<<< На главную <<<              <<< к тепловым насосам <<<

Теплофизические свойства фреонов

Фреоны – предельные галоидозамещенные углеводородов – относятся к числу технически важных веществ. Одна из основных и традиционных сфер их использования – получение искусственного холода для обработки и хранения пищевых продуктов, в системе промышленного и транспортного кондиционирования. Используют фреоны также для медицинских, бытовых и технических целей, для обезжиривания, очистки, промывки и сушки оборудования и герметичных систем, в качестве среды при фторировании полимеров, получении высокомолекулярных фторорганических соединений, разделении карбоновых кислот.

Фреоны применимы в качестве охлаждающего агента мощных электрогенераторов и в качестве рабочего тела в турбоустановках, работающих на вторичных энергоресурсах промышленных предприятий и на геотермальных источниках, в низкотемпературной части термодинамического цикла тепловых электростанций.

Такая широкая сфера применения фреонов явилась мощным стимулом для проведения крупномасштабных экспериментальных и расчетно-теоретических исследований с целью разработки достоверных справочных данных о теплофизических свойствах фреонов в широкой области температур и давлений. Наибольший размах эти исследования приобрели для многих галоидных производных рядов метана и этана.

Существует несколько систем обозначения фреонов.

Резюме

В этом обзоре обобщены текущее состояние технологии и исследования для всех высокотемпературных тепловых насосов (HTWP). Существующие ограничения использования коммерчески доступных тепловых насосов и эксплуатационных параметров, включенных в исследования систем, подробно описаны. Акцент делается на оценке возможных циклов теплового насоса и хладагента и проверки их на пригодность при проектировании теплового насоса с температурой подачи до 120°C На основе этой литературы, в результате исследования следующим этапом, должно быть возможно построение прототипа HTWP тепловой мощностью около 10 кВт в лабораторных условиях.

Мотивация этого исследования исходили из того, что большая часть потребления энергии используется в промышленности для обеспечения теплом технологических процессов. По приведенным оценкам, тепло для промышленных нужд Швейцарии это 53% (или 87 PJ = 87*1015). В Австрии это 30% (228 PJ) и в Германии около 40% (+1917 PJ).

Технологические процессы требуют, как правило, температуре от 80 до 180oC. Как правило, большая часть затраченного тепла при этом попадает на более низкий температурный уровень использования, в качестве охлаждающей среды, сточных вод или отработанного воздуха. С энергетической точки зрения промышленные отходы являются ценным источником тепла, так как их уровень температуры от 30 до 60oС, что значительно выше, чем у окружающего воздуха (от 15 до 20oC) или почвы (от 5 до 10oC).

За счет использования тепловых насосов для промышленной рекуперации тепла и за счет расширения температурного спектра теплового насоса до 120oC, большой, неиспользованный до сих пор потенциал можно задействовать для утилизации тепла и может быть достигнут значительный вклад в сокращении выбросов CO2.

Большой потенциал в основном в пищевой, бумажной, металлургической и химической промышленности. Интересными для использования HTWP являются в особенности моющие и сушащие процессы, а также пастеризация, стерилизация, выпаривание и дистилляция.
При рассмотрении потенциала использования технологии тепловых насосов в промышленности, существенным параметром является температура на выходе. При температуре верхнего предела до 150°C оценки в Европе показывают технический потенциал 626 PJ в год. 18% потенциала и соответственно 113 PJ попадают в область температуры от 100 до 150 °C, в которых могли бы использоваться промышленные HTWP.
Несмотря на большой потенциал есть коммерческие барьеры на пути распространения HTWP. Среди прочего, скепсис из-за отсутствия знаний и опыта в отношении тепловых насосов, наличие конкурирующих технологий для получения высоких температур, также влияют низкие цены на энергоносители на ископаемые виды топлива, отсутствие доступности хладагентов с низким потенциалом глобального потепления, и в частности, в результате проекты недостаточно реализуемы даже для низких температур. В последние годы на рынке неуклонно растет ассортимент высокотемпературных тепловых насосов с высокой производительностью. Мы рассмотрели 19 тепловых насосов от 12 производителей ((Kobe Steel, Hybrid Energy, Mayekawa, Dur Thermea, Ochsner, Combitherm, Friotherm, Star Refrigeration, GEA Refrigeration, Johnson Controls, Mitsubishi, Viessmann), имеющие температуру подачи по меньшей мере 90оС. Японская компания Kobe steel и Mayekawa zeigen с тепловыми насосами Kobelco SGH 120 и Mayekawa Eco Sirocco и представляют собой промышленный эталон с температурой до 120oC.

Диапазон температур типичных источников тепла составляет от 17o C до 65oC. Измеренные значения COP различных промышленных HTWP лежат в диапазоне между 2,4 и 5,8 при температурах от 40 до 95K. Теплопроизводительность в диапазоне от 20 кВт до 20 МВт. Главным образом, в качестве хладагентов используются R245fa, R717 (NH3), R134a и R744 (Сверхкритический CO2) и R1234ze(E). С точки зрения предотвращения глобального потепления должно быть ограничено применение R134a и R245f (контроль за фторсодержащими газами), и в обозримом будущем необходима разработка альтернативных хладагентов с низким GWP, англ. Global warming potentia (Потенциал Глобального Потепления) — коэффициент, определяющий степень воздействия различных парниковых газов на глобальное потепление.

В коммерческих компрессорах используются, одно- или двухвальные винтовые компрессоры, двухступенчатые турбокомпрессоры и несколько параллельно соединенных поршневых компрессоров. Большинство схем одноступенчатые и отличаются, в частности, используемым хладагентом и компрессором. Для обеспечения достаточного перегрева установлены внутренние теплообменники (IHX). Для достижения более высокой производительности используются компрессоры с параллельным подключением. Также используются оптимизация циркуляции с экономайзером, двухступенчатым турбокомпрессором и промежуточным впрыском. В значительной степени реализованы двухступенчатые схемы как каскадные (R134a / R245fa) или с экономайзером с открытой вспышкой.

Широкий спектр научных исследований HTWP на конференциях, связанных с промышленностью и журналы за последние пять лет отражают текущий взрывной характер этого вопроса. В этом литературном исследовании было обработано более 125 документов. В среднем ежегодно публикуется около 12 работ по HTWP. Существуют различные исследовательские проекты по всему миру в области HTWP с температурой потока выше 100° C. Некоторые функциональные прототипы с мощностью нагрева до 12 кВт уже созданы в лабораторном масштабе, чтобы продемонстрировать техническую осуществимость. Несколько более крупных прототипов с мощностью нагрева 100 кВт, создаются исследовательскими группами в Австрии, Германии, Франции, Японии и Китае. Швейцария будет в частности заниматься HTWP в ближайшие три года в рамках SCCER EIP1.
Самая высокая температура подачи 160° C была достигнута на лабораторном оборудовании в Австрийском технологическом институте (АИТ) с гидрофторолефином (HFO хладагент R1336mzz (Z) в 1-ступенчатом цикле с IHX. COP от 2.7 измерялся при дельте температуры 45K. При 150 °C был достигнут COP 2.4 при значительной дельте температуры 70K.
Экспериментальные исследования двухступенчатых циклов HTWP неизвестны. Однако предполагается, что исследования проводятся на многоступенчатых схемах для достижения еще более высоких температурных повышений и более высокой эффективности (как показывают теоретические модели).
Хладагент, используемый в прототипе оборудования являются R1336mzz (Z), R718 (H2O), R245fa, R1234ze (Z), и R601, а также продукты без дополнительной информации о химическом соединении, таких как LG6 (Siemens), OKO1 (содержащий R245fa, Ochsner) ECO3 (R245fa, Alter ECO) или HT125 (ILK Dresden).



(Далi буде)

Яндекс.Метрика