Учебники 80362

51

Рисунок 3.24 - Солнечный коллектор: а – разрез 1-1; б – разрез 2-2

Рис. 3.25 - Аксонометрия фрагмента солнечного коллектора

Разрабатывая наиболее перспективные и оптимальные решения [87, 88, 188] для конкретных климатических и геофизических условий, можно добиться широкого внедрения устройств, использующих энергию солнца, не только в южных регионах России, но и в более сереверных широтах, что в конечном итоге существенно сократит потребление традиционных энергоресурсов, особенно в теплый период года.

Гелиотермообработка строительных изделий предполагает использование конструктивно простых устройств, аналогичных плоским солнечным коллекторам [7, 175, 179, 187, 191]. Наиболее дешевые из них представляют собой светопрозрачное укрытие обрабатываемых деталей в виде полиэтиленовой пленки. В этом случае для протекания процесса термообработки необходимо пленку плотно закрепить на кромках мест установки заполненных материалом форм в натянутом состоянии так, чтобы она не провисала, соприкасаясь с деталями. Тогда воздушная прослойка будет выполнять роль

52

тепловой изоляции, уменьшая потери теплоты в окружающую воздушную среду и тем самым, увеличивая температуру строительных изделий. В этом случае сокращается время набора расчетной прочности производимых элементов, но процесс остается продолжительным, что соответственно увеличит время, затрачиваемое на технологическую операцию.

Чтобы повысить эффективность гелиотермообработки и увеличить сезон использования энергии солнца, необходимо применять коллекторы с высококачественной изоляцией корпуса, в том числе и его жесткого основания, образующего дно устройства. Целесообразно использовать двойное спаренное остекление, выполненное со светопрозрачным теплоизолирующим покрытием и с заполнением пространства между листами инертным газом. В этом случае будет обеспечена равномерность прогрева изделия по его высоте, что в конечном итоге вызовет уменьшение амплитуды колебаний при повышении температуры в целом и сократит продолжительность периода набора прочности. Ускорить процесс гелиотермообработки можно, если в дополнение к эффективной конструкции коллектора установить отражатели, которые позволят изменить направление лучей и тем самым обеспечат более интенсивную радиацию в зоне размещения строительных изделий.

Глава 4. Системы кондиционирования воздуха с альтернативным холодоснабжением.

Проектируемые и эксплуатируемые системы солнечного теплоснабжения в отличие от установок, предназначенных только для горячего водоснабжения, как правило, имеют значительные площади коллекторов, которые не требуются в теплый период года по причине отсутствия расходов тепловой энергии на отопление. Предназначенные для теплоснабжения массивы устройств активного улавливания солнечной радиации в летние месяцы прогревают теплоноситель до температуры, позволяющей осуществить нетрадиционное холодоснабжение сооружений за счет использования абсорбционных установок. Поэтому наряду с нетрадиционным обеспечением зданий тепловой энергией в этом случае целесообразно предусматривать и альтернативное холодоснабжение.

Для восполнения данной нагрузки можно применять как абсорбционные холодильные машины, так и пароэжекторные. Наибольшее распространение по причине высокой надежности получили абсорбционные установки с замкнутым термодинамическим циклом [111]. Ниже остановимся подробней на устройствах, относящихся к этому классу.

Для альтернативного холодоснабжения объектов можно также воспользоваться и парокомпрессионными холодильными машинами, если смонтировать фотоэлектрические преобразователи. Но их низкий кпд и одновременно требуемая значительная мощность делает такие установки на современном этапе неконкурентоспособными. Кроме того, следует отметить, что требуе-

53

мая регулярная смена аккумуляторов, естественное старение материала фотоэлементов и высокая стоимость применяемого оборудования приводит к убыточности таких систем.

В отличие от парокомпрессионных солнечные холодильные абсорбционные машины на бромистом литии достаточно хорошо себя зарекомендовали, в том числе и для кондиционирования воздуха помещений. К их положительным качествам можно отнести и то, что выпуск таких устройств может быть освоен предприятием с незначительными производственными фондами и с небольшими финансовыми затратами. Температура в 70-90 оС, необходимая для работы бромисто-литиевых установок, может быть успешно получена посредством солнечных коллекторов, в том числе и плоских.

Водоаммиачные абсорбционные холодильные установки характеризуются большей эффективностью по сравнению с бромисто-литиевыми, но для их бесперебойной работы нужна температура не ниже 180-200 оС [101], что может быть обеспечено применением концентраторов для поступающего излучения, которым требуется надежная система слежения за Солнцем. Поэтому при утилизации солнечной радиации для холодоснабжения в основном применяются бромисто-литиевые абсорбционные холодильные машины малой и средней мощности.

Не смотря на существующие технические решения, проверенные длительной эксплуатацией, необходимо стремиться к созданию холодильных установок с высокоэффективными устройствами улавливания солнечной энергии, так как чем больше температура теплоносителя, направляемого в десорбер, тем выше кпд и тем боле экономичной окажется система в целом. Учитывая в данном случае зависимость рабочего цикла от времени суток, следует уделять также особое внимание и оборудованию для аккумуляции получаемого холода, развивая его возможности, как в направлении увеличения времени хранения, так и мощности.

4.1. Абсорбционные холодильные машины

При высокой температуре наружного воздуха в теплый период года работа традиционных компрессорных холодильных установок, в том числе и кондиционеров с данным типом охлаждения, создает пиковые нагрузки на электросеть. Снизить потребление электроэнергии зданием можно за счет применения абсорбционных холодильных машин (АБХМ), а в свою очередь сократить расход последними тепловой энергии можно при использовании вторичных ресурсов или возобновляемых источников, в частности солнечной радиации.

В АБХМ повышение давления хладагента осуществляется с помощью термомеханического компрессора, работа которого основана на использовании экзотермических процессов смешения веществ и эндотермических про-

54

цессов их разделения. В абсорбционных установках применяют бинарные смеси, состоящие из рабочего агента и абсорбента (поглотителя). При этом температура кипения смеси, образованной из указанных компонентов, отличается от нормальных температур кипения смешиваемых веществ. Наибольшее распространение в АБХМ нашли водные растворы аммиака и бромистого лития.

Преимущество АБХМ заключается в значительно меньших потреблении электрической энергии и эксплуатационных затратах, что обеспечивается использованием теплоты для термодинамического цикла и надежностью оборудования, не требующего обслуживания. Необходимая для десорбции тепловая энергия может быть получена при непосредственном сжигании топлива, что существенно сокращает потери, а существенно снизить ее традиционное потребление можно при утилизации тепловых выбросов и при использовании альтернативных источников энергии.

Затраты энергии на кондиционирование воздуха в летние месяцы составляют существенную часть от общей нагрузки здания. При ограничении максимальной мощности электропотребления использование абсорбционных холодильных машин для данной цели является хорошим способом минимизации и сглаживания пиковых нагрузок на сети. Так же можно применять гибридные системы, в которых базовое охлаждение производится электрическими чиллерами, а пиковая – абсорбционными холодильными машинами.

АБХМ может входить как в состав только системы холодоснабжения, так и в интегрированную систему тепло- и холодоснабжения. Последнее предполагает одновременную выработку холода и получение горячей воды, необходимой потребителю, что сокращает затраты теплоты на здание. Однако существенная экономия может быть достигнута за счет утилизации тепловых выбросов и использования возобновляемых источников, в том числе и для выработки электроэнергии.

4.1.1. Обоснование применения абсорбционных холодильных машин для утилизации солнечной энергии

В АБХМ хладагент, в соответствии с представленной схемой на рисунке 4.1, переходит в парообразное состояние в испарителе за счет теплоты, забираемой от охлаждаемой среды, а затем, поступая в абсорбер, поглощается абсорбентом. Получаемая жидкость направляется в генератор (десорбер), где при нагревании от внешнего источника тепловой энергии выделяются пары хладагента из абсорбента, которые впоследствии поступают в конденсатор. В конденсаторе хладагент переходит в жидкое состояние, отдавая свою теплоту охлаждающей среде, и затем направляется с понижением давления посредством регулирующего вентиля в испаритель.

55

Рисунок 4.1. Схема одноступенчатой абсорбционной холодильной машины: 1 – испаритель; 2 – конденсатор; 3, 6 - расширительный клапан; 4 – абсорбер; 5 – генератор; 7 – насос; 8, 10 - трубопровод парообразного хладагента; 9 - трубопровод жидкого хладагента; 11 – трубопровод для охлаждаемой среды; 12, 13 – трубопровод охлаждающей воды; 14 – трубопровод теплоносителя

Рациональный выбор бинарной смеси в качестве хладагента и требуемого оборудования следует проводить на основании классификации АБХМ. Поэтому рассмотрим возможности и технические параметры холодильных установок данного типа.

Для трансформации теплоты, поступающей от какого-либо источника, как указывалось ранее, применяют в основном бромисто-литиевые или аммиачные АБХМ. В бромисто-литиевых АБХМ в качестве хладагента используется вода, а в качестве абсорбента – бромид лития LiBr. В аммиачных в качестве хладагента используется аммиак NH3, а в качестве абсорбента – вода. В настоящее время наибольшее распространение получили бромистолитиевые АБХМ, так как рабочий цикл в отличии от аммиачных не требует температуру теплоносителя свыше 100 оС.

По схеме организации холодильного цикла абсорбционные установки подразделяются на одноступенчатые, двухступенчатые, трехступенчатые и гибридные [64]. Комбинированные (гибридные) системы включают АБХМ и когенераторные установки на природном газе, обеспечивающие выработку тепловой и электрической энергии. Использование гибридных установок позволяет оптимизировать нагрузку на системы энергоснабжения и экономить ресурсы.

АБХМ бывают прямого и непрямого нагрева [219]. В машинах прямого нагрева источником тепла может быть газ или другое топливо, сжигаемое непосредственно в установке. В машинах непрямого нагрева используется пар или другой теплоноситель, который доставляет теплоту от источника к установке. В этом случае может быть использована, тепловая энергия, являющаяся побочным продуктом технологического процесса, или полученная от возобновляемых источников.

56

При утилизации солнечной энергии для альтернативного холодоснабжения могут быть использованы абсорбционные установки как с замкнутыми, так и разомкнутыми термодинамическими циклами [111]. Во втором типе АБХМ десорбер представляет открытую наклонную плоскость, принимающую солнечное излучение, на которую подается бинарная смесь. При нагревании хладагента происходит испарение воды и повышение его концентрации. Затем крепкий раствор направляется в абсорбер, где он вновь поглощает водяные пары, выделяющиеся в испарителе. Недостатком открытого десорбера является засорение используемого раствора, а также возможность смыва его осадками. Учитывая высокую надежность АБХМ с замкнутым циклом, ниже будут рассматриваться установки для получения холода посредством утилизации солнечной радиации, работающие по данному принципу.

Эффективность абсорбционных холодильных машин характеризуется тепловым коэффициентом термодинамического цикла, определяемым как отношение холодопроизводительности установки к затратам тепловой энергии [6, 14]. Тепловой коэффициент одноступенчатых АБХМ находится в пределах от 0,6 до 0,8 при максимально возможном значении 1 [219, 218]. В связи с этим одноступенчатые АБХМ целесообразно использовать в случаях, когда есть возможность утилизации тепловой энергии, например, сбросная тепловая энергия от электростанций, котлов или возобновляемых источников.

Двухступенчатые АБХМ характеризуются величинами теплового коэффициента, равными примерно 1 при максимально возможном значении 2, а трехступенчатые, еще не доступные для коммерческого использования, характеризуются величинами холодильного коэффициента от 1,4 до 1,6 [219].

Эффективность реальных холодильных машин существенно отличается от расчетных величин, получаемых для идеального цикла. Это происходит в основном из-за сложных необратимых процессов, проходящих в рабочих жидкостях. Поэтому к хладагентам, предъявляется ряд специфических требований, обусловленных особенностями протекания абсорбционного холодильного цикла. Эти требования включают [219, 10]:

•высокую растворимость в абсорбенте при заданной рабочей температуре абсорбера;

•низкую растворимость при заданной рабочей температуре генератора;

•отсутствие химической реакции с абсорбентом во всем диапазоне рабочих температур.

Водноступенчатых АБХМ хладагент последовательно перемещается через четыре вида основного оборудования: испаритель, абсорбер, генератор (десорбер) и конденсатор, условно изображенных на рисунке 4.1.

Узел генератора-абсорбера повышает давление паров холодильного агента от давления кипения до конденсации посредством предварительного поглощения паров раствором и последующим их освобождением из бинарной смеси при давлении конденсации.

57

Когда пары хладагента поглощаются в абсорбере, температура раствора при этом повышается. Для устранения этого явления устанавливают охлаждающий змеевик, поглощающий теплоту растворения qА. Раствор в абсорбере называют крепким раствором, так как он богат холодильным агентом. Насос откачивает крепкий раствор из абсорбера, повышает его давление и нагнетает крепкий раствор в генератор. В генераторе при подводе тепла qГ температура раствора увеличивается, вследствие чего часть холодильного агента отгоняется в виде паров с повышением давления и температуры. Когда пары хладагента покидают раствор, он в генераторе становится слабым, то есть приобретает низкую концентрацию холодильного агента. Слабый раствор направляется обратно в абсорбер через регулирующее устройство, поддерживающее перепад давлений в системе. Из генератора пары холодильного агента проходят в конденсатор, основной регулирующий вентиль и испаритель, так же как в паровой компрессионной холодильной машине.

Особенностью абсорбционной холодильной машины является незначительная затрата механической энергии, которая требуется в большом количестве в парокомпрессионных устройствах. Основным потреблением энергии является подача в генератор теплоносителя с высокой температурой.

Так как одноступенчатая абсорбционная машина (рис. 4.1) обеспечивает требуемое охлаждение с низким тепловым коэффициентом, то для повышения ее эффективности дополнительно устанавливают теплообменники, схематично изображенные на рисунке 4.2. Потери энергии при циркуляции абсорбента между абсорбером – генератором и хладагента снижаются при наличии рекуперативных теплообменников.

К бромисто-литиевым машинам применим рассмотренный цикл водоаммиачной установки. Тепло, подаваемое к генератору, позволяет получить водяные пары, направляемые к конденсатору, где эти пары конденсируются. Затем вода после прохождения через диафрагму или сопло, которые заменяют регулирующий вентиль, поступает в испаритель при низком давлении. При кипении воды в испарителе снижается температура остающейся жидкой фазы. Пары поступают в абсорбер и поглощаются раствором бромистого лития, уменьшая его концентрацию за счет увеличения массовой доли воды. Для смеси, выходящей из генератора, характерна высокая концентрация бромистого лития.

58

Рисунке 4.2. Схема одноступенчатой абсорбционной холодильной машины с теплообменниками: 1 – испаритель; 2 – конденсатор; 3, 6 - расширительный клапан; 4 – абсорбер; 5 – генератор; 7 – насос; 8, 10 - трубопровод парообразного хладагента; 9 - трубопровод жидкого хладагента; 11, 12 - теплообменники

В нерастворенном состоянии бромистый литий – твердое вещество. Он гигроскопичен и при поглощении 30 % воды становится жидким [10]. Молекулы бромистого лития не смешиваются с парами воды, что отличает броми- сто-литиевую машину от водо-аммиачной, в которой некоторая часть абсорбента – водяного пара – циркулирует вместе с аммиаком. Давление во всей системе бромисто-литиевой машины ниже атмосферного. Для температуры кипения +7 оС давление должно составлять около 1 кПа (8 мм рт. ст.) [10]. Поэтому в холодильных установках необходимо предусматривать устройства для удаления воздуха из системы в случае возникновения неплотностей.

Несмотря на низкий коэффициент полезного действия одноступенчатых АБХМ, они часто устанавливаются в тех зданиях, где имеются легкодоступные источники возобновляемой и сбросной теплоты. Машины этого типа используются в системах кондиционирования воздуха и для охлаждения воды, потребляемой в различных технологических процессах. Установочная мощность одноступенчатых АБХМ может составлять от 15 кВт до 5 МВт. Технические данные некоторых АБХМ приведены в табл. 4.1. [220].

Таблица 4.1 Технические данные бромисто-литиевых холодильных установок

59

Более высокой эффективностью по сравнению с одноступенчатыми обладают двухступенчатые АБХМ. В этих установках, в отличие от одноступенчатых холодильных машин, используется два конденсатора или два абсорбера, с тем чтобы обеспечить более эффективное выделение хладагента из абсорбента при меньших затратах тепловой энергии. Однако в поставленной задаче - утилизации солнечной энергии для получения холода они еще не нашли применения, так как требуют более высокой температуры греющего теплоносителя. Последнее можно получить только за счет применения концентраторов солнечного излучения, что значительно усложняет установку и увеличивает стоимость оборудования.

4.1.2. Технические условия, способствующие расширению области применения АБХМ

Основным преимуществом АБХМ является сокращение эксплуатационных расходов за счет снижения потребления дорогостоящей электрической энергии, что, в свою очередь, обеспечивает выравнивание пиковых нагрузок на электросеть. Кроме того, применение такой схемы охлаждения повышает надежность систем обеспечения микроклимата, так как в этом случае исключается зависимость только от одного единственного источника электроэнергии, особенно в случае использования гибридных систем. Целесообразно применение АБХМ так же и в качестве резервной установки для холодоснабжения.

Данные системы охлаждения в конечном итоге обеспечивают сокращение в пересчете на топливные ресурсы их потребление, чем сопоставимые парокомпрессионные установки. Утилизация сбросной тепловой энергии или

60

активное применение возобновляемых источников еще более увеличивает рентабельность АБХМ.

Наряду с эффективным использованием топливно-энергетических ресурсов абсорбционные холодильные установки обладают также еще дополнительными преимуществами [219, 10]:

•экологическая безопасность за счет отказа от использования хладагентов на основе хлорфторуглерода (CFC) и гидрохлорфторуглерода (HCFC);

•не имеют массивных движущихся частей, способствующих быстрому износу;

•пониженный шум при работе оборудования и отсутствие вибраций;

•давление в системе не достигает высоких значений;

•повышенная надежность установок;

•низкая стоимость обслуживания.

При прямом нагреве в абсорбционных установках сжигание газа дает весьма незначительное количество вредных выбросов, поскольку современные устройства обеспечивают достаточно полное сгорание. Однако использование нетрадиционных экологически чистых источников энергии полностью устраняет этот недостаток.

В АБХМ можно получать не только охлажденную воду для кондиционирования воздуха и технологического процесса, но и горячую, в том случае, если они оборудованы вспомогательным теплообменником и необходимым автоматическим управлением. Если в системе предусмотрены эти две функции, то, как правило, общие затраты, включая капитальные и эксплуатационные, будут ниже, чем при использовании отдельно установленных холодильных машин и теплообменников для приготовления горячей воды.

Но, следует отметить, что остающаяся на относительно высоком уровне стоимость оборудования не способствует широкому распространению АБХМ. Низкая эффективность одноступенчатых АБХМ отрицательно сказывается на конкурентоспособности, за исключением случаев использования легкодоступной сбросной и возобновляемой энергии. Применение же более прогрессивных двухступенчатых установок не во всех ситуациях экономически обосновано. Еще одно ограничение в применении АБХМ связано с относительно высокими затратами энергии на работу насосов. Это связано с тем, что технологии охлаждения, отличающиеся низким коэффициентом термодинамического цикла, требуют большего расхода хладагента по сравнению с системами, имеющими высокую эффективность, и, соответственно, значительную производительность циркуляционных насосов. Так же при использовании абсорбционных холодильных машин с завышенным расходом хладагента необходимы градирни большей производительностью, чем для парокомпрессионных холодильных машин.

4.1.3. Тепловая эффективность абсорбционных холодильных машин