CC BY
91
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
12. Калекин, В. С. Поршневые пневмодвигатели с самодействующими клапанами [Текст] / В. С. Калекин, Д. В. Калекин // Актуальные проблемы химической технологии и подготовки кадров : матер. Всерос. науч.-практ. конф. — Уфа : Изд-во УГНТУ, 2006. - С. 253-258.
13. Загородников, А П. Программное средство для рационального конструирования поршневых пневмодвигателей и агрегатов [Текст] / А П. Загородников, В. С. Калекин, Д. В. Калекин // Компрессорная техника и пневматика. — 2011. — № 6. — С. 6—12.
ЗАГОРОДНИКОВ Антон Павлович, старший преподаватель кафедры «Информатика и вычислительная техника».
КАБАКОВ Анатолий Никитович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология». КАЛЕКИН Вячеслав Степанович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа. Стандартизация и сертификация».
КАЛЕКИН Дмитрий Вячеславович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Информатика и вычислительная техника».
Адрес для переписки: kalekinvc@mail.ru
Статья поступила в редакцию 06.12.2011 г.
©А. П. Загородников, А. Н. Кабаков, В. С. Калекин,
Д. В. Калекин
УДК 628.8:534.8 : 629 В. И. КАРАГУСОВ
А. В. БУБНОВ С. Н. ЛИТУНОВ
Омский государственный технический университет
ТЕПЛОИСПОЛЬЗУЮЩИЙ
ТЕРМОАКУСТИЧЕСКИЙ
КОНДИЦИОНЕР
Современное состояние развития термоакустических систем позволяет использовать их для создания бортовых транспортных теплоиспользующих систем кондиционирования воздуха с подводом энергии путем сжигания газа. Использование такого подхода позволяет перейти к экологически чистым технологиям климатехники, а также улучшить потребительские свойства транспортных теплоиспользующих систем кондиционирования воздуха. Ключевые слова: система кондиционирования воздуха, термоакустическая система, транспорт, природный газ.
В настоящее время бортовые системы кондиционирования воздуха (СКВ) строятся, как правило, по парокомпрессионному циклу с фреонами (хла-донами) в качестве рабочих тел. Такие СКВ содержат экологически неблагоприятные рабочие тела и требуют их дозаправки в процессе эксплуатации из-за утечек в атмосферу. Применение СКВ, отбирающих мощность с вала ДВС для работы компрессора, связано с потерями мощности на валу ДВС, увеличением расхода топлива, снижением динамических характеристик транспортного средства и использованием механических узлов и передач, в которых возникают трение и износ.
Во время работы автомобильных бортовых парокомпрессионных СКВ возникает противоречие: кондиционер работает практически на полную мощность в летнее время в пробках и на остановках, когда двигатель работает на минимальных оборотах и минимальной мощности, которой обычно не хватает для работы СКВ. При увеличении скорости автомобиля мощность, отбираемая СКВ с вала двигателя, значительно увеличивает время разгона и расход топлива. Работа таких кондиционеров невозможна при неработающем двигателе. Кроме того, требования Монреальского протокола стимулируют разработчи-
ков искать альтернативные решения для построения экологически чистых систем охлаждения и СКВ.
Анализ известных трансформаторов теплоты показал, что наиболее эффективное, технически простое и надежное решение может быть реализовано на термоакустическом эффекте: в прямом термодинамическом цикле тепловая энергия преобразуется в акустическую, а в обратном термодинамическом цикле акустическая энергия генерирует холод (термоакустический эффект Карла Саундхауса и Петра Рийке) [1, 2].
Г азообразного рабочее тело нагревается в прямом термодинамическом цикле, и под действием термо-акутического эффекта теплота преобразовывается в энергию акустических колебаний, которая затем в обратном термодинамическом цикле преобразуется в тепловую. При этом в одном теплообменнике теплота выделяется (происходит нагрев), в другом теплота поглощается (происходит охлаждение). Таким образом, при нагревании одной части устройства на другой происходит генерация холода, что позволяет создать бортовую теплоиспользующую СКВ.
Значительное количество автомобильного транспорта в настоящее время переводится на природный газ, как на одно из самых экономичных и экологичных
Рис. 1. Схема бортовой теплоиспользующей термоакустической СКВ.
1 - вентиль подачи природного газа; 2 - камера сгорания;
3 - теплообменник нагрева; 4 - регенеративный теплообменник (горячий стек);
5, 11 - охлаждающие теплообменники; 6 - резонансная труба;
7, 14 - теплообменники сброса теплоты в окружающую среду;
8 - двухпоточный регенеративный теплообменник; 9 - «холодный» теплообменник; 10 - регенеративный теплообменник (холодный стек);
12 - салонный теплообменник кондиционера; 13 - циркуляционный насос.
топлив. Таким образом, на борту транспортного средства имеется газообразное топливо, которое с высокой эффективностью и независимо от работы двигателя может нагревать теплоиспользующий термоакустический кондиционер и в итоге вырабатывать холод.
Теплоиспользующие термоакустические СКВ должны состоять как минимум из трех систем:
— системы генерации пульсаций давления (акустической волны);
— системы циркуляции теплоносителей, коммуникации и теплообменников;
— системы преобразования акустической волны в холод.
Все три перечисленные системы имеют свои особенности.
Системы генерации пульсаций давления и термоакустического охлаждения должны иметь специфичные теплообменные аппараты с малыми габаритами, большими тепловыми нагрузками и с большими расходами теплоносителей. Система генерации пульсаций давления должна иметь камеру сгорания с регулировкой подачи природного газа и воздуха. Система циркуляции теплоносителей, коммуникации и теплообменников должна иметь достаточно большие расходы теплоносителя (или теплоносителей) на трех температурных уровнях, а также набор теплообменных аппаратов, работающих в различных и напряженных условиях. Вся система бортовой СКВ должна иметь оптимизированные габариты и форму, оптимальное размещение в моторном отсеке и в салоне. Целый ряд проблем связан с увеличением звукового давления внутри термоакустического аппарата и уменьшением шума снаружи него.
На рис. 1 представлена принципиальная схема теплоиспользующей термоакустической СКВ, состоящей из генератора акустических колебаний, термоакустического охладителя и контура с теплоносителем.
Схему теплоиспользующей термоакустической СКВ можно разбить на четыре части.
1. Акустический генератор, состоящий из камеры сгорания 2, двух теплообменников 3 и 5, «горячего» стека (регенеративного теплообменника, прозрачного для акустической волны) 4. Горячий конец стека
4 находится в непосредственном контакте с теплообменником 3, а холодный конец — с теплообменником 5. За счет разности температур на концах стека генерируется акустическая волна, фронт которой направлен вправо (по рис. 1).
2. Промежуточная система охлаждения, которая состоит из охлаждающих теплообменников 5 и 9, теплообменников сброса теплоты в окружающую среду с воздушным охлаждением 7 и 14, а также циркуляционного насоса 13. Назначение этой системы заключается в поддержании необходимой разности температур в горячем и холодном стеках для преобразования тепловой энергии в энергию акустической волны и для преобразования энергии акустической волны в полезный холод в салоне транспортного средства.
Циркуляционная система в зависимости от объекта размещения может быть выполнена одно-, двух-или трехконтурной с одним или несколькими разными теплоносителями. На рис. 1 показан вариант одноконтурной системы, в которую включен салонный теплообменник 12 кондиционера и двухпоточный регенеративный теплообменник 8, который предназначен для регенерации холода, выносимого теплоносителем из салона.
3. Термоакустический охладитель, который включает теплообменники 9, 11 и холодный стек 10. За счет обратного термоакустического эффекта стек со стороны теплообменника 9 охлаждается, а со стороны теплообменника 8 нагревается, тем самым осуществляется холодильный цикл. Теплоноситель, охлажденный в теплообменнике 9, передается в салонный теплообменник 12, где охлаждает воздух.
4. Резонансная труба 6, представляет собой цилиндрический или более сложной формы сосуд, тепло-и звукоизолированный от окружающей среды, с системой креплений к корпусу транспортного средства и к циркуляционным контурам. На резонансной трубе 6 смонтированы в единый агрегат камера сгорания
2, теплообменники 3, 5, 9, 11 и стеки 4, 10.
В герметичном объеме резонансной трубы 6 создается интенсивная акустическая волна. Под действием акустической волны образуются холодная зона (ниже температуры окружающей среды) и горячая
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012
2200
400 ---------------------------------------------------------------------------
2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6
Объем салона, м3 Рис. 2. Зависимость холодопроизводительности СКВ от объема салона транспортного средства
Расход природного газа, кг/час
Рис. 3. Зависимость холодопроизводительности СКВ от расхода природного газа
зона. Акустическая волна переносит тепловую энер- жающую среду за счет уменьшения расхода топлива
гию от холодной зоны к горячей. В итоге термо- транспортными средствами, применения экологиче-
акустическая СКВ использует тепловую энергию ски чистых хладагентов, а также снизить стоимость,
сжигаемого природного газа и вырабатывает холод повысить ресурс, надежность и доступность борто-
для кондиционирования салона, при этом не нужда- вых СКВ, улучшить их потребительские свойства.
ется в компрессоре, хладонах и механических переда- Следует отметить, что давление рабочего тела в тер-
чах. В качестве термоакустического рабочего тела моакустических СКВ значительно ниже, чем в паро-
может использоваться воздух или гелий. компрессионных и не превышает 1...2 ати.
Теплообменник 12 кондиционера размещается в салоне транспортного средства аналогично тради- Библиографический список
ционным. Теплообменники 7 и 14 размещаются вблизи радиатора ДВС или другом вентилируемом месте. 1. K. T. Feldman. Review of literature on Rijke thermoacoustic
Для обеспечения функционирования СКВ при нера- phenomena. // Journal of Sound and Vibration. - 1968. - Vol. 7. -
ботающем ДВС эти теплообменники должны иметь No. 1. - P. 83-89.
собственный вентилятор. 2. Swift G.W. Thermoacoustics: A unifying perspective for so-
На рис. 2 показаны расчетные зависимости холо- me engines and refrigerators. // Published by the Acoustical Socie-
допроизводительности СКВ от объема салона транс- ty of America through the American Institute of Physics. - 2002. -
портного средства и температуры забортного возду- 300 P.
ха, на рис. 3 - зависимость холодопроизводитель-
ности СКВ от расхода природного газа. КАРАГУСОВ Владимир Иванович, доктор техниче-
Использование термоакустического эффекта по- ских наук, профессор кафедры «Холодильная и ком-
зволяет перейти к экологически чистым технологи- прессорная техника и технология», академик РАЕН.
ям климатехники и уменьшить воздействие на окру- Адрес для переписки: karvi@mail.ru.
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: litunov@rambler.ru
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
