Доклад Когаль

Исследование эффективности аккумуляторов естественного холода на макете
системы охлаждения.
Анна Анатольевна Когаль, Елена Владимировна Тарасова
Дальневосточный Федеральный Университет
690014, Россия, г. Владивосток, проспект Красного Знамени, 66
С ростом городов увеличивается потребность в затратах электроэнергии для систем
охлаждения помещений. Стоимость электроэнергии постоянно растет, поэтому внедрение
энергосберегающих мероприятий в системы охлаждения помещений становится все более
востребованным. Использование аккумуляции естественного холода (снега и льда) один из
путей уменьшения потребления электроэнергии. Снег и лед аккумулируется зимой и далее
используется в системах охлаждения помещений в летнее время. Согласно исследованиям,
проведенным на кафедре «Инженерных систем зданий и сооружений» ДВФУ, использовать
снег и лед заготовленный зимой как аккумулятор холода летом экономически целесообразно.
Особенно это актуально для снежных, холодных регионов, где тратится большое количество
энергии, бензина, электричества и для того, чтобы расчистить и расплавить снег.
Применение аккумуляторов естественных источников холода имеет экологические и
энергосберегающие преимущества в методах кондиционирования воздуха по сравнению с
традиционными.
Существует несколько способов хранения и использования снега (льда): ледяные
бунты, снежные насыпи - наиболее выгодно использовать на территориях аэропортов,
фермерских хозяйств, в теплицах; наземные и подземные контейнеры-термосы - для
охлаждения жилых и общественных зданий в городских условиях.
Технологии загрузки снега (льда): намораживание снега при помощи брызгальных
установок; «забрасывание» в контейнер при помощи специальной техники; загрузка в
сетчатые ящики. Снег собирают
при расчистке территорий, поэтому не требуется
дополнительных затрат на транспорт.
Холодохранилища нуждаются в хорошей теплоизоляции, т.к. основная задача
сохранить необходимое количество холода до жаркого периода года.
На основе запатентованной конструкции холодогенератора, представленной на рис. 1
был создан макет системы охлаждения помещения. [3]
Макет представляет собой
стеклянный короб 650х70х1000 (h), в который помещен вертикальный трехступенчатый
теплообменник, выполненный из дюралюминия Д16Т.
Первая ступень охлаждения имеет наружное оребрение квадратной формы и
полностью погружена в талую воду, вторая ступень представлена двумя каплеобразными
трубками. Третья контактирует со снегом или льдом.
Макет системы охлаждения помещений с использованием аккумуляции
естественного холода
Рис.1.
Целью эксперимента являлось определение наиболее эффективной конструкции
трубки теплообменника (из имеющихся трех видов), составление теплового баланса
установки, определение теплоотдачи на трех ступенях холодогенератора.
Данные, полученные в ходе эксперимента, обработаны по следующим формулам.
Расход воды для каждого измерения:
G
x2  x1
 , л/с
где x1 , x2 - показания счетчика, л; 
- время, прошедшее между двумя
измерениями, с.
Определение потоков теплоты на каждой из трубок холодогенератора, для каждого
замера:
q1  с  (t1  t2 )    G , кВт
где с - теплоемкость воды, кДж/(кгоС);
Построены графические зависимости q1  f ( ) ; q2  f ( ) ; q3  f ( ) ; q4  f ( ) .
График на рис. 2 представляет собой осредненную величину потоков теплоты для
каждой ступени во времени.
Рис. 2.
Холодопотери через теплоизоляцию для каждого измерения определялись по
уравнению:
qтп 

 (t  t )  F , Вт
 ст1 ст 2 тп
где  - теплопроводность теплоизоляционного материала, Вт/(м2оС);
 - толщина теплоизоляции, м;
Fтп - площадь наружной поверхности теплоизоляции, м2.
Построен график зависимости холодопотери во времени qтп  f ( ) .(рис.3)
Рис. 3.
Процесс таяния снега и эффективность теплообмена можно разделить на три этапа:
1.
Начало работы установки – нестационарный: постепенное повышение
эффективности охлаждения теплоносителя
2.
Установившийся процесс – стационарный: наибольший холодосъем.
3.
Конец работы установки – нестационарный: снижение интенсивности
охлаждения теплоносителя.
Участок стабильного теплообмена очень мал (не более 10 минут), данный факт также
свидетельствует о необходимом увеличении габаритных размеров установки.[1]
Тепловой баланс установки:
i n
i n
i n
i n
i 1
i 1
i 1
i 1
(qтпi   )
,кДж
1000
i 1
i n
Qтб   (q1i   )   (q2i   )   (q3i   )   (q4i   )  
где n - число измерений.
Тепловая погрешность эксперимента:

mльда  сплавл. льда  Qтб
100% , %
mльда  сплавл. льда
Построена круговая диаграмма по данным теплового баланса.(Рис.4)
Рис. 4.
Из диаграммы теплового баланса: наиболее эффективными являются трубки второй
ступени, им соответствуют
красный
и
зеленый
сектора. Сравнительно меньшей
эффективностью обладает 3 ступень (контактный теплообмен), наименее эффективный
теплообмен первой ступени. Незначительную величину составляют холодопотери через
теплоизоляцию и неучтенные потери.
Определение коэффициентов теплоотдачи на трех ступенях холодогенератора, внутри
и снаружи трубок теплообменника.
Для каждой из 4-х трубок:
Коэффициенты теплоотдачи от внутренней поверхности трубок к воде:
 вн 
в
d вн
Nuж , Вт/м˚С
(13)
Коэффициенты теплоотдачи от внешней поверхности трубок к воде.
 нар 
где
qi
qi

d
1
1
d нар   (tвнi  tнарi ) 

ln нар

 вн  d вн 2тр d вн

- тепловой поток i-ой ступени;



,
Вт/м˚С
(14)
tвнi - температура воды в i-ой ступени (берется среднеарифметическое значение
между температурой входа и выхода);
t нарi - температура среды на внешней поверхности трубок, для 1-ой ступени берется
температура талой воды, скапливающейся внизу; для 3-й ступени – температура таянья льда
0оС, для 2-х трубок второй ступени берется среднеарифметическое значение между
температурой на внешней поверхности трубок для 1-ой ступени и 0оС;
d нар - наружный диаметр трубок, м;
тр - коэффициент теплопроводности трубки (аллюминий).
Построены графики зависимости  вн  f ( ) ,  нар  f ( ) . (рис.5)
Рис. 5.
По итогам эксперимента можно сделать следующие выводы: коэффициент α
внутренний зависит от скорости воды в трубках, и вследствие этого от диаметра, с течением
времени практически не изменяется. Самые низкие значения αвн характерны для III ступени
холодогенератора, она имеет наибольший диаметр (40 мм). Коэффициент α наружный для
каждой ступени определяется различными факторами: для 1ступени температурой талой
воды, для 2 ступени пленочным течением жидкости и капельно-ударным теплообменом,
зависит от толщины пленки, скорости стекания и температуры пленки; для 3 ступени от
площади соприкосновения поверхности хладагента с поверхностью теплоносителя.
Проведенные исследования помогут в дальнейшем совершенствовании конструкции
холодогенератора и разработке экспериментального образца системы охлаждения с
использованием аккумуляции естественного холода.
Использованная литература:
1. Королева Е.А. Конструкция холодогенератора, использующего природные
источники холода// Диссертация на соискание ученой степени магистра Владивосток, 2010-145с.
2. Тарасова Е.В. Энергосбережение при использовании снега и льда для
холодоснабжения в летний период// Диссертация на соискание ученой степени
магистра – Владивосток, 2009-229с.
3. Холодоисточник - патент на полезную модель, № 91416: ДВГТУ, 2010
«Согласен на публикацию текста доклада в сборнике итоговых материалов
Форума, размещение презентации доклада на официальном Интернет-сайте
Форума и на компакт-диске с материалами Форума».