Идея использования цикла Стирлинга, для создания холодильных машин умеренного холода не нова. В 1834 году Дж. Гершелем были изготовлены опытные образцы холодильных машин Стирлинга, которые впоследствии получили широкое распространение. Такие машины успешно эксплуатировались в пищевой промышленности, ими также были оснащены многие промысловые суда Англии, в целях замораживания рыбы. С 1876 года холодильные машины Стирлинга использовались в Шотландии на фабриках по производству парафиновых мастик. Однако из-за своего тогдашнего несовершенства, к началу XX столетия они были полностью вытеснены компрессионными холодильными машинами. В настоящее время возрождение интереса к использованию машин Стирлинга на уровне умеренного холода связано, в основном, с бурным ростом научно-технических знаний и значительными успехами, достигнутыми в последнее время, в области создания двигателей и криогенных машин Стирлинга. Все это привело к интенсификации научных исследований по созданию альтернативного холодильного оборудования умеренного холода на основе цикла Стирлинга.
За рубежом, перспективность использования машин Стирлинга в области умеренного холода, становится очевидным. В настоящее время в мире проблемами создания новых образцов машин Стирлинга и их производства занимается не менее 140 крупных компаний и научно-исследовательских организаций, многие из которых достигли значительных успехов, и вышли на серийное производство. Так, уже в ближайшее время в ряде европейских стран и Южной Кореи планируется начать массовый выпуск бытовых холодильников на основе холодильных машин Стирлинга с линейным приводом. Полученные результаты исследований показывают, что достигнутый уровень в проектировании машин Стирлинга позволяет создавать холодильные машины Стирлинга умеренного холода (производительностью до 100 кВт) с эффективностью в 1,5 раза выше, чем у лучших образцов парокомпрессионных холодильных машин, при этом массогабаритные характеристики сокращаются до 20-30%. Кроме ведущих стран в области проектирования и создания машин Стирлинга, каковыми являются США, Великобритания, Япония, ФРГ, Швеция и Нидерланды, в последнее время начались интенсивные исследования в данной области техники в Китае, ЮАР, Австралии, Израиле, Канаде, Индии и ряде других стран.
Холодильные машины Стирлинга для систем холодоснабжения супермаркетов.
Уже в настоящее время на рынке холодильного оборудования крупных магазинов и складов для хранения продуктов питания появились высокоэффективные и экологически чистые холодильные машины Стирлинга умеренного холода. В этом направлении достигнуты результаты, которые с уверенностью позволяют говорить об их серийном производстве. Так, в Институте прикладной термодинамики и холодильной техники в университете г. Эссен (Германия) создана холодильная машина Стирлинга производительностью 10 кВт при t = - 35 °С для крупных магазинов, конкурирующая по своим характеристикам и цене с ПКХМ на R-12.
Фирма "Stirling Thermal Motors (SMT)" (США) разработала холодильную машину Стирлинга SMT4-120 холодопроизводительностью около 25 кВт для систем холодоснабжения супермаркетов. В диапазоне температур 240-265 К данная холодильная машина имеет холодильный коэффициент равный 2,3.
Американская фирма "Stirling Power Systems (SPS)" имеет в своем арсенале две модели холодильных машин Стирлинга умеренного холода - "V160" (a-схема) производительностью около 10 кВт (см. фото 1) , и "TEM" (b-схема) с производительностью более 3 кВт. Имеются реальные предпосылки, что на уровне охлаждения от 230 К до 270 К ближайшем будущем появятся многоцилиндровые холодильные машины Стирлинга с производительностью до 100 кВт и выше.
Холодильные машины Стирлинга умеренного холода для бытовых холодильников.
Первые эффективные машины Стирлинга умеренного холода для бытовых холодильников были созданы в Великобритании в 1957 году. В качестве рабочего тела использовался воздух, при этом их эффективность на температурном уровне 233 К была сравнима с ПКХМ. Однако первые модели холодильных машин Стирлинга умеренного холода стоили гораздо дороже парокомпрессионных аналогов из-за сложной технологии изготовления отдельных узлов машины. В настоящее время наиболее серьезных результатов в серийном производстве высокоэффективных машин Стирлинга умеренного холода для этой ниши холодильного оборудования добились американцы. Еще в конце 90-х годов фирмой "Sunpower Inc." на основе серийно выпускаемых криогенераторов Стирлинга была создана холодильная машины умеренного холода для КЛАМИ "Spase Shuttle". Бортовой холодильник был предназначен для замораживания проб крови и урины космонавтов во время проведения медико-биологических экспериментов на борту "Шаттлов". Холодильная машина Стирлинга работала на двух температурных уровнях: +4 °С и -22 °С. Бортовой холодильник успешно прошел цикл летных испытаний во время полета КЛАМИ "Spase Shuttle STS-60" в феврале 1994 года. Позже этой фирмой были разработаны несколько модификаций домашних холодильников на основе свободнопоршневых машин Стирлинга, представленных в таблице 1.
Характеристики холодильных машин Стирлинга
умеренного холода фирмы "Sunpower Inc."
|
| |||
Тип машины
В настоящее время фирмой создана новая холодильная машина Стирлинга для бытового холодильника, имеющая эксергетический к.п.д. около 60%, производительность 200 Вт на уровне 258 К. Стоимость этой модели, по предварительным просчетам будет составлять 88 долл. США за единицу (при серийном производстве 250 тыс. холодильников в год).
Фирмой "Gryodynamics Inc." (США) создан домашний холодильник с машиной Стирлинга, который на уровне от 250 К до 271 К, по эффективности, также, превосходит существующие холодильники с ПКХМ. Холодильник имеет два контейнера, один из которых предназначен для замораживания продуктов, а другой - для хранения охлажденных продуктов. Сравнительные характеристики представлены в таблице 2.
Таблица 2
Характеристики холодильных машин Стирлинга
умеренного холода фирмы "Gryodynamics, Inc"
|
|
Тип холодильника | |
| Холодильник с ПКХМ | Холодильник с ХМ Стирлинга | |
| Время охлаждения, ч | 1:55 | 1:00 |
| Мощность привода, Вт | 240 | 150 |
| Температура замораживания, К | 252 | 250 |
| Температура охлаждения, К | 275 | 275 |
| Эксергетический к.п.д. | 18% | 25% |
Фирмой "General Electric" (США) подготовлен к серийному производству домашний холодильник на основе охладителя Стирлинга, имеющий эффективность на 16% выше по сравнению с ПКХМ. Время наработки - 25 тыс. часов. Однако, как отмечают специалисты, стоимость холодильника при мелкосерийном производстве почти в 2 раза выше, чем у холодильников с ПКХМ. При производстве холодильников 250 тыс. штук в год, их цена снижается до 88 дол. США, а при производстве 1 млн. штук в год составит всего лишь 33 долл. США за единицу.
Японская компания "Toshiba" выпускает в настоящее время несколько типов холодильных машин Стирлинга, работающих в диапазоне от 173 до 275 К. Характеристики основных видов данного холодильного оборудования представлены в таблице 3.
Характеристики холодильных машин Стирлинга
умеренного холода фирмы "Toshiba"
|
|
Тип машины | ||
| NS 03 N | SD 01 C | SC 100 | |
| Холодопроизводительность, Вт | 3500 | 10 | 100 |
| Температура рефрижерации, К | 173 | 275 | 233 |
| Давление во внутреннем контуре машины, МПа | 1,5 | 0,15 | 0,7 |
| Холодильный коэффициент | 0,6 | - | - |
| Эксергетический к.п.д. | 35% | - | 22% |
Серьезные намерения в отношении холодильных машин Стирлинга имеет такой гигант, как южнокорейская корпорация "LG Electronic Inc". Работы по холодильным машинам Стирлинга умеренного холода фирма начала с 1996 года. В настоящее время ей разработана и испытана холодильная машина Стирлинга "LG cooler" с механическим приводом производительностью 250 Вт для бытового холодильника. Эта корпорация предполагает представить на мировой рынок холодильной техники новую серийную модель бытового холодильника со свободнопоршневой машиной Стирлинга "Model 100A". Эффективность этой усовершенствованной машины на 25% выше, чем у машины фирмы "Global Cooling B.V.", демонстрировавшейся в 1994 году на 12 Мировом конгрессе по холоду. Эта модель предназначена для портативного 60-литрового холодильника с температурой охлаждения 250 К и имеет производительность 100 Вт.
Технические характеристики этой холодильной машины: общая длина - менее 250 мм и масса 2,5 кг. Опыт коммерческой реализации первой партии холодильников показал высокий потребительский спрос. Холодильник изготовлен в виде контейнера, компактен и удобен в применении.
Фирма "Global Cooling B.V." считается одной из ведущим компаний в области создания свободно-поршневых холодильных машин Стирлинга. Этой фирмой разработан 200-литровый бытовой холодильник с холодильной машиной Стирлинга (схему машины см. фото 1), для которой в качестве источника энергии выступает солнечная радиация, а также домашний холодильник вместимостью 365 литров, который при температуре 243 К имеет 30%-ную экономию энергии по сравнению с ПКХМ.
Производством и исследованием холодильных машин Стирлинга в настоящее время также занимаются такие фирмы, как "Mitchell Stirling Systems Inc.", "AEG AG", "Kubota Corporation" и многие другие.
Цикл Такониса
Работают с тремя уровнями температур. Сверху тепловой двигатель, снизу холодильная машина. Работа, выработанная двигателем компенсирует затраты работы холодильной машины. Затрат работы извне практически нет. Например, имея тепло на уровне окружающей среды и жидкого азота, можно получить холод на водородном уровне.
В цилиндре двух диаметров (1, 4) расположены два вытеснителя (2, 3). Рабочий объем машины остается постоянным. Давление меняется за счет теплообмена с источниками тепла.
I-II – вытеснитель 3 неподвижный; вытеснитель 2 переталкивает рабочее тело из среднего объема через регенератор 8 в нижний объем. Давление увеличивается в результате подвода тепла к газу.
II-III – вытеснитель 2 неподвижный; вытеснитель 3 переталкивает рабочее тело из среднего объема через регенератор 6 в верхний объем. Давление уменьшается.
III-IV – вытеснитель 3 неподвижный; вытеснитель 2 переталкивает рабочее тело из нижнего объема через регенератор 8 в средний объем. Давление уменьшается.
IV-I – вытеснитель 2 неподвижный; вытеснитель 3 переталкивает рабочее тело из верхнего объема через регенератор 6 в средний объем. Давление повышается.
Цикл Гиффорда-Мак-Магона
Процесс основан на эффекте Джоуля, т.е. процесс впуска и выпуска газа в сосуд с изменением температуры. Если у нас с одной стороны сжатый газ в цилиндре, а с другой стороны в сосуде атмосферный, при открытии дроссельного вентиля между сосудами газ начнет перетекать из поршня в сосуд, в поршне для того, чтобы не снижалось давление, поршень двигается в право поддерживая постоянное давление. Для воздуха, например, при pц=1 МПа и pс=0,1 МПа, Тс=20°С и Тц=27°С, температура в конце процесса в сосуде составит Тс=131°С.
При выхлопе газа из сосуда, для воздуха, например, при pц=0,1 МПа и pс=1 МПа, Тс=20°С, температура в конце процесса в сосуде составит Тс=-123°С, а в цилиндре Тц=-56,5°С.
Впускной клапан 6 открыт → вся система заполнена воздухом высокого давления. Затем поршень 4 движется вверх, газ переталкивается через теплообменник 3, при этом охлаждается, отдавая тепло насадке, насадка нагревается. Объем газа уменьшается при постоянном давлении, т.к клапан впуска 6 открыт. Затем клапан 6 закрывается, а клапан выпуска 7 открывается → газ из цилиндра сбрасывается в ресивер 2 (выхлоп) при более низком давлении, температура газа под поршнем 4 понижается за счет расширения.
Поршень перемещается вниз, проталкивает газ через регенеративный теплообменник, газ нагревается → объем увеличивается, давление остается постоянным, т.к клапан выпуска 7 открыт; газ выходит в ресивер 2.
Клапаны переключаются и все заново.
Затрат работ практически нет (только в компрессоре).
< 
< 
„–” эффективность ниже, чем по циклу Карно.
„+” значительно проще по конструкции; производительность выше, чем по циклу Стирлинга (мощность до 1 МВт по холоду).
Тепловые насосы
Это те же самые холодильники ПКХМ и АБХМ
Вначале рассмотрим ПКТН (парокомпрессионные тепловые насосы)
Начнем с домашнего холодильника – как из него сделать тепловой насос.
Далее кондиционер – готовый холодильник и тепловой насос в одном флаконе.
Сплит-система (англ. split — «разделять») — кондиционер, система кондиционирования воздуха (СКВ), состоящая из двух блоков: внешнего (компрессорно-конденсаторного агрегата) и внутреннего (испарительного).
Нагрев воздуха в помещении происходит за счет тепла, отбираемого у наружного воздуха.
С понижением температуры наружного воздуха увеличиваются энергетические затраты на перекачку тепла с улицы в помещение. В связи с этим не рекомендуется использовать кондиционер для обогрева при наружной температуре ниже -5 С: потребляемая мощность при этом возрастает, мощность обогрева падает, увеличивается износ компрессора и обмерзает (покрывается льдом) испаритель.
К настоящему времени масштабы внедрения тепловых насосов в мире ошеломляют:
- В США ежегодно производится около 1 млн тепловых насосов. При строительстве новых общественных зданий используются исключительно тепловые насосы. Эта норма была закреплена Федеральным законодательством США.
- В ШВЕЦИИ 50% всего отопления обеспечивают тепловые насосы. В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается геотермальными тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими как источник тепла … Балтийское море с температурой + 8° С.
- В ГЕРМАНИИ предусмотрена дотация государства на установку геотермальных тепловых насосов в размере 400 марок за каждый кВт установленной мощности.
- В МИРЕ по прогнозам Мирового Энергетического Комитета к 2020 году доля тепловых насосов в теплоснабжении составит 75%.
ТЭЦ может оказаться не выгодной. Преобразование химической энергии топлива в тепло не ограничено вторым законом термодинамики, т.е. можно получить и 100%. ПГУ на газе уже дает КПД до 60%. А тратить электроэнергию на тепло со 100% КПД нерационально. Кроме того, тепловые сети много дороже электрических. Сейчас начинает обсуждаться и использоваться процесс отопления за счет энергии ветра. Там тоже посредник электроэнергия.
Теория теплового насоса
При работе по обратному циклу Карно
Энергетическая ценность тепла:
Коэффициент трансформации:
очень сильно зависит от 
:
Если T ос = 273К, а t от = 75°С, тогда
- реально столько не получится
Самый распространенный источник тепла для теплового насоса – тепло Земли. На глубине ≈ 5 м tземли= const=10°С.
На эту глубину располагают теплообменник. Сверлят вертикальные скважины на расстоянии 5 м друг от друга: в одну закачивают воду, из другой выкачивают (надо специальное разрешение).
Скважина.
При использовании в качестве источника тепла скалистой породы трубопровод опускается в скважину. Не обязательно использовать одну глубокую скважину, можно пробурить несколько не глубоких, более дешевых скважин, главное получить общую расчетную глубину.
Для предварительных расчетов можно использовать следующее соотношение – на 1 метр скважины приходится 50-60 Вт тепловой энергии. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной 170 метров.
Земляной контур.
При использовании в качестве источника тепла участка земли трубопровод зарывается в землю на глубину 1 м. Минимальное расстояние между соседними трубопроводами – 0,8..1 м. Специальной подготовки почвы, засыпок и т.п. не требуется. Предпочтения к грунту – желательно использовать участок с влажным грунтом, идеально с близкими грунтовыми водами, однако сухой грунт не является помехой – это приводит лишь к увеличению длины контура.
Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода 20..30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длинной 350..450 метров, для укладки такого контура потребуется участок земли площадью около 400 кв. метров (20м*20м – 4 сотки).
Водоём.
При использовании в качестве источника тепла воды ближайшего озера, реки контур укладывается на дно. Этот вариант является идеальным с любой точки зрения – короткий внешний контур, «высокая» температура окружающей среды (температура воды в водоеме зимой всегда положительная), высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом.
Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода 30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длинной 300 метров.
Для того чтобы трубопровод не всплывал, на 1 погонный метр трубопровода устанавливается около 5 кг груза.
Теплый воздух.
Для получения тепла из теплого воздуха, например, из вытяжки системы вентиляции, устанавливается специальная модель теплового насоса с воздушным теплообменником. Тепло из воздуха для системы отопления и горячего водоснабжения также можно собирать на производственных предприятиях, например, на хлебопекарнях, предприятиях по производству керамики и т.п. предприятиях с большим количеством вырабатываемого теплого воздуха.
Кстати, тепловой насос вырабатывает тепло не только в отопительный период, тепло для системы горячего водоснабжения вырабатывается круглый год. А для среднего загородного дома затраты на приготовление горячей воды составляют около 15-20 процентов.
Дата: 2018-12-28, просмотров: 550.
