Альтернативні системи кондиціювання повітря з використанням випарного охолодження

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеська державна академія холоду

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність

05.05.14 - “Холодильна, вакуумна та компресорна техніка, системи кондиціювання”

Альтернативні системи кондиціювання повітря з використанням випарного охолодження

Федоров Олександр Григорович

Одеса 2009

Загальна характеристика роботи

випарний охолодник повітря газ

Актуальність теми. Взаємозв'язані проблеми енергетики і екології, що посилюються, висувають нові вимоги до холодильних систем і систем комфортного і технологічного кондиціонування повітря, в першу чергу, зниження енерговитрат і антропогенної дії на місце існування. До перспективного і довгострокового рішення в цьому напрямі відноситься створення альтернативних систем на основі методів випарного охолоджування середовищ. Практичне використання випарних методів вимагає вирішення принципових питань: розширення кліматичної області використання самих методів, підвищення компактності і зниження енергоспоживання. Найбільш перспективне включення випарних охолоджувачів до складу випарно-парокомпресійних систем (двоступінчасті охолоджувачі з використанням випарного охолоджувача в першому рівні і пароком-

пресійного в другому), що дозволяє зняти кліматичні обмеження використання випарних методів, усунути необхідність підживлення свіжою водою і істотно поліпшити енергетичні та екологічні показники альтернативних систем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до законодавчих актів: Постанови Верховної Ради Україні №75/94-ВР від 1.07.94р. що затвердила “Закон Україні про енергозбереження ”, Постанови Кабінету Міністрів Україні №148 від 5.02.97 р. “Про комплексну державну програму енергозбереження України, Постанови Кабінету Міністрів України №583 від 14.04.99 р. “Про Міжвідомчу комісію із забезпечення виконання Рамкової Конвенції ООН про зміну клімату ”, Галузевої науково-технічної програми сталого розвитку побутової техніки в Україні на 2006-2011 роки (наказ Мінпромполітики України від 03. 03. 2006р. № 85).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є удосконалення холодильних і кондиціонуючих систем на основі використання у них методів випарного охолоджування середовищ. Для її досягнення необхідні: розробка схемних рішень і вдосконалення апаратів випарного охолоджування, для використання як в автономному вигляді, так і у складі випарно - парокомпресійніх систем; створення уніфікованої тепломасообмінної апаратури (випарного охолоджувача прямого і непрямого типів), що забезпечує мінімізацію енерговитрат на рух теплоносіїв; моделювання робочих процесів з урахуванням особливостей плівкових течій в ТМА; проведення експериментального дослідження випарних охолоджувачів і комбінованих випарно-парокомпресійних систем і одержання залежностей і рекомендацій, що забезпечують їх розрахунок і конструювання; розробка схемних рішень на основі спільної роботи випарного і парокомпресійного охолоджувачів, що забезпечують раціональне поєднання природних і штучних методів охолоджування; зниження витрати води на підживлення випарного контуру НВО; екологічне обґрунтування нових рішень.

Об'єктом дослідження є альтернативні системи охолоджування і кондиціонування повітря. Предметом дослідження є процеси в альтернативних системах. Методи дослідження: теоретичне вивчення, експериментальне дослідження на натурних зразках тепломасообміних апаратів.

Наукова новизна роботи визначається наступними результатами:

Виконано моделювання процесів спільного тепломасопереносу при випарному охолоджуванні з урахуванням термічних опорів фаз, особливостей течії і стійкості рідинної плівки.

Теоретично і експериментально встановлений вплив регулярної шорсткості поверхні РШ на інтенсифікацію процесів, стосовно особливостей плівкових течій по поверхнях із полімерних матеріалів (тип РШ “западина”); знайдені оптимальні значення параметра шорсткості k = p/e = 10-30; оптимальне співвідношення потоків в НВО складає = 0,6, а діапазон оптимальних значень = 20-25 мм.

Показано, що об'єднання НВО і ХМ в єдину систему дозволяє знизити витрату води на підживлення у НВО; при відносній вологості понад 35-45% втрати на випар можуть бути компенсовані повністю.

Результати зіставлення випарно-парокомпресійного кондиціонера (у першому рівні НВО і у другий даховий кондиціонер CAAE/CAEN - 31) з парокомпресійним кондиціонером (CAAE/CAEN - 51), показали, що комбінована схема дозволяє істотно понизити встановлену потужність компресора (на 30-35 %) і забезпечує зниження температури конденсації.

Виконаний екологічний аналіз альтернативних рішень з використанням методології і бази даних “Повний життєвий цикл” (міжнародні стандарти ISO (14040, 14041, 14042 і 14043, база даних програми “SimaPro-6”); показано, що АСКП на основі НВО/ХМ призводить до меншого виснаження природних ресурсів (у тому числі енергоресурсів), чим традиційна СКП, вона вносить менший вклад до глобальної зміни клімату; загальна екологічна дія для альтернативної системи складає всього 64,5% від цієї ж дії для традиційної системи.

Достовірність наукових положень і результатів підтверджуються результатами експериментально-розрахункових досліджень і добрим якісним і кількісним узгодженням отриманих результатів з існуючими даними.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці практичних рекомендацій за розрахунком і конструюванням альтернативних CКП. Матеріали дисертаційного дослідження використовуються в учбовому процесі на кафедрі технічної термодинаміки ОДАХ в курсі лекцій і практичних занять з нетрадиційної енергетики у 2006 - 2008 роках.

Особистий внесок здобувача. Особисто здобувачем розроблені принципи побудови альтернативних систем, схемні рішення альтернативних систем і апаратів для них, створено експериментальне устаткування; проведений цикл експериментально-розрахункових досліджень; виконаний аналіз і узагальнення отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації проводилася на 4-ій міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми холодильної техніки і технології”, м. Одеса, 21-23 вересня 2005 г.; ii міжнародній науково-практичній конференції “Харчові технології”, Одеса, 2006 г; II Всеукраїнському науково-технічному семінарі: “Удосконалення конструкції та підвищення теплоенергетичної ефективності малих холодильних машин”, м. Донецьк, 2006 р.; VI науково-технічній конференції “Сучасні проблеми холодильної техніки і технології”, м. Одеса, 2007р..

Публікації. Основні наукові і прикладні результати автора представлені в 4 статтях у наукових журналах і збірниках наукових праць, з них: 2 друковані роботи в науково-технічних журналах, отримано один патент України на створену розробку і 1 повний текст доповіді на міжнародних і науково-практичних конференціях.

Об'єм і структура дисертації. Дисертація викладена на 237 сторінках машинописного тексту, включаючи 159 сторінок основного тексту, 68 рисунків, 10 таблиць і складається зі вступу, чотирьох основних розділів, списку літератури з 147 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі (першому розділі) відбита актуальність проблеми, стан досліджень в світі у даній області, сформульовані цілі і завдання дослідження, наукова новизна, основні результати роботи і визначена її практична цінність.

Другий розділ присвячений розробці схемних рішень охолоджувачів і тепломасообмінних апаратів для них. Випарне охолоджування ефективне в умовах сухого і жаркого клімату (волого-вміст зовнішнього повітря х_Г < 12-14г/кг). Перспективне включення випарних охолоджувачів до складу випарно - парокомпресійніх систем (ПВО/ХМ і НВО/ХМ), що дозволяє зняти кліматичні обмеження застосовності випарних методів і істотно поліпшити енергетичні і екологічні показники альтернативних систем в цілому (мал. 1-5). Як перший рівень випарно-парокомпресійного охолоджувача використовується випарний охолоджувач прямого (ПВО), або непрямого типа НВО. Принцип дії НВО полягає в тому, що повний повітряний потік, що надходить до охолоджувача (рис. 2А, 3Б), розподіляється на два потоки, основний і допоміжний, перший з яких охолоджується безконтактно, тобто при незмінному вологовмісті, а другий знаходиться у безпосередньому контакті з водяною плівкою і забезпечує її випарне охолоджування, а вона відводить тепло від основного повітряного потоку.

На підставі багатолітнього досвіду, накопиченого в ОДАХ вибраний, як універсальне рішення для випарних охолоджувачів ПВО і НВО, плівковий тип апарату, що забезпечує роздільний рух потоків газу і рідини при малому аеродинамічному опорі, і поперечноточна схема контакту потоків газу і рідини, як найбільш прийнятна у разі потреби спільної компоновки чисельних апаратів в єдиному блоці. Основною ідеєю вдосконалення випарних охолоджувачів було вживання полімерних матеріалів (ПМ) в конструкції їх насадки. Проведений аналіз показав, що перспективним є полікарбонат (ПК), що випускається у вигляді багатоканальних плит. ПК стійкий до багатьох хімічних речовин, включаючи мінеральні кислоти високої концентрації, багатьох органічних кислотах, нейтральних і кислих розчинах солей. Це питання важливе, оскільки в подібних відкритих системах можуть накопичуватися шкідливі речовини і формуватися розчини слабких кислот. Стільникові панелі з ПК відрізняються і високими механічними характеристиками. На основі багатоканальних і багатошарових плит з ПК розроблені принципи конструювання випарних охолоджувачів як прямого (ПВО), так і непрямого (НВО) типів. Зовнішня поверхня полікарбонатної багатоканальної плити має регулярну шорсткість РШ у вигляді “западин”, що характеризується заввишки (e) і кроком (p) РШ. РШ розташована перпендикулярно перебігу рідинної плівки і сприяє поліпшенню розподілу водяної плівки і інтенсифікації процесів тепломасообміну.

Допоміжний повітряний потік, залишаючи НВО, є досить холодним і зволоженим (ц = 90-95%) і тому непридатним для подачі в приміщення, що кондиціонується. Створення комбінованих випарно-парокомпресійніх систем на основі ПВО, або НВО (перший рівень) і ХМ (другий рівень), дозволяє “включити” випарний охолоджувач на високому температурному рівні, де він досить ефективний, і використовувати відкидний холодний і зволожений допоміжний повітряний потік (у НВО), для обдування конденсатора ХМ, а повернення конденсату з випарника ХМ у контур випарного охолоджування може забезпечити повністю замкнутий цикл по споживаній воді. У класифікаційній таблиці (рис. 1) і на рис. 2 представлені варіанти випарних охолоджувачів на основі ПВО і НВО, а на рис. 3-5 представлені основні варіанти розроблених прямоточних і рециркуляційних схем на основі ПВО/ХМ і НВО/ХМ, а також в складніших варіантах охолоджувачів. Основні проблеми розвитку випарно-парокомпресійних систем (НВО/ХМ) полягають в розробці схемних рішень, що забезпечують раціональне поєднання природних і штучних методів охолоджування; зниженні витрати води на підживлення випарного контуру НВО; зниженні енерговитрат і поліпшення екологічних характеристик.

Третій розділ присвячений теоретичному і експериментальному вивченню процесів тепломасообміну у випарних охолоджувачах прямого (ПВО) і непрямого (НВО) типів, а також вив-ченню випарно-парокомпресійних охолоджувачів (НВО/ХМ).

Теоретичне і експериментальне вивчення плівкових течій у випарних охолоджувачах. Тепломасообмін між газом і рідиною при плівковому гравітаційному перебігу рідини і роздільному русі потоків забезпечує високу інтенсивність процесів перенесення при малих витратах енергії. У шарі рідини, що прилягає до шорсткої поверхні, утворюються в западинах регулярної шорсткості (РШ) зони вихроутворення, які зносяться вниз по потоку. Ці зони характеризуються підвищеною інтенсивністю перенесення в рідкій фазі, внаслідок турбулізації пристінного пограничного шару. Збільшення товщини шару рідині з пристінним збуренням призводить до утворення на поверхні рідини, крім хвиль, що збігають вниз по потоку, також стоячих хвиль, що повторюють деяким чином форму поверхні з регулярною шорсткістю. Практичний інтерес являють особливості хвилеутворення; оптимальні параметри шорсткості, включаючи форму ребра РШ; область двофазних потоків, де існує гідродинамічна взаємодія фаз. Для розрахунку плівкових апаратів необхідне знання хвилевих параметрів течії, оскільки вони входять в розрахункові формули визначення коефіцієнтів масообміну. Були розглянуті особливості хвилевого плівкового перебігу тонких шарів в'язкої рідини в “мокрих” каналах НВО. Теоретичний опис плівкового перебігу рідини по поверхнях з РШ при обліку взаємодії з газовим потоком є актуальним для створення НВО. Насадки НВО, що розглядаються в роботі, складаються з розташованих на однаковій відстані один від одного плоских листів з нанесеною впоперек перебігу РШ у вигляді впорядкованих западин заданої конфігурації (мал. 3Б). Хвилевий режим визначається стоячими хвилями, а хвилі, що біжать, будуть лише незначними брижами, що поширюються по поверхні стоячих хвиль. Для РШ з параметрами е = 0,1 мм, р = 10 мм, набуті значення локальної товщини плівки рідини без газового потоку (ф = 0). Вплив газового потоку на товщину шару позначається лише при швидкостях газу V_г ? 8 м/с. Газовий потік стабілізує плівкову течію, поверхневі обурення згладжуються, а середня товщина плівки декілька зменшується. Розглянута стійкість роздільної двофазної течії в плоскому каналі тепломасообмінних апаратів з регулярною шорсткістю поверхні. У плівкових ТМА для оптимального протікання змінних процесів необхідно забезпечити режим активної гідродинамічної взаємодії фаз.

При цьому навантаження по рідині і газу мають бути обмежені відносно небезпеки виникнення сильного краплеунесення і "захлинання" апарату. Запропонована математична модель визначення стійкості двофазної течії у вертикальному каналі, по поверхні якого тече плівка рідини за наявності потоку газу і встановлені умови стаціонарного режиму тепломасообміну; результат узагальнений на випадок каналів, поверхня яких має РШ. Для вертикальних каналів з РШ поверхні, глибина западин якої порівнянна з , при течії утворюються на поверхні плівки стоячі хвилі великої амплітуди. При сильній гідродинамічній взаємодії фаз амплітуди хвиль мають тенденцію до зростання з часом, що наводить до зменшення критичного значення . Експериментальне вивчення плівкових течій по поверхні полімерних листів з РШ типа “западина” було проведено в ОДАХ спільно з інститутом проблем хімічної фізики ІПХФ РАН (Росія) методом електропровідності. Стосовно типу РШ типа “западина”, характерного для полімерних багатоканальних структур, таке дослідження проведене вперше. Показано, що перехід від ламінарної до турбулентної області течії (Re^*_ж) залежить від наявності РШ поверхні і визначається величиною параметра шорсткості k = p/e; двовимірна шорсткість прискорює перехід, знижуючи порогові значення Re^*_ж. Особливий інтерес представляє діапазон значень k_опт = 11 - 30, де оптимальні умови прояву шорсткості і забезпечується максимальна інтенсивність протікання процесів перенесення у водяній плівці і повітряному потоці.

Експериментальне дослідження процесів гідродинаміки і тепломасообміну НВО. Стендове устаткування (рис. 3В) дозволяло досліджувати розроблені НВО з насадкою з ПМ і різних варіантів охолоджувачів на основі НВО/ХМ. Гідродинамічні характеристики. Дослідження проведене в діапазоні значень d_э = 18,5/20,3мм при k = 27.5, який лежить у ряді оптимальних значень параметра шорсткості k_опт = 10-30. У робочому діапазоні навантажень збільшення витрати рідини в діапазоні значень Gж від “сухого” режиму до 420кг/ч не призводить до відчутного зростання втрати тиску. Із зростанням швидкості руху повітря, при w_г = 7,0 м/с, виникає “пригальмовування” рідинної плівки газовим потоком, тобто режим інтенсивної взаємодії газу і рідини, що призводить до гальмування поверхневих шарів плівки і розвивається надалі у режим “захлинання” насадки НВО, при якому трансформується протиточна схема руху у висхідний прямотік і інтенсифікується винесення рідини з апарату. Показано, що явище “захлинання” для поперечноточної схеми відсутнє повністю, аж до значень w_г > 8-12 м/с, змінившись на великих wг явищем подовжнього знесення рідини, що наводить до часткового оголення поверхонь тепломасообміну. Це зафіксовано за даними виміру витрати рідини у карманах водозбірника. Перехід до поперечноточної схеми забезпечує зниження р в порівнянні із протитечією і можливість значного підвищення навантажень. Введення регулярної шорсткості практично не позначається на величині р як для одно - так і для двофазних потоків. Вивчали вплив витрати рідини Gж на ефективність роботи НВО (початкові параметри повітря: G_п = 1300м³/ч; t = 38 ⁰С; t_м = 20,2 ⁰С; Gж змінювали в діапазоні від 50 до 350 кг/ч). Зростання ефективності НВО обумовлене мірою змочування поверхні насадки в “мокрих” каналах НВО, при цьому ефективність охолоджування допоміжного повітряного потоку перевищує ефективність охолоджування основного, що свідчить про недостатню поверхню теплопередачі між каналами НВО. З урахуванням отриманого результату рекомендовано як робочий діапазон значення Gж = 300 кг/ч. Тепломасоперенос в системі; політропічний процес охолоджування повітря в НВО. На рис. 4А і В показано протікання процесів в НВО на діаграмі вологого повітря, а на рис. 3Г і Д наведені експериментальні результати у вигляді ефективності охолоджування основного і допоміжного повітряних потоків. Температура рециркулюючої води залишалася незмінною, встановлюючись на значенні, що перевищує на декілька градусів температуру мокрого термометра на вході повітряного потоку в НВО (умова сталого режиму роботи НВО). На діаграмі вологого повітря (рис. 3Г) видно, що процес охолоджування основного потоку проходить при незмінному вологовмісті, а допоміжний повітряний потік охолоджується і зволожується, виносячи з апарату все тепло в прихованій формі. Із зростанням температури ефективність процесу по обох потоках зростає. Максимальне зростання інтенсивності отримане для листа з РШ поверхні, причому наголошується сприятливий розподіл рідини по всій поверхні листа в модулі. Оптимальне значення співвідношення потоків в НВО складає Gо/ Gв = 0,5, при цьому ефективність охолоджування складає в середньому величину 0,5-0,7. У дослідах варіювали до п'яти послідовно зіставлених рівнів для кожної з двох схем по рис. 2 (шляхом експерименту, що послідовно проводиться, з імітацією умов на вході кожного подальшого модуля на підставі дослідних даних, отриманих для попереднього). Перехід до багатоступінчастого охолоджування означає зменшення співвідношення l = /, а також супутнє зростання енерговитрат і масогабаритних показників охолоджувача в цілому. Для обох схем суттєве зниження температури основного повітряного потоку відбувається в першому і другому рівнях НВО, подальше зниження, із зростанням числа рівнів, незначне, що дозволяє обмежити оптимальну кількість рівнів НВО двома. Максимальне значення теплоенер- гетичної ефективності відповідає двом рівням охолодження. Доцільність включення до складу кас- каду додаткового випарного рівня ПВО (патент України № 73 696), причому це вигідно робити на вищому температурному рівні.

Експериментальне вивчення комбінованих випарно-парокомпресійніх охолоджувачів на основі ПВО/ХМ і НВО/ХМ. Вивчали оптимальне співвідношення теплових навантажень на випарну і парокомпресійну частини охолоджувача і можливість повернення вологи з випарника ХМ в “мокру” частину НВО. Холодопродуктивність випарного рівня охолоджувача різко зменшується із зростанням вологовмісту зовнішнього повітря і видно кордон можливого використання випарного охолоджування у СКП (х_г¹ < 13 г/кг); ця ж тенденція зберігається і для комбінованих схем охолоджування на основі ПВО/ХМ і НВО/ХМ (мал. 4А), але, навіть при х_г¹~ 20 - 25 г/кг, працездатність системи зберігається. Видне деяке зниження ефективності у зв'язку з переходом на полімерні матеріали в конструкції випарного охолоджувача НВО (лінії 1 і 2 для НВО/ХМ). Результати для схеми ПВО/ХМ показують доцільність варіанту з ПВО як перший рівень охолоджування продуктового потоку повітря (варіант 2). Обдування конденсатора ХМ холодним допоміжним потоком призводить до зниження температури і тиску конденсації. Експеримент показав, що при відносній вологості вище 35-45%, втрати на випарювання можуть бути компенсовані повністю.

Четвертий розділ присвячений інженерним і екологічним аспектам практичного використання випарно-парокомпресійніх охолоджувачів, що розробляються. Розрахунки виконувалися для порівнюваних варіантів охолоджувачів (на основі ХМ і НВО/ХМ), при однакових холодопродуктивності і параметрах довкілля. Для комбінованого варіанту, разом з холодопродуктивністю рис. 5 надані результати для параметрів зовнішнього повітря: t_Г = 40⁰С и х_Г = 22 г/кг, вибраних для досить важких, з точки зору завдання кондиціонування повітря, кліматичних умов. Розглянутий прямоточний і два рециркуляційних варіанти схем. Показані процеси: П-О* і П-В зміна станів основного і допоміжного повітряних потоків у I-му рівні охолоджувача НВО; О*-О** охолоджування повітря у II-му рівні, у випарнику ХМ. В-В* - лінія зміни стану допоміжного потоку в конденсаторі.

Для рециркуляційного варіанту 1 (рис. 5Б), при використанні зворотного повітря як допоміжний потік у НВО: Р-В*-В** - хід процесів зміни стану допоміжного потоку; при цьому П-О**-О*** - лінія охолоджування основного потоку в НВО; видно, що процес охолоджування протікає з виділенням вологи, яка може поступати в “мокру” частину випарного охолоджувача. Навантаження на другий рівень охолоджування істотно знижується. Якщо як допоміжний потік використовується суміш зворотного потоку і зовнішнього повітря, процеси протікають по лініях: П*-В*-В** - допоміжний потік;; П-О*-О*** - основний потік.

Чим вище температура зовнішнього повітря, тим вище і холодопродуктивність випарного і комбінованого охолоджувачів (рис. 5Б), при цьому для ХМ можуть виникнути несприятливі режими експлуатації, пов'язані з відмовами в роботі, що повністю виключено для комбінованої системи на основі НВО/ХМ. Обдування конденсатора ГМ холодним допоміжним потоком призводить до зниження температури і тиску конденсації.

На основі методології оцінки “повного життєвого циклу” (ПЖЦ) був виконаний порівняльний аналіз розроблених альтернативних систем. Методологія ПЖЦ розроблена відповідно до стандартів ISO (14040, 14041, 14042 і 14043). Методику розрахунку екологічних індикаторів застосовують для порівняння альтернативних систем з метою мінімізації впливу на довкілля, а також для виявлення потенційних можливостей зниження антропогенного навантаження, при вивченні різних варіантних рішень. При аналізі враховуються: витрата енергії і виділення шкідливих речовин при виробництві матеріалів для порівнюваних об'єктів, споживання енергії і інших витратних матеріалів (наприклад, холодоагенту) при експлуатації, а так само додаткові витрати енергії при утилізації об'єктів і супутні цьому викиди шкідливих речовин (рис. 6Д). Були вибрані такі узагальнені еколого-енергетичні критерії: вплив ПЖЦ порівнюваних систем на глобальну зміну клімату (відповідає повній емісії парникових газів); виснаження природних ресурсів при створенні, експлуатації і утилізації систем (відповідає повному споживанню органічного палива і мінеральних ресурсів за ПЖЦ); шкода, що наноситься довкіллю, тобто відповідні даній шкоді ач-індикатори (окремо враховується шкода людському здоров'ю, екосистемі і виснаження природних ресурсів). Розрахунок всіх вибраних критеріїв заснований на методології eco-indicator 99. Вплив на клімат виражається в спеціальних одиницях DALY (Disability adjusted life years), тобто в цьому індикаторі враховується втрата працездатності, викликана хворобами від кожного виду можливого шкідливого впливу. Відповідно до методики оцінки повного еквіваленту глобального потепління, вплив на зміну клімату прийнято виражати через кг CO₂. Враховувалися всі викиди CO₂ при виробництві енергії і матеріалів, а так само при експлуатації устаткування і його утилізації. Крім того, враховувалися викиди всіх інших парникових газів на всіх стадіях ПЖЦ. Внесок парникових газів в зміну клімату також обчислюється в кг СО2 (перераховується за допомогою спеціальної величини GWP парникового газу, кг/кг CO₂). Відзначимо, що 1кг CO₂ відповідає 2.1^.10^-7 DALY. Внесок у виснаження ресурсів виражається в мДж (показує додаткові витрати енергії, необхідні в майбутньому для видобування руди і палива нижчої якості). Ця величина прямо пропорційна кількості спожитих енергоресурсів на створення, експлуатацію і утилізацію даного об'єкту. Три категорії збитку - вплив на здоров'ї людини, якість екосистеми і виснаження ресурсів, оцінювалися в еко-одиницях. Шкала, в якій порівнюється відносна дія на довкілля, вибрана так, щоб 1 Pt (еко-одиниця) представляла одну тисячну частину щорічного навантаження на довкілля, що виникає від одного середньостатистичного жителя Європи (розраховується відношенням загального навантаження на довкілля, пов'язаного з повними викидами якої-небудь шкідливої речовини в Європі, до загальної кількості жителів Європи і множенням на 1000).

Відзначимо три категорії збитку. При оцінці впливу на здоров'я людини (тобто на число і тривалість хвороб і на тривалість життя) визначається вплив системи на: зміна клімату; руйнування озонового шару; викиди канцерогенів; радіоактивне випромінювання; шкідливі викиди в атмосферне повітря. При оцінці впливу на якість екосистеми (тобто на біорізноманітність) визначаються: викиди екотоксинів; внесок в утворення кислотних дощів; евтрофікація водоймищ; руйнування ґрунту. При оцінці впливу на виснаження природних ресурсів визначається виснаження мінеральних і паливних ресурсів. Розроблена обширна база даних для визначення якості і кількості шкідливих дій і викидів при виробництві певних матеріалів, необхідна для виконання розрахункової програми ПЖЦ. Після обліку вагових коефіцієнтів і підсумовування всіх шкідливих дій виходить екоіндикатор, що має розмірність Pt (еко-одиниця), який можна використовувати для порівняння альтернативних об'єктів. Найбільш суперечливим моментом є визначення ваги кожної категорії, оскільки вони мають різну розмірність (вплив на зміни клімату - кг СО₂, на руйнування озонового шару - кг R11, вплив на утворення кислотних дощів - кг SО₂). У роботі цей етап аналізу виконувався з використанням бази даних програми “SimaPro-6”. При виконанні аналізу, використовувалися середні дані для країн Євросоюзу.

Був розглянутий конкретний приклад альтернативного охолоджувача на основі НВО/ХМ, де в першому рівні використовується НВО, а в другій - даховий кондиціонер французького виробництва CAAE/CAEN-31; для порівняння був взятий кондиціонер CAAE/CAEN-51 (холодопродуктивність у порівнюваних варіантів однакова). На рис. 6 надані результати аналізу. Видно, що по всіх трьох категоріях екологічної дії, традиційна парокомпресійна СКП поступається альтернативній на всіх стадіях життя. Найбільша вплив на довкілля виробляється під час експлуатації системи і пов'язане з енергоспоживанням системи. Загальна екологічна дія в цей період для альтернативної системи складає до 64,5% від цієї ж дії для традиційної.

Загальні висновки

1.Практичне використання випарних методів охолоджування вимагає вирішення декількох принципових питань: розширення кліматичної області використання самих методів, підвищення компактності і зниження енергоспоживання систем. Найбільш перспективне включення випарних охолоджувачів до складу випарно-парокомпресійніх охолоджувачів на основі раціонального поєднання природних і штучних методів охолоджування середовищ.

2.Особливий інтерес представляють випарні охолоджувачі непрямого типу, в яких охолоджування повітря досягається без прямого контакту з водою; розроблені випарні охолоджувачі на основі апаратів плівкового типа з багатоканальною структурою насадки і роздільним рухом потоків газу і рідини, а також регулярній шорсткості поверхні для інтенсифікації процесів теп ломасообміну.

3.Розглянуті умови роботи випарних охолоджувачів прямого і непрямого типів, комбінованих і багатоступінчастих випарних охолоджувачів; показано, що число рівнів в каскаді охолоджувачів НВО/НВО не повинне перевищувати два і що оптимальною є схема охолоджувача у складі НВО/ПВО.

4.Створення випарно-парокомпресійніх систем на основі НВО (перший рівень) і ХМ (другий рівень), дозволяє “включити” випарний охолоджувач на високому температурному рівні, де він досить ефективний, і використовувати допоміжний повітряний потік для обдування конденсатора ХМ; це дозволяє понизити витрату води на підживлення замість тієї, що випарувалася в НВО; при відносній вологості вище 35-45%, втрати на випарювання можуть бути компенсовані повністю.

5.Результати зіставлення випарно-парокомпресійного кондиціонера (у першому рівні НВО і в другому даховий кондиціонер CAAE/CAEN - 31) з кондиціонером CAAE/CAEN - 51, показали, що комбінована схема дозволяє понизити встановлену потужність компресора з 16.8 до 11.3 кВт; забезпечує зниження температури конденсації від 45°С до 35°С і зниження витрати енергії на стискування на 14%; з'являється можливість повного повернення води у випарний контур.

6.Виконаний загальний екологічний аналіз альтернативних рішень в області холодильних і кондиціонуючих систем з використанням методології і бази даних “Повний життєвий цикл” (міжнародні стандарти ISO (ISO 14040, 14041, 14042 і 14043, база даних програми “SimaPro-6”); альтернативна система на основі НВО/ХМ призводить до меншого виснаження природних ресурсів, чим традиційна СКП; вона вносить менший вклад до глобальної зміни клімату; загальна екологічна дія для альтернативної системи складає 64.5% від цієї ж дії для традиційної системи!

Публікації по темі дисертації

1. Филипцов С.Н., Горин А.Н, Дорошенко А.В., Федоров А.Г. Экспериментальный стенд для изучения охладителей испарительно-парокомпрессионого типа // Холодильная техника и технология. - 2006. -№1. - С. 5-9. Особистий внесок: розробка схемних рішень на основі НВО/ХМ.

2. Дорошенко О.В., Федоров О.Г., Горiн О.М., Фiлiпцов С.М. Випарний охолоджувач непрямого типу. Патент України на винахід № 74525. Зареєстрований 15.12.05. Опублікований 15.12.05. Бюлетень №12. Особистий внесок: конструктивний розрахунок.

3. Філіпцов С.Н., Федоров О.Г. Випарно-парокомпресійні охолоджувачі // Обладнання та технології харчових виробництв: Темат. зб. наук. пр. Вип.15. - Донецьк: ДонДУЕТ, 2006 - С. 18 - 23. Особистий внесок: виконання аналізу попередніх результатів, розробка схемних рішень.

4. Дорошенко А., Федоров А., Георгалина Е.. Разработка испарительных охладителей непрямого типа, Холодильная техника и технология, №1, 2007, С. 5 - 9. Особистий внесок: виконання аналізу можливостей непрямих випарних охолоджувачів.

Конференції: 4-ій між народній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми холодильної техніки і технології”, м. Одеса, 21-23 вересня 2005 р.; ii міжнародній науково-практичній конференції “Харчові технології”, Одеса, 2006 р.; II Всеукраїнському науково-технічному семінарі: “Удосконалення конструкції та підвищення теплоенергетичної ефективності малих холодильних машин”, м. Донецьк; 2006 р.; VI науково-технічній конференції: “Сучасні проблеми холодильної техніки і технології”, м. Одеса, 19-21 вересня 2007 р.

Размещено на Allbest.ru