CC BY
228. Kuzmina L. I. Exact solution for 1D deep bed filtration with particle capture by advection and dispersion / L. I. Kuzmina, Yu. V. Osipov // International Journal of Non-Linear Mechanics. - 2021. - Vol. 137. - P. 103830.
9. Nazaikinskii V. E. Exact solution for deep bed filtration with finite blocking time / V. E. Nazaikinskii, P. G. Bedrikovetsky, L. I. Kuzmina, Y. V. Osipov // SIAM Journal on Applied Mathematics. - 2020. - Vol. 80 (5). - P. 2120-2143.
10. Kuzmina L. I. Analytical model for deep bed filtration with multiple mechanisms of particle capture / L. I. Kuzmina, Y. V. Osipov, Y. G. Zheglova // International Journal of Non-linear Mechanics. - 2018. - Vol. 105. - P. 242-248.
11. Kuzmina L. I. Asymptotics for filtration of polydisperse suspension with small impurities / L. I. Kuzmina, Y. V. Osipov, T. N. Gorbunova // Applied Mathematics and Mechanics (English Edition). - 2021. - Vol. 42 (1). - P. 109-126.
12. Osipov Y. V. Calculation of filtration of polydisperse suspension in a porous medium / Y. V. Osipov // MATEC Web of Conferences. -2017. - Vol. 117. - P. 00131.
13. Kuzmina L. I. Deep bed filtration asymptotics at the filter inlet / L. I. Kuzmina, Yu. V. Osipov // Procedia Engineering. - 2016. -Vol. 153. - P. 366-370.
14. Safina G. L. Calculation of retention profiles in porous medium / G. L. Safina // Lecture Notes in Civil Engineering. - 2021. - Vol. 170. - P. 21-28.
15. Сафина Г. Л. Решение задачи фильтрации численными методами Numerical solution of filtration in porous rock / Г. Л. Сафина // Вестник гражданских инженеров. - 2019. - № 4 (75). - С. 68-73.
16. Галагуз Ю. П. Моделирование процесса вытеснения суспензии / Ю. П. Галагуз, Г. Л. Сафина // Вестник МГСУ. - 2019. -Т. 13 (8). - С. 944-951.
17. You Z. Asymptotic model for deep bed filtration / Z. You, Y. Osipov, P. Bedrikovetsky, L. Kuzmina / / Chemical Engineering Journal. - 2014. - Vol. 258. - P. 374-385.
18. Dev Burman G. K. Groundwater exploration in hard rock terrain: An experience from eastern India / G. K. Dev Burman, P. K. Das // The Hydrological Basis for Water Resources Management. - 1990. - Vol. 197. - P. 19-30.
© Г. Л. Сафина, Э. Р. Рахматуллина
Ссылка для цитирования:
Сафина Г. Л., Рахматуллина Э. Р. Фильтрация суспензии в пористой среде с двумя типами функции концентрации // Инженерно-строительный вестник Прикаспия : научно-технический журнал / Астраханский государственный архитектурно-строительный университет. Астрахань: ГАОУ АО ВО «АГАСУ», 2022. № 1 (39). С. 16-22.
УДК 620.9:621.57
DOI 10.52684/2312-3702-2022-39-1-22-28
ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СОРБЦИОННЫЕ ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРЫ ДЛЯ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ
М. Ф. Руденко, В. Н. Саинова, Ю. В. Шипулина, Л. П. Третьяк, А. А. Токарева
Руденко Михаил Федорович, доктор технических наук, профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности и инженерная экология», Астраханский государственный технический университет, г. Астрахань, Российская Федерация, e-mail: mf.rudenko@mail.ru;
Саинова Виктория Николаевна, кандидат технических наук, доцент, заведующая кафедрой «Безопасность жизнедеятельности и инженерная экология», Астраханский государственный технический университет, г. Астрахань, Российская Федерация, e-mail: sainovav@yandex.ru;
Шипулина Юлия Викторовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Безопасность жизнедеятельности и инженерная экология», Астраханский государственный технический университет, г. Астрахань, Российская Федерация, e-mail: aleera78@mail.ru;
Третьяк Людмила Павловна, кандидат биологических наук, доцент кафедры «Безопасность жизнедеятельности и инженерная экология», Астраханский государственный технический университет, г. Астрахань, Российская Федерация, e-mail: miss.tretyak@list.ru;
Токарева Анна Анатольевна, кандидат географических наук, доцент кафедры «Безопасность жизнедеятельности и инженерная экология», Астраханский государственный технический университет, г. Астрахань, Российская Федерация, e-mail: marga_gamma@mail.ru
Энергосбережение и чистая экология - две основные тенденции развития современной энергетики южных регионов страны для производства электрической энергии, горячей воды, отопления и кондиционирования. Рассматриваются термотрансформаторы абсорбционного и адсорбционного принципа действия различного назначения (тепловые насосы и холодильные машины), выпускаемые промышленностью. Предлагаются экспериментальные разработки термотрансформаторов сорбционного типа циклического действия, реализующие технологию получения теплоты и холода из энергии солнечной радиации. Особенностью их работы является использование физических и химических процессов адсорбции - десорбции и «сухой» абсорбции - десорбции в обратных термодинамических циклах. Конструктивно они представляют развитые гелиоприемные аппараты, состоящие из двух параллельно соединенных генераторов-адсорберов, реакторы которых
устанавливаются в индивидуальных теплоизолированных корпусах типа «горячий ящик». Повышенная эффективность работы таких термотрансформаторов заключается в оптимальной компоновке всех элементов генератора-адсорбера, включающего реактор, два плоских зеркальных концентратора, тепловую подложку уменьшенного объема внутреннего воздушного пространства, стеклопакет из двух стекол и рациональной толщины теплоизолирующего рипора. Геометрические характеристики генератора-адсорбера основаны на расчетах оптической и теплоэнергетической эффективности моделей аппарата.
Ключевые слова: энергосбережение, солнечная энергия, сорбционные термотрансформаторы, адсорбция, «сухая» абсорбция, сорбенты, хладагенты, отопление, кондиционирование.
SOLAR SORPTION THERMOTRANSFORMERS FOR HEATING AND AIR CONDITIONING SYSTEMS M. F. Rudenko, V. N. Sainova, Yu. V. Shipulina, L. P. Tretyak, A. A. Tokareva
Rudenko Mikhail Fedorovich, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Life Safety and Engineering Ecology, Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Russian Federation, e-mail: mf.rudenko@mail.ru;
Sainova Victoria Nikolaevna, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Life Safety and Engineering Ecology, Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Russian Federation, e-mail: sainovav@yandex.ru;
Shipulina Yuliya Viktorovna, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Life Safety and Engineering Ecology, Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Russian Federation, e-mail: aleera78@mail.ru;
TretyakLyudmila Pavlovna, Candidate of Biological Sciences, Associate Professor of the Department of Life Safety and Engineering Ecology, Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Russian Federation, e-mail: miss.tretyak@list.ru;
Tokareva Anna Anatolyevna, Candidate of Geography, Associate Professor of the Department of Life Safety and Engineering Ecology, Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Russian Federation, e-mail: marga_gamma@mail.ru
Energy saving and clean ecology are two main trends in the development of modern energy in the southern regions of the country for the production of electricity, hot water, heating and air conditioning. Thermotransformers of the absorption and adsorption principle of operation for various purposes (heat pumps and refrigeration machines) produced by the industry are considered. Experimental developments of thermotransformers of the sorption type of cyclic action are proposed, which implement the technology for obtaining heat and cold from the energy of solar radiation. A feature of their work is the use of physical and chemical processes of adsorption - desorption and "dry" absorption-desorption in reverse thermodynamic cycles. Structurally, they are highly developed solar receivers, consisting of two parallel-connected generator-adsorbers, the reactors of which are installed in individual heat-insulated "hot box" housings. The increased efficiency of such thermotransformers lies in the optimal arrangement of all elements of the generator-adsorber, including a reactor, two flat mirror concentrators, a thermal substrate, a reduced volume of internal air space, a double-glazed window and a rational thickness of the heat-insulating ripor. The geometric characteristics of the generator-adsorber are based on the calculations of the optical and thermal power efficiency of the apparatus models.
Keywords: energy saving, solar energy, sorption thermal transformers, adsorption, "dry" absorption, sorbents, refrigerants, heating, air conditioning.
Энергосбережение и чистая экология - две ское преобразование энергии солнечной радиа-основные тенденции развития современной ции в кристаллах полупроводниковых веществ, энергетики южных регионов страны для произ- таких как кремний, германий, индий и др. Полу-водства электрической энергии, горячей воды, чение теплоты от энергии солнца возможно при отопления и кондиционирования. Первая тен- непосредственном нагреве теплоносителей в денция заключается в использовании нетради- водо- и воздухонагреваемых коллекторах типа ционных возобновляемых источников энергии «горячий ящик» или вакуумных коллекторах, и прежде всего солнечной энергии и вторичных используя для увеличения мощности солнечной источников тепловой энергии от технологиче- энергии концентраторы солнечной энергии ских отходов или тепловых сбросов произ- различной конфигурации или линзы Френеля, а водств. Вторая тенденция вытекает из первой, для лучшего поглощения солнечного излучения -то есть при производстве электроэнергии, теп- селективные покрытия твердых поверхностей. лоты и холода используются технологии и тех- Получение холода от энергии солнечной радиа-нические устройства, исключающие выбросы в ции более сложный процесс. Его можно органи-атмосферу парниковых и углекислого газов. Чи- зовать, используя физико-химические процессы стыми технологиями при производстве элек- абсорбции и адсорбции [1-3].
трической энергии может быть фотоэлектриче-
Сорбционные термотрансформаторы - это устройства, в которых тепловая энергия преобразуется из низко- в высокопотенциальную с меньшим коэффициентом трансформации (повышающие тепловые насосы до температуры 120-140 0С); из высокопотенциальной энергии в тепловую меньшего потенциала, но с высоким коэффициентом трансформации (понижающие тепловые насосы, температура на выходе 50-60 0С ); из высокопотенциальной энергии в низкопотенциальную с высоким коэффициентом трансформации (холодильные машины, кондиционеры с температурой на выходе -8 0С ... +10 0С) [4, 5]. Сорбционные термотрансформаторы по сравнению с парокомпрессионными имеют ряд преимуществ: меньшее потребление электроэнергии, низкие шумовые характеристики, отсутствие вибрации, простота обслуживания и эксплуатации, установка машин вне специальных закрытых помещений.
К таким тепловым термотрансформаторам прежде всего следует отнести абсорбционные бромистолитиевые и водоаммиачные тепловые насосы и холодильные машины. Эти установки выпускаются в полной заводской готовности как в России большой мощности 2500-5000 кВт [6], так и за рубежом малой, средней и крупной производительности 35-250 кВт и больше [7]. Крупными установками (например, АБТН, АБХМ Теп-лосибмаш, г. Носвосибирск), можно осуществлять обогрев и охлаждения крупных офисных помещений, гипермаркетов, бассейнов, крупных охлаждающих станций и т. п.
Особый интерес представляют гелиоэнерге-тические термотрансформаторы циклического действия, перспективы развития и способы совершенствования рабочих веществ (сорбентов, адсорбатов, озонобезопасных хладагентов), которые можно применять в таких установках для систем отопления и кондиционирования.
В рамках данной статьи рассмотрим результаты разработок и экспериментальных исследований сорбционных термотрансформаторов, которые могут работать от энергии солнечной радиации как в дневное время, когда есть тепло и солнце и возможно накопление теплоты, так и в ночное время, когда можно получать тепло в адсорбере, а охлаждающий эффект в испарителе. Такие термотрансформаторы могут применяться в системах отопления и получения горячей воды; сушки древесины, фруктов, зерна; опреснения и охлаждения воды; охлаждения и хранения медикаментов и пищевых продуктов, пива и молока; замораживания рыбы и мяса; получения льда; кондиционирования и охлаждения воздуха в бытовых и производственных помещениях.
В гелиоэнергетических термотрансформаторах реализуется технология получения тепла и холода
за счет использования солнечной энергии и суточного перепада температур окружающей среды.
Термотрансформаторы циклического действия можно разделить на термотрансформаторы «сухой» абсорбции и установки адсорбционного типа. Работа установок «сухой» абсорбции основана на физико-химических изотермических реакциях образования из некоторых щелочноземельных солей и хладагентов (аммиака) аммиакатов при охлаждении с повышением объема образую-шегося вещества в два-три раза. Эта реакция обратима и при подводе теплоты и нагреве аммиакатов соединение распадается на соль и чистый хладагент. Реакция идет ступенчато, фиксируя при определенных значениях температур определенное количество долей аммиака в соли. Соли могут быть разные: CaCl2, SrCl2, BaCl2, MrCl2, CaBr2, SrBr2 и др., а хладагентом - аммиак ^Ш) и метанол (CHзOH) [8, с 40].
Работа термотрансформаторов адсорбционного типа основана на физическом процессе: при понижении температуры сорбента сгущать пары адсорбата (хладагента) над поверхностью его и конденсировать в поры с отводом теплоты. Этот процесс является обратимым, масса сорбента при насыщении хладагентом в объеме не изменяется.
Термотрансформаторы адсорбционного типа циклического действия работают на таких сорбентах, как активные угли, силикагель, цеолит, а в качестве адсорбатов используются озонобезопас-ные хладагенты аммиак, вода, метанол, этанол [9].
Гелиоэнергетические термотрансформаторы циклического действия по конструкции не различаются. Различаются в генераторе-адсорбере конструкции реакторов, в которых находится сорбент. В установках «сухой» абсорбции внутренняя конструкция реактора должна иметь подвижные элементы, компенсирующие объемные расширения сорбента. Если реактор простой (пустая цилиндрическая конструкция), то сорбент обычно не досыпают в него, что снижает величину рабочей поверхности нагрева. Улучшение объемной поверхности сорбента в реакторе осуществляется его гранулированием, а улучшение теплопроводящих свойств сорбента - добавлением в него примесей графита или армированием [10]. В реакторах термотрансформаторах адсорбционного типа может применяться внутреннее оребрение поверхности [11].
Исследование эффективности работы гелио-энергетического термотрансформатора в условиях северных широт солнцеактивной зоны, которой является Астраханский регион, проводилось на экспериментальной установке, изображенной на рисунке 1.
Рис. 1. Экспериментальная гелиоэнергетическаяустановка термотрансформатора:
1 - генератор-адсорбер, 2 - реактор, 3 - гелиоприемное устройство «горячий ящик», 4 - вентили, 5 - конденсатор, 6 - ресивер, 7 - вентиль подачи хладагента, 8 - испаритель, 9 - холодильная камера, 10 - манометры, 11 - цифровой микроамперметр В7-40
Специфика метрологических характеристик северных широт заставляет в гелиоэнергетических установках развивать гелиоприемную часть, в которую могут входить несколько параллельно со-единеннык реакторов аппарата - генератора-адсорбера. Чем больше производительность термотрансформатора, тем должно быть и больше реакторов, расположенный горизонтально земли на некоторой высоте друг от друга в отдельный изолиро-ваннык корпусах типа «горячий ящик». Гелиопри-емная часть установки располагается строго на юг, под углом наклона к горизонту, равным широте местности (45° для Астраханской области).
Компоновка генератора-адсорбера из нескольких реакторов в индивидуальных теплоизолирующих каркасах типа «горячий ящик» с разъемной в торце пробкой позволяет сократить объем воздушного пространства внутри, снижая днем тепловые потери за счет конвенции, а применение двойного вакуумного стеклопакета уменьшает потери через прозрачную часть. Съемные пробки улучшают отвод теплоты от реактора ночью. Реакторы изготовлены из цилиндрической цельнотянутой трубы диаметром 076 х 4 мм, внутри них установлены перфорированные оребренные хла-допроводы малого диаметра. Остекленная площадь поверхности каждого гелиоприемного
устройства составляет 0,64 м2. Наружная поверхность реактора имеет селективное покрытие.
В установке имеются и другие аппараты, осуществляющие термодинамический цикл работы термотрансформатора: водяной конденсатор, ресивер, холодильная камера с испарителем и регулирующая арматура.
Работает установка следующим образом. В реакторе гелиоприемного устройства генератор-адсорбера находится насыщенный сорбент. Под действием энергии солнечной радиации нагреваются реактор и сорбент. Из реактора десорби-руются пары адсорбата, которые направляются в конденсатор, где охлаждаются и сжижаются, накопляясь в ресивере. В вечернее время, когда нет солнца и понижается температура окружающей среды, охлажденный адсорбат дросселируется в испаритель. В нем начинается процесс испарения и кипения адсорбата при пониженном давлении и его пары поглощаются сухим сорбентом реактора. В основе принципа работы таких установок заложено суточное изменение температуры воздуха окружающей среды и энергии солнечной радиации. В испарителе на теплооб-менной поверхности температура в ночное время достигает минусовых значений, что может привести в охлаждаемом контуре к замерзанию воды и образованию льда. Днем, когда эффекта охлаждения нет и идет процесс накопления жидкого адсорбата в ресивере, полученный ночью лед поддерживает в холодильной камере температуру порядка 4-8 0С. Последние разработки позволили модернизировать конструкцию ге-лиоэнергетического термотрансформатора за счет установки концентраторов солнечной энергии из плоских зеркал, совершенствования реактора и улучшения теплоизоляции корпуса гелио-приемника.
Расчеты основных геометрических характеристик элемента компоновки генератора-адсорбера экспериментальной установки были выполнены на основании расчетов по оптической и теплоэнергетической моделям (рис. 2).
W
СЯпадМ С^СТ(Т)
Рис. 2. Оптическая (а) и теплоэнергетическая (б) модели компоновки элемента генератора-адсорбера экспериментальной установки: 1 - наружный корпус гелиоприемника типа «горячий ящик», 2 - изоляция корпуса, 3 - плоские зеркальные отражатели, 4 - корпус реактора, 5 - адсорбент (активированныйуголь), 6 - стеклопакет, 7 - металлическая подложка
5
Оптическая модель позволяет оптимизировать геометрические размеры плоских зеркальных концентраторов на круглую поверхность реактора в диапазоне следующих соотношений от Ш/2^ = 3,5 до Ш/п^ = 3,5 при угле раскрытия 0 = 550, что позволяет эффективно фокусировать энергию солнечной радиации (Я - радиус внешней окружности трубки реактора; Ш - величина раскрытия концентратора).
Оптическая часть экспериментальной установки элемента генератора-адсорбера была рассчитана и сконструирована по следующим геометрическим выражениям (рис. 2, а): Ш/п^ = 3,5; Н= те-3,5^/[2- р^ 0/2)]; Ы= п 3,5^/[4-(^ 0/2)];
Ьс= п •3,5•R/[8•(sin 0/2)]; Ьз= 3^п •3,5•R/[4•(sin 0/2)]; Ь = Ы+Я.
Теплоэнергетическая модель помогает определить полный баланс тепловой энергии термотрансформатора при подводе солнечной энергии к гелиоприемному устройству днем и отводе тепловой энергии ночью. Все это обусавли-вает эффективность работы всей установки:
• в дневное время баланс между падающей энергией dqпад(т) от солнечной радиации и энергиями, идущими на процессы изостерического нагрева dqиз(т), десорбции dqдес(т), потерь dqпот(т) теплоты в окружающую среду и энергией dqкон(т), отводимой в конденсаторе
dqпад(т) = dqдес(т) + dqиз(т) + dqпот(т) = dqкон(т);
• в ночное время баланс между отводимой энергии от реактора dqад(т) при процессе адсорбции и энергиями, включающими теплоту dqо(т), отводимую из испарителя, и dq'из(т) изо-стерического охлаждения сорбента в реакторе
dqад(т) = dqо(т) + dq'из(т).
Экспериментально установлено, что время протекания процессов адсорбции больше, чем десорбции. Методика расчета гелиоэнергетиче-ской части аппарата изложена в работе.
Коэффициенты преобразования теплоты в гелиоэнергетических термотрансформатор небольшие, но следует учитывать, что энергия солнца возобновляемая и бесплатная.
Средний коэффициент преобразования для термотрансформаторов «сухой» абсорбции на рабочей паре (СаСЬ - аммиак) в режиме отопления в ночное время (тепловой насос) составляет Птн =0,42-0,48; в режиме кондиционирования (холодильная машина) пхм= 0,26-0,34 [8, с. 117]. Его можно повысить за счет улучшения тепло-проводящих свойств сорбента, лучшей его абсорбционной способностью. В АГТУ были проведены исследования сорбентов СаСЬ, SrCl2 и ВаСЬ с 10 %-ной добавкой графитового порошка. Это способствует увеличению теплопроводности смеси на 3-5 %. Испытывались новые пары сорбентов, разработанных в Новосибирском инсти-
туте катализа СО РАН им. Г. К. Борескова (вермикулит - 59 % СаС12 - аммиак) и (вермикулит- 60 % ВаСЬ), которые показали хорошие абсорбционные свойства и малый объем расширения сорбента в реакторе. Исследовалось армирование сорбента металлической сеткой, что улучшает его теплопроводящие свойства. Для установок «сухой» абсорбции гелиоэнергетических термотрансформаторов предлагается новая рабочая пара (СаС12 - метиламин), которая позволит снизить рабочее давление в установке, по сравнению с рабочей парой (СаСЬ - аммиак), в два раза. Метиламин с хлоридом кальция могут образовывать мителаминаты:
Реакция образования метиламинатов может идти по следующим схемам уравнений:
• образование монометиламината: СаСЬ2 + CHзNH2 ~ CaCL2•CHзNH2 ± Д1реак;
• образование диметиламината:
СаШ + 2(CHзNH2) ~ CaCL2•2(CHзNH2) ± Д1реак;
• образование тетраметиламината:
СаШ + 4(CHзNH2) ~ CaCL2•4(CHзNH2) ± Д1реак;
• образование октометиламината:
CaCL2 + 8(CHзNH2) ~ CaCL2•8(CHзNH2) ± Д1реак.
При поглощении сорбентом абсорбата (процесс «сухой» абсорбции) выделяется теплота реакции, а при разложении (процесс десорбции) -теплота реакции требует дополнительного под-в од а тепла.
Средний коэффициент преобразования для термотрансформаторов адсорбционного типа на рабочей паре (активированный уголь (АС) -аммиак) в режиме отопления в ночное время (тепловой насос) составляет птн =0,2-0,27; в режиме кондиционирования (холодильная машина) пхм= 0,19-0,21 [12]. Были проведены исследования термотрансформаторов на рабочих парах АС - метиламин и АС - этиламин. Они показали возможность использования таких пар. При этом, несмотря на уменьшение коэффициента термотрансформации рабочее давление в установках снижается, по сравнению с аммиачными, в 3,3-2,6 раз.
Интересным представляются перспективы использования комбинированных смесей, состоящих из соли СаС12 и АС в пропорциях 4:1, которые сочетают в себе достоинства термотрансформаторов «сухой» абсорбции и адсорбционных.
Проведены испытания гелиоэнергетического термотрансформатора на рабочей паре АС - аммиак. Суточный цикл изменения температур в различных точках аппаратов экспериментальной установки представлен на рисунке 3.
Утром с подъемом солнца над горизонтом энергия солнечной радиации разогревает реакторы в генераторе-адсорбере и нагревает насыщенный адсорбатом сорбент. Неравномерность температуры нагрева сорбента в реакторе от-
четливо фиксируется термопарами (1-4), установленными в различных местах реактора. При достижении определенной температуры начинается процесс выделения адсорбата из сорбента. Максимальная температура и давление достигается днем в момент максимального солнцестояния, но затем, по мере склонения солнца, уменьшается энергия солнечной радиации, снижается температура нагрева. Около 17.00 начинается процесс охлаждения сухого сорбента в реакторе и сжиженного адсорбата в ресивере. Переключаются запорные вентили. Около 19.30 через регулирующий вентиль хладагент начинают перепускать в испаритель охлаждаемой камеры, в которой в качестве аккумуляции холода находится емкость с водой. Вода при дальнейшем понижении температуры
превращается в лед. Из графиков температур видно, что наблюдается резкое падение давления и быстрое понижение температуры за счет бурного испарения и поглощения паров хладагента. Затем, по мере отвода теплоты из ресивера, наблюдается длительное поддержание низких температур в испарителе и охлаждающей камере, а также одновременное увелисение температуры в ракторе генератора адсорбера. Нагревательный и охлаждающий эффект в термотрансформаторе производится в течение всего ночного времени до утра. Утром запорные вентили снова переключаются. Охлаждающий эффект днем поддерживается за счет тающего льда из охлаждающей камеры. А эффект нагрева воды может происходить круглосуточно.
го- 80 Са
07.00 09.00 11.00 13.00 15.00 17.00 19.00 21.00 23.00 01.00 03.00 05.00
время суток, ч
Рис. 3. Зависимости измеряемых температур гелиоэнергетической холодильной установки на различных аппаратах в течение суточного цикла времени: 1-4 - температуры нагрева поверхности реактора генератора-адсорбера в различных точках по поверхности; 5 - температура конденсатора; 6 - температура окружающего воздуха; 7 - температура в охлаждающей камере; 8 - температура охлаждения воды в камере; 9-10 - температуры поверхности испарителя
Максимальные дневные температуры на поверхности реактора генератора достигали 138-142 0С, температурная неравномерность нагрева поверхности реактора составляла 6-12 0С, темпы роста температуры днем на реакторе -0,5-1 0С/мин. Температура поверхности адсорбера ночью достигала 64,6-65,3 0С, суточные колебания давления в установке при охлаждении водой днем составляли 2,53 МПа, ночью - 0,14 МПа. После открытия регулирующего вентиля наблюдается падение давления в испарителе и снижение температуры испарителя до -6,4 ... -8,2 0С, происходит подмораживание влаги, а затем из воды образуется лед. Температура воздуха в охлаждающей камере изменяется в пределах +4 ... +12 0С за сутки.
Анализ полученных экспериментальных зависимостей температур в суточном режиме работы экспериментальной установки (май - сентябрь)
на открытом полигоне показал аналогичный характер изменения по данным работ [13-15].
На основании вышеизложенного материала можно сделать следующие выводы:
1. Новые конструктивные решения основных аппаратов гелиоэнергетических термотрансформаторов позволяют добиваться высоких энергетических показателей работы установок и положительного эффекта их работы.
2. Исследование рабочих пар для термотрансформаторов «сухой» абсорбции путем внедрения различных новшеств помогает увеличивать коэффициенты преобразования тепла солнечной радиации и повысить эффективность его работы для отопления и кондиционирования.
3. При изучении адсорбционной способности рабочих пар АС - аммиак, АС - метиламин, АС - этиламин установено, что лучшими адсорбционными свойствами обладает АС - аммиак,
160
140
120
100
60
40
20
0
20
а худшими - АС - этиламин. Все они могут приме- аммиак лучше применять для отопления и замо-
няться в термотрансформаторах адсорбцион- раживания; CaCL,2 - CH3NH2 и АС - метиламин -
ного типа, причем рабочие давления при хлада- для кондиционирования.
генте этиламине в два раза ниже, чем при мети- 5. При испытании гелиоэнергетического тер-
ламине и в четыре раза ниже, чем на аммиаке. мотрансформатора на рабочей паре АС - аммиак в
4. Приведенные степени термодинамиче- климатических условиях лета Астраханского реги-
ского совершенства гелиоэнергетических термо- она обнаружены эффект охлаждения и выделения
трансформаторов свидетельствуют о том, что теплоты в ночное время суток. установки на рабочих парах CaCl2 - аммиак и АС -
Список литературы
1. Руденко М.Ф. Концепция развития экологически безопасной гелиоэнергетической техники для производства тепла и холода // Безопасность жизнедеятельности. 2006. № 10. С. 46-50.
2. Wang, L.W., Xu Z.Y., Pan Q.W., Du S., Xia Z.Z. Solar driven air conditioning and refrigeration systems corresponding to various heating source temperatures / / Appl Energy. - 2016.Vol. 169 - P. 846-856.
3. Abdel Aziz A.A., Hatab S.I., Moawed M., Zohir A.E., Berbish N.M. Experimental study on the Effect of adsorber with three shapes of conductive material on Performance of Adsorption Refrigeration Tube using Activated Carbon/ethanol pair / / Appl Therm Eng.-2017.-Vol.19.- P.1246-1254.
4. Тепловые насосы в современной промышленности и коммунальной инфраструктуре. Инфомационно-методическое издание. М.: Из-во «Перо», 2016. 204 с. mpei.ru/personal/lits/CadrePapers/Attachments/2000/Верстка%20чистая.pdf.
5. Абсорбционные холодильные машины и тепловые насосы YORK http://www.eeforum.net/absorption-chillers/ru
6. Абсорбционные тепловые насосы. https://est-rus.ru/oborudovanie/teplovie-nasosy/
7. АБХМ THERMAX на горячей воде. сolden.ru/obrudvanie/abhm-thermax-na-goryachej-vde/.
8. Руденко М.Ф., Шипулина Ю.В. Гелиоэнергетические термотрансформаторы «сухой» абсорбции циклического действия: монография. Астрахан. гос. техн.ун-т. Астрахань. Из-во АГТУ, 2013.172 с.
9. Руденко М.Ф., Шипулина Ю.В., Каримов М.Ш., Руденко А.М. Повышение эффективности работы гелиоэнергетических холодильных установок адсорбционного типа. Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2019; 46(4). С.32-41.
10. Кульбаракова М.Б., Пискунов Н.С., Шипулина Ю.В.. Руденко М.Ф. Тенденции развития гелиоэнергетической техники: термотрансформаторы «сухой» абсорбции для систем природообустройства // Вестник Астраханского государственного технического университета. №1(63) май 2017. С.15-21.
11. Шипулина Ю.В., Руденко М.Ф., Каримов М.Ш. Моделирование и разработка конструкции генератора-адсорбера экологически безопасной гелиоэнергетической холодильной установки // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2013. №2. С.36-41
12. Каримов М.Ш., Руденко М.Ф., Шипулина Ю.В. Повышение эффективности работы гелиоэнергетического адсорбционного термотрансформатора // Химическое и нефтегазовое машиностроение 2016. №3,С.31-35.
13. Brites G.J.V.N., Costa J.J., Costa V.A.F. Influence of the design parameters on the overall performance of a solar adsorption refrigerator // Renewable Energy.- 2016. -Vol.86.- P. 238-250.
14. Pan Q.W., Wang R.Z., Lu Z.S., Wang L.W. Experimental investigation of an adsorption refrigeration prototype with the working pair of composite adsorbent-ammonia / / Q.W. Pan, / / Applied Thermal Engineering. - 2014.-Vol.72. - P. 275-282.
15. Xu S.Z., Wang L.W., Wang R.Z. Thermodynamic analysis of single-stage and multi-stage adsorption refrigeration cycles with activated carbon-ammonia working pair // Energy Conversion and Management. - 2016.- Vol.117.- P. 31-42.
© М. Ф. Руденко, В. Н. Саинова, Ю. В. Шипулина, Л. П.Третьяк, А. А. Токарева
Ссылка для цитирования:
Руденко М. Ф., Саинова В. Н., Шипулина Ю. В., Третьяк Л. П., Токарева А. А. Гелиоэнергетические сорбционные термотрансформаторы для систем отопления и кондиционирования / / Инженерно-строительный вестник Прикаспия : научно-технический журнал / Астраханский государственный архитектурно-строительный университет. Астрахань: ГАОУ АО ВО «АГАСУ», 2022. № 1 (39). С. 22-28.
