CC BY
15
УДК 664
ИННОВАЦИОННАЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ УСТАНОВКА INNOVATIVE ENERGY CONSERVATION INSTALLATION
И. Г. Васильева I. G. Vasilyeva
ФГБОУВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»,
г. Чебоксары
Аннотация. В статье представлена инновационная энергосберегающая установка, разработанная на основе патентов [2], [3], [4], которая может быть использована сельхозпроизводителями и объектами, удаленными от централизованных энергосистем, для хранения сельхозпродуктов.
Abstract. The article presents the energy conservation installation. The installation is developed on the basis of the [2], [3], [4] patents and it may be used by farmers and units which are remote from the centralized power system to store agricultural products.
Ключевые слова: низкопотенциальный, солнечный, возобновляемый источник энергии, сельхозпродукты, энергосбережение.
Keywords: low-potential, solar, renewable energy source, agricultural products, energy conversation.
Актуальность исследуемой проблемы. В связи с принятием ФЗ № 261 от 23.11.2009 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» реализация организационных, правовых, технических, технологических, экономических и иных мер, направленных на уменьшение объема используемых энергетических ресурсов при сохранении соответствующего полезного эффекта от их использования (энергосбережение), является приоритетным направлением жизнедеятельности современного общества. Целью нашей работы явилась разработка инновационной энергосберегающей установки [4], которая может быть использована для хранения овощей сельхозпроизводителями и объектами, удаленными от централизованных энергосистем.
Материал и методика исследований. В качестве объекта исследования было выбрано картофелехранилище ООО «Агрофирма «Слава картофелю» Комсомольского района Чувашской Республики, оснащенное современным голландским оборудованием. На основе анализа существующих патентов выполнены и защищены охранными документами [1], [2], [3], [4] новые конструкторские решения следующих устройств.
Устройство для хранения картофеля [1], [2] содержит хранилище, блок управления, блок полярности напряжения, датчик температуры, задатчик, контейнеры с картофелем. Отличается от аналога [7] тем, что содержит электронагреватель, установленный в хранилище с возможностью теплообмена; увлажнитель воздуха, установленный в храни-
лище с возможностью поддержания требуемой относительной влажности; два вентилятора (вход каждого подключен к таймеру, выход первого связан с атмосферой, второго -установлен в хранилище с возможностью внутреннего вентилирования воздуха); окно (вход которого подключен к электроприводу, выход связан с помещением хранилища). Кроме того, устройство имеет теплое помещение, содержит термоэлектрический нагреватель и электронагреватель, установленные в теплом помещении и имеющие возможность подогрева контейнера с сельскохозяйственными продуктами, например, картофелем, до требуемой температуры.
Устройство для регулирования температуры молока [3] содержит низкопотенциальный вертикальный грунтовый теплообменник с теплоносителем, установленный на расчетной глубине (50 м), его вход подключен к поверхности грунта, выход присоединен к трехходовому крану.
В устройстве используется низкопотенциальный источник энергии грунта (НИЭГ) как для работы теплового насоса, так и для «натурального охлаждения» сельхозпродуктов, в частности молока. При этом «натуральное охлаждение» имеет следующие преимущества: экономичность - стоимость производства 1 кВт/ч энергии грунта в 3-5 раз ниже, чем другие источники энергии; энергосбережение - производит энергию, черпая возобновляемый НИЭГ, не используя традиционные энергоносители; экологичность и безопасность - экологически чистый метод получения энергии как для окружающей среды, так и для обслуживающего персонала (при работе устройства не производятся выбросы, приводящие к нарушению озонового слоя и кислотным дождям; отсутствуют аллергеноопасные выбросы в помещения, не сжигается кислород, так как нет сжигаемого топлива); универсальность - НИЭГ может быть применен в качестве системы обогрева, горячего водоснабжения, вентиляции, удаления из помещений излишней влажности, а также охлаждения помещений хранилищ в зависимости от сезонных потребностей и т. п. НИЭГ успешно может быть применен в отдаленных районах как для отопления, так и охлаждения объектов сельского хозяйства при отсутствии централизованного электротеплоснабжения.
Также разработана и защищена охранным документом электроэнергетическая установка на солнечной энергии [4], содержащая генератор, испаритель, конденсатор, турбину с низкокипящим рабочим веществом, аккумулятор теплоты. Она содержит объект отопления и абсорбционную холодильную установку, связанные с теплым контуром через исполнительный механизм с четырехходовым краном, вход которого подключен к патрубку четырехходового крана. Электроэнергетическая установка может условно состоять из четырех замкнутых контуров. Первый контур подключен к испарителю легко-кипящего рабочего вещества, второй - к абсорбционной холодильной установке, третий -к объекту отопления с возможностью подключения этих контуров к четвертому (теплому) контуру. Кроме того, установка содержит охладитель, вход которого подключен к конденсатору, выход связан с вертикальным грунтовым теплообменником.
На основании исследований приведенных выше устройств [1], [2], [3], [4] разработана энергосберегающая установка [6].
Результаты исследований и их обсуждение. Основными источниками энергии в разработанной энергосберегающей установке являются возобновляемые источники энергии, к которым относятся солнечный источник тепловой энергии, низкопотенциальный источник энергии (НПИЭ) и искусственный источник энергии (ИИЭ).
Техническим результатом является обеспечение производственных объектов и сельхозпроизводителей дешевой экологически чистой электрической и тепловой энергией для целей хладо- и теплоснабжения в течение всего года.
На рис. 1 представлена энергосберегающая установка, которая содержит: солнечный источник тепловой энергии 1; НПИЭ 2; тепловой насос 3; ИИЭ 4; турбину 5; генератор 6; испаритель 7; конденсатор 8; объект отопления 9; абсорбционную холодильную машину (АБХМ) 10; электрические насосы 11, 12; электронные трехходовые краны 13, 14, 15, 16; трехходовые краны 17, 18; блок управления 19; датчики температуры 20, 23, 26; блок сравнения 21, 24, 27; задатчики 22, 25, 28; сигнализатор 29; эксплуатационный пульт управления 30; переключатель возобновляемого источника энергии 31; переключатель ИИЭ 32; газовый баллон 33; электромагнитный клапан 34; газовый котел 35.
Электронные трехходовые краны 13, 14, 15, 16 могут быть выполнены согласно патенту № 2270923 [5].
В солнечном источнике энергии 1 происходит нагрев теплоносителя до определенной температуры, например, до 90-95 0С, и его передача по каналу 36, при этом его температура контролируется датчиком температуры 20.
Из НПИЭ 2 тепловая энергия температурой 6-7 0С через трехходовой кран 16 подается в тепловой насос 3, где в результате осуществления термодинамического цикла теплоноситель нагревается до 80-85 0С и подается в энергосберегающую установку, затем возвращается обратно в НПИЭ 2. При этом температура контролируется датчиком температуры 23.
Другая часть низкопотенциальной тепловой энергии поступает в конденсатор 8, где в результате теплообмена с отработавшим паром низкокипящее вещество превращает его в жидкость и возвращается обратно в НПИЭ 2.
В качестве ИИЭ 4 используется газовый котел 35, который включает в себя: газовый баллон 33; электромагнитный клапан 34. Температура теплоносителя, т. е. воды, нагреваемой в котле 35, например, до 90-95 0С, контролируется датчиком температуры 26 и работой котла 35 путем подачи газа через электромагнитный клапан 34. Для перехода работы установки от ВИЭ к ИИЭ предусмотрен эксплуатационный пульт управления 30 с переключателями 31, 32. В замкнутом контуре, включающем турбину 5, конденсатор 8, насос 12, испаритель 7, циркулирует низкокипящее вещество.
Энергосберегающая установка работает следующим образом.
Пусть установка работает на ВИЭ. Данная установка запускается нажатием на кнопку 31 эксплуатационного пульта управления.
На блоки сравнения 21, 24 начинают поступать сигналы от датчиков температуры 20, 23. Сигналы рассогласования поступают на блок управления 19 следующим образом.
Если в датчике температуры 20 температура теплоносителя Ттепл. < 90 0С, то задатчик 22 тоже отрегулирован на значение 90 0С, поэтому в блоке сравнения 21 сигнал рассогласования отсутствует, питание на электронный трехходовой кран 15 не поступает и соответственно канал 37 закрыт.
В этом случае блок управления 9 подает энергию по каналу 64 на электронный трехходовой кран 16, который дополнительно открывает канал 54, и низкопотенциальная энергия начинает подаваться как по каналу 52, так и по каналу 54.
В тепловом насосе 3 в результате термодинамического цикла происходит повышение температуры теплоносителя до 80 0С, а отработавшая низкопотенциальная энергия по каналу 55 возвращается обратно в НПИЭ 2.
Теплоноситель, нагретый до температуры 80 0С, с повышенным давлением поступает в электронный трехходовой кран 15, у которого канал 37 закрыт, а канал 38 открыт, и по этому каналу теплоноситель поступает в трехходовой кран 17 и испаритель 7, куда одновременно поступает низкокипящее рабочее вещество в виде жидкости. В испарителе 7 низ-кокипящее рабочее вещество отбирает теплоту от горячего теплоносителя, происходит испарение низкокипящего рабочего вещества и его превращение в пар. Далее рабочий пар поступает в турбину 5, где часть энергии рабочего вещества турбина 5 с генератором 6 преобразует в электрическую энергию. Отработавший пар поступает в конденсатор 8, где происходит теплообмен между ним и низкопотенциальной энергией, поступающей в испаритель 7. Отдавая теплоту, отработавший пар превращается в жидкость, которая насосом 12 прогоняется в испаритель 7. А низкопотенциальная энергия, отобрав теплоту от отработавшего пара, возвращается в НПИЭ 2. Одновременно блок управления 19 подает электроэнергию на насос 12 и электронные трехходовые краны 13, 14, при этом канал 46 закрывается, 58 - открывается. Отработанный теплоноситель после объекта отопления 9 и АБХМ 10 поступает в электронный трехходовой кран 14, циркулирует по каналам 46, 59 и электронный трехходовой кран 13, затем возвращается в тепловой насос 3.
Пусть температура теплоносителя в канале 36 становится Ттепл > 90 0С. Тогда в блоке сравнения 21 в результате вычисления сигналов, полученных от датчика 20 и задатчика 22, формируется сигнал рассогласования, который подается в блок управления 19. Блок управления 19 в результате получения этого сигнала выключает подачу электроэнергии на электронный трехходовой кран 16, который закрывает канал 54 и прекращает подачу низкопотенциальной энергии на тепловой насос 3. Кроме того, блок управления 19 начинает подавать электроэнергию на электронный трехходовой кран 15, который закрывает канал 56, открывает канал 37, и теплоноситель из солнечного источника энергии 1 через электронный трехходовой кран 15 и трехходовой кран 17 подается в испаритель 7, а через трехходовой кран 18 подается в объект отопления 9 и в АБХМ 10. Отработанный теплоноситель после объекта отопления 9 и АБХМ 10 через электронный трехходовой кран 14, 13 поступает в солнечный источник энергии 1. При этом каналы 58, 59 закрыты. Цикл повторяется.
В испарителе 7 аналогично происходит испарение низкокипящего вещества и его превращение в пар. Далее рабочий пар поступает в турбину 5, где часть энергии рабочего пара совместно с генератором 6 преобразуется в электрическую энергию. Полученная электроэнергия в генераторе 6 подается к потребителю.
В результате будет обеспечен довольно высокий перепад испарения и конденсации рабочего вещества и, следовательно, довольно высокий коэффициент полезного действия (КПД) преобразования солнечной энергии предлагаемой установки.
Если в солнечном источнике энергии 1 и тепловом насосе 3 установится очень низкая температура Ттепл. < 50 0С, то блок управления 19 подает энергию на сигнализатор 29, который информирует о низком значении температуры теплоносителя установки.
В этом случае пользователь нажатием на кнопку 31 останавливает работу установки на ВИЭ, а нажатием кнопки 32 запускает работу установки на ИИЭ. При этом блок управления 19 останавливает работу электронного трехходового крана 15, подает энергию на электромагнитный клапан 34 и ИИЭ, и котельная установка начинает работать.
Электромагнитный клапан 34 открывается и газ по каналам 78, 79 подается в котел 35, который начинает работать. Теплоноситель, т. е. вода, через трехходовой кран 14, насос 11 поступает в котел 35, нагревается и поступает в канал 38. При этом температура теплоносителя контролируется датчиком температуры 26. При повышении температуры выше заданного значения блок сравнения 27 подачей сигнала на блок управления 19 управляет подачей электроэнергии на электромагнитный клапан 34, тем самым регулируя работу котла 35 и обеспечивая получение требуемой температуры теплоносителя. Нагретый теплоноситель через трехходовой кран 17 направляется в испаритель 7, а по каналу 40 и через трехходовой кран 18 аналогично - на объект отопления 9 и в АБХМ 10. Отработавший теплоноситель через трехходовой кран 14, насос 11 циркулирует по замкнутому контуру. Цикл повторяется.
Во всех рассмотренных вариантах на объектах отопления (в жилых, производственных и служебных помещениях, теплицах и др.) круглый год обеспечивается поддержание требуемого температурного уровня.
В АБХМ 10 во всех рассмотренных вариантах благодаря высокой температуре теплоносителя происходит выработка холода, необходимого для производственных нужд и сохранения качества сельхозпродуктов.
Таким образом, энергосберегающая установка путем использования ВИЭ и ИИЭ может удовлетворить потребность в электроэнергии, теплоте и холоде сельхозпроизводителей, расположенных в труднодоступных районах, круглый год.
Резюме. Разработанная установка предназначена для повышения эффективности энергообеспечения путем использования возобновляемых источников энергии.
Основными источниками энергии в установке являются: возобновляемые источники энергии, к которым относятся солнечный источник тепловой энергии, низкопотенциальный источник энергии грунта, и искусственный источник энергии. Эти источники энергии подключаются к заданной установке в автоматическом режиме по заданной программе и в зависимости от поставленной задачи могут производить электрическую и тепловую энергии и холод круглый год.
ЛИТЕРАТУРА
1. Васильева, И. Г. Повышение эффективности хранения сельскохозяйственных продуктов на объектах общественного питания / И. Г. Васильева // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2010. - № 8. - С. 19-21.
2. Патент 101321 Российская Федерация. Устройство для хранения картофеля / И. Г. Васильева, В. Н. Тимофеев; опубл. 10.01.2011.
3. Патент 101321 Российская Федерация. Устройство для регулирования температуры молока / И. Г. Васильева, В. Н. Тимофеев; заявитель и патентообладатель - Васильева И. Г.; опубл. 20.01.2011. Бюл. № 2.
4. Патент 103579 Российская Федерация. Электроэнергетическая установка на солнечной энергии / В. Н. Тимофеев, И. Г. Васильева; заявитель и патентообладатель - Васильева И. Г.; опубл. 20.04.2011. Бюл. № 11.
5. Патент 2270923, Б01Р7/16. Электрический термостат / В. Н. Тимофеев, Н. П. Кузин, А. Н. Краснов; опубл. 27.02.2006.
6. Патент 109507. Энергоресурсосберегающая установка / И. Г. Васильева, В. Н. Тимофеев; заявитель и патентообладатель - Васильева И. Г.; опубл. 20.10.2011. Бюл. № 29.
7. Свидетельство на полезную модель 5015. Термоэлектрическое устройство для охлаждения, нагрева и стабилизации температуры продуктов питания / В. Н. Тимофеев, А. Н. Ильгачев, А. А. Ильина и др.; опубл. 16.09.97. Бюл. № 9.
