Оптимизация холодильных агрегатов под R 407C

Roberto Tavecchio

Хладагент R 22, несомненно, является сегодня одним из наиболее распространенных в существующем парке холодильных агрегатов. Его используют как в бытовой аппаратуре, так и в коммерческом оборудовании: и в небольших переносных кондиционерах, и в крупных водяных холодильниках. Проектировщикам нравится удачное сочетание его эффективности, производительности и рабочих характеристик. Тем не менее, в силу его вредного воздействия на озоновый слой атмосферы были приняты международные законодательные нормы, определяющие программу постепенного отказа от его применения.

Международная организация AREP (Alternative Refrigerant Evaluation Program - программа разработки альтернативных хладагентов) при поддержке крупнейших производителей хладагентов и наиболее авторитетных разработчиков холодильного оборудования и аппаратуры кондиционирования воздуха определили перечень потенциальных заменителей R 22. Были утверждены четыре наименования хладагентов - R 407C, R 404A, R 134A и R 410A - все HFC (фторуглероды).

Использование R 407C в испарителях прямого расширения

R 407C может быть идеальным заменителем для холодильных агрегатов, в которых применяются испарители прямого расширения (англ. Direct Expansion, сокр. DX). Одна из особенностей R 407C, известная как температурная текучесть, дает возможность находить новые интересные варианты проектирования подобных агрегатов. Кроме того, заложенные в R 407C хорошие показатели производительности (сходные с характеристиками R 22) позволяют использовать компрессоры прямого действия со следующими преимуществами:

• сокращение числа механических компонентов (уже не требуется мультипликатор оборотов);
• продление срока службы самих компонентов благодаря уменьшению скорости вращения (менее 3 000 об/мин);
• уменьшение шумности.

R 407C является зеотропной смесью трех хладагентов - в его составе 23% R 32, 25% R 125 и 52% R 134А. Определение "зеотропный" относится к смесям, которые ведут себя отлично от монокомпонентных веществ.

При определенном давлении R 407C испаряется в некотором температурном диапазоне, а не при постоянной температуре (как происходит с чистыми веществами или азеотропными смесями). Это явление и называется "температурная текучесть".

Рисунок 1. В двухходовом испарителе подача и отвод хладагента производятся с одной стороны

Рисунок 2. В противоточном испарителе подача и отвод хладагента находятся на противоположных сторонах теплообменника

R 410А и R 404А имеют слишком незначительную температурную текучесть, чтобы представлять интерес для проектировщиков (0,50С или меньше). А вот R 407C имеет температурную текучесть около 4,4⁰С, что дает возможность разрабатывать машины с улучшенными рабочими характеристиками.

Обычные двухходовые и одноходовые противоточные испарители

В обычном испарителе хладагент пропускается через теплообменник в два хода. Подача жидкого хладагента и отвод хладагента в виде пара осуществляются с одной и той же стороны теплообменника. Напротив, в противоточном испарителе вода течет слева направо, а хладагент течет справа налево, осуществляя в теплообменнике только один прогон. Отвод и подача хладагента производятся на противоположных сторонах теплообменника.

R 22 и R 134А испаряются при постоянной температуре около 3⁰С и при стандартных условиях (приготовляемая охлажденная вода имеет температуру 7⁰С).

R 407C испаряется в температурном диапазоне равном 4,4⁰С.

Это означает, что применение R 407C в обычном теплообменнике требует, чтобы испарение начиналось при температуре ниже 3⁰С с соответствующим падением производительности. Напротив, если R 407C используется в противоточном теплообменнике, испарение начинается при температуре 3⁰С, а в конце процесса температура выше 7⁰С.

Компрессор, который должен довести газ до температуры конденсации на уровне 52⁰С (если предположить, что наружная температура составляет около 35⁰С), получает преимущество в 4⁰С, оборачивающееся сокращением энергопотребления.

Рисунок 3. рафик изменения температуры хладагента R 407C и воды в противоточном испарителе:температура хладагента на выходе выше температуры охлажденной воды на входе

Температурная текучесть увеличивает производительность

Температурная текучесть при правильной эксплуатации агрегатов дает весьма интересные возможности по улучшению показателей энергопотребления оборудования. Если испаритель прямого расширения проектируется как противоточный теплообменник, то есть хладагент и вода подаются с противоположных сторон и проходят через теплообменник в один прогон, температура хладагента на выходе может быть выше температуры охлажденной воды на выходе. Более высокая температура отводимого газа, получаемая на противоточном испарителе с R 407C, ведет к тому, что компрессор должен произвести меньшую работу для нагрева хладагента до температуры конденсации. Меньшая работа по компрессии означает меньшее энергопотребление и сокращение эксплуатационных расходов. Таким образом, благодаря температурной текучести, R 407C является отличным заменителем хладагента R 22 при условии, что он будет применяться в агрегатах, где заложена возможность использования данного явления.

Эта особенность была использована в переработке серии водяных холодильных агрегатов под R 407C: речь идет о машинах с воздушным охлаждением со спиральными двухроторными полугерметичными компрессорами прямого действия с непрерывным регулированием выделяемой мощности посредством клапана-золотника. Оптимизация, о которой мы говорим, состоит в использовании парной технологии противоточного теплообмена с добавлением теплообменника на вытяжной линии (англ. Suction Line Heat Exchanger, сокр. SLHX).

В противоточном испарителе используется высокопроизводительная пучковая система труб (соответствующим образом запатентованная), которая обеспечивает теплообмен в один прогон и генерирует насыщенный пар с температурой выше температуры подаваемой охлажденной воды. Кроме того, в каждом холодильном контуре агрегата используется простой теплообменник с пучковой системой труб на отводящей линии.

Этот дополнительный теплообменник доводит до максимума охлаждающую мощность и производительность агрегата, переохлаждая подаваемый в испаритель жидкий хладагент и перегревая отводимый в компрессор газ.

Если сравнивать эту систему с обычным оборудованием, то, независимо от используемого хладагента, значительная часть испарителя в нем занята перегревом газа. В противоточном испарителе генерируется уже насыщенный пар, а перегрев, требуемый для защиты компрессора, обеспечивается устройствами SLHX.

Холодильный агрегат, оптимизированный под R 407C, является интересным примером решения проблем повышения эффективности работы машин, их промышленной и экологической безопасности.

Коэффициент полезного действия COP (англ. Coefficient of Рerformance - отношение между выделяемой охлаждающей мощностью и потребляемой электроэнергией) в стандартных условиях (охлажденная вода 12/7⁰С, температура наружного воздуха 35⁰С) может достигать значения 3,4 (с учетом только энергопотребления компрессоров) или 3,1 (с учетом плюс к этому энергопотребления вентиляторов батарей конденсатора): такие значения являются, безусловно, замечательными на нынешнем этапе технологического развития.

Безопасность персонала и оборудования также являются весьма существенными моментами, учитывая, что R 407C негорючий с самым низким уровнем токсичности газ.

Показатель TEWI (Total Equivalent Warming Impact - эффект общего эквивалентного нагрева)

Общий парниковый эффект холодильного агрегата выражается параметром, называемым TEWI (эффект общего эквивалентного нагрева), и зависит от количества СО₂, выделяемого при работе агрегата.

В формуле расчета данного параметра различаются два слагаемых. Первое представляет собой прямой эффект (Direct Global Warming - DWG), в котором выражены эквивалентные выбросы углекислого газа из-за утечки хладагента.

Второе представляет собой косвенный эффект (Indirect Global Warming - IWG), в котором выражены выбросы углекислого газа, обусловленные энергопотреблением задействованного оборудования.

Рисунок 4. Схема холодильного контура, оптимизированного под R 407C,с противоточным испарителем и SLHX (Suction Line Heat Exchanger)

Показатель DWG можно свести к значению, близкому к нулю, минимизировав утечки хладагента. В любом случае для параметра TEWI данный показатель имеет весьма скромное удельное значение.

Чтобы существенно уменьшить TEWI, необходимо воздействовать на IWG, то есть разрабатывать холодильные агрегаты, имеющие более высокий коэффициент полезного действия СОР.

Лучшая эффективность холодильного агрегата, оптимизированного под R 407C, проявляется в меньшем воздействии на среду, выраженном с помощью параметра общего эквивалентного нагрева (TEWS). Сокращение энергопотребления ведет к сокращению потребности электроэнергии, производимой теплоэлектростанциями, которые работают на ископаемом топливе и являются основным источником выбросов, создающих парниковый эффект.

Как и все хладагенты HFC, R 407C не является вредным для озонового слоя, поскольку не содержит хлора.

Перепечатано с сокращениями из журнала RCI, № 11, 2000.

Перевод с итальянского С. Н. Булекова.

Научное редактирование выполнено Ф. А. Шилькрот - гл. специалистом МОСПРОЕКТ-3