Cold accumulators using slurry ice in air-conditioning systems

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Холодильная индустрия является одной из отраслей промышленности, которая вносит значительный вклад в развитие парникового эффекта. После принятия Монреальского протокола и Конвенции ООН об изменении климата, появилась дилемма: одни хладагенты (ХФУ, ГХФУ) способствуют разрушению озонового слоя, а другие (ГФУ), которые постепенно заменяют их, к сожалению, даже если не разрушают озоновый слой, они все еще также имеют значительный потенциал глобального потепления. Таким образом, перед современной холодильной техникой стоят задачи: уменьшение потерь хладагента из оборудования, уменьшение заправки хладагента и повышение энергоэффективности холодильного оборудования.

Решением указанных выше проблем может выступить использование бинарного льда в качестве хладоносителя.

Бинарный лед (айс-сларри, жидкий лед, ледяная вода, ледяная суспензия) – это суспензия водного раствора с кристаллами льда. Размеры кристаллов льда обычно составляют от 0,1 до 1 мм в диаметре. Жидкая фаза может быть в виде чистой воды или воды с примесями [1, 2]. За счет высокой охлаждающей способности, обеспечиваемой скрытой теплотой фазового перехода, бинарный лед является довольно простым и экологически оптимальным решением упомянутой выше проблемы.

Еще одной особенностью использования ледяной суспензии является возможность аккумулирования холода, что позволяет устанавливать оборудование меньшей мощности и стоимости. Применение бинарного льда позволяет в ряде случаев в несколько раз увеличить энергетические показатели, тем самым, снизив капитальные и эксплуатационные затраты, по сравнению с применением установок, использующих однофазные промежуточные хладоносители.

В последние годы разработка коммерческих систем ледяной суспензии позволила использовать рассматриваемую технологию в широком диапазоне применений. Простота замораживания воды с экологически чистой добавкой (спирт, соли и др.) и получение очень высоких значений удельной энтальпии делают применение бинарного льда перспективной технологией будущего. При содержании льда 30% увеличение энтальпии относительно жидкого раствора происходит практически в 3 раза и достигает значений более 75 кДж/кг [1].

ХЛАДОНОСИТЕЛИ

Схемы холодоснабжения систем кондиционирования воздуха (СКВ) по способу использования холода у потребителя подразделяются на системы с непосредственным использованием холода от рабочей среды источника и с применением промежуточного хладоносителя. При этом хладоноситель – это вещество, которое передает теплоту от охлаждаемого объекта хладагенту, кипящему в испарителе.

Использование холода от рабочей среды может быть проще и дешевле, так как в данной системе не предусмотрен теплообменник между контуром хладагента и хладоносителя, а значит, уменьшается гидравлическое сопротивление в системе. Однако, при данном способе использования холода у потребителя для многозонального кондиционируемого объёма возникают трудности.

Систему с использованием промежуточного хладоносителя применяют при большом числе потребителей холода с различными температурами, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. В данном типе систем стоит выделить следующие достоинства: возможность применения более простой и полной автоматизации работы охлаждающей системы, большая аккумулирующая способность, возможность использования различных типов хладоносителей в контурах в зависимости от внешних условий и требований. К недостаткам стоит отнести необходимость поддержания более низкой температуры кипения для дополнительного охлаждения хладоносителя, наличие дополнительных затрат энергии на работу насосов и дополнительного оборудования, а также большую металлоёмкость системы.

Промежуточные хладоносители могут быть не только однофазные, но и двухфазные (рис. 1). Идеального хладоносителя не существует, и, так же, как и хладагент, в каждом конкретном случае различные свойства хладоносителей могут играть значительную роль для всей системы.

 

Рис. 1. Классификация существующих хладоносителей.

Fig. 1. Classification of existing refrigerants.

 

Двухфазный хладоноситель позволяет эффективно аккумулировать холод, полученный при непиковых нагрузках на электросеть, и также при охлаждении он поддерживает постоянный низкий температурный уровень. Эффективность системы косвенного охлаждения повышается за счет уменьшения циркулирующей воды в системе, требуемой для снятия той же тепловой нагрузки, либо же увеличения производительности системы по холоду при той же мощности насоса, перекачивающего хладоноситель.

Таким образом, пока еще мало распространённая в России технология аккумулирования холода с использованием бинарного льда является перспективной, удовлетворяющей интересам как заказчика и потребителя, так и общества в целом. В долгосрочной перспективе бинарный лед позволяет значительно сэкономить на хладоносителе, используя, например, воду с присадками, вместо дорогого хладагента, использовать электроэнергию по льготным тарифам, обеспечивая равномерность нагрузки на электросеть, и использовать экологичную технологию аккумулирования холода на доступном природном хладоносителе.

Вода по теплофизическим параметрам обладает значительным преимуществом по сравнению со многими жидкостями, однако ее рабочий диапазон при нормальном давлении ограничивается температурами от 0 до 100 °С. Для использования воды в качестве хладоносителя при температуре ниже 0 °С требуются дополнительные присадки, снижающие температуру ее замерзания.

Бинарный лед получают из естественного раствора – морской воды, или из пресной с добавлением этиленгликоля, пропиленгликоля, хлорида натрия, хлорида кальция, этанола и других веществ. Концентрация и вид депрессанта в смеси влияет на теплофизические свойства получаемого бинарного льда.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИМЕСЕЙ В РАСТВОРЕ

Растворимые вещества, такие как соли, спирты и гликоли, называют депрессантами, так как они понижают температуру кристаллизации раствора. Твердые примеси – это нерастворимые частицы, их называют присадками. Присадки и депрессанты оказывают различное воздействие на процессы получения и последующего применения бинарного льда. Снижение температуры кристаллизации позволяет использовать хладоноситель при рабочих температурах до минус 30 °С, увеличивая при этом, энергозатраты на его получение. В некоторых случаях примеси добавляют в незначительных количествах, до 10%, для интенсификации процесса первоначальной кристаллизации и улучшения свойств бинарного раствора. Кроме того, добавление присадок в смесь повышает ее вязкость.

В последнее время, для повышения эффективности регулирования роста кристаллов льда в воде или растворе и препятствования его «налипания» на теплообменной поверхности, стали применятся различные присадки. Присадки – это, в основном, мелкодисперсные твердые вещества. Они могут служить центрами кристаллизации в процессе льдообразования. Их применение также позволяет регулировать массовую концентрацию льда в смеси. Присадки могут добавляться в процессе получения бинарного льда или в уже готовую смесь. В зависимости от способа образования кристаллов, при изготовлении бинарной смеси – поверхностном или объемном – применяются те или иные присадки, которые вносят свой положительный или отрицательный эффект. В качестве таких веществ могут быть использованы различные антифризные белки (antifreeze proteins – AFP), связующие силановые вещества (кремневодороды), некоторые не ионные и анионные поверхностно-активные вещества (полиэтилен-сорбитан-диолеат и полиэтилен-алкилэфир-фосфат), а также этиловый и поливиниловый спирты.

Молекулы AFP адсорбируются на поверхности льда, создавая на ней «неровности», тем самым замедляя рост ледяных кристаллов (рис. 2). Такое «искривление» поверхности вызывает понижение локальной температуры замерзания, в области роста кристалла, которое обратно пропорционально радиусу «искривления».

 

Рис. 2. Воздействие AFP на кристалл льда.

Fig. 2. Impact of APF on an ice crystal.

 

Проведенные работы в области применения AFP показали, что они препятствуют агломерации кристаллов льда, и позволяют свободно течь смеси по трубам, даже если их концентрация составляет 6 мг/мл. Также в ходе экспериментов было обнаружено, что потери давления бинарного льда, обработанного антифризным белком, лишь в несколько раз выше, чем у воды, что, безусловно, увеличивает привлекательность его применения в качестве хладоносителя по сравнению с иными примесями.

В силу своей высокой стоимости AFP не получили широкого распространения в системах СКВ. Таким образом, перспективной оказывается разработка дешевых присадок, которые смогут их заменить. Учеными было исследовано применение связующих силановых веществ и поливиниловых спиртов. В ходе изучения поверхности льда, было обнаружено появление канавок, созданных связующими силановыми веществами и поливиниловым спиртом, с интервалов в несколько сотен нанометров. Это позволяет предположить, что молекулы таких добавок могут быть адсорбированы на поверхности льда, также как и в случае с добавлением AFP, препятствуя, таким образом, росту кристаллов льда между узлами адсорбции.

Некоторые поверхностно-активные вещества также являются достаточно эффективными в «измельчении» кристаллов льда в воде при их низких концентрациях. Способность препятствования росту ледяных кристаллов присутствует у не ионных и анионных поверхностно-активных веществ (ПАВ), называемых полиэтилен-сорбитан-диолеат и полиэтилен-алкилэфир-фосфат. На рис. 3 показано влияние концентрации полиэтилен-сорбитан-диолеата на «измельчение» ледяных частиц при различных значениях коэффициента льдообразования.

 

Рис. 3. Влияние ПАВ на размеры кристаллов льда при различных значениях коэффициента льдообразования, где ○ – случаи без роста ледяных частиц; ■ – случаи, где наблюдается рост ледяных частиц [2].

Fig. 3. Effect of surfactants on the size of ice crystals at different IPF values: ○ ― cases without growth of ice particles; ■ ― cases of growth of ice particles.

 

Из рис. 3 видно, что при льдосодержании 30% и концентрации ПАВ в 1000 мг/л, кристаллы льда не увеличиваются. Также, возможно применение и других поверхностно-активных веществ, которые будут столь же эффективны, даже при концентрациях ниже 1000 мг/л.

ПОЛУЧЕНИЕ БИНАРНОГО ЛЬДА

В процессе получения бинарного льда самым важным и энергозатратным этапом будет получение ледяных частиц определенной формы, размеров, шероховатости. В этом случае разумно разобраться с методами генерации бинарного льда.

4.1. Получение кристаллов льда путем переохлаждения жидкости

Получение бинарного льда способом переохлаждения жидкости предполагает следующие шаги: вода или водный раствор охлаждается в испарителе ниже температуры замерзания; переохлажденная жидкость подвергается воздействию, в ней зарождаются кристаллы льда, образуя при этом бинарную смесь. Условная схема процесса получения ледяной суспензии методом переохлаждения жидкости показана на рис. 4 [3].

 

Рис. 4. Процесс производства ледяной суспензии методом переохлажденной воды в системе хранения льда.

Fig. 4. Ice slurry production process by the subcooled water method in an ice storage system.

 

Указанный способ считается относительно простым и имеет низкие эксплуатационные расходы, однако требует тщательного проектирования оборудования, для достижения стабильности получения суспензии льда. Одной из сложностей при разработке теплообменника для переохлаждения жидкости является предотвращение кристаллизации внутри него.

4.2. Получение кристаллов льда в псевдоожиженном слое

Псевдоожижение – это гидромеханический процесс взаимодействия твёрдых частиц с восходящим потоком жидкости (газа), при котором твёрдые частицы приобретают подвижность друг относительно друга за счёт восприятия энергии потока. Псевдоожижение приводит к образованию системы, в которой твёрдые частицы зернистого материала находятся во взвешенном состоянии, – псевдоожиженного (кипящего) слоя.

Теплообменники с псевдоожиженным слоем известны уже много лет и в настоящее время используются в основном для теплообмена с сильно загрязняющими технологическими жидкостями. Они представляют собой теплообменники кожухотрубного или трубчатого типа. Со стороны межтрубного пространства испаряется первичный хладагент. Лед образуется на внутренней поверхности труб, установленных в кожухе теплообменника, или рядом с ними. Внутри трубок находится псевдоожиженный слой, состоящий из мелких частиц из стали или стекла диаметром от 1 до 5 мм. Слои частиц псевдоожижаются восходящей жидкой фазой, которая представляет собой поток подачи ледяной суспензии. При псевдоожижении твердые частицы непрерывно воздействуют на внутренние стенки трубок. Таким образом предотвращается образование слоя льда на теплообменной поверхности, как показано на рис. 5.

 

Рис. 5. Механизм удаления частиц/льда [в генераторе льда с псевдоожиженным слоем].

Fig. 5. Particle/ice removal mechanism [in a fluidixed bed crystallizer].

 

4.3. Генераторы льда прямого контакта с несмешиваемым хладагентом

В генераторе ледяной суспензии с прямым контактом несмешивающийся первичный хладагент расширяется и затем впрыскивается в резервуар, где он испаряется. В результате своего испарения вода охлаждается и перенасыщается, образуются мелкодисперсные частицы льда. В испарительном баке необходимы инжекторные устройства, для распределения первичного хладагента таким образом, чтобы ледяная суспензия образовывалась равномерно по всему баку. Схематическая диаграмма показана на рис. 6.

 

Рис. 6. Схематическое изображение льдогенератора прямого контакта.

Fig. 6. Schematic of a direct contact ice machine.

 

Основное преимущество системы прямого контакта заключается в том, что между первичным хладагентом и ледяной суспензией не существует физической границы, что снижает инвестиции и увеличивает скорость теплопередачи. Поскольку теплообменная поверхность не требуется, капиталовложения в системы с прямым контактом относительно низки по сравнению с системами с теплообменными поверхностями. Эксплуатационные расходы будут низкими, в силу того что количество деталей, требующих обслуживания, мало, а также уменьшено потребление энергии из-за высокой скорости теплопередачи.

Проблемы в работе возникают, если хладагент, даже немного, растворим в воде, поскольку первичный хладагент может просочиться в систему охлаждения ледяной суспензии. Это может вызвать проблемы с безопасностью в случае легковоспламеняющихся или токсичных хладагентов, или являться опасным для окружающей среды, если хладагент имеет высокий потенциал глобального потепления. Небольшое количество хладагента всегда остается в кристаллах льда, независимо от того, насколько нерастворима жидкость.

4.4. Получение кристаллов льда путем намораживания на поверхностях

Самый распространенный и широко применяемый метод получения бинарного льда – намораживанием на теплопередающей поверхности. Такой льдогенератор состоит из круглого кожухотрубного теплообменника, охлаждаемого с внешней стороны испаряющимся хладагентом, а с внутренней стороны очищаемого вращающимися лопастями, орбитальными стержнями, щетками или винтовыми винтами. В ледяной суспензии механически создается турбулентность под действием вращающихся скребковых лезвий, установленных в центре теплообменника, что значительно увеличивает скорость теплопередачи, способствуя получению однородной смеси ледяной суспензии.

Основными недостатками указанного способа являются относительно высокие капитальные и эксплуатационные затраты, связанные с весьма большим количеством подвижных частей и быстрым износом скребков, которые периодически подлежат замене. Кристаллы льда, полученные этим методом, имеют дендритную форму, а их размер не регулируется, что негативно влияет на свойства бинарной смеси.

Пример: генератор льда с двигающимися скребками для снятия намораживаемого льда с цилиндрической поверхности (см. рис. 7). Он состоит из двух концентрических цилиндров, между которыми кипит хладагент, и скребков, снимающих образованный тонкий ледяной слой.

 

Рис. 7. Генератор скребкового типа.

Fig. 7. Scraper-type generator.

 

4.5. Получение кристаллов льда в вакуумно-испарительных установках

Наиболее эффективным способом производства ледяной суспензии является процесс вакуумной заморозки с прямой контактной теплопередачей, в котором в качестве хладагента используется вода. Схематическое изображение такого цикла показано на рис. 8. В испарителе (1), содержащем водно-солевой раствор, вода испаряется и сжимается компрессором (2) до давления конденсатора (3). Давление внутри испарителя близко к тройной точке воды, т.е. приблизительно 611 Па, что соответствует температуре воды 0,01 °C, поэтому такие системы получили общее название «вакуумный лед».

 

Рис. 8. Производство ледяной суспензии с водой в качестве хладагента.

Fig. 8. Production of ice slurry with water as a refrigerant.

 

Получение бинарного льда с помощью вакуумных технологий позволяет решить сразу две актуальные на сегодняшний день проблемы холодильной техники. Во-первых, вакуумные установки не оказывают негативного влияния на окружающую среду, в отличие от фреоновых. Во-вторых, они безопасны при использовании, так как рабочий цикл вакуумных установок проходит при давлении ниже атмосферного и не может стать причиной взрыва.

Преимуществами вакуумных установок являются: полная экологическая безопасность используемого хладагента, его негорючесть и нетоксичность; упрощённая технологическая схема установки, поскольку вода может быть, как холодильным агентом, так и хладоносителем; возможность получения водного льда с оптимальной, с точки зрения энергозатратности, температурой 0,5 °С, что трудно реализуемо в парокомпрессионных установках.

Недостатком вакуумной технологии является процесс откачивания водяного пара при низких давлениях. Плотность водяного пара при низком давлении примерно в 270 раз меньше плотности воздуха при нормальных условиях. Это приводит к необходимости обеспечения высокой скорости откачки вакуумного насоса и относительно высокому коэффициенту сжатия.

АККУМУЛЯЦИЯ БИНАРНОГО ЛЬДА

Готовый раствор ледяной суспензии имеет различные варианты хранения в зависимости от строения системы. Обычно, суспензия хранится в баке-аккумуляторе холода, обеспечивающем перемешивание раствора во избежание расслоения смеси и примораживания ледяных частиц к поверхностям бака или между собой. Для того, чтобы сохранить эффективность системы и снизить капитальные вложения важно рассмотреть возможные варианты хранения бинарного льда в системе.

5.1.Децентрализованная система аккумуляции

Суспензия льда, полученная в одном центральном генераторе, распределяется по различным накопительным сосудам (аккумуляторам холода), находящимся вблизи потребителей (рис. 9).

 

Рис. 9. Децентрализованная система аккумуляции [4]. Fig. 9. Decentralized accumulation system [4].

Fig. 9. Decentralized accumulation system [4].

 

Локальные емкости хранения льда действуют подобно буферным сосудам между системой генерации и потребителями холода. Такое распределение по емкостям покрывает прежде всего среднюю тепловую нагрузку у каждого потребителя, нежели пиковые нагрузки. Подобная система гарантирует равномерное распределение суспензии в системе для каждого потребителя и аккумулирующий сосуд для каждого потребителя не зависит от работоспособности остальных, что является преимуществом в случае выхода из строя одного из баков. Однако, данная система требует установки нескольких сосудов, предусматривающих перемешивание раствора, что может оказаться довольно дорогим решением для крупных объектов. Кроме того, в данной системе возможно увеличение стоимости установки за счет общей длины трубопроводов в системе, и, следовательно, гидравлических потерь хладоносителя в ней.

5.2. Централизованная система

Высокопроизводительные охлаждающие системы мо- гут требовать установки центрального аккумулятора, как показано на рис. 10. Ледяная суспензия может храниться в аккумуляторе и использоваться только для охлаждения воды, циркулирующей в системе распределения. Однако, лучше использовать прямо бинарный лед для снабжения потребителей холода в часы пиковой нагрузки

 

Рис. 10. Централизованная система аккумуляции холода при помощи ледяной суспензии [4].

Fig. 10. Centralized cold storage system using ice slurry [4].

 

Такой тип системы аккумуляции бинарного льда позволяет сосредоточить объемные элементы установки в отдельных помещениях, не занимая пространства у потребителя. Так же в центральном баке-аккумуляторе бинарного льда можно достичь даже большей концентрации льда в смеси, чем на выходе из льдогенератора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе рассмотрены основные типы хладоносителей (однофазные и двухфазные) и свойства бинарного льда.

Описано влияние самых распространённых примесей ледяной суспензии на параметры получаемого рассола: AFP(Anti-Freeze Proteins) адсорбируются на поверхности льда, в итоге, замедляя рост ледяных кристаллов; некоторые ПАВы, например, не ионные и анионные, «измельчают» кристаллы льда в воде, также возможно использование иных примесей, понижающих температуру кристаллизации раствора.

Представлены основные преимущества и недостатки распространенных способов получения бинарного льда. Переохлаждение жидкости считается простым способом генерации ледяной суспензии, имеет низкие эксплуатационные расходы, однако требует тщательного проектирования оборудования и предотвращения кристаллизации внутри теплообменника. В теплообменниках с псевдоожиженным слоем возможен унос мелких псевдоожижающих частиц. В настоящее время теплообменники этого типа используются, в основном, для теплообмена с сильно загрязняющими технологическими жидкостями. В генераторе ледяной суспензии с прямым контактом между первичным хладагентом и ледяной суспензией не существует физической границы, что снижает инвестиции и увеличивает скорость теплопередачи, однако небольшое количество хладагента всегда остается в кристаллах льда, последнее снижает качество получаемого раствора ледяной суспензии. Самый широко используемый способ генерации бинарного льда – намораживание на теплопередающей поверхности имеет относительно высокие капитальные и эксплуатационные затраты, связанные с достаточно большим количеством подвижных частей и быстрым износом скребков. Вакуумный лед экологически безопасен, негорюч и нетоксичен, имеет упрощённую технологическую схему установки, но имеет относительно высокий коэффициент сжатия и требует обеспечения высокой скорости откачки вакуумного насоса.

Аккумуляторы холода могут быть локальными (децентрализованная система) и центральными (централизованная система). Локальные аккумуляторы холода покрывают, прежде всего, средние тепловые нагрузки у каждого потребителя, нежели пиковые нагрузки. Для высокопроизводительных охлаждающих систем могут потребоваться центральные аккумуляторы.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors' contribution. All authors made a substantial contribution to the conceptual development, research, and preparation of this article and read and approved the final version before its publication.

Conflicts of interest. The authors declare no conflicts of interest.

Funding source. This study had no external funding.

About the authors

Nina V. Kovalyova

Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: kovaliova.nina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7516-2782
Russian Federation, Moscow

Anton A. Zharov

Bauman Moscow State Technical University

Email: zharov_a@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-9945-0850
SPIN-code: 8581-1809

Cand. Sci. (Tech.)

Russian Federation, Moscow

Artem V. Borisenko

Bauman Moscow State Technical University

Email: borart@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-4818-3702
SPIN-code: 2859-5006

Cand. Sci. (Tech.)

Russian Federation, Moscow

Anna V. Valiakina

Bauman Moscow State Technical University

Email: valiakina@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-7709-1209
SPIN-code: 7679-2022

Cand. Sci. (Tech.)

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files