Результаты предварительной экспериментальной проверки использования низкотемпературных теплоносителей при работе тепловых насосов

Васильев Алексей Николаевич; Тутунина Евгения Викторовна

Information about the authors Orobinskiy Vladimir Ivanovich - Doctor of Agricultural Sciences, the head of the Agricultural machines, tractors and cars department, FsBEI HE «Voronezh State Agrarian University named after Emperor Peter the Great» (Russian Federation). Phone: 8 (473) 253-78-68.

Kornev Andrey Sergeevich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Life safety, animal mechanization and processing of agricultural products department, FSBEI HE «Voronezh State Agrarian University named after Emperor Peter the Great» (Russian Federation). Phone: +7-950-754-08-25. E-mail: [email protected].

УДК 620.92: 637.023

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПРОВЕРКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ ПРИ РАБОТЕ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Одним из вариантов снижения энергоёмкости продукции сельского хозяйства является использование схем теп-лонасосных установок. Проблемой использования тепловых насосов в зимний период времени является обмерзание теплообменников. Аналогичные ограничения возникают и при использовании в качестве источника энергии теплоносителей с низкой температурой. Для решения этой проблемы предложено использовать промежуточный теплообменник с гибкой мембраной. Это позволяет очищать поверхность мембраны от намерзающего льда. Такая конструкция теплообменника также позволяет использовать энергию фазового перехода «вода - лёд». В этом случае намерзание льда на мембране является основным процессом получения энергии тепловым насосом. Такой вариант получения энергии тепловым насосом позволяет использовать его эффективно в тех технологических процессах, где одновременно требуется нагрев и охлаждение. К таким процессам относится пастеризация продукции, например молока. В этом случае тепловая энергия идет на нагрев воды для пастеризации. Холодная вода используется для охлаждения молока после пастеризации. В этом случае температура холодной воды может быть ниже 1 °C, что позволит увеличить производительность установки и снизить энергоёмкость процесса. Это возможно за счёт регулирования толщины намораживаемого в воде льда. Толщина льда влияет на скорость его растворения, а следовательно, на скорость получения холодной воды. В работе представлены результаты предварительного эксперимента проверки использования низкотемпературных теплоносителей для получения тепла и намораживания льда. В экспериментальную установку заливали воду различной температуры, соответствующую температурам технологического процесса. При её охлаждении регулировали скорость подачи и удаления хладагента под мембраной. Этим обеспечивалась скорость её колебаний. Контролировали толщину образовывавшегося льда и температуру воздуха на выходе теплообменника. В результате получена регрессионная зависимость для толщины льда. Показано, что при образовании льда выделяется энергия, которая позволяет подогреть воздух, проходящий через теплообменник, на 5-6 °C.

Ключевые слова: тепловой насос, гибкий теплообменник, мембрана, теплоноситель, хладагент, толщина льда, охлаждение, отопление, низкотемпературный источник, энергоёмкость.

One of the options for reducing the energy intensity of agricultural products is the use of heat pump installations. The problem of using heat pumps in winter is the freezing of heat exchangers. Similar restrictions also arise when using low-temperature refrigerants as an energy source. To solve this problem, it is proposed to use an intermediate heat exchanger with a flexible membrane. This allows you to clean the surface of the membrane from ice. This design of the heat exchanger also allows the use of the energy of the «water - ice» phase transition. In this case, the formation of ice on the membrane is the main process of obtaining energy by a heat pump. Such an option for obtaining energy by a heat pump allows it to be effectively used in those technological processes where heating and cooling are required simultaneously. This is used in milk pasteurizers. In this case, the heat energy is used to heat the water for pasteurization. Cold water is used to cool the milk after pasteurization. In this case, the temperature of the cold water can be below 1 °C, which will increase the capacity of the installation and reduce the energy intensity of the process. This is possible by adjusting the thickness of the ice. The thickness of ice affects the rate of its dissolution and, consequently, the rate of production of cold water. The article presents the results of a preliminary experiment on testing the use of low-temperature sources to produce heat and freeze ice. Water was poured into the experimental installation at temperatures corresponding to the temperatures of the technological process. During the experiment, the rate of supply and removal of the refrigerant under the membrane was monitored. This provided a change in the rate of vibration of the membrane. The thickness of the ice and the temperature of the air at the outlet from the heat exchanger were monitored. As a result, a regression dependence was obtained for the thickness of the ice. It is shown that with the formation of ice, energy is released which allows the air passing through the heat exchanger to be heated by 5-6 °C.

Keywords: heat pump, flexible heat exchanger, membrane, coolant, refrigerant, thickness of ice, cooling, heating, low-temperature source, energy intensity.

Введение. Применение тепловых насосов наиболее эффективно в технологических процессах, где одновременно требуется высокая температура теплоносителя и низкая температура хладагента. В этом случае использование низкотемпературных источников тепловой энергии позволяет повысить эффективность охлаждения продукции с получением дополнительной тепловой энергии. Использование тепловых насосов в технологических процессах производства сельскохозяйственной продукции снижает их энергоёмкость [1-4]. Ограничением в их использовании являются низкотемпературные источники энергии. Дело в том, что тепловые насосы типа «вода - вода» хорошо работают только при температуре холодного источника до 5 °С. При сильных морозах эффективность работы тепловых насосов всех типов резко падает, а теплообменные поверхности покрываются коркой льда. В России, опять же из-за продолжительных зимних моро-

зов, использование воды близлежащих водоемов проблематично, а грунт промерзает на глубину до полутора метров и больше. К тому же более половины территории России находится в зоне вечной мерзлоты, где устройство грунтовых теплообменников невозможно в принципе.

На рынке предлагают тепловые насосы типа «воздух - воздух» [5] с диапазоном рабочих температур -25...+48 °С. Указание в паспорте этих установок отрицательных температур позволяет создать впечатление, что они эффективно работают и при таких температурах. Однако в данных установках для предотвращения намораживания льда на теплообменниках используют их нагрев, что снижает эффективность их применения. Для решения данной проблемы предложено использовать дополнительный теплообменник с гибкой мембраной [6, 7] (рисунок 1).

I - режим подачи хладоносителя; II - режим отвода хладоносителя; 1 - разъемный корпус; 2 - мембрана; 3 - патрубок подвода и отвода хладоносителя;

4 - вода; 5 - лед

Рисунок 1 - Схематичное изображение мембранного теплообменника

Сверху мембраны находится вода, от которой отнимается тепловая энергия. Под мембрану подаётся хладагент, который отнимает тепловую энергию воды. Теплообмен осуществляется через гибкую мембрану. В результате охлаждения воды на поверхности мембраны образуется ледяная корка. Хладоноситель может нагнетаться в подмембранное пространство и выпускаться из-под мембраны. За счёт этого осуществляется колебание мембраны. Колебание мембраны способствует тому, что образовавшаяся корка льда разрушается и всплывает вверх. Этот процесс повторяется циклически, и со временем происходит замерзание всего объёма воды, находящейся в надмембранном пространстве. Поскольку образование льда проис-

ходит пластинами, то в результате образуется своеобразный «слоёный пирог» из пластин льда. Особенностью процесса является то, что толщина образующихся пластин льда не остаётся постоянной. Их толщина будет зависеть от частоты колебаний мембраны. Толщина ледяных пластин может существенно влиять на скорость их растворения при приготовлении холодной воды для пастеризационных установок.

Важным элементом процесса является возможность получения энергии преобразования «вода - лёд». Известно [8, 9], что в данном случае при замерзании воды выделяется столько же тепла, как при её нагревании до 80 °С. В этом случае эффективность использования теплонасосных установок может быть выше,

чем при стандартной схеме их применения, за счёт расширения температурного диапазона теплоносителя. Необходимо оценить, насколько реализуем этот процесс, какова возможность получения этой энергии. Для ответа на данные вопросы был спланирован и проведён факторный эксперимент.

Планирование эксперимента и методика исследования. Для проведения эксперимента была разработана и изготовлена экспериментальная установка, структурная схема которой приведена на рисунке 2. В качестве

комплектующих элементов системы использовали элементы системы воздушного охлаждения (сплит-системы). Поэтому эффективность преобразования полученной экспериментальной установки нельзя считать максимальной. При использовании стандартных тепловых насосов типа «вода - вода» энергетические показатели были бы лучше, но на этапе предварительных исследований важно было оценить реализуемость принципа, поэтому довольствовались данным вариантом установки.

1 - компрессор; 2 - теплообменник «фреон - воздух»; 3 - дросселирующее устройство; 4 - теплообменник «фреон - этиленгликоль»; 5 - циркуляционный насос; 6 - мембранный теплообменник «этиленгликоль - вода»; 7 - буферная емкость;

8 - блок управления давлением Рисунок 2 - Структурная схема экспериментальной установки

Компрессор 1 прокачивает фреон через теплообменник 2, где фреон охлаждается окружающим воздухом. В свою очередь в теплообменнике 4 фреон «отбирает» температуру от этиленгликоля, который с помощью рециркуляционного насоса 5 прокачивается по контуру: теплообменник 4; мембранный теплообменник 6 «этиленгликоль - вода»; блок управления давлением 8, теплообменник 4. Для создания запаса этиленгликоля в контуре служит буферная ёмкость 7. С помощью блока управления давлением 8 изменяют скорость перемещения эти-ленгликоля по контуру. Если скорость перемещения этиленгликоля изменять циклически, то мембрана в теплообменнике 6 будет поочерёдно выгибаться и опускаться.

Была поставлена цель: определить влияние периода заполнения подмембранного пространства этиленгликолем на толщину слоя намерзающего льда. Эксперимент проводился следующим образом. В бак с надмембранным

пространством заливали два литра воды температурой 10 °С. Запускали установку и с помощью блока управления давлением задавали требуемое время заполнения этиленгликолем подмембранного пространства. Время наполнения изменяли от 24 до 1200 с. Время, в течение которого этиленгликоль вытекал из подмем-бранного пространства, оставалось постоянным и составляло 90 с. Таким образом, полный цикл т впуск/выпуск находится как сумма двух полупериодов. После изгибания мембраны и отделения слоя льда измеряли его толщину Л с помощью штангенциркуля. Результаты измерения заносились в таблицу.

Для аппроксимации экспериментальных данных использовали пакет прикладных программ МАТЬАВ, графический интерфейс Си1^№пдТоо1Ьох [10]. Экспериментальные данные были аппроксимированы следующей зависимостью:

Ь = (4.495е04 ■ т2 - 1.175е07 ■ т + 1.011е09)/ /(т3 + 4829 • т2 - 5.178е05 • т + 5.923е08).

Графическая зависимость, полученная для данного уравнения, представлена на рисунке 3.

17,-,-т-т-т-,-

200 400 600 800 1000 1200

Время полного цикла Tau, с

Рисунок 3 - Зависимость толщины льда, намерзающего на мембране, от времени полного цикла

Качество аппроксимации оценивалось по следующим характеристикам: SSE: 0.05461; R-square: 0.9983.

Из графика видно, что в диапазоне времени полного цикла 200-600 с имеется широкая возможность регулирования толщины намораживаемого на мембране слоя льда. В дальнейшем необходимо уточнить, при какой толщине намораживаемого слоя льда будет максимальная скорость его растворения.

Второй целью проведения экспериментальных исследований было определение возможности использования энергии фазового перехода «вода - лёд» для технологических нужд. Для этого в бак над мембраной заливали постоянный объём воды два литра с различными температурами. Исходная температура воды принималась исходя из особенностей технологии.

Так, например, температура артезианской воды на выходе секции охлаждения пастеризационной установки может повышаться до 2530 °C. По технологическим требованиям молоко после пастеризации должно быть охлаждено до 4 °C, однако артезианская вода, используемая для охлаждения, редко имеет температуру ниже 8 °C. Поэтому для повышения эффективности охлаждения необходимо иметь температуру охлаждающей воды в диапазоне 1-3 °C. Исходя из этих предпосылок температуру воды в баке над мембраной изменяли в диапазоне от 4 до 28 °C с интервалом в 16 °C.

Требуемую температуру воды обеспечивали, растворяя в водопроводной воде заранее

приготовленный лёд. Температуру воды контролировали с помощью температурных датчиков, располагаемых непосредственно в ёмкости с водой. Период полного цикла колебания мембраны изменяли в диапазоне 200-600 с. В процессе охлаждения воды контролировали с помощью датчиков температуру воздуха на выходе из воздушного теплообменника. Производительность вентилятора воздушного теплообменника оставалась постоянной. Визуально контролировали появление первого слоя льда. Полученные результаты для исходной температуры воды 18,9 0C, периода полного цикла колебания мембраны 200 с, температуры атмосферного воздуха 17,2 0C представлены на рисунке 4.

Из графиков рисунка 4 видно, что температура воздуха на выходе теплообменника изменяется с 26,8 0C в начале процесса до 21,6 0C. Наибольшее падение температуры воздуха на выходе теплообменника наблюдается при снижении температуры теплоносителя с 18,9 0C до 9,1 "С В дальнейшем температура воздуха на выходе теплоносителя уменьшается не более чем на 1,4 "С

Через 15 минут после начала охлаждения воды образовался первый лёд. В дальнейшем образование льда происходило в течение всего времени. За 45 минут с момента появления первого льда до завершения процесса было получено 1,937 кг льда. Примечательно, что только к 55-й минуте процесса температура охлаждаемой воды стала равна 0 "С

о

5 25 о

s 20 ■о

N ..

о 15

>

н

S.10 >.

ь

я %5

с

s » 0

4S

—Температура воды над мембраной —Температура воздуха на теплообмен

нике

Точка образования первого льда

..................................*........................

10 20 30 40 50 60 Время охлаждения Таи, минут

Рисунок 4 - Изменение температуры воды над мембраной и температуры воздуха на выходе теплообменника

С точки зрения получения энергии наиболее интересен именно этот период. Температура воздуха, подаваемого на воздушный теплообменник, составляла 17,2 °С. При прохождении через теплообменник он нагревался до 21,6 °С (плюс 4,4 °С). Это позволяет говорить, что для подогрева воздуха использована энергия фазового перехода «вода - лёд». Одновременно с получением льда, который может быть использован в технологических процессах охлаждения сельскохозяйственной продукции, получена тепловая энергия для подогрева воздуха.

Выводы. Применение тепловых насосов в технологических процессах АПК, где используются низкотемпературные источники энергии, ограничивается из-за замораживания системы и снижения эффективности её работы.

Расширение возможностей использования тепловых насосов может быть получено за счёт применения промежуточных теплообменников с гибкой мембраной.

Использование мембранных теплообменников позволяет регулировать скорость намораживания льда, его толщину и влиять на структуру получаемого льда, что очень важно для регулирования скорости приготовления холодной воды в технологических процессах охлаждения продукции.

Использование мембранного теплообменника позволяет одновременно с производством льда получать энергию фазового перехода «вода - лёд» без обмораживания теплообменников, что позволяет использовать тепловые насосы в технологических процессах, в которых одновременно необходимо производить

нагрев и охлаждение продукции (например, в пастеризационных установках).

Литература

1. Grassi, W. Heat pumps: fundamentals and applications / W. Grassi. - New York: Springer, 2018. - 180 p.

2. Alves-Filho, O. Heat Pump Dryers: Theory, Design and Industrial Applications / O. Alves-Filho. - CRC Press, Taylor&FrancisGroup, 2016. - 335 p.

3. Zogg, M. History of heat pumps / M. Zogg // Process and Energy Engineering CH-3414. - Oberburg, Switzerland, 2008. - 114 p.

4. Закиров, Д.Г. Использование низкопотенциальной теплоты. Кн. II: монография / Д.Г. Закиров, А.А. Рыбин. - М.: РУСАЙНС, 2015. - 154 с.

5. Сайт официального дилера Mitsubishielectrichttp: //www.tsar-climat.ru/catalog/otoplenie/teplovye_ nasosy/vozdukh_vozdukh/teplovye_nasosy_cooper_hunter/

6. Пат. 2490567 РФ, МПК F25C 1/00. Способ генерирования льда / Коровкин С.В., Винокуров Н.П., Тутуни-на Е.В. - № 2012138395/13; заявл. 10.09.2012; опубл. 20.08.2013, Бюл. № 23.

7. Коровкин, С.В. Теплообменные аппараты с изменяемой геометрией поверхности теплообмена / С.В. Коровкин [Электронный ресурс] // Интернет-газета Холодильщик. RU.// 2005.URL:http://www.holodilshchik.ru//index_ holodilshchik_issue_2_2012_Teploobmennye_apparaty_s_iz menyaemoy_poverkhnostyu_teploobmena.htm// (дата обращения 10.07.2018).

8. Сайт «Зелёные решения - тематическое общество»: https://rodovid.me/energy/energiyu-lda-dlya-otopleniya -i-ohlazhdneniya-doma.html.

9. Васильев А.Н., Халин Е.В., Некрасов А.И и др. Разработать методы и модели построения систем электроснабжения сельских потребителей, выполнить научное обоснование параметров и режимов работы новых системообразующих технических средств теплоэнерго-обеспечения сельскохозяйственных объектов: отчёт о НИР. - М.:ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 2017. - 104 с.

References

1. Grassi W. Heat pumps: fundamentals and applications, New York, Springer, 2018, 180 p.

2. Alves-Filho O. Heat Pump Dryers: Theory, Design and Industrial Applications. CRC Press, Tay-lor&FrancisGroup, 2016, 335 p.

3. Zogg M. History of heat pumps. Process and Energy Engineering CH-3414, Oberburg, Switzerland, 2008, 114 p.

4. Zakirov D.G., Rybin A.A. Ispol'zovanie nizkopoten-cial'noj teploty: monografija [Use of low-grade heat: monograph], Kniga II, M., RUSAJNS, 2015, 154 p. (In Russian)

5. Sajt oficial'nogo dilera Mitsubishi electric http://www.tsar-climat.ru/catalog/otoplenie/teplovye_nasosy/ vozdukh_vozdukh/teplovye_nasosy_cooper_hunter/ (In Russian)

6. Korovkin S.V., Vinokurov N.P., Tutunina E.V. Spo-sob generirovanija l'da [A method of ice generating], pat. 2490567 RF, No 2012138395/13, zajavl. 10.09.2012, opubl. 20.08.2013, Bjul. No 23. (In Russian)

7. Korovkin S.V. Teploobmennye apparaty s izme-njaemoj geometriej poverhnosti teploobmena [Heat exchangers with variable geometry of the heat exchange surface], [Jelektronnyj resurs], Internet-gazeta Holodil'shhik.RU, 2005.

URL:http://www.holodilshchik.ru/i ndex_holodilshchik_issue_2 _2012_Teploobmennye_apparaty_s_izmenyaemoy_poverkhn ostyu_teploobmena.htm// (data obrashhenija 10.07.2018)/ (In Russian)

8. Sajt «Zeljonye reshenija - tematicheskoe obshhestvo» [«Green solutions-thematic society»] https://rodovid.me/energy/energiyu-lda-dlya-otopleniya-i-ohlazhdneniya-doma.html. (In Russian)

9. Vasil'ev A.N., Halin E.V., Nekrasov A.I. i dr. Razra-botat' metody i modeli postroenija system jelektrosnabzhenija sel'skih potrebitelej. Vypolnit' nauchnoe obosnovanie parame-trov I rezhimov raboty novykh sistemoobrazujushhikh tekhni-cheskikh sredstv teplojenergoobespechenija sel'skokho-zjajstvennykh o"bektov [To develop methods and models of construction of systems of power supply of rural consumers. To perform scientific substantiation of parameters and modes of operation of new system-forming technical means of heat and power supply of agricultural facilities]: otchjot o NIR, M., FGBNU FNAC VIM, 2017, 104 p. (In Russian)

Сведения об авторах

Васильев Алексей Николаевич - доктор технических наук, профессор, руководитель научного направления «Энергообеспечение АПК», ФГБНУ ФНАЦ ВИМ (г. Москва, Российская Федерация). Тел.: 8-495-709-34-46. E-mail: [email protected].

Тутунина Евгения Викторовна - аспирант научного направления «Энергообеспечение АПК», ФГБНУ ФНАЦ ВИМ (г. Москва, Российская Федерация). Тел.: 8-495-709-34-46. E-mail: [email protected].

Information about the authors Vasiliev Alexey Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of the Power supply of agriculture scientific direction, FSBSE VIM (Moscow, Russian Federation). Phone: 8-495-709-34-46. E-mail: [email protected].

Tutunina Evgeniya Viktorovna - postgraduate student of the Power supply of agriculture scientific direction, FSBSE VIM (Moscow, Russian Federation). Phone: 8-495-709-34-46. E-mail:[email protected].

УДК 636.004.18

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ОБСЛУЖИВАНИЯ КРС

В статье раскрываются технологические процессы обслуживания КРС, в которых используется, как ресурсная составляющая, вода, применяемая в общем процессе производства конечной продукции и во вспомогательных процессах обслуживания животного. Даются требования к подсистемам, выполняющим разные технологические функции и требования к воде по температурным показателям. Рассматриваются конструктивно-технологические параметры базового элемента системы накопительного бака воды, выполняющего функции резервирования воды, генерирования тепла и распределения подготовленной воды по подсистемам с учетом технологической направленности ее использования. Предлагаются конструктивно-технологические схемы баков-накопителей воды, направленные на снижение теплопотерь с наружной поверхности бака. Аналитически рассматривается процесс теплопередачи через сложную многослойную стенку корпуса бака. На основании экспериментальных исследований обосновываются и рекомендуются расчетные показатели коэффициентов теплопередачи. Рассматриваются и предлагаются к использованию конструктивно-технологические решения внутреннего пространства бака как теплогенерирующего устройства, где источником тепла является электрический теплонагревательный элемент. Аналитически исследуется процесс теплообмена через разделительную стенку между двумя объемами воды, предназначенными для использования в разных технологических процессах обслуживания крупного рогатого скота (процесс автопоения КРС; процесс подмывания вымени коров). Результаты аналитических исследований подтверждаются экспериментальными исследованиями и приводятся в графическом виде, описательном и в виде расчетных зависимостей. По результатам исследований даются выводы. Общая концеп-

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Васильев Алексей Николаевич, Тутунина Евгения Викторовна

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Васильев Алексей Николаевич, Тутунина Евгения Викторовна