Calculation methods for TEWI of motor transport refrigeration systems

Abstract

А technique for the calculation of TEWI for refrigerated transport equipment and for car air conditioning is presented. Principles of improvement of the methods of evaluation of ecological safety of road transport refrigeration systems are stated.

Full Text

Автотранспортные холодильные системы. В настоящее время в автотранспортных средствах широко используют холодильные системы различного функционального назначения: рефрижераторные установки для хранения и перевозки продуктов питания, климатические установки (автомобильные кондиционеры) для термостатирования салонов транспортных средств, небольшие салонные холодильники для охлаждения напитков и т.д.

Различные цели применения, температурные уровни охлаждения, требуемая холодопроизводительность, режимы эксплуатации и внешние климатические условия определяют широкий диапазон применяемых принципов производства холода и принципиальных схем для их реализации [2]. В авторефрижераторной технике широко распространены не только машинные системы охлаждения на основе парокомпрессионных холодильных агентов, но и расходные (безмашинные), в которых в качестве хладагента используют сжиженный природный паз, жидкий азот, сжиженную пропан-бутановую смесь и т.д.

В настоящее время в условиях ужесточения экологических требований к холодильной технике и создания новых озонобезопасных хладагентов становится актуальной работа по совершенствованию методик оценки экологической безопасности холодильной техники, и в частности автотранспортных холодильных систем.

Методика расчета TEWI для авторефрижераторной техники. Тенденции развития транспортной холодильной техники ведущих зарубежных фирм, таких, как THERMO KING, CARRIER и др., после запрета на производство R12 в соответствии с Монреальским протоколом показывают их стремление к применению в своих холодильных агрегатах новых озонобезопасных хладагентов, например R134а, R404A и т.д. [ 1, 3]. В то же время ни один из созданных альтернативных хладагентов по эффективности нельзя считать идеальной заменой R12. Более того, значительная часть вновь созданных альтернативных хладагентов решением Киотского протокола (Япония, 1997) была отнесена к категории «парниковых газов», оказывающих значительное влияние на процесс глобального потепления.

В этих условиях для более полного учета энергетических и экологических факторов помимо потенциала глобального потепления (GWP) был введен критерий полного эквивалента глобального потепления — TEWI (Total Equivalent Warming Impact) [6, 7]. Международным институтом холода была предложена методика его расчета. согласно которой при оценке влияния какого-либо рабочего вещества на парниковый эффект необходимо учитывать не только его прямое воздействие на атмосферу Земли (GWP), но и побочный эффект, отражающий энергетическую эффективность холодильного оборудования:

TEWI = GWP.M + αBL,                                            (1)

где GWP - потенциал глобального потепления применяемого хладагента;

М — масса утечек хладагента, кг;

α — количество СО₂, выделяющееся при производстве 1 кВтч электроэнергии, кг/(кВтч);

В — затраты электроэнергии в течение времени эксплуатации оборудования, кВт;

L — продолжительность эксплуатации оборудования, ч.

Вклад этих составляющих (прямого и косвенного влияния) b TEWI существенно различен. Так, для герметичных систем косвенный вклад в TEWI, который, по существу, определяет энергетическую эффективность холодильной машины, значительно превышает вклад в парниковый эффект от эмиссии хладагентов в атмосферу.

Расчет суммарного эквивалентного воздействия на глобальное потепление достаточно сложен, и в настоящее время методика определения TEWI, представленная в виде вышеуказанной зависимости (1), разработана в основном для стационарных холодильных установок. Как показала практика, использование данной методики для транспортных холодильных систем не учитывает всей совокупности факторов, влияющих на парниковый эффект, и не позволяет в полной мере реально оценить вклад каждой из этих составляющих в TEWI.

На основе результатов исследований, проводимых в Военном инженерно-космическом университете (ВИКУ) по созданию энергохолодильных систем специального назначения, автором была разработана новая методика определения TEWI для авторефрижераторной техники. При создании методики учитывали, что в отличие от стационарных холодильных установок авторефрижераторная техника имеет ряд принципиальных особенностей, влияющих на расчет TEWI. К ним относятся следующие:

• авторефрижераторную технику необходимо рассматривать как целостную систему, состоящую из двигателя автомашины и двигателя компрессорного холодильного агрегата;
• для расчета TEWI авторефрижераторной техники существенное значение имеют вид топлива и тип двигателей, используемых в транспортной холодильной системе, определяющих в итоге состав и концентрацию веществ в отработанных газах двигателей и их влияние на парниковый эффект;
• использование для выработки энергии моторного топлива обусловливает необходимость учета эмиссии в атмосферу паров топлива из баков авторефрижераторной техники при ее заправке и во время эксплуатации;
• при расчете TEWI авторефрижераторной техники необходимо принимать во внимание влияние на экологию испарений широких фракций легких углеводородов (ШФЛУ) при хранении моторного топлива на автозаправочных станциях (АЗС) в резервуарах, эквивалентных по объему бакам авторефрижератора, опорожняемым за определенный срок эксплуатации;
• при эксплуатации авторефрижераторной техники в окружающую атмосферу выделяются также картерные газы, состав которых зависит от вида используемого топлива и типа двигателей;
• для авторефрижераторной техники, в которой хладагентом служат вещества с высоким потенциалом глобального потепления, надежность удержания такого хладагента внутри системы также имеет значение (однако оно носит вторичный характер по отношению к энергопотреблению) и т.д.

Необходимость учета вышеуказанных особенностей при расчете TEWI определяется тем, что на современных авторефрижераторах (в первую очередь на крупнотоннажных) в настоящее время наиболее широко распространены компрессоры, работающие во время движения от собственных двигателей (как правило, дизелей), а во время стоянки — от электродвигателей, питающихся от внешней электросети. Это обеспечивает полную автономность, те. отсутствие связи с двигателем автомашины, что позволяет стабильно поддерживать в грузовом объеме требуемый температурный режим. Традиционные холодильные агрегаты авторефрижераторных установок комплектуют, как правило, компрессорами открытого типа с ременным приводом. Потери хладагента обычно достаточно высоки из-за тяжелых условий эксплуатации, использования открытого компрессора с уплотнением вала и гибких соединительных шлангов. Как показывает практика, даже при высоком качестве обслуживания холодильного агрегата потери хладагента в год составляют более 35% заправленной массы.

Отработанные газы двигателей авторефрижераторов содержат значительное количество «парниковых» газов, среди которых СО, СО₂, С_ХН_y и др.

Загрязнение воздушного пространства испарениями моторного топлива происходит при выделении ШФЛУ из резервуаров АЗС, вентиляции газового пространства, неправильной установке дыхательной и предохранительной аппаратуры и по другим причинам. Практика показывает, что среднегодовой объем испарившегося топлива из резервуара объемом 20 м’ составляет не менее 6000 кг, что приводит не только к потере ценного продукта, но и значительному загрязнению окружающей среды.

Испарение моторного топлива происходит также и в самом авторефрижераторе при работе двигателя и в нерабочем состоянии. Внутренняя полость топливных баков авторефрижераторов всегда сообщается с атмосферой для поддержания давления внутри баков на уровне атмосферного. Это необходимо для нормальной работы всей системы питания двигателей, но в то же время создает условия для испарения ШФЛУ и загрязнения воздуха парниковыми газами.

В общем виде, исходя из принятого понимания суммарного эквивалентного воздействия на глобальное потепление, уравнение для расчета TEWI авторефрижераторной техники можно представить как сумму выбросов парниковых газов всех видов (рассчитанных в эквиваленте к СО₂), образующихся при эксплуатации этой техники:

TEWI = W_дв+ W_дв.п + W_хл+ W_т + W_крт.r

где W_дв — количество парниковых газов, образующихся при работе двигателя, рассчитанное в эквиваленте к СО₂;

W_дв.п — количество парниковых газов, образующихся при работе двигателя привода компрессора и рассчитанных в эквиваленте к СО₂;

W_хл — количество упущенного хладагента, рассчитанного в эквиваленте к СО₂;

W_т — общее количество парниковых газов, образующихся при хранении моторного топлива и заправке им рефрижератора, рассчитанных в эквиваленте к СО₂;

W_крт.r — количество парниковых газов, образующихся в картерах двигателей рефрижератора, рассчитанных я эквиваленте к СО₂.

Для расчета каждой из составляющих ТЕWI можно использовать нижеприведенные аналитические выражения.

$W_{ДВ}=B L \sum _{i=1}^n{\alpha }_{і}GW{P}_i$,

где В — объемный расход топлива, л/ч;

L — продолжительность работы, ч;

α_i — масса i-го парникового газа в выхлопе двигателя, выделившегося при сжигании 1 л топлива, кг/л;

GWP_i — потенциал глобального потепления i-го парникового газа в выхлопе двигателя.

В среднем при сжигании 1л нефтепродуктов (например, бензина) из окружающей атмосферы извлекается 2,9 кг кислорода, что соответствует 13,7 кг воздуха, а обратно выбрасывается до 140 г диоксида углерода, до 6011 углеводородов (C_xH_y, до 10 г оксидов азота (NO_x, огромное количество полиароматических углеводородов (ПАУ) и других веществ, оказывающих негативное влияние на окружающую среду.

В случае, если компрессор работает не за счет отбора мощности от двигателя рефрижератора, а имеет свои двигатель, необходимо учитывать и его влияние на TEWI.

W_дв.п =  W_дв,

где ß - коэффициент мощности двигателя привода компрессора холодильного агрегата (для авторефрижераторной техники ß = 0,1 ...0,2).

W_хл = gWP_хл • т_хл,

где gWP_хл —потенциал глобального потепления хладагента холодильного агрегата; т_хл — масса утечки хладагента при эксплуатации авторефрижераторной установки, кг.

Один из самых трудных моментов в расчете TEWI- определение доли вклада испарений топлива, образую-

щихся при хранении топлива и заправке им двигателей:

W_т = W_хр.АЗС + W_хр.бк + W_з,

где W_хр.АЗС — количество парниковых газов, образующихся при хранении топлива на автозаправочной станции (АЗС), рассчитанное в эквиваленте к СО₂;

W_хр.бк ^_ количество парниковых газов, образующихся при хранении топлива в баках рефрижератора, рассчитанное в эквиваленте к СО₂;

W_з -количество парниковых газов, образующихся при правке топливом авторефрижератора, рассчитанное в эквиваленте к СО₂;

$W_{хр.АЗС}=П\sum _{i=і}^{n}GW{P}_j{Ц}_j{m}_{М.Д}+\sum _{i=1}^{n}GW{P}_j{Ц}_j{m}_{б.д}$,

где П- время хранения топлива в резервуарах, ч;

GWP_j - потенциал глобального потепления j-го парникового газа в испарениях топлива при его хранении на АЗС;

Ц_j - доля j-го парникового газа в общей массе испарившегося топлива при его хранении на АЗС;

m_м.д - масса испарившегося моторного топлива при «малом» дыхании резервуаров АЗС, кг/ч;

m_б.л - масса испарившегося моторного топлива при больших» дыханиях резервуаров АЗС, кг;

$m_{М.Д}=K_1{V}^{2/3}\frac{{К}_2}{100}exp (0,039T)\frac{M}{22,4T}$,

где К₁ и К₂ — коэффициенты, зависящие от свойств моторного топлива;

V- объем резервуара, м³;

М - средняя молекулярная масса паров моторного топлива (нефтепродуктов);

Т - температура в газовом пространстве, К.

m_б.л = 4,3511 - 10⁶ρрVk_pk_s,

где ρ — плотность моторного топлива, кг/м³;

р- давление паров топлива, Па;

V - объем резервуара, м³;

к_р - коэффициент оборачиваемости резервуаров;

к_s- поправочный коэффициент, характеризующий свойства хранимого продукта.

Для определения W_хр.бк с учетом постоянного расхода топлива при эксплуатации авторефрижераторной техники можно использовать выражение

W_хр.бк = γW_хр.АЗС,

где γ — коэффициент, учитывающий опорожняемость баков в процессе эксплуатации автомобиля (γ = 0,5).

Один из источников попадания парниковых газов в атмосферу при эксплуатации авторефрижераторной техники - процесс ее заправки топливом. Для ориентировочных расчетов влияния на TEWI этой составляющей вследствие ее небольшой величины предлагается пользоваться формулой

$W_{зп}=m_{зп}\frac{{\displaystyle \sum _{k=l}^n}GW{P}_k}{N}$,

где т_зп - масса испарившегося топлива в процессе заправки, кг;

GWP_к— потенциал глобального потепления к-го парникового газа в испарениях топлива, образующихся при заправке авторефрижератора;

N— количество компонентов топлива, относящихся к парниковым газам.

m_зп = kV_н (p_s/p_г)ρ,

где к — коэффициент, учитывающий степень насыщения газового пространства и увеличение объема вытесняемой паровоздушной смеси вследствие ее донасыщения во время наполнения бака;

V_н— объем налитого топлива, м³;

р_s — давление насыщенных паров бензина при температуре, равной температуре окружающего воздуха, Па;

р_г —давление в газовом пространстве при наливе, принимаемое равным атмосферному, Па;

ρ — плотность паров моторного топлива, кг/м³.

Значение W_крт.г при расчете TEWI определяется для каждого конкретного случая и зависит от типа двигателя, типа смазки (мокрая или сухая) и ряда других параметров. В некоторых случаях его вкладом в TEWI можно пренебречь из-за малой величины.

Методика расчета TEWI для автомобильных кондиционеров. В настоящее время за рубежом ежегодно производится до 30 млн автомобильных кондиционеров, входящих в стандартную комплектацию более чем 50 % новых машин. Несмотря на постоянное совершенствование этих систем, автомобильные кондиционеры являются одними из главных источников утечек хладагента в атмосферу. Так, в 1996 г. из произведенных 84 тыс. т R134a основная его часть пошла на покрытие именно этого сектора холодильной техники.

Автомобильные кондиционеры в российских автомобилях даже в настоящее время вещь достаточно экзотическая. Однако с 1995 г. некоторые серийно производимые отечественные автомобили также стали оборудовать кондиционерами. Так, автомобиль «Волга» с 406-м двигателем снабжается кондиционером, поддерживающим температуру в салоне в диапазоне 17...23 °С при температуре наружного воздуха -40...+40 °С. В кондиционер входят: коробка реле управления, электровакуумный клапан, испаритель-отопитель, вакуумный стабилизатор оборотов, фильтр-осушитель, мотор-вентилятор конденсатора, конденсатор, компрессор. Отбор мощности па кондиционер производится от вала двигателя автомобиля.

Основные технические характеристики кондиционера
автомобиля «Волга»

Холодопроизводительность, Вт                                              4500

Хладагент                                                                            R134A

Расход охлаждаемого воздуха в салоне, м³/ч                           500

Потребляемая электрическая мощность

постоянного тока напряжением 12 В, Вт, не более                  300

Применение автомобильных кондиционеров в отечественном транспорте требует более внимательного изучения их эффективности и экологической безопасности.

В автомобильных кондиционерах с компрессором открытого типа испаритель размещается в одном блоке с нагревателем и вентилятором отопителя, а конденсатор - перед радиатором. В таких тяжелых условиях эксплуатации потери хладагента, как правило, высоки.

Первые оценки TEWI автомобильных кондиционеров базировались исключительно на теоретическом расчете степени энергетической эффективности холодильного агрегата [4. 5].

Однако в последние годы с развитием производства альтернативных видов моторных топлив и их широким применением в автотранспорте в значительной степени изменились подходы к расчету TEWI для автомобильных кондиционеров. При традиционно сохраняемой прямой составляющей, определяемой типом хладагента и массой его эмиссии при эксплуатации кондиционера, особую значимость в косвенной составляющей приобретают вид применяемого топлива, а также характеристики системы хранения и заправки автомобиля топливом.

В общем виде зависимость для определения TEWI автомобильного кондиционера можно представить в следующем виде:

TEWI = W_хл + ß(W_дв+ W_т),

где W_хл — количество утечек хладагента, рассчитанного в эквиваленте к СО₂;

ß — коэффициент отбираемой от двигателя автомобиля мощности для привода компрессора кондиционера;

W_дв - количество парниковых газов, образовавшихся при работе двигателя автомобиля, рассчитанное в эквиваленте к СО₂;

W_т — общее количество парниковых газов, образующихся при хранении моторного топлива и заправке им автомобиля с кондиционером, рассчитанное в эквиваленте к СО₂.

Значение ß зависит от класса автомобиля, холодопроизводительности кондиционера, климатических условий эксплуатации автомобиля и других факторов. Вследствие этого оно изменяется в широких пределах (от 2 до 10 % мощности двигателя) и составляет соответственно ß=0,02...0,1;

W_хл = GWP_{хл •} m_хл,

где GWP_хл — потенциал глобального потепления хладагента автомобильного кондиционера;

m_хл — масса утечки хладагента при эксплуатации авторефрижераторной установки, кг;

Значения W_дв и W_т вычисляют по уравнениям, аналогичным приведенным выше для авторефрижератора установок.