Результат интеллектуальной деятельности: ХЛАДАГЕНТ ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕФРИЖЕРАТОРНЫХ СИСТЕМ

Изобретение относится к области холодильной техники и может быть использовано в качестве хладагента в низкотемпературных рефрижераторных системах преимущественно в одноконтурных системах с одноступенчатым компрессором.

Такие одноконтурные системы, использующие многокомпонентные хладагенты, имеют значительные преимущества перед традиционными каскадными системами при температурах охлаждения ниже -80°С (см. Podtcherniaev О., Boiarski M., Lunin A. Comparative Performance of Two-Stage Cascade and Mixed Refrigerant Systems in Temperature Range from -100°C to -70°C; 9^th Int. Refrigeration and AC Conf., Purdue, 2002, Paper R18-3) [1].

В холодильной технике известны многокомпонентные хладагенты в виде рабочих смесей, например смесь, содержащая трифторметан R23, октафторциклобутан RC318, октафторпропан R218, пропан и изобутан (см. патент РФ №2161637) [2]. Наиболее низкокипящий компонент этой смеси - трифторметан - имеет температуру нормального кипения -81°С, что не позволяет создать одноконтурную систему охлаждения с положительным давлением всасывания на уровень ниже -80°С. Это является главным недостатком известного хладагента [2 ].

Известен многокомпонентный хладагент, содержащий пентафторэтан R125 (15-70 мол.%), гептафторпропан R227 (20-70 мол.%) и одно из соединений, выбранных из группы, содержащей пропан, бутан, изобутан, октафторциклобутан RC318 (1-20 мол.%). Такая смесь описана в патенте РФ №2135541 [3]. В этой рабочей смеси низкокипящим компонентом является пентафторэтан с температурой нормального кипения -48°С, что препятствует использованию этого хладагента в низкотемпературных системах.

Наиболее близким к предлагаемому решению является многокомпонентный озонобезопасный хладагент, содержащий, по крайней мере, одно соединение из ряда: трифторметан, октафторциклобутан, в количестве 55-87 об.% и в качестве смеси углеводородов - бытовой газ в количестве 13-45 об.%, имеющий состав, об. %: пропан - 40; изобутан - 40; пропилен - 18 и в качестве примеси метан и этан - 2 (см. опубликованную заявку на изобретение РФ №2000110320) [4]. Недостатком этого хладагента является очень малая удельная холодопроизводительность и термодинамическая эффективность, большие габариты компрессора и соответственно высокая начальная стоимость холодильной системы, сочетающаяся с высокими эксплуатационными расходами, вызванными весьма значительным потреблением электроэнергии.

Принцип работы одноконтурной холодильной системы с серийным одноступенчатым компрессором и расчет эффективности работы такой системы иллюстрируются прилагаемыми фиг.1 и фиг.2.

Фиг.1. Принципиальная схема одноконтурного низкотемпературного цикла, работающего на многокомпонентном рабочем теле.

Фиг.2. График соотношения холодопроизводительности и тепловой нагрузки.

На фиг.1 показаны основные элементы одноконтурного низкотемпературного цикла со смесевым хладагентом. К таким элементам относятся:

1 - компрессор

2 - конденсатор

3 - регенеративный теплообменник

4 - дроссель

5 - испаритель.

На фиг.2 показано, как соотносятся между собой тепловая нагрузка и холодопроизводительность при распределении по температурам.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в повышении удельной холодопроизводительности и энергетической эффективности одноконтурной холодильной системы с серийным одноступенчатым компрессором в температурном диапазоне -120°С...-80°С при одновременном увеличении срока службы такой системы.

Заявляемый технический результат достигается за счет того, что многокомпонентный хладагент (рабочая смесь) содержит низкокипящий компонент - метан, группу среднекипящих компонентов, таких как тетрафторметан, трифторметан, октафторпропан и окафторциклобутан, а также высококипящий компонент - алкан, в качестве которого используются, например, такие вещества, как нормальный пентан, изопентан, нормальный гексан, либо их бинарные смеси в следующем соотношении компонентов, мол.:

Компьютерное моделирование и проведенные эксперименты позволили эмпирически выявить наиболее оптимальные сочетания веществ в составе хладагента, обеспечивающие существенное повышение холодопроизводительности системы и ее высокую эффективность при рабочих температурах в диапазоне от -120°С до -80°С. При этом, по сравнению с прототипом метан использовался не как малозначащая примесь, а служил в качестве основного углеводородного компонента. В качестве фторуглеводородов в смесь было введено, по крайней мере, по одному веществу из группы «тетрафторметан, трифторметан»; а также по одному веществу из группы «октафторпропан, октафторциклобутан». В многокомпонентный хладагент был также введен, по крайней мере, один алкан с числом атома углерода 5-6. Таким образом, при содержании метана в составе рабочей смеси 30-60 мол.% и содержании алкана 5-30 мол.% предпочтение было отдано трем наиболее эффективным хладагентам, в которых в качестве алкана использовались следующие компоненты:

Вариант 1 - алкан в виде смеси «нормальный пентан - изо-пентан».

Вариант 2 - алкан в виде смеси «нормальный пентан - нормальный гексан».

Вариант 3 - алкан в виде смеси «изопентан - нормальный гексан».

Наилучшие показатели энергетической эффективности зафиксированы при следующих соотношениях основных компонентов рабочей смеси, мол.%:

и

В таблице 1 для сравнения приведены значения удельной холодопроизводительности, эксергетического КПД блока охлаждения, давлений в конденсаторе и испарителе одноконтурной холодильной установки, работающей на хладагенте-прототипе, и новых, предлагаемых нами хладагентах (варианты 1, 2, 3) в условиях, характерных для низкотемпературных рефрижераторов: температура охлаждения -100°С, температура окружающей среды + 30°С, минимальная разность температур в противоточном теплообменнике Δ=3°С.

Удельная холодопроизводительность, отнесенная к плотности на входе в компрессор, предлагаемых хладагентов по вариантам 1, 2, 3, более чем в два раза превышает холодопроизводительность прототипа, а КПД цикла при работе на этих рабочих веществах более, чем в 1,5 раза выше, чем при работе на прототипе [4]. КПД цикла определяется как отношение холодопроизводительности системы к работе изоэнтропного компрессора.