CC BY
0войск стратегического назначения имени Петра Великого, г. Серпухов
E-mail: sibilda1@yandex.ru
Аннотация. Представлен расчет характеристик энергосберегающей установки для получения воды из атмосферного воздуха, которая производит чистую питьевую воду путем извлечения ее из окружающего воздуха. Предложено решение поочередно использовать вместо конденсатора в схеме установки следующие холодильные машины: парокомпрессионные холодильные машины (ПКХМ), термоэлектрические холодильные машины (ТЭХМ) и холодильные машины Стирлинга (ХМС) для увеличения объема производимой воды генератором в сутки. Показаны методики расчета для каждой из систем охлаждения, проведены расчеты технико-экономических показателей для атмосферного генератора воды и подобрана оптимальная система с максимальным объемом получаемой воды в сутки. Работа атмосферного генератора воды, рассматриваемого в статье, предполагается от автономной солнечной электростанции. Доказана оптимальность выбора парокомпрессионной холодильной машины для работы в заданных условиях с максимальной производительностью.
Ключевые слова: атмосферный генератор, холодильные машины, определение эффективности установки, технико-экономические показатели.
Согласно Всемирному докладу ООН о развитии водных ресурсов, многие страны уже достигли предельных возможностей водопользования: потребление пресной воды за последние полвека утроилось. В обширных регионах развивающегося мира по-прежнему сохраняется неравный доступ к безопасной питьевой воде, очистке воды для производства пищевых продуктов и переработке сточных вод. Именно проблемы с питьевой водой и водными ресурсами привели к созданию атмосферных генераторов воды. Атмосферный генератор воды [1] - это уникальный прибор, который производит чистую питьевую воду путем извлечения ее из окружающего воздуха [2].
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
В данной статье проводится анализ энергосберегающей установки [3], работающей от фотоэлектрического преобразователя (мощность установки Ж = 200 Вт) с использованием холодильных установок, таких как парокомпрессионные холодильные машины (ПКХМ), термоэлектрические холодильные машины (ТЭХМ) и холодильные машины Стирлинга (ХМС). Анализ позволил в полной мере оценить эффективность работы атмосферного генератора, работающего на основе данных холодильных машин, и выбрать холодильную машину, с которой установка дает наибольший объем воды в сутки.
Атмосферный генератор воды, работающий на основе ПКХМ
Достигаемые в установках температуры, холодопроизводительность и затраты механической работы существенно зависят от вида и свойств хладагентов [4]. Хладагенты должны обладать способностью поглощать при испарении большое количество теплоты, иметь малые удельные объемы пара, невысокие критические температуры, вязкость и плотность, высокий коэффициент теплоотдачи и теплопередачи, быть безвредными, пожаробезопасными, доступными и недорогими. Поэтому для работы был выбран хладагент R134A. В данной работе для расчета и анализа цикла парокомпрессионной холодильной машины использовалась программа Соо1Раск - программа для проектирования, расчета, анализа и оптимизации систем охлаждения.
Рассмотрим обратный цикл Ренкина [5] для каждого хладагента в осеннее, весеннее, летнее и зимнее времена года. Значения средних температур и влажностей в Самарской области для каждого сезона, а также потребляемая мощность энергии установкой от фотоэлектрического преобразователя представлены в табл. 1.
Таблица 1
Исходные данные для расчета ПКХМ
Сезон года Зима Весна Лето Осень
Температура, оС -15 8 24 10
Относительная влажность, % 85 65 50 75
Потребляемая мощность установки К, Вт 200
Такие уровни температуры испарения при расчете обусловлены необходимостью выбора оптимального режима [3], который соответствует максимальному количеству получаемой воды. Для определения влагосодержания на каждом режиме воспользуемся I-й диаграммой влажного воздуха. Графики
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
зависимостей влагосодежания й, массового т и объемного V расхода хладагента, холодильного коэффициента СОР, подводимой Qe и отводимой Qc теплот от температуры Т для хладагента R134А [5] показаны на рис. 1-4.
Анализ полученных значений показал, что в летний период года при температуре испарения -30 оС ПКХ на хладагенте R134a вырабатывается максимальное количество влагосодержания [1]. Но для дальнейшего расчета выбираем осенний период года, который соответствует среднему значению получаемого влагосодержания. Далее, по известным методикам [5], были рассчитаны основные элементы ПКХМ: компрессор, конденсатор и испаритель. Определены значения коэффициентов теплопередачи £исп = 39,1 Вт/ (м2К) и £конд = 23 Вт/ (м2К), теплоотдачи ав = 41,31 Вт/ (м2К) и ав = 23 Вт/ (м2К), эффективные холодильные коэффициенты е = 2,24, Qe = 0,942 кВт, Qс = 1,122 кВт и геометрические параметры испарителя ^ = 0,27 м2, конденсатора /<'= 0,18 м2 и компрессора Ме = 0,309 кВт.
б, кг/с
Рис. 1 Зависимость влагосодержания от температуры для хладагента R134a: 1 -осень; 2 - весна; 3 - лето; 4 - зима
сор_
48
О -5 -10 -15 -20 -25 -30
Рис. 2 Зависимость массового расхода хладагента R134a от температуры: 1 - осень; 2 - весна; 3 - лето; 4 - зима
г,°с
Рис. 3 Зависимость холодильного коэффициента от температуры для хладагента R134a: 1 - осень; 2 - весна; 3 - лето; 4 - зима
Рис. 4 Зависимость объемного расхода, подводимой и отводимой теплот от температуры в осенний период для хладагента R134a
Расчет холодильной машины Стирлинга
Расчет был проведен по методике Шмидта [1]. Были найдены значения определены потери на недорекуперацию, на гидравлическое сопротивление и суммарные потери от соотношения 1/й, теплообменников горячего и холодного внешней нагрузки.
Расчет термоэлектрического охладителя
Расчет параметров термоэлектрических охлаждающих устройств [1]. Расчет охлаждающей термобатареи в режиме максимального холодильного
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
коэффициента представлен в табл. 2. Далее для расчета и выбора стандартных модулей использовался программный продукт «KRYOTHERM», исходные данные для расчета в программе принимались Тг = 283 К, Тх= 243 К, Q0 = 25 Вт. По исходным данным был подобран модуль TВ-127-2,0-1,65 [12, 13] и построены характеристики выбранного модуля (рис. 5).
Определение производительности установки
По следующей методике было определено производимое количество воды в сутки атмосферным генератором [4] с различными холодильными машинами.
Таблица 2
Результаты и порядок расчета термобатареи в режиме максимального холодильного коэффициента
Определяемая величина Расчетная формула Результат расчета
Вспомогательный коэффициент М =%/l+0,5Z(r,.-ri) 1.32
Холодильный коэффициент м - г,. / г, ~ СГ -Г, )(М - 1) 0.64
Мощность Р- Вт 40
Теплота гэрячнх спаев Вт й - п+й 65
Падение напряжения ир В v _<х(Т-Т )М " М -1 0,61
1а[К).|28Э.О |ТоЬК).|2ШГ] QcIWI-Thfc)-|303-0| Тсdi |К].[60JF
Qc. II. СОР vt dT; U w I | дс. СОР и. U. 1
Module ■ СОР 1(А] U (V) W (WJ Qh(W)
ТВ 127-2.0 1.65 2 0.1127 8 6 12 6 110.9 123.4 0.16
Рис. 5 Стандартные рабочие характеристики Qc = f (dT), U = f (dT), COP = f (dT), U = f (I) модуля TВ-127-2,0-1,65
»
13
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
Результаты расчетов
Данные расчетов производимого количества воды в сутки атмосферным генератором с различными системами охлаждения приведены в табл. 3. Здесь п -количество вентиляторов, шт; Ип - суммарная потребляемая мощность вентиляторами, Вт; d - влагосодержание, г/кг; тв - количество получаемой воды установкой в сутки, л/сут.
Таблица 3
Результаты расчета производимого количества воды атмосферным генератором
Параметры охлаждения '"■■■.... Лг7 Вт п. шт Ат. Вт Я" д1, г/кг т . ъш л/сут
ПКХМ 180 12 10,08 5,3 84
гхмс 180 7 5,88 5,3 48
тэс 180 1 0,84 4,8 2
Для определения производительности, суммарной потребляемой мощности, энергетической и денежной стоимости 1 л/сут воды были введены ряд технико-экономических показателей (табл. 4).
Для технико-экономического сравнения предлагаем использовать следующие коэффициенты [5]: - коэффициент производительности в зависимости от холодопроизводительности, массы, цены, а также энергетическую и денежную стоимости 1 л/сут воды.
Таблица 4
Технико-экономические показатели (ТЭП)
Система охлаждения л/сут К, Вт Вт л/ (сутккВт) т. кг ш1 (сут^кг) И л/ (сугхруб) 1Гр кВт-ч (кВтхч):'л С, руб.'Л/суТ
ПКХМ 84 190 Л 942 0;09 13,5 6,22 47000 0;002 4,6 0,05 0,13
ГХМС 4Е 185,9 1134 0;04 11 4,36 82000 0001 4,46 0,09 0,23
тэс 2 180,8 25 008 13 1,54 14000 0,0001 4,34 2,17 5,58
Заключение
В данной работе проведен расчет и подбор основных элементов систем охлаждения, применяемых в атмосферном генераторе, в целях увеличения объема получаемой воды, произведен расчет количества получаемой воды в сутки, коэффициентов производительности каждой системы в зависимости от ее холодопроизводительности, массы, цены, а также расчет денежной стоимости 1 л/сут воды.
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
Результаты расчетов показали, что атмосферный генератор с ПКХМ способен вырабатывать тв = 84 л/сут, с холодильной машиной Стирлинга тв = 48 л/сут, с термоэлектрическим охладителем тв = 2 л/сут. Денежная стоимость 1 л/сут воды, полученной атмосферным генератором с ПКХМ, составляет С = 0,13 руб/л/сут, атмосферным генератором с холодильной машиной Стирлинга С = 0,23 руб/л/сут, с термоэлектрическим охладителем С = 5,58 руб/л/сут.
На основании полученных результатов расчета можно сделать вывод, что оптимальной холодильной машиной с максимальной производительностью воды в сутки для работы в заданных условиях является парокомпрессионная холодильная машина (ПКХМ).
Литература:
1. Anurag Tripathi, Samir Tushar, Saurabh Pal, Shoumik Lodh, Shashank Tiwari, R. S. Desai. Atmospheric water generator // International Journal of Enhanced Research in Science. 2016. No 5. P. 69-72.
2. Gido B., Friedler E., Broday D.M. Assessment of atmospheric moisture harvesting by direct cooling // Journal of Atmosphericresearch. 2016. No 182. P. 156162.
3. Полевой А. А. Холодильные установки. - СПб.: Профессия, 2011. 472 с.
4. Greg M. Peters, Naomi J. Blackburn, Michael Armedion. Environmental assessment of air to water machines-triangulation to manage scope uncertainity. // Springer-Vsuccumbed Berlin Ileidelberg. 2013. No 18. P. 1149-1157.
5. Quoilin S., Van Den Broek M., Declaye S., Dewallef P., Lemort V. Technoeconomic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems. // Renewable a Sustainable Energy Rewiews. 2016. No 22. P. 168-186.
»
15
