Применение фреонов в качестве рабочей жидкости в тепловых трубах теплообменников систем вентиляции

Полный текст

Исследование утилизации низкопотенциального тепла вытяжного вентиляционного воздуха в жилых помещениях зданий представляет большой интерес с точки зрения энергосбережения и энергоэффективности [1]. Для реализации данного процесса используются различные виды теплоутилизаторов, которые можно разделить на три основные группы: рекуперативные, регенеративные и с промежуточным теплоносителем.

Теплообмен в регенеративных системах осуществляется с помощью теплоаккумулирующей массы. В данном процессе вытяжной воздух передает свою теплоту теплоаккумулирующей массе, которая нагревается. Затем аккумулированная теплота передается приточному воздуху. Теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем используют теплоноситель (раствор соли, гликоль и т. п.), циркулирующий между двумя теплообменниками. Данный вид утилизатора позволяет разделить приточный и вытяжной блоки, но за счет сложности конструкции они менее эффективны, чем другие типы. Также может использоваться тепловой насос для переноса тепла вытяжного воздуха к приточному воздуху, что позволяет повысить эффективность. В теплоутилизаторах-рекуператорах теплота одной среды (вытяжного воздуха) передается через разделительную стенку другой среде (приточному воздуху). Одним из самых перспективных рекуператоров являются тепловые трубы [2, 3].

При их использовании выбор применяемых материалов и хладагентов является критически важным для обеспечения их эффективной работы в различных условиях эксплуатации. Материалы корпуса тепловой трубки должны обладать высоким коэффициентом теплопроводности, достаточной прочностью и устойчивостью к коррозии и хладагенту. Чаще всего используется медь, алюминий и сплавы на их основе. Для высокотемпературных применений используется также титан, нержавеющая сталь и сплавы с молибденом. Хладагент является рабочей жидкостью в тепловой трубке и отвечает за перенос тепла. Выбор хладагента зависит от нескольких факторов, включая желаемый диапазон температур, давление, теплопроводность и химические свойства [4]:

1. Аммиак (NH₃): наиболее распространенный хладагент, обладающий высокой теплопроводностью и низкой вязкостью. Умеренно токсичен, требует осторожного обращения.
2. Вода (H₂O): экологически безопасный и нетоксичный хладагент. Однако имеет сравнительно низкую теплопроводность и высокую удельную теплоемкость, что ограничивает его использование в высокопроизводительных приложениях.
3. Метанол (CH₃OH): обладает хорошей теплопроводностью и низкой вязкостью. Токсичен, требует использования специальных материалов и уплотнений.
4. Этанол (C₂H₅OH): похож на метанол, но менее токсичен. Может использоваться в пищевой и фармацевтической промышленности.
5. Ртуть (Hg): жидкий металл с высокой теплопроводностью, подходящий для высокотемпературных применений. Токсичен, требует специальных мер предосторожности.
6. Индий (In): жидкий металл, обладает низкой теплопроводностью, но высокой плотностью.

Выбор оптимального сочетания материалов и хладагента для конкретного применения тепловых труб требует тщательного рассмотрения факторов, включающих диапазон температур, требуемую тепловую мощность, совместимость материалов и безопасность.

Аммиак широко используется в качестве хладагента в холодильных системах и в различных промышленных процессах, таких как производство удобрений и взрывчатых веществ. Однако вместе с рядом преимуществ у аммиака имеются и серьезные недостатки, ограничивающие его применение. Достоинствами аммиака являются: высокая холодопроизводительность (высокое значение скрытой теплоты парообразования); низкая стоимость и доступность; хорошие термодинамические свойства. Недостатки аммиака: токсичность – он обладает резким, раздражающим запахом и токсичен для человека. Предельно допустимая концентрация (ПДК) аммиака в воздухе рабочих помещений составляет всего 20 мг/м³, а при концентрации 200-300 г/м³ существует риск самопроизвольного взрыва; при сжатии в компрессорах аммиак развивает высокое давление, что создает дополнительные требования к конструкции и безопасности оборудования; коррозионная активность – аммиак коррозионно активен по отношению к определенным металлам и сплавам [5].

Галогенсодержащие углеводороды (фреоны) могут использоваться как альтернатива аммиаку, поэтому из-за своих недостатков аммиак часто заменяется фреонами. Преимущества фреонов: безопасность – фреоны нетоксичны и взрывобезопасны, что делает их предпочтительными для использования в жилых и коммерческих помещениях; низкое давление нагнетания – низкое давление нагнетания при сжатии позволяет использовать компрессоры меньших размеров; хорошие теплофизические свойства – фреоны обладают хорошими теплофизическими и термодинамическими характеристиками, что обеспечивает высокую эффективность холодильных систем; химическая нейтральность – фреоны химически нейтральны к большинству конструкционных материалов, что продлевает срок службы оборудования; низкий коэффициент озоноразрушения – хотя галогенсодержащие фреоны и способствуют разрушению озонового слоя, их озоноразрушающий потенциал (ОРП) намного ниже, чем у других типов хладагентов, таких как хлорфторуглероды (ХФУ). Однако фреоны также имеют свои недостатки: высокая стоимость ‒ фреоны, как правило, дороже аммиака, что может увеличить капитальные затраты на холодильную систему; потенциал глобального потепления (ПГП) ‒ фреоны являются парниковыми газами и обладают высоким ПГП, что вносит свой вклад в изменение климата.

Таким образом, фреоны не могут полностью заменить аммиак благодаря его высокой холодопроизводительности и низкой стоимости. В определенных промышленных приложениях аммиак остается единственным экономически эффективным вариантом.

В последние годы ведется поиск альтернативных хладагентов, которые обладают высокой эффективностью, безопасностью и низким воздействием на окружающую среду. Среди перспективных вариантов можно назвать следующие [4]:

1. Гидрофторуглероды (ГФУ) – имеют низкий ПГП и ОРП, но их использование ограничено высоким давлением нагнетания.
2. Гидрофторалканы (ГФА) – обладают низким ПГП и ОРП, а также более низким давлением нагнетания, чем ГФУ.
3. Углекислый газ (СО₂) ‒ является естественным хладагентом с нулевым ПГП и ОРП, но его использование связано с более высоким давлением и необходимостью специального оборудования.
4. Аммиак с низким зарядом – позволяет снизить риски, связанные с токсичностью и взрывоопасностью, сохраняя при этом высокую эффективность.

Выбор подходящего хладагента зависит от конкретного применения, требований к безопасности и воздействия на окружающую среду, в связи с чем появилась необходимость изучить возможность использования фреонов [6] в аммиачной тепловой трубе в качестве его замены (табл. 1).

 

Таблица 1. Сравнительные характеристики хладагентов
Table 1. Comparative characteristics of refrigerants

Показатель	Фреон					Аммиак
	R-134A	R-22	R-125	R-410А	R-407С
Плотность жидкости ρl, кг/м3	1202,16	1184	1177,9	1051,91	1131,08	601
Вязкость жидкости µl, кг/(м·с)	0,0001261	0,000232	0,000125	0,000118	0,000149	0,000213
Поверх-ностное натяжение σ, Н/м	0,00802	0,00767	0,00355	0,0048	0,0067	0,0197
Скрытая теплота парообразования $\tilde{\tau }$, Дж/кг	176 080	180 387	105 390	191 318	188 880	1 160 000
Плотность пара ρv, кг/м3	28,462	46,91	89,98	65,27	43,99	8,2
Вязкость пара µv, кг/(м·с)	0,00001254	0,00001279	0,00001425	0,00001406	0,00001279	0,00001104

 

В качестве базовых элементов для расчета принимался теплоноситель аммиак и тепловая труба (из профиля АС-КРА8.6-Р2) длиной l = 1,0 м с Ω-образным фитилем, которая имеет следующие характеристики [7, 8]:

• корпус трубы алюминиевый с наружным диаметром d_o = 0,017 м;
• общая глубина комбинированной канавки δ = 0,0015м;
• диаметр круглой части паза d_n = 0,001 м;
• ширина трапецеидальной части паза ω’ = 0,0004 м и ω’’ = 0,0003 м;
• число канавок n = 25;
• диаметр оси круглой части каналов d = 0,0135 м;
• диаметр парового канала d_v = 0,0115 м;
• диаметр внутренний корпуса d_i = 0,0145 м;
• угол наклона трубы ψ = 0 рад;
• длина конденсаторной части l_с = 0,127 м;
• длина адиабатической части l_а = 0,005 м;
• длина испарителя l_е = 0,85 м.

Максимальная теплопередающая способность аммиачной тепловой трубы при заданной температуре пара Т_ν = 300 К может быть найдена из уравнения

$Q_{\max }=m_{макс}\cdot \tilde{\tau },$ (1)

где m_макс – максимальный массовый расход жидкости в фитиле; $\tilde{\tau }$ – скрытая теплота парообразования.

Исходя из капиллярных ограничений и используя стандартное выражение для баланса давлений, имеем

$\Delta {р}_{с}=\Delta {р}_v+\Delta {р}_l+\Delta {р}_g,$ (2)

и пренебрегая в первом приближении перепадом давлений в паровой фазе $\Delta {р}_v (\Delta {р}_l⟩⟩\Delta {р}_v)\begin{array}{}\end{array}$, после подстановки соответствующих соотношений для ∆p_c, ∆p_l, ∆p_g, получим:

$\frac{2{\sigma }_l\cos \theta }{r_c}=\frac{{\mu }_l}{{\rho }_l\tilde{r}}\cdot \frac{Q{l}_{eff}}{A_{w}K}+{\rho }_{l}g{l}_{eff}\sin \psi$, (3)

где A_w – площадь поперечного сечения фитиля;

К – коэффициент проницаемости фитиля;

g – ускорение свободного падения, g = 9,8 м/с².

Раскрыв это равенство относительно массового расхода, получим [7]:

$m=\frac{{\rho }_{l}K{A}_w}{{\mu }_l{l}_{eff}}\left\{\frac{2{\sigma }_l}{r_{е}}\cos \theta -{\rho }_{l}g{l}_{eff}\sin \psi \right\}$, (4)

Значения, входящие в формулу (4), определяются по нижеприведенным формулам (5)‒(10).

Площадь поперечного сечения фитиля:

$A_{w,\sum }=n\cdot \frac{\pi d_n^2}{4}+n\cdot \frac{(w^{\text{'}}+w^{\text{'}\text{'}})}{2}\cdot \frac{(d_n-d_v)}{2}$. (5)

Пористость фитиля:

$\epsilon =\frac{A_{w,{\displaystyle \sum }}}{\frac{\pi }{4}(d_i^2-d_v^2)}$. (6)

Коэффициент проницаемости фитиля:

$K=2\epsilon \cdot r_{h,l}^2/f_l{\mathrm{Re}}_l$. (7)

Задавая режим движения жидкости ламинарным, значение показателя f_iRe_i принимаем равным 16.

Гидравлический радиус открытой комбинированной канавки:

$r_{h,l}=\frac{2A_{w,{\displaystyle \sum }}/n}{\text{æ}}$. (8)

где æ – смоченный периметр канавки.

$\text{æ}=\pi \cdot {\text{d}}_{\text{n}}-w^{\text{'}\text{'}}+2c$. (9)

Эффективная длина составит

$l_{eff}=l_a+\frac{l_c+l_{е}}{2}$. (10)

При проведении сравнительного анализа был выполнен расчет массового расхода жидкости для аммиака, в результате максимальная теплопередающая способность тепловой трубы, заполненной аммиаком, составляет Q = m × $\tilde{\tau }$ = 0,304 × 10^-3 × 1,16 × 10⁶ = 352,64 Вт [7, 8].

Далее аналогичным способом были произведены расчеты для получения сравнительных величин массового расхода жидкости и максимальной теплопередающей способности тепловой трубы с использованием различных фреонов (табл. 2).

 

Таблица 2. Сравнительные данные теплопередающей способности
Table 2. Comparative heat transfer data

Показатель	Фреон					Аммиак
	R-134A	R-22	R-125	R-410А	R-410А
m, кг/с	0,0004184	0,0002142	0,0001831	0,000234	0,0001279	0,0003049
Q, Вт	73,67	38,64	19,29	44,76	52,59	352,64

 

Вывод. Сравнительный анализ использования фреонов в качестве альтернативного теплоносителя вместо аммиака показал возможность их применения в данном качестве. Однако теплопередающая способность тепловой трубы из профиля АС-КРА8.6-Р2 длиной l = 1,0 м с Ω-образным фитилем, которая использовалась как базовый элемент для сравнительного расчета, снижается при этом в диапазоне от 4,8 до 18,3 раза.

Об авторах

Данила Владимирович Зеленцов

Самарский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: tgv@samgtu.ru

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Арина Алексеевна Глинская

Самарский государственный технический университет

Email: a-glinskaia@mail.ru

аспирант кафедры теплогазоснабжения и вентиляции

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы