Применение в низкотемпературных камерах небольшого объема (до 1 м3) парокомпрессионных холодильных машин (ПКХМ) на многокомпонентных смесях хладагентов для генерации холода на температурных уровнях минус 40 ... минус 150 °C является перспективным направлением, так как подобное решение позволяет отказаться от громоздких и сложных каскадных холодильных машин и рефрижераторов, использующих холод испарения жидкого азота. Низкотемпературные камеры с ПКХМ на смесях хладагентов могут использоваться в новых областях современных технологий, таких как криомедицина, нанотехнологии, биология, криозакалка различных материалов и др. В настоящее время спрос на данное оборудование, при отсутствии его отечественного производства, обеспечивается за счет импортных поставок.
При участии авторов данного доклада разработан ряд опытных образцов низкотемпературных камер с ПКХМ на смесях с рабочим объемом 100...450л, на уровень термостатирования минус 40... минус 150 ° C. Следующим актуальным направлением развития подобной техники является разработка камер, позволяющих осуществлять не только хранение, но и охлаждение с необходимой скоростью. Для решения данной задачи необходимо исследование динамических характеристик ПКХМ на смесях хладагентов. Скорость охлаждения зависит от производительности холодильной машины на различных уровнях температуры воздуха в рабочем объеме камеры, следовательно, именно зависимость холодопроизводительности от текущей температуры воздуха в камере является главным объектом исследований.
На основании проведенных исследований [1] и учитывая недостатки существующих систем, была разработана холодильная машина, предназначенная для работы на многокомпонентной смеси хладагентов, принципиальная гидравлическая схема которой представлена на рисунке. На данную холодильную машину в настоящее время подана заявка (№ 2010141804) на получение патента на изобретение. Особенностями данной холодильной машины являются наличие отделителя жидкости и перепускной линии.
Большая часть смазочного масла компрессора остается в жидкой фазе в отделителе жидкости, и возвращается в компрессор, не проходя через основное дросселирующее устройство и испаритель, где возможно замерзание масла при низких температурах охлаждения. Это повышает надежность всей холодильной машины.
Перепускная линия устроена так, что при превышении давлением нагнетания определенного значения открывается соленоидный вентиль, и часть хладагента перепускается в ресивер. Благодаря этому удается ограничить давление нагнетания в пусковой период, что позволит использовать рабочую смесь с большим содержанием низкокипящих компонентов, и, следовательно, получить большую холодопроизводительность на низком температурном уровне.
Для исследования динамических характеристик ПКХМ был создан экспериментальный стенд, в котором в качестве объекта охлаждения использовалась теплоизолированная камера типа "ларь". В качестве рабочего тела использовалась смесь фреонов R142b, R22, R14. Стенд был снабжен комплексом контрольно-измерительной аппаратуры, позволяющей фиксировать и заносить в электронную базу данных с определенным интервалом времени температуру в рабочем объеме камеры, температуру стенок камеры, а также температуру и давление в контрольных точках цикла холодильной машины.
Для определения холодопроизводительности в нестационарном режиме использовалась разработанная нами компьютерная программа, основанная на расчете нестационарного процесса теплопроводности по толщине теплоизолированного корпуса низкотемпературной камеры [2]. С помощь данной программы, по имеющимся данным о температуре воздуха в рабочем объеме камеры с определенным интервалом времени, определяются значения производительности холодильной машины с таким же интервалом времени.
На первом этапе исследований, проведенных при различных значениях нагрузки на испаритель, которая имитировалась электрическим нагревателем, было показано, что основным фактором, влияющим на холодопроизводительность холодильной машины, является текущая температура воздуха в рабочем объеме камеры. Следовательно, результаты исследований, полученные при замораживании пустой камеры можно использовать для расчета времени замораживания помещенных внутрь объектов.
На втором этапе были проведены исследования без нагрузки, и определено влияние состава рабочего тела и общего количества его заправки на изменение холодопроизводительности. Было установлено, что изменением концентрации компонентов смеси можно смещать область максимальных значений холодопроизводительности в область более высоких или более низких температур. Также было определено оптимальное общее количество заправленного хладагента по отношению к объему системы.
Помимо экспериментальных исследований была разработана методика теоретического расчета холодопроизводительности в нестационарном режиме работы ПКХМ на смесях хладагентов, показавшая хорошее совпадение с результатами экспериментов. В совокупности на основании проведенных исследований удалось получить метод расчета зависимости температуры воздуха в рабочем объеме низкотемпературной камеры от времени работы ПКХМ, что и было необходимо для проектирования установок, обеспечивающих контролируемую скорость охлаждения объектов.
Список литературы
1. Жердев А. А., Кротов А. С., Макаров Б. А. Сравнение рефрижераторных циклов на многокомпо-нентных смесях хладагентов с предварительным и промежуточным дросселированием // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Машиностроение. 2008. Спец. вып. Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения. С. 143-150.
2. Макаров Б. А., Кротов А. С., Жердев А. А. Математическое моделирование динамических тепловых характеристик холодильной камеры //Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Машиностроение. 2010. Спец. вып. Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения. С. 147-154.
Комментариев пока нет