Исследование влияния солнечной радиации и ночного излучения на работу холодильной машины

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°С, а на юге – 1,5°С. Самый теплый месяц в Казахстане – июль. Среднеиюльская температура на севере республики

19,1 °С, на юге 29,3 °С. 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 8 К, среднеарифметический напор более 11 К и скрытый коэффициент теплопередачи k=50 Вт/м2∙К, отметим что подобное значение нагрева воздуха превосходит рекомендуемый отечественный диапазон ∆tв = 4-6 К 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:

t p.в

=0.4t

ср.жар.мес

+0.6t макс.

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 заметно 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 °С (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÷12 °С);

дtc.p – избыточный температурный напор, характеризующий солнечную радиацию (дtc.p = 5÷15 °С).

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 таблицу 1.

Таблица 1 - Максимальные температуры конденсации для компрессоров с разными хладагентами

№ п/п	Наименование компрессора	Тип хладагента	Максимальная температура конденсации tкmax
1	Поршневой	R22	62
		R407C	62
		R404A	55

		R507A	55
		R717	55
		R134a	80
2	Спиральный	R22	65
		R407C	65
		R404A	55
		R507A	55
		R134a	70
3	Винтовой сальниковый	R404A	55
		R507A	55
		R134a	70
4	Винтовой полугерметичный	R404A	55
		R507A	55
		R22	60
		R134a	65

Солнечная радиация также 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∙S

катка ,

где: q – поглощенная радиация, Вт/м2;

S катка – площадь ледового поля, м².

Q с.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;

∆t эф – изменение температуры за счет эффективного излучения (5-10°С).

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 t возд =-8,7 °С, для режима охлаждения и хранения продуктов на молзаводах температура хладоносителя t хл = 0 ÷ -1 °С. Температура наружной поверхности теплообменника, охлаждаемого эффективным излучением, составит t н = -13,7÷-18,7 °С. Для расчета холодопроизводительности воспользуемся следующей формулой:

Q = Fkθср, где: F – площадь теплопередающей поверхности, м2;

k – коэффициент теплопередачи, Вт/м2∙К;

θ ср – среднелогорифмическое значение температурного напора, °С.

Для расчета примем теплообменник размерами 10,0×10,0 м, с оребрённой теплопередающей поверхностью, площадь теплопередающей поверхности составит 130 м2.

Q = 26 кВт.