CC BY
9щ
Транспорт и экология
Магнитокалорический кондиционер на природном газе для речных судов
В.И. Карагусов,
профессор Омского государственного технического университета, д.т.н.,
Н.И. Ланьков,
помощник президента ООО «Компания «Север»,
И.В. Маянков,
студент Омского государственного технического университета
Магнитокалорические системы охлаждения могут быть использованы для создания бортовых транспортных теплоиспользующих систем кондиционирования воздуха с подводом энергии путем сжигания природного газа. Такие системы являются экологически чистыми и экономически выгодными для кондиционирования воздуха на речных судах.
Ключевые слова: система кондиционирования воздуха, магнитокалорический, транспорт, природный газ.
Magnetocaloric conditioner on natural gas for river vessels
V.I. Karagusov, N.I. Lankov, I.V. Mayankov
Magnetocaloric cooling systems can be used for creation onboard transport heat energized air condition systems with a supply of energy by burning of natural gas. Such systems are ecologically pure and economic for air conditioning on river vessels.
Keywords: air condition systems, magnetocaloric, transport, natural gas.
На большинстве современных судов комфортные условия поддерживаются при помощи систем кондиционирования воздуха (СКВ), которые работают по парокомпрессионному циклу. В таких СКВ применяются экологически неблагоприятные рабочие тела (фреоны или хладоны). В состав парокомпрессионных СКВ входят компрессоры, создающие шум и вибрацию. Значительная часть находящихся в эксплуатации речных судов вообще не оборудована СКВ, что создает малокомфортные условия для экипажа и пассажиров.
Работа СКВ с приводом от вала двигателя внутреннего сгорания
(ДВС) судна или от бортовой электросети невозможна при неработающем двигателе. Кроме того,
требования Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой (1987 г), стимулируют разработчиков искать альтернативные решения для построения экологически чистых систем охлаждения и СКВ.
Как показано в [1, 2], магнито-калорические двигатели внешнего сгорания имеют высокие КПД и надежность, в них можно использовать различные виды топлива от мазута до этанола и природного газа. В таких двигателях реализуется прямой магнитный термодинамический цикл Эриксо-на: две изотермы и две линии постоянного магнитного поля (рис. 1). Существует не только прямой, но и обратный (холодильный) магнитный термодинамический цикл Эриксона (рис. 16).
В прямом термодинамическом цикле 1-2-3-4 теплота Он сжигания топлива преобразуется в работу, равную площади этого цикла. В обратном термодинамическом цикле 1-2-3-4 при затрате внешней работы происходит охлаждение объектов на температурном уровне Т (Т < Т ). Если реализовать
охл 4 охл ос 1
а
б
Рис. 1. Прямой (а) и обратный (б) термодинамические магнитные циклы Эриксона. Температура: Тн - нагрева, Тос - окружающей среды, Тохл - охлаждения. Теплота: йн - нагрева, подводимая при сжигании топлива, 0ос - отводимая в окружающую среду, 0охл - отводимая от объекта охлаждения.
> Л
«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (26) апрель 2012 г.
Транспорт и экология
Нагрев сжиганием природного газа
бн
Охлаждение забортной водой
во,
Кондиционирование судовых помещений
во:
Рис. 2. Схема теплоиспользующей магнитокалорической системы кондиционирования воздуха
эти два цикла в одном устройстве, то можно создать теплоиспользу-ющую СКВ, работающую от своего или общего источника топлива и независимую ни от судовой силовой установки, ни от бортовой электросети, что особенно важно во время стоянок или дрейфа. Заметная экономия топлива будет и во время движения с крейсерской скоростью, так как КПД магнитокалорических систем заметно выше, чем у дизельного двигателя и парокомпрессион-ных СКВ.
Практически реализовать прямой и обратный циклы в одном агрегате можно двумя способами. При первом способе двигательная часть выполняется по схемам из [1, 2], холодильная - по аналогичным схемам, но с другой организацией теплоносителя, а роторы обоих узлов соединяются общим валом.
При втором способе и прямой, и обратный циклы реализуются в одном роторе, что почти в два раза упрощает конструкцию системы (рис. 2).
Работает теплоиспользующая магнитокалорическая система следующим образом. В теплообменнике 6 теплоноситель «горячего» контура 4 нагревается сжигаемым топливом. Нагретый теплоноситель поступает в каналы магнитокалорического ротора 1, находящиеся в зоне сильного магнитного поля. В то же время теплоноситель контура 3 охлаждается в теплообменнике 7 забортной водой и поступает в каналы магнитокалорического ротора 1, находящиеся в слабом магнитном поле. Материал, из которого изготовлен магнитокалорический ротор 1, выбирается таким образом, чтобы температура его магнитного фазового перехода находилась вблизи температуры окружающей среды (в данном случае температура забортной воды в жаркое время года). Магнитная восприимчивость материала в нагретой и охлажденной зонах магнитока-лорического ротора 1 имеет значительную разницу, что вызывает появление силы магнитного притяжения, воздействующей на магнитокалорический ротор 1. Здесь реализуется прямой цикл (см. рис. 1а). При этом магнитокалоричес-кий ротор 1 проворачивается по часовой стрелке (см. рис. 2), что
«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (26) апрель 2012 г.
АН| ИШГ I мтШ| Т1Р1Г тгп п°1"ПТГПТГИШШИШ
Рис. 4. Продольный разрез судна проекта 352
приводит к уменьшению магнитного поля в зоне магнитокалори-ческого ротора 1, где прокачивается теплоноситель «холодного» контура 2. В результате магнито-калорического эффекта эта зона магнитокалорического ротора 1 охлаждается. Реализуется обратный цикл (см. рис. 1б), и охлаждается теплоноситель «холодного» контура 2, который поступает в теплообменники 8 в кондиционируемых помещениях судна.
Число теплообменников 8 определяется числом и размером кондиционируемых помещений. Теплообменники 8 размещаются под потолком судовых помещений или встраиваются в систему вентиляции, их число в каждом помещении определяется тепловой нагрузкой на это помещение. Для индивидуальной регулировки температуры в судовых помещениях перед теплообменниками 8 могут быть установлены регулирующие вентили, а для автоматического поддержания температуры - терморегулирующие вентили.
Теплоносители в циркуляционных контурах 2-4 прокачиваются за счет профиля каналов в магнитокалорическом роторе 1 и направляющем аппарате (на рис. 2 не показан).
Холодопроизводительность магнитокалорической СКВ зависит от разности температур в теплообменниках 6 и 7, теплоты сгорания топлива, числа зон сильного магнитного поля 5, индукции магнитного поля, размеров, массы и материала магнитокалорического ротора 1, частоты его вращения.
Данная магнитокалорическая СКВ была рассчитана для двух судов Обь-Иртышского бассейна: «Чернышевский» (проект 646) и «Восход» (проект 352). Температура наружного воздуха принималась 31 °С, температура забортной воды 25 °С, температура воздуха в помещениях 23 °С.
Длина судна проекта 646 (рис. 3) составляет 62,5 м, ширина
- 12 м, надводная высота - 11,1 м. Длина судна проекта 352 - 27,6 м, ширина - 6,4 м, надводная высота
- 4 м.
В таблице приведены характеристики магнитокалорических СКВ, рассчитанные для этих судов. Следует отметить, что для холо-допроизводительности и расхода природного газа приведены максимальные значения, в реальных условиях судоходства они будут изменяться от этих максимальных значений до нулевых.
Как видно из таблицы, тепло-использующие магнитокалори-ческие СКВ имеют высокие технические и эксплуатационные характеристики, что делает целесообразным и выгодным их использование на речных судах.
Магнитокалорический эффект позволяет создать автономные от силовых установок судов СКВ, повысить их надежность, перейти к экологически чистым технологиям, уменьшить расход топлива транспортными средствами.
Литература
1. Карагусов В.И. Магнитока-лорические двигатели внешнего сгорания на речных судах // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 2. - С. 38-41.
2. Карагусов В.И. Комбиниро-
ванная магнитокалорическая силовая установка на речных судах // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 3. - С. 37-38.
Проект судна Объем кондиционируемых помещений, м3 Холодопроизводительность СКВ, кВт Холодильный коэффициент СКВ КПД СКВ Расход природного газа, кг/ч
646 1000 80 6,2 0,8 7,6
352 130 18 5,7 0,75 2,2
«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (26) апрель 2012 г.
