RU2024569C1

RU2024569C1 - Cooling agent

Info

Publication number: RU2024569C1
Authority: RU
Inventors: Николай Дмитриевич Захаров; Нина Николаевна Сурьянинова
Original assignee: Николай Дмитриевич Захаров
Priority date: 1991-07-08
Filing date: 1991-07-08
Publication date: 1994-12-15

Abstract

FIELD: refrigeration engineering. SUBSTANCE: the refrigerating agent for a single-stage refrigerating machine comprises (mol %): 13.2-34.2 cooling agent-14; 33.5-42.9 cooling agent -218 and argon, the balance. This makes the cycle of the refrigerating machine thermodynamically more effective. EFFECT: improved properties of the cooling agent. 1 tbl

Description

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано для охлаждения объектов в радиоэлектронике, например, квантоскопов, в диапазоне 120...130К с помощью замкнутых дроссельных регенеративных циклов. The invention relates to refrigeration and can be used to cool objects in radio electronics, for example, quantoscopes, in the range of 120 ... 130K using closed throttle regenerative cycles.

Известны холодильные агенты для дроссельных систем охлаждения, представляющие собой многокомпонентные рабочие тела, содержащие, об.%: Метан 5 - 25 Этан 15 - 25 Пропан 10 - 15 Хладон-12 10 - 25 Изобутан 5 - 25 н-Бутан Остальное (1). Known refrigerants for throttle cooling systems, which are multicomponent working fluids containing, vol.%: Methane 5 - 25 Ethane 15 - 25 Propane 10 - 15 Freon-12 10 - 25 Isobutane 5 - 25 n-Butane Else (1).

Указанные агенты обеспечивают сравнительно высокую термодинамическую эффективность цикла в диапазоне охлаждения 140 - 170 К при использовании компрессоров с одноступенчатым сжатием, однако для диапазона охлаждения 120 - 130К указанные холодильные агенты требуют использования в цикле компрессоров с двухступенчатым сжатием, что значительно повышает рабочее давление сжатия в компрессоре. These agents provide relatively high thermodynamic efficiency of the cycle in the cooling range of 140 - 170 K when using compressors with single-stage compression, however, for the cooling range of 120 - 130 K, these refrigerants require the use of compressors with two-stage compression in the cycle, which significantly increases the working pressure of compression in the compressor.

С целью повышения термодинамической эффективности цикла холодильные агенты включают такие компоненты, как хладон-14 и ниже приведен состав такого холодильного агента, об.%: Хладон-12 30 - 50 Этан 20 - 40 Хладон-14 20 - 40 (2). In order to increase the thermodynamic efficiency of the cycle, refrigerants include components such as Freon-14 and the composition of such a refrigerant is given below, vol%: Freon-12 30 - 50 Ethane 20 - 40 Freon-14 20 - 40 (2).

Но указанный холодильный агент (2) предназначен, во-первых, для получения температур 153 - 163К и, во-вторых, для применения в нижнем каскаде двухкаскадной регенеративной установки. But the specified refrigerant (2) is intended, firstly, to obtain temperatures of 153 - 163K and, secondly, for use in the lower cascade of a two-stage regenerative installation.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому составу является холодильный агент, содержащий аргон, пропилен и изобутан при следующем соотношении компонентов, мол.%: Аргон 20 - 40 Пропилен 20 - 40 Изобутан 20 - 50 (3). The closest in technical essence to the proposed composition is a refrigerant containing argon, propylene and isobutane in the following ratio of components, mol.%: Argon 20 - 40 Propylene 20 - 40 Isobutane 20 - 50 (3).

Данный холодильный агент для цикла с одноступенчатым сжатием обеспечивает высокую термодинамическую эффективность в диапазоне температур 90 - 120К при давлении нагнетания до 8,0 МПа. This refrigerant for a cycle with one-stage compression provides high thermodynamic efficiency in the temperature range of 90 - 120K at a discharge pressure of up to 8.0 MPa.

Недостатком дроссельных систем на таком холодильном агенте является низкая термодинамическая эффективность при переходе на температурный диапазон охлаждения 120 - 130К при давлении нагнетания в цикле до 3,5 МПа, а также использование взрывопожароопасных компонентов. The disadvantage of throttle systems on such a refrigerant is the low thermodynamic efficiency when switching to a cooling temperature range of 120 - 130K at a discharge pressure in the cycle of up to 3.5 MPa, as well as the use of explosive and fire hazardous components.

Цель изобретения - повышение термодинамической эффективности цикла в диапазоне охлаждения 120 - 130К при давлении нагнетания до 3,5 МПа и обеспечение взрыво-, пожаро- и озонобезопасности. The purpose of the invention is to increase the thermodynamic efficiency of the cycle in the cooling range of 120 - 130K at a discharge pressure of up to 3.5 MPa and to ensure explosion, fire and ozone safety.

Указанная цель достигается тем, что холодильный агент содержит компоненты, в мол.%: Хладон-14 13,2 - 34,2 Хладон-218 33,5 - 42,9 Аргон Остальное
Введенный в состав холодильного агента хладон-14 имеет более низкое значение критического давления по сравнению с пропиленом, а хладон-218 - соответственно по сравнению с изобутаном, что позволяет понизить давление нагнетания в цикле до 3,5 МПа при обеспечении высокой термодинамической эффективности. Понижение давления нагнетания в цикле до 3,5 МПа по сравнению с прототипом выявляет ряд существенных преимуществ при использовании заявляемого состава:
снижение требований к прочностным характеристикам элементов линии нагнетания, что в свою очередь приводит к снижению массы и габаритов этих элементов и, следовательно, к экономии остродефицитных материалов;
снижение требований к конструкции динамических и статических уплотнений, что увеличивает надежность и срок службы элементов;
снижение требований по безопасности при эксплуатации изделия.This goal is achieved by the fact that the refrigerant contains components, in mol.%: Freon-14 13.2 - 34.2 Freon-218 33.5 - 42.9 Argon
Freon-14, introduced into the composition of the refrigerant, has a lower critical pressure value compared to propylene, and Freon-218, respectively, compared to isobutane, which allows lowering the discharge pressure in the cycle to 3.5 MPa while ensuring high thermodynamic efficiency. Lowering the discharge pressure in the cycle to 3.5 MPa in comparison with the prototype reveals a number of significant advantages when using the inventive composition:
reduction of requirements to the strength characteristics of the elements of the discharge line, which in turn leads to a decrease in the mass and dimensions of these elements and, consequently, to the saving of materially deficient materials;
reduction of design requirements for dynamic and static seals, which increases the reliability and service life of elements;
reduction of safety requirements during operation of the product.

Кроме этого, хладон-14 имеет температуру кипения 145, 2К, что ниже, чем у пропилена (225,4К), а хладон-218 - 236,4К, что ниже, чем у изобутана (261,3К) и разность значений нормальных температур кипения хладона-14 и хладона-218 более чем в два раза превышает аналогичную разность температур пропилена и изобутана. Следовательно, введение в смесь хладона-14 и хладона-218 обеспечивает более равномерное распределение промежуточных фазовых переходов пар-жидкость по длине теплообменника, что значительно повышает термодинамическую эффективность цикла. In addition, HFC-14 has a boiling point of 145, 2K, which is lower than that of propylene (225.4K), and HFC-218 has 236.4K, which is lower than that of isobutane (261.3K) and the difference in normal temperature values the boiling point of Freon-14 and Freon-218 is more than twice the same temperature difference between propylene and isobutane. Therefore, the introduction of Freon-14 and Freon-218 into the mixture provides a more uniform distribution of the intermediate vapor-liquid phase transitions along the length of the heat exchanger, which significantly increases the thermodynamic efficiency of the cycle.

Кроме того, насыщенные углеводороды пропилен и изобутан отличаются взрывоопасностью и воспламеняемостью (4), а полностью галогенизированные хладоны R14 и R218 (без Н-атомов) не горючи в смеси с воздухом и не воспламеняются, что обеспечивает пожаро- и взрывобезопасность заявляемой смеси. В молекулах хладонов R14 и R218 все атомы водорода замещены атомами фтора CF₄ и C₃F₈. Связь углерода с фтором, самым электроотрицательным элементом, является наиболее прочной химической связью, что гарантирует озонобезопасность при использовании таких хладонов в качестве криоагентов в дроссельных рефрижераторных системах.In addition, saturated hydrocarbons propylene and isobutane are explosive and flammable (4), and fully halogenated R14 and R218 freons (without H atoms) are not combustible in a mixture with air and are not flammable, which ensures the fire and explosion safety of the claimed mixture. In the molecules of chladones R14 and R218, all hydrogen atoms are replaced by fluorine atoms CF ₄ and C ₃ F ₈ . The bond of carbon with fluorine, the most electronegative element, is the strongest chemical bond, which guarantees ozone safety when using such chladones as cryoagents in choke refrigerated systems.

Использование предлагаемого холодильного агента позволяет получить удельную холодопроизводительность в цикле 9 - 13 Вт/нм³/ч при давлении нагнетания до 3,5 МПа, что повышает термодинамическую эффективность машины. А для цикла на смеси прототипа: аргон, пропилен, изобутан - удельная холодопроизводительность цикла 9 Вт/нм³/ч достигается при давлении нагнетания значительно выше 3,5 МПа (до 8 МПа).The use of the proposed refrigerant allows to obtain specific cooling capacity in the cycle of 9 - 13 W / nm ³ / h at a discharge pressure of up to 3.5 MPa, which increases the thermodynamic efficiency of the machine. And for the cycle on the prototype mixture: argon, propylene, isobutane - the specific cooling capacity of the cycle of 9 W / nm ³ / h is achieved at a discharge pressure significantly higher than 3.5 MPa (up to 8 MPa).

Например, для смеси состава 4 (табл.), Т_о = 120К изотермический дроссель-эффект на уровне 300К при давлении всасывания 0,68 МПа и давлении нагнетания 3,4 МПа составляет (с учетом недорекуперации на теплом конце 5К) Δi_т = 818 Дж/моль или 8665 Дж/кг, а удельная плотность данной смеси при нормальных условиях р_н.у. = 3,8 кг/нм³, таким образом, удельная холодо-производительность цикла q_o=

, составляет 9,14 Вт/нм³/ч.For example, for a mixture of composition 4 (table), Т _о = 120К, the isothermal throttle effect at the level of 300K at a suction pressure of 0.68 MPa and a discharge pressure of 3.4 MPa is (taking into account under recovery at the warm end of 5K) Δi _t = 818 J / mol and 8665 J / kg, and the specific density of the mixture under normal conditions _NU p = 3.8 kg / nm ³ , thus, the specific cold-cycle productivity q _o =

is 9.14 W / nm ³ / h.

Аналогичный пример для смеси состава 7 (табл.), Т_о = 128К при давлении всасывания 0,64 МПа и давлении нагнетания 3,2 МПа и следующих параметрах: Δ i_т = 1177 Дж/моль или 11051 Дж/кг, р_н.у. = 4,2 кг/нм³дает удельную холодопроизводительность цикла q_о = 12,8 Вт/нм³/ч.A similar example for a mixture of composition 7 (table), T _o = 128K at a suction pressure of 0.64 MPa and a discharge pressure of 3.2 MPa and the following parameters: Δ i _t = 1177 J / mol or 11051 J / kg, p _{. at.} = 4.2 kg / nm ³ gives the specific cooling capacity of the cycle q _o = 12.8 W / nm ³ / h.

Предлагаемый холодильный агент готовят из указанных компонентов, хранящихся в отдельных баллонах, объемным способом. При этом предварительно отвакуумированную емкость до остаточного давления 10^-5 мм рт.ст. последовательно наполняют каждым газовым компонентом до определенного давления, соответствующего парциальному давлению компонента заданной концентрации в смеси. Парциальное давление каждого газового компонента определяется при температуре окружающей среды как произведение молярной доли компонента на давление в баллоне. Сначала в емкость поступает хладон-218, затем хладон-14, а в конце аргон. Например, если давление в баллоне 4,0 МПа, то для приготовления смеси состава 4 (табл.) необходимо заправить баллон хладоном-218 до давления 1,34 МПа, затем хладоном-14 до давления 1,868 МПа и аргоном до давления 4,0 МПа.The proposed refrigerant is prepared from these components stored in separate cylinders in a bulk manner. In this case, the previously evacuated capacity to a residual pressure of 10 ^-5 mm Hg each gas component is successively filled to a certain pressure corresponding to the partial pressure of the component of a given concentration in the mixture. The partial pressure of each gas component is determined at ambient temperature as the product of the molar fraction of the component by the pressure in the cylinder. First, Freon-218 enters the tank, then Freon-14, and then argon. For example, if the pressure in the cylinder is 4.0 MPa, then to prepare the mixture of composition 4 (table), it is necessary to fill the cylinder with HFC-218 to a pressure of 1.34 MPa, then HFC-14 to a pressure of 1.868 MPa and argon to a pressure of 4.0 MPa .

В таблице представлены характеристики дроссельного цикла с одноступенчатым сжатием, работающего на предложенной смеси. The table shows the characteristics of the throttle cycle with single-stage compression, working on the proposed mixture.

В примере 1 на уровень 120К с содержанием аргона 73,1 мол.% давление нагнетания составило 4,9 МПа, что превышает требуемое давление нагнетания. Уменьшая долю низкокипящего компонента до 42,0 мол.%, получена смесь в примере 2, которая обеспечивает работоспособность в цикле с давлением нагнетания 2,5 МПа, но при этом эксергетический КПД цикла недостаточно велик. Оптимальное значение содержания аргона - 53,3 мол.% в примере 4, где давление нагнетания составляет 3,4 МПа, а эксергетический КПД цикла равен 30,0%. In Example 1, at a level of 120K with an argon content of 73.1 mol%, the discharge pressure was 4.9 MPa, which exceeds the required discharge pressure. Reducing the proportion of low-boiling component to 42.0 mol.%, The mixture was obtained in example 2, which provides efficiency in a cycle with a discharge pressure of 2.5 MPa, but the exergy efficiency of the cycle is not large enough. The optimal value of the argon content is 53.3 mol.% In example 4, where the discharge pressure is 3.4 MPa, and the exergy cycle efficiency is 30.0%.

В примерах 5...8 на уровень охлаждения 128К необходимо уменьшить содержание низкокипящего компонента, т.к. данный уровень охлаждения выше, чем в примерах 1...4. В примере N 6 при содержании аргона 60,7 мол.% давление нагнетания составляет 5,5 МПа, т.е. превышает заданное значение. Уменьшение содержания аргона до 31,9 мол.% в примере 7 приводит к уменьшению давления нагнетания в цикле до 2,2 МПа, но при этом уменьшается эксергетический КПД цикла до 20% . Оптимальное значение содержания аргона для этого температурного уровня составляет 43,6 мол.% в примере 8, при этом давление нагнетания составляет 3,3 МПа, а эксергетический КПД цикла 33,7%. In examples 5 ... 8, it is necessary to reduce the low-boiling component content by a cooling level of 128K, because this cooling level is higher than in examples 1 ... 4. In Example No. 6, with an argon content of 60.7 mol%, the discharge pressure is 5.5 MPa, i.e. exceeds the set value. A decrease in the argon content to 31.9 mol% in Example 7 leads to a decrease in the discharge pressure in the cycle to 2.2 MPa, but the exergy efficiency of the cycle decreases to 20%. The optimum argon content for this temperature level is 43.6 mol% in Example 8, while the discharge pressure is 3.3 MPa, and the exergy cycle efficiency is 33.7%.

Методика определения содержания промежуточного компонента (R-14) и высококипящего компонента (R-218) для регенеративного дроссельного цикла на предлагаемой смеси Ar-R14-R218 приведена в источнике 5. The methodology for determining the content of the intermediate component (R-14) and high-boiling component (R-218) for the regenerative throttle cycle on the proposed mixture Ar-R14-R218 is given in source 5.

Использование предлагаемого холодильного агента позволяет повышать термодинамическую эффективность дроссельных регенеративных систем в диапазоне охлаждения 120 - 130К при уменьшении давления нагнетания до 3,5 МПа, что значительно увеличивает надежность, безопасность и срок службы дроссельных систем без изменения конструкций существующих установок. The use of the proposed refrigerant allows to increase the thermodynamic efficiency of the throttle regenerative systems in the cooling range of 120 - 130K while reducing the discharge pressure to 3.5 MPa, which significantly increases the reliability, safety and service life of the throttle systems without changing the design of existing plants.

Claims

REFRIGERANT AGENT for a one-stage regenerative refrigeration machine, including argon and organic additives, characterized in that it contains HFC-14 and HFC -218 as organic additives in the following ratio of components, mol.%:
Freon-14 13.2 - 34.2
Freon-218 33.5 - 42.9
Argon Else