Солнечные холодильные и кондиционирующие системы

Снижение габаритов и сопротивления аппаратуры решается использованием тепломассообменной аппаратуры (ТМА) пленочного типа с многоканальными насадочными структурами, что обеспечивает требуемую компактность. Переход к ТМА совмещенного типа, когда в пределах одного аппарата реализуются сразу несколько процессов (основной и вспомогательный) значительно сокращает число ТМА в разработанных схемах (рис. 1 и 2), относительно аналогичных схем, разработанных ранее, где каждый этап технологического процесса последовательно осуществляется в своем отдельном аппарате
[1-3, 6-9]. Примером такого рационального совмещения основных и вспомогательных процессов в едином ТМА могут служить все основные аппараты схемы: непрямой испарительный охладитель НИО (1) в охладительной части АСКВ, абсорбер (3) и десорбер (4) в осушительной части схемы.
В НИО основным является процесс охлаждения основного воздушного потока при неизменном влагосодержании (рис. 3А), реализуемый в “сухой” части аппарата 2. Этот процесс обеспечивается испарительным охлаждением воды, рециркулирующей через каналы в “мокрой” части НИО 3. Охлажденная водяная пленка отводит тепло от основного воздушного потока через тонкую разделительную стенку. Оба процесса протекают одновременно в одном многоканальном аппарате НИО, но в его чередующихся каналах (рис. 3А).
В абсорбере (рис. 3Б) основным является процесс осушения пленкой абсорбента воздушного потока, поступающего в дальнейшем в охладительную часть АСКВ. Поскольку в процессе абсорбции выделяется тепло, во второй части аппарата вспомогательный воздушный поток, взаимодействуя с водяной пленкой, обеспечивает отвод теплоты абсорбции от основной рабочей части ТМА. Близкая конструкция абсорбера с внутренним испарительным охлаждением описана в работе австралийских исследователей [11] и в работе Lowenstein [3].
Десорбер устроен совершенно аналогично абсорберу. Процессы десорбции в нем протекают в регенеративной (восстановительной) части аппарата при взаимодействии стекающей пленки абсорбента (слабый раствор) и воздушного потока, выносящего из аппарата влагу, а подвод необходимого для десорбции тепла обеспечивается горячей водой, поступающей во внутреннюю полость галет. В рассматриваемых вариантах схем эта вода поступает из гелиоситемы 6 с солнечными коллекторами 7 и баком-теплоаккумулятором 8 — по рисункам 1 и 2.

• Share

Рис. 3. Принципиальные схемы непрямого испарительного охладителя НИО (А)
и абсорбера (Б) с насадкой из полимерных многоканальных плит.
1 — пакет насадки НИО; 2 — “сухая” часть НИО — каналы основного воздушного потока;
3 — “мокрая” часть НИО — каналы вспомогательного воздушного потока; 4 — распределитель жидкости; 5 — емкость для жидкости; 6 — насос; 7 — рециркуляционный водяной контур; 10 — теплообменник; 11 — подпитка рециркуляционного водяного контура НИО. 12 — осушительная часть насадки абсорбера; 13 — охладительная часть насадки абсорбера. В — схема течения потоков в насадке аппаратов.

Таким образом абсорбер с внутренним испарительным охлаждением — это четырехпоточный аппарат. В нем два воздушных потока, основной и вспомогательный, и два жидкостных — рециркулирующие через испарительную часть абсорбера — вода и крепкий раствор абсорбента. Внутреннее испарительное охлаждение абсорбера обеспечивает приближение процесса осушения к изотермическому и высокую эффективность процесса абсорбции. Это позволяет существенно уменьшить расход абсорбента и за счет этого снизить затраты на его регенерацию, повышая общий к.п.д. системы на 30-35% [3].
НИО и десорбер — трехпоточные аппараты. В НИО взаимодействуют основной и вспомогательный воздушные потоки и вода, а в десорбере восстанавливаемый абсорбент и воздушный поток. Вода, поступающая в чередующиеся каналы десорбера, обеспечивает равномерный подвод тепла для десорбции. Схема контакта воздушных потоков в НИО поперечноточная (между вспомогательным воздушным потоком и стекающей водяной пленкой противоточная). А в осушительной части абсорбера и десорбера — поперечноточная, между воздухом и стекающей пленкой абсорбента.
Поперечноточная схема движения контактирующих потоков обеспечивает удобство взаимной компоновки многочисленных ТМА в едином блоке оборудования. При этом снижается количество необходимых “разворотов” воздушных потоков и обеспечивается “линейность” схемы сквозного движения потоков воздуха через ТМА. Это позволяет уменьшить число вентиляторов в схеме и снизить их энергопотребление.
Сложность конструкции ТМА совмещенного типа порождает дополнительные технологические задачи: необходимость разводки всех потоков и герметизации рабочих полостей аппаратов. Но в целом аппараты НИО, АБР и ДБР устроены идентично и содержат теплообменные элементы, размещенные внутри аппарата, так что основной и вспомогательный процессы протекают в них одновременно. То есть все основные ТМА альтернативной системы могут быть унифицированы, что обеспечивает единство технологических операций при их изготовлении.
Выбор материала для изготовления насадки основан на результатах предварительного исследования [4], где было отмечено, что насадки регулярной структуры РН из листов алюминиевой фольги и полистирола обеспечивают близкие результаты, и несколько лучшие характеристики первой объясняются хорошей смачиваемостью материала. Основываясь на этом результате, были разработаны рекомендации к формированию базового элемента РН для ТМА из пластмассы (поликарбонатных плит многоканальной структуры), с учетом оптимальных геометрических характеристик каналов, определенных в ходе предварительных исследований [4]. Был проведен анализ ПМ, которые могут быть использованы в конструкции ТМА, и показано, что перспективным материалом является поликарбонат. Плита сотового поликарбоната представляет собой два параллельных листа с поперечными перегородками в цельной единой структуре. Температурный диапазон эксплуатации для поликарбоната составляет от –40 до +120°С, что позволяет использовать его в “открытых” системах (к таким относятся испарительные охладители). Максимальное термическое расширение (при ЖТ=80°С) составляет 2,5 мм/м. ПК устойчив ко многим химическим веществам (включая минеральные кислоты высокой концентрации), органическим кислотам, нейтральным и кислым растворам солей. Сотовые плиты из ПК отличаются высокими механическими характеристиками — такими, как твердость и стойкость к ударным воздействиям при длительном содержании на открытом воздухе. Интерес к полимерным материалам для создания ТМА подобных альтернативных систем отмечается в работах [3, 11].
Применительно к аппаратам альтернативных систем разработана многоканальная регулярная насадка РН, содержащая в качестве основного конструктивного элемента сотовые плиты многоканальной структуры из поликарбоната (рис. 3). Относительно возможности использования ПМ в ТМА совмещенного типа (где имеет место теплопередача через стенку, разделяющую основные и вспомогательные каналы) следует отметить, что термическое сопротивление тонкой стенки вполне сопоставимо с термическим сопротивлением самой жидкостной пленки на поверхности листов насадки, особенно в случае использования капиллярно-пористых покрытий поверхности насадки.
Очевидна перспективность применения солнечной энергии в качестве греющего источника альтернативной системы. Применение различных типов гелиосистем для частичного либо полного обеспечения требуемого температурного уровня регенерации абсорбента в открытом абсорбционном цикле позволяет обеспечить непрерывность процесса. Применение солнечной энергии в качестве греющего источника требует наличия дополнительного дублирующего источника. Его выбор зависит от типа и количества применяемых солнечных коллекторов в гелиосистеме (рис. 1, позиция 9). Такой дублирующий источник представляет собой газовый или электрический бойлер. Дублер периодически подогревает теплоноситель до расчетной температуры регенерации, когда неблагоприятные погодные условия не позволяют обеспечить полную регенерацию абсорбента, опираясь только на солнечную энергию. Он также может работать непрерывно, если рассчитан на использование в комбинации с маломощной гелиосистемой, применяемой только для первичного подогрева теплоносителя.
Естественным шагом в разработке подобных систем является использование для регенерации абсорбента комбинированного греющего источника [7], интегрирующего разнохарактерные источники низкопотенциального тепла. Вклад каждого из применяемых греющих источников и их тип легко варьируется на стадии проектирования установки в зависимости от поставленных перед ней задач, эколого-экономического анализа и данных климатических условий. Несомненна перспективность создания комбинированных солнечных систем, решающих задачи как тепло-, так и хладоснабжения. В этом случае солнечная система с плоскими солнечными коллекторами может обеспечить горячее водоснабжение и служить источником тепла для регенерации абсорбента в АСКВ.

• Share

Рис. 4А. Плоский солнечный коллектор, разработанный ОГАХ и НПФ “Новые технологии”, модификации металло-полимерного СК-М и полимерного СК-П соответственно.
1 — трубный регистр (для СК-П — многоканальная полимерная плита); 2,3 — коллекторные трубы; 4 — корпус СК; 5 — металлический лист; 6 — прозрачная изоляция (многоканальная полимерная плита); 7 — теплоизоляция.

В ОГАХ проводится разработка и сравнительные испытания новых типов солнечных коллекторов (СК). Для экспериментального изучения тепловых характеристик образцов СК был создан стенд, который позволял проводить параллельные сравнительные испытания двух различных СК в естественных условиях (при естественном солнечном излучении и при естественных погодных условиях, как они работали бы в составе реальной гелиосистемы). Испытывались три типа СК: СК с алюминиевым абсорбером и стеклом в качестве прозрачного покрытия (СК-А) — традиционный металлический СК с алюминиевым трубным регистром; СК-М с трубным регистром из медных трубок и СК-П, полностью изготовленный из полимерных материалов (рис. 4А). Испытания подтвердили работоспособность плоского полимерного солнечного коллектора. Его характеристики достаточно близки к характеристикам традиционных СК (рисунок 4Б), а стоимость значительно ниже. С учетом значительной требуемой суммарной поверхности СК для обеспечения рабочего режима АСКВ это делает полимерный СК особенно перспективным для таких систем.

• Share

Разработанная инженерная методика расчета альтернативных систем АСКВ позволяет, варьируя тип и концентрацию абсорбента, параметры окружающей среды и соотношение расходов (воздуха и абсорбента в осушительном контуре, основного и вспомогательного воздушных потоков в НИО, рециркулирующей воды к вспомогательному воздушному потоку в НИО), определять параметры на выходе из системы и подобрать оптимальный вариант комбинированного греющего источника [7-10]. Расчет показал, что для обеспечения работоспособности АСКВ требуется уровень температуры греющего источника в диапазоне 60-85°С [7], что полностью либо частично обеспечивается гелиосистемой с обычными плоскими солнечными коллекторами как металлическими, так и полимерными.
Характерные расчетные результаты приведены на рис. 5 для вариантов АСКВ по рис. 1 и 2 с рециркуляцией воздушного потока, покидающего помещение. В качестве абсорбентов в открытых системах обычно используются водные растворы хлористого кальция, хлористого лития, бромистого лития, а также многокомпонентные растворы (композиты) на основе указанных веществ. Как показано в предыдущих исследованиях авторов [7-10], наилучшей поглощающей способностью обладает водный раствор бромистого лития. В качестве добавок (снижение коррозионной активности раствора, повышение движущих сил процесса абсорбции, расширение участка безопасной работы с учетом явления кристаллизации раствора и пр.) используются LiNO3, ZnCl2, CaBr2, Li I и другие составляющие. Данные на рис. 5 приведены для раствора H2O+LiBr+ZnCl2+CaBr2, при концентрации раствора h = 65% (для параметров наружного воздуха — tГ = 34°С и хГ = 23 г/кг, заведомо выбранных для самых тяжелых с точки зрения реализуемой задачи кондиционирования воздуха районов земного шара — Рио-де-Жанейро, Сингапур, Майами, Бангкок, Бахрейн).
Схема на рис. 1 построена с учетом использования воздуха, покидающего помещение, для регенерации абсорбента в десорбере 4 (D — K, процесс показан в условном сочетании двух процессов, — нагрева воздуха D — L и выноса влаги из десорбера L — K, при подвoде к нему тепла из бака-теплоаккумулятора в виде горячей воды состояния О — P). Наружный воздух состояния А осушается в абсорбере (A — E), дополнительно охлаждается в теплообменнике (E — E*) вспомогательным воздушным потоком (процесс G — G*), покидающим НИО (этот поток воздуха состояния G достаточно холодный, но увлажненный и не может быть использован в целях кондиционирования). Затем охлаждается в “сухой” части НИО (E* — B) при неизменном влагосодержании и в состоянии В поступает в помещение. Процесс E* — G — процесс испарительного охлаждения в “мокрой” части НИО. Точка С характеризует состояние воздуха в кондиционируемом помещении.
Внутреннее охлаждение абсорбера, как указывалось выше, позволяет устранить из схемы вспомогательную градирню, охлаждающую абсорбер. Процесс испарительного охлаждения во внутренней полости (каналах) абсорбера осуществляется смесью воздушных потоков состояний А и Е (точка Х) на линии Х — I. Внутреннее испарительное охлаждение позволяет повысить изотермичность процесса абсорбции и, следовательно, его эффективность. Крепкий и горячий раствор абсорбента М и слабый и холодный раствор N обмениваются теплом в теплообменнике 5.
Схема на рис. 2 построена с учетом осушения воздуха, покидающего помещение и последующего его использования в качестве вспомогательного воздушного потока в НИО. В целом протекание рабочих процессов аналогично описанному выше, но температурный уровень в НИО резко смещается в сторону низких температур. В результате наружный воздух в НИО не только охлаждается, но и осушается
(А — А* — В). Этот конденсат может здесь использоваться для частичного погашения затрат воды на подпитку рециркуляционного контура НИО во влажной части. Это очень привлекательное решение, поскольку подаваемый в помещение воздух вообще не вступает в контакт с осушителем (абсорбентом), что важно по гигиеническим требованиям. Однако требуемый температурный уровень регенерации абсорбента в десорбере при этом растет.
Эту схему предпочтительно строить на непрямом испарительном охлаждении воды в НИО и последующей подаче этой воды в вентилируемые охладители, расположенные непосредственно в помещении. На схеме по рисунку 2Б представлен вариант решения с автономной градирней на потоке охлажденного в НИО воздуха. Это позволяет получать воду с температурой 3-8°С. В целях задач СКВ в НИО можно охлаждать как воздух, так и воду, автономно подавая эти потоки в помещение.
Она также может служить основой для создания солнечных холодильных систем. Процесс десорбции здесь протекает по линии G — L — K, и для него используется вспомогательный воздушный поток из НИО. Такое решение приводит к возрастанию аэродинамического сопротивления на воздушном потоке, покидающем помещение, поскольку он последовательно проходит три различных тепломассообменных аппарата. Видимо, здесь лучше для десорбции использовать наружный воздух либо, как показано на схеме по рис. 2А, смесь потоков А и G. Выбор решения связан с конкретикой решаемой задачи и технико-экономическим анализом.

• Share

• Share

Рис. 5. Ход процессов в АСКВ и обозначения потоков теплоносителей соответственно схемам на рисунках 1 и 2 (Б).

ЛИТЕРАТУРА

1. Lamp, P., Ziegler F., 1998, European research on solar-assisted air conditioning, Int. J. Refrig, vol. 21, no. 2: p. 89-99.
2. Hellman, H.M., Grossman G., 1995, Simulation and analysis of an open-cycle dehumidifier-evaporator (DER) absorption chiller for low-grade heat utilization, Int. J. Refrig., vol. 18, no. 3: p. 177-189.
3. Lowenstein, A., 1993, Liquid desiccant air-conditioners: An attractive alternative to vapor-compression systems. Oak-Ridge nat. Lab/Proc. Non-fluorocarbon Refrig. Air-Cond. Technol. Workshop. Breckenridge, CO, US, 06.23-25, p. 133-150.
4. Дорошенко, А., Компактная тепломассообменная аппаратура для холодильной техники (теория, расчет, инженерная практика). Докторская диссертация, Одесский институт низкотемпературной техники и энергетики. Одесса. 1992.
5. Дорошенко, А.В., Концов М.М., Поберезкин, А. А.,. 2000. Альтернативные холодильные и кондиционирующие системы с комбинированным греющим источником. Холодильная техника и технология. Выпуск 69; с. 47 — 56.
6. Поберезкин, А. А., Смоляная, И.А., Дорошенко, А.В., Кириллов, В.Х., 1999, Альтернативные системы кондиционирования воздуха на основе открытого абсорбционного цикла. Холодильная техника и технология. Выпуск 64; с. 34 — 47.
7. INTAS PROJECT, Reference Number: INTAS-96-1730 “Alternative Refrige-rating, Heat-Pumping and Air-Conditioning Systems on the basis of the open absorption cycle and Solar Energy”. 1998.
8. P.Koltun, A.V. Doroshenko, A.A. Poberezkin, I.A. Smolyanaya, Simu-lation of working processes in alternative cooling and air-conditioning systems on the basis of the open absorption cycle, 20th International Congress of Refrigeration IIR/IIF, Sydney, 1999.
9. Дорошенко, А.В., Концов М.М., Карачарова И.В. 2000. Рабочие вещества открытых абсорбционных холодильных и кондиционирующих систем. Холодильная техника и технология. Выпуск 73; с. 28 — 33.
10. P.Koltun, S. Ramakrishnan, A. Doroshenko, M. Konsov. 2003, Life Cycle Assessment of a Conventional and Alternantive Air-Conditioning Systems. 21h International Congress of Refrigeration IIR/IIF, Washington, D.C, ICR0140.
11. JOHN L. McNAB, PAUL McGREGOR/ 2003, Dual Indirect Cycle Air-Conditioner Uses Heat Concentrated Dessicant and Energy Recovery in a polymer Plate Heat Exchanger. 21h International Congress of Refrigeration IIR/IIF, Washington, D.C, ICR0646.

Дорошенко А.В.,
Одесская государственная академия холода.
Горин А.Н.,
Донецкий институт холодильной техники.