Retrofit problems of refrigeration equipment with a turbocharger

Abstract

Results of analysis of problems connected with the retrofit of refrigeration, equipment with turbocompressor are presented. It is shown that the retrofit of machines of such type should be considered as a temporary measure; in this case it is practical to develop refrigeration equipment with turbocompressor on monosubstances that can be produced in Russia.

Full Text

Холодильные машины с турбокомпрессором 10ХМВ-4000-2 [2] работают на R12, имеющем молекулярную массу 120,9. За мена R12 озонобезопасным хладагентом R134a молекулярной массой 102,03 в холодильных машинах этого типа не обеспечивает необходимой степени повышения давления в холодильном цикле.

Сотрудниками АОЗТ «Астор» была предложена трехкомпонентная смесь R22/ R218/R21 (массовые доли компонентов 45/ 50/5) молекулярной массой 119,8. Испытания этой смеси на модели турбокомпрессора, проведенные в Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий, показа ли возможность достижения необходимой степени повышения давления. Однако для этой смеси характерна неизотермичность процессов конденсации и кипения. Разность температур фазового перехода в конденсаторе (или испарителе) при постоянном давлении, так называемый глайд, сильно зависит от массовой доли R21 (рис. 1).

Рис. 1. Влияние компонентного состава смеси R22/R2I/R218 (расчетные данные при температуре конденсации 30 °C). Цифры указывают на молекулярную массу смеси, г/моль

Исключив этот компонент из смеси, можно получить квазиазеотропную бинарную смесь, например, R509a (R22/R218) с массовыми долями компонентов 44/56.

Рис. 2. Схема модернизированной холодильной машины ХТМФ-248: ТК - турбокомпрессор: Эл — электродвигатель; РМ — редуктор-мультипликатор; Кд — конденсатор (о схему ХТМФ-248-4000 входят два конденсатора, на рис. 2 показан один); И — испаритель; ПК — поплавковая камера; РТ — регенеративный теплообменник; ВПI, ВП2, ВПЗ, ВЖЗ, ВЖ4 - вентили отбора проб хладагента; t 1B, t2B — датчики для измерения температуры воды на входе и выходе конденсатора; ВРТ — вентиль регенеративного теплообменника; ВД — вентиль дроссельный

Чтобы обеспечить полноту конденсации трехкомпонентной смеси хладагентов, в схему холодильной машины ХТМФ-248 пришлось ввести регенеративный теплообменник (рис. 2). Датчики температуры и штуцера для отбора проб смеси с целью определения компонентного состава в характерных точках холодильного цикла не обходимы для анализа результатов натурных испытаний холодильной машины и принятия решения по переводу других холодильных машин такого типа на альтернативную смесь хладагентов.

Рис. 3. Схема размещения датчиков температуры и вентилей отбора проб на машине 10ТХМВ-4000-2: ТК — турбокомпрессор; Эл - электродвигатель; РМ — редуктор-мультипликапюр; Кд — конденсатор; И — испаритель; ПК поплавковая камера; ВП1, ВП2, ВП5, ВЖЗ, ВЖ4 - вентили отбора проб .хладагента: р , pit — давление конденсации и кипения хладагента; р, - давление в точке промежуточного отбора: t — датчики для измерения температуры в основных точках холодильного цикла; l- датчики для измерения температуры воды на входе и выходе конденсатора; l р — датчики для измерения температуры технической воды на входе и выходе испарителя

Использование бинарной смеси R22/ R218 с соотношением массовых компонентов 60/40 (глайд составляет 0,5 °C) позволяет не вводить в контур холодильной машины дополнительный теплообменник (рис. 3), но требует замены минерального масла на синтетическое. Из-за более высоких давления и плотности этой смеси в испарителе холодопроизводительность машины может быть увеличена на 60 %.

При этом возрастает и мощность электродвигателя турбокомпрессора.

ВНИИхолодмаш предлагает переводить холодильное оборудование этого типа на R134а с обязательной модернизацией турбокомпрессора и заменой минерального масла на синтетическое. Такой ретрофит связан с необходимостью значительных капитальных затрат.

Анализ, проведенный нами, показал, что при ретрофите холодильного оборудования с турбокомпрессором можно использовать и другие альтернативные смеси

хладагентов. Например, представляет интерес азеотропная смесь «Экохол-2» - R142b/R318 с соотношением компонентов 42/58. Особенность данной смеси состоит в том, что она имеет меньшие плотность и давление кипения, чем R12. Это удобно при эксплуатации холодильного оборудования, но приводит к снижению холодопроизводительности на 40 %.

В табл. 1 приведены технико-экономические показатели ретрофита холодильной машины с турбокомпрессором 10ТХМВ-4000-2 при переводе ее с R12 на альтернативные хладагенты. Показано, что наибольший вклад в стоимость ретрофита вносят затраты на реконструкцию турбокомпрессора и редуктора-мультипликатора. Существенную долю составляет стоимость хладагентов и холодильных масел на синтетической основе. Включение в технологическую схему холодильного оборудования регенеративного теплообменника, как показали наши исследования, значительно усложняет компоновочную схему холодильной машины.

Таблица 1

Наименование затрат	Стоимость регрофита, тыс. долл. США
	R134a	RI34a/R152a (0,8/0,2)	R125	R22/R218/R21 (0,45/0,55/0,05)	R22/R218 (0,6/0,4)	R142b/RC318 (0,42/0,56)
Затраты на реконструкцию турбокомпрессора	100	100
Стоимость хладагента (3000 кг)	27,8	25	45	46	60	36
Стоимость холодильною масла (400 кг)	8,0	8,0	8,0	1,5	8,0	1,5
Затраты на систему контроля температуры по контуру	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8
Затраты на систему отбора проб на анализ состава хладагента	1,0	1,0	1,0
Затраты на включение регенеративного теплообменника в схему	—	_	_	50
Стоимость промывки контура для очистки его от масла	3,0	3,0	3,0		3,0

Примечание. Приведены технико-экономические показатели для случая перевода холодильной машины 10ТХМВ-4000-2 с R12 на альтернативные хладагенты.

Таблица 2

Показатель	RI2	R134а	RI25	R22/R218	R142b/RC318
Молекулярная масса, кг/кмоль	120.9	102	120,02	110,3	141,3
Температура нагнетания °C	33	33	31	32	42
Давление, кПа: конденсаций кипения р1	740 360	770 350	1570 780	1400 710	798
Степень повышения давления л	2,07	2,22	2,0	1,97	3,5
Плотность р, кг/м2	20,9	16,9	49,3	46,0	15,1
Массовый расход хладагента кг/с	31,7	24,5	41,5	41.7	37
Расчетная мощность электродвигателя, кВт	600	671	729	739	654
Холодильный коэффициенте	10,7	9,7	8,8	8,8	9.9
Эксергетический коэффициент Г	0,58	0.52	0,48	0,48	0,53
Озоноразрушающий потенциал ODP	0,9	0,000	0,000	0,022	0,040
Тепловой потенциал GWP	8500	1300	3200	19800	4840
Критерий TEWI • 101	613,7	433,5	524,6	1028,5	529,7
Пожароопасность	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет
Класс опасности	4	4	4	4	4
ПДК, мг/м	3000	3000	3000	3000	3000
Цена хладагента, долл. США/кг	6,7	9,3	15,0	20,0	12,0
Примечание. Показатели приведены для холодильной машины 10ТХМ В-4000-2 при t =5 °C, Q=30 .

Применение бинарной смеси R22/R218 можно рекомендовать для случая, когда необходимо сохранить первоначальную холодопроизводительность оборудования, которая была при использовании R12.

На смесь R22/R218 с соотношением массовых долей компонентов 60/40 имеются Технические условия ТУРБ14498995- 360-99. АОЗТ «Астор» и ООО «Приборлаб» готовы поставить эту смесь в Республику Беларусь как для испытаний, так и для ретрофита холодильных машин такого типа.

Альтернативная смесь R142b/RC318 с соотношением массовых долей компонентов 42/58 («Экохол-2») не требует замены минерального масла и наиболее привлекательна из-за минимальной стоимости ретрофита. Производство такой смеси освоил Кирово-Чепецкий химический комбинат. Технические условия на эту смесь находятся в стадии согласования. С нашей точки зрения, выбор смесей «Экохол-2» и R22/R218 с целью внедрения в значительной степени будет определяться их стоимостью.

В табл. 2 приведены некоторые основные эколого-энергетические показатели R12, R134a, R125 и альтернативных смесей 0 ,6 R 2 2 /0 ,4 R 2 18 и 0,42R 142b/ 0.58RC318 для холодильных машин 10ТХМВ-4000-2. Показано, что при пере воде холодильного оборудования с турбо компрессором с R12 на альтернативные хладагенты уменьшаются холодильный и эксергетический коэффициенты термодинамического цикла. Увеличение давления конденсации R125 до 1570 кПа не позволяет использовать его в холодильной машине 10ТХМВ-4000-2 из-за превышения допустимого рабочего давления, равного 1500 кПа. По величине критерия TEWI [1] вариант применения смеси R22/R218 проигрывает. При использовании смеси R1426/RC318 («Экохол-2») требуется про ведение расчетов в целях оптимизации параметров холодильного термодинамического цикла для конкретного технологического процесса у потребителя холода.

Ретрофит машин такого типа (при пере воде с R12 на альтернативные хладагенты) следует рассматривать как временное мероприятие. Считаем целесообразным раз работку холодильного оборудования с турбокомпрессором на моновеществах типа ГФУ: R134a, R125, R218, RC318 и др., которые могут быть произведены в России. Заслуживают внимания схемы с турбодетандером и герметичным исполнением холодильного контура, рассчитанные на параметры реального технологического процесса.