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

МОСКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТна правах рукописиПорутчиков Артем ФроловичРАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ХОЛОДИЛЬНЫХМАШИН НА ДИОКСИДЕ УГЛЕРОДА, РАБОТАЮЩИХ НА УРОВНЕТЕМПЕРАТУР ОТ -80 ДО -120 °CСпециальность05.04.03.-Машиныиаппараты,процессыхолодильной и криогенной техники, систем кондиционирования ижизнеобеспечения.Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительд.т.н., профессор Маринюк Б.Т.Москва 20172СодержаниеСтр.ВВЕДЕНИЕ4ГЛАВА 1.

Потребители низких температур и низкотемпературныехолодильные установки111.1 Области применения низких температур111.1.1 Холод в машиностроении111.1.2 Технологии термообработки и хранения биоматериалов151.1.3 Криохимические технологии161.1.4 Криохимические нанотехнологии171.2 Установки для получения низких температур181.2.1 Парокомпрессионные холодильные установки181.2.2 Воздушные холодильные машины261.2.3 Регенеративные газовые холодильные машины281.2.4 Сублимационное охлаждение с помощью диоксида углерода29Вывод по первой главе30ГЛАВА 2.

Моделирование процесса охлаждения твердофазного диоксидауглерода в вакуумно-сублимационной холодильной машине312.1 Зависимость давления насыщенных паров от температуры312.2 Зависимость плотности насыщенных паров, теплоемкости и теплотысублимации твердой фазы от температуры2.3Зависимостьтеплоемкостьтермообрабатываемого33продуктаоттемпературы352.4 Охлаждение гранулированного твердофазного диоксида углерода впроцессе откачки паров в вакууме352.5 Термообработка холодом при теплообмене с гранулированным CO2, впроцессе вакуумной откачки39Вывод по второй главе43ГЛАВА 3. Описание экспериментального стенда, получение опытныхданных, их интерпретация и обобщение, оценка погрешностей измерения.Сопоставление опытных данных с расчетными показателями443Стр.3.6 Вакуумно-сублимационная холодильная установка, работающая поразомкнутому циклу3.7Определение44коэффициентатеплоотдачипритеплообменессублимирующим гранулированным диоксидом углерода513.8 Описание задействованного измерительного оборудования533.9 Получение экспериментальных данных583.9.1 Определение действительной производительности вакуумного насоса613.10 Оценка погрешностей измерений633.11 Анализ результатов экспериментов653.12 Сравнение результатов, полученных по математической модели иданных экспериментов663.13 Определение энергетических характеристик экспериментальнойустановки68Вывод по третьей главе70ГЛАВА 4.

Расчет и анализ циклов низкотемпературных установок науровень температур -120 ˚C714.1 Четырехступенчатая схема с неполным промежуточным охлаждениемна диоксиде углерода4.2Вакуумно-сублимационная71холодильнаямашинасдвумяпараллельными детандерами744.3 Трехкаскадная холодильная машина с сублимацией диоксида углерода764.4 Трехкаскадная холодильная машина на углеводородах78Вывод по четвертой главе81Основные выводы и результаты88Условные обозначения и индексы89Список литературы904ВВЕДЕНИЕРазвитие холодильной техники неразрывно связано с изучением свойстввеществ, которые можно использовать в качестве рабочих тел в холодильныхустановках.В первую очередь внимание было сконцентрировано на теплофизическихсвойствах веществ, которые непосредственным образом влияют на достигаемыетемпературы и энергетические показатели холодильных машин.Использование природных веществ на заре развития холодильнойтехники обусловлено их доступностью.

Роберт Стирлинг изобрел в 1816 году, аДжон Хершель предложил использование в качестве генератора холода машинуСтирлинга, работающую на воздухе. В августе 1834 г. англичанин Я. Перкинсполучил 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 обуспешном ожижении кислорода от двух независимых ученых, одним из которыхбыл Р.

Пикте, создавший двухкаскадную холодильную установку, где в качестверабочих веществ в первой ветви каскада использовался SO2, а во второй CO2 [1].Для создания холодильной техники с требуемыми характеристикаминеобходимо было создание рабочих веществ с прогнозируемыми свойствами. В1928 году Т. Мидгли, А. Л. Хенне и Р. Р. Мак Нери синтезировалидифтордихлорметан (R12 по классификации ГОСТ ISO 817-2014). В последствииноменклатура хладагентов выросла, а их производство в мире к 1986 годудостигло 1300 тыс.

тонн [2].Современныйпересматриватьвитоквзглядынаразвитияобществаразработку иитехникизаставляетэксплуатацию холодильногооборудования, четко прослеживается тенденция возврата к хладагентам наоснове природных рабочих веществ. В 1974 году учеными из Калифорнийскогоуниверситета (США) М. Молина, Ш. Роулэнд и П. Крутцен впервые описали5механизм истощения защитного озонового слоя земли за счет хлор- ибромосодержащих веществ [3].Данные факты не могли остаться без ответа со стороны международныхинститутов. В 1987 году 46 стран ратифицировали Монреальский протокол,регулирующий оборот рабочих веществ холодильных установок, имеющихпотенциал разрушения озонового слоя [4].

По состоянию на декабрь 2009 года196 государств, являющихся членами ООН ратифицировали первоначальнуюверсию Монреальского соглашения. [5]Не смотря на данные факты среди ученых существует альтернативнаяточка зрения. Общепринятым можно считать признание влияния искусственныххладагентов на разрушение озонового слоя и изменение климата. В этой связиидет постоянное совершенствование рабочих веществ и обновление паркахолодильной техники в пользу веществ, не имеющих потенциала разрушенияозонового слоя и прямого влияния на окружающую среду, а также возврат кприродным рабочим веществам.[33], [6], [7], [34], [35], [8], [36]. Альтернативнаяточка зрения полярна, вклад хладагентов в разрушение озонового слоя и«глобальное потепление» ставится под сомнение.

[9]Венская конвенция была принята СССР Постановлением СоветаМинистров СССР от 07.05.1986 № 525 «О принятии СССР Венской конвенцииоб охране озонового слоя и о мерах по обеспечению выполнения обязательствСоветской Стороны». Россия подтвердила участие в Венской конвенциисоответствующейнотой.Ограничениеоборотаипроизводстваозоноразрушающих хладагентов продолжилось подписанием 183 странамиМонреальскогопротокола.РоссийскаяФедерацияявляетсяСторонойМонреальского протокола с 31.12.1991. Введение Лондонской поправки кМонреальскому протоколу и ратификации ее для Российской Федерациисостоялось 13 января 1992 года, но ввиду недостаточности финансированиягосударственной программы по выводу из обращения озоноразрушающихвеществ, организации выпуска безопасных веществ и перевода не негофункционирующего оборудования, Россия не могла обеспечить выполнениеМонреальского протокола.

И только в 2000 году за счет собственных средств,6глобального экономического фонда и средств 10 стран – доноров, удалосьвернуться в режим соблюдения Монреальского протокола. Соблюдениемеждународныхсоглашенийпоклиматупредполагаетпрекращениепроизводства озоноразрушающих веществ и переход на выпуск новыхбезопасныххладагентов.Данныйпроцессвусловияхболее90%недофинансирования со стороны государства, протекал с серьезными потерямипроизводственных мощностей и рабочих мест, что нанесло огромныйэкономический ущерб стране.Находясь в правовом пространстве Российской Федерации, принявшей насебя обязательства Венской конвенции, Монреальского протокола, Лондонскойпоправки, Парижского соглашения необходимо обеспечить прекращениеиспользования озоноразрушающих хладонов, в том числе и поступающих из зон,не ратифицировавших данные соглашения.

К 2020 году необходимо отказатьсяот веществ с высокими показателями парникового эффекта, а к 2030распространенных сегодня смесевых хладагентов в пользу новых полностьюэкологичных веществ. В период возврата в правовое пространство обозначенноеМонреальским протоколом все же удалось наладить выпуск рабочих веществ:R152a (ОАО «Каустик», г. Волгоград), R141b и R122 (ВОАО «Химпром», г.Волгоград), R23 (ОАО «Редкинский опытный завод»), R227ea (Российскийнаучный центр «Прикладная химия», г. Санкт-Петербург), [10].В настоящее время, для верхнего диапазона низких температурразрабатываются новые поколения искусственных рабочих веществ, такие какгидрофторолефины.

При этом диапазон температур от -80 °C до -120 °C (от193,15 К до 153,15 К), остается не охваченным экологичными рабочимивеществами. Вместе с этим, возврат к природным рабочим веществам - ужесостоявшаяся мировая тенденция. Как высоко-экологичный и безопасный,особое внимание заслуживает диоксид углерода и установки с использованиемего, как холодильного агента. [37], [38], [39], [40].Данные факторы приводят к переосмыслению принципов построенияхолодильных машин с учетом требований и допущений для конкретныхтехнологических процессов.7Цель работы:Разработка и исследование эффективности холодильных машин надиоксиде углерода, работающих на уровне температур от -80 °C до -120 °C.Задачи работы:− Создание экспериментальной вакуумно-сублимационной холодильноймашины;− Экспериментальноеисследованиехарактеристикхолодильноймашины, работающей по разомкнутому циклу на основе твердофазногохладагента - гранулированного CO2, использующей процесс сублимации дляполучения холода;− Сопоставление энергоэффективности схем холодильных установок дляполучения низких температур на уровне -120 oC;− Математическое описание динамики процесса охлаждения массы CO2за счет сублимации, при вакуумной откачке паров.