РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНОГО РАБОЧЕГО ДАВЛЕНИЯ ТРАНСКРИТИЧЕСКОГО ХОЛОДИЛЬНОГО ЦИКЛА НА ДИОКСИДЕ УГЛЕРОДА

РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНОГО РАБОЧЕГО ДАВЛЕНИЯ ТРАНСКРИТИЧЕСКОГО ХОЛОДИЛЬНОГО ЦИКЛА НА ДИОКСИДЕ УГЛЕРОДА

Косарев Артем Романович

бакалавр, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,

РФ, г. Москва

CALCULATION OF THE OPTIMAL OPERATING PRESSURE OF THE TRANSCRITICAL REFRIGERATION CYCLE ON CARBON DIOXIDE

Artem Kosarev

Bachelor, Bauman Moscow State Technical University,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрен и проведен анализ транскритического холодильного цикла на диоксиде углерода с промежуточным разделением на пар и жидкость. Найдены оптимальные значения давлений всасывания и нагнетания компрессора. Выполнен расчет рассматриваемого холодильного цикла.

ABSTRACT

The article considers and analyzes the transcritical refrigeration cycle on carbon dioxide with intermediate separation into steam and liquid. The optimal values of the suction and discharge pressures of the compressor are found. The calculation of the considered refrigeration cycle is performed.

Введение

В наши дни холодильное оборудование вышло на новый уровень и является неотъемлемой частью в современном обществе. Сейчас уже трудно представить свою жизнь без холодильника, который используется для хранения даже скоропортящихся продуктов в течение длительного времени. Актуальность рассматриваемой темы обуславливается потребностью в качественном холодильном оборудовании. Это объясняется высоким спросом на хранение пищевых продуктов. Сейчас пищевые предприятия производят очень много продукции, а также постоянно расширяется ассортимент товаров, и люди просто не успевают сразу все раскупить, поэтому, например, у магазинов оптовой и розничной торговли, возникает потребность в сохранности продукции. Торговые сети и торговые точки очень нуждаются в надежном холодильном оборудовании.

Транскритический цикл

В работе рассмотрен транскритический холодильный цикл на диоксиде углерода (СО₂). Транскритическим циклом называется цикл охлаждения, в котором отвод тепла от хладагента к более холодному источнику проходит при температурах выше критической [1]. Для диоксида углерода эта температура равна . Пример простого транскритического цикла показан на P-h диаграмме на рисунке 1.

Рисунок 1. Простой транскритический цикл в P-h диаграмме

Расчет холодильного транскритического цикла

В качестве рассматриваемого расчетного цикла выбран транскритический цикл на диоксиде углерода с разделением на пар и жидкость. В таком цикле газ сначала сжимается в компрессоре, затем охлаждается в теплообменнике, далее происходит дросселирование до промежуточного давления. На этом этапе парожидкостная смесь попадает в ресивер, где происходит ее разделение на два потока (на жидкость и пар). Затем происходит дросселирование по отдельности обоих потоков до начального давления. После повторного дросселирования потоки смешиваются и идут на всасывание в компрессор [2].

Для обеспечения работы холодильной машины при заданных условиях необходимо произвести расчет и оптимизацию данного цикла: по холодильному коэффициенту подобрать оптимальное давление нагнетания и найти параметры всех точек цикла. Схема установки представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема установки транскритического цикла на СО₂

(обозначения: ГО – газоохладитель, И – испаритель, К – компрессор, ПС – ресивер, РВ – дроссельный вентиль, СС – смотровое стекло, ФО – фильтр)

Исходные данные:

Используемый хладагент: R744 (СО₂)

Температура кипения хладагента в цикле:

Перегрев в испарителе:

Температура охлаждения газа (после газоохладителя):

 Для получения наилучшего варианта цикла нам необходимо подобрать оптимальное давление нагнетания. Для этого проведем оптимизацию путем расчета цикла на разных давлениях. Для определения параметров точек использовано специализированное ПО .

Так как транскритический цикл на диоксиде углерода является циклом высокого давления, в расчетах варьируем давление нагнетания в точке 2 от 75 до 120 бар с шагом 5 бар.

Давления в точках 2 и 3 одинаковые, так как не происходит сжатие или расширение газа, а только его охлаждение, причем без конденсации. Тогда температуру в точке 3 принимаем равную 40 ⁰С, тогда получим варианты значений энтальпии в точке 3.

Процесс 3-4 – процесс дросселирования, который происходит при постоянной энтальпии, поэтому энтальпии в точках 3 и 4 равны, то есть , поэтому для точки 4 также получаем вариацию энтальпий.

 Промежуточное давление примем равным 30 бар. Тогда давление кипения при заданных условиях: .

Отсюда найдем:

 , при этом h₅= h_4ж, h₇= h_4п, так как процессы 4ж-5 и 4п-7 также являются процессами дросселирования.

Тогда получаем, что температуры в точках 4, 4ж, 4п равны -5,57 ⁰С.

Температура в точке 6 равна -5 ⁰С (за счет перегрева в испарителе), а давление 25,758 бар.

Следовательно, находим энтальпию в этой точке:

х – долю жидкости – находим по формуле:

                                                                             (1)

Также получаем вариацию значений доли жидкости для каждого рассчитываемого давления нагнетания.

Вариацию значений энтальпии в точке 1 будем находить через уравнение баланса:

                                                              (2)

Отсюда получаем вариацию значений энтальпии для точки 1. Зная давления и энтальпии, найдем вариации значений температуры и энтропии в точке 1 и энтальпии в точке 2s [3].

Холодильный коэффициент:

                                                                                   (3)

где  – удельная холодопроизводительность:

 – удельная работа сжатия:

Удельная холодопроизводительность:

                                                                    (4)

Удельная работа сжатия:

(5)

Воспользовавшись специализированным ПО, строим график зависимости холодильного коэффициента от давления нагнетания. По графику находим значение давления, при котором холодильный коэффициент достигает максимума.

График зависимости холодильного коэффициента от давления нагнетания показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Зависимость холодильного коэффициента от давления

Оптимальное давление нагнетаний получается  принимаем: .

Найдем энтальпию точки 3 по известным температуре и давлению:

По формуле 1 находим долю жидкости х=0,517

Из уравнения баланса (формула 2) получаем, что

 найдем из уравнения:

(6)

где 0,7 – принятый КПД компрессора.

Получаем,  

Удельная холодопроизводительность и удельная работа сжатия по формулам 4 и 5 соответственно:

Находим холодильный коэффициент по формуле 3: 

Находим значения параметров остальных точек и сводим их в таблицу 1.

Таблица 1.

Параметры точек цикла.

Полученный транскритический цикл на диоксиде углерода с разделением на пар и жидкость в P-h диаграмме представлен на рисунке 4.

Рисунок 4. Посчитанный транскритический цикл в P-h диаграмме

Заключение

В данной работе проведен расчет транскритического холодильного цикла на СО₂ с разделением на пар и жидкость, который может служить исходными данными для проектирования холодильной машины, которая может применяться для хранения пищевой продукции магазинах розничной и оптовой торговли.

Список литературы:

1. Системы охлаждения на CO2 для продовольственных магазинов розничной торговли – руководство по применению компании «Данфосс». - ООО «Данфосс», 2009. [Электронный ресурс] URL: https://apimh.by/docBase/Rukovodstvo%20CO2%20Danfoss.pdf (Дата обращения: 27.07.2023)
2. И.А. Короткий. Научные основы криологии: учебное пособие / И.А. Короткий; Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - Кемерово, 2005. - 104 с.
3. А.М. Архаров, В.В. Шишов, М.С. Талызин. Энтропийно-статистический анализ низкотемпературных транскритических циклов диоксида углерода. - Москва. -14 с.