Учебники 80362

61

Идеальная одноступенчатая АБХМ могла бы обеспечить холодильный эффект, равный количеству тепловой энергии, подведенной к генератору, но

врезультате термодинамических потерь в реальных установках этот показатель всегда будет ниже, чем затраты тепловой энергии. Суточные изменения

впоступлении солнечной радиации, используемой посредством утилизации в процессе десорбции, также оказывают негативное влияние на выработку холода. Чтобы выявить степень снижения стабильности рабочих режимов абсорбционных установок (рис. 4.1) при использовании данного вида возобновляемой энергии, рассмотрим уравнение теплового баланса [60]

где qК - теплота конденсации, кДж/кг; qА - теплота абсорбции паров раствором в абсорбере, кДж/кг; qГ - теплота, подведенная в генераторе (десорбере), кДж/кг; qИ qO - холодильная мощность или теплота, подведенная в испари-

Тогда из баланса потоков теплоты

можно найти выражение для определе- Рисунок 4.3. Тепловой ба- ния теплового коэффициента А ,

ланс одноступенчатой абсорбционной холодильной установки на Т-s- диаграмме

который характеризует эффективность термодинамического цикла [10, 60] и равен отношению полученного холода к теплоте, подведенной к генератору,

62

Выражая из уравнения (4.5) соотношение qO qГ и подставляя его в (4.6)

получаем [60]

Зависимость (4.7) показывает, что тепловой коэффициент идеального цикла АБХМ увеличивается с повышением температуры ТГ и ТО, а уменьшается с повышением температуры охлаждающей воды ТW.

Традиционные источники энергии обеспечивают постоянную, в соответствии с технологическими требованиями, холодопроизводительность АБХМ и стабильный тепловой коэффициент. Другая ситуация возникает при подводе к генератору теплоты, получаемой альтернативным способом. Так суточная неравномерность поступления солнечной радиации вызывает снижение показателей термодинамического цикла АБХМ, которое необходимо учитывать при проектировании систем нетрадиционного холодоснабжения.

В соответствии с актинометрическими данными [116] в июле для 52 ос.ш. изменения теплового потока от солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность площадью 1 м2, с достаточной точностью могут быть аппроксимированы экспоненциальной зависимостью

где qS - тепловой поток, поступающий на горизонтальную поверхность от

воздействия солнечной радиации, Вт/м2; τ – время, ч.; b0, b1, b2 - коэффициенты аппроксимации.

В указанной широте расположены такие города как Курск, Воронеж, Липецк, Балашов, Иркутск, Благовещенск и др. Используя климатические данные 52 ос.ш. можно оценить возможность получения холода посредством утилизации солнечной радиации помимо южных регионов, являющихся наиболее благоприятными для этой цели. В соответствии с зависимостью (4.8) распределение поступлений солнечной энергии на горизонтальную поверхность площадью 1 м2 в течение светового дня подчиняется уравнению

Построенный по зависимости (4.9) график (рис. 4.4) и нанесенные выделенными точками результаты актинометрических наблюдений убедительно показывают его адекватность поступлению солнечной радиации на горизонтальную поверхность. Так же следует отметить, что форма записи выражений (4.8, 4.9) указывает на достижение максимальных значений в полдень и минимальных поступлений в утренние и вечерние часы.

63

Рисунок 4.4. Тепловой поток, отнесенный к площади воспринимающей поверхности: 1- вырабатываемый холод, отнесенный к 1 м2 площади солнечных коллекторов; 2 - поступление солнеч-

ной радиации на горизонтальную поверхность площадью 1 м2 в 52 ос.ш. в июле

Для определения полезной теплоты, получаемой в устройствах улавливания солнечного излучения и в последующем используемой в абсорбционной установке, угол наклона плоских коллекторов к горизонту принят равным широте местности, а их оптический кпд - 0 0,8 . Расчетный темпера-

турный режим теплоносителя, направляемого в генератор, для указанных условий эксплуатации представлен в табл. 4.2.

Снижение интенсивности солнечного излучения не только сокращает вырабатываемый холод, но и ухудшает показатели теплового коэффициента термодинамического процесса, что усугубляет нестабильность режимов эксплуатации. Однако если получаемый холод используется для обеспечения оптимального микроклимата в помещениях, то достигаемые высокие показатели солнечной абсорбционной установки в период от 9 до 16 часов соответствуют возрастающим теплопоступлениям в здания и тем самым способствуют эффективной борьбе с ними.

Учитывая, что в летние месяцы наружные ограждения, прогреваемые интенсивной солнечной радиацией в световой день, впоследствии будут отдавать полученную теплоту как в окружающую среду, так и в помещения, целесообразно холод производить с избытком для его аккумулирования и дальнейшего использования в ночные часы.

Таблица 4.2

64

Изменение параметров абсорбционной холодильной установки при солнечном теплоснабжении генератора

Зависимость (4.8) наглядно показывает распределение по времени интенсивности солнечного излучения, падающего на 1 м2 горизонтальной поверхности, и она удобна для первоначальной оценки ресурса данного альтернативного энергообеспечения. Для более полного исследования влияния изменений солнечной радиации на термодинамический цикл абсорбционной установки следует применять полиномы, позволяющие получать аппроксимацию актинометрических показаний с меньшей погрешностью. Так зависимость вида

характеризуется большей адекватностью к фактическому распределению интенсивности солнечного излучения, поступающего на 1 м2 горизонтальной поверхности, и для 52 ос.ш. (табл. 2.3) она имеет следующий вид

Учитывая необходимость аккумулирования вырабатываемого холода, следует определять среднюю холодопроизводительность абсорбционной установки за суточный период эксплуатации.

4.2.Абсорбционные холодильные машины, использующие альтернативные источники энергии

65

Как указывалось ранее компрессионные холодильные установки по сравнению с абсорбционными являются более экономичными и эффективными, но при имеющихся источниках теплоснабжения по ряду причин следует отдавать предпочтение последним. Чтобы достичь энергосбережения в системах холодоснабжения зданий можно в самом простом случае холодильное оборудование перенастроить на другой рабочий цикл, заменяя компрессор на пневмоили гидродвигатель (рис. 4.5) [146], которые не сложно изготовить и перевести на нетрадиционные источники.

Общим недостатком всех альтернативных компрессионных схем является то, что возобновляемая энергия со значительными потерями преобразуется в механическую [146]. Так же следует отметить, что при нарушении уплотнения вала вращения компрессора теряется его герметичность, что неизбежно приводит к снижению его работоспособности.

Альтернативную энергию значительно проще преобразовывать в воз- вратно-поступательное движение при помощи мембранного привода. Мембраны, изготовленные на основе NEOPREN или EPDM [146], работают в широком диапазоне температур и могут быть эффективно использованы при фреоновом хладагенте. Главное преимущество мембранного привода заключается в отсутствии уплотнений и утечек, а так же в необходимости регулярной смазки. Корпус мембранного устройства при серийном производстве выполняется, в том числе и из полимерных материалов, методом штамповки с невысокой степенью точности, что делает его дешевым и защищенным от коррозии.

Рисунок 4.5. Низкооборотный холодильный компрессор (а), автомобильный компрессор (б) и пневмо (гидродвигатель) (в)

В большинстве случаев системы альтернативного холодоснабжения работают при утилизации солнечной энергии по абсорбционному циклу. К данному классу установок относится изображенный на рис. 4.6. 40-литровый бытовой абсорбционный холодильник, переконструированный на нерадиционные источники энергии [146]. Холод будет вырабатываться, если останется, хотя бы один из указанных на рис. 4.6 источников энергии. В качестве ре-

66

зервного энергопитания можно использовать и каталитические обогреватели, в которых происходит беспламенное горение газа или бензина. Абсорбционный холодильник объемом 40 литров с каталитическим обогревателем будет потреблять всего лишь 8-10 граммов бензина в час [146]. Объем этого устройства для бытовых нужд мал, но он может быть использован в автомобилях или в качестве лабораторного образца.

Широкому применению систем солнечного охлаждения, содержащих абсорбционные установки, мешает ряд присущих им особенностей и недостатков, которые указывались ранее. Однако, при рациональном конструировании, включая оптимизацию рабочих режимов, солнечные АБХМ могут быть конкурентоспособными и с успехом замещать традиционные холодильники и кондиционеры.

Рисунок 4.6. Абсорбционный холодильник, использующий нетрадиционные источники энергии

Основная негативная особенность такого охлаждения состоит в том, что установки работают периодически, то есть неравномерно в течение суток и года, но положительным фактором является то, что наибольшая производительность достигается в самое жаркое время дня и года, когда возникает острая потребность в охлаждении. Поэтому солнечную энергию целесообразно использовать для понижения температуры внутреннего воздуха помещений в летний сезон.

В некоторых конструкциях солнечных холодильников предусмотрены режимы накапливания низкопотенциальной энергии в течение жаркого дня и передачи ее запасов потребителю в отсутствии светового воздействия. Поэтому экономически целесообразно совмещать установку устройств солнечного охлаждения и аккумулирования в системах кондиционирования воздуха.

Современные средства автоматики успешно поддерживают определенную, заданную температуру методом отключения или ограничения производительности охлаждения. Но, в отсутствии солнечного излучения абсорбционные холодильные установки не смогут вырабатывать холод, что неблагопритно повлияет на микроклимат. Учитывая это обстоятельство, в ряде случаев для уменьшения колебаний температуры охлаждаемого объекта следует применять аккумуляторы емкостные или фазового перехода. Наиболее перспективными являются вещества, меняющие свое агрегатное состояние в

67

требуемом для хранения температурном диапазоне. Основным недостатком аккумуляторов, которые обеспечивают холодом потребителя при длительном отсутствии достаточных поступлений солнечной радиации, является их значительный объем. Эта проблема со временем будет решена за счет использования последних технологических достижений, в том числе и нано-уровня.

При повышенных требованиях к кондиционированию воздуха сохранить стабильность поддерживаемой в помещениях температуры можно совместной эксплуатацией систем традиционного и солнечного охлаждения. Для этого посредством регуляторов температуры и средств автоматического управления необходимо правильно установить момент включения парокомпрессионного и абсорбционного охлаждения. При постепенном повышении температуры в обслуживаемом помещении, первым должно включаться в работу солнечное охлаждение, и только в том случае, если оно не справляется с нагрузкой, дополнительно вовлекается в работу парокомпрессионная холодильная установка. Гистерезис на включение и отключение последних устройств, работающих на охлаждение или обогрев, должен быть увеличен. Такой режим кондиционирования или охлаждения позволяет наилучшим образом утилизировать солнечное излучение и экономить постоянно дорожающую электрическую энергию в самый жаркий период года.

Учитывая приведенное обоснование целесообразности применения устройств данного класса, остановимся на некоторых абсорбционных холодильных установках, работающих за счет энергии Солнца.

Фирма Schüco предлагает АБХМ производительностью 15 кВт и 30 кВт [221], которые разработаны специально для использования солнечного излучения. По своим параметрам эти устройства могут быть применены для офисных и торговых помещений, аудиторий и конференц-залов, если при создании комфортного микроклимата требуется соблюдать экологические показатели. Для АБХМ мощностью 15 кВт необходимо коллекторное поле, состоящее из примерно 18 высокотемпературных коллекторов Schüco, а при мощности 30 кВт - около 36 коллекторов [221]. По запросу возможно конструирование установок мощностью более 30 кВт. Такие АБХМ с высокой охлаждающей мощностью (более 100 кВт) уже многие годы бесперебойно работают в ТЭЦ.

Градация установок по мощности охлаждения в 15 кВт и 30 кВт позволяет в сочетании с приводом из тепловых коллекторов солнечной энергии охлаждать небольшие офисные помещения площадью от 200 м2 без электрических компрессоров [221].

Кдостоинствам холодильных установок Schüco можно отнести [221]:

оптимизирован цикл абсорбционного охлаждения, осуществляемый при рабочей температуре теплоносителя от 70 ºC до 95 ºC, которую получают посредством плоских солнечных коллекторов;

для производства холода не используются компрессоры, что снижает уровень шума и обеспечивает минимальное обслуживание оборудования;

68

повышена экологическая безопасность благодаря ограниченному расходу электроэнергии и использованию естественных хладагентов;

подходят для "холодных" потолков и других охлаждаемых строительных конструкций, кондиционеров и вентиляционных установок;

могут быть применены как эффективная замена или дополнение к уже существующим установкам;

централизованное расположение всех разъемов для простого и безопасного монтажа;

оптимизированное автоматическое управление с удобной навигацией по меню.

Широко известная фирма Солар-Полар для решения вопросов конди-

ционирования воздуха помещений также использует абсорбционные системы охлаждения, работающие на солнечной энергии. Данные системы с успехом применяются в течение многих десятилетий в качестве бесшумных недорогих и надежных холодильников, использующих в том числе любой доступный источник тепловой энергии.

В холодильном оборудовании Солар-Полар применен принцип поглощения аммиака по следующим причинам [222]:

такие системы способны преобразовывать тепловую энергию напрямую для получения холода в диапазоне температур, доступных для солнечных коллекторов (с некоторыми изменениями);

низкая стоимость оборудования;

могут быть изготовлены без использования дорогих материалов и сложного производственного процесса;

не имеют движущихся частей, что повышает их надежность и значительно снижает уровень шума;

значительно снижено потребление электроэнергии;

термодинамический цикл установок характеризуется высокой степенью надежности, что позволяет отказаться от какого-либо обслуживания;

доступный и эффективный холодильный агент.

Так как осушение является естественной частью солнечного процесса охлаждения, то в районах с высоким уровнем влажности элементы системы Солар-Полар могут быть использованы для конденсации воды из атмосферы, создавая в сочетании с дистилляцией источник питьевой воды.

Существует только один недостаток такой системы - сниженная энергоэффективность. Другие абсорбционные установки более эффективны, но состоят из многочисленных компонентов, образуя сложные конструкции с значительными габаритными размерами, что повышает их стоимость. Система Солар-Полар характеризуется простотой исполнения, тем самым делая ее недорогой при производстве. При этом цена за Вт потребляемой мощности охлаждения намного ниже, чем в существующих аналогах [222], что в сочетании с отсутствием выбросов вредных веществ обеспечивает в какой-то мере

69

лидерство в области создания АБХМ на основе использования возобновляемых источников энергии.

4.3. Аккумулирование избыточного холода

Аккумуляторы позволяют решать проблему неравномерности нагрузок на холодильные установки. Устройство для хранения холода заряжается в ночное время от парокомпрессионной холодильной установки или днем при использовании интенсивной солнечной радиации в АБХМ, а затем покрывает пиковую нагрузку на энергосеть днем в первом случае или ночное потребление во втором. Это позволяет снизить мощность применяемых холодильных машин и затраты на электроэнергию при использовании многотарифных счетчиков, так как в ночное время тариф может быть более чем в 3 раза ниже дневного.

Как использование альтернативных источников энергии для получения холода, так и традиционные парокомпрессионные установки вызывают необходимость применения аккумуляторов по следующим причинам:

снижение мощности холодильных машин более чем в 2 раза;

снижение на электросеть пиковых нагрузок до 2 раз;

меньшие инвестиционные затраты на холодильное оборудование и подключение к зданию электрических мощностей;

возможность компенсации потреблений при снижении энергетического потенциала возобновляемого источника;

более простое и дешевое обслуживание меньшей по мощности холодильной станции;

работа холодильных машин при максимальных загрузке и кпд;

наличие резервного источника холодоснабжения для ответственных технологических процессов.

Взарубежной практике часто применяют аккумуляторы на основе использования теплоемкости воды, твердых материалов и тепловых труб [109]. Теплоаккумулирующие системы, имеющие для этой цели резервуары с водой, по сравнению с другими видами подобных устройств обладают преимуществами, заключающимися в совместимости с солнечным нагревом и низкой стоимости воды, как аккумулирующей среды. Однако в некоторых случаях из-за ухудшения качества воды в емкостях большого объема и вероятности ее бактериального заражения следует применять другие способы хранения холода или теплоты. В системах жизнеобеспечения зданий возможно аккумулирование, основанное на принципе фазового перехода вещества, подходящего по температурному режиму.

Для систем кондиционирования воздуха на современном этапе наибольшим спросом пользуются две конструкции аккумуляторов холода компаний «Baltimore Aircoil» и «Cristopia». Первая представляет собой гладкостенный

70

трубчатый змеевик, погруженный в емкость с водой. По трубкам змеевика подается холодоноситель (обычно незамерзающая жидкость на основе этиленгликоля) и на поверхности труб намерзает лед. При разрядке аккумулятора холодоноситель отдает свою теплоту, расплавляя лед. Конструкция компании «Cristopia» предусматривает бак, наполняемый пластиковыми шаровидными капсулами, заполненными водой. В пространстве между капсулами

циркулирует холодоноситель. При зарядке вода в капсулах замерзает, а при разрядке плавится, охлаждая этиленгликоль.

Инновационный аккумулятор холода ООО «Миктерм» [79, 109] по принципу работы напоминает конструкцию компании «Baltimore Aircoil», но имеет ряд отличий. Он представляет собой наборный теплообменник из сек- ций-кассет (рис. 4.7) [79, 109], погруженный в емкость, заполненную водой, которая является теплоаккумулирующим веществом. Каждая секция выполнена в виде плоского змеевика из тонкостенных гофрированных труб, смонтированного на рамке со стальной сеткой. Рамка с сеткой имеет тройное назначение: задает пространственную форму секции-кассеты, позволяет наращивать теплообменную поверхность, устанавливая их параллельно друг другу и выполняет функцию теплопроводных ребер в объеме воды, ускоряя процессы замораживания и таяния. Кассеты теплообменника объединены подающим и обратным коллекторами таким образом, чтобы движение холодоили теплоносителя при аккумулировании теплоты в соседних секциях осуществлялось в противоположные стороны по так называемой бифилярной схеме. За счет этого обеспечивается равномерность фазового перехода жидкости во всех сечениях теплообменника.