ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ: ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРЫ «СУХОЙ» АБСОРБЦИИ ДЛЯ СИСТЕМ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Рассматриваются гелиоэнергетические термотрансформаторы для производства теплоты и холода в наиболее благоприятных климатических зонах России. Приводятся примеры действия термотрансформаторов циклического действия на рабочих парах, нашедших наиболее широкое применение благодаря своим хорошим сорбционным качествам (соли щелочноземельных металлов СаСl2 и SrCl2 (сорбент) и аммиак (хладагент)). Описаны три основных направления повышения эффективности термотрансформаторов: использование чистых сорбентов с примесями порошкообразного графита (коэффициент теплопроводности с увеличением добавок графита возрастает у SrCl2 в 1,3 раза, у CaCl2 ≈ в 4 раза); окрашивание инсолирующих поверхностей термотрансформатов селективным покрытиями (эффективность работы таких поверхностей по сравнению с поверхностями с простым окрашиванием матовой черной краской увеличивается в 1,8-2 раза, улучшаются также эксплуатационные и эстетические свойства поверхностей); совершенствование конструкций как реакторов генераторов-абсорберов, так и самих установок. В условиях климата Астраханского региона проведены испытания новой конструкции автономного термотрансформатора на рабочей паре CaCl2 - NH3. Приведены графики изменения температуры в аппаратах установки в суточном режиме работы: максимальная температура нагрева генератора-абсорбера днем - 120 °С, ночью - 70 °С, минимальная температура достигала -15 °С. Показано, что теплоту можно получать практически круглые сутки. Применение таких термотрансформаторов запатентовано для систем термоподготовки воды при содержании и разведении различных видов гидробионтов. Рассмотрена одна из схем применения термотрансформаторов с питанием от возобновляемых источников энергии (солнечной и ветровой).

Ключевые слова:
гелиоэнергетические термотрансформаторы, «сухая» абсорбция, экспериментальная установка, термоподготовка воды
Текст
Введение Согласно Энергетической стратегии России на период до 2030 г., предусматривается широкое использование нетрадиционных, возобновляемых источников энергии: солнечной, геотермальной, приливной, ветровой, а также биомассы в различных системах природообустройства. Особый интерес представляет использование в южных районах страны солнечной энергии для получения тепла и холода. Наиболее благоприятными климатическими зонами эксплуатации гелиоэнергетических установок в России являются Нижнее Поволжье (Астраханская и Волгоградская области), Кавказский регион, Краснодарский, Ростовский и Ставропольский края, Хакасия, Забайкальский край и Дальний Восток. Если с преобразованием солнечной энергии в тепловую все вроде бы понятно: ее получают или через теплоноситель при помощи прямого воздействия на коллекторные устройства, или фокусированием солнечных лучей через гелиостаты на объекты нагрева (концентрируя их через зеркальные отражатели или линзы Френеля на различные адаптирующие поверхности и т. п.), то получение холода с использованием энергии солнечной радиации является задачей весьма непростой [1]. Анализ существующих способов получения холода с помощью солнечной энергии позволяет выделить сорбционные способы преобразования как наиболее перспективные. Среди сорбционных способов, используемых в установках по преобразованию солнечной энергии в холод, следует выделить «мокрую» абсорбцию, «сухую» абсорбцию и адсорбцию [2]. В настоящее время и в России, и за рубежом уже разработаны и эксплуатируются абсорбционные гелиоэнергетические термотрансформаторы малой и средней холодопроизводительности, применяемые в основном для кондиционирования воздуха в жилых помещениях, хранения пищевых продуктов и медикаментов. Опыт создания абсорбционных гелиоэнергетических термотрансформаторов выявил специфическую особенность их проектирования: необходимость учета количества энергии солнечной радиации, падающей на квадратный метр земной поверхности, продолжительности солнцестояния в сезоне предполагаемой эксплуатации, метрологических параметров движения солнца по небосводу. С учетом этого в установках предусматривают сильно развитые поверхности гелиоприемной части (солнечные коллекторы, генераторы, генераторы-абсорберы), ориентированные в строго определенном направлении с оптимальным углом наклона к горизонту, меняющимся при движении солнца. Более высокая температура обогрева генератора гелиоэнергетического термотрансформатора повышает его эффективность (коэффициент полезного действия), но в то же время усложняет конструкцию гелиоприемной части и увеличивает его стоимость. Теоретическая часть В основе работы гелиоэнергетического термотрансформатора циклического действия лежат известные обратимые экзотермические сорбционные процессы, периодически протекающие в аппаратах установки под действием суточных изменений температуры и давления. Днем высокие значения температуры и давления, возникающие благодаря энергии солнечной радиации, позволяют осуществлять процессы десорбции (выделение паров хладагента из сорбента) и конденсации (сжижение паров хладагента и накопление конденсата в ресивере) - так называемый процесс регенерации. Ночью низкие значения температуры и давления (за счет ночной температуры окружающей среды и сорбционных процессов) позволяют осуществлять процессы испарения из жидкого состояния хладагента и поглощения его сорбентом - так называемый процесс «сухой» абсорбции или адсорбции (в зависимости от применяемого сорбента). В термотрансформаторах «сухой» абсорбции могут использоваться различные соли: SrBr2, CaBr2, MnCl2, CdCl2, и BaCl2, но наиболее широкое применение нашли соли щелочноземельных металлов - СаСl2 и SrCl2, в качестве хладагента используется аммиак [3]. Один моль сухого хлористого кальция при охлаждении способен поглотить 1, 2, 4 или 8 молей NH3. При этом соответственно образуются моно-, ди-, тетра- или октоаммиакаты хлористого кальция. Хлористый стронций может образовывать только моно-, ди- и октоаммиакаты. Существование таких комплексных соединений определяется только температурой. Уравнения реакций комплексных соединений CaCl2 с NH3: Уравнения реакций комплексных соединений SrCl2 с NH3 [4]: В сорбционных термотрансформаторах химико-физические процессы в реакторах генератора-абсорбера проходят на стадии образования окто- или тетрааммиакатов, т. к. образование диаммиаката требует подвода и (или) отвода значительно большего количества тепловой энергии до достижения необходимых значений температуры. Комплексы существуют при следующих значениях температуры: комплекс октоаммиаката (CaCl2∙8NH3) - 95-100 °C, комплекс тетрааммиаката (CaCl2∙4NH3) - 105-110 °C, комплекс диаммиаката (CaCl2 ∙2NH3) - 115-120 °C. При прогреве соли до 125-130 °C она становится сухой [3]. Комплексные соединения хлорида стронция существуют при более низких значениях температуры, кроме того, переход сразу из диаммиаката в октоаммиакат значительно снижает количество подводимой тепловой энергии. Однако использование CaCl2 определяется его более низкой стоимостью и более высокой удельной абсорбционной способностью - на 1 кг сухой соли приходится 1,22 кг аммиака. Несмотря на хорошие сорбционные качества солей щелочноземельных металлов, их теплофизические характеристики (теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность) остаются низкими. Это негативно сказывается на протекании физико-химических реакций в реакторах генератора-абсорбера гелиоэнергетического термотрансформатора (неравномерный подвод и отвод тепловой энергии, большая насыпная масса соли, изменение объемных параметров при формировании комплексных соединений по стадиям, неравномерность распределения внутри реактора тепловых потоков энергии и температурных параметров). Именно поэтому поиск перспективных сорбентов, комплексных добавок к уже известным сорбентам актуален с точки зрения повышения эффективности работы таких термотрансформаторов. Экспериментальная установка Гелиоэнергетический термотрансфрматор циклического действия (рис. 1) представляет собой установку, в состав которой входят следующие основные аппараты: генератор-абсорбер 1 совмещенного исполнения, выполненного с плоскими концентраторами солнечной энергии 2, трехкратно фокусирующими на цилиндрическую поверхность реактора 3 генератора-абсорбера энергию солнечной радиации; конденсатор 4 воздушного или водяного охлаждения; ресивер 5 - накопитель конденсата; испаритель 6, встроенный в охлаждаемую камеру 7; обратные клапаны 8, 9; запорный вентиль 10, осуществляющий подачу холодильного агента в испаритель. Рис. 1. Схема конструкции экспериментального гелиоэнергетического термотрансформатора «сухой» абсорбции Процесс охлаждения, как отмечалось выше, осуществляется только ночью, причем температура на стенках испарителя при испарении, например, аммиака может достигать отрицательных значений, что не только охлаждает воздух в изолированном пространстве камеры 11, но и приводит к замораживанию воды в ванночке, установленной в холодильном контуре. Лед, полученный в ночное время, является аккумулятором холода днем, поддерживая низкую температуру. Экспериментальные исследования по повышению эффективности термотрансформаторов В ходе экспериментальных исследований рассматривались три основных направления повышения эффективности термотрансформаторов. 1. Применение графитовых добавок. С целью улучшения теплофизических свойств сорбентов проводились исследования по применению графитовых добавок в соединениях таких солей, как CaCl2 и SrCl2 [4]. Коэффициент теплопроводности графита значительно выше коэффициента теплопроводности хлористого кальция (λCaCl2 = 0,05 Вт/м2; λграфит = 18,3 Вт/м2). Порошок графита - мелкозернистый материал, хорошо перемешивающийся и проникающий между кристаллами аммиакатов, в смесях ведет себя как металл, не вступая ни в какие реакции с жидкостями. Результаты исследований показали, что коэффициент теплопроводности с увеличением добавок графита увеличивается у CaCl2 приблизительно в 4 раза по сравнению с чистой солью, у SrCl2 лишь в 1,3 раза. Это можно объяснить структурой данных солей: CaCl2 - сыпучий мелкодисперсный белый порошок, SrCl2 имеет игольчатую структуру. При утрамбовке солей уже не наблюдается такого разброса в полученных данных, т. к. иглы у SrCl2 разрушаются, что обеспечивает плотность прилегания частиц соли друг к другу. Были получены математические уравнения, описывающие зависимости коэффициента теплопроводности l, температуропроводности а и теплоёмкости ср от концентрации графитовых примесей в соли x. - для SrCl2: l = 0,000 2x2 + 0,002 1x + 0,328 4, а = 2∙10-14 ∙ x2 - 2 ∙ 10-13 = x + 4∙10-09, ср = 132,41x2 - 186 6,7x + 130 186. - для CaCl2: l = -0,003 1x2 + 0,054 3x + 0,077 5, а = -4∙10-15x2 + 2∙10-13x + 4∙10-09, ср = -152 7,3x2 + 26 592x + 38857. 2. Окрашивание инсолирующих поверхностей реакторов генератора-абсорбера гелиоэнергетического термотрансформатора селективными покрытиями. В Астраханском государственным техническом университете (АГТУ) разработано несколько видов селективных покрытий, защищенных патентами РФ (№ 2137861, № 2287613, № 2365676) [5-7]. В основе получения этих покрытий лежат методы черного хроматирования цинка, черного оксидирования стали, осаждения черных антикоррозионных покрытий на сталь. Полученные при этом электролиты помимо известных веществ имеют соединения с новыми структурными формулами. Такие комплексные соединения позволяют улучшить не только инсолирующие свойства поверхностей, но и эксплуатационные и эстетические. Покрытия подобного рода позволяют увеличить эффективность работы поверхностей по сравнению с простым окрашиванием матовой черной краской в 1,8-2 раза. 3. Совершенствование конструкций как реакторов генераторов-абсорберов, так и самих установок. В [8, 9] (патенты РФ № 21379911 и № 2263859) предложено несколько оригинальных конструкций реакторов. В основе разработок лежат подвижные элементы деталей, компенсирующие объемные изменения сорбента при образовании и распаде аммиакатов, которые могут достигать 3-кратных размеров, и металлические конструктивные фрагменты, улучшающие подвод и отвод тепловой энергии во внутренние слои сорбента, а также капсульный способ зарядки реактора армированными гильзами, включающими в себя подвижные винтообразные детали из сплава с памятью формы. Разработана также новая конструкция автономного гелиоэнергетического холодильника (патент РФ № 2315923) [10]. Отличительная особенность гелиоэнергетического холодильника - реакторы, горизонтально расположенные на различных уровнях относительно Земли, имеющие два входа и выхода хладагента, один хладопроводящий неизолированный коллектор-конденсатор и дополнительный ресивер. Автоматизированная работа осуществляется тремя терморегулирующими вентилями и перепускными трубками, соединяющими испаритель и ресиверы по температурным перепадам в генераторе-абсорбере. Экспериментальные испытания термотрансформатора Испытания конструкции гелиоэнергетического термотрансформатора, подобной приведенной на рис. 1, были проведены летом на открытом полигоне в Астраханском регионе. На рис. 2 представлены графики изменения среднестатистических значений температуры в аппаратах установки в течение суток. Рис. 2. График изменения среднестатистических значений температуры гелиоэнергетического термотрансформатора и параметров окружающей среды в течение суток: 1 - на поверхности генератора-абсорбера; 2 - наружного воздуха; 3 - в холодильной камере; 4 - в испарителе Согласно графику на рис. 2, максимальная температура поверхности реакторов генератора-абсорбера может достигать 118-120 °С (это проявляется примерно в 12 часов солнечного времени); в ночное время - 68-70 °С, что может использоваться для нагрева теплоносителя. Таким образом, теплоту в гелиоэнергетических термотрансформаторах можно получать практически круглые сутки. Охлаждающий эффект может быть достигнут только в ночное время (в условиях Астраханской области - с 21-22 часов, при этом температура сначала резко падает до -15 °С, затем медленно растет, оставаясь отрицательной в течение всего ночного времени). Применение гелиоэнергетических термотрансформаторов в системах природообустройства В АГТУ были разработаны системы для термоподготовки воды на основе применения тепловых насосов, работающих как на традиционных, так и на альтернативных источниках энергии. Новизна схемных и конструктивных решений определена патентами РФ № 80543 и № 126894 [11, 12]. В основе предложенных конструктивных решений лежат элементы известных конструкций, которые в данном случае работают от традиционных и возобновляемых источников энергии, в частности солнечной, ветровой, энергии биогаза. В системах имеются, как правило, два водяных контура (теплый и холодный). Гелиоэнергетический термотрансформатор предназначен для нагрева теплого водяного контура и охлаждения холодного водяного контура, причем охлаждение возможно с получением водяного льда. Рис. 3. Схема установки для термоподготовки воды автономного действия На рис. 3 показана схема автономной установки для термоподготовки воды, состоящей из теплового насоса (1, 2, 3, 4, 14, 5, 6, 19, 20, 23), к которому подключены солнечный аккумулятор тепла 8, через вентили 7, 15, 16 , биогенератор 10 через вентили 9, 13, 17 и гелиоэнергетический термотрансформатор 12 через соответствующие вентили (11, 21, 22); теплого водяного контура, проходящего через гелиоэнергетический термотрансформатор (25, 26, 27, 37, 12, 36, 2, 29, 24), и холодного водяного контура, проходящего также через гелиоэнергетический термотрансформатор (39, 40, 41, 43, 12, 44, 42, 38). Установка работает от ветрогенератора и фотобатарей, дополнительно в установку включены солнечные тепловые аккумуляторы и биогенераторы. Управляет всей установкой логический блок ЭВМ. Заключение По результатам исследования можно сделать следующие выводы: - в Астраханском государственном техническом университете создана прочная фундаментальная база для разработки, совершенствования и внедрения в различные отрасли производства гелиоэнергетических термотрансформаторов «сухой» абсорбции; - исследованы теплофизические параметры различных рабочих пар (сорбент-хладагент) на основе солей щелочноземельных металлов с примесями порошкового графита и получены новые селективные покрытия на различных адаптирующих поверхностях; - разработаны новые конструкции элементов гелиоэнергетических термотрансформаторов и схемные решения самих новых конструкций установок; -изготовлен экспериментальный образец гелиоэнергетического термотрансформатора, проведены испытания его действия на рабочей паре CaCl2 с примесью графита-аммиак в условиях южного региона страны; - разработаны новые схемы внедрения гелиоэнергетических термотрансформаторов в рыбоводные комплексы систем для содержания и выращивания различных гидробионтов.
Список литературы

1. Руденко М. Ф., Туркпенбаева Б. Ж., Чивиленко Ю. В. Теоретические основы проектирования экологически безопасной гелиоэнергетической техники для производства теплоты. Актау: АктГУ им. Ш. Есенова, 2008. 165 с.

2. Руденко М. Ф. Концепция развития экологически безопасной гелиоэнергетической техники для производства тепла и холода // Безопасность жизнедеятельности. 2006. № 10. С. 46-50.

3. Руденко М. Ф., Шипулина Ю. В. Гелиоэнергетические термотрансформаторы «сухой» абсорбции циклического действия. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2013. 172 с.

4. Чивиленко Ю. В., Туркпенбаева Б. Ж., Руденко М. Ф. Повышение эффективности экологически безопасных гелиоэнергетических холодильных установок циклического действия // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2008. № 6. С. 17-20.

5. Пат. РФ № 2137861. Электролит для черного хроматирования цинка / Руденко М. Ф., Кравцов Е. Е., Идиатулин С. А., Макарова Н. А., Черкасов В. И., Кудяков М. В.; заявл. 27.02.1997; опубл. 20.09.1999.

6. Пат. РФ № 2287613. Электролит для черного оксидирования стали / Кравцов Е. Е., Руденко М. Ф., Сурков М. И., Гомоненко О. И., Балахонова К. С., Скрипниченко С. П., Кириченко В. И., Шенбор М. И., Янченкова Т. А.; заявл. 10.02.2005; опубл. 20.11.2006.

7. Пат. РФ № 2365676. Электролит для осаждения черных антикоррозионных оксидных покрытий на сталь / Долецкая К. А., Кравцов Е. Е., Горская А. С., Мифтахова Г. Ф., Руденко М. Ф., Сурков М. И., Кириченко В. И., Шенбор М. И., Огородникова Н. П., Кондратенко Т. С.; заявл. 25/07/2008; опубл. 27.08.2009.

8. Пат. РФ № 2137991. Генератор-адсорбер гелиохолодильника / Руденко М. Ф., Альземенев А. В., Анихуви Жак Анри Джиджохе, Черкасов В. И., Макеев П. А.; заявл. 5.01.1998; опубл. 20.09.99.

9. Пат. РФ № 2263859. Реактор генератора-абсорбера гелиохолодильной установки (варианты) / Руденко М. Ф., Ильин А. К., Коноплева Ю. В., Ильин Р. А., Заикин Е. Ю.; заявл. 07.03.2003; опубл. 10.11.2005.

10. Пат. РФ № 2315923. Гелиоэнергетический холодильник / Руденко М. Ф., Надиров Н. К., Чивиленко Ю. В., Черкасов В. И., Антипов А. Е., Марков А. А., заявл. 27.07.2006; опубл. 27.01.2008.

11. Пат. № 80543. Установка для термоподготовки воды в водоемах автономного действия / Руденко М. Ф.; Зайцев В. Ф.; Руденко Л. П., Чивиленко Ю. В., Мельник И. В.; Шипулин С. В.; заявл. 27.05.2008; опубл. 10.02.2009.

12. Пат. РФ № 126894. Установка по термоподготовке воды для содержания и выращивания гидробионтов / Руденко М. Ф., Шипулина Ю. В., Третьяк Л. П., Руденко А. М., Нургалиев Р. И., Каримов М. Ш.; заявл. 21.11.2012; опубл. 20.04.2013.