Оптимізація вмісту R744 у сумішах з R290, R600, R600A, R170 для підвищення енергоефективності холодильної системи

Abstract

У даній роботі здійснено загальний теоретичний аналіз бінарних сумішей холодоагентів на основі R744 (вуглекислий газ) у поєднанні з певними вуглеводнями, зокрема R290 (пропан), R600 (бутан), R600a (ізобутан) та R170 (етан). Основною метою дослідження було визначення оптимальних мольних співвідношень для кожної з сумішей, що забезпечують максимізацію коефіцієнта перетворення (COP) – показника, який характеризує енергоефективність системи охолодження. Крім того, було проведено аналіз об'ємної холодопродуктивності (qν), що є важливим критерієм для оцінки загальної ефективності роботи холодильних систем. В рамках дослідження проаналізовано роботу холодильних систем з урахуванням як докритичних, так і надкритичних режимів. У якості початкових параметрів для побудови математичної моделі використовувалися температури кипіння та конденсації/відведення тепла, що визначалися як середні значення температур процесів у теплообмінних апаратах. Такий підхід дозволив забезпечити точне підтримання заданої температури в холодильній камері. Результати дослідження демонструють, що використання сумішей R744 з R600 і R600a може стати перспективною альтернативою для підвищення енергоефективності холодильних систем. Оптимізація молярних часток дозволяє досягти значного покращення COP і суттєвого збільшення об'ємної холодопродуктивності, що робить такі суміші перспективними кандидатами для практичного застосування.

This paper presents a general theoretical analysis of binary refrigerant blends based on R744 (carbon dioxide) in combination with certain hydrocarbons, including R290 (propane), R600 (butane), R600a (isobutane), and R170 (ethane). The main goal of the study was to determine the optimal molar ratios for each of the mixtures that maximize the coefficient of performance (COP), an indicator that characterizes the energy efficiency of the cooling system. In addition, the volumetric cooling capacity (qν) was analyzed, which is an important criterion for assessing the overall efficiency of refrigeration systems. The study analyzed the operation of refrigeration systems, taking into account both subcritical and supercritical conditions. As initial parameters for building a mathematical model, the boiling and condensation/heat removal temperatures were used, which were determined as the average values of the process temperatures in heat exchangers. This approach ensured accurate maintenance of the set temperature in the refrigerating chamber. The study results demonstrate that the use of R744 blends with R600 and R600a can be a promising alternative to improve the energy efficiency of refrigeration systems. Optimization of the molar fractions can achieve a significant improvement in COP and a significant increase in volumetric cooling capacity, making such blends promising candidates for practical use.