Разработка комплексного подхода к проектированию дроссельных низкотемпературных холодильных машин на многокомпонентных смесях хладагентов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат наук Бычков Евгений Геннадьевич

• Бычков Евгений Геннадьевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Бычков Евгений Геннадьевич

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР НАУЧНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ, ПОСВЯЩЕННЫХ МЕТОДАМ РАСЧЕТА И ОСОБЕННОСТЯМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДНХМ НА МСХ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Обзор основных технологий генерации «холода» для охлаждения объектов до температур минус 90... минус 160°С и их термостатирования

1.2. Особенности проектирования низкотемпературного холодильного оборудования на основе ДНХМ на МСХ

1.3. Многокомпонентные смесевые хладагенты - рабочие тела в дроссельных низкотемпературных холодильных машинах

1.4. Схемы циклов ДНХМ на МСХ и их сравнение применительно к рассматриваемой задаче

1.5. Анализ причин изменения состава МСХ при работе в замкнутом контуре ДНХМ

1.6. Анализ методик определения «заправляемого» состава МСХ в ДНХМ и способов обеспечения оптимального «циркулирующего» состава МСХ на стационарном режиме

1.7. Выводы. Постановка основных задач исследования

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДНХМ НА МСХ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ

2.1. Методика расчета фазовых равновесий и термодинамических свойств МСХ

2.2. Предлагаемая схема цикла ДНХМ на МСХ

2.2.1. Описание цикла предлагаемой ДНХМ на МСХ

2.2.2. Система регулирования давления всасывания нижнего каскада

2.2.3. Система регулирования состава хладагента многокомпонентного рабочего тела

2.3. Математическое моделирование цикла ДНХМ на МСХ

2.4. Методика определения количественного состава заправляемой МСХ при заданном «расчётном циркулирующем» составе МСХ

2.5. Технологический алгоритм обеспечения «расчётного циркулирующего» состава на стационарном режиме работы ДНХМ

2.6. Результаты теоретического исследования ДНХМ на МСХ

2.7. Выводы по теоретической части исследований

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДНХМ НА МСХ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ

3.1. Цели и задачи экспериментальных исследований

3.2. Описание экспериментального стенда

3.3. Экспериментальные исследования ДНХМ на МСХ

3.3.1. Определение характеристик экспериментального стенда и проведение предварительных испытаний

3.3.2. Определение коэффициентов, отражающих степень изменения «циркулирующего» состава МСХ по отношению к «заправленному» для МСХ заданного состава

3.3.3. Определение влияния «циркулирующего» состава рабочего тела на холодопроизводительность и показатели эффективности ДНХМ в стационарном режиме работы

3.3.4. Апробация алгоритма обеспечения «расчётного циркулирующего» состава на стационарном режиме работы ДНХМ. Определение «скорректированного заправляемого» состава рабочего тела

3.3.5. Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований ДНХМ на МСХ

3.4. Оценка погрешностей измерений

3.5. Выводы по экспериментальной части исследований

ГЛАВА 4. АПРОБАЦИЯ ПРЕДЛАГАЕМЫХ МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ОБРАЗЦЫ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ДНХМ НА МСХ. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ

4.1. Апробация предлагаемого метода определения количественного состава МСХ и алгоритма обеспечения «расчётного циркулирующего» состава МСХ

4.2. Внедрение полученных результатов. Опытно-промышленные образцы низкотемпературного оборудования с ДНХМ на МСХ

4.2.1. Автоматизированная технологическая камера АТК-1000/90М

4.2.2. Камера для механического деформирования конструктивных элементов

из материалов с эффектом памяти формы КНМО-1

4.2.3. Стенд экспериментальный СЭТ-1

4.2.4. Шкафы низкотемпературные медицинские ШНМ-90/200М, ШНМ-90/400М

4.2.5. Аппарат для проведения локальной криотерапевтической процедуры ЛАКТ-1000

4.3. Рекомендации по проектированию низкотемпературного оборудования с

ДНХМ на МСХ для решения широкого круга задач

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ДНХМ - дроссельная низкотемпературная холодильная машина, работающая по циклу Джоуля-Томсона.

МСХ - многокомпонентная смесь хладагентов.

Рабочий контур ДНХМ - последовательная замкнутая цепь элементов конструкции (теплообменные аппараты, дросселирующее устройство, соединительные трубопроводы), замыкающим элементом которой является компрессор, обеспечивающий циркуляцию хладагента.

Установившийся (стационарный) режим работы, режим термостатирования -режим работы ДНХМ при практически неизменных её параметрах, получаемый после окончания переходного процесса (поддержание постоянной температуры или с небольшим перепадом).

«Расчётный циркулирующий» состав МСХ - это состав (массовые или мольные концентрации компонентов смесевого хладагента), который определен в ходе расчета и оптимизации параметров цикла холодильной машины, позволяющий обеспечить требуемую температуру термостатирования и соответствующий экстремуму заданного критерия эффективности (например, максимуму значения холодильного коэффициента).

«Циркулирующий» состав МСХ - это состав (массовые или мольные концентрации компонентов смесевого хладагента), фактически циркулирующий в рабочем контуре на стационарном режиме работы, определяемый в ходе экспериментальной отработки новой ДНХМ.

«Скорректированный расчётный циркулирующий» состав МСХ - это состав (массовые или мольные концентрации компонентов смесевого хладагента), который определен расчётным методом при корректировке значений «заправляемого» состава МСХ в ходе проведения экспериментальной отработки новой ДНХМ, учитывающий особенности, связанные с реальной конструкцией холодильной машины.

«Заправляемый» состав МСХ - это состав (количество молей компонентов смесевого хладагента), который определен расчетным методом исходя из известных геометрических параметров и известного «расчётного циркулирующего» состава МСХ.

«Скорректированный заправляемый» состав МСХ - это состав (количество молей компонентов смесевого хладагента), который определен расчётным методом при корректировке значений «заправляемого» состава МСХ в ходе проведения экспериментальной отработки новой ДНХМ, учитывающий особенности, связанные с реальной конструкцией холодильной машины.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка комплексного подхода к проектированию дроссельных низкотемпературных холодильных машин на многокомпонентных смесях хладагентов»

ВВЕДЕНИЕ

Низкотемпературные холодильные машины малой производительности (при объёмной производительности компрессора до 25 м3/ч) для термостатирования (поддержание постоянной температуры или с небольшим перепадом) охлаждаемых объектов в диапазоне температур минус 90... минус 160 °С, играют важную роль во многих областях науки и техники. Так, в медицине они успешно применяются для криоконсервирования медико-биологических объектов, локального криовоздействия на различные органы и ткани, в оборонно-промышленном комплексе - для охлаждения чувствительных элементов радиоэлектроники и оптоэлектроники, охлаждения высокотемпературных сверхпроводящих устройств различного назначения, в вакуумной технике и технологии - для очистки газов от примесей, в технологиях машиностроения и металлургии - для криообработки и улучшения характеристик конструкционных материалов, в энергетике - для сжижения природного газа, охлаждения сверхпроводящих кабелей и др. Реализация около десяти из 27 критических технологий, утверждённых Президентом РФ [78], нуждаются в использовании низкотемпературных холодильных машин для их реализации.

Непрерывная генерация холода в температурном диапазоне минус 90.минус 160 °С является достаточно сложной технической задачей, поскольку данные температуры существенно ниже области одноступенчатых дроссельных машин, но, с другой стороны, выше традиционных «азотных» систем, использующих расширительные машины или холод жидкого азота. Каскадирование дроссельного цикла неизбежно ведет к многократному усложнению холодильной машины, снижению ее надежности и энергоэффективности, возрастанию стоимости производства и эксплуатации. Холодильные и криогенные установки использующие детандеры или жидкий азот широко используются в различных приложениях, главным образом для создания температур в диапазоне минус 190... минус 200 °С, и их адаптация на более высокий температурный уровень приводит к дополнительным затратам, снижающим

энергоэффективность системы в целом. Более того, для систем малой производительности такие криогенные установки малооправданы ввиду их высокой стоимости и сложности эксплуатации, требующей специально подготовленного персонала. Поэтому, создание энергоэффективных холодильных машин малой производительности для термостатирования объектов на уровне температур минус 90... минус 160 °С является в настоящее время актуальной и востребованной технической задачей.

Одними из наиболее простых в конструктивном отношении являются дроссельные низкотемпературные холодильные машины (ДНХМ). Такие машины обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими типами холодильных машин: простота конструкции, малые вес и габариты, стабильность уровня термостатирования, простота стыковки холодной части с объектом охлаждения. Однако термодинамические и энергетические характеристики дроссельного цикла, использующего в качестве рабочего тела однокомпонентный хладагент, низки, что неизбежно ведет к значительному увеличению энергопотребления и массогабаритных характеристик.

Одним из перспективных направлений развития ДНХМ, является применение в них в качестве рабочего тела многокомпонентных смесей хладагентов (МСХ), обладающих большим дроссельным эффектом, меньшей работой сжатия в компрессоре и более высокой степенью термодинамического совершенства, в сравнении с однокомпонентным хладагентом.

Изучение работ [1-6], начатых в 70-80 годах отечественными учеными В.М. Бродянским, А. Д. Сусловым, С. Д. Глуховым, А.П. Клименко, В.Ф. Чайковским, Г.К. Лавренченко и зарубежными учеными D.J. Missimer, M.Q. Gong, G. Venkatarathnam показывает, что применение МСХ в качестве рабочего тела холодильной машины позволяет значительно повысить энергоэффективность (в 1,5-2 раза) и массогабаритные характеристики (в 2-3 раза) ДНХМ, а также снизить их себестоимость.

При комплексном подходе к проектированию ДНХМ на МСХ этапы их создания можно условно разделить на два, включающие в себя комплекс взаимосвязанных между собой задач:

а) расчетный, связанный с расчётом холодильного цикла и определением всех его параметров как в переходных режимах, так и при термостатировании;

б) экспериментальный, связанный с пуско-наладкой и экспериментальной отработкой реальных образцов низкотемпературного холодильного оборудования.

Ключевой задачей расчетного этапа является определение характеристик потока хладагента в рабочем контуре, а также расчёт фазового равновесия при изменении агрегатного состояния смеси, что требует применения специальных методик расчета.

При этом, существующие методики, изложенные в литературе [6-10,38,41], не в полной мере применимы для достоверного расчета ДНХМ на МСХ с целью создания реальных холодильных машин, т.к. не учитывают ряд практических особенностей таких систем (использование герметичных поршневых компрессоров; изменение «циркулирующего» состава МСХ по отношению к «заправленному»; образование растворов с ограниченной растворимостью в жидкой фазе (расслаивающихся), обеспечивающих температуру кипения в испарителе Т=1ёеш; применение МСХ, состоящих из природных углеводородов и фреонов; изменение характеристик комплектующих изделий при низкой температуре термостатирования - минус 90. минус 160 °С и многое др.).

Кроме того, для определения компонентного состава и величины заправки МСХ, а также оптимальных параметров работы ДНХМ в переходных режимах и на режиме термостатирования, требуется проведение оптимизации по большому количеству (не менее 7) переменных, с учетом ограничений и допущений, применительно к конкретной задаче. При этом для определения характеристик потока хладагента в одномерном приближении в общем случае приходится решать сложную систему уравнений, описывающую законы сохранения: закон сохранения массы (уравнение неразрывности), закон сохранения импульса (уравнение движения), закон сохранения энергии, а также включающую уравнения состояния.

Другой, не менее значимой задачей расчетного этапа является корректное определение величины заправки каждого компонента МСХ.

Стоит отметить, что для каждой новой конструкции ДНХМ и, соответственно, новой геометрии рабочего контура, пуско-наладочные работы на экспериментальном этапе ведутся методом последовательных приближений в части определения оптимальной величины заправки для достижения желаемых параметров работы, занимают крайне много времени, требуют для отработки значительного расхода компонентов МСХ и затрат на их приобретение. В связи с этим, решение задач расчетного этапа с точностью, достаточной для практической реализации будущего изделия, позволяет минимизировать время и финансовые средства, затрачиваемые на создание нового изделия.

Важной особенностью работы реальных ДНХМ на МСХ является несоответствие «циркулирующего» состава МСХ на стационарном режиме «заправленному» составу, что требует на экспериментальном этапе проектирования применения специальных технологических алгоритмов, с помощью которых обеспечивается «расчётный циркулирующий» состав непосредственно на стационарном режиме работы ДНХМ. При создании новых энергоэффективных ДНХМ необходимо обеспечить соответствие состава МСХ, «циркулирующего» на стационарном режиме, «расчетному циркулирующему» составу, который определяется в ходе расчета и оптимизации параметров цикла холодильной машины и должен обеспечить максимум заданного критерия эффективности. Решение этой задачи сопряжено с необходимостью определения величины заправки каждого компонента МСХ для заданной геометрии рабочего контура ДНХМ.

Не менее важную роль на обоих этапах проектирования играет разработка и отладка системы управления реальных ДНХМ на МСХ при различных уровнях термостатирования и охлаждения. Это отдельная сложная задача. Для её решения требуется разработка специальных алгоритмов, которые должны обеспечивать как пусковые режимы ДНХМ на МСХ, так и стабильную работу в установившемся режиме и при возможных колебаниях входных параметров.

Вышеописанные задачи, возникающие перед разработчиком при создании реального холодильного оборудования с ДНХМ на МСХ, безусловно взаимосвязаны между собой, поэтому для их решения требуется комплексный подход.

В настоящей работе автор вырабатывает комплексный подход к решению всех вышеуказанных задач применительно к этапам создания ДНХМ на МСХ малой производительности для термостатирования объектов при температурах до -160 °С в целях дальнейшего повышения их энергоэффективности, снижения массогабаритных характеристик, а также минимизации временных и материальных затрат, необходимых на их создание. Но в качестве основных выделяет, как наименее изученные, методику расчетного определения «заправляемого» количественного состава расслаивающихся МСХ и способ обеспечения «расчетного циркулирующего» состава на стационарном режиме работы, применимые для МСХ с количеством компонентов более 2-3. Исходя из вышесказанного сформулированы цель и основные задачи работы.

Цель работы: разработка комплексного подхода к проектированию и исследование дроссельной низкотемпературной холодильной машины на многокомпонентных смесях хладагентов для термостатирования объектов при температуре до минус 160°С.

Основные задачи работы:

1) Создание усовершенствованной схемы ДНХМ на МСХ для термостатирования объектов при температуре до минус 160°С.

2) Разработка методики расчета цикла ДНХМ на МСХ, включающего определение количественного состава «заправляемой» МСХ.

3) Разработка технологического алгоритма обеспечения соответствия состава МСХ, «циркулирующего» на стационарном режиме работы ДНХМ, «расчетному циркулирующему» составу.

4) Создание экспериментального стенда для экспериментального исследования работы ДНХМ на МСХ.

5) Экспериментальное исследование работы ДНХМ в широком диапазоне параметров и составов МСХ для верификации расчетной методики и отработки технологического алгоритма, включающих:

- определение характеристик и параметров в точках цикла ДНХМ на установившемся режиме работы;

- определение зависимости «циркулирующего» состава МСХ от «заправленного» для МСХ заданного состава;

- определение влияния «циркулирующего» состава рабочего тела на холодопроизводительность и показатели эффективности ДНХМ на стационарном режиме работы;

- апробацию алгоритма технологического алгоритма обеспечения соответствия состава МСХ, «циркулирующего» на стационарном режиме работы ДНХМ.

6) Сопоставление результатов расчетных и экспериментальных исследований.

7) Разработка рекомендаций по комплексному проектированию ДНХМ на МСХ для термостатирования различных объектов при температурах минус 90... минус 160 °С.

Научная новизна:

1) Разработана новая методика расчетного определения заправляемого количественного состава многокомпонентного смесевого хладагента в дроссельной низкотемпературной холодильной машине.

2) Предложен новый технологический алгоритм обеспечения расчетного циркулирующего состава многокомпонентного смесевого хладагента в замкнутом контуре дроссельной низкотемпературной холодильной машины на стационарном режиме работы.

3) На основе экспериментальных данных созданы регрессионные модели определения оптимальных характеристик дроссельных низкотемпературных холодильных машин на многокомпонентных смесевых хладагентах в зависимости от концентраций компонентов, циркулирующих в замкнутом контуре.

Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов диссертационной работы обеспечивается и подтверждается:

1) наличием поверенного контрольно-измерительного оборудования в составе экспериментального стенда;

2) результатами анализа погрешностей измерений в ходе отработки методов измерения;

3) наличием системы автоматического сбора экспериментальных данных;

4) воспроизводимостью получаемых результатов при повторных исследованиях.

Практическая ценность:

1) Предложена схема организации цикла работы ДНХМ на МСХ, защищённая патентами на изобретение (№ Яи 2563049 и (№ Яи 2743653), позволяющая повысить термодинамическую эффективность низкотемпературного холодильного цикла при работе на низких температурных уровнях по сравнению с традиционно применяемыми в настоящее время циклами и обеспечить расчетные параметры МСХ во всех процессах рабочего цикла ДНХМ при поддержании допустимых температурных условий работы электродвигателя серийно-выпускаемых компрессоров.

2) Предложена система регулирования давления всасывания в компрессор в ДНХМ на МСХ, защищённая патентом на полезную модель (№2 Яи 142750), которая обеспечивает необходимые давление всасывания в компрессор и степень заполнения испарителя хладагентом при выходе ДНХМ на МСХ на рабочий режим.

3) Предложена система регулирования состава хладагента, циркулирующего в испарителе ДНХМ на МСХ, защищенная патентом на изобретение (№2 Яи 2576561) и позволяющая автоматически регулировать состав хладагента, циркулирующего в испарителе в процессе выхода на режим ДНХМ на МСХ с регулируемым основным дросселирующим устройством.

4) Разработан комплекс компьютерных программ для расчета параметров цикла ДНХМ на МСХ, а также расчёта «заправляемого» состава МСХ для сокращения затрат при создании новых ДНХМ.

5) Определены оптимальные значения параметров дроссельной низкотемпературной холодильной машины на пятикомпонентной МСХ (Я600а, Я290, Я170, Я50, Я728), предназначенной для создания низкотемпературного оборудования для долговременной криоконсервации медико-биологических объектов, в том числе количественный состав и величина заправляемого состава хладагента, соответствующие максимуму критерия эффективности.

6) Отмечается, что предложенные метод расчетного определения «заправляемого» количественного состава МСХ и технологический алгоритм обеспечения соответствия состава МСХ, «циркулирующего» на стационарном режиме работы ДНХМ, «расчетному циркулирующему» составу, применимы для широкого ряда ДНХМ малой производительности., т.к. коэффициенты в уравнениях, отражающих степень изменения «циркулирующего» состава МСХ от «заправленного», определяются теоретически в зависимости от физических свойств компонентов МСХ.

7) Полученные в результате регрессионного анализа модели могут быть применены при разработке ДНХМ малой производительности (при объёмной производительности компрессора до 25 м3/ч), работающих по схожим схемам циклов аналогичными или близкими составами рабочих тел и обеспечивающих режим термостатирования при температурах до минус 160°С.

8) Разработаны рекомендации по комплексному проектированию ДНХМ на МСХ для термостатирования различных объектов при температурах минус 90. минус 160 °С.

9) На основании полученных результатов при непосредственном участии автора созданы опытно-промышленные образцы низкотемпературного оборудования с ДНХМ на МСХ, применяемые в медицине и машиностроении для термостатирования при температурах минус 90. минус 160 °С.

В диссертации защищаются:

1) Предложенная усовершенствованная схема ДНХМ на МСХ для термостатирования объектов при температурах до минус 160°С, обеспечивающая расчетные параметры МСХ во всех процессах рабочего цикла ДНХМ при поддержании допустимых температурных условий работы электродвигателя серийно-выпускаемых компрессоров.

2) Новая методика расчета ДНХМ на МСХ, включающая определение количественного состава заправляемой МСХ.

3) Новый технологический алгоритм обеспечения соответствия состава МСХ, «циркулирующего» на стационарном режиме работы ДНХМ, «расчетному циркулирующему» составу.

4) Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающие возможность создания низкотемпературного оборудования с ДНХМ на МСХ на базе серийно-выпускаемых компрессоров для термостатирования объектов при температурах до минус 160°С.

5) Рекомендации по комплексному проектированию ДНХМ на МСХ для термостатирования различных объектов при температурах минус 90. минус 160 °С.

Апробация работы:

Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на:

1) IX Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», Россия, Москва, 2016.

2) Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики», Россия, Москва, 2017.

3) Научно-практической конференции с международным участием «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения», Россия, Москва, 2018.

4) 47-й Международной выставке изобретений «Inventions Geneva», Швейцария, г. Женева, 2019.

5) 25-м международном Конгрессе по холодильной технике, Канада, Монреаль, 2019

6) 3-й международной научно-практической конференции «Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения», посвященная 100-летию кафедры Э4, Россия, Москва, 2019.

Публикации:

Результаты диссертации отражены в 15 научных статьях, 6 из которых в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК, получено 3 патента РФ на изобретение, 3 патента РФ на полезную модель, опубликованы тезисы 5 докладов.

Личный вклад автора:

Автором диссертации проведен анализ известных методик определения количественного состава заправляемого хладагента. Впервые разработана методика расчета ДНХМ на МСХ, включающая определение количественного состава «заправляемой» расслаивающейся МСХ с количеством компонентов более 2-3, которая применима в процессе проектирования различных ДНХМ. Предложен новый технологический алгоритм обеспечения соответствия состава МСХ, «циркулирующего» на стационарном режиме работы ДНХМ, «расчетному циркулирующему» составу, основанный на теоретическом определении коэффициентов в уравнениях, отражающих степень изменения «циркулирующего» состава МСХ от «заправленного». Создан экспериментальный стенд с ДНХМ на МСХ аналогичной опытному образцу низкотемпературной камеры для хранения медико-биологических объектов при температуре минус 150°С, на котором были апробированы предложенные методика и алгоритм. Разработаны регрессионные модели с оптимизаторами целевых функций, определяющие зависимость удельной холодопроизводительности ДНХМ и показателей её эффективности от концентраций «циркулирующего» на стационарном режиме состава МСХ. Определены оптимальные значения параметров опытных ДНХМ на МСХ. Выполнена обработка полученных экспериментальных данных и произведен сравнительный анализ с результатами, полученными в ходе теоретического исследования. При непосредственном участии автора созданы опытно-

промышленные образцы низкотемпературного оборудования с ДНХМ на МСХ для решения задач термостатирования объектов в медицине, машиностроении, а также при проведении испытаний и исследований.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы из 143 наименований, приложения и содержит 176 страниц основного текста, 51 рисунок, 22 таблицы.

В первой главе анализируются технологии и особенности проектирования низкотемпературного холодильного оборудования на основе ДНХМ на МСХ. В п. 1.3 исследуются подходы к качественному формированию многокомпонентных смесей хладагентов. В п. 1.4-1.5 проводится сравнение результатов теоретических расчётов различных схемных решений циклов и анализируются причины изменения состава МСХ в процессе работы ДНХМ. В п. 1.6 изучаются методики определения «заправляемого» состава МСХ в ДНХМ и способы обеспечения оптимального «циркулирующего» состава МСХ на стационарном режиме.

Во второй главе проводится теоретическое исследование ДНХМ на МСХ. В п. 2.1 приводится методика расчёта фазовых равновесий и термодинамических свойств расслаивающихся МСХ. В п. 2.2 предлагаются оригинальные схема цикла ДНХМ на МСХ и системы регулирования состава и давления МСХ. В п. 2.3 разрабатывается алгоритм математического моделирования предложенного цикла ДНХМ на МСХ. В п. 2.4 приводится описание предлагаемой методики определения количественного состава «заправляемой» МСХ при заданном «расчётном циркулирующем» составе МСХ. Для обеспечения «расчётного циркулирующего» состава МСХ на стационарном режиме в п. 2.5 предлагается технологический алгоритм, включающий в себя расчетный и экспериментальных этапы проектирования нового низкотемпературного оборудования на основе ДНХМ на МСХ. В конце главы приводятся результаты теоретического исследования низкотемпературного медицинского морозильника, созданного на базе предлагаемой схемы цикла ДНХМ.

В третьей главе приводятся результаты экспериментального исследования ДНХМ на МСХ и апробация предлагаемых методики расчёта и технологического алгоритма. В п. 3.2 описывается экспериментальный стенд, изготовленный с применением предложенной холодильной машины. Определяются характеристики экспериментального стенда. В п. 3.3 приводятся результаты экспериментальных исследований, включающие экспериментальное определение коэффициентов, отражающих изменение «циркулирующего» состава МСХ по отношению к «заправленному» для пятикомпонентной МСХ. Исследуется зависимости удельной холодопроизводительности и показателей эффективности ДНХМ от концентраций компонентов рабочего тела. Приводится сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований ДНХМ на МСХ. Делается вывод о том, что разработанные методика расчетного определения количественного состава «заправляемой» МСХ и технологический алгоритм обеспечения соответствия состава МСХ, «циркулирующего» на стационарном режиме работы ДНХМ, «расчетному циркулирующему» составу, могут быть применимы для сокращения объёма экспериментальной отработки при создании нового низкотемпературного оборудования на основе ДНХМ. В п. 3.4 оцениваются погрешности измерений.

В четвертой главе приводятся результаты апробации предлагаемой методики и технологического алгоритма на опытном образце низкотемпературного медицинского морозильника. В п. 4.2 кратко описываются созданные опытно-промышленные образцы низкотемпературного оборудования с ДНХМ на МСХ. В п. 4.3 сформулированы рекомендации по комплексному проектированию ДНХМ на МСХ для термостатирования различных объектов при температурах минус 90. минус 160 °С.

Благодарности

Автор выражает благодарность научному руководителю данной работы А.А. Жердеву, коллективу кафедры Э4 «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Баумана, а также сотрудникам научно-исследовательского отдела № 31 АО «ЦНИИ «Курс»

Б .А. Макарову, [ИИ. Бузукашвили| и В.И. Яковлеву за их ценные замечания и помощь в написании работы.

ГЛАВА 1. ОБЗОР НАУЧНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ, ПОСВЯЩЕННЫХ МЕТОДАМ РАСЧЕТА И ОСОБЕННОСТЯМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДНХМ НА МСХ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Обзор основных технологий генерации «холода» для охлаждения объектов до температур минус 90... минус 160°С и их термостатирования

В соответствии с поручениями Президента РФ по итогам совещания «О мерах по использованию потенциала оборонно-промышленного комплекса для выпуска высокотехнологичной продукции гражданского назначения, востребованной на внутреннем и внешнем рынках» [79] основной целью государственной промышленной политики является создание условий для производства высокотехнологичной продукции гражданского и двойного назначения и обеспечения сбыта такой продукции.

Решение задач по развитию производства высокотехнологичной продукции двойного назначения напрямую зависит от повышения инновационной активности, разработки новых видов оборудования и внедрения передовых технологий. Переход к инновационному пути развития на основе выбранных приоритетов определен в качестве главной цели государственной научно-технической политики, т.к. от создания новой техники в немалой степени зависят успехи современной медицины, энергетической, оборонной промышленности, машиностроения и др.

К одним из таких передовых технологий можно отнести технологии генерации холода на температурном уровне минус 90. минус 160°С.

В настоящее время используются две основные технологии достижения сверхнизких температур, обеспечивающих возможность как длительного хранения при низких температурах различных объектов охлаждения, так и их охлаждение до температур термостатирования:

- технология охлаждения и термостатирования за счет теплоты испарения сжиженных криогенных газов - криопродуктов (жидкий азот, аргон, гелий и др.);

- технология охлаждения и термостатирования на основе применения холодильных машин.

Эти технологии широко применяются в следующих, требующих низкопотенциальный «холод», технологических направлениях:

- криомедицинские технологии, кратковременное и долговременное хранение медико-биологических объектов [54,55,61,62,63];

- обработка (криообжиг и криозакалка) ответственных узлов и деталей для судостроительной, авиационной, станкоинструментальной, оружейной и др. отраслей промышленности [58,59];

- изготовление и испытания специальных строительных материалов [60];

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бычков Евгений Геннадьевич, 2021 год

ИТ Источник тока

ЭТ1 Электронагреватель БК0Ь-1-0,33

ЭТ2 Электронагреватель Т30 Т-220В-0,3

Р Измерители давления

Т Измерители температуры

Рисунок 3.2. Принципиальная схема экспериментального блока в составе

экспериментального стенда

Компоненты нижнего каскада ДНХМ, которые работают при температурах ниже температуры окружающей среды, расположены в теплоизолированном корпусе - Рисунок 3.3.

Рисунок 3.3. Компоненты нижнего каскада ДНХМ в теплоизолированном корпусе экспериментального блока Тип теплоизоляции - хладостойкая закрытоячеистая двухкомпонентная полиуретановая система Е1аБ1юрог Н2120/80/2. Коэффициент теплопроводности теплоизоляции при температуре 10°С составляет не более 0,019 Вт/м-°С.

Полости заполнены песком перлитовым М75 (теплопроводность при температуре 25°С составляет не более 0,043 Вт/м-°С). Толщина теплоизоляции по 6 сторонам вокруг испарителя - 160 мм. Размеры теплоизолированного корпуса: длина - 780 мм, ширина - 670 мм, высота - 660 мм.

В теплоизолированном корпусе расположены испаритель и рекуперативный теплообменный аппарат - Рисунок 3.4.

Испаритель представляет собой трубчатый медный теплообменный аппарат, на который навит ленточный электронагреватель. Между трубками испарителя установлены проставки для обеспечения равномерного распределения трубок по высоте. Длина испарителя соответствует аналогичной в опытном образце низкотемпературного медицинского морозильника УММ-130/150 [49] и составляет 10090 мм. Конструкция рекуперативного теплообменного аппарата выполнена по типу капиллярные трубки в трубе. Длина внешней трубки - 5500 мм.

Рисунок 3.4. Общий вид испарителя с установленным ленточным нагревателем и общий вид с поперечным разрезом рекуперативного теплообменного аппарата При этом, трубки рекуперативного теплообменного аппарата запенены в оснастке полиуретановой системой Elastopor H2120/80/2. Размеры рекуперативного теплообменного аппарата без патрубков: длина - 465 мм, ширина - 145 мм, высота - 470 мм.

В качестве основного дросселирующего устройства применяется электронный расширительный вентиль фирмы «Carel» с шаговым четырёх-полюсным двигателем и прокладкой из фторопласта-4 - Рисунок 3.5.

Рисунок 3.5. Общий вид элементов конструкции основного дросселирующего устройства

ДНХМ выполнена в виде отдельного модуля - Рисунок 3.6.

Рисунок 3.6. Общий вид ДНХМ на МСХ

ДНХМ идентична применяемой в низкотемпературном морозильнике УММ-130/150 [49]. Принцип действия холодильной машины описан в п. 1.6.1 гл. 1. Рабочее тело верхнего каскада - МСХ качественного состава Я125 / 143а / 134а (Я404а), нижнего каскада - МСХ качественного состава Я728 / Я50 / Я170 / Я290 / Я600а. ДНХМ включает в себя одноступенчатые герметичные холодильные компрессоры:

а) верхний каскад - «ТесишБеИ Ь'Цпке Hermetique» СЛ145197, количество цилиндров - 1, объём цилиндра - 34,45 см3, тип масла - синтетическое, объём заправки масла 0,47 л. Предельная температура нагнетания 135°С.

б) нижний каскад - «ТесишБеИ Ь'Цпке Hermetique» СЛ195137, количество цилиндров - 1, объём цилиндра - 24,20 см3, тип масла - синтетическое, объём заправки масла 0,47 л. Предельная температура нагнетания - 135°С.

На линии нагнетания установлены отделители масла «Весоо1» Б8-08-12 и «БаиГоББ» ОиВ 1Б - Рисунок 3.7, после которых расположен воздушный трубчато-

ребристый конденсатор, который для верхнего и нижнего каскадов выполнен в едином корпусе - Рисунок 3.8.

Рисунок 3.7. Конструкции применяемых отделителей масла

Рисунок 3.8. Общий вид воздушного трубчато-ребристого конденсатора

Отделитель масла «Весоо1» Б8-0Б-12 объёмом 1,6 л - поплавкового типа, маслонаполненный. Объём заправки масла - 0,6 л. Отделитель масла «ВапЮББ» ОиВ 1Б - игольчатого типа с масляным сепаратором, концентратором и фильтром тонкой очистки.

В качестве конденсатора-предохладителя применялся паяный пластинчатый теплообменный аппарат «БапЮББ» В3-014-28-3.0Н.

Система автоматического управления режимами работы ДНХМ построена по модульному принципу на базе связки свободно-программируемого контроллера

«Овен» ПЛК-110 и сенсорной панели оператора «Овен» СПК-105. Общий вид системы автоматического управления приведен на Рисунке 3.9.

Рисунок 3.9. Общий вид системы автоматического управления режимами работы ДНХМ

Экспериментальный стенд оборудован комплексом контрольно-измерительной аппаратуры. Перечень контролируемых параметров и применяемого оборудования приведён в таблице в приложении П.2.

Измерение температуры МСХ в указанных на Рисунке 3.2 точках цикла осуществлялось платиновыми термометрами сопротивления «Элемер» ТС-1388B/Pt100, которые устанавливались на прямые участки труб через тонкий слой термопасты, фиксировались хомутами и дополнительно изолировались трубной теплоизоляцией «k-flex». Каждый из термометров имеет индивидуальную тарировку. Эскиз с конструкцией термометров приведён на Рисунке 3.10.

Рисунок 3.10. Эскиз конструкции применяемых термометров сопротивления

Градуировка термометров сопротивления осуществлялась по температуре кипения жидкого азота при атмосферном давлении (-195,75°С) и температуре кипения воды (100°С).

В качестве вторичных приборов, для преобразования сигналов термометров сопротивления использовались термометры многоканальные ТМ 5122 (4 канала), 5103 (8 каналов), 5104 (16 каналов) производства «Элемер». Указанные приборы предусматривают заводское согласование с применяемыми термометрами типа Pt100 в диапазонах температур от минус 196 до 200 °С и от минус 50 до 200 °С в зависимости от типа применяемого термометра.

ДНХМ подключена к однофазной сети переменного тока с напряжением 220 В, частотой 50 Гц. Контроль напряжения питания, тока и потребляемой мощности осуществлялся при помощи универсального измерительного комплекса К-505 и измерителей мощности «Меркурий» 230 ART.

Для подвода дополнительной тепловой нагрузки к испарителю использовался ленточный электронагреватель ENGL-1-0,33 с удельной мощностью 40 Вт/м, максимальной мощностью 330 Вт, который подключен через цифровой лабораторный ваттметр CP3010 и выпрямитель ВСА-111К с диапазоном регулирования напряжения 0.. .80 В - Рисунок 3.11.

Рисунок 3.11. Ваттметр CP3010 и выпрямитель ВСА-111К

Электронагреватель выполнен из плетеной стеклонити, в основе которой восемь нагревательных жил из проволоки высокого сопротивления. Снаружи стеклонити покрыты водонепроницаемой оболочкой из кремнийорганической резины.

Для подвода дополнительной тепловой нагрузки к всасывающему трубопроводу с целью обеспечения постоянной температуры на всасывании в компрессор применялся электронагреватель ЭТ2 T30 Т-220В-0,3 максимальной мощностью 300 Вт - Рисунок 3.12, который подключен через автотрансформатор АОСН-2-220-82.

Рисунок 3.12. Электронагреватель ЭТ2 Т30 Т-220В-0,3

Регулирование электронагревателя производилось по показаниям термометра сопротивления на всасывании в компрессор.

Для измерения электрической мощности, подводимой к электронагревателям, использовались измеритель параметров электрической сети «Овен» ИМС- Ф1 и цифровой мультиметр «Овен» КМС-Ф1.

Заправка компонентов МСХ в рабочий контур ДНХМ осуществлялась весовым способом по определенной методике с использованием электронных весов «CAS» SWII-05 повышенной точности, класс точности 1,0 (для массы до 0,5 кг).

Массовый расход, объёмный расход и плотность МСХ определялись с использованием газового кориолисового расходомера «Endress & Hauser» Promass 83A (Рисунок 3.6). Произведена калибровка расходомера на сертифицированном калибровочном оборудовании производителя. Диапазон измерения массового

расхода 0...450 кг/ч, диапазон измерения по температурам потока -50...+200°С. Класс точности измерения массового расхода газа 0,5.

Для определения концентраций циркулирующей в рабочем контуре МСХ использовался газовый хроматограф «Хромос» ГХ-1000 (Рисунок 3.1). В состав хроматографа входят детектор по теплопроводности и пламенно-ионизационный детектор. Хроматограф был откалиброван производителем по двух, трех, четырех или пяти компонентным МСХ в различных комбинациях компонентов Я50, Ю70, Я290, Я728, Я14, Я22, Я23, Ю42Ь, Я600а. Неопределенность в определении состава была оценена как ± 0,2%.

Сбор измеряемых параметров производился при помощи ОРС-серверов с заданным интервалом времени, а обработка для визуализации была реализована в вертикально-интегрированной MasterScada-системе с многоуровневой клиент-серверной архитектурой (Рисунок 3.1).

3.3. Экспериментальные исследования ДНХМ на МСХ

Экспериментальные исследования были разделены на два этапа. На первом этапе определялись характеристики экспериментального стенда, необходимые для обработки дальнейших результатов экспериментов, и проводились предварительные испытания. Они включали в себя работы по определению внутреннего объёма рабочего контура ДНХМ, внешних теплопритоков к испарителю, отработку методики заправки рабочего контура ДНХМ МСХ заданного состава, методики хроматографического анализа МСХ и определение характеристик экспериментального стенда на тестовой МСХ на установившемся режиме работы.

На втором этапе проводились непосредственно экспериментальные исследования ДНХМ на МСХ, которые включали в себя:

а) определение коэффициентов, отражающих изменение «циркулирующего» состава МСХ по отношению к «заправленному» для МСХ заданного состава;

б) определение влияния «заправляемого» состава рабочего тела на холодопроизводительность ДНХМ в стационарном режиме работы;

в) отработку технологического алгоритма обеспечения «расчетного циркулирующего» состава на стационарном режиме работы ДНХМ. Определение «скорректированного заправляемого» состава рабочего тела.

Определение холодопроизводительности ДНХМ на стационарном режиме работы производилось косвенным методом из уравнения теплового баланса:

Qx = Qэн + Qт (3.1)

где Qx - холодопроизводительность; @ЭН - тепловая нагрузка на испаритель, создаваемая электронагревателем ЭТ1; Qт - усреднённая величина теплопритоков к испарителю на стационарном режиме работы.

Значение Qт является характеристикой экспериментального стенда и его необходимо определить перед проведением экспериментальных исследований.

3.3.1. Определение характеристик экспериментального стенда и проведение предварительных испытаний

Методика определения характеристик экспериментального стенда, а также результаты расчетов и экспериментов, приведены в приложении П.3. Были определены следующие работы:

а) Определен внутренний объем рабочего контура ДНХМ (¥э = 28,48 л).

б) Проведена оценка усреднённой величины теплопритоков к испарителю ДНХМ на стационарном режиме работы (@Тэ = 8,85 Вт).

в) Разработана методика хроматографического анализа МСХ. Определены градуировочные прямые для заданного качественного состава МСХ.

г) Разработана методика заправки заданного состава МСХ в рабочий контур ДНХМ и методика отбора проб на установившемся режиме работы ДНХМ.

д) Определены характеристики экспериментального стенда на тестовой МСХ на установившемся режиме работы.

е) Определен «заправленный» и «циркулирующий» на установившемся режиме работы составы тестовой МСХ. Анализ проб «заправленного» и «циркулирующего» на стационарном режиме составов тестовой МСХ показал наличие сдвига концентраций для компонентов. При этом концентрации низкокипящих компонентов ожидаемо увеличились, высококипящих - снизились.

3.3.2. Определение коэффициентов, отражающих степень изменения «циркулирующего» состава МСХ по отношению к «заправленному» для МСХ заданного состава

Для определения функциональных зависимостей между мольными концентрациями «заправленного» и «циркулирующего» на стационарном режиме составов МСХ был сформирован ряд пятикомпонентных азот-углеводородных смесей (R728 / R50 / R170 / R290 / R600a). Соотношения между мольными долями и величина заправки в молях приведены в Таблице 12.

Следует отметить, что исследования проводились с ДНХМ, которая обеспечивает режим термостатирования при температуре минус 150°С и работает в режиме «LRS» (liquid refrigerant supply - часть компонентов МСХ конденсируется при температурах окружающей среды) с перепускной линией, расположенной после конденсатора-переохладителя. При этом, как уже отмечалось ранее, ДНХМ не является стендовой, а её конструкция максимально идентична конструкции низкотемпературного морозильника, обеспечивающего термостатирование медико-биологических объектов. Составы исследуемых смесей были подобраны таким образом, чтобы максимально охватить диапазоны концентраций каждого компонента для выявления функциональных зависимостей и одновременно с этим обеспечить достижение искомой температуры на выходе из испарителя.

В ходе первой серии испытаний были установлены минимальные концентрации низкокипящих компонентов - R728 и R50, ниже которых искомую температуру на выходе из испарителя (минус 150°С) получить не удавалось: 17% для R728 и 23% для R50.

Таблица 12.

Перечень исследуемых азот-углеводородных МСХ

МСХ «Заправляемый» состав, мольные доли % Суммарный «заправляемый» состав, моль

Я728 Я50 Я170 Я290 Я600а

М01 18,3 29,1 15,5 9,5 27,6 13

М02 16,5 31,7 15,6 9,9 26,3

М03 17,4 22,9 20,3 13,8 25,6

М04 18,5 23,1 20,9 16,5 21,0

М05 23,3 21,7 19,7 15,5 19,8

М06 22,6 23,9 19,1 15,1 19,3

М07 25,1 22,9 17,0 15,1 19,9

М0 21,7 24,0 24,3 25,1 5,0

М1 16,9 23,2 24,5 12,5 22,9

М2 19,0 25,0 23,0 14,0 19,0

М3 17,4 30,9 20,8 16,0 14,9

М4 23,0 29,0 19,0 18,0 11,0

М5 25,0 31,0 17,0 20,0 7,0

М1еБ1 19,9 27,4 22,6 20,1 10,0 12

М1 17,0 23,0 25,0 12,0 23,0

М2 19,0 25,0 23,0 14,0 19,0

М3 21,0 27,0 21,0 16,0 15,0

М4 23,0 29,0 19,0 18,0 11,0

М5 25,0 31,0 17,0 20,0 7,0

М6 18,0 30,0 14,0 10,0 27,0

В ходе первой и второй серии (различный суммарный заправляемый состав) экспериментальных исследований ДНХМ выходила на стационарный режим работы при этом обеспечивались идентичными:

а) температура и давление на всасывании в компрессор нижнего контура ДНХМ,

б) суммарный заправляемый состав МСХ,

в) геометрические размеры рабочего контура ДНХМ,

г) температура на выходе из испарителя ДНХМ.

Таким образом, варьируемые параметры на стационарном режиме - это «заправляемый» состав МСХ и тепловая нагрузка на испаритель ДНХМ. Дополнительно на стационарном режиме работы брались пробы из ресивера в

нижнем каскаде для установления соответствия «заправленного» в рабочем контуре состава МСХ остаточному составу в ресивере. При этом по мере снижения температуры на выходе из испарителя ДНХМ давление в ресивере вследствие перепуска МСХ на всасывание в компрессор снижалось, в отдельных случаях -вплоть до значения давления всасывания.

При проведении исследований определялись и сравнивались составы МСХ: «заправленный» после перемешивания, «циркулирующий» в рабочем контуре без нагрузки на предельно достижимой температуре; в ресивере на стационарном режиме работы; «циркулирующий» на расчётном режиме с дополнительной нагрузкой на испаритель. Пример такого распределения для МСХ «М6» приведён на Рисунках 3.13 и 3.14.

Кроме того, для ряда составов бралась проба МСХ перед запуском ДНХМ. При этом была отмечена необходимость принудительного «перемешивания» ступенчато заправленного состава МСХ путём кратковременного пуска компрессора. В противном случае по рабочему контуру ДНХМ наблюдался сильный перекос по заправленному составу вследствие того, что процессы взаимной диффузии газов в условиях небольших диаметров трубопроводов протекают крайне медленно - Рисунок 3.13. Как видно из диаграммы для смеси «М6», анализ проб составов в ресивере и на всасывании по истечении 3-х суток также не значительно отличается от исходных значений аналогичных проб после заправки. В то же время после кратковременного пуска и принудительного перемешивания состав рабочего тела выравнивается и концентрации в ресивере и на всасывании близки друг к другу. В любом случае после перемешивания фактический состав МСХ в рабочем контуре будет ожидаемо отличаться от исходного «заправляемого» вследствие растворения части высококипящих компонентов в компрессорном масле.

На Рисунке 3.14 приведены сравнительные диаграммы «заправленного» и «циркулирующего» составов МСХ «М6».

60

50

40

30

20

10

57,6

0,4

1,8 т

31,2 57,5

42,0

31,7

28,2

30,0

58,8

ГТТ:

ОЛ/ч ОЛ/ч ч\\"ч ОЛ/ч ч\\"ч ОЛ/ч ч\\"ч ОЛ/ч ч\\"ч ОЛ/ч ОЛ/ч ч\\"ч ОЛ/ч ч\\"ч ОЛ/ч ч\\"ч ОЛ/ч ч\\"ч ОЛ/ч ОЛ/ч ч\\"ч ОЛ/ч ч\\"ч ОЛ/ч ч\\"ч ОЛ/ч ч\\"ч ОЛ/ч ч\\"ч ч\\"ч ОЛ/ч ч\\"ч ОЛ/ч ч\\"ч ОЛ/ч ч\\"ч ОЛ/ч ч\\"ч ОЛ/ч ч\\"ч ч\\"ч ОЛ/ч

42,2

46,2

46,3

27,3

17,6

16,8

10,9

10,3

4,8

5,5

3,4

V// 1 I

15,5

12,6

5,2

6,6

Я728

Я50

Ю70 Состав МСХ

Я290

Я600а

"Заправляемый"

□ В ресивере после заправки

□ В ресивере после заправки на 3 сутки

□ В ресивере после кратковременного пуска

□ На всасывании в компрессор после заправки

□ На всасывании в компрессор после заправки на 3 сутки

□ На всасывании в компрессор после кратковременного пуска

Рисунок 3.13. Сравнение различных проб составов МСХ «М6» после заправки

0

50

40

ч о

В 30

л л

Ё ^

X О

« 20

10

50,2

47,1

40,5

37,3

35,5 35,6

18,4

^лл

■ЛЛ ^ЛЛ ■ЛЛ ^ЛЛ ■ЛЛ ^ЛЛ лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл лл ^лл

29,1

30,0

46,2

27,3

14,0

9,6

10,7

10,3

7,4

t--.---.--j

Я728

Я50

Ю70 Состав МСХ

Я290

Я600а

"Заправляемый" В "Циркулирующий" на режиме 0 В ресивере на режиме

□ "Циркулирующий" без нагрузки 0 В ресивере без нагрузки

Рисунок 3.14. Сравнение «заправленного» и «циркулирующего» составов МСХ «М6»

0

Результаты, представленные на диаграммах, получены в ходе анализа проб, отобранных на линии всасывания и из ресивера на стационарном режиме работы с избыточной нагрузкой на испаритель, а также аналогичных проб, отобранных на режиме с предельно низкой температурой без дополнительной нагрузки на испаритель.

Как видно из результатов мольные концентрации низкокипящих компонентов Я728 и Я50 в «циркулирующих» составах ожидаемо значительно выше, чем в «заправленном», а мольные концентрации высококипящих Я170, Я290 и Я600а - заметно ниже.

При этом анализируемые составы МСХ в ресивере незначительно отличаются от исходного до запуска холодильной машины. Это связано с тем, что по мере выхода на заданный режим термостатирования и изменения фазового состояния МСХ в рабочем контуре с одновременным снижением давлений всасывания и нагнетания из ресивера через капиллярную трубку перепускаются порции рабочего тела практически идентичного состава. Таким образом, увеличивается количество «циркулирующего» в рабочем контуре рабочего тела холодильной машины, при почти неизменном соотношении концентраций компонентов в ресивере. Другими словами, максимальное суммарное количество «циркулирующей» в рабочем контуре МСХ в автоматическом режиме обеспечивается за счет дозированного перепуска из емкости с избыточным количеством рабочего тела исходного состава (ресивера). В этом случае суммарное количество «циркулирующего» на стационарном режиме рабочего тела из-за наличия ограничений по давлениям всасывания и нагнетания будет определяться термодинамическими свойствами МСХ. Хроматограммы для МСХ других количественных составов подтвердили повторяемость полученных результатов.

Для каждой из МСХ в Таблице 12 был определен «циркулирующий» состав на стационарном режиме работы ДНХМ. Результаты исследований для МСХ с суммарным «заправляемым» составом 13 моль приведены на Рисунке 3.15, с суммарным «заправляемым» составом 12 моль - на Рисунке 3.16, сравнение 12 и 13 моль - на Рисунке 3.17.

0,5

и л

о

д

е

ы

н

ь

л

о

,Х С

ав

т с о с

0,4

0,3

0,2

й

и щ

ю

I 0,1

илурк р

и

0

Х^=const (13 моль) P1=const T9=const Qx

R600а

■ М01 ♦ М02

АМ03 х М04

жМ05 • М06

+ М07 ★ МО

и>М1 оМ2

□ М3 ДМ4

о М5

0

0,5

0,1 0,2 0,3 0,4

«Заправляемый» состав МСХ (х;), мольные доли

Рисунок 3.15. «Веер» изменения «циркулирующего» состава в зависимости от «заправленного» по компонентам

МСХ суммарной заправкой 13 моль

0,5

и л

о

д

е

а 0,4

ь л о

N

¡5 0,3 С

ав

т с о с

0,2

й

и щ

ю

у

р и

I О'1

р

и

0

0

0,5

0,1 0,2 0,3 0,4

«Заправляемый» состав МСХ (х;), мольные доли

Рисунок 3.16. «Веер» изменения «циркулирующего» состава в зависимости от «заправленного» по компонентам МСХ суммарной заправкой 12 моль

0

0

0,1 0,2 0,3 0,4

«Заправляемый» состав МСХ (хь), мольные доли

0,5

Рисунок 3.17. «Веер» изменения «циркулирующего» состава в зависимости от «заправленного» по компонентам МСХ суммарной заправкой 12 и 13 моль

Как видно из графиков концентрации низкокипящих компонентов (Я728 и Я50) в «циркулирующем» составе выше, чем в «заправленном». Обратная тенденция наблюдается для высококипящих компонентов (Я170, Я290 и Я600а). Существенное увеличение концентраций низкокипящих компонентов во многом определяется именно существенным снижением концентраций высококипящих компонентов вследствие растворения их в смазочном масле.

Относительное изменение мольных концентраций Я728 для различных составов МСХ составило в среднем 17.. .18%, Я50 - 8.. .9%, Я170 - 7.. .8%, Я290 -5...12%, Я600а - 4.17%.

Полученные результаты для разной суммарной величины заправки менее существенно отличаются друг от друга для низкокипящих компонентов, но более существенно для высококипящих. Это связано с различным исходным количеством «заправленного» состава высококипящих компонентов в рабочем контуре, т.к. количество МСХ, перепускаемое из ресивера ограничено предельными значениями давлений всасывания и нагнетания и фактически определяется термодинамическими свойствами самой МСХ. При этом, исходное количество заправленных высококипящих компонентов определяет, в том числе, величину изымаемых из «циркулирующего» состава растворенных высококипящих компонентов в компрессорном масле.

Как видно из Рисунков 3.15-3.17 результаты исследований ожидаемо показывают, что зависимости значений «заправляемых» составов МСХ с составами МСХ на установившемся режиме работы в определенном диапазоне массовых концентраций компонентов аппроксимируются линейными функциями с достаточно высокими величинами достоверности аппроксимации по компонентам - Таблица 13. В таблице приведены эмпирические уравнения аппроксимирующих функций с характерными значениями коэффициентов А^ и В^ для каждого компонента МСХ в диапазоне концентраций, в котором проведена аппроксимация.

Таким образом, для реальной ДНХМ на МСХ, работающей в режиме «ЬЯБ» подтверждаются выводы о линейном характере изменения концентраций [101], полученных для схожих по типу ДНХМ в работах [38,39].

Таблица 13.

Соотношения между «заправляемыми» и «циркулирующими» на стационарном режиме составами исследуемых МСХ по компонентам

Компонент МСХ (диапазон Xj ,мол.%; диапазон Zj ,мол.%) Эмпирическое уравнение аппроксимирующей функции Величина достоверности аппроксимации R2

суммарный «заправляемый» состав 13 моль

R728 (16,5-25,1; 33,7-43,8) х = 0,8986 • z — 0,1385 0,97

R50 (21,7-31,7; 28,9-39,5) х = 1,0011 • z- 0,0783 0,98

R170 (15,5-25,0; 8,8-16,6) х = 1,2034 • z + 0,0522 0,96

R290 (9,5-25,1; 3,5-11,7) х = 2,0708 • z + 0,0081 0,96

R600a (5,0-27,6; 2,0-11,9) x = 2,1867 • z + 0,0140 0,98

суммарный «заправляемый» состав 12 моль

R728 (17,0-25,0; 33,7-42,5) x = 0,9445 • z - 0,1508 0,98

R50 (23,0-31,0; 31,9-40,5) x = 0,9077 • z - 0,0579 0,97

R170 (14,0-25,0; 7,4-16,6) x = 1,1781 • z + 0,0629 0,96

R290 (10,0-20,1; 5,1-9,6) x = 2,3502 •z-0,0146 0,96

R600a (7,0-27,5; 1,9-8,8) x = 3,1221 • z + 0,0078 0,97

На Рисунке 3.18 относительно критериев подобия приведены интервальные полиномиальные зависимости для коэффициентов Ai и Bi , которые характеризируют отличие «заправляемого» и «циркулирующего» состава МСХ в исследуемых диапазонах концентраций компонентов. Полученные результаты на графиках приведены в сравнении с результатами, полученными другими авторами (Таблица 2) в ДНХМ на МСХ малой производительности, обеспечивающих заданный режим термостатирования охлаждаемых объектов, работающих по автокаскадному циклу или циклу Линде-Хемпсона в режиме «GRS». При этом в них применяется схожий как по типу, так и по функциональному устройству, перечень основных аппаратов, механизмов и машин.

Полученные экспериментальные результаты подтверждают существование зависимости констант уравнения (1.4) от физических свойств и критических параметров компонентов МСХ для схожих по типу холодильных машин.

10 12 14

Ву0- 10*

■ 2007 (М.Оог^ е1 а1) ♦ 2010 (ТЧХакзЪтгп КагантЪап й а1) а 2016 (В.ЗгеетуаБ й а1) * 2021 (Е.ВусЬкоу) -Ро1употта1 (1Л18 апс! вЯЗ) ---Ро1утюгтпа1 (О^)

10 12 14

ВУо ' Ю2

♦ 2010 (К.ЬакзЬт! ШгавтИап ег а1)

■ 2007 (М.ОКищ й а1) а 2016 (В.Згеешуав а1) * 2021 (Е.ВусЬкоу) -Ро1употта1 (LRS апс! GRS) ---Ро1употта1 (СК8'

Рисунок 3.18. Полиномиальные экспериментальные зависимости коэффициентов и от критериев подобия Рг0 и Ву0 компонентов МСХ для ДНХМ, работающих в режиме «ЬЯ8»

При этом во всех исследованиях отмечается высокая сходимость значений по низкокипящим компонентам МСХ (R728, R50, R170), и градиентная по высококипящим (R290, R600a). Это вполне ожидаемо, т.к. исследования других авторов проводились на стендовых ДНХМ, которые работали в режиме «GRS», а в настоящей работе исследования проводились с реальной ДНХМ, которая работает в режиме «LRS» с перепускной линией, расположенной после конденсатора-переохладителя, и с большим по объёму количеством компрессорного масла. Таким образом, в нашем случае более значительно на изменение состава оказывает влияние растворение высококипящих компонентов МСХ в компрессорном масле, а также отвод части высококипящих компонентов в жидком виде на линию всасывания.

Сплошной линией на графиках Рисунка 3.18 показаны эмпирические полиномиальные кривые второй степени, которые объединяют результаты исследований всех авторов для «GRS» и «LRS» режимов, пунктирной - только для «GRS». Полиномиальные зависимости условны, и по сути они определяют области существования коэффициентов Ai and Bi, характерных для рассматриваемого типа холодильных машин. Относительное расхождение в рассматриваемом диапазоне значений критериев подобия между аппроксимирующими полиномиальными кривыми для «GRS» и «LRS» режимов, определяющими области существования коэффициентов At and Bt, не отличается более чем на 10-15%.

Существование линейной зависимости для коэффициентов Ai and Bi, было подтверждено экспериментально для различных типов ДНХМ на МСХ в режимах «GRS» и «LRS» [38,39]. Поэтому очевидно, что зависимость коэффициентов At and Bi от физических свойств и критических параметров МСХ будет также соблюдаться для указанных режимов работы. Для различных режимов будут отличаться коэффициенты Ai and Bi именно для высококипящих компонентов вследствие различного их исходного количества в рабочем контуре.

Полученные полиномиальные эмпирические зависимости для различных критериев подобия Рг0 и Ву0 (Таблица 14) характерны для рассматриваемого класса холодильных машин, независимы друг от друга и дают идентичный

результат с точностью, достаточной для практического применения по определению первого приближения «скорректированного заправляемого» состава МСХ в алгоритме обеспечения «расчётного циркулирующего» состава МСХ на стационарном режиме работы ДНХМ.

Таблица 14.

Эмпирические зависимости для коэффициентов А^ и В1

Критерий подобия Полиномиальная зависимость

Аг = 35,319Рг02 - 51,221Рг0 + 19,348

^ = 99,469Рг02 - 139,71Рг0 + 48,065

ВУО = (/- ) 1 Аг = 0,02035у02 - 0,37575у0 + 2,4718

У-'крРкр/ ср0 = 0,07065у02 - 1,33935у0 + 5,2509

При формировании МСХ нового качественного состава для решения аналогичных задач со схожим как по типу, так и по функциональному устройству, перечнем основных аппаратов, механизмов и машин в схеме ДНХМ, возможно рассчитать критерии подобия для компонентов МСХ и по полученным зависимостям также определить начальные приближения коэффициентов А^ и В1.

Кроме того, стоит отметить, что по сравнению с аналогичными исследованиями коэффициенты В1 для компонентов МСХ близки к 0, что позволяет ими пренебречь. Тогда уравнение (1.4) сводится к уравнению вида X; = , где коэффициент А1 определяет угол отклонения прямой от прямой равного «циркулирующего» и «заправленного» состава х^ = через соотношение а^ = п/4 — arct^(Л¿).

3.3.3. Определение влияния «циркулирующего» состава рабочего тела на холодопроизводительность и показатели эффективности ДНХМ в стационарном режиме работы

Для обеспечения корректности проведения серий экспериментальных исследований были обеспечены идентичные условия на всасывании в компрессор нижнего каскада для каждой МСХ. Так, в исследуемом диапазоне концентраций

«заправляемого» и, соответствующего ему, «циркулирующего» составах МСХ потребляемая мощность компрессора нижнего каскада в стационарном режиме определялась массовым расходом рабочего тела, давлением нагнетания и составом МСХ, т. к. температура на всасывании и давление всасывания в компрессор поддерживались неизменными автоматической регулировкой «ЭТ2» и «ЭРВ». Характер зависимости потребляемой мощности компрессора нижнего каскада от степени сжатия на стационарном режиме работы приведен на Рисунке 3.19.

я а

е

ю ^ & °

I &

п с

лТ °

н ш

8 | 960 н нм

I §

о

940

•

• • ......' . ^.....-'""к2 = 0,8542

• •

—вС^- 1

,5 9,0 9,5 10,0

Степень сжатия в компрессоре 1

10,5

Рисунок 3.19. Экспериментальная зависимость мощности, потребляемой компрессором 1 от степени сжатия для исследуемых МСХ Как видно из графика полученные значения хорошо аппроксимируются прямой, что подтверждает идентичность параметров на всасывании в сериях проводимых экспериментов.

Для исследуемой ДНХМ на МСХ в ходе серии экспериментов были получены следующие значения холодопроизводительностей при заданных температурах: термостатирования (температуре на выходе из испарителя) и окружающей среды - Рисунок 3.20. Максимальное значение холодопроизводительности холодильной машины было получено для смеси «М01», а холодильного коэффициента - для смеси «М4».

На Рисунке 3.21 приведены аппроксимирующие прямые для показателей эффективности ДНХМ, построенные по полученным в ходе расчета экспериментальным значениям холодопроизводительности Qх и потребляемой

мощности Ые. В качестве идеального цикла термостатирования при определении степени термодинамического совершенства был принят цикл Карно (1.2).

50 п

М 45

л" н о о К л

2 30 Ё

£ 25 и

СО

к

О Л С о ч о ч

£

40 35

20 15 10 5

3,0%

и М0 М1 М2 М3 М4 М5 М01 М02 М03 М04 М05 М06 М07 МТ Е8Т М21 М22 М23 М24 М25 М26

■ ё X 2,5% 2,2% 2,5% 2,3% 2,7% 1,9% 2,7% 2,3% 0,6% 0,9% 1,3% 1,7% 1,5% 2,3% 2,5% 2,2% 2,6% 2,5% 1,5%2,3%

39,0 35,3 40,2 36,9 42,6 30,0 43,1 37,6 8,85 14,0 20,4 26,4 24,8 35,8 40,0 35,5 42,0 40,3 25,0 36,9

2,5%

2,0%

1,5%

1,0%

0,5%

н К <и К

а

к

ел

35

к л ч к ч о ч

£

0,0%

Исследуемые МСХ

Рисунок 3.20. Экспериментально полученные значения

холодопроизводительности и холодильного коэффициента для исследуемых МСХ

5% 4% 3% 2% 1% 0% -

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Удельная массовая холодопроизводительность, кДж/кг • Частный холодильный коэффициент (нижнего каскада)

А Общий холодильный коэффициент

X Степень термодинамического совершенства

• Я2 ...............1? .= 0,9075 • 2_= 0,9075

• .........X ........*'*" . < _---Х- Я2 *Х = 0,9083

.......т"" .......... •-........ X А ----- X ▲

.......___ _____ -" - А

г::*" £ ---А---

т-1-1-1-1-1-1-1-1

Рисунок 3.21. Показатели эффективности ДНХМ, определенные по экспериментальным данным для исследуемых МСХ

Температура окружающей среды Тос во время проведения экспериментов поддерживалась в диапазоне 23±1°С, температура термостатирования Тх - минус 150,0±0,3°С.

Дополнительно был проведена сравнительная оценка полученных значений показателей эффективности ДНХМ на исследуемых МСХ по отношению к другим аналогичным ДНХМ на МСХ [12] - Рисунок 3.22, которая показала умеренную конвергенцию применительно к рассматриваемой области температур термостатирования.

1,Е+00 -

¡2

о

и р

К

й X X

э

а и н л X <и С и н

о

й и н о X <и

3 а и и о о

1,Е-01 =■

1,Е-02 —

1,Е-03

1,Е+00 1,Е+01 1,Е+02 1,Е+03 1,Е+04

Холодопроизводительность, Вт

1,Е+05

1,Е+06

Рисунок 3.22. Оценка эффективности ДНХМ на исследуемых МСХ в сравнении с другим аналогичными реальными ДНХМ на МСХ Для определения степени детерминированности вариации критериальных (зависимых) переменных: Qх/Vнк (удельной к теоретическому описанному объёму компрессора холодопроизводительности), ех (холодильного коэффициента), цх (удельной массовой холодопроизводительности) и (степени

термодинамического совершенства), предикторами (независимыми переменными) - концентрациями ^ «циркулирующего» на стационарном режиме состава МСХ был проведен регрессионный анализ экспериментальных данных с применением 12 моделей различного типа: линейных, квадратичных, экспоненциальной,

мультипликационной и др. Ограничениями в моделях задавались диапазоны концентраций компонентов МСХ в соответствии с Таблицей 13. Расчет проводился в разработанной программе для ЭВМ [143].