Система охлаждения с использованием естественного холода

Система охлаждения с использованием естественного холода
http://www.thermonews.ru/analytics/saving/ohlazhdenie.html
26 Января 2005 / Аналитика / Энерго- и ресурсосбережение
Автор: И.К. Савин, д.т.н., профессор (Петрозаводский Государственный Университет)
Из общего количества воды на земле, составляющего около 2000 млн. куб.км, примерно 25 млн. куб.км (1,25%)
приходится на долю природного льда, в котором заключены наибольшие запасы пресной воды. Естественный лед в
криосфере земли (в зонах с температурой ниже 0 град.), обычно присутствует временно или постоянно в виде
снега, водоемного льда и льдомерзлотного грунта.
Лед широко применяется для аккумуляции воды при искусственном снегозадержании в сельском хозяйстве, а также
в строительстве зимних дорог, переправ, плотин, складов и т.д. Кристаллизация воды, связанная с эффективным
переносом массы и тепла, имеет место, в частности, при применение холодильных машин в случаях опреснения и
концентрирования водных растворов, замораживания и сублимационной сушки пищевых продуктов. Искусственное
льдообразование используется для теплонасосного отопления на Севере.
Растущий выпуск комнатных автоматизированных холодильных машин, а также некоторые другие причины, привели
к постепенному вытеснению естественного льда из некоторых областей его традиционного применения.
Сейчас наблюдается тенденция к увеличению стоимости топливно–энергетических ресурсов, ужесточению
требований к охране окружающей среды, и появилась необходимость в изыскании более экологически чистых и
энергосберегающих методов кондиционирования воздуха производственных и жилых помещений.
Есть ряд причин, которые делают системы кондиционирования воздуха с использованием естественного холода
дорогостоящими. К ним можно отнести высокую трудоёмкость процессов по нарезке, погрузке и транспортировке
льда к месту его дальнейшего использования, а также малую эффективность процессов охлаждения при его
использовании.
Однако с применением последних разработок в области тепловых машин и теплообменных устройств можно решить
ряд проблем, связанных с зарядкой и последующим процессом разрядки теплового аккумулятора.
Японские ученые предложили использовать испарительно–конденсационные системы для зарядки теплового
аккумулятора [1].
Комплекс работает следующим образом. При понижении температуры наружного воздуха ниже температуры
теплоаккумулирующего вещества, тепловые трубы начинают передавать тепло от теплоаккумулирующего вещества
через радиатор конденсатора в атмосферу. Таким образом, происходит зарядка теплового аккумулятора.
Когда температура окружающего воздуха по каким–либо причинам становится выше температуры
теплоаккумулирующего вещества (теплое время года, в зимнее время – оттепель), тепловая труба выключается (в
силу специфики работы термосифонов, выполняя функции термодиода). Таким образом исключается «нерабочий»
отвод теплоты от теплоаккумулирующего вещества в атмосферу, и проникновение теплоты от окружающего воздуха
внутрь теплового аккумулятора.
Данная система эффективна в областях, где индекс холода больше чем 400 град .день и относительно высокая (20
град.) температура окружающего воздуха в тёплое время года.
Индекс холода, вычисляется по формуле [1]:
,
где
– суточная температура окружающего воздуха в зимний период, град;
температурой ниже 0 град.
– количество дней в году с
По данным наблюдений К. Савина, которые позволили рассчитать индекс холода для одного из районов Карелии (п.
Пяльма Пудожского района), он составил 1400 град.день, что значительно превышает пороговое значение для
эффективного применения предлагаемой системы.
Авторами [1] была рассчитана тепловая труба мощностью 300 Вт, которая должна была обеспечивать (при разнице
температур между конденсатором и испарителем 3 град) заморозку двухметрового слоя теплоаккумулирующего
вещества в условиях города Обихиро (Obihiro) (Япония). Термическое сопротивление тепловой трубы составляло
0,01 кв.м.К/Вт, а температура на испарителе -5 град.
В качестве рабочей жидкости был выбран фреон R–22.
После получения экспериментальных данных в декабре 1987 г. в городе Obihiro (Япония), авторами [1] была
построена экспериментальная установка аккумулирования холода при помощи тепловых труб, структура которой
представлена на рисунке 1. На рисунке 2 показана фотография экспериментальной установки.
Было установлено 216 тепловых труб диаметром 46 мм и длиной 12 м. Они были установлены с шагом 0,5 м в
четыре ряда вокруг охлаждаемого объекта.
В охлаждаемую камеру было загружено около семи тонн сельскохозяйственных продуктов. Данные исследований
снимались в 1988–89 гг. Теплоаккумулирующее вещество было заморожено уже к концу января, и его температура
приблизительно была -10 град на расстоянии 0,5 м вокруг тепловой трубы.
На основании проведенных исследований, можно сделать следующие выводы:
– аккумулирование «естественного» холода с применением тепловых труб технически возможно;
– при любых изменениях погоды, возможно поддержание температуры в охлаждаемом помещении в пределах 0–5
град в течении года при влажности 85% и более.
Рисунок 1 - Структура экспериментального хранилища
Рисунок 2 - Фотография экспериментальной установки
– подобная система хранения сельскохозяйственной продукции может быть использована в северных районах
России (Карелия, Мурманская и Архангельская области, Коми, а также в других странах и регионах с аналогичными
климатическими условиями).
В системе [1] решён ряд проблем, которые присущи более ранним разработкам, однако комплекс [1] имеет ряд
недостатков, которые необходимо устранить, например: охлаждение воздуха в помещении происходит
непосредственно через стенку этого помещения, усложняя процесс поддержания постоянной температуры внутри
него. Кроме того, имеется некоторая сложность загрузки помещения, поскольку оно находится под землёй.
Предлагаемая нами система (рис. 3) позволяет устранить недостатки существующих систем.
Рисунок 3 - Система аккумуляции и использования природного холода
Представленная система отличается от ранее рассмотренной тем, что теплота от воздуха охлаждаемой камеры,
передаётся тепловому аккумулятору порциями посредством электрогидродинамической (ЭГД) испарительно–
конденсационной системы (ИКС).
В отличие от термосифона в электрогидродинамической испарительно–конденсационной системе зона испарения
находится выше зоны конденсации, поэтому для обеспечения её работоспособности необходимо, чтобы жидкий
теплоноситель из зоны конденсации поступал в зону испарения.
Этот процесс осуществляется с помощью электрогидродинамического насоса по конденсатопроводу. Вся
поверхность зоны испарения равномерно смачивается жидкостью, так как она имеет капиллярную структуру.
Электрогидродинамический насос позволяет легко регулировать расход теплоносителя в широких пределах от
непрерывной подачи до полного прекращения, строго контролируя тепловой поток от охлаждаемой камеры к
тепловому аккумулятору и тем самым поддерживая требуемый режим работы системы охлаждения в целом.
Теплоноситель в этом случае должен обладать достаточной диэлектрической прочностью, поскольку напряжение
питания электрогидродинамического насоса варьируется от 0 до 30 кВ, а ток разряда составляет десятки мкА.
Электробезопасность обеспечивается заземлением всех металлических частей электрогидродинамической
испарительно–конденсационной системы, а высокая напряжённость электрического поля создается только внутри
заполненной ИКС в межэлектродном зазоре электрогидродинамического насоса. Применение ЭГД–насоса упрощает
создание автоматизированной системы обеспечения заданного теплового режима охлаждаемого объекта, причем в
предлагаемой системе регулирование теплопередающих характеристик конденсатора предполагается осуществлять
управлением напорно–расходными характеристиками электрогидродинамического насоса.
В зависимости от габаритных размеров охлаждаемой камеры и массы охлаждаемых продуктов или расхода
кондиционируемого воздуха система может включать в себя необходимое количества ЭГД–ИКС, термосифонов и
тепловой аккумулятор с соответствующей массой. Тепловой аккумулятор может быть выбран стандартным или
изготовлен специально.
Таким образом, предлагаемая система устраняет недостатки систем приведенных выше, однако для широкого
применения предложенной системы необходимо исследовать и оптимизировать режим работы ЭГД–ИКС и системы в
целом.
Кроме того, есть еще одна проблема, которая усложняет применение такой системы на практике, – это сложность в
изготовлении ЭГД–насоса и необходимость достаточно полной очистки внутренней поверхности перед её
заполнением хладагентом, что вызывает удорожание системы в целом.
В первую очередь, чтобы снизить капиталовложение необходимо заменить электростатический насос, из–за
которого происходит удорожание системы в целом. В качестве альтернативы можно рассмотреть возможность
применения центробежного насоса.
Почему именно центробежный? Во–первых, потому, что насосы такого типа способны развивать высокие напоры
при удовлетворительных расходах; во–вторых, потому, что их конструкция проста и технологична, отработана
методика их выбора для конкретных условий; в–третьих, они способны перекачивать жидкости с различными
вязкостными характеристиками; в четвёртых – невысокая стоимость; в пятых – небольшие габариты, низкая
металлоёмкость и, следовательно, небольшая масса и т. д.
Если сравнивать насос центробежного типа с ЭГД–насосом, то к недостаткам первого можно отнести то, что в
центробежном насосе происходит двойное преобразование энергии: сначала электрическая энергия преобразуется в
механическую энергию вращения рабочего колеса, а затем механическая энергия вращения преобразуется в
энергию напорного движения жидкости; габариты ЭГД–насоса много меньше габаритных размеров центробежного
насоса, поскольку последний требует наличие приводного двигателя; в насосах центробежного типа достаточно
много пар трения и качения, уплотнительных устройств, износ которых с течением времени приводит к снижению
объёмного и механического коэффициентов полезного действия, и в целом снижает его эффективность; но также
необходимо заметить и то, что применение центробежного насоса снижает требования к рабочему веществу и
позволяет использовать более дешевые хладагенты.
Несомненно, что такая замена насосов приведёт к увеличению габаритов установки, но при увеличении её
габаритов становится возможным и увеличение её мощности за счет увеличения объёмов прокачки рабочего
вещества, поэтому такой недостаток, как увеличенные габариты, можно перевести в разряд достоинств.
Замена насосов приведет к изменению транспортной зоны испарительно–конденсационной системы. В
центробежном насосе есть приводной электродвигатель, которому требуется в процессе эксплуатации техническое
обслуживание, и это обстоятельство не позволяет размещать его целиком внутри испарительно–конденсационной
системы. В противном случае, при каждом его техническом обслуживании станет необходимой операция по откачке
хладагента из системы и последующего по окончании технического обслуживании обратного заполнения её, а это
дополнительные затраты как рабочего времени, так и средств, кроме того система будет вынуждена простаивать,
что снизит её доходность и увеличит эксплуатационные расходы.
Одна из возможных схем подключения предполагает вынос зоны транспорта хладагента из корпуса испарительно–
конденсационной системы и оборудовании её в непосредственной близости от последней. Такая схема позволяет
объединить несколько испарительно–конденсационных систем одной зоной транспорта, кроме этого, увеличивается
площадь теплообменной поверхности, за счет поверхности трубопровода зоны транспорта на участке от
испарительно–конденсационной системы до зоны транспорта. Тем самым уменьшается также вероятность
попадания парового пузыря в проточную часть насоса, что в свою очередь могло бы привести к прекращению
работы последнего. Ещё одним преимуществом такого подключения может быть и то, что облегчается доступ к
насосам, уменьшается длина электропроводки. Количество испарительно–конденсационных систем, подключенных к
одной зоне транспорта, ограничивается только производительностью насоса, который должен обеспечить
требуемую подачу для каждой из подключенных к нему испарительно–конденсационных систем в пиковом режиме
работы. Резервная зона транспорта может быть также расположена в том же корпусе, что и первая, что упрощает
конструкцию и уменьшает длину применяемых трубопроводов. В целом такая система может быть выполнена в виде
единого блока, состоящего из зоны транспорта, в которой расположены первая и резервная зоны транспорта,
подключенные параллельно, и расположенных по периферии нескольких испарительно–конденсационных систем,
соединённых при помощи трубопроводов с зоной транспорта. При этом зона транспорта может быть вынесена из
помещения теплового аккумулятора. Принципиальная схема представлена на рисунке 4.
Для обеспечения контроля за тем, чтобы насос постоянно был заполнен рабочим веществом, необходима установка
датчика уровня немного выше проточной части насоса, который давал бы разрешающий сигнал для его включения.
Если насос данного типа не развивает требуемый напор, то эту проблему можно решить двумя способами: первый
способ – установкой другого, более мощного насоса; второй способ – применение последовательного подключения,
в последнем случае второй насос будет включаться в работу только после того, как будет заполнен насосом первой
ступени, сигнал об этом поступит от датчика уровня, установленного выше проточной части насоса второй ступени.
Рисунок 4 - Другой вариант подключения
Трубопровод подключения зоны транспорта к тепловым трубам выполнен по замкнутой схеме, что позволяет более
равномерно распределять потоки рабочего вещества по тепловым трубам, однако, такая схема подключения
приведёт к незначительному (по отношению к стоимости насосов) удорожанию.
Проблему, связанную с возможным попаданием паровой фазы рабочего вещества в проточную часть насоса можно
устранить при помощи установки сепаратора, тем самым полностью исключив вероятность такого события.
Проблема, связанная с выбором материалов, здесь в основном заключается в правильном подборе материала
проточной части насоса и материала, из которого изготавливается рабочее колесо. Материал рабочего колеса не
должен реагировать с хладагентом и подвергаться какому–либо виду коррозии так же, как и материал проточной
части, и не должен разрушаться при низких температурах (обладать достаточной механической прочностью при
низкой температуре рабочей среды), по возможности должен быть гидравлически гладким для снижения потерь
напора в проточной части, связанных с повышенной силой трения.
Проблемы с возможной кавитацией на рабочем колесе можно решить рядом мероприятий, не требующих больших
затрат. Максимальная скорость потока будет наблюдаться тогда, когда система работает при максимальной нагрузке
(максимально высокая температура в летний период). В этом режиме система может работать в течение нескольких
часов, поскольку температура воздуха достигает своего максимального значения в середине дня и спадает к вечеру,
по мере захода солнца (в условиях Карелии – не более восьми часов). Однако при снижении скорости прокачки
рабочего вещества уменьшаются также потери напора, связанные с этим. Уменьшить скорости прокачки можно,
увеличив диаметр трубопроводов зоны транспорта. Больший диаметр трубопровода также будет способствовать
увеличению теплообменной поверхности.
Более того, можно объединить на одной транспортной зоне несколько испарительно–конденсационных систем. При
этом возрастут потери напора по длине (так как длина трубопроводов увеличится) и местные потери напора, но
незначительно.
Первую ступень насоса необходимо располагать ниже зоны сбора конденсата, потому что, во–первых, при этом
можно не учитывать при гидравлическом расчете потери напора в этом трубопроводе, поскольку они
компенсируются высотой столба жидкости, а во–вторых, для повышения давление на входе в насос выше давления
насыщенных паров во избежание закипания хладагента в насосе. С этой же целью необходимо обеспечить
охлаждение насоса второй ступени, например путем устройства контура с естественной циркуляцией охлаждающей
жидкости через рубашку насоса и теплоаккумулирующее вещество.
Этого можно избежать также тщательным подбором хладагента на основании общих требований к разрабатываемой
системе и требований к температурным параметрам объекта, например применить хладагент низкого давления
вместо хладагента среднего давления.
Выводы о целесообразном применение того или иного рабочего вещества в системе с альтернативной зоной
транспорта и о возможности и целесообразности систем такого рода могут быть сделаны на основании анализа
результатов ряда специальных экспериментов.
Литература:
1. Fukuda M.,Tsuchiya F. и др. Development of an artificial permafrost storage using heat pipes.
2. Савин И.К. Возможности использования природного холода//Вестник международной академии холода.
3. Savin Igor K., Nefyodov D. Opportunities of using natural cold//Тезисы докторов 4-ой Минской международной
конференции «Тепловые трубы, тепловые полосы, холодильники»/Минск, 2000.
4. Болога М.К., Савин И.К. Электрогидродинамические испарительно–конденсационные системы/Кишинев. 1991–
277с.