Теплоиспользующий магнитокалорический кондиционер Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

БУБНОВ Алексей Владимирович, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», заведующий секцией «Промышленная электроника». ЛИТУНОВ Сергей Николаевич, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Обору-

дование и технологии полиграфического производства».

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 09.12.2011 г.

© В. И. Карагусов, А. В. Бубнов, С. Н. Литунов

УДК 656.62.052.4 В. И. КАРАГУСОВ

А.А. НОВИКОВ

Омский государственный технический университет

ТЕПЛОИСПОЛЬЗУЮЩИЙ МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИЙ КОНДИЦИОНЕР___________________________________________

Магнитокалорические системы охлаждения могут быть использованы для создания бортовых транспортных теплоиспользующих систем кондиционирования воздуха с подводом энергии путем сжигания природного газа. Такие системы являются экологически чистыми и экономически выгодными для кондиционирования воздуха на речных судах.

Ключевые слова: система кондиционирования воздуха, магнитокалорический, транспорт, природный газ.

Современные суда, как правило, оснащаются системами кондиционирования воздуха (СКВ), которые работают по парокомпрессионному циклу. В таких СКВ применяются экологически неблагоприятные рабочие тела (фреоны или хладоны). В состав парокомпрессионных СКВ входят компрессорные машины, создающие шумы и вибрации. Значительная часть находящихся в эксплуатации речных судов вообще не оборудована СКВ, что создает малокомфортные условия для экипажа и пассажиров.

СКВ, работающие от вала двигателя внутреннего сгорания (ДВС) судна или от бортовой электросети, не могут вырабатывать холод при неработающем двигателе. Кроме того, требования Монреальского протокола стимулируют разработчиков искать аль-

тернативные решения для построения экологически чистых систем охлаждения и СКВ.

Магнитокалорические двигатели внешнего сгорания имеют высокие КПД и надежность, в них можно использовать различные виды топлива от мазута до этанола и природного газа [1, 2]. В таких двигателях реализуется прямой магнитный термодинамический цикл Эриксона (две изотермы и две линии постоянного магнитного поля). На рис. 1а этот цикл показан в Т,Б-диаграмме магнитокалорического рабочего тела. Как известно, существует не только прямой, но и обратный (холодильный) магнитный термодинамический цикл Эриксона, показанный на рис. 1б.

В прямом термодинамическом цикле 1-2-3-4 (рис. 1а) теплота Он сжигания топлива преобразуется в рабо-

Рис. 1. Прямой (а) и обратный (б) термодинамические магнитные циклы Эриксона:

Тн - температура нагрева, Тос - температура окружающей среды,

Тохл - температура охлаждения, Он - теплота нагрева, подводимая при сжигании топлива, Оос - теплота, отводимая в окружающую среду,

Оохл - теплота, отводимая от объекта охлаждения

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012

Нагрев сжиганием природного газа

Охлаждение забортной водой

Кондиционирование судовых по мещений

Рис. 2. Схема теплоиспользующей магнитокалорической системы кондиционирования воздуха: 1 - магнитокалорический ротор; 2 - «холодный» циркуляционный контур;

3 - циркуляционный контур сброса теплоты в окружающую среду;

4 - «горячий» циркуляционный контур; 5 - зоны сильного магнитного поля;

6 - теплообменник нагрева природным газом («котел»);

7 - теплообменник сброса теплоты в окружающую среду (забортную воду);

8 - теплообменники в кондиционируемых помещениях

ту, равную площади этого цикла. В обратном термодинамическом цикле 1-2-3-4 (рис. 1б) при затрате внешней работы происходит охлаждение объектов на температурном уровне Тохл (на рис. 1б Тохл < Тос). Если реализовать эти два цикла в одном устройстве, то можно создать теплоиспользующую СКВ, работающую от своего или общего источника топлива и независимую ни от судовой силовой установки, ни от бортовой электросети, что имеет особенную ценность во время стоянок или дрейфа. Заметная экономия топлива будет и во время движения с крейсерской скоростью, так как КПД магнитокалорических систем заметно выше, чем у дизельного двигателя и парокомпрессионных СКВ.

Реализовать прямой и обратный циклы в одном агрегате можно двумя способами. В первом способе двигательная часть выполняется по схемам из [1, 2], холодильная — по аналогичным схемам, но с другой организацией теплоносителя, а роторы обоих узлов соединяются общим валом. Во втором способе и прямой, и обратный циклы реализуются в одном роторе, что почти в два раза упрощает конструкцию системы, схема которой показана на рис. 2.

Теплоиспользующая магнитокалорическая система работает следующим образом. В теплообменнике 6 теплоноситель «горячего» контура 4 нагревается сжигаемым топливом. Нагретый теплоноситель поступает в каналы магнитокалорического ротора 1, находящиеся в зоне сильного магнитного поля. В то же время теплоноситель контура 3 охлаждается в теплообменнике 7 забортной водой и поступает в каналы магнитокалорического ротора 1, находящиеся в слабом магнитном поле. Материал, из которого изготовлен магнитокалорический ротор 1, выбирается таким образом, чтобы температура его магнитного фазового перехода находилась вблизи температуры окружающей среды (в данном случае температуры забортной воды в жаркое время года). Магнитная восприимчивость материала в нагретой и охлажденной зо-

нах магнитокалорического ротора 1 имеет значительную разницу, что вызывает появление силы магнитного притяжения, воздействующей на магнитокалорический ротор 1 (реализуется прямой цикл по рис. 1а). При этом магнитокалорический ротор 1 проворачивается по часовой стрелке (по рис. 2), что приводит к уменьшению магнитного поля в зоне магнитокалорического ротора 1, где прокачивается теплоноситель «холодного» контура 2. В результате магнитокалорического эффекта эта зона магнитокалорического ротора 1 охлаждается (реализуется обратный цикл по рис. 1б) и охлаждает теплоноситель «холодного» контура 2, который поступает в теплообменники 8 в кондиционируемых помещениях судна. Количество теплообменников 8 определяется количеством и размером кондиционируемых помещений. Теплообменники 8 размещаются под потолком судовых помещений или встраиваются в систему вентиляции, их количество в каждом помещении определяется тепловой нагрузкой на это помещение. Для индивидуальной регулировки температуры в судовых помещениях перед теплообменниками 8 могут быть установлены регулирующие вентили, а для автоматического поддержания температуры — терморегулирующие вентили (на рис. 2 не показаны).

Теплоносители прокачиваются в циркуляционных контурах 2—4 за счет профиля каналов в магнитокалорическом роторе 1 и направляющем аппарате (на рис. 2 не показан).

Холодопроизводительность магнитокалорической СКВ зависит от разности температур на теплообменниках 6 и 7, теплоты сгорания топлива, количества зон сильного магнитного поля 5, величины индукции магнитного поля, размеров, массы и материала магнитокалорического ротора 1, частоты его вращения.

Приведенная на рис. 2 магнитокалорическая СКВ была рассчитана для двух судов Обь-Иртышского бассейна: «Чернышевский» (проект 646), и «Восход»

Рис. 4. Продольный разрез судна проекта 352

Таблица 1

Проект судна Объем кондиционируемых помещений, м3 Холодопроизводительность СКВ, кВт Холодильный коэффициент СКВ КПД СКВ Расход природного газа, кг/час

646 1000 80 6,2 0,8 7,6

352 130 18 5,7 0,75 2,2

(проект 352). Температура наружного воздуха принималась + 31 °С, температура забортной воды +25 °С, температура воздуха в помещениях +23 оС.

Для иллюстрации масштабов кондиционируемых помещений на рис. 3 и 4 показан внешний вид этих судов, длина судна проекта 646 составляет 62,5 м, ширина — 12 м, надводная высота — 11,1 м; длина судна проекта 352 — 27,6 м, ширина — 6,4 м, надводная высота — 4 м.

Характеристики магнитокалорических СКВ, рассчитанных для этих судов, приведены в табл. 1. Следует отметить, что в табл. 1 приведены максимальные значения холодопроизводительности и расхода природного газа, в реальных условиях судоходства эти значения будут изменяться от этих максимальных значений до нулевых.

Из табл. 1 видно, что теплоиспользующие магнитокалорические СКВ имеют высокие технические и эксплуатационные характеристики, а также целесообразность и выгодность их использования на речных судах.

Системы кондиционирования воздуха, не зависимые от силовых установок судов, можно создать при помощи магнитокалорического эффекта, что по-

зволяет повысить их надежность, перейти к экологически чистым технологиям, уменьшить расход топлива.

Библиографический список

1. Карагусов, В. И. Магнитокалорические двигатели внешнего сгорания на речных судах / В. И. Карагусов // Транспорт на альтернативном топливе. — 2011. — № 2. — С. 38 — 41.

2. Карагусов, В. И. Комбинированная магнитокалорическая силовая установка на речных судах / В. И. Карагусов // Транспорт на альтернативном топливе. — 2011. — № 3. — С. 37 — 38.

КАРАГУСОВ Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология», академик РАЕН. Адрес для переписки: [email protected] НОВИКОВ Алексей Алексеевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов».

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 09.12.2011 г.

© В. И. Карагусов, А. А. Новиков

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА