Методики расчета TEWI автотранспортных холодильных систем

Аннотация

А представлена методика расчета TEWI для холодильного транспортного оборудования и для автомобильных кондиционеров. Изложены принципы совершенствования методов оценки экологической безопасности холодильных систем автомобильного транспорта.

Полный текст

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.