CC BY
6
УДК 621.575:620.91: 621.565.8 DOI: 10.15587/2313-8416.2019.189492
РАЗРАБОТКА СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТА НОЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
А. С. Титлов, А. П. Цой, А. Х. Алимкешова, Р. А. Джамашева
Выполнен анализ возможностей использовать эффекта ночного излучение (ЭНИ) для дополнительного отвода тепла от элементов системы охлаждения. Показаны энергетические перспективы технологии ЭНИ для автономных систем охлаждения преимущественно в сельских и крестьянских хозяйствах, удаленных от источников электрической энергии. Для повышения энергетической эффективности автономных систем охлаждения предложено использовать абсорбционные водоаммиачные холодильные машины (АВХМ) и парокомпрессионные холодильные машины. Для работы АВХМ предлагается использовать тепловую энергию солнечного излучения
Ключевые слова: охлаждение молока, эффект ночного излучения, охлаждение, парокомпрессионная и абсорбционная водоаммиачная холодильные машины, солнечный коллектор
Copyright © 2019, O. Titlov, A. Tsoy, A. Alimkeshova, R. Jamasheva. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0).
1. Введение
Несмотря на высокие темпы индустриализации и электрификации в современном мире, во многих странах имеется значительное количество территорий, где или отсутствуют источники электроснабжения, либо их качество неудовлетворительно.
Одним из таких примеров являются фермерские и крестьянские хозяйства, которые находятся в местах заготовки и первичной обработки продукции животного и растительного происхождения.
Особенно остро стоят проблемы качественного обеспечения первичной холодильной обработки мясных и молочных продуктов в соответствии с технологическими требованиями. И, если в регионах с холодным климатом можно еще использовать известные издавна технологии применения водного льда [1], то в странах с умеренным и тропическим климатом нужно применять только искусственное охлаждение.
Из всего спектра современного холодильного оборудования для решения задач автономного искусственного охлаждения наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, во-первых, являются парокомпрессионные холодильные машины (ПКХМ), работающие от дизель-генераторов или солнечных батарей [2].
Во-вторых - теплоиспользующие абсорбционные холодильные машины, источником тепловой энергии для которых служат потоки нагретых газов или жидкостей [3].
Как показал сопоставительный анализ, для условий работы в автономном режиме можно использовать только водоаммиачные абсорбционные холодильные машины (АВХМ). В отличие от броми-столитиевых аналогов они не требуют обязательного жидкостного охлаждения теплорассеивающих элементов (конденсатора, дефлегматора, абсорбера) и значительно дешевле при изготовлении из-за доступности конструкционных материалов (углеродистых сталей) [4]. При этом если учитывать всю цепочку производства электрической энергии на тепловых
станциях, то АВХМ энергетической эффективности становятся сопоставимы с ПКХМ.
При разработке новой техники необходимо помнить о дефиците и высокой стоимости органических топливных ресурсов, особенно ощутимые в настоящее время в мире.
Одновременно с этим ужесточаются и экологические требования по снижению выбросов парниковых газов в атмосферу планеты.
В этой связи актуальной становится задача поиска путей повышения энергетической эффективности автономных систем охлаждения, как на базе ПКХМ, так и на базе АВХМ.
Наиболее рациональным будет комплексный подход, когда рассматриваются и внешний (особенности работы в изменяющихся в течение суток и времени года условиях теплоотвода в окружающую среду) и внутренний фактор (совершенствование термодинамических циклов и схем).
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
В последнее время, в связи с требованием энергоэффективности и сокращением времени использования синтетических холодильных агентов (фреонов) холодильным системам, наблюдается стабильный интерес к пассивным способам охлаждения. Одним из таких способов является охлаждение за счет радиационного излучения в космическое пространство.
Любая поверхность, обращенная к ночному небу, при определенных условиях может излучать больше тепловой энергии, чем получать обратно от окружающей среды [5]. Данный эффект носит название эффекта ночного излучения (ЭНИ) и за счет него можно поддерживать температуру теплоносителя ниже температуры окружающего воздуха.
Использование ЭНИ в значительной степени определяется особенностями климата того или иного региона. В определенных климатических условиях холодильные системы, использующие ночное излу-
чение будут работать более эффективно, чем в других. Влияние климата на работу систем данного типа исследовавалось в работах [6-8].
Установлено, что на возможность использования ЭНИ влияют такие атмосферные параметры, как скоростью ветра, влажность воздуха, прозрачность атмосферы для инфракрасного излучения в диапазоне от 8 до 13 микрометров [8].
Исследования работы холодильных систем, использующих ЭНИ, проводились во многих регионах планеты с различными климатическими условиями.
Это и северные районы Таиланда с влажным жарким климатом [8] и Копенгаген, Милан, Афины [9]. Изучались режимы охлаждения офисных помещений во время теплого периода года (с 1-мая по 30-сентября). Исследована возможность охлаждения материала с фазовым переходом для аккумулирования холода, создаваемого при помощи ЭНИ.
В Австралии [10] стоимость системы охлаждения пытались снизить путем совмещения системы ЭНИ с солнечными батареями (фото-воль-тажными панелями).
Во всех исследованиях [8-11], в дневное время охлаждение радиатора (охлаждающего устройства) ниже температуры окружающей среды не достигалось, поскольку поглощенная солнечная энергия превышала излучаемое тепловое излучение.
Для повышения интенсивности радиационного охлаждения предлагаются материалы с высокой из-лучательной способностью в инфракрасной части спектра [12].
Также для улучшения результата, предлагается радиатор закрыть полиэтиленовой пленкой для снижения конвективного теплопритока и покрасить его поверхность краской с высокой излучательной способностью [7], чтобы он мог отдавать большее количество тепла за счет инфракрасного излучения. Однако радиационное охлаждение в основном было осуществимо только в ночное время, поскольку подходящие материалы с высокой инфракрасной излуча-тельной способностью не обеспечивали охлаждения в дневное время [13, 14]. В качестве красителя, в частности, предлагается использовать материал с большим содержанием соединения ТЮ2, что повышает излучательную способность поверхности [15].
Исследования по применению радиационное излучение для холодильных систем проводятся и для резко континентального климата Казахстана [6, 12, 15]. Авторы [16] показали, что в регионах с резкоконтинентальным климатом ночное излучение может быть использовано для снижения температуры жидкости, поступающей периодически. Например даная схема может использоваться для первичного охлаждения молока после его сбора.
Теплорассеивающие элементы с площадью излучающей поверхности, равно й 4 м2, позволяют обеспечивать в течение года холодопроизводитель-ность установки от 140 Вт до 650 Вт, в зависимости от погодных условии города Усть-Каменогорск.
Таким образом технология ЭНИ позволяет продлить период использования естественного холода в течение года и сократить затраты электроэнергии при работе систем охлаждения на базе ПКХМ.
Исследования [17] показали, что при разработке и проектировании систем охлаждения на базе АВХМ необходимо поддерживать рабочий диапазон температур в зоне генерации 120-140 °С.
Так как основной парк солнечных коллекторов составляют конструкции с водой в качестве теплоносителя [18], то этого недостаточно для полноценной реализации цикла АВХМ даже в зоне умеренного климата [19].
Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать вывод о перспективности использования технологии ЭНИ, как своеобразного альтернативного источника холода.
Однако системы охлаждения с ЭНИ ограничены ночным временем суток и это сужает область их применения.
Для круглосуточной работы во все периоды года необходимо найти приемлемые технические решения, в частности, с использованием искусственного холода.
Для этого можно рассмотреть и теплоисполь-зующие холодильные машины, работающие на возобновляемых источниках тепловой энергии и паро-компрессионные с пониженным энергопотреблением.
В этой связи следует провести методические разработки и анализ найденных решений.
3. Цель и задачи исследования
Цель исследования - разработать схемы и конструкции систем охлаждения на базе ПКХМ и АВХМ с использованием технологии ЭНИ.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить такие задачи:
1. Провести аналитические исследования и анализ циклов АВХМ в широком диапазоне рабочих термодинамических параметров (температур). Определить энергетически эффективные режимы работы АВХМ и соответствующие им термодинамические параметры, в первую очередь уровни температур греющей и окружающей среды, объекта охлаждения.
2. Провести анализ циклов ПКХМ в широком диапазоне рабочих термодинамических параметров (температур) с использованием широко применяемых в настоящее время в холодильной технике рабочих телах: R134a; R717 (аммиак); R22; R600 (изобутан); R744 (углекислота). Выбрать рабочие тела, обеспечивающих максимальную энергетическую эффективность в широком диапазоне температур окружающей среды.
3. Разработать перспективные схемы автономных систем охлаждения на базе ПКХМ и АВХМ с использованием технологии ЭНИ.
4. Моделирование циклов абсорбционных водоаммиачных холодильных машин
Циклы АВХМ реализуются в насосной и безнасосной схеме [19]. Рабочее тело насосных АВХМ - водоаммиачный раствор (ВАР), безнасосных - ВАР с добавкой инертного газа (водорода).
Насосные схемы имеют более высокую энегретическую эффективность, но имеют в своем
составе циркуляционныи насос и не автономны. Безнасосные схемы автономные, но, по сравнению с насосными схемами, менее энергетически эффективны и требуют температур греющего источника на уровне 160.. .170 °С.
ОдноИ из особенностей АВХМ является взаимозависимость температур в характерных процессах цикла - температуры греющей среды th, температуры охлаждающей среды tw, температуры объекта охлаждения tob. Из трех температур произвольно могут быть заданы только две [20].
Любая холодильная установки должна обеспечивать заданный уровень охлаждения (tob), а сама установка работать в соответствующих климатических условиях, то есть при заданной температуре охлаждающей среды tw. Поэтому, реальным праметром, который может изменятся является только температура греющего источника th .
Для анализа была выбрана наиболее простая схема насосной АВХМ с двумя регенеративными теплообменниками - растворов (РТР) и аммиака (РТА) [4].
На первом этапе исследований по приведенному выше алгоритму был выполнен поиск диапазонов температур греющего источника (th), который бы удовлетворял условиям работы АВХМ (tw) и требования к объекту охлаждения (tob).
Актуальность исследования связана с тем, что не все режимы работы АВХМ могут быть организованы при недостаточно высокой температуре греющего источника. Так, например, уровень температур охлаждения в испарителе требует соответствующего уровня давления Po и в испарителе, и в абсорбере. Равновесная температура крепкого ВАР в абсорбере t"wA должна быть выше температуры охлаждающей среды, чтобы обеспечить отвод теплоты абсорбции. Массовая доля аммиака в крепком ВАР определяется значениями давления Po и температуры t"w.A, а для организации процесса абсорбции необходима некоторая зона дегазации - разность массовых долей аммиака в крепком и слабом ВАР. В свою очередь массовая доля аммиака в слабом ВАР определяется значениями давления конденсации-генерации Po и температурой греющего источника th.
Алгоритм поиска рабочих режимов АВХМ состоял в следующем.
На первом этапе задавались температуры объекта охлаждения t = минус 30 °С; минус 15 °С; минус 5 °С.
Для каждого значения tob проводился расчет с фиксированным значением tw с диапазоном 25.43 °С с шагом в 1 °С.
Для заданных значений tob и tw проводился расчет кратности циркуляции с переменной th с шагом в 1 °С.
В случае, если численные значения кратности циркуляции ВАР положительны, то делается вывод, о том, что режим работы АВХМ может быть реализован, а в противном случае - режим работы не существует.
Результаты расчетов по приведенному алгоритму представлены на рис. 1.
180
th °С
160
140
120
100
80
25 27 29 31 33 35 37 39 41 43
Рис. 1. Результаты расчета минимальной температуры греющего источника 4 в зависимости от температур объекта охлаждения tob и охлаждающей среды ^
Полученные зависимости представляют минимально необходимые численные значения температур греющей среды для условий работы реальных АВХМ.
Анализ этих результатов показывает, что АВХМ в системе с солнечным коллектором на воде в качестве теплоносителя может найти применение только в системах кондиционирования воздуха при температуре охлаждающей среды не выше 36.37 °С.
Для работы в системах охлаждения с температурами до минус 30 °С необходимая температура греющей среды 140.150 °С.
Как показал анализ при низких температурах охлаждающей среды и греющего источника зона дегазации может иметь отрицательные значения, т. е. цикл АВХМ не может быть реализован.
5. Анализ результатов моделирования рабочих режимов АВХМ
Анализ полученных результатов расчета позволяет сделать следующие выводы.
Во-первых, в диапазоне расчетных параметров имеет место максимум энергетической эффективности АВХМ. Наиболее явно наличие максимума для условий работы при температурах охлаждающей среды 20-32 °С и низких температурах объекта охлаждения (минус 25 °С).
При снижении температур объекта охлаждения максимум энергетической эффективности смещается в область высоких температур греющей среды, а его численные значения уменьшаются.
Так, например, при температуре охлаждающей среды 26 °С и температуре объекта охлаждения минус 5 °С максимум коэффициента преобразования цикла АВХМ имеет место при температуре объекта охлаждения 110 °С, при минус 15 °С - при 120 °С, при минус 25 °С - при 140 °С, соответственно значения коэффициента преобразования составляют: 0,53; 0,44; 0,34.
Анализ результатов расчета показал, что такой ход расчетных зависимостей объясняется следующим.
В области низких температур греющей среды (до максимальных значений коэффициента преобразования) - высокой кратностью циркуляции ВАР между генератором и абсорбером (от 6 до 112), которая обусловлена узкой областью дегазации (0, 006...0,033).
В области высоких температур греющей среды (после максимальных значений коэффициента преобразования) - увеличением доли воды в паровом потоке водоаммиачной смеси, выходящем из генератора. Так, например, при температуре охлаждающей среды 26 °С и температуре объекта охлаждения минус 5 °С рост доли пара воды в смеси составляет от 0,036 до 0,408, т.е. более, чем в 10 раз.
В первом случае имеют место дополнительные теплопритоки в генератор с потоком крепкого ВАР.
Во втором случае, несмотря на снижение кратности циркуляции ВАР, тепловая нагрузка в генераторе увеличивается из-за дополнительных энергетических затрат на выпаривание абсорбента - воды. Рост тепловой нагрузки дефлегматора при этом также увеличивается более, чем в 10 раз (при температуре охлаждающей среды 26 °С и температуре объекта охлаждения минус 5 °С - от 0,024 кДж/кг до 2,200 кДж/кг).
Уменьшение коэффициента преобразования цикла АВХМ при снижении уровня температур объекта охлаждения объясняется тем, что для таких режимов требуется ВАР с повышенной долей абсорбента. Так, например, при температуре охлаждающей среды 26 °С снижение температуры объекта охлаждения от минус 5 °С до минус 25 °С требует снижение доли аммиака в слабом ВАР от 0,439 до 0,129. При этом, несмотря на снижение тепловой нагрузки генератора из-за уменьшения кратности циркуляции жидкости, опережающее неблагоприятное воздействие на энергетическую эффективность цикла АВХМ оказывает процесс дополнительного выпаривания пара воды из ВАР.
В расчетном диапазоне во всех случаях увеличение температуры греющего источника приводит к резкому уменьшению мощности циркуляционного насоса, перекачивающего крепкий раствор из абсорбера в генератор.
Как показали расчеты, при температурах греющего источника от 90 °С до 130 °С (в зависимости от температуры охлаждающей среды) мощность циркуляционного насоса имеет максимальное значение. В дальнейшем с ростом температуры греющего источника наблюдается ее асимптотическое снижение и медленное уменьшение. Наибольшие изменения при этом происходит при повышенных температурах охлаждающей среды (32 °С).
Такой ход зависимостей объясняется увеличением зоны дегазации в абсорбере при снижение массовой доли аммиака в слабом ВАР.
Таким образом, результаты моделирования позволяют определить наиболее энергетически выгодные режимы работы АВХМ с различными источниками тепловой энергии (температуры от 47 до 140 °С) и проводить разработку систем охлаждения для широкого диапазона температур охлаждения (минус 30.15 °С).
6. Разработка автономной системы охлаждения с использованием эффекта ночного радиационного охлаждения
6. 1. Система на базе ПКХМ
Рассмотрим для примера, технологию ЭНИ в системе охлаждения молока на фермах (рис. 2, 3).
Предлагаются две схемы с радиационным охлаждением и резервной ПКХМ.
Схема 1 (рис. 2). В ночное время, когда отсутствует солнечная радиация, жидкий хладоноситель 4 с низкой температурой замерзания подается с помощью насоса 3 к теплорассеивающей панели 9. Панель 9 устанавливается под открытым небом и сбрасывает тепло в космическое пространство за счет радиационного инфракрасного излучения, а в атмосферный воздух за счет конвективного теплообмена. При отсутствии тепловой нагрузки температура хладоноси-теля и атмосферного воздуха выравнивается. При дальнейшей циркуляции наблюдается эффект ЭНИ и хладоноситель охлаждается ниже температуры атмосферного воздуха до 5-10 °С [21].
Хладоноситель 4 далее поступает в бак-аккумулятор 5 и охлаждает бак 7 с молоком 6. Если хладоноситель 4 не может охладить молоко до требуемой температуры, то подключают ПКХМ 1. Испаритель 2 ПКХМ 1 охлаждает хладоноситель 4 и молоко 6 до нужной температуры. Мешалка 8 интенсифицирует процесс охлаждения молока 6. После охлаждения молока 6 до требуемой температуры, открывается запорный вентиль 11 и производится слив продукта в бак 10.
Схема 2 (рис. 3). Испаритель 10 ПКХМ 9 располагается в нижней части и внутри рубашки бака-охладителя 4. В верхней части рубашки бака-охладителя 4 устанавливается ороситель 5 с отверстиями для равномерной подачи насосом 6 холодной воды из аккумулятора холода 2.
Теплорассеивающая панель 1 расположена под открытым небом под углом 10-30 °С в направлении севера. При ЭНИ хладоноситель в радиаторе 1 охлаждается ниже атмосферного воздуха на 5-10 °С [21] и поступает в теплообменник 7, где охлаждает воду до нужной температуры.
Система охлаждения работает эффективно в холодные сезоны года и без ПКХМ, когда температура атмосферного воздуха не превышает 10-12 °С, особенно в ночное время.
В теплое время года система охлаждения эффективна только ночью. Запас холода за счет ЭНИ обеспечивает предварительное охлаждение молока, а затем уже подключается ПКХМ. В этом случае отключают насос 6 и циркуляцию осуществляют насосом 13.
Рис. 2. Система охлаждения молока с использованием ЭНИ и ПКХМ: 1 - ПКХМ, 2 - испаритель ПКХМ, 3 - насос хладоносителя, 4 - хладоноситель, 5 - бак-аккумулятор холода, 6 - молоко, 7 - емкость для молока, 8 - мешалка, 9 - теплорассеивающая панель, 10 - бак для охлажденного молока, 11 - запорный вентиль
Рис. 3. Система охлаждения молока с использованием ЭНИ и ПКХМ: 1 - теплорассеивающая панель, 2 - бак-аккумулятор холода, 3 - крышка бака-охладителя молока, 4 - бак-охладитель молока, 5 - трубопровод с отверстиями, 6 и 13 - насос для воды, 7 - теплообменник, 8 - насос для хладоносителя, 9 - ПКХМ, 10 - испаритель ПКХМ, 11 - мешалка, 12 - мотор-редуктор мешалки
При включении в схемы систем охлаждения ПКХМ необходимо оценить их энергетическую эффективность при работе в широком диапазоне температур атмосферного воздуха.
Следует оценить возможность применения разрешенных в настоящее время холодильных агентов для условий работы ПКХМ в составе систем охлаждения молока с эффектом ЭНИ.
Для проведения оценки был проведен расчет термодинамических параметров цикла ПКХМ без регенеративного теплообменника и переохладителя жидкости перед дросселированием.
При расчете использованы рабочие тела ПКХМ: R134a; R717 (аммиак); R22; R600 (изобутан); R744 (ТО2).
Температура кипения рабочих тел ПКХМ принималась равной to = 0 °С, а температура конденсации варьировалась следующим образом: tk = 10; 20; 30; 40 °С.
При расчете использовался классический алгоритм [22] с определением в характерных точках цикла температур, давлений кипения (Po) и конденсации (Pk) и расчете удельной холодопроизводитель-ности (qo), удельной работы сжатия в компрессоре (w), коэффициента преобразования (COP).
Результаты расчетов приведены в табл. 1. Анализ результатов расчета, приведенных в табл. 1 показывает, что:
а) снижение уровня температур атмосферного воздуха от 40 °С до 10 °С благоприятно сказывается
на энергетической эффективности циклов ПКХМ, так, в среднем имеет место рост коэффициента преобразования в 4-6 раз, а для аммиака - в 17,3 раза;
б) максимальная энергетическая эффективность цикла ПКХМ среди рассмотренных рабочих тел отмечена у аммиака.
Проблемы, связанные с токсичным воздействием аммиака на персонал, успешно решаются за счет снижения количества заправки рабочего тела. Так, например, в продукции фирмы «Palm, KTH -Sherpa project» на 9 кВт производимого холода приходится 99 грамм аммиака [23].
Таблица 1
Наименование рабочего тела ПКХМ tk. °С Po, бар Pk, бар q0, кДж/кг w, кДж/кг COP
R134a 10 3,0 4 185 15 18,5
20 3,0 5,6 170 22 7,7
30 3,0 7,5 155 25 6,2
40 3,0 9,8 140 32 4,3
R717 10 4,3 6 1260 10 127
20 4,3 8,5 1200 40 30
30 4,3 12,5 1160 100 11,6
40 4,3 16,5 1100 150 7,3
R22 10 5,0 7 193 7 27,5
20 5,0 9 181 17 10,6
30 5,0 12 165 27 6,1
40 5,0 16 153 36 4,25
R600 10 1,6 2,3 325 12 27
20 1,6 3 300 15 20
30 1,6 4 275 35 7,8
40 1,6 5,3 255 50 5,1
R744 10 35,0 45 210 8 26,2
20 35,0 58 177 18 9,8
30 35,0 72 133 28 4,75
6.2. Система на базе АВХМ
Система охлаждения (рис. 4-6) содержит теплоизолированную емкость 1 с крышкой 2. В нижней части емкости 1 установлен канал с
запорным вентилем 3 для периодического отвода охлажденного продукта.
Сбор и хранение охлажденного молока осуществляется в емкости 4.
Рис. 4. Схема системы охлаждения молока с теплорассеивающей панелью: 1 - емкость с молоком, 2 - крышка, 3 - запорный вентиль, 4 - емкость для молока, 5 - бак-аккумулятор ледяной воды, 6 - ледяная вода, 7 - теплообменник с водой, 8 - теплообменник с рассолом, 9 - циркуляционный насос ледяной воды, 10 - насос для рассола, 11 - теплорассеивающая панель, 12 - система каналов, 13 - теплоизоляционное покрытие, 44, 45, 46 и 47 - вентили
Рис. 5. Система генерации искусственного холода: 14 - холодильная система, 15 - АВХМ, 16 - солнечный коллектор, 17 - генератор топочных газов, 18 - солнечные батареи, 19, 20 и 21 - запорные вентили, 22, 24 и 27 - потребители тепла, 23 - система преобразования постоянного тока, 25 и 26 - запорно-регулирующие вентили, 48 - циркуляционный насос
Рис. 6. Схема АВХМ с бустер-компрессором в составе системы охлаждения молока: 28 - генератор, 29 - ВАР, 30 - бустер-компрессор, 31 - конденсатор с воздушным охлаждением, 32 - дроссельное устройство жидкого аммиака, 33 - рассольный испаритель, 34 - абсорбер с воздушным охлаждением, 35 - циркуляционный насос крепкого ВАР, 36 - регенеративный теплообменник растворов, 37 - воздушный охладитель слабого ВАР, 38 - дроссельное устройство слабого ВАР, 39 и 40 - запорные вентили, 41,42 и 43 - воздушные вентиляторы теплорассеивающих элементов АВХМ
Внутри емкости 1 по теплообменнику 7 циркулирует ледяная вода. Вход холодного потока расположен в верхней части (1а), а выход - в нижней части (1б) емкости 1. Система охлаждения содержит также бак-аккумулятор ледяной воды 5 с теплоизоляционным покрытием. Бак 5 заполняется ледяной
водой 6 с температурой, близкой к 0°С. Во внутреннем объеме бака-аккумулятора 5 установлены теплообменники 7 и 8.
По теплообменнику 7 при помощи насоса 9 циркулирует ледяная вода (потоки 1а и 1б), а по теплообменнику 8 при помощи насоса 10 циркулирует
рассол - незамерзающая жидкость при температуре, близкой к 0 °С.
Вход охлажденного потока рассола в бак-аккумулятор 5 (потоки IIa и IIIa) осуществляется в верхней части, а выход отепленного потока рассола (потоки II6 и III6) из нижней части.
Система охлаждения содержит теплорассеи-вающую металлическую панель 11. Панель 11 расположена либо горизонтально, либо с некоторым углом к горизонту. Верхняя часть панели покрыты краской светлых цветов. Панель 11 связана в тепловом отношении с системой каналов 12, по которым циркулирует потоки рассола Ia и II6. Система каналов 12 и нижняя часть панели 11 закрывается теплоизоляционным покрытием 13.
В состав системы входит холодильная система на базе АВХМ 14 (рис. 7), предназначенная для охлаждения потоков рассола IIIa и IIIb. Управление потоками рассола IIa, II6, IIIa и III6 осуществляется при помощи запорных вентилей, соответственно, 44, 45, 46 и 47.
Холодильная система 14 содержит АВХМ 15 с системой подвода тепла от солнечного коллектора 16 и генератора топочных газов 17, а также систему автономного электрообеспечения на базе солнечных батарей 18 (рис. 8).
Система солнечного коллектора 16 содержит циркуляционный насос 48 и систему запорных вентилей 19, 20, 21 обеспечивающих подачу горячего теплоносителя как на АВХМ 15, так и на других потребителей тепла 22.
Система автономного электрообеспечения содержит систему преобразования постоянного тока 23 с возможностью подачи произведенной электрической энергии для других потребителей 24.
Генератор топочных газов 17 содержит систему запорно-регулирующих вентилей 25 и 26, обеспечивающих подачу потока продуктов сгорания к АВХМ 15 и к другим потребителям 27.
АВХМ 15 содержит генератор 28 с ВАР 29, бустер-компрессор 30, конденсатор с воздушным охлаждением 31, дроссельное устройство жидкого аммиака 32, рассольный испаритель 33, абсорбер с воздушным охлаждением 34, циркуляционный насос 35 крепкого ВАР (поток IVa), регенеративный теплообменник 36 крепкого и слабого ВАР, воздушный охладитель потока 37 слабого ВАР (поток IV6), дроссельное устройство слабого ВАР 38.
Для отсечения потока пара от бустер-компрессора 30 предусмотрены запорные вентили 39 и 40. Воздушное охлаждение конденсатора 31, абсорбера 34 и охладителя 37 осуществляется вентиляторами, соответственно, 41, 42 и 43.
Работа системы охлаждения молока на базе АВХМ осуществляется следующим образом.
Предварительно до начала охлаждения молока проводят «зарядку» (охлаждение) воды в баке-аккумуляторе 5. Для этого используют либо систему радиационного охлаждения - панель 11, либо холодильную систему 14. Соответственно закрывают вентили 44 и 47 и открывают вентили 45 и 46, или наоборот.
При достижении температуры ледяной воды до 1.2 °С включают насос 9 и прокачивают потоки 1а и 1б через охлаждающую полость емкости 1, а затем заполняют емкость 1 отепленным молоком. За счет теплообмена молоко охлаждается до температуры 4 °С и охлажденный продукт при помощи запорного вентиля 3 сливают в емкость 4 для дальнейшего использования.
Далее цикл работы системы охлаждения повторяется.
Рассмотрим некоторые режимы работы установки для охлаждения молока.
«Ночной» режим охлаждения молока.
Для охлаждения рассола используется тепло-рассеивающая панель 11, обеспечивающая охлаждение рассола на 5.10 °С ниже атмосферного воздуха.
Такой режим охлаждения может быть эффективно использован в зимнее время и переходные периоды года (весна-осень) без холодильной системы.
Рассол при помощи насоса 10 прокачивается по теплообменнику 8 при открытых вентилях 46 и 45 и закрытых вентилях 44 и 47. За счет радиационного охлаждения пластины 11 производится охлаждение рассола в каналах 12.
В «ночном» режиме используется как естественный холод атмосферы Земли, так и радиационное излучение в космическое пространство, а электрическая энергия используется только для работы циркуляционного насоса 10.
«Дневной» режим охлаждения молока.
Используется холодильная система 14 при открытых вентилях 44 и 47 и закрытых вентилях 46 и 45. Рассол насосом 10 прокачивается через испаритель 33 АВХМ 15.
В «дневном» режиме охлаждения можно выделить два режима работы холодильной системы 14.
В первом случае используется только возобновляемый источник тепловой энергии - солнечное тепловое излучение.
В качестве приемника солнечного излучения используются наиболее широко распространённые и имеющие оптимальное соотношение цены и качества солнечные коллектора 16 с водой в качестве теплоносителя. Характерная их особенность - рабочий уровень температур не выше 100 °С.
При отсутствии потребности в искусственном холоде тепловой поток от солнечных коллекторов может быть переключен на других потребителей тепловой энергии 22 при открытом вентиле 20 и закрытых вентилях 19 и 21.
Рабочий уровень температур в генераторе традиционных АВХМ составляет 120.140 °С, что превышает располагаемый температурный потенциал теплоносителя-воды в солнечном коллекторе 16. В этой связи используется схема АВХМ с поджимающим бустер-компрессором 30 перед конденсатором 31 [22]. В схеме АВХМ 15 предусмотрена возможность отсечения бустер-компрессора 30 от парового потока запорным вентилем 39 при изменении температурных параметров подачи тепловой нагрузки в генератор 28.
Работа АВХМ 15 с солнечным коллектором 16 осуществляется следующим образом.
При подаче горячей воды от солнечных коллекторов в генератор 28 осуществляется кипение крепкого ВАР с выходом преимущественно легкоки-пящего компонента - аммиака. При подаче пара аммиака на бустер-компрессор 30 вентиль 39 открыт, а вентиль 40 закрыт.
Пар аммиака сжимается бустер-компрессором
30 и подается в конденсатор 31, где сжижается с отводом теплоты парообразования в окружающую среду. Отвод тепла фазового перехода из конденсатора
31 осуществляется при помощи вентилятора 41.
Сжиженный аммиак из конденсатора 31 через дроссельное устройство 32 поступает в испаритель 33, где давление его падает. Происходит низкотемпературное кипение жидкого аммиака с отводом тепла от циркулирующего потока рассола. Образующийся в испарителе 33 пар поступает в абсорбер 34, куда, в свою очередь, проходит слабый ВАР из генератора 28.
До поступления в абсорбер 34 слабый ВАР охлаждается в регенеративном противоточном теплообменнике растворов 36 и охладителе 37 и в результате становится ненасыщенным по аммиаку. В абсорбере 34 при контакте слабого ВАР с паром аммиака происходит процесс абсорбции - поглощение слабым ВАР пара аммиака. В результате слабый ВАР насыщается и становится «крепким» (насыщенным по аммиаку). В процессе абсорбции выделяется тепло, который отводится вентилятором 42 в окружающую среду. Крепкий ВАР из абсорбера насосом 35 через регенеративный теплообменник 36 подается обратно в генератор 28 и цикл далее повторяется.
Работа бустер-компрессора 30 и насоса 35 осуществляется за счет работы солнечной батареи 18 и системы преобразования и аккумулирования электрической энергии 23. Система 23 так же позволяет перераспределять, при необходимости, электрическую энергию для других потребителей 24.
При втором режиме работы холодильной системы 14 подача тепловой нагрузки в генератор 28 АВХМ 15 осуществляется отходящими продуктами сгорания с температурой 350.450 °С от генератора газов 17.
В этом случае может использоваться широкий ассортимент органических топлив: природный газ, пропан-бутан, бензин, керосин, уголь, дрова, торф и др.
Температурного потенциала потока продуктов сгорания достаточно, чтобы АВХМ 15 работала без участия поджимающего бустер-компрессора 30. В этом случае вентиль 39 закрыт, а вентиль 40 открыт.
Работа АВХМ 15 далее осуществляется приведенным выше способом.
Второй способ работы холодильной системы 14 реализуется в пасмурную погоду и в темное или сумрачное время суток.
Таким образом, разработанные схемы систем охлаждения позволяют с минимальными затратами сетевой электрической энергии и воды осуществлять первичное охлаждение молока. Наиболее перспективной областью применения таких систем станут крестьянские и фермерские хозяйства.
8. Выводы
1. Проведен анализ циклов АВХМ в широком диапазоне рабочих термодинамических параметров (температуры греющей среды: от 47 до 140 °С, температура окружающей среды: 17.47 °С, температура объекта охлаждения: минус 30.15 °С). Выполнен поиск минимально необходимой температуры греющей среды, которая обеспечивает максимально возможную энергетическую эффективность цикла реальной АВХМ (с учетом недорекуперции в теплообменниках) в зависимости от температур объекта охлаждения и охлаждающей среды.
Показано, что при реализации таких циклов АВХМ имеются режимы с максимальной энергетической эффективностью в практических диапазонах температур охлаждающей среды (от 10 до 32 С) и объектов охлаждения (от минус 25 до минус 5 С). Для достижения таких оптимальных режимов необходимо соответствующая комбинация состава крепкого ВАР и температуры греющего источника.
2. Проведен анализ особенностей работы ПКХМ в широком диапазоне температур окружающей среды, в том числе и в условиях низких температур атмосферного воздуха (до 10 °С). Показаны значительные энергетические преимущества при работе конденсатора ПКХМ в условиях низких температурах атмосферного воздуха. В качестве рабочего тела ПКХМ рекомендован аммиак ^717), обеспечивающий максимальную энергетическую эффективность среди рассмотренных аналогов: R134a, R22, R600 (изобутан), R744 (С02).
3. Разработаны перспективные схемы автономных систем охлаждения на базе ПКХМ и АВХМ с использованием альтернативных возобновляемых источников энергии, в том числе и с использованием технологии ЭНИ. При работе в системах охлаждения АВХМ с солнечными коллекторами с водой, в качестве теплоносителя, предложена схема с бустер-компрессором перед конденсатором.
Литература
1. Босин, И. Н. (1993). Охлаждение молока на комплексах и фермах. Москва: Колос, 46.
2. Перельштейн, Б. Х. (2008). Новые энергетические системы. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 244.
3. Морозюк, Л. И. (2014). Теплоиспользующие холодильные машины - пути развития и совершенствования. Холодильна технка та технологи, 5 (151), 23-29. doi: http://doi.org/10.15673/0453-8307.5/2014.28695
4. Морозюк, Л. И. (2013). Развитие теории и методов исследования процессов преобразования и получения тепла и холода в установках с многокомпонентными и многофазными рабочими веществами. Одесса, 352.
5. Kimball, B. A. (1985). Cooling performance and efficiency of night sky radiators. Solar Energy, 34 (1), 19-33. doi: http://doi.org/10.1016/0038-092x(85)90089-1
6. Цой, А. П., Грановский, А. С., Цой, Д. А., Бараненко, А. В. (2015). Влияние климата на работу холодильной системы, использующей эффективное излучение в космическое пространство. Холодильная техника, 1, 43-47.
7. Yong, C., Yiping, W., Li, Z. (2015). Performance analysis on a building-integrated solar heating and cooling panel. Renewable Energy, 74, 627-632. doi: http://doi.org/10.1016/j.renene.2014.08.076
8. Zhou, Z., Sun, X., Bermel, P. (2016). Radiative cooling for thermophotovoltaic systems. Infrared Remote Sensing and Instrumentation XXIV. San Diego. doi: http://doi.org/10.1117/12.2236174
9. Bourdakis, E., Kazanci, O. B., Olesen, B.W., Grossule, F. (2016). Simulation Study of Discharging PCM Ceiling Panels through Night - time Radiative Cooling. ASHRAE Annual Conference. St. Louis. Available at: https://www.researchgate.net/ publication/295778060_Simulation_Study_of_Discharging_PCM_Ceiling_Panels_through_Night-time_Radiative_Cooling
10. Imroz Sohel, M., Ma, Zh., Cooper P., Adams J., Niccol L., Gschwander S. (2014). A Feasibility Study of Night Radiative Cooling of BIPVT in Climatic Conditions of Major Australian Cities. Asia - Pacific solar research conference.
11. Prommajak, T., Phonruksa, J., Pramuang, S. (2008). Passive cooling of air at night by the nocturnal radiation in Loei, Thailand. International Journal of Renewable Energy Research, 3 (1), 33-40.
12. Цой, А. П., Бараненко, А. В., Эглит, А. Я. (2012). Использование эффективного излучения в холодильной системе открытого катка. Вестник Международной Академии Холода, 4, 8-11.
13. Bosholm, F., Lopez-Navarro, A., Gamarra, M., Corberan, J. M., Paya, J. (2016). Reproducibility of solidification and melting processes in a latent heat thermal storage tank. International Journal of Refrigeration, 62, 85-96. doi: http://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2015.10.016
14. Sutyaginsky, M. A., Maksimenko, V. A., Potapov, Y. A., Suvorov, A. P., Dubok, V. N. (2016). The Use of Low-temperature Potential of the Environment in Energy-efficient Refrigeration Supply Technologies of the Enterprises of GC "Titan." Procedia Engineering, 152, 361-365. doi: http://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.07.715
15. Berdahl, P., Martin, M., Sakkal, F. (1983). Thermal performance of radiative cooling panels. International Journal of Heat and Mass Transfer, 26 (6), 871-880. doi: http://doi.org/10.1016/s0017-9310(83)80111-2
16. Цой, А. П., Грановский, А. С., Цой, Д. А., Бараненко, А. В. (2014). Влияние климата на работу холодильной системы, использующей эффективное излучение в космическое пространство. Холодильная техника, 12, 36-41.
17. Ищенко, И. Н., Титлов, А. С., Краснопольский, А. Н. (2011). Перспективы применения абсорбционных водоаммиачных холодильных машин в системах получения воды из атмосферного воздуха. Збiрник наукових праць Вшницького нащонального аграрного ушверситету. Серш: Техтчт науки, 7, 92-97.
18. Chen, G., Doroshenko, A., Koltun, P., Shestopalov, K. (2015). Comparative field experimental investigations of different flat plate solar collectors. Solar Energy, 115, 577-588. doi: http://doi.org/10.1016/j.solener.2015.03.021
19. Осадчук, Е. А., Титлов, А. С., Мазуренко, С. Ю. (2014). Определение энергетически эффективных режимов работы абсорбционной водоаммиачной холодильной машины в системах получения воды из атмосферного воздуха. Холодильна технка та технологи, 4, 54-57. doi: http://doi.org/10.15673/0453-8307.4/2014.28054
20. Ищенко, И. Н. (2010). Моделирование циклов насосных и безнасосных абсорбционных холодильных агрегатов. Науюж пращ ОНАХТ, 2 (38), 393-405.
21. Цой, А. П., Грановский, А. С., Мачуев, Ю. И., Филатов, А. С. (2015). Обзор проведенных экспериментальных исследований эффективного излучения холодильной системы в космическое пространство. Вестник МАХ, 3, 28-33.
22. Мартыновский, В. С., Мельцер, Л. З., Минкус, Б. А. (1982). Холодильные машины. Москва: Легкая и пищевая пром-ть, 223.
23. Hrnjak, P. (2017). Efficient very low charged ammonia systems. Ammonia and CO2 Refrigeration Technologies. Ohrid.
Received date 19.11.2019 Accepted date 11.12.2019 Published date 30.12.2019
Титлов Александр Сергеевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедры, кафедра теплоэнергетики и трубопроводного транспорта энергоносителей, Одесская национальная академия пищевых технологий, ул. Канатная, 112, г. Одесса, Украина, 65039 E-mail: titlov1959@gmail.com
Цой Александр Петрович, кандидат технических наук, доцент, кафедра механизации и автоматизации производственных процессов, Алматинский технологический университет, ул. Толе би, 100, г. Алматы, Республика Казахстан, 750012 E-mail: teniz@bk.ru
Алимкешова Асель Халмаханбетовна, аспирант, кафедра механизации и автоматизации производственных процессов, Алматинский технологический университет, ул. Толе би, 100, г. Алматы, Республика Казахстан, 750012 E-mail: rita.adilovna@gmail.com
Джамашева Рита Адиловна, аспирант, кафедра механизации и автоматизации производственных процессов, Алматинский технологический университет, ул. Толе би, 100, г. Алматы, Республика Казахстан, 750012 E-mail: rita.adilovna@gmail.com
