Исследование влияния солнечной радиации и

УДК 621.56(075.8)
Исследование влияния солнечной радиации и ночного излучения на работу
холодильной машины
Цой А.П., к.т.н., академик (АТУ г. Алматы); Бараненко А. В., д.т.н., академик; Эглит А. Я.,
д.т.н., академик (СПбГУНиПТ, г. Санкт-Петербург), Филатов А.С., (АТУ г. Алматы).
Климат Казахстана резко континентальный. На севере - умеренно холодный, на
крайнем юге - умеренно жаркий. Континентальность климата проявляется в резких
колебаниях температуры, сухости воздуха и незначительном количестве атмосферных
осадков на большей части республики. Самый холодный месяц для всего Казахстана январь. Средняя температура января на севере – 19 0С, а на юге - 1,5 0С. Самый теплый
месяц в Казахстане - июль. Среднеиюльская температура на севере республики 19,1 0С, на
юге 29,3 0С. Суммарная радиация на севере равна 133 Вт/м2, а на юге - свыше 200 Вт/м2.
Средняя влажность на территории Казахстана составляет φ =52%, что намного
ниже чем в Европе φ =75%.
Солнечная радиация оказывает значительное влияние на работу холодильной
машины с конденсаторами воздушного охлаждения. Работа холодильных установок с
конденсаторами воздушного охлаждения в регионах, где присутствует активная солнечная
радиация характеризуется частыми остановками компрессорной группы системой
автоматической защиты из-за повышения давления нагнетания выше допустимого
значения.
Причин у этой проблемы две. Первая связана с определенной некорректностью
подачи фирмами производителями конденсаторов с воздушным охлаждением, их
технических характеристик. Например, вместо температурного напора θ (хотя бы
среднеарифметического, а не среднелогарифмического) указывается ∆t=15 К. Очевидно,
что это температурный напор на холодном конце конденсатора. Приведенный в
технической характеристике расход воздуха и производительность (номинальная
мощность) конденсатора позволяют судить о нагреве воздуха в данном режиме. Нагрев
воздуха более 80К, среднеарифметический напор более 110К и скрытый коэффициент
теплопередачи k=50 Вт/м2*К, отметим что подобное значение нагрева воздуха
превосходит рекомендуемый отечественный диапазон ∆ tв = 4-6 0К и k=20-35 Вт/м2*К. По
видимому это связанно с тем что в Европе влажность воздуха значительно выше.
Вторая причина связана с оценкой расчетной температуры наружного воздуха.
tp.в =0.4tср.жар.мес+0.6tмакс.
Её отличие в 6...7 К от максимальной температуры воздуха в данной местности не
препятствует работе конденсаторов с воздушным охлаждением за исключением регионов
с резко континентальным климатом. Поскольку конденсаторы с воздушным охлаждением
располагаются на открытых площадках, то температура воздуха около них сама заметна
выше, чем в теории.
Сказывается и то обстоятельство, что конструкция, к которой крепится конденсатор,
под действием солнечной радиации нагревается до высоких значений, например,
поверхность железобетонной стены в Москве достигает 70 °С, в нашем регионе
температура превышает 85 0С (с увеличением высоты над уровнем моря влияние
солнечной радиации становится значительнее). Смонтированный на крыше здания
(особенно металлической) конденсатор с вертикальной осью вентиляторов работает в
атмосфере специфического микроклимата. Очевидно, что на входе в конденсатор
температура воздуха может превысить расчетную наружного воздуха на 10 К и более..
Поэтому расчетную температуру конденсации для конденсаторов с воздушным
охлаждением видимо следует определять по формуле:
tp.к = tp.в + θ + t c.p.
где θ - температурного напора (θ = 8-120С)
tc.p – избыточный температурный напор, характеризующий солнечную радиацию
( tc.p = 5-150С )
Для исключения остановки компрессора из-за повышения давления нагнетания выше
допустимого значения, одним из важных факторов является выбор типа холодильного
агента в зависимости от региона расположения холодильной машины.
Максимальные температуры конденсации для компрессоров различных видов фирмы
Bitzer, при применении различных холодильных агентов сведены в таблице 2.
Максимальные температуры конденсации для компрессоров с разными
хладагентами
№ п/п
1
2
3
4
Наименование
компрессора
Поршневой
Спиральный
Винтовой
сальниковый
Винтовой
полугерметичный
Тип
хладагента
Таблица 2.
Максимальная
температура
конденсации tк max
R22
62
R407C
62
R404A
55
R507A
55
R717
55
R134a
80
R22
65
R407C
65
R404A
55
R507A
55
R134a
70
R404A
55
R507A
55
R134a
70
R404A
55
R507A
55
R22
60
R134a
65
Солнечная радиация так же оказывает значительное влияние на работу
холодильной машины открытых катков. Падая на поверхность таких сред, как вода или
лед, прямая солнечная и рассеянная радиация частично проникает внутрь этих сред. В
зависимости от степени прозрачности воды или льда лучистая энергия может проникать
внутрь указанных сред до различных глубин. Даже такая на первый взгляд непрозрачная
среда, как снег, может в значительной мере пропускать прямую солнечную и рассеянную
радиацию.
Рассчитав теплоприток к поверхности катка «Медеу» от солнечной радиации, получим:
Qс.р=q*Sкатка
2
где, q – поглощенная радиация, Вт/м
Sкатка – площадь ледового поля, м2
Qс.р=550*10500=5775 кВт
Ночью солнечная радиация (инсоляция) отсутствует, теплообмен в течение ночи в
основном зависит от собственного теплового излучения Земли. В ночное время
теплообмен у поверхности земли меняет свой характер.
Эффективное излучение земной поверхности — это разность между собственным
излучением земной поверхности и той энергией, которую поверхность земли получает
обратно от противоизлучения атмосферы, т. е. чем больше противоизлучение, тем меньше
эффективное излучение. С позиции расчетов это разность между - восходящими и
нисходящими потоками теплового излучения на уровне земной поверхности.
Эффективное излучение, вместе с потерями тепла на испарение, обусловливает так
называемое ночное выхолаживание земли.
Эффективная температура поверхности
tэф=tв-∆tэф
где, tв – температура воздуха
∆tэф- изменение температуры за счет эффективного излучения (5-100С)
Эффективное излучение в зависимости от метеорологических условий региона
можно использовать для производства холода.
Для наглядного примера мощности такой установки зададимся некоторыми
параметрами. Средняя зимняя ночная температура наружного воздуха Алматы tвозд=-8,70С,
для режима охлаждения и хранения продуктов на молзаводах температуру хладоносителя
tхл=0 ÷ -10С. Температура наружной поверхности теплообменника охлаждаемого
эффективным излучением составит tн =-13,7÷ -18,70С. Для расчета
холодопроизводительности воспользуемся следующей формулой:
Q=Fkθср
где: F - площадь теплопередающей поверхности, м2
k - коэффициент теплопередачи, Вт/м2*К
θср – среднелогорифмическое значение температурного напора, 0С
Для расчета примем теплообменник размерами 10,0х10,0 м, с оребрённой
теплопередающей поверхностью, площадь теплопередающей поверхности составит 130
м2 .
Q=26 кВт.