УДК 721.011.1:697.7

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

Щукина Татьяна Васильевна, канд. техн. наук, доцент кафедры отопления и вентиляции, с. тел. (960) 1175182.

e-mail: Vittorea@yandex.ru.

Т.В. Щукина

Влияние интенсивности утилизируемого солнечного излучения на холодопроизводительность абсорбционных установок

Системы солнечного теплоснабжения в отличие от установок, используемых 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. Для восполнения данной нагрузки можно применять как абсорбционные холодильные машины (АБХМ), так и пароэжекторные. Наибольшее распространение по причине высокой надежности получили абсорбционные установки с замкнутым термодинамическим циклом [1].

В АБХМ повышение давления хладагента осуществляется с помощью темромеханического компрессора, работа которого основана на использовании экзотермических и эндотермических процессов смешения и разделения веществ. 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.

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 требуемая 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 [2], что может быть обеспечено применением концентраторов для поступающего излучения, которым, в свою очередь, требуется надежная система слежения за Солнцем. Поэтому при утилизации солнечной радиации для холодоснабжения в основном применяются бромисто-литиевые абсорбционные установки малой и средней мощности.

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 сокращает потери, а существенно снизить ее традиционное потребление можно при утилизации тепловых выбросов и при использовании альтернативных источников энергии.

В АБХМ хладагент, в соответствии с представленной схемой на рис. 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 клапана в испаритель. В бромисто-литиевых АБХМ в качестве хладагента используется вода, а как абсорбент применяется бромид лития LiBr. В аммиачных в качестве хладагента используется аммиак NH₃, а в качестве абсорбента – вода.

Рис. 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

При утилизации солнечной энергии для получения холода могут быть использованы абсорбционные установки как с замкнутыми, так и разомкнутыми термодинамическими циклами [1]. 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, поэтому чаще применяют АБХМ с замкнутым циклом.

Эффективность абсорбционных холодильных машин характеризуется тепловым коэффициентом термодинамического цикла, определяемым как отношение холодопроизводительности установки к затратам тепловой энергии [2, 3]. Тепловой коэффициент одноступенчатых АБХМ (рис. 1) находится в пределах от 0,6 до 0,8 при максимально возможном теоретическом значении 1 [4, 5]. В связи с этим данные установки целесообразно использовать в случаях, когда есть возможность утилизации энергии, например, сбросная тепловая энергия от электростанций, котлов или возобновляемых источников. Так как одноступенчатая абсорбционная машина обеспечивает требуемое охлаждение с низким тепловым коэффициентом, то для повышения ее эффективности часто дополнительно устанавливают рекуперативные теплообменники, которые снижают потери.

В бромисто-литиевых машинах тепло, подаваемое к генератору, позволяет получить водяные пары, направляемые к конденсатору, где они 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 и охлаждаемой среды. Пары поступают в абсорбер и поглощаются раствором бромистого лития, снижая его концентрацию за счет увеличения массовой доли воды. Смесь, выходящая из генератора, характеризуется высокой концентрацией бромистого лития. Давление во всей системе бромисто-литиевой машины ниже атмосферного. Для температуры кипения +7 ^оС давление должно составлять около 1 кПа (8 мм рт. ст.) [3]. Поэтому для бесперебойной работы в холодильных установках необходимо предусматривать устройства для удаления воздуха из системы в случае возникновения неплотностей. Технические параметры некоторых АБХМ приведены в табл. 1. [6].

Таблица 1

Технические данные бромисто-литиевых холодильных установок

Параметры холодильных установок	Холодопроизводительность, кВт
	15	30	54	83	140	150	200
Температура охлаждающей воды, ^оС	17/11	15/9	15/9	15/9	15/9	15/9	15/9
Теплоптребление, кВт	21	40	72	11	187	200	266
Температура греющего агента (вода), ^оС	90/80,5	86/73	86/71	86/71	86/71	86/71	86/71
Потребляемая электрическая мощность, кВт	0,3	0,5	0,9	1,2	2,2	2,6	3,4
Холодильный коэффициент	0,71	0,75	0,75	0,75	0,75	0,75	0,75
Габариты, мм: длина ширина высота	1500 750 1600	2220 850 2080	2950 1900 2250	3100 1100 2750	3490 1300 2750	3490 1300 3000	3490 1300 3600

Идеальная одноступенчатая АБХМ могла бы обеспечить холодильный эффект, равный количеству тепловой энергии, подведенной к генератору, но в результате термодинамических потерь в реальных установках этот показатель всегда будет ниже, чем затраты тепловой энергии. Суточные изменения в поступлении 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. 1) при использовании данного вида возобновляемой энергии, рассмотрим уравнение теплового баланса [3]

, (1)

где - теплота конденсации, кДж/кг; - теплота абсорбции паров раствором в абсорбере, кДж/кг; - теплота, подведенная в генераторе (десорбере), кДж/кг; - холодильная мощность или теплота, подведенная в испаритель охлаждаемой средой, кДж/кг; - работа насоса, затрачиваемая на транспортировку раствора, кДж/кг.

Так как энергия, затрачиваемая насосом, незначительна по сравнению с потоками теплоты и , то без ущерба для точности вычислений выражение (1) можно упростить до вида

, (2)

Согласно изменению энтропии имеем [3]

, (3)

Заменяя и используя соотношение , получаем

. (4)

Перегруппируем уравнение (4) относительно q_О и q_Г

. (5)

Тогда из баланса потоков теплоты можно найти выражение для определения теплового коэффициента [3], который характеризует эффективность термодинамического цикла и равен отношению полученного холода к теплоте, подведенной к генератору,

. (6)

Выражая из уравнения (5) соотношение и подставляя его в (6) получаем [3]

. (7)

Зависимость (7) показывает, что тепловой коэффициент идеального цикла АБХМ увеличивается с повышением температуры Т_Г и Т_О, а уменьшается с повышением температуры охлаждающей воды Т_W.

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 [7] 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

, (8)

где - 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 (8) распределение поступлений солнечной энергии на горизонтальную поверхность площадью 1 м² в течение светового дня подчиняется уравнению

. (9)

Построенный по зависимости (9) график (рис. 2) и нанесенные выделенными точками результаты актинометрических наблюдений показывают его адекватность поступлению солнечной радиации на горизонтальную поверхность. Так же следует отметить, что форма записи выражений (8, 9) без проведения вычислений позволяет предположить достижение максимальных значений в полдень и минимальных поступлений в утренние и вечерние часы.

Рис. 2. Тепловой поток, отнесенный к площади воспринимающей поверхности: 1 - поступление солнечной радиации на горизонтальную поверхность площадью 1 м² в 52 ^ос.ш. в июле; 2- вырабатываемый холод, отнесенный к 1 м² площади солнечных коллекторов

Для определения полезной теплоты, получаемой в устройствах улавливания солнечного излучения и в последующем используемой в абсорбционных установках, угол наклона плоских коллекторов к горизонту принят равным широте местности, а их оптический кпд - . Расчетный температурный режим теплоносителя для указанных условий утилизации солнечной энергии и вырабатывая в этом случае удельная холодопроизводительность представлены в табл. 2.

Снижение интенсивности солнечного излучения не только сокращает вырабатываемый холод, но и ухудшает показатели теплового коэффициента термодинамического процесса (табл. 2), 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 8 до 17 часов соответствуют возрастающим теплопоступлениям в здания и тем самым способствуют эффективной борьбе с ними.

Зависимость (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

(10)

характеризуется большей адекватностью в распределении интенсивности солнечного излучения, поступающего на 1 м² горизонтальной поверхности для местностей, относящихся к 52 ^ос.ш.

Таблица 2

Изменение параметров абсорбционной холодильной установки

при солнечном теплоснабжении генератора

Параметры АБХМ	Время, в ч., до (числитель) и после (знаменатель) полудня
	4-5 19-20	5-6 18-19	6-7 17-18	7-8 16-17	8-9 15-16	9-10 14-15	10-11 13-14	11-12 12-13
Температура теплоносителя, направляемого в генератор, ^оС	66,3	69,2	72,6	76,5	80,6	84,5	87,8	90,1
Эффективность термодинамического цикла	0,68	0,69	0,7	0,71	0,713	0,72	0,727	0,731
Удельные тепловые потоки, Вт/м^2	97,7 66,5	153,3 105,7	226,1 158,3	312,2 221,6	403,9 289	490 352,8	557,9 405,6	594,3 434,4

Несмотря на существующие технические решения, успешно эксплуатируемые в южных широтах, обладающих значительным ресурсом солнечной радиации, необходимо стремиться к созданию холодильных установок с высокоэффективными устройствами улавливания данного вида возобновляемой энергии, так как чем больше температура теплоносителя, подаваемого в десорбер, тем выше кпд и тем боле экономичной окажется система в целом. В Воронежском государственном архитектурно-строительном университете активно ведутся работы в этом направлении. Приоритетность имеющихся результатов исследований подтверждена патентами.

Следует также отметить, что при отсутствии стабильности в энергообеспечении абсорбционных установок, характерной для возобновляемых источников, целесообразно применять аккумуляторы холода. Развивая их возможности, как в направлении увеличения времени хранения, так и мощности, можно обеспечить бесперебойное холодоснабжение.

Библиографический список

1. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения/ Под ред. Э.В. Сарнацкого, С.А. Чистовича.- М.: Стройиздат, 1990 – 324 с.

2. Промышленные тепломассообменные процессы и установки// А.М. Бакластов, В.А. Горбенко, О.Л. Данилов и др.; Под ред. А.М. Бакластова. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 328 с.

3. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. – М.: Энергия, 1972. – 320 с.

4. http://www.abok/ru/for spec/дата обращения 10.07.2011.

5. Sanjuan C., Soutullo S., Heras M.R. Optimization of solar cooling system with interior energy storage// Sol. Energy, 2010, № 7. - P. 1244-1254.

6. http://www.ib-p.eu//kwkk-rus.html./ дата обращения 11.12.2011.

7. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология. – М.: ГУП ЦПП, 2003 – 97с.

Щукина Т.В. Влияние интенсивности утилизируемого солнечного излучения на холодопроизводительность абсорбционных установок.

Рассмотрены структурные особенности абсорбционных холодильных установок, позволяющих использовать для производства холода энергию солнца. Выполнен анализ влияния нестабильности возобновляемого источника на эффективность термодинамического цикла.