Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

1.1. Оценка потенциальных возможностей использования природного холода для холодоаккумуляции льда в Центральном федеральном округе России

Центральный федеральный округ расположен в центре Восточно-Европейской равнины. Территория округа составляет 650 205 км². В его состав входят 18 субъектов Российской Федерации: Белгородская, Брянская, Владимирская, Воронежская, Ивановская, Калужская, Костромская, Курская, Липецкая, Московская, Орловская, Рязанская, Смоленская, Тамбовская, Ярославская области. Округ является самым заселенным федеральным округом России – 38.3 млн человек [76].
Климат Центрального ФО умеренно-континентальный, средняя температура января от -7 до -14℃, июля от +16 до +22℃.
Японские ученые, исследуя эффективность аккумулирования природного холода для нужд сельскохозяйственного производства, пришли к выводу - аккумулирование природного холода высокоэффективно в областях, где индекс холода больше 400 градусосуток [7].
Индекс холода вычисляется по формуле (1.1):

�� = ∑(���� ×����),

(1.1)

где ����- среднесуточная температура окружающего воздуха в зимний период времени, град; ���� – количество дней в году с температурой ниже ноля.
По данным Гидрометцентра России [77] проведен анализ средних температур за последние три года, которые представлены в Таблице 1.
Таблица 1

Дата	Температура воздуха, , сезон 2014/2015/2016 год
	Ноябрь	Декабрь	Январь	Февраль	Март
1	+3,1/-1,2/+2	-6,3/-12,2/-3,3	-0,9/-10/-14	-18,5/-3,7/-3,7	-5,5/-1,2/-7
2	+4,7/-2,9/+4	-5,1/-11,4/-2,7	-3,6/-7/-17	-10,9/-3,9/-2,4	-2,5/-2,7/-3
3	+2,7/-2,9/+6	-10,6/-12,8/-3	-3,5/+1/-15	-10,0/-5/+1	-1,6/-2,1/-0,8
4	+7,3/-0,2/+5	-2,7/-5/-1,8	-2,6/+1/-16	-6,5/-4/+1	-2,0/-1,3/-0,4
5	+4,3/+1,7/+6	-4,1/-1,5/+2	-1,4/-15/-18	-4,2/-5,2/-1,6	-1,1/-1,8/-0,1
Продолжение таблицы 1
6	+10/+4,1/-1,8	-4,9/-1,3/+2	0,2/-19/-17	-7,7/-8/-2,1	0,9/-4/+0,5
7	+5,6/+4,3/-2,2	-2,3/-4/+5	0,7/-20/-16	-10,1/-7/-8	-2,0/-0,6/-2
8	+3,9/+6,5/-3	-4,3/-4,1/+2	1,2/-17/-16	-3,5/-5/-2,5	1,5/-1,2/-0,9
9	+1,9/+2,7/-2	-9,3/-4,6/-0,8	2,4/-11/-16	-1,3/-5,7/-2,9	0,3/+2/+2
10	6,3/-1,2/+1	-12,7/-4/-1,4	2,2/-8/-16	-4,6/-14/-1,7	1,7/+2/-0,7
11	7,1/3,0/+1	-16,8/-3/+0,3	-1,9/-4/-19	-5,0/-5/+1	3,9/+3/-2,1
12	2,9/4,2/+1	-7,3/-1,8/-1,5	-2,4/-2/-16	-4,3/-3,2/-1,5	1,7/+2/+2,7
13	2,5/4,2/+0,8	-0,4/-1,8/-1,2	-6,7/-5/-5	0,6/-1,8/-1,7	2,1/1,5/-1,8
14	1,0/-0,6/-2	-5,3/+0,3/-2	-10,8/+1/-5	1,3/-1,6/-2	2,3/-2,4/-1,4
15	2,7/-1,8/-2,4	-9,8/+1/-4	-13,2/-2/-14	1,5/-3,3/+1	1,2/-3,3/-7
16	1,4/-4,8/-2,8	-12,6/-4/-4	-9,9/-2/-17	0,7/-12/+2	-0,7/-2/-1,9
17	2,0/-5,3/-2,5	-3,9/+1/-7	-14,0/-2/-7	0,6/-10/-5	-2,9/-2,4/+1
18	-2,5/4,4/-2	0,8/+1/-6	-17,9/-2/-16	0,8/-10/-6	-4,1/-3,2/+1
19	-4,6/-10,7/+1	-1,2/-0,7/-2,3	-21,2/-2/-10	-1,6/-3,4/-7	-7,5/-3/-7
20	1,0/-11,4/+1	-2,1/-1/+1	-18,6/-0,9/-10	-3,3/-0,8/-5	-8,9/-2/-9
21	-0,2/-10,7+3	-2,0/+2/+6	-17,8/-13/-16	-5,8/-1,7/-8	-10,4/+2/-8
22	3,1/-7,9/-2,9	-0,2/-1/+5	-19,9/-15/-13	-5,0/-2,4/-5	4,4/-4/-8
23	3,0/-6,8/-1,4	0,7/-1/+3	-20,8/-8/-14	-0,8/0,5/-0,8	0,5/-10/-8
24	3,7/-2,3/-3,1	1,0/-0,3/+5	-18,6/-4/-19	1,2/+1/-4	7,4/-4,7/-8
25	2,9/-4,4/-2,6	0,6/-8/+1	-20,0/-2,3/-21	-1,4/-2,1/-2	3,0/+1/-4
26	-0,6/-6,7/-5	-0,9/-12/+1	-15,6/-12/-13	-4,7/0,3-1,5	3,6/+0,2/-3,2
27	-6,3/-9,2/-7	-1,2/-11/-3,5	-15,1/-9/-7	-5,3/-2,8/+0,1	-0,2/-3,1/-4
28	-4,4/-11,6/-5	-1,8/-11/-6	-18,0/-6/-5,2	-4,8/1/-4	-0,4/-3/-3,7
29	-0,6/-11,9/-7	0,6/-14/-10	-22,0/-3/-4,8	–/–/-1,7	-6,9/-2,4/-2,2
30	-6,3/-12,5/-3,6	0,8/-17/-8	-25,4/2,8/+2	–/–/–	-2,8/-2,7/+2
31	–/–/–	1,7/-18/-8	-21,8/3,4/+1	–/–/–	-1,4/-1,3/+2

По данным Таблицы 1 вычислены индексы холода в Центральном федеральном округе и количество дней в году, имеющих отрицательную температуру. Данные представлены в Таблице 2.
Таблица 2

Осенне-зимний сезон	Индекс холода, градусосуток	Количество дней с отрицательной температурой в году
2014	716	93
2015	680	101
2016	702	91

Из данных Таблицы 2 видно, что индекс холода превышает экономически допустимый (по мнению японских ученых) порог в 400 градусосуток и количество дней с отрицательной температурой относительно года составляет 23–25%. На основании данных таблицы 2 можно сделать вывод – в Центральном Федеральном округе России возможно использование льдоаккумуляционной градирни для аккумулирования природного холода в виде водного льда, что позволит экономить электроэнергию из сети в течение года на 23–25% (не считая затраты электроэнергии на льдоаккумуляционную градирню).

1.2. Обзор практических достижений по использованию природного холода для холодоаккумуляции льда и охлаждения воды

В наше время интерес к использованию естественного холода в народном хозяйстве все более возрастает. При этом уменьшение капитальных и эксплуатационных затрат на охлаждающие системы, а также использование энергосберегающих технологий, является актуальной задачей, требующей без отлагательного решения.
Большой вклад в решение проблемы использования природного холода в нашей стране внесли ученые В.А. Бобков, И.Н. Босин, В.И. Квашенников, А.М. Мусин, Б.А. Савельев, Д.А. Латилин, Н.М. Антроповский, А.А. Мультан, Ю.А. Зейгарник, Ю.А. Дубоделов и многие другие.
Сегодня разработкой конструкций установок для использования природного холода занимается большое число технических специалистов и изобретателей.
Основными важнейшими показателями технической характеристики аккумуляторов естественного холода, как и аккумуляторов машинного должны быть:
– хладоемкость (кДж, кВт·часов),
– величина зарядной хладопроизводительности (кВт), характеризующая длительность накопления холода (кДж, кВт·час), как функцию метеорологических условий окружающей среды (температура воздуха, скорость ветра) [8].
От совершенства аккумулятора природного холода во многом зависит эффективность эксплуатации любой технической системы, имеющей в своем составе аккумулирующее устройство. Основная цель совершенствования – добиться как можно большей длительности работы аккумулятора в течение года с сохранением своих главных характеристик – хладопроизводительности (кВт) и хладоемкости (кДж, кВт·часов) [9,10].
В настоящее время усилиями специалистов отечественных и зарубежных фирм, научно-исследовательских, проектно-технологических институтов, специалистов учебных ВУЗов разработано большое количество систем, аккумулирующих естественный холод [11, 12, 13, 14, 15].
Известно устройство (Рисунок 1.1.), установка для охлаждения молока естественным холодом [11].

Рисунок 1.1. Установка для охлаждения молока естественным холодом
Установка для охлаждения молока содержит установленный на отрытом воздухе резервуар 1 для воды с размещенным над ним воздушно-водяным теплообменником 2, в нижнюю часть которого встроено пластинчатое устройство 3 из пористого материала для намораживания льда. Стенки резервуара 1 выполнены из металла и имеют хорошую теплопроводность. В качестве теплоносителя используется вода.
Резервуар 1 через фильтр 4 и водозаборный трубопровод 5 соединен с насосом 6. Водозаборный трубопровод 5 проходит через утепленный проем в стене здания. В свою очередь выходной патрубок насоса 6 через пластинчатый охладитель 7, переключатель 8 с ползуном 9 и трубопровод 10 соединен с разбрызгивающим устройством 11 теплообменника 2. При этом ползун 9 находится в левом положении. Теплообменник 2 имеет вентилятор 12, который расположен в боковой части теплообменника с возможностью подачи воздуха навстречу разбрызгиваемой воде из разбрызгивающего устройства 11. Воздух после разбрызгивающего устройства выходит в атмосферу. Для привода переключателя 8 установлен пневмоцилиндр 13 с поршнем 14. Переключатель 8 внутренним трубопроводом 15 соединен с резервуаром 1. Выходной патрубок внутреннего трубопровода 15 в резервуаре 1 направлен в верхнюю часть резервуара, а сам трубопровод 15 расположен в утепленном проеме рядом с водозаборным трубопроводом 5.
Установка для охлаждения молока работает следующим образом. С наступлением осенне-зимнего периода, когда температура воздуха становится близкой к нулю, резервуар 1 заполняют водой, которая через стенки резервуара под влиянием температуры окружающего воздуха охлаждается. Включают насос 6, и холодная вода из резервуара 1 через фильтр 4 и водозаборный трубопровод 5 прокачивается насосом 6 через охладитель 7. При этом молоко охлаждается. Подогретая вода по обратному трубопроводу 10 подается на разбрызгивающее устройство 11, охлаждается в воздушно-водяном теплообменнике 2 и попадает через пластинчатое устройство 3 на поверхность воды резервуара 1. Из резервуара 1 вода забирается насосом 6, и цикл повторяется.
Недостатком этой установки является ограниченный интервал эксплуатации, так при критичном для воды понижении температуры окружающей среды (морозе) эксплуатация устройства недопустима и расположение вентилятора на входе холодного воздуха.
В статье [12] представлена энергосберегающая комбинированная система охлаждения молока с использованием природного холода и водоледяного аккумулятора (Рисунок 1.2.).

Рисунок 1.2. Энергосберегающая комбинированная система охлаждения молока с использованием природного холода и водоледяного аккумулятора
Система охлаждения работает следующим образом. Хладоноситель, проходя через наружный теплообменник 15, охлаждается за счет обдува его холодным наружным воздухом, при помощи электровентилятора 14. Затем охлажденная среда по трубкам поступает в льдоаккумулятор 11, где происходит теплообмен с водой и намораживание льда на стенках испарителя 12. Далее при помощи насоса 13 хладоноситель попадает обратно в теплообменник 15 и цикл по контуру «1» повторяется. Установка оснащена датчиками температуры (1–6), весами для измерения массы льда 9, счетчиком для измерения расхода хладоносителя 7 и ваттметром 8. Намораживание льда происходит с использованием потенциала отрицательных температур окружающей среды.
Недостатком данного устройства является возможность применения его от минус 12 и ниже.
В статье [13] описывается устройство сезонного аккумулятора холода, принцип работы которого основан на использовании, в теплое время года, холодоаккумуляционной массы льда, накопленной в зимний период. Содержание разработки заключается в производстве искусственного снега (льда) в зимний период за счет замораживания капель воды малого размера (менее 50 мкм) в среде холодного воздуха (с температурой ниже минус 7 ). Полученная хладоемкая масса льда накапливается в специально оборудованном теплоизолированном хранилище, размеры которого определяются в зависимости от необходмой годовой нагрузки с учетом неизбежных потерь льда по причине его расстаивания в хранилище. Для доставки холода к потребителю внутри теплоизолированного хранилища располагается теплообменный аппарат, в котором циркулирует хладоноситель (вода или антифриз).
Недостатками данного устройства является возможность применения его от минус 10 и ниже, нарастание слоя льда на стенках рабочего канала.
В статье [14] описана конструкция (Рисунок 1.3.) аккумулятора естественного холода А – 15, который разработан на кафедре «Механизация животноводства» Мордовского государственного университета.

Рисунок 1.3. Аккумулятор естественного холода А – 15
Аккумулятор А-15 имеет стальную горизонтальную емкость 1, которая размещена вне помещения молочного блока на открытом воздухе, соединенную трубопроводами с центробежными водяными насосами 2, 3 и с двухсекционным пластинчатым охладителем молока 4. В ней сделана вторая горловина, в которой закреплена градирня 5 с осевым вентилятором 6, центробежной форсункой 7 и оросительной насадкой 8. Емкость соединена с насосами и водозаборной трубой 13, герметично приваренной к краям отверстия дна, заглубленного вовнутрь емкости стакана 10. Труба защищена кожухом 11 с термоизоляцией 12 и снабжена сетчатым фильтром 21. На трубопроводах установлены манометры 14, 15 и вентили 16–19. На торцевой стенке емкости вырезано отверстие 9. Аккумулятор снабжен бачком 20 с поплавковым клапаном для поддержания заданного уровня воды, соединенным с водопроводной сетью.
Перед пуском в работу емкость 1 заполняют водопроводной водой до нижнего края отверстия 9. При минусовых температурах наружного воздуха в емкости аккумулируется естественный холод в виде ледяной воды. В зависимости от температуры наружного воздуха аккумулирование холода в период до очередного доения коров осуществляют активным или пассивным способами. При температуре воздуха минус 5°С и ниже все электропотребители выключают и накопление холода ведут пассивным способом через нетеплоизолированные стенки емкости. На поверхности воды и на стенках, контактирующих с водой, намораживается лед. С целью предотвращения образования ледяной пробки в водозаборной трубе 13 предусмотрено воздушное пространство вокруг этой трубы, образованное стаканом 10 и кожухом 11. Для конвективного теплообмена кольцевое пространство сообщено с помещением молочного блока. Перед очередным доением коров включают вентилятор 6, а затем насос 2, открывают вентили 18,19, а вентиль 16 закрывают (вентиль 17 открыт постоянно). Насосом 2 вода подается по замкнутому контуру: емкость 1 – насос 2 – параллельным потоком обе секции охладителя 4 – форсунка 7 – оросительная насадка 8 – емкость 1. Одновременно парное молоко насосом подается в охладитель 4, откуда в охлажденном до 4…6 °С виде поступает в емкость для временного хранения или в молоковоз для отправки на молочный комбинат. Температура воды на входе в охладитель молока обычно составляет 0,5–2,0 °С, а на выходе из него 10–12 °С. При температуре наружного воздуха минус 20°С и ниже охлаждение молока ведут без включения вентилятора 6. В период оттепелей, когда температура наружного воздуха близка к 0 °С, аккумулирование холода в паузе до очередного доения коров, особенно в ночное время, ведут активным способом: включают в работу вентилятор 6 и малый насос 3, открывают вентиль 16, а вентили 18 и 19 закрывают. При этом вода движется по замкнутому контуру: емкость 1 – насос 3 – форсунка 7 – оросительная насадка 8 – емкость 1. Вода, разбрызганная форсункой, тонкой пленкой стекает вниз по поверхности навитых в спираль плоской и гофрированной лентой оросительной насадки и охлаждается потоком наружного воздуха, нагнетаемого вентилятором в емкость. Воздух, отделившись от капель воды, вытесняется через горловину емкости 1 в дополнительное отверстие 9. Такое прямоточное движение воздуха с водой, в отличие от противотока в вентиляторных градирнях, предотвращает оледенение вентилятора при низках температурах и не требует специального каплеотделителя. Перед охлаждением молока насос 3 выключают, вентиль 16 закрывают, вентили 18 и 19 открывают, предварительно включив главный насос 2. Далее происходит процесс охлаждения молока по описанной выше технологии.
Известна комбинированная установка (Рисунок 1.4.) для охлаждения молока естественным холодом [16].

Рисунок 1.4. Комбинированная установка для охлаждения молока естественным холодом
Комбинированная установка для охлаждения молока с использованием естественного холода включает аккумулятор холода, выполненный в виде двух резервуаров: нетеплоизолированного резервуара 1, расположенного на открытом воздухе и находящегося с ним в тепловом контакте, и теплоизолированного резервуара 2, расположенного в производственном помещении, соединенных между собой трубопроводом 3 с установленным на нем вентилем 4, проходящим внутри теплоизолирующего блока 5, причем на боковых стенках нетеплоизолированного резервуара 1 установлены вертикальные ребра 6, в верхней части которых установлен сужающийся кверху кожух 7, образующий воздушные каналы с боковыми стенками нетеплоизолированного резервуара 1 и вертикальными ребрами 6, в верхней части которого установлен вентилятор 8 под защитным экраном 9, а в теплоизолированном резервуаре расположен испаритель 10, соединенный с компрессорно-конденсаторным агрегатом 11, причем в центральной части нетеплоизолированного резервуара 1 укреплен горизонтальный разделительный экран 12, над которым размещен патрубок 13 с отверстиями в верхней стенке и закрытым торцевым отверстием, соединенный другим торцевым отверстием с трубопроводом 14, проходящим через теплоизолирующий блок 5 и трехходовые краны 15, 16, 17, с теплоизолированным резервуаром 2, входом и выходом теплообменника 18 и через насосный агрегат 19 с нижней частью теплоизолированного резервуара 2, в верхней части которого установлен поплавковый клапан 20, соединенный с системой водоснабжения, а центральная часть нетеплоизолированного резервуара 1, расположенная под горизонтальным разделительным экраном 12, соединена с трубопроводом 3, проходящим через теплоизолирующий блок 5, вентиль 4 и далее с нижней частью теплоизолированного резервуара 2, расположенного в производственном помещении, причем на днище нетеплоизолированного резервуара 1 вертикально установлены открытые с торцов трубы 21 из теплопроводящего материала, соединяющие пространство над верхней частью нетеплоизолированного резервуара 1 с пространством под его днищем, причем в теплоизолирующем блоке 5 установлен нагревательный элемент 22, а на участке трубопровода 3, соединяющего теплоизолированный 2 и нетеплоизолированный 1 резервуары через теплоизолирующий блок 5, в производственном помещении установлен предохранительный клапан 23, а датчики температуры хладоносителя 24, 25 и атмосферного воздуха 26, насосный агрегат 19, компрессорно-конденсаторный агрегат 11 и нагревательный элемент 22 электрически соединены с блоком управления 27.
Комбинированная установка для охлаждения молока с использованием естественного холода работает следующим образом. Молоко охлаждается в теплообменнике 18, куда насосным агрегатом 19 из теплоизолированного резервуара 2 подается охлажденный хладоноситель (вода). В холодное время года хладоноситель охлаждается в нетеплоизолированном резервуаре 1, на охлаждаемые поверхности которого из кожуха 7 подается вентилятором 8 холодный атмосферный воздух, который проходит над горизонтальной поверхностью хладоносителя (воды) и затем попадает в воздушные каналы, образуемые внутренней поверхностью кожуха 7, наружной поверхностью стенок нетеплоизолированного резервуара 1, вертикальными ребрами 6, трубами 21. Холодный воздух охлаждает также днище нетеплоизолированного резервуара 1. На охлаждаемых поверхностях хладоносителя, находящегося в этом резервуаре, при отрицательных температурах наружного воздуха формируется лед. При особо низких температурах теплоизолирующий блок 5 обогревается нагревательным элементом 22. Уровень хладоносителя в обоих резервуарах регулируется поплавковым клапаном 20. С блока управления 27 по сигналу датчика температуры наружного воздуха 26 включается насосный агрегат 19 и хладоноситель через трехходовой кран 17 и теплообменник 18, через трехходовые краны 16 и 15 подается в трубопровод 14, затем - в нетеплоизолированный резервуар 1, патрубок 13 и через отверстия в верхней стенке этого патрубка 13 поступает к охлаждаемым поверхностям нетеплоизолированного резервуара 1. Охлажденный хладоноситель концентрируется в нижней части теплоизолированного резервуара 1 под разделительным экраном 12 и через трубопровод 3, проходящий через теплоизолирующий блок 5 и открытый вентиль 4, поступает в теплоизолированный резервуар 2 и насосный агрегат 19, и цикл повторяется.
Недостатком этого устройства является то, что оно начинает работать только низких температурах окружающего воздуха, начиная от минус 12℃.
В статье [17] описана аккумуляция холода с использованием специальных капсул-накопителей (Рисунок 1.5.). Такой способ разработан и применяется в фирме CIAT (Франция).

Рисунок 1.5. Капсула-заполнитель: 1 – пробка; 2 – воздух; 3 – материал-заполнитель; 4 – оболочка из полимера
Содержание метода состоит в том, что лед образуется в полимерных капсулах, которые находятся в аккумуляторе (резервуаре) (Рисунок 1.6.). Капсулы заполнены заполнены специальной жидкостью. В резервуаре циркулирует жидкое вещество с отрицательной температурой, вызывая кристаллизацию и образование льда внутри капсулы. Далее заполнители хранятся до наступления пиковых тепловых нагрузок. Сферическая форма капсул создает большую площадь теплообмена. Для охлаждения капсул и заполнения их, применяют различные хладоносители, тем самым задавая температуру фазового перехода (образование льда).

Рисунок 1.6. Бак-аккумулятор