ХОЛОДИЛЬНЫЙ АГЕНТ Российский патент 1994 года по МПК C09K5/00 

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.

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).

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.

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).

Но указанный холодильный агент (2) предназначен, во-первых, для получения температур 153 - 163К и, во-вторых, для применения в нижнем каскаде двухкаскадной регенеративной установки.

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).

Данный холодильный агент для цикла с одноступенчатым сжатием обеспечивает высокую термодинамическую эффективность в диапазоне температур 90 - 120К при давлении нагнетания до 8,0 МПа.

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.

Цель изобретения - повышение термодинамической эффективности цикла в диапазоне охлаждения 120 - 130К при давлении нагнетания до 3,5 МПа и обеспечение взрыво-, пожаро- и озонобезопасности.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

В таблице представлены характеристики дроссельного цикла с одноступенчатым сжатием, работающего на предложенной смеси.

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%.

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%.

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.

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.

Применение: холодильная техника. Сущность изобретения: холодильный агент для одноступенчатой регенеративной холодильной машины включает, мол.%: хладон-14 13,2 - 34,2; хладон-218 33,5 - 42,9; аргон - остальное, что обеспечивает повышение термодинамической эффективности цикла холодильной машины. 1 табл.

ХОЛОДИЛЬНЫЙ АГЕНТ для одноступенчатой регенеративной холодильной машины, включающий аргон и органические добавки, отличающийся тем, что в качестве органических добавок он содержит хладон-14 и хладон -218 при следующем соотношении компонентов, мол.%:
Хладон-14 13,2 - 34,2
Хладон-218 33,5 - 42,9
Аргон Остальное