CC BY
6УДК 697.971
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПЛОСКИХ ПАНЕЛЕЙ ГЕЛИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА
ОСНОВЕ ПРОЦЕССА СУБЛИМАЦИИ
Раифов1 Т.Р., Топорен2 С.С.
ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им В.И. Вернадского», Институт «Академия строительства и архитектуры», 295493, Республика Крым, г. Симферополь, улица Киевская,181. E-mail: tumyp1995@gmail.com1 toporen1987@gmail.com2
Аннотация: В статье рассмотрены современные холодильные машины, работающие с использованием тепловой солнечной энергии, такие как: адсорбционные и абсорбционные холодильные машины. Проведен анализ принципа работы данных установок с последующим выявлением технологических недостатков в процессах адсорбции и абсорбции. На основании анализа, предложена принципиально новая схема охладителя, с использованием тепловой солнечной энергии, с охлаждением хладогента в сублимационном цикле.
Предмет исследования: Холодильные машины, работающие на тепловой солнечной энергии
Материалы и методы: В работе проведены теоретические исследования процессов охлаждения с дальнейшим сравнением коэффициентов преобразований (COP) адсорбционных и абсорбционных холодильных машин. Результаты: Разработана новая схема охладителя, с использованием тепловой солнечной энергии, работающей на сублимационном цикле охлаждения.
Вывод: Для протекания процесса сублимации в камере охладителя, необходимо поддержание параметров внутри нее ниже тройной точки. Отбор тепла от охлаждаемой жидкости происходит через теплообменник посредством прохождения через него хладогента в виде пара. Для дальнейшего протекания процесса необходимо отвести тепло от хладогента и вернуть его в изначальное состояние.
Ключевые слова: холодильные машины, сублимация, солнечный коллектор, хладоноситель, теплообменник, охладитель.
ВВЕДЕНИЕ
Современную жизнь человека невозможно представить без использования энергии. Она нужна буквально в каждом аспекте жизни человека, будь то работа за компьютером или же поездка на машине. Ввиду сложившейся в мире экологической ситуации, и неоспоримого факта что углеводородные источники топлива в ближайшем будущем иссякнут, человечество все больше внедряет альтернативные источники энергии в производство, доля которых возрастает с каждым годом. Самым известный способ - это получение энергии от солнца.
Солнечную энергию можно использовать пассивно или активно. Пассивное - это использование энергии без применения различных технических средств. Для активного использования применяют различные технологии для получения энергии. Инсоляция - это главный показатель для преобразования солнечной энергии в тепловую. Этот показатель зависит от времени года, площади поглощающей поверхности и расположения.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
В наших широтах в летнее время для кондиционирования воздуха в зданиях требуется холод. Потребность в холоде так же увеличивается
и для охлаждения серверных помещений, помещений хранения продуктов питания и т.д.
На сегодняшний день самое большое распространение получили электрические компрессорные холодильные машины. Куда меньше пользуются спросом установки с холодильными процессами, использующими тепловую энергию. При использовании жидкого хладоносителя применяются абсорбционные холодильные машины, а при использовании воздуха- сорбционные.
Для данного типа холодильных машин, целесообразным будет использование солнечной энергии для кондиционирования и охлаждения, в связи с тем, что пропорционально инсоляции возрастает и потребность в холоде. Самыми распространенными холодильными машинами, работающими на тепловой энергии, являются абсорбционные холодильные установки.
Принцип работы абсорбционной машины заключается в испарении хладагента, и последующим поглощением раствора бромида лития. Данная смесь подается в генератор, где происходит выпаривание воды, и возвращение изначальной концентрации абсорбера. Основной недостаток данной установки заключается в том, что температура жидкого хладагента недостаточно низкая, в связи с чем COP данной установки не высок.
Рис. 1 Принципиальная схема абсорбционной холодильной машины Fig.1 Schematic diagram of an absorption refrigeration machine
Принцип работы адсорбционной машины заключается испарении агента под давлением, и последующим его поглощением адсорбентом. При этом выделяется тепло, которое необходимо отвести. Данный процесс называется «зарядка». Адсорбция заканчивается, когда весь пар агент в испарителе адсорбируется. Для того чтобы «разрядить» гранулы адсорбента, достаточно
подвести тепло. Агент после данной реакции направляется в конденсатор, затем в расширитель, где происходит уменьшение давления до начального и снова попадает в испаритель. К основным недостаткам можно отнести то, что работа данного аппарата является периодической, и довольно сложно поддержать скорость при которой осуществляются процессы разрядки и зарядки.
Рис.2 Принципиальная схема адсорбционной холодильной машины Fig.2 Schematic diagram of adsorption refrigeration machine
Цель и постановка задач исследования
Цель исследования: Провести теоретические и практические исследования холодильной машины, работающей на сублимационном цикле хладагента, с применением тепла, поступающего от плоского солнечного коллектора. Задачи исследования:
1) На основании анализа выявить пути повышения эффективности холодильных машин.
2) На основании теоретических исследований получить требуемые параметры хладоносителя.
3) На основании исследований определить рациональную энергоэффективную схему охладителя с учетом возможности моделирование в программном комплексе Solidworks FlowSimulation и выбрать наиболее эффективную
Научная новизна: В промышленности, процесс сублимации в основном используется для очистки твердых веществ от примесей, поскольку задавая различные условия окружающей среды, можно
производить очистку при этом, не меняя исходного агрегатного состояния очищаемого вещества. Процесс сублимации в холодильных машинах применяется впервые, поскольку это довольно сложный технологический процесс, у разных веществ разные условия для протекания данного процесса.
Методика исследования:
Учитывая недостатки абсорбционных и адсорбционных холодильных машин, предложен охладитель, работающий на сублимационном цикле с использованием тепловой энергии солнечного коллектора.
Рис.3 Принципиальная схема сублимационной холодильной машины Fig.2 Schematic diagram of a sublimation refrigeration machine
Тепло от солнечного коллектора подается в теплообменник №1 в нижней части охладитель, при этом параметры внутри самой камеры ниже тройной точки. Хладагент начинает сублимировать и подниматься вверх в виде газа, вследствие чего происходит отбор тепла от охлаждаемой жидкости в теплообменнике №2. После отбора тепла, газ подается в камеру с холодильной машиной, где происходит десублимация. Затем хладагент снова подается в камеру охладителя и цикл повторяется.
С помощью смесительного узла регулируется интенсивность сублимации, что влияет на интенсивность отбора тепла у охлаждаемой жидкости. Потенциально в качестве хладагента рассматриваются такие вещества как лед и сухой лед. Однако необходимо учесть, что у данных веществ разные диаграммы состояния и как следствие разные тройные точки.
ВЫВОДЫ
Был проведен анализ и изучены проблемы современных холодильных машин. По итогам исследования данной задачи можно сделать вывод, что доля использования тепловых холодильных машин в повседневной жизни крайне мала, что в виду сложившейся современной экологической ситуации придает актуальности исследований в данном направлении.
В результате исследования можно сделать вывод, что для получения требуемых параметров хладоносителя в больших расходах, необходимо снижать давление внутри камеры охладителя, что приведет к снижению температуры сублимации, которая позволит более эффективно отбирать тепло от хладоносителя. Однако необходимо учитывать, что для завершения цикла, необходимо отвести тепло от рабочего тела, а учитывая низкие температуры и особенности кристаллизации хладагента, необходима особая конструкция теплообменника в десублиматоре.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Viessmann. Книга о «Солнце». Руководство по проектированию систем солнечного теплоснабжения. Издано в честь 10-летия ООО «Виссманн» в Украине, 2010.- 193 с.
2. Малков М.П. и др. Справочник по физико-техническим основам криогеники - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 432 с.
3. Богданов С.Н., Бурцев С.И., Иванов О.П., Куприянова А.В. Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ: справочник, под ред. С.Н. Богданова. 4-е изд., перераб. и доп. - СПб.: СПбГАХПТ, 1999. - 320 с.
4. Охлаждение - новые девайсы и способы. [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://overclockers.ru/lab/show/15152/ohlazhdenie-novye-devajsy-i-sposoby
5. Принцип действия абсорбционной холодильной машины. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://abxm-thermax.ru/abxm/
6. Адсорбционные холодильные машины и тепловые насосы. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://msd.com.ua/misc/adsorbcionnye-xolodilnye-mashiny-i-teplovye-nasosy/
7. Сорбционная холодильная машина. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.ntpo.com/techno/miscellaneous /17. shtml
8. «Примеры расчетов установок глубокого охлаждения» под ред. Будневича С.С. - Ленинград: «Машиностроение». - 1972. - 288 с.
9. Криогенные машины, А.Д. Суслов, Г.А. Гороховский, В.Б. Полтараус, А.М. Горшков. - М.: Машиностроение, 1982. - 213с.
10. Новотельнов В.Н. и др. Криогенные машины: учебник для вузов по спец. «Техника и физика низких температур». - СПб.: Политехника, 1991. - 335 с.
11. «Примеры расчетов установок глубокого охлаждения» под ред. Будневича С.С. - Ленинград: «Машиностроение». - 1972. - 288 с.
12. Акулов Л.А., Борзенко Е.И., Новотельнов В.Н., Зайцев А.В. «Теплофизические свойства криопродуктов». - СПб: издательство «Политехника». - 2001. - 243 с.
REFERENCES
13. Viessmann. A book about the Sun. Design guide for solar heating systems. Published in honor of the 10th anniversary of Viessmann LLC in Ukraine, 2010.- 193 p.
14. Malkov M.P. and others. Reference book on the physical and technical foundations of cryogenics -M .: Energoatomizdat, 1985. - 432 p.
15. Bogdanov S.N., Burtsev S.I., Ivanov O.P., Kupriyanova A.V. Refrigeration technology. Air conditioning. Properties of substances: a reference book, ed. S.N. Bogdanov. 4th ed., revised. and additional - St. Petersburg: SPbGAHPT, 1999. - 320 p.
16. Cooling - new devices and methods. [Electronic resource]. Access mode: https://overclockers.ru/lab/show/15152/ohlazhden ie-novye-devajsy-i-sposoby
17. The principle of operation of the absorption refrigeration machine. [Electronic resource]. Access mode: http://abxm-thermax.ru/abxm/
18. Adsorption chillers and heat pumps. [Electronic resource]. Access mode: http://msd.com.ua/misc/adsorbcionnye-xolodilnye-mashiny-i-teplovye-nasosy/
19. Sorption refrigerator. [Electronic resource]. Access Mode: http://www.ntpo.com/techno/miscellaneous/17.shtml
20. 8. "Examples of calculations of deep cooling installations", ed. Budnevich S.S. - Leningrad: "Engineering". - 1972. - 288 p.
21. Cryogenic machines, A.D. Suslov, G.A. Gorokhovsky, V.B. Poltaraus, A.M. Gorshkov. - M .: Mashinostroenie, 1982. - 213 p.
22. Novotelnov V.N. and others. Cryogenic machines: a textbook for universities on special. "Technique and physics of low temperatures". - St. Petersburg: Polytechnic, 1991. - 335 p.
23. "Examples of calculations of deep cooling installations", ed. Budnevich S.S. - Leningrad: "Engineering". - 1972. - 288 p.
24. Akulov L.A., Borzenko E.I., Novotelnov V.N., Zaitsev A.V. "Thermophysical properties of cryoproducts". - St. Petersburg: publishing house "Polytechnic". - 2001. - 243 p.
IMPROVEMENT OF FLAT PANELS OF SOLAR ENGINEERING SYSTEMS ON THE BASIS OF
THE SUBLIMATION PROCESS
Raifov T.R. Toporen S.S.
V.I. Vernadsky Crimean Federal University, Academy of construction and architecture, 181, Kievskaya str., Simferopol, 295050, Russian Federation toporen1987@gmail.com
Abstract: The article discusses modern refrigeration machines operating using thermal solar energy, such as: adsorption and absorption refrigeration machines. An analysis of the principle of operation of these installations was carried out with the subsequent identification of technological shortcomings in the processes of adsorption and absorption. Based on the analysis, a fundamentally new scheme of the cooler is proposed, using thermal solar energy, with cooling of the refrigerant in the sublimation cycle.
Subject of study: Chillers powered by thermal solar energy
Materials and methods: In the work, theoretical studies of cooling processes were carried out with a further comparison of the coefficients of transformation (COP) of adsorption and absorption refrigeration machines.
Results: A new cooler scheme has been developed using thermal solar energy operating on a sublimation cooling cycle. Conclusion: For the sublimation process to proceed in the cooler chamber, it is necessary to maintain the parameters inside it below the triple point. The heat is removed from the cooled liquid through the heat exchanger by passing the refrigerant through it in the form of vapor. For the further course of the process, it is necessary to remove heat from the refrigerant and return it to its original state.
Key words: refrigerating machines, sublimation, solar collector, coolant, heat exchanger, cooler.
