CC BY
30
УДК 621.56 (075.8)
Использование эффективного излучения в холодильной системе открытого ледового катка
Канд. техн. наук А. П. ЦОЙ Алматинский технологический университет Республика Казахстан, 050012, г. Алматы, ул. Толе би, 100 Д-р техн. наук А. В. БАРАНЕНКО, д-р техн. наук А. Я. ЭГЛИТ Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет ИТМО Институт холода и биотехнологий 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9
Theory of the transfer of radiant energy in atmosphere plays an important role in the calculation of the heat leakage on the open ice skating rink. In summer, refrigeration system of open skating rink is stopped, but the concrete field of open ice rink is an ideal heat sink with a large area that can be used in the scheme of the heat pump to generate heat. Cooling system of the open rink is technically almost ready for working in the regime of the chiller heat pump operation.
Keywords: effective radiation into space, heat pump, heat, cold supply, cold accumulator.
Ключевые слова: эффективное излучение в космическое пространство, тепловой насос, тепло-хладоснабжение, аккумулятор холода.
Теория переноса лучистой энергии в атмосфере играет важную роль при расчете тегоюпритоков на ледовое поле открытого катка [1]. Земная поверхность, как физическое тело имеющее температуру выше 273 °С, является источником излучения, которое называют тепловым излучением Земли. Земное излучение несколько меньше излучения абсолютно черного тела при той ее температуре и пропорционально четвертой степени абсолютной температуры земной поверхности [2]
где е — относительная излучательная способность, показывающая, какую долю излучения абсолютно черного тела составляет излучение данной поверхности;
о0 — постоянная Стефана — Больцмана, ст° = 5,67 • 10-8Вт/(м2- К4);
Т — абсолютная температура земной поверхности.
Излучение земной поверхности происходит непрерывно. Чем выше температура излучающей поверхности, тем интенсивнее ее излучение. Оно направлено в атмосферу и почти полностью поглощается ею.
Атмосфера, в свою очередь, также излучает тепло частично в космическое пространство и частично в направлении к земной поверхности. Часть атмосферного излучения, приходящего к земной поверхности называют встречным излучением.
Как показывают экспериментальные данные, в дневное время превалирующим теплопритоком на ледовое поле катка является солнечная радиация.
В ночное время излучение Земли, или собственное излучение земной поверхности, играет весьма существенную роль в климате прилегающе-
го к поверхности слоя воздуха. Это излучение имеет максимальное значение в ясные безветренные ночи. Излучение, исходящее от Земли, проходя через атмосферу, в основном поглощается или отражается (экранируется) в связи с содержанием переменных компонентов (особенно СО,). Излучение в ночное небо, и поток его тем больше, чем суше воздух, т. е. чем меньше в нем водяных паров.
Только 12% [2] ночного земного излучения проходит через атмосферу и уходит в космос, это так называемое уходящее излучение. Остальная часть создает нисходящий обратный (отраженный от атмосферы) поток энергии, направленный к Земле. Его обозначают как противоизлучение атмосферы. Поэтому, общая величина земного излучения уменьшается. Подобный лучистый обмен между поверхностью Земли и атмосферой называют эффективным излучением земной поверхности. При облачности эффективное излучение уменьшается, т. е. возрастает противоизлучение от облаков, представляющих собой мощный экран. По той же причине сильно падает эффективное излучение в туман или при задымлении. При повышении высоты над уровнем моря уменьшается плотность воздуха, следовательно, и противоизлучение, поэтому усиливается эффективное излучение. На объектах, находящихся на большой высоте (более 1000 м, например каток «Медеу») крайность микроклимата проявляется, не только в большом получении тепла днем (из-за усиления интенсивности солнечной радиации), но одновременно в большой потере тепла ночью из-за возрастания эффективного излучения.
Эффективное излучение, вместе с потерями тепла на испарение, обусловливает так называемое ночное выхолаживание земли. Ночью солнечная
радиация (инсоляция) отсутствует, теплообмен в течение ночи в основном зависит от собственного теплового излучения Земли. В ночное время теплообмен у поверхности земли меняет свой характер и ведет к понижению температуры поверхности земли ниже температуры воздуха. Одним из следствий ночного охлаждения земли и прилегающего к поверхности слоя воздуха является конденсация паров в форме росы летом и инея зимой. Особенно сильно охлаждаются те поверхности земли, которые имеют низкую теплопроводность.
В предрассветное время поверхность земли обычно имеет самую низкую температуру и она возрастает как по направлению вверх от поверхности, так и вниз. Потеря тепла поверхностью земли ночью так значительна, что она охлаждается намного раньше, чем прилежащие к ней слои воздуха. Отсюда слои воздуха, соприкасающиеся с поверхностью земли, отдают ей свое тепло и становятся более холодными, чем вышележащие слои. В том случае, когда самые нижние слои становятся самыми холодными, говорят об инверсии нормального температурного градиента, или об обратном ходе температур, поскольку нормально наблюдается понижение температуры с высотой. Инверсия увеличивается в случае «длинных» ночей с ясным небом, холодным сухим воздухом при штилевой погоде, снегом, который поглощает много тепла из прилежащего слоя воздуха.
Таким образом, эффективное излучение земной поверхности £ — это разность между собственным излучением земной поверхности и той энергией, которую поверхность земли получает обратно от противоизлучения атмосферы, т.е. чем больше противоизлучение, тем меньше эффективное излучение. С позиции расчетов это разность между восходящими £ и нисходящими потоками теплового излучения £на уровне земной поверхности:
£.=£ — £.
эф з а
Эффективное излучение деятельного слоя зависит от его температуры, от температуры и влажности воздуха, а также от облачности. С повышением температуры земной поверхности £эф увеличивается, а с повышением температуры и влажности воздуха уменьшается. Особенно влияют на эффективность излучения облака, так как капли облаков излучают почти так же, как и деятельный слой Земли. Если облака плотные и температура их близка к температуре деятельного слоя, то Е ~ £а и тогда Е.~ 0.
Эффективная температура поверхности земли, на основании экспериментальных данных [3], предлагается определять по формуле
/ . = ? — А/ ,,
эф в эф7
где ?а — температура воздуха;
Д/эф — изменение температуры за счет эффективного излучения (5—12 °С).
Суточный ход эффективного излучения характеризуется максимумом в 12—14 ч и минимумом перед восходом солнца. Годовой ход эффективно-
го излучения в районах с континентальным климатом характеризуется максимумом в летние месяцы и минимумом в зимние. В районах с морским климатом годовой ход эффективного излучения выражен слабее, чем в районах, расположенных в глубине континента.
Эффективное излучение в зависимости от метеорологических условий региона можно использовать для охлаждения и применять как дополнительную холодильную систему к основной машине.
Инженерами из научного общества Италии была разработана специальная пленка, отражающая солнечные лучи (коротковолновое излучение) и хорошо пропускающая эффективное излучение (длинноволновое излучение). Растянув эту пленку под открытым небом, они проводили эксперименты по созданию системы охлаждения на основе эффективного излучения и в дневные часы.
В Японии в ясную погоду зимой плотность потока эффективного излучения составляет около 120 Вт/м2. Однако летом, в связи с большим содержанием водяных паров в атмосфере, она уменьшается до 60-70 Вт/м2 и для системы охлаждения это излучение использовать неэффективно.
Кроме того, существуют другие способы охлаждения: например крыша установки делается в форме глиняной ступки и холодный воздух втягивается путем естественной циркуляции.
В туманные и ветреные дни невозможно добиться уменьшения влажности воздуха, поэтому не получится охладить помещение за счет эффективного излучения. Следовательно, целесообразно проектировать систему охлаждения с использованием эффективного излучения, которая имела бы простую конструкцию и применялась как дополнительная установка к основной холодильной машине.
Проведенное экспериментальное исследование эффективного излучения поверхности бетона открытого катка «Медеу» [3] показало, что максимальная разность между температурой воздуха и температурой бетона ледового поля составляет 13 °С, а средняя — 10 °С (рис. 1).
Таким образом, в результате действия эффективного излучения «охлаждающего эффекта небосвода» происходит понижение температуры поверхности льда открытого катка ниже температуры воздуха. Данный эффект может быть использовано в системе холодоснабжения катка для экономии электроэнергии с применением аккумуляторов холода.
Схема холодильной системы с аккумуляторами холода, работающая в режиме теплохладоснаб-жения [4] показана на рис. 2.
В зимний холодный период, когда температура льда на бетонном поле 9 понижается ниже нормативной, система работает по следующему контуру: насос 1 через вентиль 11, при закрытых вентилях 12 и 18, подает хладоноситель на ледовое поле и аккумулирует холод в баке 2.
Холодильная машина, состоящая из компрессора 3, испарителя 4 и конденсатора 5 не от-
нее время работает на систему кондиционирования воздуха и в режиме теплового насоса, используя тепло с бетонного поля и системы кондиционирования для получения тепла, идущего на горячее водоснабжение и другие технические нужды.
Предлагается применять аккумуляторы холода с использованием капсул-заполнителей. Этот способ состоит в том, что лед в аккумуляторе холода не имеет непосредственного контакта с охлаждающей жидкостью, а образуется в полиэтиленовых капсулах-накопителях. Аккумулятор холода, представляющий собой теплоизолированный резервуар, заполняется такими капсулами. Капсулы отливаются под давлением из полиэтилена высокой плотности и заполняются специальной жидкостью.
В аккумуляторе циркулирует жидкий хладоно-ситель (например, водный раствор этиленгликоля) с температурой ниже О °С, вызывая кристаллизацию жидкости внутри заполнителей. Тем самым достигается аккумулирование энергии в виде скрытой теплоты кристаллизации в период фазового перехода из жидкого состояния в твердое. Шарообразная форма капсул обеспечивает большую площадь теплообмена. Используя различные жидкости, как для охлаждения, так и для заполнения капсул, можно задавать температуру льдообразования. Такой способ аккумуляции использован в оборудовании французской фирмы Cristopia (энергосберегающие системы STL) являющейся подразделением ведущего европейского производителя климатической техники компании CIAT (Франция). Баки-аккумуляторы фирмы Cristopia и капсулы-заполнители (096 мм — для СКВ, 077 мм — для холодильных установок) способны аккумулировать тепловую энергию при температурах от —33 до 27 °С.
Капсулы-заполнители допускают не менее 10000 циклов (замораживание-размораживание), срок службы — не менее 20 лет. Фирма Cristopia предлагает целый ряд капсул-накопителей, разработанных для конкретных отраслей.
ключается и аккумулирует холод в аккумуляторе 6 с помощью насоса 7 и открытых вентилях 15 и 16. Тепло отнимается в конденсаторе и передается теплоприемнику 8.
При приближении температуры льда к нормативной, холодильная машина работает по обычной схеме: вентиль 11 закрывается и раствор из аккумулятора 2 при открытых вентилях 12 и 14 через испаритель 4 подается на ледяное поле катка.
В пиковый период нагрузки открываются вентиля 13и 15, прикрывается вентиль /Независимости от тепловой нагрузки, при закрытом вентиле 16 подключается аккумулятор холода 6.
В летний период холодильная система открытого катка останавливается, однако бетонное поле открытого катка является идеальным тепло-приемником с обширной площадью и может быть использовано в схеме теплового насоса для получения тепла. Система холодоснабжения открытого катка представляет собой практически готовую техническую систему для работы холодильной машины в режиме теплового насоса.
В этот период холодильная система работает по следующей схеме: открывается вентиль 17 и дополнительно к трубной системы бетонной плиты подключается система кондиционирования воздуха офисных помещений 10.
Таким образом, холодильная установка в лет-
Таким образом, на примере холодильной установки открытого катка «Медеу», рассмотрено использование эффективного излучения с применением аккумуляторов холода.
Список литературы
1. Исследование режимных параметров холодильной установки катка «Медео» // Пищевая технология и сервис. АТУ. 1999. №4.
2. Кондратьев К. Я. Актинометрия. —Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1965.
3. Цой А. П., Бараненко А. В., Мачуев Ю. И. Исследование влияния охлаждающего эффекта небосвода на ледовое поле открытого катка./У Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» 23-24 ноября 2011 г. СПбГУНиПТ.
4. Цой А. П., Бараненко А. В. Анализ эффективности работы системы холодоснабжения открытого катка в режиме теплового насоса./У Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» 23-24 ноября 2011 г., СПбГУНиПТ.
