Mieszanina zeotropowa R419A substytut freonu R22

Transkrypt

1 Mieszanina zeotropowa R419A substytut reonu R22 Mgr inż. TOMASZ ŁOKIETEK Dr hab. inż. BOGUSŁAW ZAKRZEWSKI Politechnika Szczecińska Wydział Techniki Morskiej, Zakład Chłodnictwa W artykule przedstawiono analizę teoretyczną wskaźników określających moc napędową, objętość skokową sprężarki i średnice przewodów ssawnych przy zastosowaniu R419A zamiennika typu drop in" R22 i kilku innych czynników. Przeanalizowano wpływ regeneracji ciepła w obiegu jednostopniowym z R419A, uwzględniając w obiegu teoretycznym straty wynikające z obecności: przegrzania, TZR, obecności oleju oraz sprawności wymiennika regeneracyjnego. ZEOTROPIC MIXTURE R419A - R22 ALTERNATIYE REFRIGERANT The analysis o coeicients describing driving power, swept volume o compressor and diameters o suction linę or R419A - a drop in substitute o R22, and or a ew other rerigerants was introduced in the article. The inluence o heat recovery in a single-stage circuit with R419A was analysed considering losses resulting rom the presence o superheating, thermostatic expansion valve, oil and the eiciency o liąuid-suction linę heat exchanger. Wprowadzenie do użytku nowego czynnika typu drop in" R419A rodzi pytanie, jakie są parametry jego pracy w instalacji w porównaniu ze znanymi dotychczas czynnikami, w szczególności R22 i innymi jego zamiennikami. Ważnym problemem jest również znalezienie odpowiedzi na pytanie, czy korzystne będzie zastosowanie wewnętrznej regeneracji ciepła dla tego czynnika (wymiennik regeneracyjny umożliwiający wymianę ciepła pomiędzy ciekłym czynnikiem zasilającym parowacz a parami zasysanymi przez sprężarkę). Konieczne wydaje się sprawdzenie czy rozwiązanie to prowadzić będzie do zwiększenia właściwej wydajności ziębniczej i eektywności termicznej, co stwierdzono w przypadku innych czynników tworzących roztwory z olejami [6]. 1. Charakterystyka czynnika R419A Dotychczasowe czynniki chłodnicze, zaaprobowane przez producentów sprężarek i urządzeń chłodniczych, będące zamiennikami z R22 np.: R134a, R44A, R57, R47C i R41A są przeznaczone głównie do nowych systemów. Ze względu na akt, iż współpracują one tylko z olejami nowych generacji, np. z olejami poliestrowymi, lub z powodów swoich własności nie mogą być bezpośrednimi zamiennikami R22. W odróżnieniu do powyższych, R419A (Forane FX9) jest czynnikiem typu drop-in" i został tak zbudowany, że zachowuje dobrą rozpuszczalność z powszechnie używanymi olejami mineralnymi i alkilobenzenowymi. Szczegółowe inormacje na temat konwersji instalacji z R22 na R419A można znaleźć w [4]. Własności izyczne wybranych zamienników R22 zestawiono w tabeli 1. Jednak z uwagi na objętość artykułu, w dalszej części ograniczono się do analizy tylko kilku z nich. Na rysunkach l, 2, 3, 4 przedstawiono porównanie wskaźników określających eektywność termiczną, moc napędową, objętość skokową sprężarki i średnice przewodów ssawnych dla wybranych czynników, realizujących obieg z regeneracją ciepła i bez, w odniesieniu do obiegu przegrzanego z dochłodzeniem dla czynnika R22. Obliczenia obiegu przeprowadzono z wykorzystaniem programu [3] i wykresu Igp-h dla R419A [2] przy następujących założeniach: - wydajność ziębnicza: Q = l [kw], - temperatura parowania t = 3 [ C], - temperatura skraplania t k = 4 [ C], - temperatura dochłodzenia t d = 36 [ C], - przegrzanie par na wyjściu z parownika: At zr = 4 [K], - temperatura na ssaniu sprężarki: t ss = 2 [ C] - dla obiegu bez regeneracji ciepła, t ss = 25 [ C] - dla obiegu z regeneracją ciepła, - prędkość czynnika w przewodzie ssawnym: w = 1 [m/s], - sprawność izentropowa sprężania: rj iz = l, sprawność wymiennika regeneracyjnego: r\ WR =,8, - dla czynników zeotropowych (R47C, R419A) przyjęto, że procesy parowania i skraplania czynnika przebiegają przy stałych ciśnieniach odpowiadających średnim temperaturom parowania t = 3 C i skraplania t k = 4 C. Na rysunku l przedstawiono stosunek eektywności termicznej dla kilku czynników do eektywności termicznej obiegu przegrzanego z dochłodzeniem dla R22 ^ = s,/e, R2 2- Wynika z niego, że zwiększenie eektywności termicznej obiegu, w porównaniu do R22, można uzyskać jedynie dla mieszanin zeotropowych o dużej nieizotermiczności przemian azowych przy zastosowaniu regeneracji ciepła w układzie. Eektywność termiczna obiegu z regeneracją dla czynnika R419A i R47C jest wyższa odpowiednio o 7,3 i 2% w odniesieniu do obiegu przegrzanego z dochłodzeniem dla R Chłodnictwo" tom XXXIX 24 r. nr 8

2 Własności izyczne wybranych czynników [1], [2] TABELA l Własności Jednostki R22 R134a R44A R47C R419A CHCłF2 CHiFCF^ R143a R134a R125/R134a/ Skład % wagi /4/52 23/25/52 5/5 77/19/4 Masa cząsteczkowa [kg/kmol] 86,5 12, ,2 72,6 19, ,1-52, , ,2 72, Ciśnienie krytyczne [bar] 49,8 4,7 37,2 46,2 49,5 38,8 przy 1,13 bar 249,9 194,3 Gęstość cieczy przy +25 C [kg/m 3 ] Gęstość pary nasyconej 3 4,7 5,28 5,41 4,12 5,8,55 GWP [-] , Q7, p , - 1, 1CEU m& 15.2 KS- 4 [%] <; [%], 9, S : R41A R47C R419A R4IOA* R22 R47C' R22' R419A* CJmnik 1. St osunek eektywności termicznej dla kilku czynników do eektywności tertm cznej dla R22 (obieg przegrzany z dochłodzeniem): * - obieg z regeneracją ciepi a. bez odnośnika - obieg bez regeneracji 85. R419A* R22* R47C* R22 R41A* R4Ł9A R47C R41A 2. St( osunek mocy napędowej sprężarki dla kilku czynników do mocy napędowej dla R 22 (obieg przegrzany z dochłodzeniem): * - obieg z regeneracją ciepła, bez odno śnika - obieg bez regeneracji Na rysunku 2 przedstawiono stosunek mocy napędowej sprężarki dla wybranych czynników do mocy napędowej sprężarki pracującej w obiegu przegrzanym z dochłodzeniem dla R22 ^ = N t /N tr22. Wartość współczynnika ^ jest mniejsza o 6,8% dla czynnika R419A z regeneracją ciepła, a o 2% dla R47C z regeneracją w porównaniu do R22 (rys. 2). Wynika z tego, że użycie ziębnika R419A realizującego obieg z regeneracją ciepła skutkuje najmniejszym zapotrzebowaniem na moc napędową sprężarki. H»I, 4, ,7 -tr t 69 J p * ~ i i 1 I " w R4IOA* R41A R22* R4G7C* R22 R419A* R47C R419A czynnik tt> 123 " ss %. *» Na rysunku 3 przedstawiono stosunek objętości skokowej sprężarki dla szeregu czynników do objętości skokowej sprężarki pracującej w obiegu przegrzanym z dochłodzeniem dla R22 2 = V t /V tr22. Wynika z niego, że R419A ma największą wartość współczynnika 2 (o 13,2% wyższą niż R22). W przypadku R47C, ma on o 2,3% wyższą wartość objętości skokowej sprężarki od R22. W porów- 3 Stosunek objętości skokowej sprężarki dla kilku czynników do objętości skokowej dla R22 (obieg przegrzany z dochłodzeniem) * - obieg z regeneracją ciepła bez odnośnika - obieg bez regeneracji naniu do pozostałych czynników, sprężarka pracująca z czynnikiem R419A ma największą objętość skokową. Chłodnictwo" tom XXXIX 24 r. nr 8 tel , , ax kom coolecool.pl 29

3 Stosunek średnicy przewodu ssawnego sprężarki dla szeregu czynników do średnicy przewodu ssawnego sprężarki pracującej w obiegu przegrzanym z dochłodzeniem dla R22 3 = (p/(p, R22 przedstawiono na rysunku 4. Z obliczeń współczynnika 3 wynika, że instalacja z czynnikiem R41A ma najmniejszą średnicę przewodów ssawnych. Wynika to z aktu, iż R41A ma najniższą objętość właściwą i wysoką właściwą wydajność ziębniczą. Natomiast w przypadku zastosowania R419A w obiegu przegrzanym i z regeneracją ciepła współczynnik 3 będzie odpowiednio o 6,4% i o 1% wyższy niż dla R22 (rys. 4). Rozważając wpływ obecności roztworu w obiegu, sytuację tą analizowano zgodnie ze schematem ukazanym na rysunku 5. W celu określenia wpływu regeneracji ciepła porównano stopnie odwracalności obiegów z regeneracją i przegrzanego. Według [5], stopień odwracalności dla obiegu przegrzanego można wyznaczyć z zależności (1) a dla obiegu z regeneracją z zależności (2) T 2. X 2, Ibr = tbp V~ "^ l" (D - T ) 4. Stosunek średnic przewodów ssawnych dla kilku czynników do średnicy przewodów dla R22 (obieg przegrzany z dochłodzeniem): * - obieg z regeneracją ciepła, bez odnośnika - obieg bez regeneracji 2. Obieg teoretyczny R419A z regeneracją, olejem i stratami Uwzględnienie obecności roztworu olej-czynnik ziębniczy i jego wpływu na parametry obiegu wymaga znajomości wykresu koncentracja-entalpia dla R419A i zastosowanego oleju. Obecnie brak jest takich danych w literaturze, w związku z tym założono, że właściwości roztworu R419A-olej są podobne do innych czynników chlorowcopochodnych tworzących roztwory z olejami (np.: roztworu R12-olej mineralny). Uogólnienie to jest obarczone pewnym błędem, pozwala jednak na uwzględnienie obecności oleju w instalacji ziębniczej, w której realizowany jest obieg przegrzany z dochłodzeniem lub obieg z regeneracją ciepła. W celu określenia ilościowego wpływu regeneracji ciepła na stopień odwracalności obiegu przeprowadzono obliczenia przy następujących założeniach: - temperatura t 2 = t + At, gdzie t - średnia temperatura parowania, - przegrzanie par czynnika na wyjściu z parowacza At zr = 4 K, - temperatura t 2, = 2 C, - temperatura t 3 = 25 C, - sprawność izentropowa sprężania r\ s =,75, - sprawność wymiennika regeneracyjnego // wr =,8, - początkowa koncentracja czynnika w roztworze 8 =,9;,95;,98, - koncentrację czynnika ziębniczego w roztworze w poszczególnych punktach obiegu lewobieżnego przyjęto jako stałą, a wartości te (przeliczone na stopień suchości) przedstawiono w tabeli 2. Wyniki obliczeń przedstawiono na rysunkach 6-^9. Na rysunku 6 ukazano stopień odwracalności obiegu przegrzanego w szerokim zakresie temperatur parowania dla trzech koncentracji oleju w roztworze przy temperaturze skraplania t k = 3 C. Na rysunku 7 dla tych samych warunków przedstawiono stopień odwracalności obiegu z regeneracją. W całym rozpatrywanym zakresie temperatur stopień odwracalności obiegu przegrzanego rośnie w miarę wzrostu temperatury wrzenia oraz koncentracji oleju w roztworze (rys. 6). Dla obiegu z regeneracją w tych samych Po (2) %P ' K n,h t SH1.95 -*--~^=^^^ ' " ^ - ^^-^^^ ^--^^Ź^^- ' -3B -2-1» t,[*q 5. Obieg teoretyczny z regeneracją ciepła i stratami w układzie Igp-h 6. Stopień odwracalności obiegu przegrzanego w zależności od temperatury wrzenia t = 3H- C i skraplania t k = 3 C oraz koncentracji oleju w roztworze =,9;,95;,98 3 Chłodnictwo" tom XXXIX 24 r. nr 8

4 R Z O.O. dla małych lód niczy* 'V Nasz adres: ES SYSTEM K SP. Z O. O Wolbrom ul.wrzosowa 1 tel , ax essystemk@essystemk.pl marketing@essystemk.pl Oerujemy proesjonalną linię mebli chłodniczych na agregat zewnętrzny dla dużych sklepów i supermarketów: podstawowa długość urządzeń: 2,5 m i 3,75 m jako jedna całość; możliwość łączenia w ciągi chłodnicze o dowolnej koniguracji; najnowsza technologia produkcji; wysoka jakość wykonania; nowoczesny wygląd; duża powierzchnia ekspozycji; wyposażenie w podzespoły najlepszych producentów branży chłodniczej; możliwość wykonania uwzględniającego indywidualne potrzeby montażu; Proponujemy również urządzenia z wewnętrznym agregatem; lady chłodnicze i m lady cukiernicze witryny narożne i boksy regały chłodnicze wyspy mroźnicze Stopnie suchości pary [5] "./C C 8 - ^ ", - 9^ - 4 c e TABELA 2 - C ' - o 93 ^C*"] OJJ856 Q$514 99JO 9514 ^ ąwis ; ; 9963 g oo~2 ^ S "., =, C c s s X u QC- x 52 $3 X X warunkach pracy stopień odwracalności obiegu teoretycznego jest znacznie wyższy (rys. 7). Równocześnie ze wzrostem temperatury wrzenia korzystne eekty regeneracji ciepła w obiegu maleją. Na rysunkach 8 i 9 przedstawiono stopień odwracalności obiegu dla temperatury skraplania t k = 4 C. W tych warunkach stopień odwracalności obiegu przegrzanego rośnie w miarę wzrostu temperatury wrzenia i koncentracji oleju w roztworze (rys. 8). W obiegu z regeneracją w tych samych warunkach pracy stopień odwracalności obiegu jest znacznie wyższy (rys. 9). Stopień odwracalności obiegu maleje ze wzrostem temperatury skraplania zarówno w obiegu przegrzanym, jak i w obiegu z regeneracją. Na rysunku 1 przedstawiono względny przyrost stopnia odwracalności obiegu z regeneracją e. Dla zaprezentowanych krzywych eekty regeneracji ciepła są najwyższe w wa- Chłodnictwo" tom XXXIX 24 r. nr 8 tel , , ax kom coolecool.pl 31

5 rankach najmniejszej koncentracji oleju, =,9, najwyższej temperatury skraplania i najniższej temperatury parowania (krzywa Si), maleją zaś ze wzrostem temperatury parowania. W temperaturze t = 3 C, t k = 4 C poprawa stopnia odwracalności obiegu wynosi 52%. Przy wyższej temperaturze parowania przyrost stopnia odwracalności obiegu jest mniejszy i wynosi 27% dla t = C. Dla niższej temperatury skraplania (t k = 3 C) i t = C poprawa stopnia odwracalności obiegu wynosi 27% dla Ź =,9 i 18% dla =,98. "$[" 3 7. Stopień odwracał no ści obiegu z regeneracją w zależności od temperatury wrzenia t = 3-^ C i skraplania t k ~ 3 C oraz koncentracji oleju w roztworze -,9;,95;,98 «,[-],55,5,4S,4.33,3,25-8pC,9 8. Stopień odwracalności obiegu przegrzanego w zależności od temperatury wrzenia l a = 3^ C i skraplania t t = 4 C oraz koncentracji oleju w roztworze ć =,9;,95;,98 i, M 9. Stopień odwracalności obiegu z regeneracją w zależności od temperatury wrzenia t = 3 -=- C i skraplania t k = 4 C oraz koncentracji oleju w roztworze 'c, =,9;,95;,98 Otrzymane wyniki wskazują na pożytecznosć zastosowania regeneracji ciepła w obiegu dla nowego czynnika R419A. Im wyższa jest koncentracja oleju w roztworze i rozpiętość temperatur pracy, tym bardziej celowe jest stosowanie regeneracji ciepła w obiegu jednostopniowym. Wyniki rozważań teoretycznych są obecnie weryikowane badaniami eksperymentalnymi prowadzonymi w Laboratorium Zakładu Chłodnictwa Politechniki Szczecińskiej. W tym miejscu pragniemy podziękować irmie Termo-Schiessl za przekazanie butli z R419A. Należy podkreślić że, nie jest jedyna pomoc dla Zakładu Chłodnictwa PS za co serdecznie dziękujemy kierownictwu irmy Termo-Schiessl. Wnioski Na podstawie przeprowadzonych analiz teoretycznych można sormułować następujące wnioski: - należy oczekiwać korzyści energetycznych z zastosowania ziębnika R419A w obiegu z regeneracją ciepła (najniższe zapotrzebowanie na moc napędową sprężarki spośród porównywanych ziębników), w porównaniu z R22 teoretycznie uzyskać można ~6,8% zmniejszenie mocy napędowej sprężarki, - przy tej samej wydajności ziębniczej objętość skokowa sprężarki jest większa, w porównaniu do R22 (obieg przegrzany z dochłodzeniem), o 13,2% dla obiegu przegrzanego R419A, i o 1,9% w przypadku obiegu R419A z regeneracją, - średnice przewodów ssawnych są większe o 6,4% i o 1% odpowiednio dla obiegu R419A z regeneracją i przegrzanego w odniesieniu do R22, - regeneracja ciepła w obiegu teoretycznym dla roztworu R419Aolej jest korzystna i przynosi wzrost stopnia odwracalności obiegu od 18 do nawet 52% (w zależności od temperatur pracy i koncentracji oleju), - ze wzrostem różnicy temperatur t k - t a eekty regeneracji szybko rosną, - im wyższa jest koncentracja oleju w roztworze, tym eekty regeneracji są większe, w miarę wzrostu temperatury wrzenia eekty regeneracji maleją, jednak i w temperaturze t = C, w zależności od koncentracji oleju, wynoszą od 18 do 27%. LITERATURA t, m 1. Względny przyrost stopnia odwracalności obiegu z regeneracją [1] = solutions/produits/d_liste.cm?ido = 13. [2] Materiały udostępnione przez irmę Atoina. [3] Program Solkane Rerigerant Sotware, Solvay Fluor und Deriyate, version 3.1. [4] Termo-Schiessl: Forane FX9 (R419A) - czynnik chłodniczy typu drop in (zamiennik R22). Technika chłodnicza i klimatyzacyjna nr 3, 24. [5] ZAKRZEWSKI B.; Regeneracja ciepła w jednostopniowym obiegu chłodniczym z nowym czynnikiem R134a. Chłodnictwo nr 11, [6] ZAKRZEWSKI B.: The eect o heat regeneration in rerigerating cycles with chłoroluorocarbon rerigerants. International Journal o Rerigeration nr 2, Chłodnictwo" tom XXXIX 24 r. nr 8