Результаты предварительной экспериментальной проверки использования низкотемпературных теплоносителей при работе тепловых насосов

Введение. Применение тепловых насосов наиболее эффективно в технологических процессах, где одновременно требуется высокая температура теплоносителя и низкая температура хладагента. В этом случае использование низкотемпературных источников тепловой энергии позволяет повысить эффективность охлаждения продукции с получением дополнительной тепловой энергии. Использование тепловых насосов в технологических процессах производства сельскохозяйственной продукции снижает их энергоёмкость [1–4]. Ограничением в их использовании являются низкотемпературные источники энергии. Дело в том, что тепловые насосы типа «вода – вода» хорошо работают только при температуре холодного источника до 5 ºC. При сильных морозах эффективность работы тепловых насосов всех типов резко падает, а теплообменные поверхности покрываются коркой льда. В России, зов, использование воды близлежащих водоемов проблематично, а грунт промерзает на глубину до полутора метров и больше. К тому же более половины территории России находится в зоне вечной мерзлоты, где устройство грунтовых теплообменников невозможно в принципе.

На рынке предлагают тепловые насосы типа «воздух – воздух» [5] с диапазоном рабочих температур -25…+48 ºC. Указание в паспорте этих установок отрицательных температур позволяет создать впечатление, что они эффективно работают и при таких температурах. Однако в данных установках для предотвращения намораживания льда на теплообменниках используют их нагрев, что снижает эффективность их применения. Для решения данной проблемы предложено использовать дополнительный теплообменник с гибкой мембраной [6, 7] (рисунок 1).

опять же из-за продолжительных зимних моро-

I – режим подачи хладоносителя; II – режим отвода хладоносителя;

1 – разъемный корпус; 2 – мембрана; 3 – патрубок подвода и отвода хладоносителя;

4 – вода; 5 – лед

Рисунок 1 – Схематичное изображение мембранного теплообменника

Сверху мембраны находится вода, от которой отнимается тепловая энергия. Под мембрану подаётся хладагент, который отнимает тепловую энергию воды. Теплообмен осуществляется через гибкую мембрану. В результате охлаждения воды на поверхности мембраны образуется ледяная корка. Хладоноситель может нагнетаться в подмембранное пространство и выпускаться из-под мембраны. За счёт этого осуществляется колебание мембраны. Колебание мембраны способствует тому, что образовавшаяся корка льда разрушается и всплывает вверх. Этот процесс повторяется циклически, и со временем происходит замерзание всего объёма воды, находящейся в надмембранном пространстве. Поскольку образование льда проис- ходит пластинами, то в результате образуется своеобразный «слоёный пирог» из пластин льда. Особенностью процесса является то, что толщина образующихся пластин льда не остаётся постоянной. Их толщина будет зависеть от частоты колебаний мембраны. Толщина ледяных пластин может существенно влиять на скорость их растворения при приготовлении холодной воды для пастеризационных установок.

Важным элементом процесса является возможность получения энергии преобразования «вода – лёд». Известно [8, 9], что в данном случае при замерзании воды выделяется столько же тепла, как при её нагревании до 80 ºC. В этом случае эффективность использования теплонасосных установок может быть выше, чем при стандартной схеме их применения, за счёт расширения температурного диапазона теплоносителя. Необходимо оценить, насколько реализуем этот процесс, какова возможность получения этой энергии. Для ответа на данные вопросы был спланирован и проведён факторный эксперимент.

Планирование эксперимента и методика исследования. Для проведения эксперимента была разработана и изготовлена экспериментальная установка, структурная схема которой приведена на рисунке 2. В качестве комплектующих элементов системы использовали элементы системы воздушного охлаждения (сплит-системы). Поэтому эффективность преобразования полученной экспериментальной установки нельзя считать максимальной. При использовании стандартных тепловых насосов типа «вода – вода» энергетические показатели были бы лучше, но на этапе предварительных исследований важно было оценить реализуемость принципа, поэтому довольствовались данным вариантом установки.

• 1    – компрессор; 2 – теплообменник «фреон – воздух»; 3 – дросселирующее устройство;

4 – теплообменник «фреон – этиленгликоль»; 5 – циркуляционный насос;

• 6    – мембранный теплообменник «этиленгликоль – вода»; 7 – буферная емкость;

8 – блок управления давлением

Рисунок 2 – Структурная схема экспериментальной установки

Компрессор 1 прокачивает фреон через теплообменник 2, где фреон охлаждается окружающим воздухом. В свою очередь в теплообменнике 4 фреон «отбирает» температуру от этиленгликоля, который с помощью рециркуляционного насоса 5 прокачивается по контуру: теплообменник 4; мембранный теплообменник 6 «этиленгликоль – вода»; блок управления давлением 8, теплообменник 4. Для создания запаса этиленгликоля в контуре служит буферная ёмкость 7. С помощью блока управления давлением 8 изменяют скорость перемещения этиленгликоля по контуру. Если скорость перемещения этиленгликоля изменять циклически, то мембрана в теплообменнике 6 будет поочерёдно выгибаться и опускаться.

Была поставлена цель: определить влияние периода заполнения подмембранного пространства этиленгликолем на толщину слоя намерзающего льда. Эксперимент проводился следующим образом. В бак с надмембранным пространством заливали два литра воды температурой 10 ºC. Запускали установку и с помощью блока управления давлением задавали требуемое время заполнения этиленгликолем подмембранного пространства. Время наполнения изменяли от 24 до 1200 с. Время, в течение которого этиленгликоль вытекал из подмембранного пространства, оставалось постоянным и составляло 90 с. Таким образом, полный цикл т впуск/выпуск находится как сумма двух полупериодов. После изгибания мембраны и отделения слоя льда измеряли его толщину h с помощью штангенциркуля. Результаты измерения заносились в таблицу.

Для аппроксимации экспериментальных данных использовали пакет прикладных программ MATLAB, графический интерфейс CurveFittingToolbox [10]. Экспериментальные данные были аппроксимированы следующей зависимостью:

һ = (4.495е04 ■ т² - 1.175е07 • т + 1.011е09)/ /(т³ + 4829 • т² - 5.178е05 ■ т + 5.923е08).

Графическая зависимость, полученная для данного уравнения, представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Зависимость толщины льда, намерзающего на мембране, от времени полного цикла

Качество аппроксимации оценивалось по следующим характеристикам: SSE: 0.05461; R-square: 0.9983.

Из графика видно, что в диапазоне времени полного цикла 200–600 с имеется широкая возможность регулирования толщины намораживаемого на мембране слоя льда. В дальнейшем необходимо уточнить, при какой толщине намораживаемого слоя льда будет максимальная скорость его растворения.

Второй целью проведения экспериментальных исследований было определение возможности использования энергии фазового перехода «вода – лёд» для технологических нужд. Для этого в бак над мембраной заливали постоянный объём воды два литра с различными температурами. Исходная температура воды принималась исходя из особенностей технологии.

Так, например, температура артезианской воды на выходе секции охлаждения пастеризационной установки может повышаться до 25– 30 ºC. По технологическим требованиям молоко после пастеризации должно быть охлаждено до 4 ºC, однако артезианская вода, используемая для охлаждения, редко имеет температуру ниже 8 ºC. Поэтому для повышения эффективности охлаждения необходимо иметь температуру охлаждающей воды в диапазоне 1–3 ºC. Исходя из этих предпосылок температуру воды в баке над мембраной изменяли в диапазоне от 4 до 28 ºC с интервалом в 16 ºC.

Требуемую температуру воды обеспечивали, растворяя в водопроводной воде заранее приготовленный лёд. Температуру воды контролировали с помощью температурных датчиков, располагаемых непосредственно в ёмкости с водой. Период полного цикла колебания мембраны изменяли в диапазоне 200–600 с. В процессе охлаждения воды контролировали с помощью датчиков температуру воздуха на выходе из воздушного теплообменника. Производительность вентилятора воздушного теплообменника оставалась постоянной. Визуально контролировали появление первого слоя льда. Полученные результаты для исходной температуры воды 18,9 ºC, периода полного цикла колебания мембраны 200 с, температуры атмосферного воздуха 17,2 ºC представлены на рисунке 4.

Из графиков рисунка 4 видно, что температура воздуха на выходе теплообменника изменяется с 26,8 ºC в начале процесса до 21,6 ºC. Наибольшее падение температуры воздуха на выходе теплообменника наблюдается при снижении температуры теплоносителя с 18,9 ºC до 9,1 ºC. В дальнейшем температура воздуха на выходе теплоносителя уменьшается не более чем на 1,4 ºC.

Через 15 минут после начала охлаждения воды образовался первый лёд. В дальнейшем образование льда происходило в течение всего времени. За 45 минут с момента появления первого льда до завершения процесса было получено 1,937 кг льда. Примечательно, что только к 55-й минуте процесса температура охлаждаемой воды стала равна 0 ºC.

Рисунок 4 – Изменение температуры воды над мембраной и температуры воздуха на выходе теплообменника

С точки зрения получения энергии наиболее интересен именно этот период. Температура воздуха, подаваемого на воздушный теплообменник, составляла 17,2 ºC. При прохождении через теплообменник он нагревался до 21,6 ºC (плюс 4,4 ºC ). Это позволяет говорить, что для подогрева воздуха использована энергия фазового перехода «вода – лёд». Одновременно с получением льда, который может быть использован в технологических процессах охлаждения сельскохозяйственной продукции, получена тепловая энергия для подогрева воздуха.

Выводы. Применение тепловых насосов в технологических процессах АПК, где используются низкотемпературные источники энергии, ограничивается из-за замораживания системы и снижения эффективности её работы.

Расширение возможностей использования тепловых насосов может быть получено за счёт применения промежуточных теплообменников с гибкой мембраной.

Использование мембранных теплообменников позволяет регулировать скорость намораживания льда, его толщину и влиять на структуру получаемого льда, что очень важно для регулирования скорости приготовления холодной воды в технологических процессах охлаждения продукции.

Использование мембранного теплообменника позволяет одновременно с производством льда получать энергию фазового перехода «вода – лёд» без обмораживания теплообменников, что позволяет использовать тепловые насосы в технологических процессах, в которых одновременно необходимо производить нагрев и охлаждение продукции (например, в пастеризационных установках).