Working substances of high heat pumps. Current state of affair and development trends

Abstract

The article describes working substances that meet the requirements for use in high-temperature vapor compression heat pumps, which work on the reverse Rankine thermodynamic cycle. The comparison of the thermodynamic efficiency of working substances in the temperature range of single-stage heat pump distiller was made.

Full Text

Энергосбережение - одна из основных проблем, решаемых мировым сообществом в настоящее время. Усилия в этом направлении сосредоточены на двух целях: сохранение невозобновляемых энергоресурсов и сокращение вредных выбросов в атмосферу продуктов сгорания, являющихся основным фактором глобального потепления. Развитие альтернативной энергетики, в частности использование источников низкопотенциального тепла в сочетании с тепловыми насосами (ТН), направлено на рациональное использование энергетических ресурсов и снижение деструктивного антропогенного воздействия на природную среду. Теплонасосные установки (ТНУ), осуществляя обратный термодинамический цикл на низкокипящем рабочем веществе, утилизируют низкопотенциальную теплоту естественных, промышленных и бытовых источников, генерируют теплоту высокого потенциала, затрачивая при этом в пределе до 2,5 раз меньше первичной энергии, чем при прямом сжигании топлива. ТН находят все большее применение в системах теплоснабжения жилых и производственных зданий, в качестве установок обеспечения тепловой энергией нужного потенциала ряда технологических процессов (сушка, дистилляция, тепловая обработка), в системах утилизации тепла промышленных предприятий и энергетических комплексов, включая АЭС, а также в системах коге- и тригенерационных установках для выработки электроэнергии, тепла и холода. Применение рабочих веществ с наиболее благоприятными термодинамическими свойствами имеет первостепенное значение для создания высокоэффективных ТН. Термодинамические циклы холодильных машин и ТН основаны главным образом на фазовых превращениях рабочих веществ. В компрессионных машинах образующийся в испарителе пар при низком давлении нагнетается компрессором в конденсатор (газоохладитель) для передачи теплоты цикла потребителю. Выбор рабочего вещества - основополагающий этап создания ТНУ, оказывающий влияние на все ее характеристики. На сегодняшний день известно более 100 рабочих веществ, используемых в холодильных и теплонасосных установках. Вместе с тем большое количество специфических требования, предъявляемых к рабочим веществам ТНУ, и ограничения, накладываемые Монреальским и Киотским протоколами, существенно сужают возможности выбора. Особенно немногочисленным становится перечень рабочих веществ, пригодных для использования в высокотемпературных тепловых насосах (ВТН) с температурой источника высокопотенциального тепла более 80 °С. В данной статье рассматривается проблема выбора рабочего вещества для ВТН на примере установки для дистилляции воды, основанной на рекуперации тепла фазовых превращений воды с использованием обратного термодинамического цикла. Требования к рабочим веществам. Идеальное рабочее вещество должно характеризоваться химической стабильностью (отсутствие разложения и полимеризации при рабочих температурах), химической инертностью по отношению к конструкционным материалам и смазочным маслам, невоспламеняемостью, нетоксичностью, доступностью и низкой стоимостью, невысоким давлением конденсации (не более 2 МПа), высокой (относительно температуры конденсации) критической температурой, а также высокой эффективностью термодинамического цикла. Последнее требование является комплексным: более эффективными являются холодильные агенты, характеризующиеся меньшим отношением давлений при заданных температурах конденсации и кипения; более близким к единице показателем изоэнтропы; более высоким отношением теплоты парообразования к теплоемкости жидкости; меньшим коэффициентом динамической вязкости (особенно в газовом состоянии); и таким сочетанием теплофизических свойств, которое обусловливает более высокие коэффициенты теплоотдачи в аппаратах. Поскольку не существует холодильного агента, который бы отвечал всем перечисленным требованиям во всем диапазоне температур кипения и конденсации, то применяют рабочие вещества, удовлетворяющие лишь наиболее важным требованиям: термодинамическая эффективность, технико-экономические и экологические требования, безопасность при эксплуатации. Рабочие вещества пригодные для использования в высокотемпературных тепловых насосах должны относиться к группе низкого давления и иметь нормальную температуру кипения выше минус 10 °С и достаточно высокую критическую температуру для осуществления субкритического парокомпрессионного цикла, минимальная величина которой определяется требуемыми температурами горячего теплоносителя. В одноступенчатом теплонасосном дистилляторе, работающем при атмосферном давлении, температуры кипения и конденсации находятся на уровне 90 °С и 110 °С, соответственно. Такие высокие значения температур обусловлены температурой кипения воды и минимальными температурными напорами на теплообменных аппаратах, при которых достигаются удовлетворительные массогабаритные показатели. Сопоставление рабочих веществ низкого давления. В таблице 1 приведены рабочие вещества с нормальной температурой кипения в районе минус 12 °С и выше, имеющие наибольшую распространенность и рассматриваемые в международных правовых актах об использовании хладагентов. Для сравнения термодинамической эффективности рабочих веществ были рассчитаны удельные параметры базового цикла теплонасосного дистиллятора (см. рисунок 1) с одноступенчатым сжатием (изоэнтропный КПД компрессора 0,7) из состояния перегретого пара (Δtп=5 К) при температуре кипения рабочего тела Р0 (t0=90 °С) и расширения конденсата рабочего тела по изоэнтальпе из состояния насыщенной жидкости при давлении конденсации Рк (tк=110 °С). Результаты расчетов, полученные с использованием прикладной программы CoolPack 1.46, представлены в таблице 2. Таблица 1 Основные характеристики рабочих веществ низкого давления Синтетические рабочие вещества. Наиболее выигрышно с точки зрения энергоэффективности и эксплуатационных качеств выглядят синтетические рабочие вещества. Наибольший коэффициент преобразования в расчетном цикле достигается при использовании озоноактивных R11, R13, R123a и R141b. Другими преимуществами данных рабочих веществ являются небольшие значения давлений и взрывопожаробезопасность. Тем не менее, график, предусмотренный Монреальским протоколом по веществам, разрушающим озоновый слой, предписывает к 1 января 2015 года сократить уровень потребления ГХФУ в Российской Федерации до 10% от базового значения, то есть до 399,6 тонн ОРП ежегодно. Кроме того, согласно постановлению Правительства РФ № 228 от 24 марта 2014 года, с 1 января 2015 г. существенно ужесточаются нормы, регламентирующие оборот ГХФУ в стране. Таким образом окончательно выводятся из оборота рабочие вещества, содержащие атомы хлора. Также стоит отметить, что Европейский парламент ввел ограничения, запрещающие с 2011 года применение в системах кондиционирования воздуха новых моделей автомобилей фторсодержащих хладагентов с потенциалом глобального потепления (GWP) выше 150, а к 2010 году - в холодильных системах и стационарных системах кондиционирования воздуха. Можно предполагать, что требования по этому параметру будут только ужесточаться. Рисунок 1. Одноступенчатый цикл теплового насоса в P-h координатах Таблица 2 Результаты расчетов основных параметров термодинамического цикла теплового насоса для рабочих веществ низкого давления Хладагент Давление кипения при 90 °С, Р0, бар Давление конденсации при 110°С, РК, бар Удельная массовая теплопроизводительность, qк, кДж/кг Действительная работа сжатия, lд, кДж/кг Коэффициент преобразования, μ Удельная объемная теплопроизводительность, qυ, кДж/м3 Озоноактивные рабочие вещества R11 6,58 10,12 147,80 11,92 12,40 5011,87 R113 3,48 5,56 109,82 8,79 12,50 2829,79 R114 11,48 17,10 82,95 7,57 10,96 6874,61 R123 6,25 9,75 130,58 10,71 12,19 4788,41 R124 19,46 28,83 76,44 8,13 9,40 9800,12 R141b 5,38 8,41 183,83 14,73 12,48 4278,70 R142b 17,01 25,06 128,37 11,94 10,75 9839,80 R21 10,78 16,33 179,69 14,79 12,15 7805,95 Вещества с большим потенциалом глобального потепления R236fa 15,65 23,83 74,05 7,79 9,51 8343,66 R245fa 10,03 15,70 128,60 11,31 11,37 7079,38 R365mfc 4,58 7,42 147,52 12,30 11,99 3711,19 RC318 16,68 25,04 41,30 5,31 7,78 6776,05 Экологически безопасные рабочие вещества R600 12,36 18,32 245,89 22,43 11,36 7442,33 R600a 16,66 24,15 195,88 19,36 10,12 8532,47 R601 4,70 7,37 284,53 23,44 12,14 3608,68 R601a 5,78 8,91 261,83 21,89 11,96 4171,86 Озонобезопасные хладагенты R236fa, R245fa и RC318 были разработаны в качестве замены хлорфторуглеводородов. Однако, невысокие показатели коэффициента преобразования и большие значения GWP не позволяют расценивать эти рабочие вещества в качестве адекватной замены хлорфторуглеводородов для применения в ВТН. Недавно разработанный хладагент R-1234yf не обеспечивает всех потребностей систем, основанных на принципе трансформации тепла. Для сравнения, его критическая температура 96 °С на 5 градусов ниже, чем у R-134a, следовательно, этот хладагент не может быть рекомендован для использования в условиях работы ВТН. Смесевые рабочие вещества. Смесевые хладагенты широко применяются в холодильной технике, однако возможность их использования в качестве рабочих веществ ТН исследована не полностью. Особого внимания заслуживают зеотропные (неазеотропные) требует дальнейшего исследования. Эффективность их использования в ТН отмечена еще в [1]: «Используя это обстоятельство (температурный глайд зеотропной смеси в процессах конденсации/испарения), можно в ряде случаев подобрать хладоагент так, чтобы изменение его температуры в конденсаторе проходило эквидистантно изменению температуры идущей противотоком воды (или воздуха), а в испарителе - хладоносителя (если его температура переменна). В результате можно уменьшить потери от необратимости...». В отдельной проработке нуждаются вопросы о взаимном влиянии составных компонентов смеси на общий процесс тепломассообмена и эффективности расширения зоны «глайда» циклов тепловых насосов на основе промышленно выпускаемых хладагентов, с учётом их различной токсичности, воспламеняемости и воздействия на озоновый слой. Необходимо отметить, что используемые сегодня в холодильной технике распространенные смесевые рабочие вещества, обладая относительно низкой температурой кипения (ниже минус 30 °С) и критической точкой (не более 100 °С), не удовлетворяют вышеописанным критериям для применения в ВТН. Природные рабочие вещества. В настоящее время в связи с отсутствием пригодных к использованию синтетических рабочих веществ главным направлением развития высотемпературной теплонасосной техники является использование природных рабочих веществ, с учётом их термодинамических, теплофизических и эксплуатационных особенностей. Изобутан, пропан и другие углеводороды (R-600a, R-290 и другие соединения CnHm) имеют относительно хорошие термодинамические свойства, дешевы и доступны, но горючи и взрывоопасны. Не воздействуют на озоновый слой и не создают парниковый эффект. Н-бутан (R600) является наиболее предпочтительным с точки зрения энергоэффективности, но обладает относительно высоким уровнем давления в рабочем диапазоне температур. Перспективным практическим преимуществом изобутана (R-600a) является возможность его использования как в стандартных парокомпрессионных тепловых насосах для нагрева теплоносителя системы отопления до 100 °С, так и в энергетических установках на низкокипящих рабочих телах, утилизирующих возобновляемое тепло геотермальных месторождений и сбросное тепло промышленных предприятий. При соблюдении мер пожарной безопасности это рабочее тело вполне применимо для использования в зонах рекреации с примением стандартного теплонасосного оборудования. В последние годы использование углеводородов в системах холодоснабжения, кондиционирования воздуха и тепловых насосах, используемых в целях комфортного жизнеобеспечения людей становится все более распространенным. Этой тенденции способствует рациональная законодательная политика в области применения углеводородов и постоянное совершенствование конструкций холодильной и теплонасосной техники; так в первой половине XX века заправка домашнего холодильника составляла 250 г пропана, для современных же моделей достаточно 20 г. Допустимые же нормы по европейским стандартам по заправке составляют порядка 230 г пропана при установке на уровне 1 м от пола. С увеличением высоты размещения устройства относительно пола величина допустимой заправки возрастает, что позволяет использовать достаточно мощные кондиционеры и тепловые насосы на углеводородах в домашних условиях. Актуальной задачей является разработка смеси пропан/бутан для снижения величины избыточного давления в контуре. При оценке использования такой смеси в качестве рабочего тела теплонасосного дистиллятора важным фактором является температурный глайд, величина которого может существенно влиять на величину минимальных температурных напоров в теплообменных аппаратах. Для температур конденсации в пределах 90 °C используются также и такие природные рабочие вещества, как аммиак и углекислота. Однако известные трудности с высокими рабочими давлениями, большим перегревом в процессе сжатия паров и коррозионной активностью к медьсодержащим материалам (аммиак) и низкой критической точкой (углекислота) существенно сдерживают применение данных рабочих веществ при высоких температурах. Выводы Проведенный обзор показывает ограниченность вариантов выбора законодательно разрешенных рабочих веществ низкого давления для применения в высокотемпературных тепловых насосах. По мнению авторов, целесообразность однозначного запрета на использование синтетических рабочих веществ в условиях отсутствия равноценной замены должна быть четко обоснована с учетом комплексной оценки воздействия на окружающую среду и таких показателей, как TEWI (Total Equivalent Warming Impact - полный эквивалент глобального потепления).