности. Углеводородные и органические вещества имеют сходную удельную теплоту парообразования, которая в среднем выше, чем у хладонов (Рисунок 1.7).

Природные рабочие вещества выгодно отличаются по данному показателю, что видно на Рисунке 1.7.

Одноступенчатые парокомпрессионные машины позволяют эффективно получать холод вплоть до температур порядка -35 °С (238 К) [17]. Небольшого понижения эффективного диапазона температур применения можно добиться переохлаждением жидкости перед дроссельным вентилем, перегревом всасываемого пара, установкой рекуперативного теплообменника. Влияние конкретных мер на оптимизируемый цикл необходимо проверять расчетным путем. Так, например, при введении в схему рекуперативного теплообменника его влияние необходимо проверять по холодильному коэффициенту.

Чо

£ =

и

(1.1)

где ^о - удельная холодопроизводительность цикла, 1к -удельная работа компрессора

С увеличением переохлаждения жидкого хладагента удельная холодопроизводительность всегда растет, поскольку переохлаждение осуществляется за счет перегрева всасываемых в компрессор паров. Решающее значение будет иметь изменение работы сжатия, которое и определит эффективность использования рекуперативного теплообменника.

Наиболее важный фактор, не позволяющий создавать эффективные одноступенчатые низкотемпературные машины, это влияние степени сжатия в компрессоре на его энергетические характеристики. Так, с учетом мертвого объема 4-5%, при отношении давлений рк/ро равному 20-25 коэффициент подачи становится равным нулю. [17]

¥

V

V

V

*

2 Э и 5 д 7 д 9 Ю И 12

Рисунок 1.9. КПД поршневого компрессора в зависимости от отношения

давлений п

Пм, Пь Пе, ПЭ - механический, индикаторный, эффективный, электрический КПД компрессора [18] Для получения более низких температур прибегают к усложненным двухступенчатым, а также каскадным схемам.

Экономически обоснованный нижний уровень температур для двухступенчатой схемы составляет 210 К. Для получения температур до 195 К преимущественно используют трехступенчатые схемы.

Ро

понижением температуры кипения, степень отношения давлений — растет. При температуре кипения ниже 195 К многоступенчатые машины

становятся менее выгодны, в таком случае прибегают к каскадным холодильным машинам.

Каскадная холодильная машина представляет собой несколько независимых холодильных контуров, работающих на разных рабочих веществах. В Таблице 1 , приводятся обоснованные целесообразностью рекомендации для применения многоступенчатых и каскадных холодильных систем в зависимости от температурного уровня.

Таблица 1.

Температурные диапазоны применения многоступенчатых и каскадных

холодильных машин. [19]

Тип парокомпрессионной холодильной машины Возможная область применения Область выгодного применения

f . °с у. °С и0тах> ^ f . °с у. °С и0тах> ^

Двухступенчатая на Я-22 -60 не ограничено -45 -25

Трехступенчатая -80 н.д. -60 н.д.

Двухкаскадная: Я-13 и Я-22 -95 -40 -85 -40

Трехкаскадная: Я-13; Я-13 и Я-22 -110 -80 -100 -80

Трехкаскадная: Я-14; Я-13 и Я-22 -140 -100 -135 -100

Каскадная с нижним каскадом на смеси н.д. н.д. -152 н.д.

Как видно из Таблицы 1, экономически целесообразной для получения температур на уровне - 120 0С парокомпрессионная холодильная машина становится только в трехкаскадном исполнении или же в двухкаскаскадном. Поскольку холодильный коэффициент прямым образом влияет на затраты при эксплуатации холодильной установки, можно провести аналогию представленных в Таблице 1 данных и экспериментальных данных источника [45], при этом они подтверждают друг друга.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Порутчиков Артём Фролович, 2018 год

Список литературы

1. Полевой А.А. Холодильная машина появилась на четыре года раньше паровоза // Холодильный бизнес, 2011. №8 С. 38-42.

2. Цветков О.Б. Энергоэкологические парадигмыхолодильных агентов // Электронная версия Вестник "ЮНИДО в России" №3. Москва: UNIDO, 2015.URL.http://www.unido-russia.ru/archive/num3/art3_4/ (дата обращения 05.11.2016).

3. Бабакин Б. С. Хладагенты: История появления, классификация, применение // Интернет-газета Холодильщик.ги, №1. М., 2005. URL.http://www.holodilshchik.ru/index_holodilshchik_issue_1_2005_Freon. (дата обращения 06.09.2016).

4. Хладоновая проблема в России - пути и методы решения: Информационно-аналитическая справка / ЗАО НПО ПиМ-Инвест. М. 2002. 25 с.

5. Википедия [Электронный ресурс]: Свободная энциклопедия. / Wikimedia Foundation, Inc. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Монреальский_протокол (дата обращения 23.06.2016).

6. Цветков О.Б. Хладагенты на посткиотском экологическом пространстве // Холодильная техника. 2012. №1, С. 70-72.

7. Синтетические хладагенты, регулируемые киотским протоколом / Цветков О.Б, Бараненко А.В., Лаптев Ю.А. // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия Холодильная техника и кондиционирвоание. 2015. №4, С. 1-8.

8. Калнинь И.М., Пустовалов С.Б., Кривцов Д.В. Масштабы и перспективы применения тепловых насосов на R744 // Холодильная техника. 2013. №3. С. 22-27.

9. Системный кризис при выборе рабочих тех холодильных установок Мазурин И.М. [и др.] // Электрон. журн. Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. Т2. Вып. 1, 2013. URL.https://cyberleninka.ru (дата обращения 04.10.2016).

10. Энергоэффективность и экологическая безопасность техники низких температур / Ховалыг Д.М., Синицина К.М., Бараненко А.В. [и др.] // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия Холодильная техника и кондиционирование. 2014. №2(26), С. 1-13.

11. Нусинов М.Д. Имитационные установки / Курсы повышения квалификации ИТР по вакуумному аппарато- и приборостроению. М.: Машиностроение, 1980. 24 с.

12. Консервирование органов и тканей //Элеткронный ресурс «Ordo Deus». Москва. 2016. URL.http://www.ordodeus.ru/index.html# (даат обращения 03.06.2016).

13. Пушкарев А.С. Теоретическое и экспериментальное исследование теплообмена при многозондовом низкотемпературном воздействии на биоткани: дис. канд.техн.наук. Москва. 2017. 180 с.

14. Шакуров А.В. Исследование теплообмена при охлаждении биоткани внутренних органов для рповедения роботических операций: дис. канд.техн.наук. Москва. 2016. 174 с.

15. Генералов М.Б. Криохимическая нанотехнология: Учеб. пособие для вузов / М.Б. Генералов. М.: ИКЦ Академкнига, 2006. 325 с. ил.

16. Кротов А. C. Исследование динамических характеристик парокомпрессионных холодильных машин на многокомпонентных смесях хладагентов: дис. канд. техн. наук. Москва. 2012. 178 с.

17. Вайнштейн В.Д., Канторович В.И. Низкотемпературные холодильные установки. М.: Пищевая промышленность, 1972. 352 с.

18. Холодильные компрессоры / А.В. Быков [и др.] М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. 281 с.

19. Холодильные машины / Н.Н. Кошкин, И.А. Сакун, Е.М. Бамбушек и др.: Под общ. ред. И.А. Сакуна. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. 510 с. ил.

20. Клименко А.П. Холод в машиностроении / А.П. Клименко и др. М.: Машиностроение, 1969. 248 с.

21. Сторчеус Ю.В., Данилейченко А.А., Брянцев М.А Транспортные воздушные холодильные машины. Луганск: Издательство Ноулидж, 2015. 120 с.

22. Леонов В.П. Воздушные холодильные установки. История создания и перспективы развития // Холодильная техника. 2016, №5 . С. 32-35.

23. Калекин В.В. О применении воздушных холодильных машин на судах речного и морского флота // Речной транспорт XXI век. 2015. №2(73). С. 56-59.

24. Данилов М.М. Особенности процесса получения твердого диоксида углерода в низкотемпературных турбодетандерах: дис. канд. техн. наук. Санкт-Петербург. 2003. 143 с.

25. Комбинированная газотурбодетандерная установка для работы на природном газе: а.с. 2463462 РФ / В.И. Гуров; заявл. 29.04.11; опубл. 10.10.12. Бюлл.№3.

26. Пименова Т.Ф. Производство и применение сухого льда, жидкого и газообразного диоксида углерода. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. 208 с. ил.

27. Алтунин В.В. Теплофизические свойства двуокиси углерода. М.: Издательство стандартов, 1975. 546 с.

28. Мищенко К.П., Равдель А.А. Краткий справочник физико-химических величин. Л.: Химия, 1974. 200 с.

29. Маринюк Б.Т., Крысанов К.С. Вакуумно-испарительные водоохлаждающие установки // Холодильная техника, 2005. №10 с. 30-31.

30. ГОСТ 6651—2009. Термопреобразователи сопротивления из платины, меди и никеля. Реферат и аннотация. М.: Изд-во стандартов, 2009. 27 с.

31. ГОСТ Р 8.585-2001. Термопары. Номинальные статические характеристики. - Взамен ГОСТ Р 50431-92; Введ. с 21.11.2001. Москва: Изд-во стандартов, 2002. 78 с.

32. ГОСТ Р 8.625-2006. Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы Москва: Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. М.: Изд-во стандартов, 2007. 33 с.

33. Calm J. M. The Next Generation of Refrigerants - Historical Review, Considerations, and Outlook // International Journal of Refrigeration. 2008. Vol.31. Issue 7, P. 1123-1133.

34. Harby K. Hydrocarbons and their mixtures as alternatives to environmental unfriendly halogenated refrigerants: An updated overview // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. Vol. 73. P.1247-1264.

35. Pitarch M. Evaluation of different heat pump systems for sanitary hot water production using natural refrigerants / M. Pitarch, [and others] // Applied Energy. 2017. №190, P.911-919.

36. Kalnin I.M, Petrov P.P., Pustovalov S.B. Free-piston diesel compressor based heat pumps using carbon dioxide as working fluid. // Chemical and petroleum engineering. №1. 2015. P.122-127.

37. Experimental evaluation of a R134a/CO2 cascade refrigeration plant / Sanz-Kock C. [and others] // Applied Thermal Engineering. 2014. №73, P. 39-48.

38. Fazelpour F., Morosuk T. Exergoeconomic analysis of carbon dioxide transcritical refrigeration machines // International journal of refrigeration. 2014. Vol. 38, P. 128-129.

39. Lorentzen G. Revivao of carbon dioxyde as refrigerant / G. Lorentzen // International journal of refrigeration. 1994. Vol.17. №5, P. 34-39.

40. Von Solms N.efrigeration plants using carbon dioxide as refrigerant: measuring and modelling the solubility and diffusion of carbon dioxide in polymers used as sealing materials // International Journal of Refrigeration. 2010. Vol. 33(1), P. 19-25.

41. Experimental research on thermal insulation performance of lightweight ceramic material in oxidation environment up to 1700 °C / Shang L., Wu D. Pu Y. [and others] // Ceramics International. 2016. Vol. 42. Issue 2. Part B, P. 3351-3360.

42. Boyer R., Padmapriya N. Aircraft Materials // Materials Science and Materials Engineering. Reference Module. 2016. P. 66-73.

43. Sergeev G.B., Klabunde K.J. Cryochemistry of Metal Atoms and Nanoparticles // Sergeev G.B., Klabunde K.J. Nanochemistry (Second Edition). M., 2013. P. 89-153.

44. Panasonic VIP® PLUS Series Cryogenic Freezers//Karanor лабораторного оборудования Horsham (USA). 2016. URL. https://www.labrepco.com/store/categories/view/id/5040/title/Panasonic_VIP_PLUS (дата обращения 24.03.2106).

45. Sivakumar M., Somasundaram P. Exergy and energy analysis of three stage auto refrigerating cascade system using Zeotropic mixture for sustainable development // Energy Conversion and Management, 2014. Vol. 84, P. 589-596.

46. Walimbe N.S., Narayankhedkar K.G., Atrey M.D. Experimental investigation on mixed refrigerant Joule-Thomson cryocooler with flammable and non-flammable refrigerant mixtures // Cryogenics. 2010. vol. 50, p. 653-659.

47. Fateme A.B, Sahar A. A comparative study on exergetic, exergoeconomic and exergoenvironmental assessments of two internal auto-cascade refrigeration cycles // Applied Thermal Engineering 2017. Vol. 122, P. 723-737.

48. Gang Y., Hui H., Jianlin Y. Performance evaluation on an internal autocascade refrigeration cycle with mixture refrigerant R290/R600a // Applied Thermal Engineering. 2014. №234, P. 1-7.

49. Yingying T., Lin W., Kunfeng L. Thermodynamic performance of an autocascade ejector refrigeration cycle with mixed refrigerant R32+ R236fa // Applied Thermal Engineering. 2015. Vol. 84. P. 268-275.

50. Rozhentsev A., Naer V., Investigation of the starting modes of the low-temperature refrigerating machines working on the mixtures of refrigerants // International journal of refrigeration. 2009. Vol. 32. p. 901-910.

51. Andreas J. Equation of State for Solid Carbon Dioxide Based on the Gibbs Free Energy / J. Andreas, S. Roland // Journal of chemicaland engeneering data. 2012 P. 590-597.

52. Pure and Pseudo-pure Fluid Thermophysical Property Evaluation and the Open-Source Thermophysical Property Library CoolProp // Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014. Vol.53 (6). p. 2498-2508.

53. Маринюк Б.Т. Расчеты теплообмена в аппаратах и системах низкотемпературной техники. М.: Машиностроение, 2015. 272 с.

54. Verkin B.I., Getmanets V.F., Mikhalchenko R.S. Thermophysics of the phenomena of gradientless heat transfer in porous solid cryogens. // Cryogenics. 1979. Vol. 19, Issue 1. P. 17-20.

55. Busch K. Rotary vane vacuum pumps. Dr.-Ing. K. Busch GmbH // Busch K. Электронный каталог Maulburg. 2014. URL.http://www.buschvacuum.com/ /de/de/products/r+5 (дата обращения 20.03.2016).

56. ГОСТ 6651-2009. Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний Москва: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации; Москва: Изд-во стандартов. 2011. 32 с.

57. MASS-VIEW series //Электронный каталог Bronkhorst. USA. 2016.URL.https://www.massflow-online.com/shop/en/mass-flow-meters-gas-1 (дата обращения 09.07.2016).