Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 621-80-48 Секретарь (тел./факс) ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"
(495) 107-91-50

АВОК ассоциированный
член

Кондиционирование воздуха на юге Европы.
Газовое кондиционирование: направление развития

 

Простейшим решением проблемы роста нагрузки на электрическую сеть, обусловленного работой холодильного оборудования, становится применение аппаратуры, работающей на газе. Причем это никак не сказывается на нагрузке газовых распределительных сетей. Напротив, такое решение даже благотворно для сбалансированности потребления газа. Более того, с учетом уровня надежности, обеспечиваемого сейчас данным оборудованием, приходится только удивляться, почему оно не получило широкого распространения в Европе (в отличие от США и Японии), где проблема перегрузки электросетей в летний период стоит уже весьма остро.

Не следует также забывать, что газовая аппаратура имеет целых ряд других преимуществ. Если говорить об абсорбционных холодильных агрегатах: в них не применяются синтетические хладагенты, этот факт позволяет спокойно относиться к проблеме CFC и их заменителей. Эти машины известны своей надежностью, бесшумностью, отсутствием вибраций. В некоторых случаях они могут использовать рекуперированное тепло двигателей внутреннего сгорания, сжигающих установок и горячих промышленных выбросов.

Есть ли вообще слабые места у такого рода систем? Во-первых, надо отметить, что первоначальные капиталовложения будут здесь существенно выше: настолько, насколько Вы хотите обеспечить хорошие или превосходные эксплуатационные характеристики с помощью многофазных циклов или в паре с двигателем внутреннего сгорания, абсорбционным и обычным холодильным агрегатом. Затраты будут, безусловно, выше. Но чаще всего они окупаются, тем более если посчитать, во сколько реально обходится электроустановка, с электрощитом, договором с поставщиком электроэнергии, трансформатором напряжения. Как бы там ни было, в деле выбора оборудования более высокие начальные затраты играют не последнюю роль, особенно если покупатель и пользователь не одно лицо. Неслучайно поэтому американскими газовыми компаниями для привлечения заказчиков широко используются прямые продажи оборудования пользователям на условиях, близких к лизингу. В Италии тоже рекламные кампании (впрочем, пока еще достаточно осторожные) делают ставку главным образом на льготное приобретение.

Другая особенность, которую относят к недостаткам газового оборудования, это его малая эффективность, даже с корректным учетом спроса на первичную энергию. Совершенствование компрессорной аппаратуры, КПД которой в последние годы существенно вырос благодаря улучшениям, внесенным в конструкцию компрессоров и других компонентов (отдельный разговор о серьезнейшей энергетической проблеме новых хладагентов!), действительно позволяет сегодня сравнивать по КПД одни только реверсивные машины двойного действия. Развитие собственно газовой аппаратуры идет медленнее, хотя потенциал ее далеко не исчерпан. Достаточно упомянуть о возможности ее использования для отопления тепловых насосов. Таким образом, имеет смысл более подробно остановиться на современном состоянии газового оборудования как в плане нынешнего технологического уровня имеющегося на рынке оборудования, так и в плане оценки перспектив развития машин различных семейств на ближайшие годы.

Газовые двигатели

Основная технология, которой можно воспользоваться для производства холода с помощью газа, – это технология производства механико-электрической энергии для приведения в действие традиционных компрессионных машин. В этих целях используется возвратно-поступательный двигатель внутреннего сгорания (он имеет самое широкое распространение). Среди систем внутреннего сгорания упоминания заслуживают газовые турбины. Их мощность исчисляется многими сотнями кВт, что существенно превышает масштаб оборудования, которому посвящен данный обзор. Правда, в последнее время появились прототипы более скромных турбин, мощностью в десятки кВт, называемых микротурбинами. И вот они-то и могли бы составить определенную альтернативу возвратно-поступательным двигателям.

Как бы там ни было (будь то возвратно-поступательный двигатель или микротурбина), зачастую определяющим фактором в решении вопроса, какой системе отдать предпочтение, является возможность использования рекуперированной тепловой энергии, объемы которой могут вдвое превышать объемы производимой механической энергии. В летнем режиме ее можно использовать, скажем, для производства холода с использованием теплоты. Правда, это потребует применения абсорбционных машин либо иного оборудования, зачастую достаточно «проблемного» как с технической точки зрения, так и в плане расходов на обслуживание.

Еще одной альтернативой двигателям внутреннего сгорания являются двигатели наружного сгорания. На уровне прототипов наиболее изученным представляется двигатель Стерлинга. Его основные преимущества: меньший уровень шумности и загрязнения, более широкий выбор видов горючего и потенциально большая мощность. Хотя следует признать, что и в этой области, и в столь же многообещающей области топливных камер дело находится пока в стадии прототипов. Как известно, топливные камеры обеспечивают непосредственное превращение части энергии, содержащейся в топливе, в электрическую. И в этом случае мы имеем достаточный объем утилизируемой тепловой энергии. Далее в обзоре мы больше не будем касаться тепловых камер, поскольку для их подробного рассмотрения потребуется отдельная статья.

При использовании технологий, в которых для приготовления холода используется традиционное оборудование, возникают проблемы, связанные с заменой составов CFC на новые синтетические хладагенты.

Двигатели, альтернативные двигателям внутреннего сгорания

Возвратно-поступательный двигатель внутреннего сгорания (главным образом благодаря широчайшему применению в разного рода средствах передвижения) по уровню стоимости и функциональной надежности можно рекомендовать для холодильного агрегата при условии, что в зимний период агрегат будет использоваться в качестве теплового насоса, утилизирующего тепло от двигателя внутреннего сгорания.

Самая большая проблема – как на порядок увеличить срок службы такого двигателя: от 2–3 тыс. часов работы, необходимых автомобильному двигателю, до 20–30 тыс. часов, составляющих сегодня годичный рабочий цикл систем кондиционирования. Кроме того, требовалось повысить тепловую производительность двигателя, увеличить «пробег» между плановым техническим обслуживанием и сменой моторного масла и, наконец, радикально снизить уровень шума и вибраций.

Большую часть указанных проблем можно считать решенной: при существенном росте стоимости ныне усовершенствованы все компоненты двигателя, улучшена система смазки, разработаны вполне приемлемые глушители и антивибрационные системы. Существенно понижен режим вращения по сравнению с автомобильными двигателями – до уровня 1 500–3 000 об/мин. При этом доля полученной тепловой энергии весьма высока и составляет 30% даже на двигателях малых объемов, не говоря уже о больших (до 35%). Остальные элементы, за счет которых растет стоимость агрегатов, – это рекуперативные теплообменники охлаждения мотора и отработанных газов, а также дополнительно требующиеся рассеивающие системы радиаторного типа на случай, когда полученное тепло не находит себе применения, как часто бывает в летний период.

Особого интереса заслуживают двигатели, в которых охлаждающая вода имеет температуру, значительно более высокую, чем традиционные 80–90°C. К примеру, двигатель Перкинса, у которого охлаждающая вода нагревается до 140°C. В целом такой двигатель дает механическую производительность 35%, регенерированная тепловая энергия отработанных газов – те же 35%, энергия охлаждающей воды дает 19%, и оставшиеся 11% – чистые потери.

Что касается показателей мощности: существуют агрегаты порядка 500 кВт механической мощности, которые можно группировать, получая в результате гораздо более высокую суммарную мощность, вплоть до нескольких МВт. Чаще всего такие двигатели оснащаются спиральными компрессорами, а также центробежными компрессорами с мультипликатором оборотов. Малые агрегаты мощностью несколько кВт подходят для установки в квартире или даже отдельной комнате. И в этом случае в качестве компрессорного оборудования лучше использовать возвратно-поступательные или вращательные компрессоры, лопастные или спиральные (англ. scroll).

Отработанные газы, даже если используется вполне очищенное топливо, такое как газ метан, достаточно густо насыщены загрязняющими веществами, особенно оксидом азота. Его содержание может в 40 раз превышать тот же показатель в отходящих газах от газового котла последнего поколения при сжигании того же объема газа. Проблема загрязнения вполне решаема, но решается путем дальнейшего удорожания системы. А вот с точки зрения эксплуатации преимущества системы неоспоримы. Агрегаты большой мощности имеют долю получаемой тепловой энергии порядка 35%, при этом холодильный коэффициент СОР, понимаемый как отношение произведенного холода к тепловым затратам, может быть выше 1,5. В режиме теплового насоса при условии обеспечения надлежащей тепловой утилизации тепла охлаждающей воды и отработанных газов коэффициент мощности СОР может составлять 1,7. Кроме того, система превосходно регулируется путем изменения скорости вращения двигателя. Таким простым образом регулируется до 40% номинальной нагрузки без ухудшения показателя мощности СОР. И только ниже 40-процентной парциальной нагрузки в дело вступают системы модуляции компрессора холодильного агрегата.

схема газовой микротурбины
Производительность и температурные показатели простых и регенеративных циклов для микротурбин

Рисунок 1. (увеличить)

Принципиальная схема газовой микротурбины

Рисунок 2. (увеличить)

Производительность и температурные показатели простых и регенеративных циклов для микротурбин. Температура на входе в турбину 1000°C.

Попытки получить механическую энергию от газовых турбодвигателей, имеющих мощность менее 100 кВт, наталкиваются на необходимость практически полностью изменить архитектуру машины. Главная причина в следующем: чтобы получить приемлемые эксплуатационные показатели, удельная работа на определенный расход воздуха не может сильно отличаться от удельной работы турбин больших объемов и должна оставаться в пределах 150–250 кДж/кг. То есть, чтобы получить мощность в 100 кВт, достаточно будет прогонять 0,5 кг/с воздуха. Учитывая, что скорость газа при этом обусловлена перепадом давления и, следовательно, нисколько не отличается от скорости газа на более крупных машинах, основные различия здесь состоят в том, что, во-первых, размеры турбины существенно меньше, а во-вторых, угловая скорость должна быть намного выше (чтобы получить определенную окружную скорость при весьма незначительном радиусе, обусловленном размерами роторов). Иными словами, двигатель имеет скорость вращения порядка 1 000 об/мин при диаметре ротора, не превышающем 60 мм. На рис. 1 приведена принципиальная архитектурная схема машины, в основу которой положены центробежный (компрессор) и центростремительный (турбина) турбоагрегаты. Внимание следует обратить на наличие здесь регенератора, важного с точки зрения производительности и установленного между сжатым воздухом, который подается в камеру сгорания, и газами, выбрасываемыми из турбины. Значение этого компонента обусловлено низкими показателями степени сжатия данного вида машин, обычно не превышающими 4, вследствие чего отработанные газы имеют довольно высокую температуру (до 700°C). Взаимосвязь различных показателей со значениями циклической компрессии, максимальной и минимальной (минимальная компрессия совпадает с атмосферным давлением), показана на рис. 2, где видно, что производительность регенеративного цикла вполне выходит на уровень 30% и может быть еще выше, если кому-то удастся увеличить температуру на входе в турбину, установленную в таблице на уровне 1 000°C. Применение микротурбин привлекательно и с точки зрения контроля загрязнения среды. В силу небольших размеров камер сгорания они имеют низкий уровень NОx (около 10–15 ppm).

На современной стадии развития в опытной эксплуатации находится небольшое число (несколько сот) агрегатов такого рода. За всеми ведется тщательное наблюдение, имеющее целью дальнейшее усовершенствование конструкции машин для их успешной реализации на рынке.

Двигатели наружного сгорания

Среди двигателей наружного сгорания мы будем говорить лишь о двигателях, работающих в цикле Стерлинга, хотя справедливости ради отметим, что интересные попытки делаются в цикле Рэнкайн (Rankine) с органической жидкостью. Двигатели Стерлинга отличаются бесшумностью, умеренной вибрацией, высоким крутящим моментом на низких оборотах и высокой долей получаемого тепла. Они могут работать на самом различном топливе: природном газе, газойле, керосине. Отработанные газы содержат в 5 раз меньше вредных выбросов по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Кроме того, на охлаждающем теплообменнике таких двигателей легче регенерировать тепло, чем на водно-газовом теплообменнике.

На цикле Стерлинга следует остановиться, пожалуй, подробнее в силу того, что он еще мало известен. Помимо регенератора в число основных органов машины входят тяговый поршень и компрессионный поршень. Оба поршня могут работать в одном и том же или в разных цилиндрах. Посредством соответствующих кинематических цепей поршни приводятся в действие по фазам, которые описаны ниже.

основные фазы цикла Стерлинга
Изменение состояния рабочей жидкости в цикле Стерлинга на графике «давление-объем»

Рисунок 3. (увеличить)

Четыре основные фазы цикла Стерлинга (тяговый поршень слева)

Рисунок 4. (увеличить)

Изменение состояния рабочей жидкости в цикле Стерлинга на графике «давление-объем»

На рис. 3 приведены четыре основные фазы цикла, тяговый поршень слева, компрессионный – справа. Жидкость в цикле одна и та же (цикл замкнут) – как правило, это гелий или водород. В начальной фазе компрессионный поршень из нижней мертвой точки идет вверх, сжимая газ, тогда как тяговый поршень неподвижен. Пространство для газа сокращается, и помимо давления должна была бы расти и температура, но компрессионный цилиндр охлаждается таким образом, что его температура остается практически неизменной. До того как компрессионный поршень достигнет верхней мертвой точки, тяговый поршень может двигаться вниз: тогда газ перемещается из компрессионного цилиндра в тяговый. При этом он проходит через регенератор, обладающий высокой внутренней энергией от предыдущей фазы. Таким образом, кроме давления увеличивается температура. В следующей фазе

(3-4) можно двигать только тяговый поршень, где газ, расширяясь, производит полезную работу. Это должно было бы вести к снижению температуры газа, но в силу поступления тепловой энергии в тяговый цилиндр температура держится практически на одном уровне. Когда тяговый поршень достиг нижней мертвой точки, идет обратный ход, при этом движется вниз компрессионный поршень. Таким образом газ переходит в компрессионный цилиндр: через регенератор он идет горячим и отдает ему часть своей энтальпии. Теперь цикл возвращается к уже описанной начальной фазе (1-2). Цикл состоит из двух изотермических трансформаций (одна компрессионная, другая расширительная), в ходе которых осуществляется теплообмен (соответственно, на выходе и на входе), и двух изохор, где происходит только обмен внутренней энергией в цикле регенератора (рис. 4). Если регенератор полностью исправен, то есть возвращает холодному потоку тепловую энергию, полученную от горячего потока, на том же тепловом уровне, можно утверждать, что вся тепловая энергия приходит из цикла при наивысшей температуре и отдается при самой низкой температуре, то есть при температурах обеих изотермических трансформаций. Если цикл осуществляется в реверсивной форме, производительность будет равна производительности цикла Карно при тех же температурах с той лишь существенной разницей, что цикл Стерлинга физически осуществим и реализован в различных прототипах. Имеется, впрочем, множество проблем, до сих пор не нашедших приемлемого технического решения. Две главные – нестабильная работа регенератора, когда его размеры не выходят за разумные рамки, и жаростойкость горячей части регенератора и тягового цилиндра, ограниченная сопротивлением материалов. Несомненно, применение новых сплавов и более эффективных теплообменников с усиленным теплообменом дадут существенное улучшение цикла. Надо помнить, что обратный цикл Стерлинга широко применяется в производстве криогенного оборудования для получения сверхнизких температур (до 12 К).

На рис. 5 представлен схематический вид двигателя Стерлинга с двойным компрессионным и тяговым цилиндром. Посредством кинематической цепи по программе цикла приводятся в действие поршни. Подача и отвод из цикла тепловой энергии происходят в камерах, предшествующих участкам сжатия и всасывания, соответственно. Посередине располагается регенератор.

На рис. 6 приведен схематический вид двигателя Стерлинга, оснащенного поршнем двойного действия. Плунжер в верхней части обеспечивает сжатие, внизу расположен тяговый поршень. Здесь тоже соответствующая кинематическая цепь обеспечивает необходимую последовательность движения обоих поршней. И, наконец, на рис. 7 представлен весьма близкий к реальному разрез двухцилиндрового керосинового двигателя Стерлинга мощностью 3 кВт.

Схематический вид двигателя Стерлинга с двойным компрессионным и тяговым цилиндром
Схематический вид двигателя Стерлинга, оснащенного поршнем двойного действия

Рисунок 5.(увеличить)

Схематический вид двигателя Стерлинга с двойным компрессионным и тяговым цилиндром

Рисунок 6. (увеличить)

Схематический вид двигателя Стерлинга, оснащенного поршнем двойного действия

Абсорбция

Абсорбционные машины, с одной стороны, используют тепловую энергию горения либо регенерации при минимальной потребности в электроэнергии, с другой, не применяют синтетические хладагенты, что освобождает пользователя от целого ряда проблем, связанных с заменой CFC.

До сих пор ни одна смесь не может конкурировать с двумя классическими смесями: пары вода - бромистый литий и аммиак - вода. Наиболее значительные изменения вносились только на уровне добавок к смесям, направленных на предотвращение коррозии, либо на улучшение теплообмена, либо на корректировку поведения смеси.

А вот в конструкцию машины вносились самые разные изменения и совершенствования, поскольку характеристики первоначальных моделей были, прямо скажем, весьма посредственными. Значения холодильного коэффициента СОР чаще всего не выходили за рамки 0,5–0,6. По первичной энергии результат едва дотягивал до половины производительности какой-нибудь хорошей электрической компрессионной машины. На самом деле агрегат одноступенчатого нагрева весьма посредственно использует температуры, достижимые при горении, и, напротив, подходит для работы на пониженных температурах (включая режимы порядка 80–90°C), то есть хорошо походит для использования регенерированного тепла (в том числе от охлаждения воды двигателей внутреннего сгорания). Вдобавок абсорбционная машина при непрерывном теплообмене раствора от «теплой» зоны (абсорбер) к «горячей» (регенератор) и обратно представляет собой постоянный источник снижения эффективности, который теплообменник, обычно устанавливаемый между ними, может до известной степени нейтрализовать и уменьшить, но никак не устранить. Интересные результаты на уровне как рабочих характеристик, так и габаритов машины могут быть получены с использованием технологий интенсификации теплообмена.

С точки зрения продаж абсорбционные машины занимают на рынке значительную часть. Сегодня ежегодно производится около 10 000 единиц на бромистом литии (из них 5 000 в Японии и 3 000 в Китае). В Италии доля рынка, занимаемая абсорбционными машинами, составляет около 10% от общего объема продаж холодильных агрегатов в стране.

Вода - бромистый литий

Описание абсорбционного цикла с одноступенчатым нагревом найти нетрудно (так же, как и цикла с двухступенчатым нагревом). В последнем конденсация пара, производимого при более высоких температуре и давлении, в генераторе, приводимом в действие процессом горения, позволяет получать пар и на втором генераторе (дальнейшее испарение раствора). Весь полученный пар, а затем конденсат обеспечивают соответствующий холодильный эффект: здесь пар, полученный от регенерации внутри цикла, дает улучшение рабочих характеристик машины. Недостатки, присущие данной конструкции, не позволяют получить коэффициент мощности СОР выше 0,7 на машинах одноступенчатого нагрева (вместо теоретически возможной единицы) и выше 1,2 на машинах двухступенчатого нагрева (вместо теоретического 2). Очевидно, при двухступенчатом нагреве некоторые конструктивные недостатки одних процессов дают, так сказать, более выраженный (чем у машины с одноступенчатым нагревом) побочный эффект на другие процессы, что в совокупности снижает фактическую производительность по сравнению с теоретическим расчетом. Достаточно будет сказать, что провалы генератора высокого давления не заканчиваются на нем самом и весьма негативно отражаются на последующем генераторе низкого давления: на выходе мы имеем меньше пара, конденсирующегося в отопительном змеевике генератора, и, следовательно, меньше пара вообще.

Разрез двухцилиндрового двигателя Стерлинга с поршнями двойного действия
Схема абсорбционного цикла трехступенчатого нагрева

Рисунок 7. (увеличить)

Разрез двухцилиндрового двигателя Стерлинга с поршнями двойного действия

Рисунок 8. (увеличить)

Схема абсорбционного цикла трехступенчатого нагрева

Холодильный коэффициент СОР на уровне 1,2 ставит машину в ряд механизмов, сравнимых по коэффициенту первичной энергии с электрическими компрессорами. В целях дальнейшего улучшения рабочих характеристик уже разработаны первые прототипы, работающие по принципу трехступенчатого нагрева. Такие агрегаты могут дать вполне устойчивый реальный холодильный коэффициент СОР порядка 1,4–1,6 (при максимально возможном теоретическом 3).

Мы не будем приводить описания схемы прототипа, который строит один из американских гигантов индустрии. А вот проанализировать схему, предложенную недавно китайскими исследователями и специалистами, пожалуй, стоит (в Китае большое внимание уделяется производству абсорбционных механизмов). Прототип машины разрабатывается компанией Zhejiang Lian Feng Co. Его схема приведена на рис. 8. Начнем с генератора высокого давления, расположенного с правой стороны, находящегося под действием открытого пламени. Образующийся пар направляется в трубопровод, ведущий во второй генератор, где происходит дальнейшее испарение за счет тепла конденсации пара, идущего из первого генератора. Этот пар собирается из трубопровода, размещающегося над генератором, и отводится на конденсацию в третий генератор (левее), где осуществляется третье заключительное действие парообразования. Полученная таким образом вода собирается в конденсаторе, испытывающем воздействие главным образом третьего генератора. Конденсатор охлаждается должным образом водой от градирни. Оставшаяся часть цикла вполне прозаична в том смысле, что пар абсорбируется раствором в абсорбере. Разбавленный раствор распределяется по всем трем генераторам посредством трех теплообменов с концентрированным раствором, поступающим из трех генераторов. В дальнейшем теплообмене задействованы раствор и отработанные газы справа вверху на рисунке. Каковы же проблемы, возникшие в ходе реализации прототипов? В общем, решать пришлось два главных вопроса: во-первых, высокая рабочая температура генератора, усиливающая коррозию из-за усиления агрессивности раствора, и, во-вторых, сложности с внутренней устойчивостью раствора во всех трех генераторах. Последняя проблема решается при помощи соответствующих датчиков уровня и микропроцессоров, управляющих насосами. Получаемый в результате высокий холодильный коэффициент СОР вполне оправдывает усилия, приложенные для реализации прототипа машины трехступенчатого подогрева. А на теоретическом уровне сейчас активно прорабатывается вопрос о возможности появления агрегата квадро-действия (с четырьмя генераторами).

Технологическое развитие получают не только рабочие, но и многие другие характеристики машин. Это, в первую очередь, широкое применение электроники как в плане защиты от кристаллизации, так и в плане контроля мощности механизма. Также не следует забывать, что улучшенные характеристики эти машины дают и на пониженной нагрузке, на которую компрессионные системы, как правило, реагируют достаточно остро. Среди вопросов, ожидающих своего решения, назовем габариты механизмов (вес и объем), а также возможность воздушного охлаждения (до сих пор для пары вода - бромистый литий требуется вода от градирни).

Аммиак - вода

Как известно, в другой обширной группе абсорбционных циклов используется смесь аммиак - вода. Речь идет о технологии, разработанной в первую очередь для реализации аппаратов небольшой мощности (10–20 кВт) с воздушным охлаждением, работающих на газе и предназначенных для кондиционирования отдельных жилых объектов. Это менее производительные машины по сравнению с работающими на смеси вода - бромистый литий, но при этом конструктивно более простые и доступные по стоимости. Помимо таких положительных качеств, как воздушное охлаждение и быстрый выход на рабочий режим, следует отметить, что машины не сталкиваются с проблемами вакуума и кристаллизации. На самом деле данные аппараты работают с довольно высоким давлением (15–20 бар), вследствие чего отпадает рассмотренная выше схема многоступенчатого действия, когда давление пара первой генерации существенно превышает последующие. Впрочем, это нисколько не препятствует потенциальному выделению пара за счет внутренней тепловой регенерации цикла, происходящей здесь с выделением тепла в абсорбере. Такой цикл обозначается аббревиатурой GAX (англ. Generator Absorber eXchange). Принцип действия становится ясен, если проанализировать схему машины, недавно поступившей в продажу (рис. 9). Начнем с насыщенного раствора, поступающего из теплообменника с наружным воздухом слева на схеме. Данный раствор, охлажденный воздухом, имеет довольно низкую температуру (на рисунке указаны ориентировочные 44°C). Раствор регенерируется, для чего мембранный насос перегоняет его от среды с давлением чуть более 4 бар к среде с давлением на уровне свыше 19 бар (потребуется преодолеть потери нагрузки). Сразу на выходе из насоса происходит теплообмен в ректификаторе, где раствор нагревается за счет охлаждения пара, выделившегося в генераторе и требующего ректификации (концентрации в аммиачный хладагент). Восходящий участок цикла в следующем переходе через абсорбер первой ступени. Здесь раствор ввиду большой площади теплообмена нагревается как от концентрированного раствора, поступающего из генератора (имеющего температуру 120°C), так и в силу эффекта абсорбции пара (абсорбции, которая завершится потом в части абсорбера, охлажденного наружным воздухом). Из насыщенного раствора начинает выделяться пар (на рисунке обозначен пузырьками). Пар, как и полагалось, дает внутренняя тепловая регенерация цикла со значительным повышением коэффициента мощности СОР. Остальные этапы цикла объяснений не требуют.

Еще одно интересное новшество, внесенное в конструкцию машины в прошлом году, это накопитель хладагента. Эта деталь представлена на рис. 10, где приводится практически та же схема с той лишь разницей, что на выходе из испарителя появился накопитель хладагента. Словосочетание «накопитель хладагента» может ввести в заблуждение, поскольку на самом деле устройство предназначено не для накопления хладагента в целях последующего использования (эта функция подходит более для накопительного резервуара (кстати, тогда размеры были бы другие)). Назначение его в том, чтобы корректировать концентрацию раствора, удаляя или добавляя аммиак в циркулирующий раствор, с целью оптимизировать процесс либо по отношению к наружному воздуху (температура охлаждения более или менее благоприятная), либо по температуре производимого холода (температура испарителя). И действительно, в абсорбционной машине загрузка фиксированная, следовательно, уровни концентрации также фиксированы, что оптимизирует работу машины в предустановленных рабочих режимах. В машине с накопителем концентрацию можно в известной мере регулировать в зависимости от оперативной обстановки, и, несомненно, при изменении температуры воздуха кривые рабочих характеристик будут стремиться расширить прямой участок, увеличивая таким образом рабочее поле произведенного холода для низких температур.

Схема цикла GAX (Generator Absorber eXchange) абсорбционной машины вода – аммиак
Схема абсорбционного цикла с накопителем хладагента

Рисунок 9. (увеличить)

Схема цикла GAX (Generator Absorber eXchange) абсорбционной машины вода – аммиак

Рисунок 10. (увеличить)

Схема абсорбционного цикла с накопителем хладагента

Как известно, аммиачный хладагент в отличие от водяного не боится мороза, что позволило создать машины малой мощности с температурой произведенного холода даже ниже -10°C. В ряду механизмов большой мощности (свыше 1 МВт) есть машины, имеющие температуру испарения ниже –30°C.

Существенный потенциал для развития этого оборудования представляет возможность работы таких машин в режиме теплового насоса. В Европе (особенно в Голландии) есть множество агрегатов мощностью несколько сот кВт, работающих именно таким образом. По агрегатам, предназначенным для обслуживания индивидуальных жилых объектов (35 кВт тепла), давно ведутся активные разработки прототипов с потенциальным холодильным коэффициентом СОР 1,35, но их коммерческая эксплуатация может начаться не ранее, чем через несколько лет.

Возможности дальнейшего развития

Процесс влагоудаления, почти всегда обязательный в летнем кондиционировании воздуха, может быть организован либо через охлаждение воздуха до температуры ниже точки росы, либо химическим путем. Последний метод до сих пор широко использовался (главным образом в промышленности): воздух пропускается через влагопоглощающие вещества. Эти вещества могут быть твердые, и тогда процесс проходит по типу адсорбции: в этом случае водяной пар удерживается и конденсируется на поверхности либо на пористых капиллярных стенках вещества.

Влагопоглощение можно осуществить также с помощью жидкости, и здесь процесс проходит по типу абсорбции: вода в растворе с такой жидкостью имеет парциальное давление ниже, чем чистый водяной пар при той же температуре, и даже при более высокой температуре, таким образом происходит переход части водяного пара, содержащегося в воздухе, в абсорбирующий раствор. И в том, и в другом случае пар конденсируется, отдавая влагопоглощающему веществу тепло конденсации, к которому добавляется и малая часть, обусловленная адсорбционной смачиваемостью поверхности и абсорбционным переходом в раствор (тепло раствора). В обоих случаях, таким образом, мы имеем изотермическую реакцию. Произведенное тепло нагревает воздух. В условиях отсутствия наружного теплообмена в процессе данное тепло полностью берется за счет снижения энтальпии воздуха: иными словами, мы имеем сокращение скрытого тепла и рост явного. На выходе из влагопоглотителя воздух выходит, имея более низкую удельную влажность, более высокую температуру с практически неизменной энтальпией (если только влагопоглощающее устройство не предусматривает одновременного охлаждения). Зачастую воздух поступает при температуре выше температуры наружного воздуха, поэтому его можно охладить безо всяких затруднений и, осушив указанным образом, направить в кондиционируемые помещения. В режиме более интенсивного влагопоглощения можно также осуществлять охлаждение воздуха по испарительному принципу со вполне удовлетворительным результатом, в том числе по физической нагрузке.

Требуется осуществить регенерацию влагопоглощающих веществ, способность которых задерживать воду постепенно теряется по мере роста объема поглощенной влаги. Для регенерации требуется нагрев, получаемый либо в процессе горения, либо в рамках соответствующей тепловой регенерации, которая в определенных условиях может происходить при довольно умеренной температуре, допустимой как для регенерации по воде охлаждения двигателей внутреннего сгорания, так и в конденсаторах холодильных агрегатов. Речь, таким образом, идет о процессе, весьма перспективном в плане использования тепла регенерации в летний период.

Особый интерес к подобным системам проявляется, в частности, в США, где влагопоглощение имеет довольно скромный рынок с годовым оборотом 90 миллионов долларов (около 1% рынка холодильных агрегатов), причем в ближайшие годы предполагается его трехкратное увеличение. В настоящее время в мире насчитывается 13 производителей рабочих систем, как абсорбционных, так и жидкостных. Этот рынок ежегодно растет в среднем на 15%, хотя основными потребителями изделий выступают в основном промышленные предприятия. Весьма многообещающими представляются возможности использования таких систем в секторе супермаркетов, где существенное снижение влажности внутреннего воздуха может дать чрезвычайно важные преимущества, особенно с учетом вступивших в силу новых нормативов, касающихся воздухообменов помещений. Исследовательский институт Gas Rasearch Institute (GRI) методично пропагандирует эти системы буквально на всех уровнях. В 2001 году было установлено около 12 800 систем химического влагопоглощения, из них свыше половины для осушения воздуха (оставшаяся часть предназначена в основном для холодильного сектора).

 

Перепечатано с сокращениями из журнала CDA.

Перевод с итальянского С. Н. Булекова.

Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “АВОК” за №1'2002

распечатать статью распечатать статью


Реклама
Реклама на нашем сайте
Яндекс цитирования

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Онлайн-словарь АВОК!


Реклама на нашем сайте