CC BY
171
• • • Известия ДГПУ, №2, 2008
ФИЗИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 551.345:53
СОЛНЕЧНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ
© 2008 БаГдуеВ Г.Б., Чалаев Д.М.*
Дагестанский государственный педагогический университет *Институгтехнической теплофизики Национальной академии наукУкраины
Рассмотрены состояние научно-исследовательских работ по солнечному охлаждению, основные узлы и детали оборудования, от которых зависит эффективность работы абсорбционной и адсорбционной холодильных систем. Предложены схемы солнечного охлаждения, в которых в качестве дополнительных источников тепла используется тепло геотермальной скважины или тепло биогазового нагревателя. Приведены характеристики некоторых сорбентов, в том числе предложенного авторами композиционного сорбента, и описан созданный на его основе гелиоадсорбционный холодильник.
The authors considered the conditions of the research papers on solar cooling, the main nodes and details of the equipment, on which the efficiency of the work of absorbal and adsorbal refrigeration systems depends. They offered the schemes of the solar cooling, where the heat of geothermal bore holes or of biogas heater are used as consources of the heat. The features of some sorbents, including compositional sorbent, offered by the authors are described. And the helio-adsorbal refrigerator, created on its base, is depicted.
Ключевые слова: солнечный коллектор, абсорбер, сорбент, парогенератор,
испаритель, конденсатор.
Keywords: solar collector, absorber, adsorber, sorbent, steam generator, vaporizer, capacitor.
Использование солнечной энергии в холодильных циклах может
рассматриваться с точки зрения двух различных областей применения: охлаждение с целью сохранения пищевых продуктов в бытовых или промышленных холодильниках и охлаждение с целью создания свежего воздуха и комфорта в помещениях. Охлаждение с помощью солнечной энергии находится на начальном этапе исследования и разработки. Проведено только небольшое
количество экспериментальных работ. Они подтвердили лишь техническую осуществимость получения
технологического холода в холодильных камерах и возможность
кондиционирования воздуха в помещениях с помощью солнечных абсорбционных и адсорбционных холодильных агрегатов.
Однако они не дали необходимый материал для проведения анализа и расчетов таких систем и не выявили
наиболее существенные требования для их проектирования. Лишь в последнее время исследователи начали
моделирование систем охлаждения, что дает возможность проводить расчеты и идентификацию наиболее ответственных узлов конструкции системы солнечного охлаждения. В качестве преобразователя солнечного излучения в тепловую энергию для подачи в парогенератор адсорбционных и абсорбционных холодильных систем используются в основном плоские солнечные
коллекторы. Очень редко в литературе встречаются работы, в которых преобразователем солнечного излучения в тепловую энергию выступают концентраторы и другие подобные им.
Основной вывод, вытекающий из многих опубликованных работ, -
излучение сначала нужно превратить в электрическую или механическую энергию и затем использовать для питания компрессионных систем
охлаждения. Здесь наряду с техническими трудностями появляются трудности экономического характера, связанные с первой ступенью преобразования энергии. Если
экономические проблемы
преобразования солнечного излучения в электрическую или механическую энергии удастся решить, то будет открыт путь к созданию как холодильников для хранения пищевых продуктов, так и воздушных кондиционеров
компрессионного типа на базе солнечной энергии. Это позволит избежать целого ряда трудностей, присущих
абсорбционным и адсорбционным системам солнечного охлаждения.
В нашей статье обсуждаются данные системы солнечного охлаждения. Одно из направлений разработки
абсорбционных систем солнечного охлаждения связано с использованием периодических процессов, аналогичных по принципу работы промышленным пищевым холодильникам «Айсиболь» фирмы «Кросли», которые
использовались много лет тому назад в сельских местностях США, до электрификации этих мест и до
изобретения компрессионных
холодильников [1]. Такие системы не получили применения и потому не были детально исследованы с точки зрения их возможного применения для
кондиционирования воздуха, но уже с помощью солнечной энергии.
Опыт показывает, что в сочетании с плоскими коллекторами можно реализовать также и непрерывные абсорбционные циклы. Схема такого решения показана на рисунке 1. Парогенератор 1 заправляется водным раствором аммиака или бромистого лития. При его нагревании жидкое содержимое делится на две части: первая (легко испаряемая часть раствора, более богатая аммиаком или бромистым литием) в виде пара указанных веществ с небольшими примесями водяного пара поднимается вверх и попадает в конденсатор 3.
Рис. 1. Схема абсорбционной системы солнечного охлаждения с дополнительным источником тепла: 1. Парогенератор.
2. Плоский солнечный коллектор. 3.
Конденсатор. 4. Испаритель. 5. Абсорбер. 6. Теплообменник. 7. Дополнительный нагреватель. 8. Бак-аккумулятор. 9.
Контур, идущий в охлаждаемое помещение.
10. Насосы. 11. Дроссельный вентиль.
12. Трехпозиционный кран
В нем пары конденсируются и, превратившись в конденсат, через дроссельный вентиль 11 попадают в испаритель 4, где конденсат
превращается обратно в пар, создавая при этом холод, который передается по специальному контуру 9 либо в охлаждаемую емкость (холодильник), либо в освежаемую комнату к кондиционеру. После этого
отработанный конденсат попадает в абсорбер 5. Первая компонента производит основную работу системы солнечного охлаждения - холод, который передается в холодильник или кондиционер. Вторая компонента (трудно испаряемая часть раствора) -вода с небольшим содержанием аммиака или бромистого лития в виде жидкости идет через теплообменник 6 в абсорбер 5, где уже находится первая компонента раствора. В абсорбере первая и вторая компоненты смешиваются, и опять восстанавливается исходная система раствора. Восстановленный раствор из абсорбера поступает в парогенератор через теплообменник 6. На этом завершается круговорот бинарной или тройной систем растворов, находящихся в парогенераторе. КПД работы
холодильной системы зависит от трех факторов: а) температуры охлаждающей воды, проходящей через конденсатор и абсорбер (чем ниже эта температура, тем выше КПД системы); б) качества теплообмена между потоками
парогенератор-абсорбер и абсорбер-генератор в теплообменнике 6; в) температуры источника тепла, поступающего в парогенератор, или качества работы парогенератора.
Температура поступающей в
парогенератор воды (или пара) должна быть высокой или сам парогенератор должен быть заправлен раствором,
работающим эффективно при низких
температурах. Низкие температуры, которые дает плоский коллектор 2, накладывают ограничения на выбор промышленной установки, допуская лишь использование систем,
работающих на водном растворе бромида лития. При работе машин на бромиде лития требуется холодная вода для охлаждения абсорбера и
конденсатора, в связи с чем, по-видимому, понадобятся градирни.
Использование охлаждающих систем на водном растворе аммиака, которые в
настоящее время производятся промышленностью, затруднительно, поскольку в генераторе такой системы необходимо поддерживать высокие
температуры. Проведенные опыты по созданию абсорбционных систем
охлаждения с плоскими коллекторами показали, что для работы на солнечной энергии нужно или создать парогенератор с более низкой рабочей температурой, или улучшить режим работы при заданном интервале температур и повысить эффективность использования энергии, поступающей от коллектора к парогенератору. Размер коллектора должен быть подобран правильно. Можно также идти по другому направлению: использовать
двухступенчатые испарители для снижения требований к подводимой в парогенератор тепловой энергии. В целом абсорбционное охлаждение непрерывного действия с
использованием солнечной энергии
технически осуществимо. Однако условия работы и ограничения, накладываемые на систему, работающую за счет солнечной энергии, могут привести к созданию систем охлаждения, отличающихся от соответствующих, работающих на обычном топливе.
Экспериментально проверена [2] работа модифицированного серийного кондиционера воздуха на бромиде лития, в генератор которого вместо пара подавалась горячая вода от плоского солнечного коллектора. Характеристики этой установки изучены как при кратковременной работе, так и при непрерывном действии в течение ряда «полных» суток. В работе [3] аналитически исследована система солнечного охлаждения на водном растворе бромида лития в комбинации с плоским коллектором и показано, что важное значение в системе имеют эффективность теплообменника,
расположенного между генератором и абсорбером, температура охлаждающей воды и конструкция генератора. Требования и к парогенератору в такой системе более высокие, чем в холодильных системах на обычном топливе, поскольку ее эффективность
определяется как работой коллектора, так и работой холодильной части системы. В работе [4] показано, что в некоторых местах (например, на Цейлоне) КПД абсорбционной системы солнечного охлаждения непрерывного действия на водном растворе бромида лития может быть больше, чем КПД электрических компрессионных
холодильных систем. Фарбер и другие [5, 6] изучили ряд систем солнечного охлаждения на водном растворе аммиака, в которых использовались плоские коллекторы без аккумулятора Вода, поступающая в парогенератор, обычно имела температуру в интервале 60-93 оС, температура охлаждающей воды в конденсаторе не оговаривалась. Типичная концентрация аммиака в абсорбере и парогенераторе составляла 58% и 39% соответственно. Установка действовала непрерывно с различными расходами энергии в зависимости от ее поступления. Проведено довольно много экспериментальных и
теоретических исследований систем этого класса, однако диапазон конкретных исследований узок и проблема аккумулирования энергии трактуется неоднозначно.
Рис. 2. Схема абсорбционной системы солнечно-геотермального гибридного охлаждения и кондиционирования воздуха в помещении: 1. Парогенератор. 2. Плоский солнечный коллектор. 3. Конденсатор.
4. Испаритель. 5. Абсорбер. 6. Теплообменник. 7. Контур геотермального нагрева. 8. Бак-аккумулятор. 9. Контур, идущий в охлаждаемую емкость или в кондиционер. 10. Насосы. 11.
Дроссельный вентиль
На рисунке 2 представлена предлагаемая нами схема солнечного охлаждения непрерывного действия, в которой используется генератор,
работающий на аммиаке с водой. Благодаря тому, что в бак-аккумулятор параллельно с энергией плоского солнечного коллектора подается тепловая энергия геотермальной скважины
(позиция 7 на рис. 2) с температурой в устье 85оС, стало возможным использование в парогенераторе в качестве хладагента аммиака с водой. Установки с аммиачным парогенератором выпускаются промышленностью, и эти установки менее дефицитны и менее капризны при получении
технологического холода с помощью солнечной энергии. Кроме того, в г. Махачкале заброшенные и
законсервированные геотермальные скважины имеются в разных частях города и рядом с ними наряду с солнечногеотермальным отоплением можно создать и солнечно-геотермаль-ное охлаждение. Сочетание этих двух систем удобно, так как днем геотермальные скважины могут работать и на решение других проблем, а солнечную энергию удобно использовать для охлаждения именно днем.
В условиях гор, где население держит животных, в качестве дополнительного источника тепла можно использовать биогазовые отопительные системы.
На рисунке 3 показан биогазовый отопительный котел (позиция 7), получающий биогаз от газгольдера 12, в котором накапливается вырабатываемый на месте биогаз. Такое гибридное нагревание парогенератора позволяет получить пар, имеющий температуру около 100оС, то есть держать в парогенераторе достаточно высокую температуру и пользоваться водноаммиачным хладагентом, то есть
применять промышленные абсорбционные холодильники.
Рис. 3. Схема абсорбционной системы солнечно-биогазового охлаждения и кондиционирования воздуха в помещении:
1. Парогенератор. 2. Солнечный коллектор. 3. Конденсатор. 4. Испаритель.
5. Абсорбер. 6. Теплообменник. 1. Дополнительный биогазовый нагреватель.
8. Бак-аккумулятор. 9. Контур, идущий в холодильник или к кондиционеру.
10. Насосы. 11. Дроссельный вентиль. 12. Газгольдер с биогазом
Другим типом солнечного абсорбционного охлаждения является абсорбционное охлаждение
периодического действия. Известные на сегодня работы, посвященные таким циклам, в основном связаны с исследованием возможности применения подобных холодильников для хранения пищевых продуктов, а не для кондиционирования помещений. Однако результаты этих работ можно использовать и в целях
кондиционирования воздуха. В периодических циклах в качестве
абсорбента применялись растворы
и КН3, а в качестве хладагента -NНз. Блитас и Даниэлс [7], а также Сарджент и Бэкман [8] установили, что система имеет хорошие
термодинамические свойства при производстве льда. В работах [9, 10, 11] отраженот исследование режимов
работы системы периодического
действия на водном растворе аммиака, в которой в качестве источника тепла использовались плоские коллекторы. Парогенератор и абсорбер представляли собой раздвоенные емкости.
Парогенератор являлся составной частью плоского коллектора, в котором раствор хладагент абсорбер циркулировал в трубах за счет термосифонного эффекта движения пузырьков. При одинаковых циклах регенерации и охлаждения (5-6 ч каждый) удалось получить полный коэффициент полезного действия порядка 0,06 при изменении температуры парогенератора в процессе регенерации от комнатной до 99оС. Температуры в испарителе были ниже 0оС. При использовании охлаждающей воды с температурой 30оС эффективное охлаждение на единицу площади поверхности коллектора
экспериментальной установки
составляло в ясные дни от 50 до 86 кДж/м2.
Основной проблемой при разработке абсорбционной и адсорбционной систем солнечного охлаждения является выбор рабочих веществ для заправки
парогенераторов, в частности адсорбента и абсорбента, обладающих большой
влагоемкостью и способностью к достаточно полной регенерации при нагреве. Требования, предъявляемые к хладагентам, разнообразны, они должны быть пригодны как для абсорбционных, так и для адсорбционных холодильников. Некоторые хладагенты используются в периодических холодильных циклах, другие в непрерывном режиме. Имеются хладагенты, подходящие и для
периодического, и для непрерывного режимов работы холодильных агрегатов. В качестве хладагентов применяются твердые и жидкие тела. Большинство известных сорбентов имеет малую поглощательную способность.
По типу сил, обусловливающих абсорбцию, рабочие вещества можно разделить на две основные группы: адсорбенты на основе физической абсорбции (цеолиты, активированные угли, силикогелы) и адсорбенты на основе химадсорбции (соли щелочных и щелочноземельных металлов).
Сорбционная емкость адсорбентов первой группы невелика - 5-10% от веса сорбента. Но благодаря стабильности свойств, долговечности гранул и
невысокой температуре регенерации эти сорбенты получили наибольшее практическое применение.
Более высокую (в 2-3 раза) сорбционную емкость имеют
неорганические соли, которые образуют с парами хладагента твердые химические соединения типа кристаллогидратов. Однако практическое применение этих рабочих веществ имеет технические трудности, связанные с проблемой сохранения стабильности
гранулированной структуры адсорбента, так как при многократных циклах сорбции-десорбции возможно частичное растворение соли при местном перенасыщении хладагентом.
Нами разработан новый
композиционный сорбент на основе солей щелочных металлов и пористого носителя, сочетающий стабильность твердых поглотителей с высокой сорбционной емкостью солей. Носитель имеет жесткий каркас с открытыми порами и способен удержать в них большое количество солевого раствора, сохраняя структуру сорбента при
перенасыщении. Кроме повышения надежности работы, это значительно увеличило сорбционную емкость
солевого сорбента за счет обеспечения его работоспособности как в зоне твердого, так и зоне жидкого солевого раствора. Сорбент этого типа позволяет охватить рабочий диапазон
концентрации твердо- и жидкотельных сорбционных термотрансформаторов.
По данной методике на базе
сорбционной пары бромистый литий-метанол выработан сорбент для
гелиоадсорбционного холодильника, позволяющий получать минусовые температуры охлаждения. Для этого
сорбента измерены изотермы адсорбции в диапазоне температур и давлений, соответствующих солнечному
холодильному циклу. Исследования показали хорошую стабильность сорбента и обратимость изотерм при многократных циклах сорбции-десорбции.
Гранулированная структура сорбента сохраняется даже при значительном перенасыщении соли хладагентом. Гранулы удерживают жидкий раствор в порах при концентрациях метанола в бромистом литии 55-60%, в то время как растворение кристаллического бромистого лития происходит при концентрации 41%.
Таким образом, работа сорбента в зоне жидкого солевого раствора обеспечивает увеличение сорбционной емкости почти в 1,5 раза в сравнении с чистой солью. При этом наблюдается также снижение температуры
регенерации сорбента. Например, при температуре конденсации паров хладагента 40оС десорбция начинается при 84оС и, по мере регенерации сорбента, постепенно повышается до 116оС. Такое течение процесса хорошо согласуется с переменным характером поступления солнечной энергии.
Рис. 4. Конструкция солнечного адсорбционного холодильника: 1.
Парогенератор-адсорбер. 2.
Гелионагреватель типа «горячий ящик». 3.
Воздушный оребренный конденсатор. 4.
Испаритель. 5. Поддон с эвтектическим раствором. 6. Холодильная камера. 1.
Гранулированный сорбент.
8. Щелевой канал. 9. Селективное покрытие «черный хром» Схематично конструкция солнечного адсорбционного холодильника показана на рисунке 4. Холодильник состоит из последовательно соединенных
паропроводом парогенератора-адсор -бера 1, уложенного в гелионагреватель 2 типа «горячий ящик», воздушного оребренного конденсатора 3 и испарителя 4, погруженного в поддон с эвтектическим раствором и
размещенного в холодильной камере 5. Парогенератор-адсорбер представляет собой плоский герметичный короб,
заполненный гранулированным
сорбентом, и имеет в нижней части щелевой канал, служащий для подачи и отвода паров хладагента.
Тепловоспринимающая поверхность парогенератора-адсорбера имеет
селективное покрытие «черный хром».
В дневное время солнечное излучение, поступающее в
гелионагреватель, поглощается
зачерненной поверхностью
парогенератора-адсорбера и
содержащийся в нем сорбент нагревается до температуры 100-110оС. Время разогрева - около 3-х часов. При нагреве
из сорбента десорбируются пары
хладагента, которые поступают в воздушный конденсатор и
конденсируются в нем, а жидкий хладагент накапливается в испарителе. Десорбция хладагента длится 5-6 часов. Дневной цикл заканчивается
практически полной регенерацией сорбента и накоплением жидкого хладагента в испарителе.
После захода солнца сорбент в парогенераторе-адсорбере остывает и давление в системе снижается. При этом хладагент в испарителе начинает кипеть при низком давлении (и, соответственно, низкой температуре) с одновременным производством холода. Образующиеся при кипении пары хладагента поступают в парогенератор-адсорбер, где
поглощаются сорбентом, а
вырабатываемый холод аккумулируется эвтектическим раствором. Цикл производства холода, который длится 10-12 часов, заканчивается полным испарением хладагента и образованием льда в поддоне испарителя. На следующий день при повторении цикла десорбции температура в холодильной камере поддерживается за счет таяния льда, содержащегося в поддоне.
На базе разработанного сорбента создано несколько модификаций гелиоад сорбционных холодильников. Испытания показали стабильную работу холодильника даже в частично пасмурные дни и подтвердили
эффективность солевого сорбента. Суточная выработка холода при интенсивности солнечного излучения до 800 Вт/м2 составляла 2500 кДж/м2
площади солнечного парогенератора. Температура в холодильной камере в течение суток колебалась в пределах +1... +7оС. Величина приведенного
теплового коэффициента составила 0,11-
0,13. Разработанный холодильник имеет малую материалоемкость
парогенератора-адсор-бера и
обеспечивает получение холода
минусовых температур при более высоких температурах сорбции (то есть при более высоких температурах
окружающей среды). Повышенная
сорбционная емкость разработанного сорбента, а также способность адсорбционных холодильников
вырабатывать холод без одновременного потребления энергии дает возможность создать компактные автономные
холодильные агрегаты периодического действия для бытового назначения, торгового, медицинского оборудования. Периодический характер работы
позволяет осуществлять зарядку агрегата от электросети в ночное время (по льготным тарифам на электроэнергию), после чего при необходимости он может длительное время храниться в состоянии готовности к выработке холода и при включении на охлаждение работать без потребления энергии. Указанные
достоинства, а также простота в
изготовлении и эксплуатации делают такие холодильники вполне
конкурентоспособными с
компрессионными холодильными
агрегатами, несмотря на то, что
холодильный коэффициент
адсорбционного ниже. На базе
модификации солевого сорбента с
высокотемпературной регенерацией созданы и испытаны экспериментальные образцы адсорбционных холодильных агрегатов для переносного холодильника объемом 10 литров и автомобильного холодильника-ларя объемом 35 литров.
Примечания
I. Даффи Дж.А. Бекман У .А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. - М.:
Изд-во «Мир», 1977. 2. Chung R. Duffie J.A., Loff G.O.G. Study of a Solar Air Conditioner, Meech. Engr. 85, 31. - 1963. 3. Duffie J.A., Sheridan N.R. Lithium Bromide-Water Refrigerators for Solar Operations, Mech. and Chem. Engr. Trans Inst. Engrs. Australia M.C. 1, 79, 1965. 4. Chinnapp
J.C.V. The Solar Operation of a Vapour Absorption Cycle Air Conditioner at Colombo, Trans. Inst. Engrs. Ceylon, 1967. 5. Eisenstadt M„ Flanigan F.M., Farber E.A. Tests Prove Feasibility of Solar Air Conditioning, Heating, Piping and Air Cjnditioning, 32, №11, 120, 1960. 6. Farber E. A. Design and Performance of a Compact Solar Refrigeration System, Paper presented at International Solar Energe Society Conference, Melbourne, 1970. 7. Blytas C.C., Daniels F„ Concentrated Solutions of NaSCN in Liquid Ammonia: Solubility, Density, Vapor Pressure, Viscosity, Thermal onductance, Heat of Solution, and Heat Capacity, J. Am. Chem. Soc., 84, 1075, 1962. 8. Sargent S.L., Beckman W.A. Theoretical Performance of an Ammonia-Sodium Thiocyanate Intermittent Absorbptijn Refrigeration Cycle, Solar Energy, 12, 137. 1968. 9. Chinnappa J.C.V. Experimental Study of an Intermittent
Vapour Absorption Refrigeration Cycle Employing the Refrigerant-Absorbent System of Ammonia Water and Ammonia-Lithium Nitrate, Solar Energy, 5, 1, 1961. 10. Chinnappa J. С. V Performance of an Intermittent Refrigerator Operated by a Flat-Plate Collector, Solar Energy, 6, №4, 143, 1962.
II. Swartman R.K. Swaminathan C. Futher Studies on Solar-Powered Intermittent Absorption Refrigeration. Paper presented at International Solar Energy Society Conference. - Melbourne, 1970.
Статья поступила в редакцию 02.07.08 г.
