Том 110, № 1 (2021)

В настоящей статье проведен литературный обзор методов стационарных расчётов воздухоохладителей, работающих в режиме с влаговыпадением или инеевыпадением. Рассмотрены применяемые на текущий момент подходы, а именно: метод коэффициента влаговыпадения; метод среднелогарифмического энтальпийного напора (LMED); метод эквивалентной температуры сухого термометра (EDT); а также метод ε-NTU (эффективность – число единиц переноса теплоты) для расчёта противоточных водяных воздухоохладителей. Показаны их основные отличия и приведены ключевые выражения, используемые в них. Сопоставление преимуществ и недостатков рассмотренных методов показало рациональность использования подхода ε-NTU ввиду возможности его применения как для конструкторских, так и для поверочных расчётов теплообменных аппаратов. Так как при наличии влаговыпадения или инеевыпадения классический ε-NTU метод напрямую неприменим, возникает необходимость его адаптации к расчётам воздухоохладителей всех типов (как противоточных и прямоточных воздухоохладителей без фазового перехода охлаждающей среды, так и с её фазовым переходом) для корректного описания влияния вышеназванных процессов на теплообмен.

Системы холодоснабжения занимают ведущее место во многих отраслях промышленности. Их совершенствование в настоящее время связано с двумя основными направлениями: энергосбережение и экология.

Проблемам энергосбережения уделяется большое внимание, как на государственном уровне (Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации»), так и собственниками холодильного оборудования.

Затраты электроэнергии, потребляемой системами холодоснабжения, составляют значительную часть, как в общем балансе энергопотребления предприятия (для предприятий общественного питания она составляет от 48% до 60%), так и в общем энергопотреблении страны (например, доля энергопотребления систем кондиционирования в странах Европы составляет от 2% до 6%).

Наряду с этим, ратифицирование Российской Федерацией Монреальского (Постановление № 539 правительства РФ от 27 августа 2005 г.) и Киотского (ФЗ 128-ФЗ от 4 ноября 2004 г.) протоколов, вступление в силу Европейских норм 517/2014, регламентирующих вывод из обращения хладагентов с потенциалом глобального потепления GWP выше 2500, например, R404A и R507A, активно применяемых в настоящее время, а также принятие Российской Федерацией нового экологического законодательства в связи с подписанием Парижского соглашения, ведет к необходимости применения новых хладагентов, которые не всегда оказываются эффективнее традиционно применяемых решений и требуют внесения изменений в технологическую схему холодильных систем.

Данные факторы ведут к необходимости совершенствования методик расчета эффективности, основанных на классических методах термодинамического анализа.

Обоснование. Осушка газов широко используется во многих приложениях науки, техники и промышленности, например газовые высокочистые среды (микроэлектроника), постоянно совершенствуются и ее методы. Один из них, мембранное разделение газов, хотя и рассматривается в ряду наиболее перспективных, но в настоящее время недостаточно исследован.

Цель настоящей работы – показать возможности мембранного газоразделительного метода при его использовании для осушки сжатых газов.

Методы. Результаты исследования осушки сжатых газов получены с использованием мембранного метода газоразделения.

Результаты и их применение. Показана зависимость степени осушки (температуры точки росы) от таких параметров газоразделительного процесса, как относительный перепад давления на мембране, проницаемость и селективность мембраны для водяного пара, величина рабочего давления и величина осушаемого газового потока, приходящаяся на единицу площади мембраны. Показано, что с помощью мембранного газоразделения осушка может быть выполнена до температуры точки росы –100 ˚С и ниже. На примере осушки воздуха и метана приведены условия, при которых мембранная осушка может быть энергетически более выгодной по сравнению с осушкой охлаждением.

Обоснование. Использование тепловых насосов (разновидности парокомпрессионных машин) для переноса теплоты на различные температурные уровни является перспективным направлением развития техники, ввиду низкой себестоимости тепловой энергии, экологичности, быстрого срока окупаемости установок, минимальных затрат на обслуживание. Данный вид тепловых машин широко применяется для отопления строительных сооружений, в которых источниками низкотемпературной теплоты являются: сточные и грунтовые воды, воздух, теплота грунта. Возможно также использование низкопотенциальной теплоты тепловых выбросов промышленных предприятий, что может быть экономически эффективно с точки зрения полезного использования ресурсов производства.

Цель работы – подбор хладагента и его состава для обеспечения работы машины на температурных уровнях 48–95 °С с минимальными затратами энергии для наиболее распространенных термодинамических циклов тепловых насосов.

Методы. В программной среде Aspen HYSYS было проведено моделирование типовых циклов тепловых насосов. Дальнейшая оптимизация и подбор оптимальных значений рабочих параметров проведены с помощью модуля Global Optimization Toolbox программного комплекса MATLAB.

Результаты. Получены результаты моделирования в соответствии с требуемыми расчётными параметрами систем в зависимости от используемого рабочего тела. Определены наиболее эффективные параметры типовых термодинамических циклов тепловых насосов.

Заключение. Проведён эксергетический анализ применимости различных рабочих тел для типовых рабочих циклов тепловых насосов. В соответствии с результатами исследования было определено, что наиболее эффективными рабочими телами в циклах являются: смесевые хладагенты и аммиак.

Развитие средств автоматизации и программирования является одним из приоритетных направлений, определяемых Государственной программой «Национальная технологическая инициатива», что требует развития методик, на базе которых будут строиться алгоритмы.

В то же время, одним из направлений развития холодильной техники является энергосбережение. Этому вопросу уделяется внимание как на государственном уровне (Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации»), так и самими пользователями холодильного оборудования, поскольку доля затрат электроэнергии, потребляемой холодильным оборудованием, составляет значительную часть в общем энергетическом балансе конкретного предприятия. Например, доля энергопотребления систем кондиционирования в странах Европы составляет от 2% до 6%.

Существующие системы мониторинга рабочих параметров холодильной установки не полностью используют свой ресурс, поскольку очень часто применяются лишь для выявления аварийных ситуаций и сигнализации об их возникновении.

В данной статье описывается методика оценки энергоэффективности холодильных установок, работающих по циклу одноступенчатого сжатия с однократным дросселированием, позволяющая производить оценку как на этапе проектирования, так и в процессе работы холодильной установки, и позволяет получить распределение потерь по элементам и процессам холодильной установки.