Автор О.В. Дьяченко, ООО «Айсблик»

Представленная работа посвящена исследованию систем тепло- и хладоснабжения процессов очистки технических газов на уровне температур 150…350 К. Исследована система теплохладоснабжения установки очистки R216 методом ректификации на базе парокомпрессионной холодильной машины (ПХМ) и теплового насоса (ТН). Рассчитаны коэффициент эффективности цикла и эксергетический КПД при работе на хладагентах R717, R22, R407b для ПХМ и R114, R142b, R600a для ТН.

I. Введение

Химическая промышленность, в частности, производство фторорганических соединений, производит десятки различных веществ на основе углеводородов ряда метана. Традиционной областью применения таких соединений (фреонов и др.) являются различные системы охлаждения (холодильные машины, кондиционеры) и тепловые насосы [1-3]. Некоторые вещества могут быть использованы в качестве: пропеллентов в производстве аэрозолей, реагентов для сухого травления интегральных схем в электронике, сырья для получения высокомолекулярных соединений в химической промышленности.

В связи с расширением сферы использования фторорганических соединений повышается спрос на продукцию повышенной чистоты. Из-за технологических ограничений химические предприятия не могут гарантировать получение сверхчистых продуктов. Эти факторы открывают широкие возможности для создания новых технологий очистки технических газов.

II. Постановка задачи

Основными методами, используемыми в процессах обогащения и очистки большинства технических газов, являются конденсационные и адсорбционные методы разделения смесей при пониженных температурах. Для осуществления процесса ректификации необходимо создать разность температур между кубом и конденсатором колонны. Источниками тепла могут быть: входящий в колонну поток теплого газа; промежуточное рабочее тело (например, вода); электронагреватель; тепловой насос; конденсатор холодильного цикла, используемого в качестве источника холода. Выбор экономичной системы теплохладоснабжения (СТХС) промышленной установки является непростой задачей проектирования и поэтому не теряет своей актуальности. В области температур 150…300 К в качестве источника холода наиболее эффективны парокомпрессионные холодильные машины (ПХМ). Выпускаемые промышленностью холодильные агрегаты в качестве рабочего тела используют, как правило, фреоны R12, R22, R717, R134a, R142b, R13 и R23. Однако, подписание Монреальского протокола ограничивает число веществ, традиционно используемых в качестве хладагентов [2,3]. Это создает дополнительные трудности при подборе серийного оборудования. В настоящее время развернуты исследования в области замены озоноопасных фреонов (R12, R13 и др.) на альтернативные рабочие тела в различных областях народного хозяйства. Одним из направлений таких исследований является использование в качестве хладагента такого хорошо известного хладагента как аммиак (NH3, R717) [4]. Расширяются объемы применения других натуральных веществ — этана, пропана, бутана и изобутана [2,3]. Перспективными рабочими телами являются смеси на их основе. Объектом настоящего исследования является система теплохладоснабжения установки ректификационной очистки R216 от примесей воздуха (рис. 1). Предлагаемая система состоит из парокомпрессионной холодильной установки, работающей в комплексе с тепловым насосом. Обе установки связаны общим аппаратом — конденсатором-испарителем. Аналогом такой системы является каскадная холодильная машина.

III. Методика расчета системы теплохладоснабжения

Принципиальная схема и цикл в lg(P)-i диаграмме наиболее распространенной одноступенчатой парокомпрессионной холодильной машины показаны на рис. 2.

Очистка технических газов (ксенона, компонентов природного газа, различных фреонов) производится при температурах, близких к температурам нормального кипения указанных веществ. В данном случае температура кипения целевого продукта (R216) составляет 35 °С при 0,1 МПа. Исходные данные для расчета системы теплохладоснабжения ректификационной установки с учетом технологических ограничений представлены в табл. 1.

Для принятых условий работы температура охлаждения дефлегматора колонны равна -35…-25 °С, температура нагрева куба — +60 °С [5-7]. Температуры в конденсаторе ПХМ (испарителе ТН) подбирались таким образом, чтобы соблюдалось условие: степень сжатия в цикле ПХМ H степени сжатия в ТН. Исходя их этого, температура конденсации холодильного агента ПХМ была принята равной +10 °С, температура кипения рабочего тела ТН — +5 °С.

В табл. 2 представлены для сравнения методика расчета параметров цикла холодильной машины и теплового насоса [8]. Критериями оценки эффективности работы технологической системы являются коэффициент эффективности цикла и эксергетический КПД.

На рис. 3 изображены циклы ПХМ и ТН в T-s диаграмме. Область пересечения иллюстрирует связь циклов с помощью конденсатора-испарителя.Методика расчета параметров комплексной системы представлена в табл. 3.


В качестве хладагентов ПХМ исследовались три перспективных рабочих тела: R717, R22 и R407b.Особенностью реализации цикла холодильной машины для аммиака является отсутствие регенеративного теплообменника.

Газ в компрессор подается непосредственно из испарителя при температуре кипения без дополнительного подогрева. Это вызвано достаточно высокой температурой адиабатического сжатия. Для остальных хладагентов температура газа на всасывании в компрессор равна 18 °С. Расход хладагента в цикле ПХМ определяется заданной холодильной нагрузкой и удельной ходопроизводительностью. Формулы для расчета коэффициента эффективности и эксергетического КПД даны в табл. 3.

Аналогичные исследования были проведены для R114, R142b, R600a, наиболее приемлемых в качестве рабочих тел ТН. В принятой модели считаем, что холодильная нагрузка в цикле ТН равна тепловой нагрузке конденсатора ПХМ. Избыточная тепловая нагрузка, получаемая в результате работы СТХС в конденсаторе теплового насоса, сбрасывается в окружающую среду (в дополнительном конденсаторе, не показанном на рис. 1).

IV. Результаты расчетов

В табл. 4 и на рис. 4, 5 представлены результаты расчетных исследований системы теплохладоснабжения ректификационной установки. Использование фреонов R22 и R407b в качестве хладагента ПХМ позволяет достичь более низких температур (-37…-32 °С), чем R717 (-25 °С). Однако указанные фреоны не лишены недостатков. Переменная температура кипения для R407b (неазеотропная смесь) приводит к нестабильности процесса конденсации R216 в дефлегматоре колонны. Хладагент R22 относится к разряду озоноопасных веществ. Кроме этого, холодильный коэффициент (= 3,45–3,62) и эксергетический КПД (EX = 0,62–0,63) для этих фреонов значительно ниже, чем для аммиака (= 3,48 и EX = 0,67). Исследование параметров работы ТН показывают, что лучшим рабочим телом для заданных условий является хладагент R21 (рис. 4, 5), для которого = 4,07 и EX = 0,67. Самые низкие значения коэффициента тепловой производительности (= 3,91) и эксергетического КПД (EX = 0,65) характерны для R114. Оба фреона являются озоноопасными веществами. Несомненными достоинствами обладает натуральный хладагент R600a. Невысокая температура сжатия в компрессоре (t21 = 80 °C) сочетается с достаточно высокими значениями = 3,96 и EX = 0,65.



Результаты расчета параметров комплексной установки показали, что сочетание рабочих тел R717 для ПХМ и R21 для ТН позволяет достичь лучших результатов: коэффициент эффективности ϕ= 3,0, эксергетический КПД установки EX = 0,44. Замена R21 на натуральный хладагент R600a незначительно снижает параметры цикла (до ϕ= 2,9 и EX = 0,43).

V. Выводы

Исследования системы теплохладоснабжения ректификационной установки для очистки R216 показали, что решение этой задачи возможно с помощью парокомпрессионной холодильной машины в качестве источника холода и теплового насоса в качестве источника тепла, работающих в едином комплексе. Представлена методика оценки эффективности такой системы.

Расчет коэффициента эффективности и эксергетического КПД позволил определить, что для заданных условий работы СТХС и рабочих тел: аммиака в холодильной системе и R21 в тепловом насосе, значение коэффициента эффективности и эксергетического КПД максимальны. В связи с тем, что R21 является озоноопасным хладагентом рекомендуется заменить его на озонобезопасный натуральный хладагент R600а. Эта операция не приводит к значительному ухудшению параметров работы системы в целом. 

Литература
1. Максимов Б. Н., Барабанов В. Г., Серушкин И. Л. и др. Промышленные фторорганические продукты: Справ. изд. — Л.: Химия, 1990. — C. 464.
2. Цветков О.Б. Холодильные агенты:Монография.— СПб., 2004. — C. 213.
3. Железный В.П., Жидков В.В. Эколого-энергетические аспекты внедрения альтернативных хладагентов в холодильной технике. — Донецк: Донбасс, 1996.— C. 144.
4. Хмельнюк М.Г., Валякин В.Н., Дьяченко О.В. Перспективы применения аммиака в малых холодильных машинах // М-лы уч.-метод. и науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и студентов ОГАХ.— Одесса, 1995.
5. Доссат Р.Дж. Основы холодильной техники // Пер с англ. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. — C. 520.
6. Явнель Б. К. Курсовое и дипломное проектирование холодильных установок и систем кондиционирования воздуха. — М.: Агропромиздат, 1989. — C. 223.
7. Вайнштейн В.Д., Канторович В.И. Низкотемпературные холодильные установки. — М.: Пищевая промышленность, 1972. — C. 351.
8. Мартынов А.В. Установки для трансформации тепла и охлаждения. — М.: Энергоатомиздат, 1989.— C. 200.