CC BY
24
УДК 621.575 DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2019.4(116).61-64
УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПАРАМЕТРОВ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ КАК ОДИН ИЗ СПОСОБОВ УМЕНЬШЕНИЯ НЕГАТИВНОГО ВЛИЯНИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Р.А.Усенков
IMPROVING THE PARAMETERS OF REFRIGERATION UNIT AS ONE OF THE WAY TO REDUCE THE NEGATIVE IMPACT ON THE ENVIRONMENT
R.A.Usenkov
Казанский государственный аграрный университет, [email protected]
Выполнен анализ использования бытовых кондиционеров и холодильных установок в настоящее время и рассмотрены основные аспекты их негативного влияния на окружающую среду. Приведены основные негативные факторы постоянного использования бытовых кондиционеров и холодильных машин, влияющие на состояние почвы и атмосферного воздуха, и даны рекомендации по сведению к минимуму этих воздействий. Проведен обзор литературных источников по вопросу использования бромисто-литиевых абсорбционных холодильных машин. Рассмотрен способ получения холода с помощью разработанной модифицированной бромисто-литиевой абсорбционной холодильной машины. Для этого была создана схема холодильной установки с использованием солнечной энергии. В качестве внешнего источника тепловой энергии для генератора модифицированной холодильной установки предлагается использовать рекуперативный теплообменный аппарат - солнечный коллектор. Произведен ориентировочный расчет эффективности работы представленной модифицированной абсорбционной холодильной машины и произведено ее сравнение с другими установками данного типа.
Ключевые слова: холодильная установка, бытовой кондиционер, окружающая среда, эффективность работы холодильной установки, солнечный коллектор, генератор
An analysis of the use of domestic air conditioners and refrigeration units is currently underway and the main aspects of their negative impact on the environment are considered. The main negative factors affecting the state of soil and atmospheric air from the constant use of domestic air conditioners and refrigerators are explored and recommendations to minimize these effects are given. Literature review on the use of lithium bromide absorption refrigeration machines is carried out. The method of producing cold using the developed modified lithium bromide absorption refrigeration machine is described. For this, a scheme of refrigeration unit using solar energy was created. It is proposed to use a solar collector recuperative heat exchanger as an external source of thermal energy for the generator of the modified refrigeration unit. Modified absorption chillers are presented and compared with other plants of this type.
Keywords: refrigeration units, household air conditioning, environment, refrigeration efficiency, solar collector, generator
Введение
В последнее время наблюдается тенденция всё большего использования населением всего мира бытовых кондиционеров и холодильных машин. Эти энергетические установки объединяет тот факт, что они работают по обратному термодинамическому циклу. Характерной особенностью является то, что за последние 50-70 лет принцип работы бытовых кондиционеров и холодильных машин существенных изменений не претерпел. С позиции основ технической термодинамики, заложенных в начале 19 в. инженером Сади Карно, для реализации холодильного цикла необходимо в нужный момент подвести тепловую энергию, а следующий момент — ее отвести. Не секрет, что тепловая энергия от этих энергетических установок отводится в окружающую среду, существенно влияя на температуру атмосферного воздуха. Причем все возрастающее количество холодильных установок приводит к росту потребления электрической энергии в момент их использования.
Современные бытовые кондиционеры являются сплит-системами. Другими словами, в летний период времени они работают на охлаждение и увлажнение воздуха, циркулирующего во внутреннем объ-
еме помещения, а поздней осенью и ранней весной они могут работать в режиме теплового насоса и подогревать воздух. Таким образом, время использования систем кондиционирования воздуха существенно увеличивается и доводится до нескольких месяцев в году.
Особенно остро проблема все возрастающего количества энергоустановок данного типа встает перед жителями мегаполисов. Не все жилые дома в городах обладают ограждающими конструкциями с эффективной теплоизоляцией. В результате условия микроклимата в рабочей зоне помещения (особенно в летний период) напрямую зависят от температуры окружающего воздуха. Для создания оптимальных условий микроклимата в рабочей зоне используется бытовой кондиционер, который способен поддерживать необходимую температуру и относительную влажность воздуха лишь в одном помещении. Поэтому для обеспечения оптимальных условий микроклимата бытовые кондиционеры устанавливают почти в каждом помещении.
По статистике, в настоящее время во всем мире насчитывается чуть более миллиарда бытовых кондиционеров, что говорит о том, что на каждые семь человек на Земле приходится примерно одна холо-
дильная установка. С учетом все возрастающего количества холодильных установок данная проблема уже в скором времени выйдет на первый план. По прогнозам ученых, к 2050 г. количество бытовых кондиционеров во всем мире превысит 4,5 миллиарда единиц. При этом кондиционеры будут использовать около 13% всей произведенной электроэнергии в мире и производить 2 миллиарда тонн двуокиси углерода СО2 в год. Такое развитие событий, несомненно, приведет к глобальному потеплению во всем мире. Необходимо уже сейчас принимать радикальные меры для корректировки ситуации в лучшую сторону.
Существует два способа решения данной проблемы.
Первый способ связан с тем, что архитекторы и инженеры должны проектировать здания с оптимальной площадью оконных проемов, необходимо также увеличивать толщину ограждающих конструкций и, несомненно, предусматривать эффективную теплоизоляцию несущих стен и кровли здания. К дополнительным мероприятиям, способствующим частичному отказу от систем кондиционирования воздуха, можно отнести полное или частичное затемнение оконных проемов с целью уменьшения интенсивности поступления солнечного света в помещение. Необходимо также учитывать ориентацию в пространстве строящегося здания по сторонам света и не допускать, чтобы все окна на фасаде здания выходили на южную сторону. Также в будущем необходимо отказаться от строительства зданий большой этажности и не допускать близкого расположения зданий друг к другу, несмотря на очевидную экономическую выгоду.
Такие решения должны быть закреплены законодательно, так, как это было сделано в Швейцарии в середине 80-х гг. Правительство этой страны запретило установку кондиционеров и, как следствие, на системы кондиционирования воздуха приходится менее 2% всей используемой электроэнергии.
Второй способ связан с созданием более эффективного кондиционера. В последние годы ученые многих стран пытаются спроектировать кондиционер, эффективность которого была бы в 4-5 раз выше, чем текущая стандартная модель и, что немаловажно, с минимальными выбросами двуокиси углерода СО2. Такой кондиционер необходимо спроектировать уже в ближайшее время и постепенно произвести замену уже существующих кондиционеров на новую модель.
Совершенно очевидно, что для уменьшения техногенного загрязнения окружающей среды необходимо также разрабатывать и внедрять эффективные энергосберегающие бромисто-литиевые абсорбционные холодильные машины, использование которых сведет к минимуму загрязнение почвы и окружающего воздуха. Для модернизации бромисто-литиевых абсорбционных холодильных машин можно использовать возобновляемые источники энергии. К ним можно отнести солнечную энергию, которую допустимо использовать для получения холода с помощью абсорбционных холодильных машин.
В работе [1] рассматривается математическая модель абсорбционной бромисто-литиевой холодиль-
ной машины с тремя схемами движения раствора через ступени генератора: параллельной, последовательной и противоточной. Полученная математическая модель позволяет произвести термодинамический расчет цикла, определить термодинамические свойства воды, водяного пара и водного раствора бромистого лития. Помимо этого, математическая модель дала возможность оценить влияние изменяющихся параметров внешних источников теплоты и температурных напоров в аппаратах абсорбционной бромисто-литиевой холодильной машины для всех трех схем движения раствора через ступени генератора. Разработанная математическая модель позволила определить наиболее эффективный тип машины для заданных параметров внешних источников теплоты.
В работе [2] представлены результаты термодинамического анализа процессов, происходящих в абсорбционной модифицированной бромисто-литиевой холодильной машине АБХМ 3000, и реализация результатов анализа в виде математической модели. Получены результаты по исследованию процессов тепло-и массообмена в аппаратах холодильных машин и тепловых насосов.
Анализ литературных источников показал, что имеется возможность вносить изменения в существующие конструкции абсорбционных холодильных машин с целью их улучшения.
Методы
Для получения холода была разработана модифицированная конструкция бромисто-литиевой абсорбционной холодильной машины, схема которой представлена на рисунке.
Схема абсорбционной холодильной установки
Принцип работы бромисто-литиевой абсорбционной холодильной машины заключается в следующем: установка состоит из генератора 1, конденсатора 2, испарителя 3, абсорбера 4, насоса 5, теплообменника 6 и дроссельных вентилей 7 и 8. В представленной установке отсутствует мотор-компрессор, а давление в системе повышается сначала при растворении хладагента в слабом растворе в абсорбере 4, а затем с помощью насоса 5.
Цикл начинается с выпаривания воды из крепкого раствора и перегрева, образующегося водяного пара в генераторе 1. При этом к генератору подводится теплота QГ от внешнего источника тепловой энер-
гии 9. Температура перегретого пара в генераторе 1 варьируется от 77°С до 99°С. Далее перегретый пар поступает в конденсатор 2, где он охлаждается до 37...40°С с помощью воды, поступающей из градирни, при этом рабочее тело меняет свое агрегатное состояние и превращается в жидкость. При этом от конденсатора 2 отводится теплота QК. Затем хладагент поступает в дроссельный вентиль 7, где происходит его расширение, и жидкость частично испаряется. Далее рабочее тело поступает в испаритель 3, где при низком избыточном давлении происходит полное испарение жидкости, и ее температура становится равной 4°С. Для реализации процесса испарения жидкости (хладагента) в испарителе 3 необходимо забирать теплоту QИ от окружающего воздуха, циркулирующего в помещении. Получившийся пар при низком давлении поступает в абсорбер 4, где он поглощается слабым раствором, и при этом получается крепкий раствор, а также повышается давление в системе. Для реализации термодинамического процесса в абсорбере необходимо отводить теплоту QА от рабочего тела. Затем получившийся крепкий раствор поступает в насос 5, в котором создается повышенное давление, за счет которого рабочее тело подается в теплообменник 6 и затем поступает в генератор 1. Далее процессы, происходящие внутри абсорбционной холодильной установки, повторяются.
Для обеспечения работы абсорбционных холодильных машин необходимо подводить теплоту к генератору 1 холодильной установки. В качестве внешнего источника тепловой энергии для генератора можно использовать возобновляемую солнечную энергию. Тепло от солнечных лучей будет передаваться через цилиндрическую поверхность трубы промежуточному теплоносителю (воде) в рекуперативном теплообменнике — солнечном коллекторе 9. Энергосберегающий эффект работы абсорбционной холодильной машины будет заключаться в экономии топлива для нагрева воды, необходимой для работы генератора. Работа абсорбционной холодильной машины в ночное время может быть обеспечена за счет применения аккумулятора тепловой энергии или дополнительного (резервного) источника энергии.
Абсорбционная холодильная машина используется для получения холодной воды в системах кондиционирования воздуха, и такая энергетическая установка будет более безопасной, экономичной и малошумной по сравнению с компрессионной холодильной машиной.
Результаты
Анализ термодинамических процессов, происходящих внутри холодильной установки, показал, что использование модифицированной конструкции бро-мисто-литиевой абсорбционной холодильной машины позволит существенно увеличить ее эффективность.
Оценку эффективности абсорбционной холодильной машины становится возможным производить с помощью коэффициента преобразования энергии (теплового коэффициента) ф:
Он
ф=-
Ог
где ОИ — холодопроизводительность, Дж; ОГ — количество теплоты, подведенной в генераторе, Дж.
Типовые значения коэффициента преобразования энергии ф для бромисто-литиевой абсорбционной холодильной машины варьируются в диапазоне 0,6.0,8.
Значение коэффициента преобразования энергии для модифицированной конструкции бромисто-литиевой абсорбционной холодильной установки по предварительным расчетам составит ф = 0,77.
Для работы модифицированной бромисто-литиевой абсорбционной холодильной установки требуется затрачивать не механическую, а тепловую энергию. При использовании в качестве внешнего источника тепловой энергии для генератора солнечного коллектора полностью сберегается тепло, которое было бы затрачено на производство электроэнергии, необходимой для привода электродвигателей компрессоров. За счет использования возобновляемой солнечной энергии при работе абсорбционной холодильной установки наблюдается значительный энергосберегающий эффект в виде экономии топлива, которое приходилось бы сжигать для обеспечения работы генератора от внешнего горячего источника.
Ввиду агрессивности бромистого лития по отношению к металлам, трубы в генераторе и в абсорбере изготавливают из медно-никелевого сплава или из нержавеющей стали, а в водный раствор бромистого лития вводят антикоррозионные добавки. Температура греющего теплоносителя не должна превышать 115°С.
Обсуждение
Проведенный анализ литературных источников и термодинамический анализ показал, что модифицированная бромисто-литиевая абсорбционная холодильная установка является весьма эффективной. На уровень ее эффективности оказывает влияние ряд факторов, к которым можно отнести эксплуатационные показатели (надежность установки) и степень влияния на окружающую среду (шум, вибрация, утечка холодильного агента). По всем этим показателям модифицированная бромисто-литиевая абсорбционная холодильная установка превосходит компрессионную холодильную машину.
Заключение
Бытовые кондиционеры и холодильные установки оказывают существенное влияние на окружающую среду. Помимо того, что они выделяют в атмосферу тепловую энергию, они выбрасывают двуокись углерода СО2, что нарушает общий энергетический баланс. Если число холодильных установок и количество систем кондиционирования воздуха будет продолжать возрастать, то это приведет к глобальному потеплению во всем мире и к экологической катастрофе.
В этой статье предложены возможные пути решения данной проблемы с помощью разработанной модифицированной конструкции бромисто-литиевой абсорбционной холодильной установки.
1. Тимофеевский Л.С., Малинина О.С. Математическая модель абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины с двухступенчатой генерацией пара рабочего вещества // Вестник международной академии холода. 2011. №2. С.41-44.
2. Галимова Л.В. Абсорбционные термотрансформаторы в системах энергосбережения // Холодильная техника. 2004. №5. С.28-29.
3. Степанов К.И., Мухин Д.Г., Миронова Н.В. и др. Пластинчатые теплообменники в абсорбционных бромисто-литиевых термотрансформаторах // Вестник международной академии холода. 2018. №2. С.13-21.
4. Бадылькес И.С., Данилов Р.Д. Абсорбционные холодильные машины. М.: Пищевая промышленность, 1966. 335 с.
5. Блиер Б.М., Вургафт А.В. Теоретические основы проектирования абсорбционных термотрансформаторов. М.: Пищевая промышленность, 1971. 199 с.
6. Берковский Б.М., Кузьмянов В.А. Возобновляемые источники энергии на службе человека. М.: Наука, 1987. 127 с.
7. Быков А.В., Крузе А.С. Холодильные машины и тепловые насосы. М.: Агропромиздат, 1988. 286 с.
8. Дзино А.А., Тимофеевский Л.С., Ковалевич Д.А. Синтез термодинамических циклов одноступенчатой бромисто-литиевой холодильной машины // Холодильная техника. 1992. 367 с.
9. Рей Д., Макмайл Д. Тепловые насосы. М.: Энергоиздат, 1982. 218 с.
10. Сакун И.А. и др. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин. Л.: Машиностроение, 1987. 418 с.
References
1. Timofeyevskiy L.S., Malinina O.S. Matematicheskaya model' absorbtsionnoy bromistolitiyevoy kholodil'noy
mashiny s dvukhstupenchatoy generatsiyey para rabochego veshchestva [Mathematical model of absorption lithium bromide refrigeration machine with two step generation of working substance steam]. Vestnik Mezhdunarodnoi akademii kholoda, 2001, no. 2, pp. 41-44.
2. Galimova L.V. Absorbtsionnyye termotransformatory v sis-temakh energosberezheniya [Absorption thermo - transformers in energy saving systems]. Kholodilnaya technika, 2004, no 5, pp.28-29.
3. Stepanov K.I., Mukhin D.G., Mironova N.V. i dr. Plastin-chatyye teploobmenniki v absorbtsionnykh bromistoliti-yevykh termotransformatorakh [Plate heat exchangers in absorption lithium bromide transformers]. Vestnik Mezhdu-narodnoi akademii kholoda, 2018, no. 2, pp.13-21.
4. Badyl'kes I.S., Danilov R.D. Absorbtsionnyye kholodil'nyye mashiny [Absorption chillers]. Moscow, Pishchevaya pro-myshlennost' Publ., 1966, 335 p.
5. Bliyer B.M., Vurgaft A.V. Teoreticheskiye osnovy proyekti-rovaniya absorbtsionnykh termotransformatorov [Theoretical principles of design of absorption thermo-transformers]. Moscow, Pishchevaya promyshlennost', 1971, 199 p.
6. Berkovskiy B.M., Kuz'myanov V.A. Vozobnovlyayemyye istochniki energii na sluzhbe cheloveka [Renewable energy sources in the service of mankind]. Moscow, Nauka, 140 p.
7. Bykov A.V., Kruze A.S. Kholodil'nyye mashiny i teplovyye nasosy [Chillers and heat pumps]. Moscow, Agropromizdat Publ., 1988. 286 p.
8. Dzino A.A., Timofeyevskiy L.S., Kovalevich D.A. Sintez termodinamicheskikh tsiklov odnostupenchatoy bromistoliti-yevoy kholodil'noy mashiny [Synthesys of thermodynamic cycles single-stage lithium bromide in refrigeration machine]. Kholodil'naya tekhnika, 1992, no.6, pp.9-12.
9. Rey D., Makmayl D. Teplovyye nasosy. Moscow, Energoiz-dat Publ., 1982. 218 p.
10. Sakun I.A. i dr. Teplovyye i konstruktivnyye raschety kholodil'nykh mashin [Thermal and structural calculations of refrigeration machines.Thermal and structural calculations of chillers]. Leningrad, Mashinostroyeniye Publ., 1987, 418 p.
