Разработка холодильной системы с использованием эффективного излучения в небосвод

4. Устройство подачи хладоносителя в радиаторы.cdw

Гидрораспределитель Р802-АЕ573ВМУХЛ4
Гидроклапан предохранительный МКВП323Т4Р3
- 6gx85 ГОСТ 7798-70
Шайба С 16.37 ГОСТ 10450-78
Шайба 16.37 ГОСТ 10906-78
- 6gx55 ГОСТ 7798-70
Уплотнительное кольцо
Гидрораспределитель Р802-АЕ64ВМУХЛ4
Муфта 65 ГОСТ 8966-75
Фланец DN50 EN1092-1
Шайба С 18.37 ГОСТ 10450-78
Насос DAB BPH 120280.50T
Соеденительная пластина
Швеллер №10У ГОСТ 8240-97
От аккумулятора тепла
К аккомулятору тепла
От аккумулятора холода
К аккумулятору холода
От дренажного ресивера
Сброс жидкости в дренажный ресивер
Подача или возврат жидкости из радиаторов
Технические требования:
Рама сварная ГОСТ 14806-80-Р1-п-3
Ст3пс3-1 ГОСТ 535-88

2. Радиатор.cdw

Распределительный коллектор
Уплотнительное кольцо
Винт А.М5-6gx10 ГОСТ 11074-93
Винт А2.М5-6gx7 ГОСТ 17473-80
Вентиляционные отверстия
Соеденительный патрубок
Технические характеристики:
Площадь излучающей поверхности:
Относительная излуч. способность:
Степень пропускания ИК-излучения:
Вместимость хладоносителя:
Расход хладоносителя:

3. Акккумулятор холода.cdw

Теплоизоляция корпуса
Пенополиуретан ППУ-Э 165
Сталь 10 ГОСТ 1050-88
Шайба C 18.37 ГОСТ 10450-78
Сталь 08 ГОСТ 1050-88
Сталь 08Х13 ГОСТ 7350
Днище 1 2000-6 ГОСТ 12622-78
Бобышка 1-1-G 12-100 ОСТ 26.260.460-99
Штуцер сливной Dу=80 мм
Опора 1-100-1 АТК 24.200.03-90
Штуцер наливной Dу=60 мм
Технические характеристики:

1. Принципиальная схема ХСИЭИ.cdw

- трубопроводы подачи и возврата жидкости к радиаторам
- трубопровод подачи хладоносителя в бак Б3;
- трубопровод возврата теплоносителя;
- сливной трубопровод
- всасывающий трубопровод к теплообменнику АТ1
- трубопровод рециркуляции хладоносителя;
- трубопровод возврата охлажденной жидкости;
- всасывающий трубопровод хладоносителя;
- байпасный трубопровод для хладонасителя;
- трубопроводы возврата хладоносителя;
- трубопровод подачи хладоносителя в УПВР;
- трубопровод подачи хладоносителя в УПВВ;
- сливной трубопровод в аккумулятор тепла;
- трубопровод возврата теплоносителя в УПВР;
- трубопровод подачи теплоносителя в АТ2;
- сливной трубопровод в УНВ;
- трубопровод рециркуляции теплоносителя;
- трубопровод подачи теплоносителя в УПВВ;
- трубопровод подачи тепло- или хладоносителя
к системе кондиционирования воздуха;
- трубопровод возврата тепло- или хладоносителя
из системы кондиционирования;
- трубопровод подачи хладагента к теплообменнику АТ1;
- трубопровод возврата хладагента;
- распределительные трубопроводы в помещениях;
- распределительные трубопроводы на крыше;;
- дренажные трубопроводы;
- трубопровод заправки;
- трубопровод возврата хладоносителя в систему.
Аппарат теплообменный
Нагревательная спираль
Бак-аккумулятор холода
Бак-аккумулятор тепла
Бак-аккумулятор (линейный ресивер)
Коллектор возврата хладоносителя
Коллектор возврата теплоносителя
Коллектор подачи хладоносителя
Гидрораспределитель 32
Устройство нагрева теплоносителя
Система кондиционирования воздуха
Дроссели регулируемые
Устройство подачи хладоносителя в радиаторы
Гидронасос регулируемый
Гидрораспределитель 43
Клапан предохранительный
Устройсво подачи хладоносителя в воздухоохладители
Гидродроссель регулируемый
Насос нерегулируемый
Схема подключения бака-аккумуолятора
холода с встроенным теплообменником
Пояснения к схеме с баком-аккумулятором
холода со встроенным теплообенником:
Обратный клапан КО3 на трубопроводе 2.7 не устанавливается.
На трубопроводе 2.7 танавливается дополнительный фильтр Ф3.
В случае заправки контура радиаторов рассолом
для предотвращения его потерь необходимо оборудовать дренажный
трубопровод сообщающийся с дренажным ресивером Б4
Принципиальная схема
использующей эффективное

Дипломная работа.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
АЛМАТИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Грановский Александр Сергеевич
Разработка холодильной системы с использованием эффективного излучения в небосвод
0724 – Технологические машины и оборудование
Обозначения и сокращения6
Обзор холодильных систем использующих эффективное излучение10
1. Принцип действия простейшей холодильной системы работающей за счет эффективного излучения10
2. Классификация холодильных систем11
3. Обзор существующих конструкций ХСИЭИ11
4. Обзор патентов на ХСИЭИ17
5. ХСИЭИ с открытым радиатором18
6. Пассивная система тепло- и хладоснабжения с радиатором из коаксиальных трубок19
7. Система использующая эффективное излучение совместно с испарительным охлаждением21
Расчет величины эффективного излучения23
1. Общие сведения об эффективном излучении23
2. Обзор известных формул для расчета эффективного излучения24
3. Параметры определяющие величину эффективного излучения25
4. Общий вид расчетной формулы27
5. Расчет температуры точки росы по заданной температуре воздуха и его влажности29
6. Сравнение коэффициентов учитывающих состояние атмосферного воздуха 32
7. Учет влияний распределения температур в тропосфере на величину эффективного излучения35
8. Расчет коэффициента 37
9. Расчет коэффициента 38
10. Окончательный вид формулы для расчета ЭИ39
Моделирование процесса охлаждения за счет эффективного излучения40
1. Данные для расчета эффективного излучения40
2. Зависимость удельной холодопроизводительности от температуры излучающей поверхности43
3. Влияние емкости аккумулятора холода на удельную холодопроизводительность44
Конструкция радиатора48
1. Обзор существующих конструкций радиаторов48
2. Результаты испытаний радиаторов различных конструкций49
3. Влияние угла наклона радиатора к горизонту на холодопроизводительность52
4. Влияние скорости ветра на холодопроизводительность53
5. Расчет теплового баланса плоского радиатора53
6. Расчет теплопритоков для неостекленного радиатора55
7. Теплопритоки к радиатору со стеклянным покрытием59
8. Сравнение теплопритоков в различных моделях радиаторов60
9. Гидравлические расчеты радиатора62
10. Описание разработанной конструкции радиатора62
Основные узлы ХСИЭИ64
1. Конструкция аккумулятора холода64
2. Конструкция воздухоохладителя66
Разработка принципиальной схемы ХСИЭИ69
1. Техническое задание69
2. Расчетные значения температуры70
3. Определение нагрузки на систему охлаждения70
4. Обоснование принципиальной схемы71
5. Расчет основных элементов системы73
Монтаж и ремонт системы78
Экономическая часть81
Охрана труда техника безопасности и экология87
1. Проведение монтажных работ88
2. Эксплуатация системы90
3. Пожарная безопасность91
4. Экология и охрана окружающей среды91
ГОСТ 10007-80. Фторопласт-4. Технические условия.
ГОСТ 10450-78. Шайбы уменьшенные. Классы точности А и С. Технические условия.
ГОСТ 10906-78. Шайбы косые. Технические условия.
ГОСТ 11074-93. Винты установочные с плоским концом и шестигранным углублением под ключ классов точности А и В. Технические условия.
ГОСТ 12622-78. Днища плоские отбортованные. Основные размеры.
ГОСТ 12820-80. Фланцы стальные плоские приварные на Ру от 01 до 25 МПа (от 1 до 25 кгссм2). Конструкция и размеры
ГОСТ 17473-80. Винты с полукруглой головкой классов точности А и В. Конструкция и размеры.
ГОСТ 3262-75. Трубы стальные водогазопроводные. Технические условия.
ГОСТ 5915-70. Гайки шестигранные класса точности В. Конструкция и размеры.
ГОСТ 6357-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Резьба трубная цилиндрическая
ГОСТ 6467-79. Шнуры резиновые круглого и прямоугольного сечений. Технические условия.
ГОСТ 7798-70. Болты с шестигранной головкой класса точности В. Конструкция и размеры.
ГОСТ 8240-97. Швеллеры стальные горячекатаные. Сортамент.
ГОСТ 8949-75. Трубы из черных металлов и сплавов литые и соединительные части к ним. Основные размеры.
ГОСТ 8966-75. Части соединительные стальные с цилиндрической резьбой для трубопроводов Р=16 МПа.
ГОСТ Р 51495-2000. Коллекторы солнечные. Общие технические условия
ГОСТ13372-72. Сосуды и аппараты. Ряд номинальных объемов
СН РК 2.04-03-2011. Защита от шума.
СН РК 2.04-29-2005. Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений.
СН РК 4.01-06-2011. Правила по проектированию и эксплуатации установок солнечного горячего водоснабжения.
СНиП 2.11.02-87. Холодильники.
СНиП РК 1.03-05-2001. Охрана труда и техника безопасности в строительстве.
СНиП РК 4.01-41-2006. Внутренний водопровод и канализация зданий.
СП 4695-88. Санитарные правила для холодильников.
СТРК1145-2002.Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Термины и определения.
Аккумулятор холода – устройство предназначенное для длительного хранения охлажденного вещества температура которого ниже температуры окружающей среды с целью дальнейшего использования данного вещества в процессе охлаждения других объектов.
Воздухоохладитель – теплообменное устройство предназначенное для охлаждения воздуха посредством теплопередачи от воздуха к веществу с низкой температурой.
Излучающая поверхность – поверхность тела обращённая к ночному небу которая используется для создания охлаждения за счет эффективного излучения.
Поток эффективного излучения – количество тепловой энергии которое отдает единица площади излучающей поверхности тела в единицу времени.
Радиатор – устройство в котором процесс охлаждения хладоносителя происходит за счет эффективного излучения основным элементом которого является излучающая поверхность.
Солнечный коллектор – устройство для сбора тепловой энергии Солнца переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением.
Теплоноситель – жидкое или газообразное вещество с температурой выше температуры окружающей среды которое служит для передачи тепловой энергии тела с высокой температурой к телу с низкой температурой.
Хладоноситель – жидкое или газообразное вещество с температурой ниже температуры окружающей среды которое служит для передачи тепловой энергии от охлаждаемого тела к устройству создающему охлаждение.
Холодильная система использующая эффективное излучение (ХСИЭИ) – совокупность устройств предназначенных для создания охлаждения за счет эффективного излучения накопления холода и его передачи охлаждаемому объекту.
Эффективное излучение (ЭИ) – разница между восходящим и нисходящим потоком теплового излучения в приземном слое атмосферы. Или часть теплового излучения тела обращенного к ночному небу которая уходит безвозвратно.
Обозначения и сокращения
c – теплоемкость Дж(кг·°C);
DГ– гидравлический диаметр канала м;
e– Парциальное давление водяного пара мм.рт.ст.;
eнп– парциальное давление насыщенного водяного пара при данной температуре мм.рт.ст.;
F – поток излучения Втм2;
G– массовый расход кгс;
g–ускорение свободного падения мс;
h– гидравлический напор м;
K– коэффициент теплопередачи Вт(м2·град);
k– безразмерный коэффициент;
kвп– коэффициент учитывающий влияние содержания водяного пара в атмосферном воздухе на величину эффективного излучения;
kоб– коэффициент учитывающий влияние облачности на величину эффективного излучения;
kст– коэффициент учитывающий влияние скачка температур у поверхности земли на величину эффективного излучения;
n – степень облачности % или баллы;
R– степень облачности %;
Q – количество теплоты;
q – тепловой поток Вт(м2)
q0 – удельная холодопроизводительность Втм2;
t – температура °С;
– среднее значение температуры за период времени °С;
α– коэффициент теплоотдачи Вт(м2·град)
α1– коэффициент теплоотдачи от воздуха к корпусу Вт(м2·град)
α2– коэффициент теплоотдачи от хладоносителя к стенкам каналов;
α3– коэффициент теплоотдачи от излучающей пластины воздуху;
– коэффициент объемного теплового расширения град-1;
– относительная излучательная способность;
Δэ– эквивалентная шероховатость поверхности м;
– холодильный коэффициент;
– коэффициент местных гидравлических сопротивлений;
– коэффициент полезного действия;
λ– теплопроводность Вт(м·град)
λГ– коэффициент гидравлического трения;
– кинематическая вязкость м2с;
φ – относительная влажность %;
– объемный расход м3с;
ип – излучающая поверхность;
нп– насыщенный водяной пар
с – холодильная система;
э – эффективное излучение;
КПД– коэффициент полезного действия;
ХСИЭИ –холодильная система использующая эффективное излучение;
ЭИ– эффективное излучение.
Рост цен на энергоносители постоянно продолжающийся в течение последних десятилетий а также требования по сокращению вредного воздействия на окружающую среду создали предпосылки для повсеместного внедрения энергосберегающих технологий. Как и в других странах в Казахстане на данный момент действуют программы направленные на развитие новых видов энергетических ресурсов. Принятая программа энергосбережения и энергоэффективности нацелена на уменьшение энергоемкости на 10% к 2015 года и 25% к концу текущего десятилетия [1].
Использование систем охлаждения работающих за счет эффективного излучения способно значительно сократить расходы электроэнергии необходимой для промышленных холодильных систем и систем кондиционирования в жилых зданиях. При этом сокращаются выбросы озоноразрущающих веществ и парниковых газов использование которых ограничивается согласно Монреальскому протоколу к Венской конвенции об охране озонового слоя вступившему в силу 1 января 1989 года [2].
Особенностью холодильных систем использующих эффективное излучение является то что их работоспособность в значительной степени зависит от климатических условий региона в котором они эксплуатируются. Преобладающий на территории Казахстана резко-континентальный сухой климат является благоприятным для применения подобных систем. Такой вывод можно сделать основываясь на результатах испытаний холодильных систем проведенных в последние годы.
Ожидается что применение холодильных систем использующих эффективное излучение снизит энергетические затраты и улучшит экологическую обстановку на предприятиях.
При этом на данный момент полный отказ от обычных холодильных машин не представляется возможным. Тем не менее использование аккумулятора холода в составе системы позволит сократить требуемую мощность холодильной машины а следовательно и её себестоимость.
Дополнительным преимуществом подобных систем может стать возможность их объединения с системой солнечного теплоснабжения которая способна обеспечивать объект теплой водой для бытовых нужд в дневное время. Зимой такая система способна производить теплую воду для отопления помещений.
Подобные системы никогда не применялись на территории Казахстана. Поэтому одной из задач работы является определение особенностей их эксплуатации в условиях резко-континентального климата.
Другими задачами данной работы являются:
Сравнение уже разработанных холодильных систем с использованием эффективного излучения;
Определение методики расчета величины эффективного излучения пригодной для проведения расчетов при проектировании;
Определение конструктивных особенностей основных элементов системы охлаждения таких как радиаторы и аккумулятор холода;
Разработка принципиальной схемы системы и проведение подбора её элементов.
При выполнении работы требуется провести анализ литературы по изучаемому вопросу уделяя особое внимание результатам испытания холодильных систем данного типа. В результате сравнения различных принципиальных схем должна быть определена наиболее рациональная конструкция всей системы а также её основных элементов. Для таких элементов системы как радиатор и аккумулятор холода должны быть проведены расчёты процессов теплообмена протекающих в них.
Новизна работы заключается в том что данные системы данного типа никогда не проектировались для применения в условиях резко континентального климата Казахстана. В работе также рассмотрена методика расчёта величины производимого за ночь охлаждения произведен растёт эффективности работы радиаторов различных конструкций что в известных автору работах сделано не было.
Обзор холодильных систем использующих эффективное излучение
1. Принцип действия простейшей холодильной системы работающей за счет эффективного излучения
Простейшая холодильная система использующая эффективное излучение (ХСИЭИ) система состоит из радиатора аккумулятора холода и теплообменника (см. рисунок 1.1). Насос для принудительной циркуляции хладоносителя может отсутствовать в некоторых видах ХСИЭИ
Рис. 1.1. Простейшая система охлаждения тепловым излучением в космическое пространство: 1 – радиатор; 2 4 – вентили; 3 – насос;
– теплообменник; 6 – аккумулятор холода
Радиатор является основным элементом системы. В нем происходит охлаждение хладоносителя за счет эффективного излучения. Обычно радиатор представляет собой пластину внутри которой располагается несколько трубопроводов по которым циркулирует хладоноситель. Верхняя сторона пластины обращена к ночному небу и является источником теплового излучения. Жидкость протекающая через радиатор отдает свое тепло пластине за счет конвективного теплообмена а пластина отдает тепло в ночное время в атмосферу за счет инфракрасного излучения.
Аккумулятор предназначен для накопления охлаждаемого ночью хладоносителя. В дневное время холод накопленный в аккумуляторе используется для охлаждения.
Теплообменник предназначен для передачи охлаждения от хладоносителя к охлаждаемому телу. В системах кондиционирования охлаждаемым телом является воздух. Охлаждение в зависимости от конструкции теплообменника может передаваться как за счет конвективного теплообмена так и за счет излучения.
Принцип работы простейшей ХСИЭИ следующий. Ночью когда отсутствует солнечная радиация насос 3 прокачивает воду через радиатор 1. Здесь вода остывает за счет теплового излучения. После этого вода проходит в аккумулятор холода 6 температура которого за ночь снижается до определенной величины. Днем перекрывается вентиль 2 и открывается вентиль 4. Вода накопленная в аккумуляторе холода начинает циркулировать через теплообменник насос вентиль 4 и аккумулятор холода. При этом она забирает тепло в теплообменнике 5 а сама нагревается.
2. Классификация холодильных систем
Все холодильные системы использующие эффективное излучение (ХСИЭИ) можно разделить на следующие основные группы:
По способу циркуляции хладоносителя:
a.с естественной циркуляцией (пассивные системы);
b.с принудительной циркуляцией насосом (активные системы);
По количеству независимых контуров циркуляции хладагента:
По типу хладоносителя:
a.с жидкостным хладоносителем;
b.с газообразным хладоносителем;
По выполняемым функциям:
a.Работающие только в режиме охлаждения;
b.Работающие в режиме ночного охлаждения и дневного отопления;
По способу подачи хладоносителя в радиаторы:
a.с естественной циркуляцией хладоносителя (пассивные системы)
b.с принудительной подачей хладоносителя (активные системы).
3. Обзор существующих конструкций ХСИЭИ
Для определения наиболее рациональной конструкции ХСИЭИ проведем обзор известных систем данного типа. Все перечисленные ниже системы уже были испытаны в реальных условиях эксплуатации и доказали свою работоспособность. Для каждой из перечисленных систем имеется значительное количество экспериментальных данных доступ к которым является общедоступным. Системы техническая информация о работе которых отсутствует в данном разделе не рассматривались.
Самым простым типом ХСИЭИ являются так называемые «пассивные» системы в которых циркуляция хладоносителя осуществляется исключительно за счет его естественной конвекции.
Рис. 1.2. Система пассивного охлаждения производства Zomeworks Inc.:
– радиаторы; 2– предохранительный клапан;3– расширительный бак;
– питающий трубопровод;5– трубы охлаждающей батареи; 6– отводящий трубопровод
Системы такого типа не требуют каких-либо энергозатрат для создания охлаждения. Их конструкция очень проста. В ней не требуется использовать какую-либо автоматику. Ручное управление также отсутствует. Система работает следующим образом (см.рисунок1.2). Ночью происходит охлаждение воды в радиаторах и она опускается вниз в аккумулятор холода. Более теплая вода из радиатора при этом поднимается вверх из аккумулятора холода в радиатор. Врезультате за ночь вода в аккумуляторе остывает и способна в течение последующего дня охлаждать воздух в помещении. В приведенном примере аккумулятор холода совмещен с воздухоохладителем и располагается непосредственно в охлаждаемом помещении.
Такие системы в отличие от более сложных систем можно использовать только для охлаждения. Они работают исключительно летом ав холодное время года простаивают. Впоследние годы такие системы уже производятся в нескольких вариантах для частных жилых домов [3].
Рис. 1.3. Холодильный шкаф “Cool Cell”
Подобным образом работает и устройство под названием “Cool Cell” (см. рисунок 1.3) которое представляет собой специальный металлический шкаф на крыше которого установлен радиатор особой конструкции. Радиатор сообщается с емкостью с хладоносителем помещенной внутри шкафа. Охлажденная радиатором за ночь жидкость обеспечивает постоянную температуру внутри шкафа в течение последующего дня. Такое устройство используется для защиты чувствительной электроники от высоких температур и отличается полной автономностью. Существующие конструкции рассчитаны на охлаждение электронных схем с собственным тепловыделением 100 200 Вт [4].
Холодильные системы в которых циркуляция хладоносителя осуществляется за счет работы насоса более сложны по конструкции но имеют некоторые преимущества. Во-первых такие системы способны транспортировать хладоноситель до охлаждаемого помещения расположенного на некотором удалении от радиатора. Во-вторых в таких системах можно использовать различные виды воздухоохладителей и радиаторов со значительным гидравлическим сопротивлением.
На рисунке 1.4 представлена одноконтурная холодильная система с принудительной циркуляцией хладоносителя. Вней один и тот же хладоноситель циркулирует и через радиаторы и через теплообменник. Вкачестве теплообменника охлаждающего воздух в помещениях используются трубки системы отапливаемых полов.
По данным об испытаниях бытовых систем кондиционирования воздуха работающих за счет эффективного излучения в штате Нью-Мексико [3] при их использовании возможно сократить расходы электроэнергии на охлаждение воздуха на 30 90%.
Рис. 1.4. Схема холодильной системы с принудительной циркуляцией хладагента:
– радиаторы; 2–предохранительный клапан; 3– расширительный бак; 4– насосы;
– термостатический смесительный вентиль; 6– трубопроводы в полах охлаждаемого помещения; 7– газовый бойлер;8– теплообменник; 9– бак-аккумулятор горячей воды;
Обычные кондиционеры и специальные аккумуляторы холода в этом проекте не использовались. Весь холод накапливался исключительно в гидравлической системе отапливаемых полов.
В помещении была установлена система «отапливаемых полов» площадью 24м2. Для улучшения условий теплообмена между жидкостью циркулирующей в полу и воздухом в помещении был установлен специальный вентилятор осуществляющий перенос воздуха от поверхности пола к потолку помещения. Как показали результаты испытаний при выключенном вентиляторе воздух в помещении охлаждается только у поверхности пола. У потолка же его температура остается довольно высокой. Вентилятор может отсутствовать в системе в которой система трубопроводов смонтирована в потолке охлаждаемого помещения. Однако прокладка трубопроводов в потолке может быть связана с определенными трудностями что ограничивает возможность такого их размещения в уже построенных зданиях.
Ниже приведен график отображающий результаты испытаний системы в одном из жилых зданий.
Рис. 1.5. Работа бытовой системы кондиционирования воздуха 1-2 августа
На крыше были установлены две панели пластмассового радиатора произведенного фирмой «Sealed Air». Общая площадь радиаторов составила 583м2. Эта величина соответствует примерно четверти площади отапливаемых полов. В отчетах о более поздних исследованиях отмечается что при использовании обычных солнечных коллекторов в качестве радиаторов для обеспечения надежной работоспособности площадь радиаторов должна составлять не менее 13 или даже 12 от площади охлаждаемых помещений [5].
Рис. 1.6. Система с разбрызгиванием воды на поверхность крыши
Примером более крупного проекта может быть система разработанная в Davis Energy Group иустановленная в здании «All Weather Manufacturing Co.» в г.Вакавиль (США Калифорния) [6]. Вэтом проекте (см.рисунок1.6) офисные помещения площадью 600м2 обслуживаются системой ночного охлаждения которая подготавливает воду для системы отапливаемых полов и фанкойлов.
Особенностью данной системы является то что вода разбрызгивается на поверхность крыши которая выполняет функции радиатора. Вода охлаждается за счет совместного действий испарения и эффективного излучения. Отсутствие специальных солнечных коллекторов сокращает общую стоимость системы а использование теплового излучения улучшает условия охлаждения жидкости. Вода возвращающаяся с крыши обычно охлаждается до температуры 10-16°C. Охлажденная вода фильтруется и сливается в бак-аккумулятор холода. Понекоторым оценкам потери жидкости на испарение в таких условиях в 2 раза ниже чем в обычных системах где вода охлаждается исключительно за счет испарения [7]. Если температура воды поступившей с крыши оказывается выше требуемой включается холодильная машина.
Рис. 1.7. Данные о работе системы в «All Weather Manufacturing Co.»
Как видно из графика (см. рисунок 1.7) температура внутри помещений за время наблюдения неподнималась выше 27°C при уличной температуре 38°С.
В системе был установлен аккумулятор холода емкостью 36 м3. Т.е. для поддержания требуемых условий в помещении площадью 100м2 нужен аккумулятор заполненный 6м3 воды.
При определенных погодных условиях возможны ситуации когда ХСИЭИ не способна обеспечить требуемую холодопроизводительность. Втаких условиях в работу включается обычная фреоновая холодильная машина малой мощности. Двухлетние наблюдения за работой этой системы показали что фреоновая холодильная машина может работать не более 350 часов в год. При этом годовое потребление электроэнергии сократилось на 70% а пиковое потребление в жаркие летние дни на 87%.
4. Обзор патентов на ХСИЭИ
В США найдены следующие патенты по теме исследования [9]:
Apparatus for cooling and solar heating a house
Solar collector – heat exchenger
Solar heatingcooling system
Process and apparatus for modulating
Process and apparatus for modulating temperatures within enclosures
Solar heating and cooling collector window
Temperature regulating system
Passive cooling system
Passive temperature regulating system for a building
Integral roof cooling container
Stephen C. Baer William Mingenbach
Passive heating and cooling system
Conrad Stephen Wojtysiak
Radiative cooling surface coatings
Night sky cooling system
Известно также изобретение под номером WO2011062649A1согласно классификации Всемирной Организации Интеллектуальной собственности [10].
5. ХСИЭИ с открытым радиатором
В патенте US3295591 [11] описана конструкция системы тепло- и хладоснабжения здания. Несмотря на значительный возраст принципиальная схема системы представленная в данном патенте все ещё является актуальной. Некоторые узлы такой системы на данный момент претерпели изменения но в целом схема действия осталась неизменной.
Рис. 1.8. Схема системы тепло- и хладоснабжения: 1– охлаждаемое помещение; 3– радиатор; 4– скат крыши орошаемый водой; 5 10– коллекторы; 6–остекление; 7 11– желоба;
–бак-аккумулятор; 9–насос; 12–отстойник; 13–дренажный трубопровод;
– твердый теплоноситель; 15– осевой вентилятор; 16– емкость для гальки;
–каналы для подвода воздуха; 18– решетка
Днем вода поступает в распределительный коллектор 5 в котором имеются отверстия через которые вода выходит в полость в остеклённом радиаторе 3 закрывающем поверхность крыши. Сверху коллектор закрыт стеклом 6. Под стеклом расположен зачерненный лист по которому стекает вода подаваемая из трубопровода. Под воздействием солнечного света происходит нагревание воды. Нагретая вода стекает в желоб 7 откуда по трубопроводу подается в аккумулятор 8. Аккумулятор 8 помещен в емкость 16 заполненную твердым веществом с большой теплоемкостью. Из резервуара 8 вода подается насосом обратно в распределитель 5.
Ночью если предполагается что днем понадобится охлаждение воздуха вода из верхней части резервуара 8 подается насосом 9 в распределительный коллектор 10. Из трубы 10 вода растекается по поверхности крыши 4. При этом тепло от воды отводится за счет конвекции испарения и эффективного излучения. Охлажденная вода собирается в желоб 11 откуда по трубе она попадает в резервуар 12. Из него вода перекачивается в нижнюю часть аккумулятора 8. В результате данного процесса твердый материал 14 в течение ночи охлаждается. Днем же когда требуется охлаждение воздуха в помещении включается вентилятор 15 который продувает емкость с материалом 14. В результате этого воздух отдает свое тепло камням а сам охлаждается после чего поступает в помещения здания.
6. Пассивная система тепло- и хладоснабжения с радиатором
из коаксиальных трубок
Данное изобретение [12] относится к системе солнечного нагрева воды и к улучшению солнечного водонагревателя с коаксиальными трубками а также способно создавать надежное охлаждение.
Система описанная в патенте имеет повышенное сопротивление к температурному удару который может стать результатом попадания холодной жидкости в уже нагретый солнечный коллектор.
В дополнение к этому система описанная в данном изобретении должна обеспечивать охлаждение воды в ночное время.
Система состоит из множества термосифонных трубок. В её состав также входит емкость для подачи жидкости в нагревательные трубки. В завершении система имеет запорный клапан который предотвращает попадание в коллектор жидкости в случае когда подача воды может вызвать повреждение трубок коллектора.
В заключении система имеет редукционный клапан который ограничивает скорость заполнения трубок коллектора предотвращая их повреждение.
Система также включает в себя емкость горячей жидкости расположенную над коллектором и емкость для холодной жидкости расположенную ниже коллектора.
Иллюстрация (рис. 1.9) показывает систему в сборке. В данном изобретении предлагается наполнять нагревательные трубки не сверху а снизу. При этом металлические трубки не будут подвергаться столь значительной деформации. Уменьшение зазора между стеклянной трубкой и металлической трубкой увеличивает эффективность использования поверхности коллектора.
Бак накопитель холодной воды 46 и воздухоохладитель 48 расположены внутри здания. Термосифонные трубки своими концами входят непосредственно в бак для горячей воды промежуточный коллектор 34 и бак холодной воды 46. Более горячая вода поднимается по термосифонным трубкам в бак 38. Более холодная вода опускается вниз в бак 46.
Рис. 1.9. Пассивная ХСИЭИ с радиатором из термосифонных трубок:
– поверхность крыши; 24– крыша; 32 – неостеклённый радиатор;
– промежуточный коллектор; 36 – остекленный радиатор;
– аккумулятор горячей воды; 46 – аккумулятор холодной воды;
– воздухоохладитель; 108 – стена здания; 172 – теплообменник
В неостекленных и остекленных трубках коллекторов 32 и 36 обращенных к ночному небу внешние трубки 56 охлаждаются за счет теплового излучения их наружных зачерненных поверхностей. При этом жидкость расположенная между трубками 56 и 58 становится холоднее жидкости внутри трубок 58 и опускается вниз. Вода внутри трубок 58 поднимается вверх.
В самой нижней части системы 20 термосифонные охлаждающие трубки холодного радиатора 48 опущены ниже накопителя холодной воды 46. Холодная вода в термосифонных коаксиальных трубках радиатор 48 поглощает тепло из помещения здания 26 через зачерненную наружную поверхность.
Несмотря на значительную проработанность узлов в данном патенте работа системы может быть затруднена некоторыми особенностями. Во-первых в такой системе аккумулятор холода должен быть расположен вблизи от панели радиатора. Так как аккумулятор холода должен иметь значительный объем расположить его в помещении здания может оказаться невозможно. Во-вторых систему заполненную водой нельзя использовать зимой если температура уличного воздуха опускается ниже 0°C.
7. Система использующая эффективное излучение совместно
с испарительным охлаждением
В патенте [13] описывается система охлаждения воды состоящая из отдельно стоящей башни испарительного охлаждения и системы радиаторов эффективного излучения. В результате последовательного прохождения через оба устройства вода может быть охлаждена ниже температуры воздуха по влажному термометру. Данная схема может быть использована в системе кондиционирования воздуха.
Выгодно использовать совместно преимущества системы эффектив–ного охлаждения и системы испарительного охлаждения. Схема системы представлена на рисунке 1.10.
В системе возможно использование двух емкостей: для охлажденной и для нагретой воды. В испарительной башне вода разбрызгивается и брызги обдуваются сухим воздухом. Выпадающий конденсат имеет пониженную температуру. Его направляют в систему эффективного охлаждения.
Система дополнительного охлаждения 7 включается если холодопроизводительности башни 15 и радиатора 14 недостаточно для обеспечения здания охлажденным воздухом.
Рис. 1.10. Схема системы с радиаторами и охлаждающей башней:
3 – заслонки; 2 – вентиляторы; 4 5–воздухоохладитель; 6–воздуховод;
–холодильная машина; 912– аккумуляторы хладоносителя; 10–трехходовые вентили; 11–насосы; 13–байпасный трубопровод; 14–радиатор; 15–испарительная башня;
Система может работать с отключенными радиаторами. Для этого хладоноситель после испарительной башни направляется в байпасный трубопровод 13.
При помощи заслонок 1 и 3 можно регулировать поток кондиционируемого воздуха через систему. В системе возможна замкнутая циркуляция воздуха.
Гидролиния 9 предназначена для подачи хладоносителя из аккумуляторов 9 и 12 в воздухоохладитель 4. Холодильная машина 7 подает хладоноситель в отдельный воздухоохладитель 5.
Недостатком такой системы можно назвать невозможность аккумулирования охлаждения создаваемого холодильной машиной. При применении дифференцированных по времени тарифов на электроэнергию значительно эффективнее было бы включать холодильную машину в ночное время когда цены на электроэнергию значительно ниже.
Расчет величины эффективного излучения
1. Общие сведения об эффективном излучении
Все физические тела являются источниками электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение тела может быть использовано для передачи энергии от одних тел другим. Представим две параллельные поверхности с температурами Т1 и Т2. Допустим что температура Т1>Т2. Количество энергии испускаемой телом находится в прямой зависимости от его температуры. Тогда поток излучения идущий от первого тела ко второму будет превышать поток излучения в направлении от второго тела к первому. То есть энергия будет передаваться от первого тела ко второму. При этом первое тело будет остывать а второе нагреваться.
То же самое явление можно наблюдать и в реальных земных условиях. Земная поверхность излучает в окружающее пространство электромагнитные волны. Часть энергии излучаемой землей проходит через всю толщину атмосферы и уходит в космическое пространство. Часть энергии отражается от атмосферы и возвращается. Эффективное излучение представляет собой разницу между собственным излучением земной поверхности и поглощаемой земной поверхностью частью противоизлучения атмосферы [14].
Ночью когда приток электромагнитного излучения от Солнца отсутствует земная поверхность излучает энергии больше чем принимает обратно от окружающей атмосферы. Это явление можно использовать для отвода теплоты различных систем т.е. создать холодильную систему охлаждение в которой создается за счет эффективного излучения.
Для разработки такой системы охлаждения необходима количественная оценка величины эффективного излучения. Известно что эта величина зависит от многих параметров атмосферного воздуха а также от облачности и свойств излучающей энергию поверхности.
Способы расчета величины эффективного излучения предложены множеством авторов в течение последних ста лет. Все известные формулы можно разделить на две основные группы.
К первой группе относятся эмпирические формулы. Они получены непосредственным измерением величины эффективного изучения и её сопоставлением с параметрами воздуха в приземном слое атмосферы.
Вторая группа формул использует детализированные профили атмосферных составляющих в тропосфере совместно со знаниями об их влиянии на величину эффективного излучения.
Формулы первой группы не учитывают ряда физических параметров атмосферы и могут давать большие ошибки. Формулы второй группы требуют большого количества данных о состоянии нижнего слоя атмосферы для получения которых нужно исследование всего слоя атмосферы до 10 км что может быть затруднительно.
К тому же различные группы авторов опираются в своих расчетах на различные параметры атмосферного воздуха используют различные единицы измерения и условные обозначения что создает некоторые трудности в сопоставлении результатов вычислений.
2. Обзор известных формул для расчета эффективного излучения
В ходе поиска информации по данной теме были найдены работы следующих авторов: Бинг Чена [15] Майка Луцука [16] Добсона Р.Т. [17] Паркера [18] книга Кондратева К.Я. в которых было представлено значительное количество различных способов для определения величины эффективного излучения.
Формулы Чена Луцука и Паркера разработаны специально для проектирования холодильных систем. Формулы Брента и Ефимовой использовались лишь при моделировании климата.
Формула Бинг Чена [19 с. 4]:
где: – излучательная способность безоблачного ночного неба.
где: – температура неба °К;
– коэффициент учитывающий влияние облачности;
– излучательная способность безоблачного неба.
Формула Брента [14 с. 518]:
Формула Ефимовой [14 с. 520]:
3. Параметры определяющие величину эффективного излучения
Согласно наблюдениям множества исследователей на величину эффективного излучения влияют три основные группы параметров:
Свойства излучающей поверхности (излучательная способность материала поверхности её температура);
Состояние нижнего слоя атмосферы (общее содержание паров водяного пара углекислого газа пыли и смога распределение температур);
Наличие облачности (степень облачности высота расположения различных слоев облаков над поверхностью земли).
Также можно отметить что в реальной холодильной установке на величину эффективного излучения могут оказывать влияние некоторые конструктивные особенности самой установки (наличие остекления прозрачность стекла для инфракрасного излучения наличие системы рефлекторов и т.п.) а также параметры местности где расположена установка (наличие деревьев и высотных здании в непосредственной близости от установки которые могут стать отражателями эффективного излучения).
Влияние свойств излучающей поверхности. Количество энергии излучаемой единицей площади поверхности тела определяется законом Стефана-Больцмана [20 с. 262]:
где: F–поток излучения Втм2.
–постоянная Стефана-Больцмана 567·10-8Вт(м2·град4);
–относительная излучательная способность поверхности тела безразмерная. Она зависит от материала тела и состояния его поверхности (наличие шероховатости);
Т – температура поверхности тела°К.
При увеличении количества энергии излучаемой телом увеличивается и величина эффективного излучения.
Влияние состояния нижнего слоя атмосферы. Тела при температуре атмосферного воздуха (от -40 до +50°C) являются источниками в основном инфракрасного излучения. Излучение данного диапазона в атмосферном воздухе поглощается парами воды и углекислым газом. Остальные газы не оказывают существенного влияния на величину эффективного излучения.
Увеличение содержания водяного пара и углекислого газа в атмосфере препятствует прохождению лучей инфракрасного диапазона и снижает величину эффективного излучения.
Так как общее содержание водяного пара в столбе воздуха до высоты 10км определить сложно большинство авторов использует в расчетах лишь значение содержания водяного пара в приземном слое атмосферы. Для этого в закон Стефана-Больцмана вводится поправочный коэффициент значение которого определятся функцией содержания водяных паров на высоте 2м над землей. Удобством данного упрощения является доступность данных по влажности собираемых различными метеостанциями по всей территории земного шара. При этом точность расчетов может значительно снизиться. Обозначим коэффициент учитывающий влияние содержания водяного пара – .
Распределение температур в тропосфере так же оказывает некоторое влияние на эффективное излучение. Чем больше изменение температуры с высотой тем больше величина эффективного излучения.
Наиболее важным является учет такого эффекта как скачок температур у поверхности земли. В нормальных условиях температура в тропосфере линейно уменьшается с высотой. Однако влияние эффективного излучения в ночное время вызывает охлаждение излучающей поверхности. Её температура в итоге оказывается ниже температуры окружающего воздуха. В непосредственной близости над поверхностью установки возникает «инверсионное» распределение температур при котором температура увеличивается с увеличением высоты. Наблюдения показывают что в условиях когда температура установки оказывается ниже температуры окружающего воздуха величина эффективного излучения уменьшается. Если же температура поверхности оказывается выше температуры воздуха в приземном слое наблюдается увеличение эффективного излучения.
Распределение температур многими авторами учитывается упрощенно введением поправки на скачок температур у поверхности земли. Данная поправка в общем виде имеет следующий вид:
где:Тип – температура поверхности тела °К;
Тв – температура воздуха на высоте 2м °К.
Влияние облачности. В общем случае величина эффективного излучения нелинейно уменьшается с увеличением степени облачности. Существенное влияние оказывает также расположение слоев облаков по высоте. Так облака расположенные в верхнем ярусе оказывают наименьшее а облака нижнего и среднего яруса наибольшее влияние на величину эффективного излучения.
Наиболее распространенным способом учета влияния облачности является умножение величины эффективного излучения рассчитанного по формуле для ясного неба на коэффициент который определяется функцией от облачности. Обозначим коэффициент учитывающий влияние облачности – .
4. Общий вид расчетной формулы
Для удобства сравнения результатов вычислений каждую из предложенных формул разложим на множители.
Приведем все формулы к виду аналогичному формуле Брента [14с.518]. Нами была выбрана формула Брента из следующих соображений. Её структура наилучшим образом соответствует структуре теоретической формулы Кондратьева [14 с.497] что делает возможным сопоставление отдельных элементов входящих в каждую из эмпирических формул с элементами теоретической формулы учитывающей наибольшее количество параметров.
Формула Брента для эффективного излучения при безоблачном небе имеет следующий вид:
где: – поток эффективного излучения Втм2;
a и b – эмпирические коэффициенты. Наиболее часто используются значения a=0448 b=0064;
– температура поверхности излучающего объекта °К;
– температура воздуха °К;
e – парциальное давление водяного пара мм.рт.ст.
Разобьем формулу на отдельные элементы и рассмотрим значение каждого из них.
Произведение представляет собой поток излучения абсолютно черного тела при его температуре равной температуре воздуха.
Обозначим эту величину:
Величина определяет влияние содержания водяного пара в атмосферном воздухе на величину эффективного излучения.
Величина вносит в формулу поправку на скачок температур в приземном слое воздуха.
Учет влияния облачности как было описано ранее можно сделать умножив величину эффективного излучения рассчитанную для безоблачного неба на коэффициент который учитывает влияние облачности.
Учитывая все перечисленное формула Брента выглядит так:
Для случая излучения абсолютно черного тела при безоблачном небе формула может быть записана следующим образом:
Теперь преобразуем формулу Бинг Чена [19 с. 4]:
где:– функция учитывающая влияние температуры точки росы на величину эффективного излучения.
– температура точки росы °C.
Запишем формулу Бинг Чена в следующем виде:
и проведем ряд преобразований:
Разность – это поправка на скачок температуры у поверхности земли.
Подставив значение получим:
Известно что температура точки росы является функцией от температуры воздуха и содержания в нем водяных паров. Следовательно выражение является по сути поправкой на содержание водяного пара. Обозначим её как и в формуле Брента :
Аналогичные преобразования проведем с формулами Луцука и Паркера. Из формулы Луцука:
где: – относительная влажность фоздуха %.
Данное выражение для было получено для условий безоблачного неба при степени облачности n=0 и Ca=1.
В каждое из выражений для расчета вошли только величины описывающие состояние атмосферного воздуха ( e).
Если посмотреть на общий вид выражения для расчета эффективного излучения:
видно что величина каждого из коэффициентов ( и ) может быть рассмотрена самостоятельно независимо от других параметров. Однако для сравнения коэффициентов потребуется определить зависимость температуры точки росы от температуры воздуха и его влажности. Сделаем это далее.
5. Расчет температуры точки росы по заданной температуре воздуха и его влажности
Как было сказано ранее для сопоставления различных формул для расчета эффективного излучения нам потребуется определить температуру точки росы по температуре воздуха и парциальному давлению водяного пара.
Атмосферный воздух представляет собой механическую смесь водяного пара и сухого воздуха. Количество водяного пара в атмосферном воздухе ограничено и не может превышать определенного значения которое является постоянной величиной для данной температуры [20].
Зависимость температуры точки росы от параметров T и e неявляется линейной. Определить её можно несколькими способами. Широкое распространение имеют диаграммы влажного воздуха по которым можно определить большинство параметров влажного воздуха графически без использования расчетов. Недостатком данного метода является возможность ошибки величина которой определяется масштабом изображения диаграммы. Если же потребуется проводить значительное количество расчетов для разных значений температуры и влажности каждый раз придется вручную определять требуемые величины.
Вторым известным способом является использование табличных данных. Однако использование таблиц также связанно с ручной выборкой данных.
Мы же попробуем использовать расчетный метод для определения температуры точки росы который является наиболее производительным при использовании компьютерного программного обеспечения.
Для ее расчета воспользуемся следующей последовательностью:
Определим парциальное давление насыщенного водяного пара для данной температуры воздуха. Используем для этой цели формулу Антуана которая дает результат вычислений в мм.рт.ст.[21 с. 534]:
где: А В и С – табличные константы для воды безразмерные. .
– температура воздуха °К.
Найдем относительную влажность воздуха:
Температуру точки росы определим по формуле[9]:
и b–безразмерные константы. ;
– температура воздуха °C. Определим: °C.
Данная формула дает результат температуры точки росы в °C.
Результат рассчитанный по данной последовательности не является абсолютно точным. Каждая из формул входящая в нее дает определенную погрешность влияющую на конечный результат. Следовательно необходимо определить величину возможной ошибки при использовании данной последовательности расчета.
Начнем с оценки погрешности формулы Антуана. Для этого рассчитаем значения в диапазоне возможных температур атмосферного воздуха от -40 до +50°С. После этого сопоставим полученный по формуле результат с табличными данными.
Значения абсолютного отклонения формулы Антуана
Температура воздуха °С
Парциальное давление водяного пара
по формуле мм.рт.ст.
по таблице мм.рт.ст.
Абсолютная величина отклонения мм.рт.ст.
Из таблицы можно сделать вывод что рассчитанное значение по формуле Антуана отличается от табличного значения не более чем на 0567 мм.рт.ст при температуре воздуха t=50°С.
Полученные результаты представим в виде графиков.
Рис. 2.1. Парциальное давление водяного пара мм.рт.ст.
Если сравнить величину относительной влажности данную в таблицах [22] и рассчитанную на основе результатов формулы Антуана то её отклонение не превышает 05%.
Рис. 2.2. Абсолютное отклонение температуры
Теперь проверим точность результатов полученных расчетами по формуле для определения температуры точки росы. Рассчитаем по формуле температуру точки росы задаваясь значениями относительной влажности (от30 до 90%) и температуры воздуха (от -10 до +40°С). Сравним полученные результаты с табличными данными [23] вычитая из данных по таблице результат полученный по формуле для тех же значений tв и .
Выписав наибольшую величину отклонения для каждого из значений получим следующий график:
Рис. 2.3. Максимальное отклонение температуры
Из графика видно что наибольшее отклонение от табличных данных наблюдается при значениях относительной влажности воздуха от 30 до 40% и составляет 12°С.
Если учесть что относительная влажность рассчитанная на основе формулы Антуана может отклоняться на 05% то температура точки росы может превышать табличное значение на 145°C в области высоких температур и низкой относительной влажности. В дальнейшем стоит учитывать влияние данной погрешности на величину эффективного излучения.
6. Сравнение коэффициентов учитывающих состояние атмосферного воздуха
Рассчитаем значения коэффициентов по формулам Брента Бинг Чена Луцука Паркера и Ефимовой для диапазона температур от -40 до +50°C при парциальном давлении водяного пара в диапазоне от 0 до 30мм.рт.ст.
Результаты расчета представим в виде графиков. По оси абсцисс отложим температуру воздуха по оси ординат значения коэффициентов .
На графиках приняты следующие обозначения: 1 – формула Брента;
– формула Бинг Чена; 3 – формула Ликвика; 4 – формула Паркера;
Рис. 2.4. Зависимость kвп от tв при e=0 мм.рт.ст
Рис. 2.5. Зависимость kвп от tв при e=10 мм.рт.ст
Рис. 2.6. Зависимость kвп от tв при e=15 мм.рт.ст
Рис. 2.7. Зависимость kвп от tв при e=20 мм.рт.ст
Рис. 2.8. Зависимость kвп от tв при e=30 мм.рт.ст
Из графиков видно что наибольший разброс значений коэффициентов наблюдается при e=0. Однако в реальных условиях влажность атмосферного воздуха никогда не равна нулю.
Также стоит учитывать что на данных графиках не отражено парциальное давление насыщенных водяных паров которое не может превышать определенного значения для данной температуры. Например при температуре tв=-113°C и парциальном давлении водяных паров 10мм.рт.ст. относительная влажность воздуха составляет 100%. Следовательно состояние с e=11 мм.рт.ст. при той же температуре является невозможным. Такие невозможные значения на графиках были выделены залитой серым цветом областью.
Теперь при рассмотрении области допустимых значений можно проанализировать разброс результатов вычислений. Все формулы кроме формулы Ликвика дают результаты практически постоянные для данного значения влажности и почти не зависят от температуры воздуха. Этот результат соответствует выводам которые были сделаны Кондратьевым при сопоставлении теоретической формулы для расчета эффективного излучения с формулой Брента.
Результаты расчетов по формуле Ликвика в области допустимых значений при 5e15 попадают в диапазон результатов расчетов по формулам других авторов. Влияние температуры воздуха на значение коэффициента в формуле Ликвика скорее всего не является обоснованным.
Разброс между наибольшим и наименьшим значениями эффективного излучения рассчитанными по формулам различных авторов при e=10 мм.рт.ст. не превышает 25%. Если учитывать что приведенные формулы были получены на основе анализа данных исследований проводившихся с интервалом от 20 до 70 лет с использованием различного оборудования и методик постановки эксперимента можно сказать что результаты хорошо соответствуют друг другу. Наибольшее совпадение результатов наблюдается при условиях: e=10 мм.рт.ст. и 10t50°C т.е. при наиболее часто встречающихся условиях.
Рассмотрим формулы с точки зрения удобства их применения для проведения экспериментов. В формулах Бинг Чена и Ефимовой коэффициент рассчитывается наиболее простым способом. В формуле Брента требуется дополнительно извлекать квадратный корень из величины e что незначительно осложняет процесс вычислений. В формулах Луцука и Паркера коэффициент рассчитывается значительно-большим количеством действий что делает их применение наименее удобным.
Также стоит сказать что в проанализированных формулах не учитывается влияние распределения температур в тропосфере что вносит определенную ошибку в результаты. Рассмотрим эту особенность подробнее в следующей главе.
7. Учет влияний распределения температур в тропосфере на величину эффективного излучения
Одним из параметров влияющих на величину эффективного излучения является распределение температур по высоте в тропосфере. Распределение температур определяется градиентом температур в тропосфере который определяется как [14 с. 496]:
где: Tв – температура воздуха у поверхности земли °К;
– температура воздуха на уровне тропопаузы °К;
– высота уровня тропопаузы м;
Высота уровня тропопаузы является переменной величиной которая зависит от географической широты местности для которой проводятся измерения и времени года.
Как было показано в работе Кондратьева наилучшим образом влияние данной величины отражает теоретическая формула [14 с. 497]. В ней вместо потока излучения абсолютно черного тела на величине которого построены все представленные ранее формулы используется следующее выражение:
Подставив выражения для расчета и получим:
Значения можно найти в справочниках [24 с. 60].
В работах ученых чьи формулы были представлены ранее данная величина не была учтена. Возможно это стало одной из причин по которой величины эффективного излучения рассчитанные по каждой из этих формул имеют столь значительное расхождение. Частично этим фактором можно объяснить расхождение результатов экспериментов Бинг Чена срезультатами работ Кларка и Алена [19 с.1]. Бинг Чен проводил свои исследования в штате Небраска (широта с 40°0' с. ш. по 44°0' с.ш.). Кларк и Ален в штате Техас город Сан Антонио (29°2543 с.ш.).
При этом результаты работы Бинг Чена практически совпадают с результатами исследований проведенных в Калифорнийском Университете штат Калифорния город Беркли (37°5213с.ш.) что также хорошо соотносится с имеющимися данными.
Учитывая распределение температур в тропосфере формула для расчета эффективного излучения примет вид:
Так как формула претерпела изменения следует внести поправку в коэффициент . Для этого необходимо иметь данные о том где и в какое время года производились измерения на основе которых были выведены формулы расчета эффективного излучения.
Рассчитаем поправку X для коэффициента формулы Бинг Чена с учетом градиента температур при безоблачном небе (=1).
Зададимся следующими параметрами. Температура воздуха у земной поверхности: 20°С. Парциальное давление водяного пара: 7мм.рт.ст. Температура на уровне тропопаузы: -576°С (Взята среднегодовая температура для 40° с.ш. из справочника [24 с. 60]).
Для заданных параметров:
Из формулы Ефимовой:
Последнее выражение определяет значение коэффициента учитывающего влияние водяного пара для формулы Бинг Чена с учетом распределения температур в тропосфере.
Расчет величины эффективного излучения для одной и той же местности при изменении температуры тропопаузы в пределах от -50 до
-60°С показывает что результат может изменяться примерно на 5% в зависимости от сезона года.
8. Расчет коэффициента
В статьях американских ученых влияние облачности на величину эффективного излучения изучено недостаточно.
Если значения облачности отдельных ярусов неизвестны можно сделать расчет исходя из общей облачности :
В этом случае следует выбирать коэффициент в зависимости от географической широты по табл. 2.2.
Значения коэффициента R
9. Расчет коэффициента
Поправка учитывающая скачек температур в приземном слое воздуха представлена следующим образом:
Если принять то задаваясь значением температуры воздуха и скачком температур можно определить величину .
Результаты расчетов представим в виде следующего графика:
Рис. 2.9. Поправка в зависимости от температуры
Если температура излучающей поверхности выше температуры воздуха скачек температур и величина эффективного излучения увеличивается с увеличением на величину . Если же величина эффективного излучения уменьшается на величину . При некотором значении поправка превысит величину и величина эффективного излучения станет меньше нуля. При этом тепло будет передаваться не от тела в атмосферу а от атмосферы к телу и его температура будет постепенно увеличиваться.
При проектировании холодильных систем важен тот факт что температуру излучающей поверхности желательно держать выше температуры окружающего воздуха для увеличения общего потока излучения от установки.
10. Окончательный вид формулы для расчета ЭИ
Формула для расчета величины эффективного излучения с учетом всего перечисленного была представлена в следующем виде:
Полученную формулу можно использовать для проектирования холодильной системы с использованием эффективного излучения по заданным параметрам температуры воздуха его температуре точки росы общей облачности географической широте местности в которой будет эксплуатироваться установка а также по температуре излучающей поверхности установки .
На кафедре «Информационные технологии» Алматинского Технологического Университета написана компьютерная программа использующая данную методику для расчетов. В последующих главах для расчетов будет использоваться исключительно данная программа.
Моделирование процесса охлаждения за счет эффективного излучения
В статьях описывающих ХСИЭИ нет общепринятой методики для расчета параметров процесса охлаждения. Способ расчета обычных холодильных машин является недостаточно точным для нашего случая. Объяснить это можно следующим образом.
В обычной методике расчета холодопроизводительность холодильных машин [25] задаётся максимальной летней температурой воздуха. Например: для Алматы 34°C. Температуру конденсации задают основываясь на температуре воздуха. Параметры холодильного цикла рассчитываются по температуре конденсации и температуре испарения которые остаются практически неизменными в течение всего периода работы холодильной системы. В нашем же случае удельная холодопроизводительность системы в значительной степени зависит от многих параметров атмосферного воздуха. Их значения непрерывно изменяются. Следовательно для получения точных значений теоретической холодопроизводительности необходимы данные об изменении этих параметров за ночь по которым можно будет смоделировать процесс охлаждения.
1. Данные для расчета эффективного излучения
Воспользуемся данными из архива погоды в г. Алматы [26].
Для проведения расчетов выберем пять самых жарких дней в году. Для этого рассчитаем среднесуточные температуры для периода с 1июня по 31августа.
Выберем дни с наибольшей среднесуточной температурой. В нашем случае такими оказались пять дней в период с 8 по 12 августа 2005 года.
Данные о погоде в период с 8 по 12 августа 2005 года
Температура точка росы tро °C
Средняя температура за день tср °C
Табл. 3.1. (продолжение)
Температура точка росы tр °C
Рассчитаем средние по часам значения температуры воздуха температуры точки росы и облачности.
Рис. 3.1. График изменения температуры за сутки
На графике выше изменения температур в отдельные дни отмечены цифрами 09-12. Усредненное во времени значение показано кривой черного цвета.
Рис. 3.2. График изменения температуры точки росы
Рис. 3.3. График изменения степени облачности
На основе данных о средней за пять самых жарких дней лета температуре воздуха температуре точки росы и степени облачности можно рассчитать величину эффективного излучения.
2. Зависимость удельной холодопроизводительности от температуры излучающей поверхности
В системах кондиционирования воздуха будет использована система с циркуляцией обычной воды напрямую через аккумулятор холода без дополнительного теплообменника. Такая система в режиме охлаждения работает следующим образом. Вода из аккумулятора холода перекачивается насосом в радиатор. Формула (2.27) для расчета эффективного излучения показывает что при уменьшении температуры излучающей поверхности уменьшается и величина эффективного излучения. Величина охлаждения воды в радиаторе должна быть определена из условия получения наибольшей холодопроизводительности системы.
Согласно результатам расчетов по формуле Бинг Чена (см. рис. 3.4) при понижении температуры излучающей поверхности на 5°С при постояной температуре (tв) и влажности (φ) воздуха величина эффективного излучения в среднем уменьшается на 25Вт.
Рис. 3.4. Изменение эффективного излучения в зависимости
от температуры излучающей поверхности (tв=22°С; φ=30%; tро=7°С)
Примем что температура жидкости на входе в радиатор составляет 20°C тогда величина эффективного излучения составляет около 80Втм2. Если в радиаторе вода охладилась до 10°С эффективное излучение уже составит всего 35Втм2 что более чем в два раза меньше. Следовательно следует стараться поддерживать температуру излучающей поверхности как можно выше. При этом следует помнить что для работы в системе кондиционирования хладоноситель следует охладить за ночь не менее чем на 5 градусов ниже требуемой температуры воздуха в помещении. В противном случае ухудшаются условия теплообмена в воздухоохладителе.
Учитывая что эффективное излучение изменяется линейно с изменением температуры излучающей поверхности можно принять что средняя для всего радиатора удельная холодопроизводительность может быть рассчитана по формуле:
где: – общий КПД системы охлаждения;
– средняя температура поверхности радиатора °С;
– поток эффективного излучения при температуре °С;
Средняя температура поверхности радиатора может быть рассчитана как:
где:– температура хладоносителя на входе в радиатор °С;
– температура хладоносителя на выходе из радиатора °С;
3. Влияние емкости аккумулятора холода на удельную холодопроизводительность
В модели описанной в предыдущем параграфе в течение ночи происходит непрерывное охлаждение жидкости в аккумуляторе холода. При этом со снижением температуры воды в аккумуляторе холода снижается и удельная холодопроизводительность радиатора. Чем меньше емкость радиатора тем быстрее охлаждается жидкость в нем и тем быстрее снижается удельная холодопроизводительность радиатора.
В описанных ранее установках (см. главу 1) на 1м2 площади радиатора в среднем приходилось 006 м3 воды в аккумуляторе холода.
Рассмотрим процесс охлаждения в такой системе в течение ночи. Начальную температуру жидкости в аккумуляторе холода примем равной 25°C. При перекачивании насосом жидкости через радиатор температура его поверхности нагреется до температуры жидкости в аккумуляторе. При этом за счет эффективного излучения за время будет отдано количество теплоты:
где: –общий КПД радиатора который показывает насколько величина действительной холодопроизводительности радиатора меньше теоретически возможной величины эффективного излучения.
В данной главе мы не будем подробно рассматривать процессы теплообмена в отдельных элементах системы. Все расчёты будут выполняться лишь приближенно.
Температура хладоносителя в аккумуляторе холода при этом уменьшится на величину:
где: – масса хладоносителя в аккумуляторе холода кг:
– изобарная теплоемкость хладоносителя Дж(кг·град);
– коэффициент учитывающий теплопритоки в систему снижающие общую холодопроизводительность.
Если предположить что за достаточно малый интервал времени величина эффективного излучения остается постоянной то к концу рассматриваемого интервала температура жидкости в аккумуляторе:
В нашем случае зададимся следующими параметрами: °C; ; ; кг; Дж(кг·град);
Параметры атмосферного воздуха (tро tв n) примем согласно графикам приведенным в предыдущем параграфе (см. главу 3.1). Температура излучающей поверхности на протяжении интервала времени . Относительная излучательная способность =095.
Система охлаждения включается на закате. В августе этому моменту соответствует время 20:00. Процесс охлаждения идет до восхода солнца которому соответствует время 06:00.
Для наших условий при кг:
Результаты расчетов температуры аккумулятора за ночь по формулам (3.6 3.8) представлены в виде таблицы 3.2.
Изменение температуры аккумулятора со временем
ta в начале интервала времени °C
Из таблицы видно что при кг за ночь температура в аккумуляторе опустилась на 754°C а общее количество накопленного холода составило:
При кг за ночь температура хладоносителя же снизилась на 452°C. Количество аккумулированного холода составило:
При кг за ночь температура в аккумуляторе снизилась всего на 248°C а общее количество накопленного холода составило:
Для наглядности зависимость величины полученного охлаждения от соотношения площади радиатора к емкости аккумулятора представим в виде графиков.
Рис. 3.5. Зависимость охлаждения Qночь полученного с 1м2 радиатора от емкости аккумулятора холода
Рис. 3.6. Зависимость падения температуры в аккумуляторе холода от его емкости
По полученным графикам можно предсказывать на сколько градусов охладиться жидкость в аккумуляторе холода за ночь при среднем ночном =50 60Втм2. Для охлаждения жидкости на 5°C за ночь следует брать аккумулятор емкостью 50 кг на 1 м2 радиатора.
Стоит отметить что расчеты представленные в данной главе проведены для неблагоприятных условий работы системы когда средняя ночная температура превышала 26°C. За лето такие условия наблюдаются не более чем в течение 14 дней. В обычные летние дни (50-60 дней в году) ночная температура воздуха находится в диапазоне от 20 до 25°C. Ожидается что система в таких условиях будет работать на 30-40% эффективнее.
Также важно учитывать что в данных расчетах КПД радиатора оставался неизменным для разных значений температуры хладоносителя. Расчеты представленные в главе 4 показывают что КПД радиатора в значительной степени зависят от температурного режима. Следовательно при использовании аккумулятора холода из расчета 30 кг на 1 м2 радиатора холодопроизводительность окажется меньше спрогнозированной.
По результатам трех вычислений можно сказать что среднюю за ночь величину эффективного излучения с достаточной степенью точности можно рассчитывать по средней ночной температуре воздуха средней температуре точки росы и общей облачности. Температура излучающей поверхности при этом должна быть рассчитана как разность между средней температурой воздуха и ожидаемой величине охлаждения определяемой в зависимости от емкости аккумулятора:
где: – средняя ночная температура излучающей поверхности °С;
–величина охлаждения аккумулятора холода за ночь определяемая как функция от отношения из рисунка 3.6;
– площадь радиатора м2.
Общее количество холода (кДж) полученное за ночь можно определить как:
где:–продолжительность ночи ч.
Конструкция радиатора
Радиатор – устройство холодильной системы в котором происходит процесс охлаждения хладоносителя за счет эффективного излучения.
Основные цели данного раздела:
Определить рациональную конструкцию радиатора для ХСИЭИ;
Определить из каких материалов должен быть изготовлен радиатор;
Какие характеристики радиатора делают его пригодным для работы в режиме охлаждения;
Определить среднее количество холода которое производит единица площади поверхности радиатора;
Определить влияние ветра и расположения радиатора на его холодопроизводительность;
Сопоставить холодопроизводительность радиатора с его себестоимостью;
В данном разделе описан выбор конструкции радиатора ХСИЭИ проведены некоторые гидравлические расчеты рассчитан тепловой баланс радиатора.
1. Обзор существующих конструкций радиаторов
Согласно данным о проектировании ХСИЭИ описанным в главе 1 в них зачастую используются радиаторы конструкция которых аналогична конструкции солнечных коллекторов.
По конструкции различают два основных типа радиаторов:
Радиаторы пластинчатого типа;
Радиаторы с тепловыми трубками.
По способу применения возможны радиаторы:
Работающие только в режиме охлаждения;
Работающие в режиме охлаждения и нагрева теплоносителя;
По материалу из которого изготовлена излучающая поверхность и каналы с тепло- и хладоносителем:
Радиаторы с излучающей поверхностью и каналами из полимерных материалов;
Радиаторы с металлической излучающей поверхностью и металлическими каналами для теплоносителя;
Радиаторы с металлической излучающей поверхностью и каналами для теплоносителя из полимерных материалов;
Радиаторы пластинчатого типа могут быть выполнены с прозрачным покрытием и без него.
Простейшая конструкция пластинчатого радиатора представлена на рисунке 4.1.
Рис. 4.1. Пластинчатый радиатор: 1 – уплотнение; 2 – корпус; 3 – стекло;
–излучающая пластина; 5 – теплоизоляция; 6 – каналы для теплоносителя.
2. Результаты испытаний радиаторов различных конструкций
В табл. 4.1 представлены данные согласно результатам испытании ХСИЭИ в штате Нью-Мексико [3].
Холодопроизводительность некоторых моделей радиаторов
Материал излучающей поверхности
Удельная холодопроизводительность q0 t Вт(м2·°C)
Ожидаемая холодопроизводительность Втм2
Радиатор Yazaki представляет собой металлический солнечный коллектор каналы для хладоносителя в котором образованы двумя параллельными металлическими пластинами с рифлениями образованными штамповкой. Сверху излучающая поверхность может быть закрыта стеклом.
Рис. 4.2. Радиатор YazakiРис. 4.3. Радиатор AquaTherm
Радиатор AquaTherm изготовлен из полипропилена. Каналы образованы трубками соединенными пластмассовыми стяжками.
Рис. 4.4. Радиатор Energy SystemsРис. 4.5. Радиатор Fafco SunSaver
Радиатор Energy Systems представляет собой металлический лист к которому припаяны металлические трубки малого диаметра.
Радиатор Fafco SunSaver изготовлен из полиолефина. Излучающая поверхность образована большим количеством параллельных пластмассовых трубок малого диаметра.
Рис. 4.6. Радиатор Sealed AirРис. 4.7. Радиатор Techno-Solis
Радиаторы Sealed Air и Techno-Solis по конструкции очень похож на Fafco SunSaver но изготовлен другого пластика. Тип пластика неизвестен.
У радиатора Techno-Solis излучающая поверхность имеет селективное покрытие.
Радиатор Heliocol изготовлен из полипропиленовых трубок.
При испытаниях удельная холодопроизводительность q0t определялась авторами исследования как отношение найденной опытным путем холодопроизводительности к перепаду между температурой воздуха и температурой излучающей металлической пластины обращенной к небу. По данным исследований проведенных в городе Алматы этот перепад температур находится в диапазоне от 5 до 15 °C.
Ожидаемая холодопроизводительность рассчитана по формуле:
Радиатор «Yazaki» является как самым производительным так и самым дорогостоящим из всех рассмотренных. При этом у многих моделей радиаторов цена в 3-4 раза ниже а холодопроизводительность ниже всего на 30-40%. При таком рассмотрении становится видно что радиатор «Technosolis» обеспечивает наибольшую производительность за единицу стоимости и является наиболее приемлемым вариантом по соотношению «цена-производительность». Недостатком такого радиатора может оказаться сравнительно недолговечный полимерный материал использованный в его конструкции. При проектировании новых моделей радиаторов следует максимально снизить их себестоимость и использовать наиболее долговечные материалы.
Солнечные коллекторы с тепловыми трубками не подходят для использования в ХСИЭИ т.к. их эффективность превышает эффективность плоских солнечных коллекторов только при перепаде температур около 50°C. При этом их себестоимость значительно выше себестоимости плоских солнечных коллекторов. Более того в наиболее совершенных моделях солнечных коллекторов используется стекло не пропускающее тепловое излучение что делает охлаждение принципиально невозможным.
Из обзора представленного выше можно сделать вывод что наибольшую холодопроизводительность имеют конструкции в которых каналы для теплоносителя занимают всю площадь под излучающей поверхностью. Преимуществом таких моделей радиаторов с большой площадью сечения каналов может также оказаться сравнительно низкое гидродинамическое сопротивление что снижает энергозатраты на циркуляцию хладоносителя.
Наибольшую холодопроизводительность имеет радиатор с металлической зачерненной излучающей поверхностью.
В представленном обзоре не рассматривается конструкция в которой роль радиатора выполняет поверхность крыши на которую производится разбрызгивание воды. Вода с такой крыши стекает в специальный коллектор откуда возвращается в аккумулятор холода. Если предполагается что система кондиционирования будет работать только летом такая система оказывается наиболее дешёвой и является наиболее перспективным вариантом.
Стоит также отметить что в ранних моделях ХСИЭИ предполагалось использовать в качестве радиаторов специальные емкости с водой на крыше здания. Такие конструкции на данный момент многими авторами признаются устаревшими и больше не проектируются.
3. Влияние угла наклона радиатора к горизонту на холодопроизводительность
Толщина слоя атмосферы в направлении нормали к поверхности земли минимальна. Следовательно и поток эффективного излучения в направлении нормали должен иметь максимальное значение. В уже построенных зданиях с наклонной крышей может оказаться проблематичной установка радиаторов в горизонтальном положении. Поэтому важно знать как изменяется холодопроизводительность радиаторов если они установлены под некоторым углом к горизонту.
В табл. 4.2 отображены результаты экспериментов проведенных в штате Нью-Мексико в 2005 году [3]. В более ранних теоретических исследованиях предполагалось что угол наклона имеет значительно большее влияние на холодопроизводительность радиаторов.
Влияние угла наклона радиатора на холодопроизводительность
Относительная холодопроизводительность
Угол наклона к горизонту град
Как видно из таблицы при наклоне радиатора на 90° его холодопроизводительность снижается всего на 24%. Согласно теоретической формуле холодопроизводительность должна была в данных условиях уменьшиться на 50%. Это наблюдение говорит о том что влияние всех параметров атмосферного воздуха на работу радиатора не может быть учтено одной единственной формулой.
Следовательно можно устанавливать радиаторы практически под любым углом к горизонту как на крышах зданий так и на их стенах.
4. Влияние скорости ветра на холодопроизводительность
Чем больше скорость ветра тем интенсивнее происходит конвективный теплообмен. Следовательно холодопроизводительность радиатора под воздействием ветра снижается.
Если в местности где установлен радиатор наблюдается постоянный ветер следует учитывать его влияние на холодопроизводительность. Экспериментально установлена следующая зависимость между скоростью ветра и холодопроизводительностью радиатора без стеклянного покрытия.
Влияние ветра на холодопроизводительность радиатора
5. Расчет теплового баланса плоского радиатора
Для определения реальной холодопроизводительности радиатора необходимо рассчитать количество тепла которое поступает за счет теплопередачи через его стенки к хладоносителю.
Для расчета теплового баланса радиатора воспользуемся методикой предложенной в работе Добсона Р.Т. [17].
Рассмотрим простейшую модель плоского радиатора конструкция которого аналогична конструкции плоского солнечного коллектора. Его конструкция представлена на рис. 4.8.
Рис. 4.8. Схема к расчету теплового баланса плоского радиатора:
–стекло;2 – излучающая пластина; 3–перегородки; 4– нижняя металлическая пластина; 5–слой теплоизоляции;6– корпус радиатора
Хладоноситель протекает по каналам образованным пластинами 2 4 и перегородками 3.
Следует отметить что возможно использовать радиатор как с покрытием 1 так и без него. Если покрытие 1 имеется можно создать воздушную прослойку между стеклом 1 и пластиной 2 или же вообще откачать воздух из данного пространства что значительно снизит теплопритоки к хладоносителю.
При этом прозрачное покрытие не только снижает теплопритоки к верхней пластине радиатора за счет конвективного теплообмена но создает препятствие для потока эффективного излучения. В случае работы радиатора в режиме нагрева наличие покрытия значительно увеличивает эффективность поглощения солнечного тепла.
Очевидно что в последнем варианте теплопритоки к хладоносителю минимальны. При этом такой вариант радиатора будет наиболее дорогостоящим в производстве и сложным в обслуживании.
Проведем расчеты для трех вариантов:
Радиатор без остекления;
Радиатор с остеклением;
Радиатор с остеклением и вакуумом между стеклом 1 и пластиной 2.
Примем что расход хладоносителя через радиатор имеет такую величину что его температура изменяется незначительно по всей длине пути через радиатор. В таких условиях расчеты теплового баланса с достаточной степенью точности можно проводить для средней температуры хладоносителя в радиаторе.
Геометрические размеры элементов радиатора примем следующие (см. рис. 4.8):
Толщина стекла: bс=4·10-3 м;
Толщина слоя воздуха: bв=10·10-3 м;
Толщина верхней излучающей пластины 2: bвп=04·10-3 м;
Высота канала с хладоносителем: bх=5·10-3 м;
Толщина нижней пластины: bнп=06·10-3 м;
Толщина теплоизоляции: bти=30·10-3 м;
Толщина корпуса: bк=3·10-3 м.
Коэффициенты теплопроводности материалов следующие:
Для стекла: λс=4·10-3 Вт(м·град);
Для верхней пластины из стали: λвп=47 Вт(м·град);
Для нижней пластины из стали: λнп=47 Вт(м·град);
Для слоя пенополиуритана: λти=0025 Вт(м·град);
Для пластмассового корпуса: λк=05 Вт(м·град);
Расчет теплового баланса радиатора в режиме охлаждения проведем для двух средних температур хладоносителя: +15 и +20°С. При этом температуру атмосферного воздуха примем tв=25°С.
Теплоприток к хладоносителю возможен в двух направлениях:
Снизу через слои 45 и 6 – qн;
Сверху через стекло 1 и пластину 2 – qв.
Теплопритоки через боковые стенки корпуса радиатора примем равными нулю так как площадь этих стенок мала по сравнению с площадью излучающей поверхности.
6. Расчет теплопритоков для неостекленного радиатора
Теплоприток к хладоносителю через нижнюю пластину радиатора можно рассчитать по формуле для расчета теплопередачи через плоскую стенку:
где:– коэффициент теплопередачи через нижнюю часть радиатора Вт(м2·град);
– температурный напор определяемый как разница между температурой воздуха и температурой хладоносителя: °C.
Коэффициент теплопередачи определим по формуле:
где:– коэффициент теплоотдачи от воздуха к корпусу 6 Вт(м2·град);
– коэффициент теплоотдачи от хладоносителя к нижней пластине 4 Вт(м2·град);
– толщина корпуса слоя теплоизоляции и нижней пластины 4 соответственно м;
– теплопроводность материала корпуса слоя теплоизоляции и нижней пластины 4 соответственно Вт(м·град).
Температурный напор примем:
где: – температура воздуха °C;
– температура хладоносителя в каналах радиатора°C;
Расчет коэффициента проведем по формулам которые предложены в справочнике по теплопередаче для случая естественной конвекции в неограниченном объеме [27 с. 148].
где:– число Грасгофа;
C и n – безразмерные коэффициенты определяемые по справочным данным в зависимости от величины.
где:– ускорение свободного падения мс2;
– коэффициент объемного теплового расширения воздуха град-1;
–перепад температур между стенкой и теплоносителем град;
–определяющий линейный размер м;
– кинематическая вязкость обтекающей поверхность жидкости м2с.
где:– плотность жидкости кгм3;
– удельная массовая теплоемкость жидкости при постоянном давлении Дж(кг·град);
– теплопроводность жидкости Вт(м·град).
Коэффициент можно рассчитать как:
Рассчитаем для наружной стенки корпуса радиатора. В этом случае стенка омывается воздухом. При °C параметры воздуха определяются для средней температуры °C. При °C параметры воздуха определяются для средней температуры °C. Относительная влажность воздуха φ=50% в обоих случаях.
Параметры воздуха при работе радиатора в режиме охлаждения
За характерный линейный размер примем ширину радиатора: м.
Рассчитаем числа Gr и Pr. При °C:
Величина была увеличена на 30% так как тепловой поток направлен от окружающего воздуха к поверхности снизу вверх.
Аналогичные расчеты проведем для °C. Результаты представим в виде таблицы.
Коэффициенты для расчета коэффициента теплопередачи
Далее рассчитаем коэффициент теплоотдачи от хладоносителя к внутренним стенкам каналов радиатора . В данном случае рассматривается теплопередача при вынужденном движении жидкости.
Число Nu рассчитаем по формуле для случая обтекания пластины ламинарным потоком жидкости:
Величина теплопередачи в первую очередь в данном случае определяется характером движения жидкости в каналах. Примем что хладоноситель движется по каналам высотой 002 м и шириной 010м ламинарным потоком. Нет необходимости создавать турбулентный поток в каналах так как это только увеличит гидродинамические потери на трение жидкости о стенки.
Характер движения жидкости определим по числу Рейнольдса:
где: –скорость течения жидкости мс;
– гидравлический диаметр канала м.
При указанных размерах канала:
Кинематическая вязкость воды при температуре 20°C м2с. Подставив в формулу (4.15) значения а также граничное значение числа Рейнольдса получим что ламинарное течение будет наблюдаться при скорости движения жидкости 016мс. Для расчетов же примем =01мс. Тогда .
Примем для воды основные параметры согласно табл. 4.6.
Параметры воды при работе радиатора в режиме охлаждения
За характерный размер при расчетах была взята ширина канала b=005 м.
Коэффициент теплопередачи по формуле 4.3 при °C: Вт(м2·град). При °C: Вт(м2·град).
В итоге теплоприток снизу радиатора к хладоносителю при
°C: Втм2. При °C: Втм2.
Первый полученный результат соответствует наименее производительному режиму работы радиатора и в реальных условиях скорее всего наблюдаться не будет. В среднем же величина теплопритоков через нижнюю стенку радиатора составит Втм2. Теплообмен за счет теплового излучения рассматриваться не будет так как при данных температурах а также при выполнении корпуса радиатора из материала с малым коэффициентом поглощения теплового излучения данный вид теплопередачи не будет оказывать значительного влияния на систему.
Расчёт теплопритоков через верхнюю пластину радиатора проведем аналогичным образом. Отличием в данном случае будет то что теплопередача идет только через один слой металлического листа без теплоизоляции.
где:– коэффициент теплопередачи через верхнюю часть радиатора Вт(м2·град).
Коэффициенты теплоотдачи от излучающей пластины к воздуху будут уменьшены (а не увеличены) на 30% так как поток тепла направлен сверху вниз. Коэффициент теплоотдачи от хладоносителя излучающей пластине останется неизменным.
Коэффициент теплопроводности излучающей поверхности радиатора не оказывает значительного влияния на теплопритоки. Изготавливать излучающую поверхность из меди нет никакой необходимости так как даже сталь проводит при данных температурах количество теплоты на порядки превышающее величину эффективного излучения.
Коэффициенты для расчета теплопритоков через верхнюю пластину без остекления
7. Теплопритоки к радиатору со стеклянным покрытием
Теплоприток через нижнюю пластину радиатора останется неизменным а теплоприток через верхнюю пластину уменьшится. Его можно определить по формуле:
Потребуется рассчитать коэффициент эквивалентной теплопроводности воздушной прослойки в замкнутом пространстве а также коэффициент теплоотдачи от стекла воздуху. имеет примерно такие же значения как и в предыдущей главе.
В первую очередь определяем значения чисел Pr и Gr.
Эквивалентный коэффициент теплопроводности воздушной прослойки:
где:– отношение длины пути конвективного потока от нижней грани нагревателя и до встречи с холодильником к высоте этого пути. Для плоских горизонтальных слоев ;
– диаметр нагревателя м;
Для нашего случая k=1 n=0. При °C: ; .
Коэффициенты для расчета теплопритоков через верхнюю пластину c остеклением
В последнем варианте радиатора когда из-под стекла откачан воздух теплоприток за счет теплопередачи через верхнюю пластину равен нулю.
8. Сравнение теплопритоков в различных моделях радиаторов
Результаты расчетов глав 4.5 4.7 представим в виде таблицы.
Теплопритоки к радиатору при температуре воздуха t=25°C:
Температура хладоносителя °С
Теплопритоки к хладоносителю Втм2
Через нижнюю пластину qн
Через верхнюю пластину qв
с вакуумным стеклопакетом
Общий теплоприток к радиатору при температуре воздуха t=25°C:
Общий теплоприток Втм2
В режиме ночного охлаждения тепловой баланс радиатора:
где:– массовый расход хладоносителя через радиатор кгс;
– оптический КПД радиатора.
Анализ данных табл. 4.11 показывает что при средней ночной температуре +25°C величине эффективного излучения Fэ=55Втм2 и
удельная холодопроизводительность радиатора при температуре хладоносителя 20°C:
для радиатора без остекления Втм2;
для радиатора с остеклением Втм2;
для радиатора с вакуумным стеклопакетом Втм2.
При температуре хладоносителя 15°C:
Следовательно в таких условиях вакуумный стеклопакет увеличивает удельную холодопроизводительность радиатора лишь при перепаде температур больше 10°С.
В обычные летние дни когда средняя ночная температура не превышает +22°C облачность 20 30% поток эффективного излучения Fэ=80Втм2 и удельная холодопроизводительность радиатора при температуре хладоносителя 20°C:
Если определить общий КПД радиатора как отношение действительной удельной холодопроизводительности к теоретически возможному охлаждению за счет эффективного излучения:
получим следующую таблицу.
КПД плоских радиаторов
9. Гидравлические расчеты радиатора
Предполагается что скорость движения жидкости в каналах радиатора не должна превышать =01 мс. Площадь сечения каналов в излучающей пластине согласно чертежам составляет Aк=594·10-3 м2. Объемный расход хладоносителя тогда составляет:
V=·Aк=059·10-3 м3;(4.26)
Диаметр сечения штуцеров радиатора:
где:– рекомендуемая скорость движения жидкости в сливной гидролинии.
В радиаторе используем штуцеры с внутренним диаметром 24 мм.
10. Описание разработанной конструкции радиатора
Разработана конструкция радиатора в котором теплоноситель циркулирует по каналам образованным двумя штампованными металлическими листами (см. чертеж «Радиатор»).
Радиатор имеет 4 штуцера для подключения к системе питающих трубопроводов. Резьба штуцеров: трубная цилиндрическая G1. При необходимости можно использовать только два из четырёх штуцеров. При этом два неиспользуемых штуцера должны быть закрыты заглушками. В корпусе имеются 4 отверстия для подключения датчиков температуры и давления а также установки предохранительного клапана.
Распределительные коллекторы литой конструкции. Для упрощения технологического процесса производства длина одного коллектора ограничена 430 мм. В радиаторе используется 4 коллектора соединённых последовательно по две штуки: 2 в верхней части и 2 в нижней. Каждый коллектор крепится к задней стенке корпуса шестью винтами. Отверстия для винтов в корпусе должны иметь протяженную форму в направлении длинной стороны радиатора. Это необходимо для того чтобы компенсировать температурное расширение излучающей пластины. Если коэффициент линейного расширения стали а температурный перепад Δt = 100°С изменение длины излучающей пластины составит:
Два металлических листа образующие каналы для хладоносителя приварены к распределительным коллекторам. Верхний металлический лист имеет изгибы образованные штамповкой что увеличивает площадь излучающей поверхности на 35% по сравнению с плоским листом.
Поглощающая поверхность верхнего металлического листа должна быть покрыта специальным селективным покрытием с высоким коэффициентом поглощения видимой части спектра (излучение с длиной волны 04 – 18 мкм) и высокой излучательной способностью в инфракрасной части спектра (25 – 50 мкм). Таким материалом может быть медь порытая слоем никеля или хрома или более дешевый алюминий [28].
Покрытие излучающей поверхности крепится к корпусу специальными планками изготовленными из пластмассы. В специальный паз по краю корпуса с нижней стороны стекла должен быть уложен теплостойкий резиновый уплотнительный шнур прямоугольного сечения. Размеры сечения: 3×8 мм. Планки прижимающие стекло крепятся к корпусу 20 установочными винтами.
В качестве покрытия предполагается использовать либо обычное стекло либо лист из фторопласта Ф-4МБ (FEP). Данный материал в отличие от обычного стекла является прозрачным для инфракрасного излучения а также устойчивым к воздействию высоких температур. Выдерживает нагрев до 300°C. Является устойчивым к воздействию атмосферы и не теряет свои свойства в течение длительного времени. Его плотность ниже чем у обычного стекла и составляет 2150кгм3 что снижает общую массу радиатора. Из-за своих свойств данный материал уже получил распространение при производстве солнечных коллекторов. Единственным недостатком данного материала может оказаться сравнительно высокая стоимость.
Корпус радиатора выполнен по стандартной для солнечных коллекторов конструкции. Для его закрепления на крыше можно воспользоваться стандартными опорами. Конструкция корпуса – сварная. Отдельные элементы корпуса изготовлены из прокатного профиля. Для уменьшения массы радиатора предполагается использовать для его изготовления сплав алюминия.
Между излучающими пластинами и задней стенкой корпуса размещен слой теплоизоляции. Он должен быть из пенополиуретана. Его температура плавления 300°C. Пенополиуретан не токсичен и не горит. Он не впитывает в себя ни влагу ни запах.
На задней стенке корпуса радиатора имеются вентиляционные отверстия. Они обеспечивают выравнивание давления в корпусе до атмосферного.
Все перечисленные элементы конструкции а также материалы из которых они изготовлены удовлетворяют требованиям ГОСТ Р 51495-2000: «Коллекторы солнечные» [29].
Характеристики радиатора
Вместимость хладоносителя
Площадь излучающей (поглощающей) поверхности
Масса заправленного водой
1. Конструкция аккумулятора холода
Аккумулятор холода – устройство предназначенное для накопления холода. Представляет собой емкость заполненную веществом с большой теплоёмкостью.
В нашем случае в качестве аккумулятора холода используется емкость с водой или раствором пропиленгликоля. Пропиленгликоль можно использовать в аккумуляторе ХСИЭИ лишь в том случае если емкость аккумулятора достаточно мала (несколько кубических метров) и его цена не оказывает значительного влияния на общую стоимость системы.
В нашем же случае (см. главу 7.5.) при требуемой емкости аккумулятора холода 355 м3 в аккумуляторе можно использовать только обычную воду.
Расчёт размеров аккумулятора холода проведем по методике предложенной в [30 256 с.].
В качестве аккумулятора холода будем использовать цилиндрическую емкость расположенную горизонтально.
Толщина стенок аккумулятора рассчитана по формуле:
где: – давление в аппарате Па. В нашем случае наибольшее возможное давление в аппарате не превышает давление столба жидкости до уровня радиаторов системы. Предположим что радиаторы будут установлены на 12 м выше аккумулятора холода. Тогда Па;
– внутренний диаметр цилиндрической оболочки. м;
– коэффициент прочности сварных соединений. для стыкового шва с подваркой корня шва или таврового с двухсторонним сплошным проваром выполняемого вручную;
– допускаемое напряжение при растяжении для материала стенки аппарата. Для сварных необогреваемых сосудов при наличии неукреплённых стенок у отверстий с развальцованными в них трубами коэффициент запаса прочности примем равным 375. Предел прочности для листовой стали 08кп примем равным 275 Мпа. Тогда =733 МПа;
– прибавка на коррозию к толщине стенки аппарата мм. = 3 мм.
Ближайшее большее значение толщины металлического листа
Объем сосуда согласно рекомендациям ГОСТ13372-72 [31] примем равным V=40м3. Диаметр емкости примем d=2 м. Тогда длина сосуда l=63м. Столь малый диаметр был выбран специально для установки аккумулятора в подвальных помещениях.
При указанной толщине стенки сосуда и объеме 40 м3 рабочая масса аккумулятора холода mа.р=43400 кг. Для его установки потребуется не менее восьми опор 1-100-1 АТК 24.200.03-90 [32]с несущей способностью 100 кН. Для предотвращения смятия емкости с наружной стороны корпуса в местах крепления опор следует приварить укрепляющие металлические пластины а внутри установить кольца жесткости. Кольца жесткости можно выполнить из согнутого тавра 10KT1 ТУ 14-2-685-86 [33].
В стенках аккумулятора холода требуется установить 4 штуцера и 2 бобышки: один штуцер для подвода хладоносителя один штуцер для подачи хладоносителя к теплообменнику холодильной машины один штуцер для подачи хладоносителя к радиаторам один штуцер для опорожнения аккумулятора. В конструкции использованы штуцеры АТК 24.218.06-90.
Бобышки необходимы для установки термометров. Используем бобышки 1-1-G 12-100 ОСТ 26.260.460-99. На них должна быть выполнена стандартная резьба G12.
Для снижения потерь тепла корпус нужно покрыть теплоизоляционным материалом. В нашем случае для этой цели корпус покрыт 50 мм слоем пенополиуретана.
С внутренней стороны корпус аккумулятора должен быть покрыт антикоррозионным покрытием выполненным в заводских условиях.
Разработанная конструкция представлена на чертеже «Аккумулятор холода».
Технические характеристики разработанного аккумулятора холода
2. Конструкция воздухоохладителя
Как показывают расчеты 3 ожидается что температура хладоносителя будет отличаться от дневной температуры воздуха в помещении всего на 5 7°С. Это несколько меньше рекомендуемого перепада температур для обычных воздухоохладителей используемых в холодильных камерах [34с.277]. Для них температура хладоносителя должна находиться в диапазоне:
tх= tв–(8 10)°С(5.2)
В случае же охлаждения воздуха в системах кондиционирования температура хладоносителя определяется с таким расчетом чтобы в воздухоохладителе произошла конденсация избытков водяного пара [35с.180]. Если температура хладоносителя будет выше 10 15°С конденсация влаги происходить не будет и воздух на выходе из системы кондиционирования будет недопустимо влажным (φ=70-90%).
Нормальный процесс кондиционирования воздуха с обычной холодильной машиной представлен на рис. 6.1. Параметры наружного воздуха приняты согласно данным для города Алматы. Им соответствует точка Н. Параметрам воздуха внутри помещения соответствует точка В. Параметрам воздуха выходящего из системы кондиционирования соответствует точка П. Тепловлажностное отношения для рисунка =9000 что соответствует условиям в помещниях предприятий торговли и общественного питания.
Как видно из рисунка холодильная машина должна остужать воздух до температуры 11°С чтобы снизить влажность наружного воздуха до допустимого значения. В нашем же случае воздух в обычных условиях не получится охладить ниже 15°С и его влажность будет около 70%.
В дополнении к сказанному выше малый температурный перепад требует увеличения площади воздухоохладителей что в свою очередь увеличивает их себестоимость.
Современный опыт проектирования ХСИЭИ показывает что в качестве воздухоохладителя можно успешно использовать систему трубопроводов в строительных конструкциях охлаждаемых помещении. Более того данная система может хорошо работать в режиме отопления при температуре теплоносителя около 30-40°С которую можно достичь при его нагреве в системе радиаторов за счет солнечной радиации.
Для снижения риска выпадения конденсата а также для улучшения микроклимата в охлаждаемых помещения в таком случае требуется установка осушителя воздуха.
Для выравнивания температуры воздуха по высоте помещения потребуется установка рециркуляционных вентиляторов. При их использовании можно монтировать систему трубопроводов в полах помещений что значительно проще монтажа в потолках.
Рис. 5.1. Процесс кондиционирования воздуха в условиях летнего климата города Алматы
Ниже представлено изображение системы трубопроводов в полах охлаждаемого помещения.
Рис. 5.2. Система трубоповодов в охлаждаемых полах
Параметры таких трубопроводов в большей степени определяются особенностями охлаждаемого помещения. Основным расчетным параметром является шаг расположения трубок. Так как в данной дипломной работе не конкретизируются геометрические размеры помещений расчет системы трубопроводов производиться не будет.
В случае использования ХСИЭИ в системах промышленного охлаждения в осенне-весенний и зимний периоды возможно достижение температуры хладоносителя допустимой для обычных воздухоохладителей.
Разработка принципиальной схемы ХСИЭИ
Для расчета ХСИЭИ необходимо выполнить следующие основные шаги:
определить исходные данные включающие в себя климатическую характеристику местонахождения объекта и данные о внутренних условиях в помещении;
определить теоретически возможную величину эффективного излучения;
определить требуемую холодопроизводительность ХСИЭИ;
выбрать оптимальную схему ХСИЭИ;
согласно выбранной схеме рассчитать элементы системы:
oконструкция радиатора и его оптимальная площадь;
oемкость и тип аккумулятора тепла;
oхарактеристики теплообменников в многоконтурной системе;
провести гидравлический расчет системы охлаждения с жидкост–ным теплоносителем; расчет площадей воздухоохладительных приборов или других размещаемых в помещении.
1. Техническое задание
Разработать схему ХСИЭИ для системы кондиционирования воздуха. Требуемый диапазон температур: от 22 до 25°C. Величина пиковых теплопритоков в дневное время в помещения: qmax = 20кВт.
Изменение теплопритоков в течение суток представлено графиком:
Рис. 6.1. График изменения теплопритоков в течение суток
2. Расчетные значения температуры
Предполагается использовать ХСИЭИ в условиях климата города Алматы.
Требуемая температура воздуха для бытовых помещений находится в диапазоне от 22 до 28°C. Параметры температуры уличного воздуха днем и ночью представлены в главе 3.1.
Средняя температура уличного воздуха за ночь 287°C.
3. Определение нагрузки на систему охлаждения
Общую нагрузку на систему охлаждения за сутки можно определить по формуле:
где:– общая нагрузка на систему охлаждения за сутки кДж;
– средний теплоприток за период времени
–величина теплопритоков в момент времени который соответствует началу периода кВт;
– величина теплопритоков в конце периода кВт
– продолжительность периода времени расчета с.
Разобьём всю продолжительность суток на 8 интервалов по 3 часа. Значения в начале каждого интервала определим по рисунку 6.1. Результаты расчетов представим в виде таблицы.
Теплопритоки в охлаждаемое помещение
Начало периода чч:мм
Теплоприток в начале периода кВт
Теплоприток в конце периода кВт
Средний за период теплоприток кВт
Суммарный теплоприток за
n-ый период времени МДж
Общая нагрузка на систему охлаждения
4. Обоснование принципиальной схемы
В умеренном климате с холодной зимой использование системы работающей только в режиме охлаждения может быть не оправдано так как в холодное время года (осенью зимой и в начале весны) нет необходимости в охлаждении и установка простаивает.
При комбинированном режиме работы система будет использоваться весь год. При этом может быть значительно снижен срок окупаемости системы.
Такая схема может использоваться и в промышленной системе охлаждения для поддержания температурного режима в технологических процессах. Например такая ХСИЭИ может быть использована на заводе по переработке молока для охлаждения принимаемого молока охлаждения молока в процессе пастеризации охлаждения сливок кефира творога и сметаны.
В ходе анализа данных об различных типах ХСИЭИ было принято решение разрабатывать систему в которой роль тепло- и хладоносителя выполняет жидкость. В летнее время в такой системе в качестве теплоносителя будет использоваться обычная вода. Зимой предполагается заправлять контур радиаторов 50%-ным раствором пропиленгликоля который не застывает при низких температурах.
В разработанной ХСИЭИ (см. чертеж «Принципиальная схема ХСИЭИ») используется два бака-аккумулятора: один для накопления холода (Б1) другой для тепла (Б2).
В ночное время система работает следующим образом. Гидрораспределитель Р3 устанавливается в положении как показано на схеме. Хладоноситель поступает к насосу Н2 по трубопроводу 2.5 через открытый вентиль ВН3 через коллектор КЛ4 и трубопровод 2.9. Далее насос Н2 производит нагнетание хладоносителя в ресивер Б3 через гидрораспределитель Р2 который находится в положении как показано на схеме. Ресивер Б3 обеспечивает равномерность подачи хладоносителя в систему радиаторов. Он установлен выше радиаторов и аккумулятора холода Б1. Из него хладоноситель стекает самотеком через обратный клапан КО2 по трубопроводам 1.5 и 7.1 в коллектор КЛ3. Обратные клапаны КО2 и КО3 необходимы для предотвращения попадания теплоносителя в бак Б3. Трубопровод 7.1 разделяется на 15 ветвей к каждой из которых присоединен свой блок радиаторов БЛ1 БЛ15. Расширительные баки АК1 служат для стабилизации давления в системе при изменении температуры циркулирующей жидкости. Дроссель ДР1 служит для регулирования расхода через каждый из 15-ти блоков радиаторов.
После того как хладоноситель прошел через радиаторы и охладился он возвращается в аккумулятор холода Б1 по трубопроводам 7.2 1.2 2.7 и 2.1. Фильтр Ф1 необходим для улавливания загрязнений которые могли попасть в систему.
В случае если из-за неблагоприятных погодных условий радиаторы не могут создать необходимое охлаждение включается холодильная машина (на схеме не показана) и подает хладагент по трубопроводу 5.1 к теплообменнику АТ1. Хладоноситель в это время поступает к АТ1 по трубопроводу 2.2 из бака Б1 под действием насоса Н1. После прохождения через теплообменник АТ1 хладоноситель возвращается в бак Б1 по трубопроводам 2.4 2.3 и 2.1. Если переключить гидрораспределитель Р2 таким образом чтобы его вход 1 соединился с выходом 3 можно организовать подачу хладоносителя сразу в систему кондиционирования воздуха.
Температура хладоносителя в баке Б1 определяется по термометру Т1. Перекрыв вентиль можно прекратить подачу хладоносителя в систему. Это необходимо для обеспечения обслуживания её элементов.
В случае использования системы в технологических процессах охлаждения и если систему предполагается использовать в зимнее время необходимо пропускать через радиаторы системы 50%-ный раствор пропиленгликоля. Для обеспечения охлаждения аккумулятора холода Б1 в него необходимо будет установить теплообменник как это показано на схеме подключения бака-аккумулятора холода с встроенным теплообменником. (см. рисунок 6.2 или принципиальную схему ХСИЭИ).
Рис. 6.2. Схема подключения бака-аккумулятора холода с встроенным теплообменником
В дневное время хладоноситель из бака Б1 поступает к теплообменникам АТ3 АТ5 которые играют роль воздухоохладителей.
Гидрораспределители Р2 Р6 переключаются в положение противоположное ночному. При этом теплоноситель из теплообменника АТ2 в баке-аккумуляторе горячей воды Б2 поступает к радиаторам последовательно по трубопроводу 3.2 через насос Н2 трубопроводы 1.2 7.2 и коллектор КЛ7. У гидрораспределителя Р2 при этом вход 2 соединен с выходом 3 а вход 1 соединен с выходом 4. Изменение направления потока через радиаторы улучшает условия теплообмена в радиаторах. При этом теплоноситель поднимается снизу вверх равномерно заполняя радиаторы системы. После того как теплоноситель нагрелся он возвращается в теплообменник АТ2 по трубопроводам 7.1 1.5 1.4 1.1 и 3.3.
Если нагрева в радиаторах недостаточно можно включить водонагревательную установку УНВ которая обеспечит доведение температуры теплоносителя до требуемой перед подачей к потребителю тепла. Установка УНВ может аккумулировать горячую воду в баке Б2 возвращая нагретый теплоноситель по трубопроводам 3.5 и 3.1.
Система охлаждения днем работает следующим образом. Охлажденная за ночь вода из аккумулятора Б1 по трубопроводу 2.5 и 2.10 через распределитель Р6 подается к насосу Н3. Он обеспечивает подачу хладоносителя к теплообменникам АТ3 АТ5. Дроссели ДР4 ДР6 необходимы для регулирования величины охлаждения создаваемого теплообменниками в случае если нагрузка на теплообменники неодинакова.
Если в системе радиаторов используется пропиленгликоль для предотвращения его потерь в случае срабатывания предохранительных клапанов КП2 и КП3 следует линии 8.2 и 8.3 соединить с дренажным ресивером. Заправку хладоносителя можно производить через линию 9.1 дренажного ресивера.
Через вентили ВН1 ВН2 и ВН5 возможен слив хладоносителя в канализацию. Контроль режима работы системы обеспечивается по показаниям термометров Т1 Т5.
5. Расчет основных элементов системы
В случае если систему охлаждения предполагается использовать исключительно в летнее время наибольшее значение холодопроизводительности можно получить при использовании неостекленных радиаторов.
В таком случае можно использовать пластинчатые радиаторы для которых опт=1. Конструкцию радиатора примем согласно модели разработанной в главе 4.
Примем величину охлаждения жидкости в аккумуляторе холода за ночь °C. Режим движения жидкости в радиаторе – ламинарный. Скорость движения хладоносителя вдоль пластин = 01 мс. Согласно методике описанной в главе 4.6 получим общий средний КПД радиатора для температуры хладоносителя tх=225°C за ночь р=090.
Проведем моделирование процесса охлаждения в условиях когда емкость аккумулятора холода составляет 50 кг воды на 1 м2 радиатора. По формуле (3.13) рассчитаем холодопроизводительность 1 м2 поверхности радиатора. Получим МДжм2. Действительная величина охлаждения °C. Средняя температура хладоносителя tх=220°C
Масса хладоносителя в аккумуляторе холода:
Основываясь на данных об эксплуатации ХСИЭИ [6] можно предположить что проектировать ХСИЭИ покрывающую полностью все потребности по холодопроизводительности в наиболее неблагоприятных условиях экономически неоправданно. Рациональнее проектировать ХСИЭИ покрывающую 70% требуемого охлаждения. Оставшиеся 30% холодопроизводительности будет обеспечивать чиллер стандартного типа.
Тогда требуемая ночная холодопроизводительность радиаторов ХСИЭИ:
С учетом того что реальная площадь излучающей поверхности равна 13 площади занимаемой радиатором за счет оребрения можно рассчитать что с 1м2 занимаемого радиаторами получим МДжм2.
Требуемая площадь радиаторов:
Требуемая холодопроизводительность чиллера при условии что он будет работать в течение времени :
где:– требуемая холодопроизводительность чиллера кВт.
Если предполагается что чиллер работает 24 часа в сутки:
Если чиллер работает 12 часов в сутки:
Число панелей радиаторов:
где:– площадь одной панели радиатора м2.
Радиаторы будут соединены по две панели последовательно. Тогда расход хладоносителя через радиаторы системы:
где:– массовый расход хладоносителя через одну панель радиатора. Согласно рекомендованным значениям кгс для радиаторов пластинчатой конструкции из металлических штампованных листов.
Объемный расход хладоносителя:
м3с = 1346 м3час.(6.10)
Чтобы определить холодильный коэффициент системы необходимо найти затраты энергии расходуемой на перемещение хладоносителя к радиаторам. Для этого нужно найти потери давления в трубопроводах 1.1 и 1.3 на принципиальной схеме ХСИЭИ.
Трубопровод при работе системы в режиме охлаждения работает как нагнетающий. При работе системы в режиме нагрева тот же трубопровод будет выполнять функцию сливного трубопровода. Примем рекомендуемую скорость движения хладоносителя как во всасывающем трубопроводе: =2мс.
Рис. 6.3. Схема подачи хладоносителя к радиаторам: 1– промежуточный бак;
– насос;3– аккумулятор холода
Диаметр трубопровода нагнетания хладоносителя к радиаторам:
Согласно ГОСТ 3262-75 [36] подберем ближайший диаметр стальной трубы. В нашем случае подходящей является труба с условным проходом 50 мм.
Для всасывающего трубопровода рекомендуемая скорость движения жидкости =12мс его диаметр м. Ближайший стандартный размер 65 мм.
Скорости течения жидкости в трубопроводе:
Рассчитаем гидравлическое сопротивление движению потока жидкости по длине трубы. Для этого определим число Рейнольдса. Для нагнетающего трубопровода:
Для всасывающего трубопровода:
Режим движения жидкости в нагнетающем и во всасывающем трубопроводах турбулентный т.к. Re>2300. Коэффициент гидравлического трения определяем по формуле Альтшуля:
где: – эквивалентная шероховатость труб (для новых бесшовных стальных труб Δэ = 005 мм).
Длина нагнетающего трубопровода ориентировочно:
Длина всасывающего трубопровода м;
Потери напора по длине трубопровода:
Для угольника с углом поворота 90° коэффициент местных сопротивлений =175. Сопротивление угольника:
Для расширения при входе в бак =1.
Для входа жидкости из бака 1 в трубопровод:
Общее гидравлические потери на линии нагнетания:
Потребный напор развиваемый насосом должен быть равен сумме гидравлических потерь по длине трубопровода. При этом было предположено что воды в баке 1 почти нет и высота h1=0 м а давления в обоих баках равны атмосферному:
По рассчитанным значениям потребного напора и расхода хладоносителя подберем насос для ХСИЭИ. Нам может подойти насос DAB BPH 60250.40T предназначенный для работы в системах отопления характеристики которого представлены ниже.
Характеристики насоса DAB BPH 120280.50T
Напор (максимальный ) м
Подача (максимальная) м3час
Температура жидкости °С
Холодильный коэффициент системы без учета затрат энергии на доставку хладоносителя до воздухоохладителей:
где:– среднее значение холодопроизводительности ХСИЭИ за ночь Вт. Его можно рассчитать разделив холодопроизводительность системы за ночь на продолжительность работы системы за ночь;
–мощность циркуляционного насоса Вт.
Полученный холодильный коэффициент превышает холодильный коэффициент системы описанной в работе [6]. Вызвано это скорее всего неполным учетом гидравлических потерь в системе описанной в данной работе а также сравнительно высоким значением теоретически-возможной величины эффективного излучения для условий климата г. Алматы.
Согласно рассчитанным размерам разработан чертеж «Устройство подачи хладоносителя в радиаторы».
Монтаж и ремонт системы
Монтаж радиаторов. До начала монтажа радиаторов запрещается снимать резиновые крышки с патрубков. Он защищают радиатор от попадания в него посторонних предметов и влаги.
Масса пустых радиаторов 44 кг. Предполагается что как и обычные солнечные коллекторы радиаторы можно монтировать без использования специальных грузоподъёмных средств. Для закрепления радиатора на крыше используется крепление стандартного для солнечных коллекторов типа
Рис. 7.1. а – стойки для закрепления радиаторов; б – схема крепления радиатора с нижней стороны
Рис. 7.2. Зажим для крепления радиатора
Стойки для закрепления радиаторов должны быть жестко прикреплены при помощи болтов и рассчитаны на нагрузку которую могут создать резкие порывы ветра.
Список инструментов необходимых для проведения монтажа радиаторов: уровень шнур вакуумный захват жилет со страховочным тросом материал для изоляции труб строительные леса кран или подъемник инструменты для выполнения крепления.
Конструкция радиатора предполагает возможность замены защитного покрытия или теплоизоляции. Для этого конструкция корпуса радиатора выполнена разборной.
Монтаж аккумулятора холода. Аккумулятор холода рекомендуется перемещать закрепив стропы опоясывающие цилиндрическую емкость на двухлучевой траверсе. При массе 33 тонны аккумулятор холода может быть перемещен при помощи автокрана. Для установки аккумулятора холода на фундамент в его конструкции предусмотрены 8 опор каждая из которых имеет отверстие для фундаментального болта с резьбой М36. Для присоединения трубопроводов к аккумулятору холода используются фланцевые соединения. Для доступа к внутреннему пространству аккумулятора холода при ремонте предусмотрен люк.
Монтаж устройства подачи хладоносителя в радиаторы. Схема сборки устройства подачи хладоносителя в радиаторы изображена на чертеже «Устройство подачи хладоносителя в радиаторы». Все гидрораспределители и предохранительные клапаны смонтированы на одной раме. Для удобства сборки выдержаны достаточно большие расстояния между элементами системы. Каждый элемент устройства может быть отсоединен и заменен без съема с рамы остальных элементов. Насос и гидрораспределители соединены между собой патрубками с приваренными на их концах фланцами. Отверстия для крепления элементов к раме имеют продолговатую форму для обеспечения передвижения элементов вдоль длинной стороны устройства. Это сделано для обеспечения возможности плотной затяжки фланцевых соединений. Рама крепится к фундаменту шестью болтами. Насос установлен на виброизоляционные прокладки. При подъеме гидрораспределителя необходимо вкрутить в специальное отверстие в его корпусе рым-болты за которые осуществляется его строповка.
Монтаж трубопроводов. В крупных ХСИЭИ предпочтительно использовать металлические трубопроводы соединенные сваркой. Наиболее простым вариантом является использования обычных водогазопроводных труб по ГОСТ 3262-75. Для присоединения трубопроводов к оборудованию используются приварные фланцы. Трубопроводы системы должны иметь минимальную протяженность. Их участки не должны иметь излишних изгибов которые способны создать дополнительные гидравлические сопротивления в системе. Изгибы должны быть плавными. Радиус изгиба трубы должен быть не менее пяти диаметров трубы (см. рекомендации ГОСТ 3262-75). Трубопроводы не должны иметь участки в которых возможно образование воздушных карманов. Трубопроводы должны быть покрыты при монтаже слоем теплоизоляции. Материал теплоизоляции должен выдерживать воздействие температуры до 150°С.
Введение системы в эксплуатацию. После проведения монтажа всех элементов системы должен быть проведен контроль качества закрепления радиаторов на крыше проверено наличие предохранительных клапанов.
При испытании вхолостую вначале каждую машину подвергают пробному пуску при котором производят наладку и регулирование взаимодействия ее частей и узлов на холостом ходу.
Если недостатков монтажа не обнаружено проводятся гидравлические испытания системы. Для этого производится первичное заполнение контура системы хладоносителем и включается циркуляционный насос. При этом производят поиск возможных течей.
Для заправки системы разрешается использовать водный раствор пропиленгликоля. При разбавлении пропиленгликоля водой или при использовании воды для заправке требуется удостовериться что её жесткость не превышает 2 мгл. Повышенной содержание солей может вызвать ускоренную коррозию и преждевременный выход системы из строя. Рекомендуется использовать антикоррозионные присадки к хладоносителю.
Заправку системы производят через дренажный ресивер. При этом на заправочном патрубке должен быть установлен фильтр. При заправке предохранительный клапан в блоках радиатора должен быть открыт для выпуска воздуха из системы.
При первом запуске также должно быть проверено наличие заземления корпусов насосов и щитков управления. Вся электропроводка соединенная с гидроаппаратурой должна быть расположена таким образом чтобы предотвратить возможность стекания по ней жидкости.
При работе системы нужно периодически проверять предохранительные клапаны. Через 2-3 дня после введения в эксплуатацию рекомендуется провести проверку состояния фильтров на сливных гидролиниях.
Холодильная машина монтируется в соответствии со стандартными требованиями. Её монтаж должен осуществляться специалистом.
Не реже раза в половину года должен проводиться контроль состояния основных элементов системы.
Ремонт ХСИЭИ осуществляется узловым методом. При этом производят замену неисправных узлов новыми. Необходимость в ремонте устанавливают при обследовании внутренних поверхностей труб доступных для ремонта и механической чистки. Визуальному осмотру подлежат только крышки концы и внутренние каналы труб штуцера на корпусе и крышках. Дефекты остальных частей аппарата могут быть обнаружены только при опрессовке.
Кроме указанных операций производят ремонт запорных приспособлений и изоляции.
Оценка эффективности конструкторской разработки базируется на сопоставлении ожидаемой прибыли от реализации разработки с инвестированным в нее капиталом. Показатель экономического эффекта на всех этапах реализации разработки определяется как превышение стоимостной оценки результатов ее использования над стоимостной оценкой совокупных издержек за весь срок использования данных работ.
В качестве базового варианта холодильной системы для сравнения с ХСИЭИ выберем обычный чиллер парокомпрессионного типа. Современные чиллеры обладающие наилучшими техническими характеристиками обладают холодильным коэффициентом в диапазоне от 32 до 35 который характеризует в нашем случае энергетическую эффективность системы.
Возможны два варианта для сравнения с ХСИЭИ: система с единственным чиллером или система с чиллером и аккумулятором холода. Рассмотрим их оба.
Вводимая в эксплуатацию ХСИЭИ снижает затраты на эксплуатацию в сравнении с базовым вариантом. Снижение затрат на эксплуатацию главным образом обеспечивается снижением энергопотребления при производстве единицы охлаждения.
Введение ХСИЭИ не отражается на затратах живого труда на её эксплуатацию по сравнению с базовым вариантом. Как и обычные чиллеры для централизованных систем кондиционирования воздуха ХСИЭИ работает в автоматическом режиме и не требуем постоянного вмешательства рабочего персонала.
При этом ХСИЭИ на данном этапе требует несколько больших капитальных вложений по сравнению с обычными системами.
Проведем расчет капитальных вложений на введение систем в эксплуатацию. При определении стоимости машин и оборудования учитывают оптово-отпускные цены с добавлением расходов на ее первоначальную доставку потребителю а также заготовительные складские и другие снабженческие расходы. Кроме того крупногабаритные машины часто поставляются потребителю в состоянии требующем больших монтажных и наладочных работ.
Где: Цм –оптово-отпускная цена машины тыс. тг;
Цоб – оптово-отпускная цена расходного оборудования тг;
Кб – коэффициент перехода от оптовой цены к расчетно-балансовой стоимости с учетом доставки от завода-изготовителя до строительной организации и монтажно-наладочных работ.
Как ХСИЭИ так и система охлаждения на основе чиллера является модульными системами. Каждый из модулей покупается отдельно. Для укрупненного определения цены отдельных компонентов ХСИЭИ будем пользоваться оптово-отпускными ценами на данные элементы по состоянию на 2013 год.
Цены компонентов системы представлены в виде следующей таблицы.
Сравнение стоимости элементов систем различных типов
Цена элемента системы тыс. тг.
ХСИЭИ без радиаторов
Обычный чиллер с аккумулятором холода
Обычный чиллер без аккумулятора холода
Дополнительное оборудование
Цена всей системы Цм
В случае использования обычного чиллера из-за более низкого температурного режима емкость аккумулятора может быть снижена примерно
в 3 раза. Т.е. емкость аккумулятора будет около 15 м3. Её цена около 600 тыс. тенге.
Цену элементов системы подающих хладоноситель к воздухоохладителям при расчетах не учитываем т.к. они значительно не изменяются в системах различных конструкций.
Все перечисленные варианты можно отнести к машинам монтаж которых требует затраты значительных ресурсов. Поэтому для всех вариантов Кб = 121. Для чиллера без радиатора Кб = 112 так как данная система значительно легче в монтаже чем другие варианты.
Тогда по формуле (8.1) для ХСИЭИ с радиаторами K= 8000 тыс. тг. Для ХСИЭИ без радиаторов K=4228 тыс. тг. Для системы с чиллером и аккумулятором K=4362 тыс. тг. В случае системы с чиллером без аккумулятора холода К=3825.
Удельные капитальные вложения (Ку) на единицу продукции или выполненных работ определяют по расчетно-балансовой стоимости машины и ее годовой производительности при использовании на различных видах работ:
где К – капитальные вложения на приобретение машины;
Пг – эксплуатационная годовая производительность машины.
Все сравниваемые системы обладают одинаковой холодо–производительностью. Ориентировочно можно принять что при ежедневной производительности холода 1000 МДж (данная цифра определена из требуемых параметров системы в главе 6.3) и при работе каждой из систем в течение пяти теплых месяцев (100 дней в году) в общем:
Пг= Псм Nсм =1000·100=100·103 МДж.(8.3)
где:Псм – ежедневное производство холода МДЖ;
Nсм – число дней работы системы в году
По формуле (8.2) получим для ХСИЭИ с радиаторами Ку=80 тгМДж. Для системы без радиаторов Ку=42 тгМДж. Для системы с чиллером и аккумулятором Ку=44 тгМДж. В случае системы с чиллером без аккумулятора холода Ку=39 тгМДж.
Себестоимость машино-часа определяется специальной сметой расходов с учетом отдельных видов работ нормативов затрат в соответствии с действующими прейскурантами применительно к средним условиям работы внедряемой машины. При этом учитывают единовременные годовые и текущие эксплуатационные расходы. Единовременные затраты выполняемые до начала эксплуатации машины на объекте включают затраты на доставку демонтаж и монтаж машины и другие подготовительные работы. В годовые затраты включают амортизационные отчисления за год на полное восстановление машины. Текущие эксплуатационные расходы складываются из заработной платы обслуживающего машину персонала стоимости топлива смазочных и обтирочных материалов затрат на техническое обслуживание и текущий ремонт машины стоимости износа и ремонта сменной оснастки.
Себестоимость машино-часа рассчитывается по формуле
Сч = (Сед + Сам + Собс + Сэ + Сто + Сосн) h(8.4)
где Сед – единовременные затраты на монтаж демонтаж и транспортировку машины тгм-ч;
Сам – амортизационные отчисления тгм·ч;
Собс – часовые затраты на оплату труда обслуживающего персонала тгм·ч;
Сэ – часовые затраты на топливо электроэнергию стоимость смазочных и обтирочных материалов тгм·ч;
Сто – часовые затраты на ТО и текущий ремонт машины тгм·ч;
Сосн – часовые затраты на износ и ремонт сменной оснастки тгм·ч;
h – коэффициент учитывающий накладные расходы принимается
Часовые единовременные затраты определяем по следующим формулам:
Сед = Стр + Сдм(8.5)
где Стр – стоимость транспортирования машины до объекта тгм-ч;
Сдм – стоимость монтажа и демонтажа машины тгм-ч;
Все холодильные машины являются стационарными. Их перевозку в течение года не осуществляют. Поэтому Стр = 0 тг и Сдм= 0 тг Сед=0.
Величину амортизационных отчислений на полное восстановление определяем по балансовой стоимости машин и нормам амортизационных отчислений по формуле
где а – норма амортизационных отчислений в % определяется в зависимости от нормативного срока службы машины. В нашем случае предполагается что каждая из систем будет работоспособной в течение десяти лет. Тогда а=10 %;
К – балансовая стоимость техники тг;
Тг – количество часов работы системы в году. Для нашего случая при работе в течение 15 часов в день в течение 100 дней Тг=1500 ч.
По формуле (8.6) получим для ХСИЭИ с радиаторами сам=530 тгч. Для системы без радиаторов сам=282 тгч. Для системы с чиллером и аккумулятором Ку=290 тгч. В случае системы с чиллером без аккумулятора холода Ку=255 тгч.
Затраты на оплату труда обслуживающего персонала в соответствии с числом и квалификацией персонала определяем по формуле
Собс = Зт.ч к п(8.7)
где Зт.ч – часовая тарифная ставка в соответствии с единой тарифной сеткой и едиными тарифными ставками тг. В нашем случае для всех вариантов систем требуется не более одного рабочего наблюдающего за работой системы. Зт.ч = 1000 тг; к – коэффициент учитывающий косвенные расходы принимаем равным 125; п – коэффициент учитывающий премиальные надбавки принимаем равным 1125.
В результате расчета по формуле 8.7 для всех вариантов систем получим Собс = 1406 тг.
Затраты на топливо масло и вспомогательные материалы отсутствуют во всех машинах Сэ=0 тг Свсп = 0 тг Смг = 0 гт.
Часовой расход электроэнергии может быть рассчитан исходя из числа установленных электродвигателей (n) номинальной мощности каждого двигателя (Nэ) коэффициента нагрузки каждого электродвигателя (kci):
Для ХСИЭИ с радиаторами в среднем Wэ= 1 кВт. Для ХСИЭИ без радиаторов K=1 кВт. Для системы с чиллером и аккумулятором Wэ= 6 кВт. В случае системы с чиллером без аккумулятора холода Wэ= 7 кВт.
Тут стоит отметить что холодильные машины с аккумулятором холода особо эффективны в условиях когда в месте эксплуатации машины введены дифференцированные тарифы на электроэнергию. Использование аккумулятора позволяет включать машину в ночное время когда цены на электроэнергию значительно меньше.
Сравнение расходов электроэнергии на охлаждение за лето
Чиллер с аккумулятором холода
Чиллер без аккумулятора холода
Мгновенное энергопотребление кВт
Ночная продолжительность работы ч
Дневная продолжительность работы ч
Ночное энергопотребление кВт·ч
Дневное энергопотребление кВт·ч
Суточное энергопотребление кВт·ч
Ночной тариф тг( кВт·ч)
Дневной тариф тг( кВт·ч)
Суточные расходы на электроэнергию тг
Средние часовые расходы на электроэнергию Сэ тг.
Холодильные машины в системах кондиционирования относятся к типу машин которые практически не ремонтируются в условиях эксплуатации в течение десяти лет. Поэтому для всех типов систем примем Сто = 0 и Сосн =0 тг.
На основе перечисленных вычисление по формуле получим (8.4) для ХСИЭИ с радиаторами в среднем Сч = 2258 тг. Для ХСИЭИ без радиаторов Сч=1980 тг. Для системы с чиллером и аккумулятором Сч = 2019 тг. В случае системы с чиллером без аккумулятора холода Сч = 2048 тг.
Себестоимость единицы продукции которая используется для расчета годового экономического эффекта определяется по формуле
где Сч – себестоимость машино-часа тгм-ч; Тг – годовой фонд рабочего времени машины ч. Тг=1500 ч; Пг – эксплуатационная годовая производительность машины Пг =100·103 МДжгод.
По формуле получим (8.9) для ХСИЭИ с радиаторами в среднем С = 339 тг. Для ХСИЭИ без радиаторов С=297 тг. Для системы с чиллером и аккумулятором С= 31 тг. В случае системы с чиллером без аккумулятора холода С = 32 тг.
Годовой экономический эффект от внедрения новой техники и технологий обеспечивающих экономию производственных ресурсов при выпуске одной и той же продукции (работ) производится по формуле
где – себестоимость единицы продукции (работ) при производстве ее базовой и новой техникой тг.;
– капитальные вложения в основные средства на единицу продукции (работ) по базовой и новой технике тг.;
– годовая выработка новой машины в натуральных единицах;
Ен – нормативный коэффициент экономической эффективности.
При оценке эффективности внедрения новых мероприятий (машин механизмов) нормативный срок окупаемости принимают Тн = 7 лет а Ен = 015.
При сравнении ХСИЭИ без радиатора с системой с чиллером без аккумулятора холода получим Эг=185 тыс. тг.
При сравнении ХСИЭИ без радиаторов с чиллером с аккумулятором холода Эг=160 тыс. тг.
Срок окупаемости дополнительных вложений:
Для случая сравнения ХСИЭИ без радиаторов с чиллером без аккумулятора срок окупаемости составляет 217 года.
Очевидно что система с радиаторами дороже в эксплуатации чем любая обычная холодильная машина. Тем не менее прямое сравнение с обычной холодильной машиной в данном случае не возможно так как ХСИЭИ может и должна производить дополнительное тепло для нагрева горячей воды. На территории Алматы можно получать с мая по сентябрь за сутки с 1 м2 площади коллектора в среднем 105 МДж тепловой энергии. Этой цифре соответствует нагрев 40 60 л воды температурой около 50°C. Со всей поверхности установки можно получить 14 20 м3 горячей воды. При текущем тарифе на горячую воду 275 тгм3 за период с начала мая по конец сентября на сумму около 500 тыс. тенге которая добавится к годовому экономическому эффекту. Тогда годовой экономический эффект составит около 600 тыс. тг. а срок окупаемости составит около шести лет.
Охрана труда техника безопасности и экология
ХСИЭИ в сравнении с обычными холодильными машинами являются безопасным оборудованием. В них в отличие от обычных холодильных машин отсутствуют узлы которые постоянно работают под высоким давлением. Следовательно отсутствует риск возникновения аварийных ситуаций способных создать опасность для персонала.
Тем не менее система способна создавать опасность поражения электрическим током а также некоторый уровень гидравлического шума. Для предотвращения воздействия обозначенных факторов на обслуживающий установку персонал следует при конструировании руководствоваться общими принципами электробезопасности и снижения шума.
Данная холодильная система по принципу действия практически не отличается от системы солнечного теплоснабжения. В связи с этим при их проектировании монтаже и эксплуатации следует руководствоваться «Нормами проектирования и эксплуатации установок солнечного горячего водоснабжения» [37] принятыми взамен ВСН 52-86 «Установки солнечного горячего водоснабжения. Нормы проектирования». Особое внимание следует уделить контролю расположения предохранительных клапанов сброса давления на линиях с нагретым теплоносителем.
В случае если в составе системы используется фреоновая холодильная машина а также отопительный бойлер следует руководствоваться их заводскими инструкциями по эксплуатации.
В дополнение к названному выше следует руководствоваться требованиями следующих документов:
СН РК 2.04-03-2011. Защита от шума [38].
СНиП РК 1.03-05-2001. Охрана труда и техника безопасности в строительстве [39].
СНиП РК 4.01-41-2006. Внутренний водопровод и канализация зданий [40].
СН РК 2.04-29-2005. Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений [41].
СТРК1145-2002Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Термины и определения [42].
«Правила устройства электроустановок Республики Казахстан» [43].
РД34РК.2003.501202-04«Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей и Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей Республики Казахстан» [44].
«Санитарно-эпидемиологические требования к объектам коммунального назначения» [45].
Если в системе используется вспомогательная фреоновая холодильная машина к перечисленным документам следует добавить:
«Требования промышленной безопасности к фреоновым холодильным установкам» [46].
В связи с недостаточным количеством информации в национальных нормативных документах при проектировании следует учитывать рекомендации следующих иностранных документов:
EN 12976-1:2006. Thermal solar systems and components – Factory made systems – Part 1: General requirements (Системы и компоненты солнечного теплоснабжения – Системы заводского изготовления – Часть 1: Общие требования) [47]
EN 12975-1:2006 (2010).Thermal solar systems and components – Solar collectors – Part 1: General requirements (Системы и компоненты солнечного теплоснабжения – Солнечные коллекторы – Часть 1: Общие технические требования) [48]
Ниже приведены основные положения техники безопасности соблюдение которых необходимо при монтаже и эксплуатации ХСИЭИ.
1. Проведение монтажных работ
Панели радиаторов при хранении перед монтажными работами должны быть защищены от воздействия прямых солнечных лучей так как это может вызвать их нагрев до температуры способной вызвать ожоги при прикосновении.
Патрубки солнечного коллектора (даже если он не подключен) достигают высокой температуры. Их нельзя касаться. Рабочие проводящие монтаж должны быть обеспечены защитными перчатками.
Монтаж радиатора должен проводиться двумя рабочими.
При работе на крыше необходимо особо строго соблюдать правила техники безопасности по работе на высоте. К работам на высоте должны быть допущены только рабочие прошедшие специальную подготовку по работе со страховкой.
Во избежание получения травм от падения тяжелых предметов все рабочие проводящие монтаж должны быть обеспечены защитными касками.
Работа с газовой горелкой требует соблюдать правила пожарной безопасности.
Перед проведением монтажных работ должна быть проверена несущая способность конструкций на которые предполагается устанавливать элементы ХСИЭИ.
Монтаж радиаторов должен проводиться на специальные опоры согласно прилагаемым инструкциям.
Опоры должны быть рассчитаны на прочность для защиты от срыва радиатора порывами ветра.
Запрещается выполнять монтажные работы на высоте в открытых местах при скорости ветра 15 метров в секунду и более при гололеде грозе или тумане исключающих видимость в пределах фронта работ.
Для подключения к гидравлической системе разрешается использовать только материалы способные выдерживать воздействие температур до 200°С.
Трубопроводы соединяющие радиаторы должны быть рассчитаны на работу при давлении 03МПа и выше.
Трубопроводы а также элементы системы которые могут нагреваться при работе системы должны быть покрыты теплоизолирующим материалом и окрашены в соответствующий цвет чтобы предотвратить возможность получения обслуживающим персоналом ожогов.
После проведения монтажных работ должна быть проведена проверка надежности закрепления радиаторов.
Подключение и ремонт электрического оборудования (насосного оборудования и систем управления) ХСИЭИ осуществляется только квалифицированным персоналом имеющим 3-ю группу по электробезопасности. Рабочие использующие при монтаже переносной электроинструмент должны иметь 2-ую группу по электробезопасности.
Для защиты персонала при взаимодействии с электрооборудованием токопроводящие элементы приводов изолированы.
Электрическое оборудование такое как корпуса насосов и распределительных шкафов ХСИЭИ должно быть заземлено.
Запрещается проведение ремонтных и монтажных работ при включенном электрооборудовании ХСИЭИ.
В зданиях на крышах которых устанавливаются радиаторы ХСИЭИ должна быть оборудована молниезащита согласно требованиям "Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений" СН РК 2.04-29-2005.
2. Эксплуатация системы
Организация эксплуатации ХСИЭИ должна обеспечить:
1.Содержание системы в исправном состоянии и безопасные условия её работы;
2.Учет аппаратов и их периодическое обследование;
3.Периодическую проверку наличия и исправности предохранительных устройств приборов автоматической защиты местного и дистанционного контроля рабочих параметров;
4.Выполнение работниками обслуживающими ХСИЭИ Правил и ознакомление персонала с инструкциями по технике безопасности.
Персонал допущенный к обслуживанию системы должен знать:
1.Устройство и принцип действия системы;
2.Схемы и натурное расположение трубопроводов хладоносителя;
3.Инструкцию по обслуживанию холодильной системы;
4.Порядок и приемы действия в аварийных ситуациях;
5.Приемы и способы оказания доврачебной помощи пострадавшим;
Рекомендуется разработать и осуществлять программу периодического технического обслуживания ХСИЭИ включающую периодическую проверку работы клапанов и сливных устройств баков-аккумуляторов.
Обслуживание установок солнечного горячего водоснабжения на высоте до 5 м от поверхности земли перекрытий или рабочих настилов допускается с приставных лестниц и передвижных вышек отвечающих требованиям СНиП РК 1.03-05 [39].
Вывод на рабочий режим при первом запуске ХСИЭИ должен осуществляться вручную.
Инструкции по обслуживанию ХСИЭИ должны излагать порядок действия персонала перед пуском в момент пуска и в условиях эксплуатации.
Запрещается ремонт работающей системы.
Запрещается эксплуатация системы с нерабочими предохранительными клапанами сброса давления.
При эксплуатации установки должны соблюдаться общие требования пожарной безопасности согласно техническому регламенту
Общие требования к пожарной безопасности" утвержденному постановлением Правительства Республики Казахстан
от 16 января 2009 года № 14 [49].
Замер температур в местах регулярного контроля параметров холодильной системы должен осуществляться стационарно установленными дистанционными термометрами.
Предохранительные устройства приборы защиты и контроля должны проходить периодическую проверку технического состояния с периодичностью установленной для них организацией–изготовителем.
Следует периодически контролировать работоспособность систем электробезопасности: заземления и устройств автоматического отключения.
3. Пожарная безопасность
В системе отсутствуют элементы обладающие повышенной пожароопасностью. Насосы системы имеют автоматическую защиту от перегрева. Материалы применяемые для изготовления системы относятся к негорючим. В системе не используются горючие жидкости или газы.
Потребляемая электрическая мощность системы незначительна и неспособна создать значительную угрозу возникновения пожара. Тем не менее в схеме подачи электроэнергии к ХСИЭИ должны быть установлены предохранители срабатывающие при значительном токе.
Помещение в котором монтируются основные узлы системы может быть отнесено по пожарной опасности к категории Д: «с пониженной пожарной опасностью».
4. Экология и охрана окружающей среды
Если говорить об общих проблемах холодильной техники основной экологической проблемой систем данного типа является использование в них химических веществ способных вызвать разрушение озонового слоя а также способствующих развитию парникового эффекта.
Холодильные системы с использованием эффективного излучения являются намного более экологически безопасными при эксплуатации системами чем обычные парокомпрессионные холодильные машины.
ХСИЭИ работает за счет непрерывной циркуляции хладоносителя по замкнутому контуру. Применяемый хладоноситель (вода или раствор пропиленгликоля) не обладает общетоксическим раздражающим канцерогенным действиями и не представляет опасности для окружающей среды. Если сравнивать ХСИЭИ с испарительными охладительными установками (градирнями) преимуществом первых окажется значительное сокращение расхода воды которая теряется в процессе охлаждения.
Влияние на водные ресурсы. Холодильная система использует воду в аккумуляторе холода и для передачи холода к воздухоохладителям. При этом единожды заправленная вода в системе замкнутого типа может эксплуатироваться в течение длительного времени. При использовании очищенной от загрязнений воды её можно использовать без замены в течение всего летнего сезона. Если система работает только в режиме кондиционирования она за год потребляет 355 м3 воды. Общее производство холода за лето составляет 105 МДж. Удельный расход воды составляет 0355 лМДж.
Отработанная вода при сливе из системы может в случае аварии содержать раствор пропиленгликоля. Для его удаления может потребоваться предварительная очистка жидкости перед сбросом в канализацию.
Если происходит заправка контура системы водой после использования раствора пропиленгликоля требуется предварительная промывка системы. Т.е. для предотвращения загрязнения заправляемой воды пропиленгликолем требуется удалить его остатки из системы.
По экологическим свойствам пропиленгликоль относится к безопасным веществам. Легко поддается биологическому расщеплению. Не накапливается в организме. Без предварительной обработки не следует допускать попадания продукта в водоемы.
Для предотвращения выброса данного вещества в окружающую среду в аварийных ситуациях в ХСИЭИ предусмотрено соединение контуров предохранительных клапанов с дренажным ресивером. Отработанный хладагент следует отправлять на переработку.
Влияние на воздушные ресурсы. ХСИЭИ не использует атмосферный воздух при производстве охлаждения. В герметичной системе с радиаторами хладоноситель не контактирует с атмосферным воздухом. В системе без радиаторов в качестве хладоносителя используется вода которая не способна вызвать загрязнение воздуха.
Выброс пыли а также газов в атмосферу полностью отсутствует.
В составе холодильной системы может использоваться обыкновенная фреоновая холодильная машина. При её эксплуатации требуется руководствоваться правилами работы с озоноразрущающими веществами. В составе системы следует использовать современную холодильную машину работающую на хладагентах которые не разрушают озоновый слои и не вызывают парниковый эффект (современные хладагенты такие как R134a R404A R507).
Влияние на материальные ресурсы и отходы производства. В случае заправки системы пропиленгликолем потребуется около 1 м3 30 %-ого раствора. После пяти лет эксплуатации системы данный раствор должен быть утилизирован на переработку.
Важной особенностью ХСИЭИ также является тот факт что они потребляют электроэнергии по меньшей мере в пять раз меньше чем парокомпрессионные холодильные машины. При этом значительно снижается косвенное воздействие систем данного типа на окружающую среду за счет экономии ресурсов необходимых для производства электроэнергии.
Для снижения расходов природных ресурсов следует при производстве максимально снизить металлоемкость массивных элементов системы (аккумулятор холода блок радиаторов). При возможности аккумулятор холода можно выполнить в строящемся здании в виде железобетонного резервуара что значительно сократит расход металла.
В данной работе была разработана холодильная система использующая эффективное излучение холодопроизводительностью 20кВт. Было предположено что нет необходимости проектировать систему таким образом чтобы радиаторы обеспечивали требуемую величину охлаждения даже в наиболее неблагоприятных условиях. В предложенной системе 70% холодопроизводительности обеспечивается за счет радиаторов ХСИЭИ 30% обеспечивается обычной фреоновой холодильной машиной.
Разработанная система может применяться в условиях резко континентального климата и работает в двух режимах: в режиме ночного охлаждения и в режиме дневного нагрева теплоносителя. Основное назначение системы: подготовка хладоносителя к подаче в систему кондиционирования воздуха в летнее время.
Определена методика расчетов теоретически-возможной величины эффективного излучения. Ожидается что данная величина в правильно спроектированной системе будет находиться в диапазоне от 45 до 55 Вт в самые жаркие летние дни (средняя ночная температура воздуха 25 28°С) и подниматься до 80 Вт в дни со средней ночной температурой 22°С.
В ходе работы также разработана методика прогнозирования величины получаемого за ночь охлаждения по данным о климатических параметрах рассматриваемого региона применения ХСИЭИ.
Рассчитана оптимальная величина емкости аккумулятора холода по отношению к площади радиаторов системы. В условиях летнего климата города Алматы предполагается использовать аккумулятор холода из расчета 50 кг воды на 1м2 площади радиаторов без стеклянного покрытия.
Разработана конструкция аккумулятора холода для данной ХСИЭИ.
В качестве хладоносителя в нем используется вода. Емкость аккумулятора холода используемого в системе 355 м3. Ожидаемая величина охлаждения жидкости в аккумуляторе: 7°С.
Произведены расчеты зависимости эффективности работы радиаторов от температурного режима. Расчеты показали что оптимальная температура хладоносителя пропускаемого через радиаторы должна находится в диапазоне (tв-5)tхtв. При данных условиях КПД радиатора без стеклянного покрытия достигает 90%. Площадь радиаторов спроектированной системы при этом составляет 373 м2.
Разработанная принципиальная схема проста в эксплуатации и при необходимости её управление может осуществляться в ручную персоналом не обладающим особой подготовкой.
Применение разработанной ХСИЭИ позволяет в 10-15 раз сократить расходы электроэнергии в системе кондиционирования.
Следует отметить что спроектированной системе свойственны все преимущества и недостатки выявленные в ходе данной работы у холодильных систем использующих эффективное излучение.
Радиаторы системы занимают большую площадь;
Возможны ситуации когда они не могут обеспечить требуемую холодопроизводительность из-за чего требуется установка дополнительной холодильной машины обычного типа;
На данный момент стоимость введения в эксплуатацию таких установок остается выше обычных систем кондиционирования.
При их использовании значительно сокращается потребление электроэнергии;
Экологическая безопасность подобных систем (не используют вредных опасных или озоноразрушающих веществ не выделяют парниковые газы);
Если сравнивать системы использующие эффективное излучение с испарительными охладительными установками (градирнями) преимуществом первых окажется отсутствие расхода воды используемой для создания охлаждения;
Подводя итоги работы можно сказать что применение холодильных систем использующих эффективное излучение обоснованно на территории Казахстана. В ближайшее время требуется провести испытания полноразмерных систем данного типа в реальных условиях эксплуатации.
Об энергосбережении [текст]: закон Республики Казахстан от 25 декабря 1997 г. N 210-I.
Монреальский протокол по веществам разрушающим озоновый слой. Монреаль: ЮНЕП 16 сентября 1987. – 64 с.
Mark Chalom Bristol Stickney. Potentials of night sky radiation to save water and energy in the state of New Mexico Governor Richardson’s water innovation fund – New Mexico 2006.
Stephen C. Baer & David C. Harrison. Temperature Control in Electronics Zomeworks Corporation – Albuquerque 2008.
David Houghton. Radiant Night-Sky Heat Rejection and Radiant Cooling Distribution for a Small Commercial Building. Resource Engineering Group Inc. – Santa Fe 2006.
Richard C. Bourne Marc A. Hoeschele. Applying Natural Cooling to Slab Floors Davis Energy Group Inc – Davis 1999.
Michael Bendewald Jennilee Harrison Alok Pradhan. Factor Ten Engineering Case Study. Global Ecology Center at Stanford University. – Stanford 2011.
– Загл. с экрана. – Яз. рус.
– Загл. с экрана. — Яз. англ.
Пат. 3295591 US. Apparatus for cooling and solar heating a house Thomason H.E. – Запол. 09.09.1965. – Опубл. 03.01.1967.
Пат. 2011062649A1 WO. Coaxial tube solar heater with nighttime cooling TEOH Siang Teik – Запол. 23.11.2010. – Опубл. 26.05.2011.
Пат. 20080090488A1 US. Night sky cooling system Neil MacCANN – Запол. 03.07.2008. – Опубл. 09.04.2009.
Кондратьев К.Я. Актинометрия. – Ленинград: Гидрометеорологическое издательство 1965. – 693 с.
Bing Chen. Determination of the clear sky emissivity for use in cool storage roof. Omaha: University of Nebraska 1991.
Mike Licuik. Night Radiative Cooling The William Miller Sperry Observatory – Cranford 2005.
Dobson R.T. Thermal Modelling Of A Night Sky Radiation Cooling System. Journal of Energy in Southern Africa. Vol 16 No 2. May 2005.
Parker D.S. Theoretical evaluation of the nightcool nocturnal radiation cooling concept Solar Energy Center – Florida April 2005.
Bing Chen. Measurement of night sky emissivity in determining radiant cooling University of Nebraska – Omaha 1991.
Луканин В.Н. Шатров М.Г. Теплотехника. Учебник для вузов. – М.: Высшая школа 2000. – 672 с.
Рид Р. Праусниц Дж. Шервуд. Т. Свойства газов и жидкостей.
– Ленинград: Химия» 1982.
Barenbrug A.W.T. Psychrometry and Psychrometric Charts 3rd Edition.
– Cape Town S.A.: Cape and Transvaal Printers Ltd. 1974.
Волков А.И. Жарский И.М. Большой химический справочник. – Мн.: Современная школа 2005. – 608 с.
Атмосфера: справочное издание под ред. Седунова Ю.С. – Ленинград: Гидрометеоиздат 1991. – 510 с.
Румянцев Ю.Д. Калюнов В.С. Холодильаная техника: Учебник для вузов. – СПб.: Профессия 2005. – 360.
Мухачев Г.А. Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа 1991. – 480 с.
Виссарионов В.И. и др. Солнечная энергетика. – Москва: Издательский дом МЭИ 2008. – 320 с.
ГОСТ Р 51495-2000. Коллекторы солнечные. Общие технические условия [Текст]. – Утвержден и введен в действие Постановлением Госстандарта России от 21 апреля 2000 г. №120-ст.
Остриков А.Н. Абрамов О.В. Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств.
ГОСТ13372-72. Сосуды и аппараты. Ряд номинальных объемов [Текст]. – Взамен ГОСТ 13372–78. – Введ. 01.01.1980 г. – Москва: Государственный комитет по стандартам 1978.
АТК 24.200.03-90. Опоры-стойки вертикальных аппаратов. Типы конструкция и размеры. – Введ. 01.01.1991 г.
Цой А.П. Холодильная техника и технология потребителей холода. Цой А.П. Ким И.А. Алматы: АТУ 2012. –510 с.
Янвель Б.К. Курсовое и дипломное проектирование холодильных установок и систем кондиционирования воздуха. М: Агропромиздат 1988. – 224 с.
ГОСТ 3262-75. Трубы стальные водогазопроводные. Технические условия. – Введ. 01.01.1977. – Москва: МГУП Стандартинформ 2007.
СН РК 4.01-06-2011. Правила по проектированию и эксплуатации установок солнечного горячего водоснабжения. – Взамен ВСН 52-86.
– Введ. с 05.01.2012. – Астана: Агентство РК по делам строительства и ЖКХ 2012. – 66 с.
СН РК 2.04-03-2011. Защита от шума. – Взамен МСН 2.04-03-2005.
СНиП РК 1.03-05-2001. Охрана труда и техника безопасности в строительстве. – Взамен СНиП РК А.3.2.5-96. – Введ. Приказом Комитета по делам строительства МЭиТ РК от 28 февраля 2002 г.
СНиП РК 4.01-41-2006. Внутренний водопровод и канализация зданий.
СН РК 2.04-29-2005. Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений. – Введ. с 01.01.2006. – Астана: Комитет по делам строительства и ЖКХ Мин-ва индустрии и торговли РК 2005. – 36 с.
СТРК1145-2002.Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Термины и определения. – Астана: Комитет по стандартизации метрологии и сертификации Министерства индустрии и торговли РК (Госстандарт) 2002. – 32 с.
Правила устройства электроустановок Республики Казахстан. Утвержденны Приказом Председателя Комитета по государственному энергетическому надзору Министерства энергетики и минеральных ресурсов Республики Казахстан от 17 июля 2008года №11-П.
Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей Республики Казахстан. РД 34 РК. 2003.501202-04 [Текст] : нормативно-технический материал. – Алматы: ТОО "Фирма Казэнергоналадка" 2004. – 479 с.
Санитарно-эпидемиологические требования к объектам коммунального назначения [Текст] – Утверждены Приказом Министра здравоохранения Республики Казахстан от 28 июля 2010года №555.
Требования промышленной безопасности к фреоновым холодильным установкам [Текст] : нормативно-технический материал. – Утверждены Приказом Министра по чрезвычайным ситуациям Республики Казахстан от «18» октября 2010 года № 362.
EN 12976-1:2006. Thermal solar systems and components – Factory made systems – Part 1: General requirements
EN 12975-1:2006 (2010).Thermal solar systems and components – Solar collectors – Part 1: General requirements .
Общие требования к пожарной безопасности [Текст] : Технический регламент – Утвержден постановлением Правительства Республики Казахстанот 16 января 2009 года № 14. – "Казахстанская правда" от 17 февраля 2009 года № 40-41.