CC BY
118
УДК 621.574.9.004.69:[621.433-03:621.59]
В. А. Афанасьев, Г. А. Марутов, А. М. Цейтлин
СРАВНЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПАРОКОМПРЕССИОННЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН И ГАЗОВЫ1Х ХОЛОДИЛЬНЫ1Х МАШИН,
РАБОТАЮЩИХ ПО ЦИКЛУ СТИРЛИНГА
V. A. Afanasiev, G. A. Marutov, A. M. Tseitlin
COMPARISON OF ECOLOGICAL AND TECHNICAL PARAMETERS OF VAPOR COMPRESSION AND GAS REFRIGERATING MACHINES OPERATING ON THE STIRLING CYCLE
Показаны основные преимущества газовой холодильной машины, работающей по циклу Стирлинга: абсолютная экологическая безопасность, существенно более широкий диапазон значений температуры охлаждения в одной машине, меньшие габариты и более высокий холодильный коэффициент при использовании в области значений температуры ниже -30 °С. Полученные данные позволяют сделать вывод о большой перспективности применения газовых холодильных машин, работающих по циклу Стирлинга, в области температур умеренного холода для малых и средних значений холодопроизводительности.
Ключевые слова: экология; холодильный коэффициент; парокомпрессионная холодильная машина; холодильная машина, работающая по циклу Стирлинга; холодопроизводительность; безопасность; поршень; привод поршня; мощность трения; объём цилиндра.
The main advantages of gas refrigerating machine operating on the Stirling cycle such as absolute environmental safety, a wider range of cooling temperatures in a machine, smaller size and higher cooling rate used at the temperature below -30 °С are presented. The obtained data make it possible to draw a conclusion about great availability of application of gas refrigerating machines operating on the Stirling cycle within the temperature range of moderate cold for small and medium values of cooling capacity.
Key words: ecology; refrigeration efficiency; vapor compression refrigerating machine; refrigerating machine operating on the Stirling cycle; cooling capacity; safety; piston; piston drive; friction power; cylinder capacity.
В научном мире в настоящее время широко обсуждаются взаимоисключающие прогнозы климата Земли - глобальное потепление или ледниковый период. Что касается холодильной техники, то и здесь оспаривается степень участия фреонов и углекислоты в возникновении парникового эффекта и озоновых дыр. Однако во всех дискуссиях остается непреложной истина -человеческая деятельность не должна отрицательно сказываться на окружающей среде. В связи с этим в холодильной технике необходимо совершенствовать и внедрять экологически безопасные способы и устройства получения холода. Значительную роль здесь могут сыграть экологически безопасные газовые холодильные (ГХМ) машины, работающие по циклу Стирлинга [1].
Цикл Стирлинга была запатентован в 1816 г. шотландским изобретателем (священником по профессии) Робертом Стирлингом и реализован в тепловом двигателе (впоследствии названном двигателем Стирлинга), работающем на подогретом воздухе (рис. 1, а).
Идея использовать цикл Стирлинга для создания холодильных машин умеренного холода была реализована в 1834 г. Дж. Гершелем. Состав, конструкция и принцип работы ГХМ Стирлинга и двигателя Стирлинга практически не отличаются друг от друга (рис. 1 а, б). Отличие состоит в материалах горячей зоны двигателя Стирлинга и холодной зоны ГХМ Стирлинга. В двигателе расширительный поршень, цилиндр расширения и регенератор выполняются из жаропрочных материалов, в ГХМ расширительный поршень и цилиндр расширения - из материалов с низкой теплопроводностью, регенератор - из материалов с максимальной теплоемкостью. В обеих машинах рабочий газ - гелий. В перспективе, с развитием нанотехнологии, могут быть созданы материалы, которые позволят одну и ту же машину эксплуатировать как в режиме двигателя, так и в режиме холодильной машины при одних и тех же значениях давления.
В настоящее время успешно применяются ГХМ, в которых совмещаются прямой и обратный цикл Стирлинга. Эта машина названа по имени изобретателя Волюмье (рис. 1, д). Все три варианта машин - двигатель Стирлинга, ГХМ Стирлинга и машина Волюмье - позволяют по отдельности и в комбинациях создавать другие универсальные инновационные варианты машин, такие как тепловые насосы (рис. 1, в, г); криогенный двигатель Стирлинга (рис. 1, е), перспективный при газификации криогенных жидкостей); криогенно-высокотемпературный двигатель Стирлинга, высокоэффективный при газификации жидкого метана (рис. 1, ж).
ОЕ
Оо.с 4 '
Ов
3 Оо с фз
4
2 У
1 /
4
Онт 7
а/,6 ■ 5
3
От £
Д О,
Н
2
Оо
ИТ От
0
N2 си-
5 3 .
Оо.с
N
ОНТ 1.Г
Оо.с
_1
02
°о.с
N
д
Рис. 1. Варианты исполнения ГХМ Стирлинга: а - двигатель Стирлинга (прямой цикл Стирлинга); б - ГХМ (обратный цикл Стирлинга); в - тепловой насос в режиме ГХМ; г - тепловой насос с противоположным вращением вала ГХМ; д - модифицированная ГХМ по циклу Волюмье (совмещение прямого и обратного цикла Стирлинга); е - криогенный двигатель Стирлинга (при газификации криогенных жидкостей, при сбросе тепла из космического аппарата); ж - криогенно-высокотемпературный двигатель Стирлинга (например, при газификации жидкого метана). Qвт - высокотемпературное тепло; Qнт - холодопроизводительность машины или подводимое низкотемпературное тепло; Qо.с - тепло окружающей среды; Qт - тепло, выдаваемое тепловым насосом; N - мощность, подводимая к машине или производимая машиной.
1 - корпус машины; 2 - электрогенератор для двигателя Стирлинга и электродвигатель для ГХМ;
3 - поршень сжатия; 4 - расширительный поршень; 5 - теплообменник для теплообмена с окружающей
средой; 6 - регенератор; 7 - теплообменник нагрузки
Учитывая названные перспективы применения ГХМ Стирлинга, мы провели более детальное сравнение технических параметров ГХМ Стирлинга с техническими параметрами традиционных парокомпрессионных холодильных машин (ПКХМ). Результаты сравнения приведены в таблице и на рис. 2.
б
г
а
в
7
е
Основные экологические и технические параметры ПКХМ ГХМ Стирлинга
Фреоны СО2 Углево- дороды Свободно- поршневая (линейный электропривод) Шатунно- поршневая
Экологическая безопасность: разрушение озонового слоя; глобальное потепление; • Опасность отсутствует (рабочий газ - гелий, воздух, азот)
• •
Безопасность эксплуатации: пожароопасность; отравление, удушье • •
• • • •
Рабочий диапазон значений температуры От +10 до -40 °С в одноступенчатом исполнении и до -70 °С в двухступенчатом или каскадном исполнении От +10 до -200 °С в одноступенчатом исполнении и до -260 °С в двухступенчатом исполнении
Продолжение табл.
Основные экологические и технические параметры ПКХМ ГХМ Стирлинга
Свободно- поршневая (линейный электропривод) Шатунно- поршневая
Область применения Для охлаждения и замораживания продуктов, кондиционирования воздуха, испытания приборов и оборудования в термобарокамерах. Производство тепла в режиме теплового насоса Для охлаждения и замораживания продуктов, кондиционирования воздуха, испытания приборов и оборудования в термобарокамерах. Производство тепла в режиме теплового насоса (при всех зимних значениях температуры наружного воздуха). Для охлаждения приборов криоэлектроники (инфракрасные приемники, СВЧ-приборы, электрические и магнитные системы), в вакуумной технике (крионасосы), криомедицине
Холодильный коэффициент ^ПКХМ ^ГХМ > ^ПКХМ при Тохл < -30 °С £тХМ - ^ПКХМ при Тохл.> -30 °С
Ресурс -^ПКХМ -^ГХМ = -^ПКХМ -^ГХМ — -^ПКХМ Для шатуннопоршневых безмасляных ГХМ
Надежность и безотказность работы Высокие Высокие Высокие в пределах .^гхм
Сложность изготовления Технология отработана Технология сложнее из-за встроенных в рабочий объем теплообменников, регенератора и дополнительного расширительного поршня
Сложность управления и регулирования Системы управления и регулирования отработаны Более сложен блок управления и регулирования электропривода Управление и регулирование типовое
Габаритные размеры Известны Описанные объемы цилиндров существенно больше, чем у ПКХМ при Тохл > -40 °С
Работоспособность при высокой температуре окружающей среды (ґ > 50 °С) Верхний предел +50 °С (при более высоких значениях температуры в конце сжатия газа возникает опасность разложения, коксования и вспышки масла) Работоспособны при более высоких значениях температуры вплоть до 100 °С
Обеспечение двух и более значений температуры охлаждения Достигается отдельными компрессорами или использованием регуляторов давления Достигается в одной машине с дифференциальным исполнением расширительного поршня
Обеспечение больших значений холодопроизводительности Выпускаются Преимущественно - малой и средней холодопроизводительности Известны - до 25 кВт. Обосновано до 100 кВт)
Возможность работы в режиме теплового насоса при низких значениях температуры окружающей среды С фреонами возможно до ґ = -5 °С. С хладагентом СО - до -20 °С. и с коэффициентом тепловой трансформации не более 1,2 Возможность работы при более низких температурах (до -40 °С и ниже) с более высоким коэффициентом тепловой трансформации. Для перевода в режим теплового насоса достаточно изменить направление вращения электродвигателя
Возможность работы от теплового источника энергии Нет Да. Добавляется еще один поршень. ГХМ работает по циклу Волюмье (любое топливо, солнечная и ядерная энергия)
Возможность преобразования холода в электрическую энергию Нет Да. При газификации криогенных жидкостей (например, метана). В космосе при сбросе избыточного тепла из космического аппарата и др.
Г абаритно-массовые характеристики Известны Больше, чем у одноступенчатых ПКХМ из-за наличия дополнительного детандер-ного цилиндра, но меньше, чем у двухступенчатых и каскадных ПКХМ
Требования по герметичности холодильной системы Требуется высокая герметичность по хладагенту всех аппаратов и узлов, заполненных хладагентом Требуется высокая герметичность только корпуса ГХМ
Стоимость одной заправки хладагентом холодильной машины Известна Стоимость заправки гелием ГХМ дороже более чем в два раза (при минимальном мертвом объеме картера ГХМ)
Стоимость холодильной машины Известна Стоимость известна. При серийном производстве приблизится к стоимости ПКХМ
160 200 240 Т, К
Рис. 2. Зависимость холодильного коэффициента от температуры охлаждения:
1 - для фреоновых поршневых холодильных машин; 2 - для ГХМ Стирлинга (расчетная оптимизация с учетом потерь мощности на трение); 3 - для ГХМ Стирлинга при потерях мощности на трение 40 % от мощности цикла; 4 - опытный образец ГХМ для сублимационной установки (ООО «НТК «Криогенная техника», г. Омск)
Таким образом, основные преимущества холодильной машины Стирлинга - это абсолютная экологическая безопасность; существенно более широкий диапазон значений температуры охлаждения в одной машине; более широкая область практического применения; меньшие габариты и более высокий холодильный коэффициент при использовании в области температур охлаждения Тохл < -30 °С. К другим практическим преимуществам, характерным только для ГХМ Стирлинга, относится возможность использования для привода вместо электрической энергии любого вида тепловой энергии и возможность обратного преобразования холода в электрическую энергию. При оценке холодильного коэффициента £, учитывалась не только информация, приведенная в [1] - нами были выполнены расчетные исследования с использованием методики оптимизации ГКМ Стирлинга [2]. Результаты расчетного исследования (рис. 2) подтверждают преимущества ГХМ Стирлинга в области более низких значений температуры Тохл < -30 °С. При температурах режима кондиционирования холодильный коэффициент ГХМ Стирлинга становится равным холодильному коэффициенту ПКХМ при потерях мощности на трение не более 40 % от действительной мощности цикла ГХМ. В этой области значений температуры при равных холодильных коэффициентах описанные объемы цилиндров ГХМ существенно больше, чем у ПКХМ. К недостаткам ГХМ следует отнести ее более сложную конструкцию по механике по сравнению с конструкцией ПКХМ и затруднения с использованием жидкой смазки механизма движения, что приводит в конечном счете к ее более высокой стоимости.
На этапе промышленного освоения эти проблемы могут быть успешно решены или существенно уменьшены. Один из основных способов упрощения конструкции и механики, уменьшения мощности трения, увеличения ресурса ГХМ и увеличения ее холодильного коэффициента - это применение линейного электропривода поршней ГХМ [1]. На основании изложенного, более полного сравнения ГХМ Стирлинга и ПКХМ можно сделать заключение о значительных перспективах применения ГХМ Стирлинга в области температур умеренного холода для малых и средних значений холодопроизводительности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кириллов Г. Н. Интернет-газета «Холодильщик». - 2008. - Вып. № 10 (46) / Раздел «Стирлинг-технологии» (С.-Петербург). Энергетика и экология в производстве холода: холодильные машины Стирлинга умеренного холода (о тенденциях развития мировой холодильной промышленности в XXI веке) / www.holodilshchik.ru.
2. Грезин А. К., Зиновьев В. С. Микрокриогенная техника. - М.: Машиностроение, 1977. - 232 с.
Статья поступила в редакцию 21.10.2011
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Афанасьев Валентин Александрович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент кафедры «Холодильные машины»; [email protected].
Afanasiev Valentin Aleksandrovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science; Assistant Professor of the Department "Refrigerating Machines"; [email protected].
Марутов Геннадий Алексеевич - Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры «Холодильные машины»; [email protected].
Marutov Gennadiy Alekseevich - Astrakhan State Technical University; Undergraduate of the Department "Refrigerating Machines"; [email protected].
Цейтлин Александр Матвеевич - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Холодильные машины»; [email protected].
Tseitlin Alexander Matveevich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Refrigerating Machines"; [email protected].
