Анализ эффективности холодильных систем с радиационным охлаждением в зависимости от климатических условий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат наук Цой Диана Александровна

• Цой Диана Александровна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Цой Диана Александровна

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Теоретический анализ эффективного излучения и его практическое применение в современных холодильных системах с радиационным охлаждением

1.1. Актуальность исследований в области эффективного излучения

1.2. Передача теплоты за счет излучения в атмосфере

1.3. Устройство и принцип работы установок с ночным радиационным охлаждением в современных системах холодоснабжения

1.4. Анализ применения установок с радиационным охлаждением

ГЛАВА 2. Методика экспериментального исследования установки с

радиационным охлаждением

2.1 Общие положения проведения эксперимента

2.2. Принцип работы экспериментальной установки с радиационным охлаждением

2.3. Техническая характеристика радиатора

2.4. Характеристики аккумулятора холода, датчиков и насосов

2.5. Оценка неопределенности получаемых экспериментальных данных . 99 ГЛАВА 3. Расчетно-теоретический анализ эффективного излучения и радиационного охлаждения в зависимости от климатических условий

3.1. Методы расчета теплового потока эффективным излучением

3.2. Расчет теплового потока эффективным излучением для

континентального климата

3.2.1. Расчет и анализ отведенного тепла эффективным излучением

3.3. Анализ радиационного охлаждения в зависимости от географической широты северного полушария

3.3.1. Методика расчета количества тепла, отведенного в окружающую среду радиационным охлаждением

3.3.2. Общие данные климатических условий от экватора до верхних географических широт северного полушария

3.3.3. Расчет и анализ отведенного тепла радиационным охлаждением

3.3.4. Суммарное количество отведенного тепла за месяц

3.3.5. Суммарное количество отведенного тепла за год

3.3.6. Анализ количество дней работы охлаждающей установки при заданной температуре излучающей поверхности

3.4. Выводы на основе расчетно-теоретического анализа потенциала

ночного радиационного охлаждения

ГЛАВА 4. Компьютерное моделирование холодильной системы с радиационным охлаждением

4.1. Алгоритм расчета и модули компьютерной модели установки с радиационным охлаждением

4.2. Компьютерная модель системы хладоснабжения

4.3. Разработанные модули компьютерной модели

4.4. Моделирование работы установки с радиационным охлаждением

4.5. Моделирование комбинированной холодильной системы с

радиационным охлаждением

ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования установки с радиационным охлаждением, анализ и сопоставление результатов эксперимента с данными компьютерного моделирования

5.1. Результаты экспериментального исследования

5.1.1 Эксперимент №1

5.1.2. Эксперимент №2

5.1.3. Эксперимент №3

5.1.4. Эксперимент №4

5.1.5. Эксперимент №5

5.2. Выводы о результатах экспериментов

5.3. Сравнение климатических данных и результатов эксперимента

5.4. Анализ теплового баланса и энергопотребления установки

5.5. Сравнение логического состояния моделируемой и экспериментальной установки

5.6. Температурный уровень теплоносителя в установке с радиационным

охлаждением

ГЛАВА 6. Анализ эффективности холодильных систем и установок с радиационным охлаждением

6.1. Анализ энергоэффективности установки с радиационным охлаждением системы кондиционирования воздуха

6.2. Анализ энергоэффективности установки с радиационным охлаждением холодильной камеры хранения

6.3. Анализ энергоэффективности комбинированной холодильной системы камеры хранения продуктов

6.4. Оценка экономической эффективности системы хладоснабжения с

использованием радиационного охлаждения

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Список иллюстративного материала

Приложение А

Приложение В

Публикации автора по теме диссертации

Authors publications on the PhD thesis topic

Тексты основных публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы.

В настоящее время в связи с постоянным повышением стоимости энергоресурсов и увеличением их потребления возрастают требования к энергетической эффективности холодильных систем. Системы холодоснабжения, применяемые в промышленности, административных, коммерческих, жилых помещениях и на спортивных сооружениях потребляют около 20% всей вырабатываемой в мире электроэнергии. В связи с этим актуальным является исследование энергетически-эффективных способов охлаждения, с использованием возобновляемых источников энергии без применения экологически опасных холодильных агентов.

Эффективное излучение Земли признано одним из возобновляемых источников энергии. Оно является перспективным способом охлаждения для широкого спектра промышленности и сельского хозяйства. Эффективное излучение относится к пассивным системам охлаждения и оказывает существенное влияние на энергосбережение холодильной системы, благодаря способности охлаждения без затраты внешней энергии. Сущность данного способа охлаждения заключается в том, что поверхность теплообменника, обращенная к небу, при определенных условиях (отсутствии солнечной радиации и низком уровне содержания влаги в атмосфере) может излучать в инфракрасной части спектра больше тепловой энергии, чем получать обратно от окружающей среды. За счет данного эффекта возможно поддержание температуры теплоносителя ниже температуры окружающего воздуха.

Простейшие установки охлаждения используют ночное эффективное излучение для понижения температуры теплоносителя и дальнейшего хранения холода в аккумуляторах. В системах холодоснабжения явление эффективного излучения совместно с конвективным отводом тепла имеет название

радиационное охлаждение. Радиационное охлаждение - возобновляемый, экологически чистый, альтернативный способ получения холода, при применении которого уменьшается потребление энергии холодильными системами. Основные исследования, проведенные учеными во всем мире в области радиационного охлаждения, применены для систем кондиционирования воздуха. Создание комбинированных холодильных систем, состоящих из установок с радиационным охлаждением и холодильных машин, с учетом различия климатических условий, является перспективным направлением развития энергоэффективной техники низких температур и является актуальной научно-технической задачей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ эффективности холодильных систем с радиационным охлаждением в зависимости от климатических условий»

Цель работы.

Целью данного исследования является развитие эффективных систем холодоснабжения с использованием энергии радиационного охлаждения, в зависимости от климатических условий, на базе численных и физических экспериментов.

Задачи работы.

1. Разработать метод и провести расчетно-теоретический анализ потенциала эффективного охлаждения для Евроазиатского региона.

2. Провести расчетно-теоретический анализ радиационного охлаждения в зависимости от географической широты для северного полушария.

3. Провести экспериментальное исследование холодильной системы с радиационным охлаждением при различных параметрах наружного воздуха.

4. Разработать методику, алгоритм и компьютерную модель для расчета холодильных установок с радиационным охлаждением в зависимости от региона расположения с применением моделирования годового цикла работы. Сопоставить результаты компьютерного моделирования с экспериментом.

5. Провести анализ энергоэффективности установки с радиационным охлаждением и комбинированной холодильной системы для климатических условий континентального климата.

Научная новизна работы.

1. Получены новые научные данные о потенциале эффективного излучения и ночного радиационного охлаждения различных регионов европейско-азиатской части северного полушария земли.

2. Разработана компьютерная модель расчета установок с радиационным охлаждением и комбинированных холодильных систем в зависимости от региона расположения с применением моделирования годового цикла работы, верифицированная по полученным экспериментальным данным.

3. В результате экспериментальных исследований созданной установки радиационного охлаждения подтверждена эффективность таких систем охлаждения и определены их характеристики в регионе г. Алматы.

4. На основе разработанной компьютерной модели определена энергоэффективность систем хладоснабжения холодильных камер и кондиционирования воздуха для различных климатических условий континентального климата.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Сегодня основные исследования, в области радиационного охлаждения проводятся учеными для систем кондиционирования воздуха. Исследовательскими центрами при Стенфордском университете и Колорадском университете в Боулдере ведутся разработки селективных покрытий для поверхности радиатора для достижения эффективности установки с радиационным охлаждением 24 часа в сутки. На сегодняшний день ученые США таких научно-исследовательских центров как: Florida Solar Energy Center, Passive Solar Research Group при университете Небраски, являются лидерами в

исследовании установок с радиационным охлаждением, применяемых в основном для систем кондиционирования воздуха.

С 2005 по 2008 год американским ученым Д. Паркером был проведен значительный объем работ по проектированию холодильных систем, использующих УРО, в которых в качестве теплоносителя используется воздух. Спроектированные им системы экономили энергопотребление и были достаточно простыми в производстве и эксплуатации. Однако их недостатком является сложность аккумулирования созданного холода.

Америкнскими учеными Zomeworks Inc., Davis Energy Group, Resource Engineering Group, Conserval Systems Inc. были внедрены на производство несколько конструкций УРО:

1. «Пассивные» системы, в которых перемещение теплоносителя осуществляется исключительно за счет его естественной циркуляции. УРО такого типа производят охлаждения без затрат энергии. Недостатком подобных систем является то, что их можно использовать только для охлаждения помещений в теплое время года.

2. Системы с принудительной циркуляцией. Данные системы имеют более сложную конструкцию, так как циркуляция теплоносителя осуществляется за счет работы насоса. Преимущества подобных систем заключается в том, что охлаждаемое помещение может находиться в удалении от УРО, а также в таких системах можно использовать различные виды воздухоохладителей и радиаторов со значительным гидравлическим сопротивлением.

В свою очередь системы с «пассивной» и принудительной циркуляцией могут иметь радиаторы совместного действия эффективного излучения и испарительного охлаждения, что повышает эффективность УРО.

Полученные новые данные о возможности использования радиационного охлаждения позволили определить целесообразность использования УРО как части холодильных систем.

Предложена комбинированная холодильная система, имеющая в своем составе установку с радиационным охлаждением, которая может быть применена в различных схемах холодоснабжения и кондиционирования воздуха.

Разработанные методика, алгоритм и компьютерная модель могут быть использованы для определения конструкционных параметров установки, а также для оценки её эффективности в определенных климатических условиях.

Модель может быть использована в системе автоматизированного управления холодоснабжения и кондиционирования воздуха.

Положения, выносимые на защиту.

1. Новые научные данные о потенциале радиационного охлаждения различных регионов европейско-азиатской части северного полушария земли.

2. Компьютерная модель для расчета холодильных систем с радиационным охлаждением в годовом цикле работы в различных климатических условиях.

3. Результаты экспериментальных исследований установки радиационного охлаждения для континентального климата при различных параметрах наружного воздуха.

4. Численные исследования на основе разработанной модели систем хладоснабжения и кондиционирования воздуха в различных климатических условиях.

Апробация работы.

Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на ряде международных конференций:

1. «Казахстан-Холод 2015-2018», Алматинский технологический университет.

2. 8-ая Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» 2015, Университет ИТМО.

3. «Состояние и приоритеты использования ГХФУ, ГФУ и природных хладагентов, снижение их эмиссий и содержания в системах», 2015, Университет ИТМО.

4. Всемирный Конгресс инженеров и ученых Энергия будущего: инновационные сценарии и методы их реализации: Алматы, 2017.

5. Инновацп в судобудуванш та океанотехнщп : матерiали VII Мiжнародноi науково-техшчно!' конференцп. - Микола!'в 2016. НУК.

6. 8-ая международная научно-техническая конференция ОмГТУ, 2018. ОмГТУ.

7. IX Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» 2019, Университет ИТМО.

8. 10-ая международная научно-техническая конференция Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства, 2020, ОмГТУ.

Достоверность научных достижений.

Основные полученные результаты базируются на уравнениях теплообмена и термодинамики и опыте расчетов, конструирования и эксплуатации холодильных установок.

Основные результаты теоретических расчетов были сопоставлены и подтверждены экспериментальными данными. Применены современные методы сбора и обработки информации, построена компьютерная модель с использованием программного обеспечения SciLab. Результаты компьютерной модели были верифицированы экспериментом.

Внедрение результатов работы.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Университете ИТМО при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения», в Алматинском технологическом университете при подготовке бакалавров по направлению «Технологические машины и оборудование».

Диссертационная работа выполнялась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Республики Казахстан по научным и научно-техническим проектам на 2018-2020 г.г в рамках проекта 0118РК00535, выполняемого на основе гранта АР05130918/ГФ.

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 7 научных работа. В том числе: 3 статьи в журналах рекомендованных ВАК РФ; 2 статьи в журнале с ненулевым импакт-фактором (входящих в базу данных Web of Science и Scopus); 2 публикации в материалах международных научно-практических конференций; получен Патент (19) KZ (13) B (11) 30048 (51) F24D 3/18 (2006.01), F25B 29/00 (2006.01). «Способ производства холода и устройство для его осуществления».

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка обозначений, списка использованной литературы из 189 наименований. В общий объем диссертации входит 181 страниц основного машинописного текста,

118 рисунков, 28 таблиц и 2 приложения.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы научные задачи исследования, цель работы, которую ставил перед собой автор, научная новизна, научные положения диссертации, выносимые на защиту, практическая ценность работы. Изложена структура диссертации и краткая характеристика ее основных разделов.

Первая глава посвящена анализу вопросов, которые исследуются в работе, обзорному анализу литературы, связанной с эффективным излучением и использованием радиационного охлаждения, методов теоретического исследования.

Количество излучаемой телом энергии определяется законом Стефана-Больцмана (1884 г.). Значительный вклад в явление эффективного излучения, как разницы между собственным излучением поверхности и противоизлучением атмосферы внес Кондратьев К.Я. (1965 г.). Учеными Catalanotti S. (1975), Harrison A.W., Walton M.R. (1978), Granqvist C.G. (1981), Tiwari G.N. (1982) исследуются материалы, отражающие солнечную энергию и дающие возможность использовать явления эффективного излучения для охлаждения в системах холодоснабжении и кондиционирования воздуха. В настоящее время исследования ведутся в США в Колорадском университетом в Боулдере, группой ученых под руководством Zhai Yao и в Стенфэрдском университете под руководством ученых Eli A. Goldstein, Aaswath P. Raman, где последние результаты разработки материалов, отражающих солнечную энергию, для использования радиационного излучения были получены в 2017 году. Исследование установок с радиационным охлаждением были проведены в США Thomason H.E., Head A.K., Teoh S.T., Sherwin J. R., Parker D.S.

Проведенный обзор литературы позволил выявить, что основные исследования, в области радиационного охлаждения проводятся учеными для

систем кондиционирования воздуха. При этом вопросы использования потенциала радиационного охлаждения в системах хладоснабжения не достаточно изучены. Также результаты разработок материалов, отражающих солнечную энергию, для использования радиационного излучения и в дневное время позволяют потенциально повысить энергоэффективность системы.

Вторая глава посвящена методике экспериментального исследования установки с радиационным охлаждением.

Принципиальная схема установки представлена на рисунке 1. Основными элементами УРО являются: радиатор Р1, аккумулятор холода А1 и насос Н1. Теплоноситель из аккумулятора холода переносится насосом Н1 и подается в радиатор Р1, где происходит его охлаждение. Охлажденный теплоноситель возвращается в аккумулятор А1.

Трубопровод полипропиленодый Dn32, РпЮ TpySonpoöod полипропиленовый 0п20, РпЮ Рукав гибкий ПВХ Ли25

Рисунок 1 - Принципиальная схема УРО К1.. .К4 - кран шаровой; Н1 -насос; Ф1- фильтр; АВ1 - автоматический воздушный клапан; Р1 - радиатор; А1 - аккумулятор холода; T1.. .T6 - датчики температуры.

Процесс отдачи тепла от теплоносителя в окружающую среду происходит в радиаторе, который является одним из основных компонентов УРО. Излучающая пластина радиатора, обращенная к ночному небу, охлаждается за счет эффективного излучения и конвективного теплообмена. С нижней стороны

излучающая пластина тепло-изолирована для снижения конвективного теплопритока.

Характеристики радиатора представлены в таблице 1. Таблица 1 - Характеристики радиатора

Параметр Ед. изм. Значение

Площадь излучающей поверхности м2 2

Конструкция - Из медных труб с припаянным алюминиевым листом

Модель — РАДМ3-1.00.00

Покрытие излучающей поверхности — белая краска «Радиаторная»

Габаритные размеры (длина x ширина) м 2 x 1

Характеристики использованного аккумулятора холода представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Характеристики аккумулятора холода

№ Параметр Ед. изм. Значение

1 Конструкция — Кубическая пластиковая ёмкость (Еврокуб)

2 Внутренний объем л 1200

3 Габаритные размеры мм 1200x1000x1000

4 Материал теплоизоляции Минеральная вата

5 Толщина теплоизоляции мм 50

В качестве теплоносителя в аккумуляторе была использована вода.

Метод измерения расхода: подсчет времени заполнения измерительной ёмкости. Расчет неопределенности измерения при определении расхода теплоносителя приводим по методикам Идельчик И. Е., Мухачев В.А., Нуждин. А.С., Одельский Э.Х.

Третья глава посвящена расчетно-теоретическому анализу эффективного излучения и радиационного охлаждения в зависимости от климатических условий.

Для расчета потока эффективного излучения использовали две методики: первую, разработанную, на основе формулы Кондратьева, и вторую, предложенную в работе учеными Samuel D.G.L., Nagendra S.M.S., Maiya M.P. в

где кст — поправка на разницу температур между температурой излучающей поверхности и температурой воздуха, Вт;

квп — коэффициент, учитывающий влияние содержания водяного пара в воздухе приземного слоя атмосферы;

коб — коэффициент, учитывающий влияние облачности

2013 г.

Первая методика:

£эф ^вп^об + ^СТ],

(1)

квп = 0,264 - 0,0052 (Тро - 273,15); коб = 1 — сД2;

Вторая методика:

£эф = ^ип^С^ип ТН )

(2)

Для расчета условной температуры неба Гн используется следующая формула:

?Н = 7В • (5н + С^)0,25 • С^О/25,

где

= 1 + 0,0224Д2 - 0,0035^1 + 0,00028Л|;

= 0,12(рат - 1);

5н = 0,787 + 0'764/0<д(^°).

В формулах использованы следующие обозначения:

Т"Ип, Гн, Гв, Гро — соответственно температуры излучающей поверхности радиатора, ночного неба, воздуха и точки росы воздуха, К;

а — постоянная Стефана-Больцмана, 5,67 • 10-8 Вт/(м2^4);

^ип , — относительная излучательная способность поверхности радиатора и безоблачного ночного неба;

рат — атмосферное давление, бар;

— общая степень облачности в долях от единицы, 0 < Я < 1;

Д2 — степень облачности ночного неба, баллов. Для безоблачного неба Я = 0, а для полностью закрытого облаками неба Я = 10;

c — коэффициент, показывающий как изменяется влияние облачности на величину эффективного излучения в зависимости от географической широты местности, для которой производятся расчеты.

Коэффициент учитывает высоту расположения излучающей

поверхности над уровнем моря. При подъеме на большую высоту уменьшается толщина атмосферы и увеличивается величина потока эффективного излучения.

Общее количество холода, которое может быть произведено идеальной холодильной системой за одну ночь определим по формуле:

Qн = 3600ЕЭфТн, где Еэф - поток эффективного излучения, Вт/м2;

(3)

тн - продолжительность ночи, равная времени между закатом и восходом солнца, часов.

На основе методик был проведен расчет работоспособности охлаждающей системы в ночное время в часах, при указанных температурах в трех городах Алматы, Омск и Казань, результаты которого представлены на рисунке 2.

600 400 200 0

600 400 200 0

т, часов

'ос=10 °С

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

(а)

месяц

т, часов

1Й1.

~1 I I г

11

(б)

123456789 10 11 12 месяц

600 400 200

т, часов

1 I Г"

1

(в)

I III

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

месяц

- Алматы; СИ - Омск; СИ - Казань

'«=-10 °С

Рисунок 2 - Количество часов в месяц при различных значениях температуры воздуха равной температуре охлаждающей системы Ьос.

Количество холода, которое может быть получено за счет радиационного охлаждения определяется по формуле:

^га^ ^сопй ± ^conv (4)

- охлаждение, за счет излучения

- количество теплоты, подводимое от нагревательного элемента

- количество теплоты за счет конвекции

В случае, если температура окружающей среды выше температуры нагревательного элемента, то конвективное тепло подводится (+дсо^ ), выполняется условие: = + qconv.

В случае, если температура окружающей среды ниже температуры нагревательного элемента, то конвективное тепло отводится (—), выполняется условие: = - qconv.

Среднемесячные ночные значения плотности теплового потока, от излучающей поверхности в окружающую среду, за счёт радиационного охлаждения, при заданной температуре излучающей поверхности (от -30 до +40 0C) для различных городов представлен на рисунке 3.

Чтям Вт/м2 Бангкок

300 -

-700

123456789 10 11 12

Месяц

Чгай, Вт/м2 Каир

-800 -

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Месяц

800 600 400 200 0 -200 -400 -600

ЧгаА, Вт/м2

Нур-Султан

123456789 10 11 12

Месяц

1000 800 600 400 200 0 -200 -400 -600

ЧгаА, Вт/м2

Норильск

123456789 10 11 12

Месяц

Рисунок 3 - Среднемесячные ночные значения плотности теплового потока радиационного охлаждения.

Как показано на графиках в соответствии с рисунком 3, в Бангкоке тепловой поток возможен с поверхности с температурой выше 25 °С, по мере увеличения широты температура поверхности, с которой происходит охлаждение, понижается до -20 ° С в г. Норильск. Величина плотности теплового потока при температуре поверхности 0 °С увеличивается с 50 Вт/м2 в Бангкоке до 250 Вт/м2 в Норильске в зимний период.

На графиках в соответствии с рисунком 4 представлены расчеты суммарного количество отведенного тепла за месяц с 1 м2 излучающей поверхности с учетом конвекции по методике 1 и 2.

Рисунок 4 - Суммарное количество отведенного тепла за месяц с 1 м2 излучающей поверхности с учетом конвекции при температуре излучающей поверхности ^=-30.. .100 °С. Сплошными линиями обозначен результат расчета по методике 2, пунктирными - результат расчета по методике 1.

Как видно на графиках, результаты расчетов суммарного количество отведенного тепла за месяц с 1 м2 излучающей поверхности с учетом конвекции по методике 1 и 2 имеют лишь не существенные различия.

Четвертая глава посвящена компьютерному моделированию установки с радиационным охлаждением и комбинированной холодильной системы с УРО.

В разработанной модели в среде Elcut, детально учитываются процессы теплообмена во всех её элементах, с учетом фактической конструкции установки (аккумулятора, трубопроводов, радиатора) и региона её расположения. Также в ней учитывается тепловыделение от циркуляционного насоса, с учетом работы насоса в экспериментальной установке. Алгоритм реализован в среде SciLabv 5.5.2.

Для визуализации полученных данных используется подпрограмма «^еск_^иИ_2018.06.эш».

Моделирование проводилось с учетом метеорологических данных.

Для расчета теплофизических и транспортных свойств теплоносителя использована библиотека «water_Hb.sci». Свойства сухого и влажного воздуха (плотность, теплоемкость, вязкость, теплопроводность, коэффициент объемного теплового расширения, температура точки росы) и реализованы в библиотеке «moist_air_Hb.sci». Для расчета процессов теплообмена реализована библиотека «therm_lib.sci». Для выполнения гидравлических расчетов реализована библиотека функций «hydr_lib.sci».

Для расчета энергетических параметров холодильной машины, входящей в состав системы хладоснабжения с использованием РО, используется библиотека CoolProp_6.1.

Для определения энергетических параметров работы парокомпрессионной холодильной машины в заданных условиях окружающей среды использован метод последовательных приближений.

Функции, для расчета энергетических параметров парокомпрессионной машины реализованы в библиотеке «ref_mash.sce».

Для оценки энергетических характеристик циркуляционных насосов разработана библиотека функций «pump_lib.sci». Данная библиотека позволяет

получить оценочные характеристики насосов центробежного типа (циркуляционных с мокрым ротором).

В библиотеке «elemeпts_Hb» представлены функции для создания элементов гидравлической схемы и расчета их стоимости: радиаторов, аккумулятора холода, трубопроводов, муфт, кранов, внезапных сужений и расширений.

В библиотеке «atomatics_lib.sci» представлена функция, необходимая для автоматического выбора режима работы системы хладоснабжения.

Исполняемый файл «show_гeslult.sce» содержит функции для форматирования создаваемых графиков, а также исполняемый год для генерации графиков по полученным данным.

Разработанная компьютерная модель может оценивать эффективность систем РО, с учетом всех значимых потерь тепла и энергии, происходящих в отдельных элементах системы, также для определения параметров системы хладоснабжения при использовании РО, если её разместить в определенных климатических условиях.

Для решения моделирования установки с радиационным охлаждением, рассмотрена принципиальная схема, представленная на рисунке 5.

Рисунок 5 - Принципиальная схема установки с радиационном охлаждением: КЛ1 и КЛ2 - распределительный и собирающий коллектор; О -отводы прямые (90°); Ф - фильтр; Н - насос; С1 - сужение внезапное; Р1 -расширение внезапное; Рад - радиатор; КЛ1 и КЛ2 - коллекторы.

Основными элементами данной установки являются охлаждающее устройство (радиатор), аккумулятор холода и насос для циркуляции теплоносителя. Теплоноситель в установке подается насосом в радиатор из аккумулятора холода, где охлаждается. Далее теплоноситель сливается обратно в аккумулятор холода, затем используется для охлаждения объекта.

Предлагаемая для моделирования комбинированная система хладоснабжения может быть применена для: кондиционирования (охлаждение) воздуха и охлаждения в холодильной камере до необходимой температуры. Принципиальная схема комбинированной системы хладоснабжения для моделирования представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Принципиальная схема. РАД1 - радиатор; А1 - аккумулятор холода; Н1, Н2, Н3 - циркуляционные насосы; КН1 - конденсатор; Д1 -дросселирующее устройство; КМ1 - компрессор; Т1 - теплообменник «жидкость - хладагент»; В1 - воздухоохладитель «воздух - теплоноситель»; R - трубопровод для хладагента; Х - трубопровод для

теплоносителя.

Представленная система включает в себя:

1. Аккумулятор холода для накопления охлажденного теплоносителя;

РАД1

КН1

2. Контур с радиатором РАД1 для радиационного охлаждения теплоносителя в ночное время;

3. Парокомпрессионную холодильную машину, которая охлаждает теплоноситель в аккумуляторе холода, когда радиаторы не могут производить охлаждение;

4. Контур для подачи теплоносителя из аккумулятора холода к воздухоохладителю В1, когда требуется понижение температуры охлаждаемого объекта.

Описание принципа действия системы представлено ниже:

При выделении тепла от охлаждаемого объекта теплоноситель подается насосом Н3 в воздухоохладитель В1 из аккумулятора холода А1. В воздухоохладителе тепло забирается от охлаждаемого объекта. После этого нагретый теплоноситель возвращается в аккумулятор холода А1.

Если условия окружающей среды позволяют произвести охлаждение теплоносителя, включается насос Н1 и подает его в радиатор РАД1. Здесь теплоноситель охлаждается и возвращается в аккумулятор холода А1.

Если температура теплоносителя в аккумуляторе холода не понижается до нормативного значения за счет работы УРО, включается насос Н2 и подает теплоноситель в теплообменник Т1 парокомпрессионной холодильной машины. Парокомпрессионная холодильная машина в этот момент также включается. В результате охлажденный теплоноситель возвращается в аккумулятор холода А1.

Таким образом, температура охлаждаемого объекта поддерживается включением/отключением насоса Н3. Температура теплоносителя в аккумуляторе холода поддерживается включением насосов Н1 и Н2 и парокомпрессионной холодильной машиной.

При этом охлаждение теплоносителя должно происходить главным образом в УРО, а парокомпрессионная холодильная машина включается лишь в тех случаях, когда УРО не обеспечивает необходимый температурный режим.

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям установки с радиационным охлаждением, анализу и сопоставлению результатов эксперимента с данными, полученными в результате компьютерного моделирования.

В качестве объекта исследования выступает разработанная экспериментальная УРО.

Был проведен ряд экспериментов, с различными тепло-влажностными параметрами атмосферного воздуха, такими как: температура атмосферного воздуха; температура точки росы; общий уровень облачности; относительная влажность. В результате экспериментов определены параметры в режиме с 18.00 до 6:00 часов: температура атмосферного воздуха, температура теплоносителя в аккумуляторе холода, температура в различных точках поверхности радиатора, температура теплоносителя на выходе из радиаторов и насоса, температура воздуха в помещении.

На основе экспериментальных данных получена линейная зависимость для определения холодопроизводительности радиатора в зависимости от температур теплоносителя, наружного воздуха и условной температуры ночного неба:

qр = - 4,965 + 16,5831 -Гтн - 10,8567-5,8459+ 0,0033-'та"'в + +0,0019-'тн -'н + 0,0003-'в -'н - 0,000168-'тн -'в -'н

где qр - удельная холодопроизводительность, Вт/м2; 'тн - температура теплоносителя, °С; 'в - температура атмосферного воздуха, °С; 'н - условная температура ночного неба, °С.

Данное уравнение применимо при изменении температуры воздуха, теплоносителя и ночного неба в диапазоне от -30 до +30 °С.

На рисунке 7 показан график изменения температур в УРО (с 13 по 14 июня 2018 года) при проведении эксперимента № 2.

Рисунок 7- Графики изменения температур в УРО: 1 - температура воздуха внутри помещения; 2 - температура теплоносителя на выходе из насоса; 3 - температура теплоносителя на выходе из радиаторов; 4 -температура поверхности радиатора (в нижней части); 5 - температура поверхности радиатора (в верхней части); 6,7 - температуры теплоносителя в аккумуляторе холода; 8 - температура атмосферного воздуха.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Цой Диана Александровна, 2020 год

Литература

1. Vall S., Castell A. Radiative cooling as low-grade energy source: A literature review // Renew. Sustain. Energy Rev. 2017. No 77. P. 803-820.

2. Catalanotti S., Cuomo V., Piro G., Ruggi D., Silvesrini V., Troise G. The radiative cooling of selective surfaces // Sol. Energy. 1975. No 2. Vol. 17. P. 83-89. DOI: 10.1016/0038-092X (75) 90062-6.

3. Zhang S., Niu J. Cooling performance of nocturnal radiative cooling combined with microencapsulated phase change material (MPCM) slurry storage // Energy Build. 2012. No 54. P. 122-130. DOI: 10.1016/j. enbuild. 2012.07.041.

4. The Future of Cooling. Paris: OECD, 2018. DOI: 10.1787/9789264301993-en.

5. Гусева Я. Э., Королёва Н. А. Энергоэффективность в системах кондиционирования воздуха с применением испарительного охлаждения // Сантехника. Отопление. Кондиционирование. 2018. № 8 (200). С. 74-77.

6. Коченков Н. В. Проблема разработки научно-методических основ создания систем кондиционирования воздуха для помещений с разнохарактерными нагрузками // Вестник Международной академии холода. 2014. №. 3. С. 48-52.

7. Tevar J. A. F., Castano S., Garrido Marijuan A., Heras M. R., Pistono J. Modelling and experimental analysis of three radioconvective panels for night cooling // Energy and Buildings. 2015. No 107. P. 37-48. DOI: 10.1016/j. enbuild. 2015.07.027.

8. Meir M. G., Rekstad J. B., L0vvik O. M. A study of a polymer-based radiative cooling system // Sol. Energy. 2002. No 6. Vol. 73. P. 403-417. DOI: 10.1016/S0038-092X (03) 00019-7.

9. Joubert G. D., Dobson R. T. Modelling and testing a passive night-sky radiation system // J. Energy South. Africa. 2017. No 1. Vol. 28, P. 76-90. DOI: 10.17159/2413-3051/2017/v28i1a1550.

10. Bokor B., Kajtar L., Eryener D. Nocturnal radiation: new opportunity in building cooling // Energy Procedia. 2017. No 112. P. 118-125. DOI: 10.1016/j. egypro. 2017.03.

11. Цой А. П., Грановский А. С., Цой Д. А., Бараненко А. В. Влияние климата на работу холодильной системы, использующей эффективное излучение в космическое пространство (часть 1) // Холодильная техника. 2014. № 12. С. 36-41.

12. Цой А. П., Грановский А. С., Цой Д. А., Бараненко А. В. Влияние климата на работу холодильной системы, использу-

References

1. Vall S., Castell A. Radiative cooling as low-grade energy source: A literature review. Renew. Sustain. Energy Rev. 2017. No 77. P. 803-820.

2. Catalanotti S., Cuomo V., Piro G., Ruggi D., Silvesrini V., Troise G. The radiative cooling of selective surfaces. Sol. Energy. 1975. No 2. Vol. 17. P. 83-89. DOI: 10.1016/0038-092X (75) 90062-6.

3. Zhang S., Niu J. Cooling performance of nocturnal radiative cooling combined with microencapsulated phase change material (MPCM) slurry storage. Energy Build. 2012. No 54. P. 122-130. DOI: 10.1016/j. enbuild. 2012.07.041.

4. The Future of Cooling. Paris: OECD, 2018. DOI: 10.1787/9789264301993-en.

5. Guseva Ya. E., Koroleva N. A. Energy efficiency in air conditioning systems using evaporative cooling. Plumbing. Heating. Conditioning. 2018. No 8 (200). P. 74-77. (in Russian)

6. Kochenkov N. V. Development of methodical basis of ACS design for rooms with heat loads of different types. Vestnik Mezhdunarodnoi Akademii Kholoda. 2014. No 3. P. 48-52. (in Russian)

7. Tevar J. A. F., Castano S., Garrido Marijuan A., Heras M. R., Pistono J. Modelling and experimental analysis of three radioconvective panels for night cooling. Energy and Buildings. 2015. No 107. P. 37-48. DOI: 10.1016/j. enbuild. 2015.07.027.

8. Meir M. G., Rekstad J. B., L0vvik O. M. A study of a polymer-based radiative cooling system. Sol. Energy. 2002. No 6. Vol. 73. P. 403-417. DOI: 10.1016/S0038-092X (03) 00019-7.

9. Joubert G. D., Dobson R. T. Modelling and testing a passive night-sky radiation system. J. Energy South. Africa. 2017. No 1. Vol. 28, P. 76-90. DOI: 10.17159/2413-3051/2017/v28i1a1550.

10. Bokor B., Kajtar L., Eryener D. Nocturnal radiation: new opportunity in building cooling. Energy Procedia. 2017. No 112. P. 118-125. DOI: 10.1016/j. egypro. 2017.03.

11. Tsoy A. P., Granovskiy A. S., Tsoy D. A., Baranenko A. V. the Influence of climate on the operation of the refrigeration system using effective radiation into space (part 1). Kholodilnaia tekhnika. 2014. No. 12. P. 36-41. (in Russian)

12. Tsoy A. P., Granovskiy A. S., Tsoy D. A., Baranenko A. V. the Influence of climate on the operation of the refrigeration system using effective radiation into space (part 2). Kholodilnaia tekhnika. 2015. No. 1. P. 43-46. (in Russian)

ющей эффективное излучение в космическое пространство (часть 2) // Холодильная техника. 2015. № 1. С. 43-46.

13. Qingyuan Z., Yu L. Potentials of Passive Cooling for Passive Design of Residential Buildings in China // Energy Procedia. 2014. No 57. P. 1726-1732. DOI: 10.1016/j. egypro. 2014.10.161.

14. Цой А. П., Грановский А. С., Цой Д. А. Моделирование работы холодильной системы ночного радиационного охлаждения в условиях определенного климата // Известия научно-технического общества «КАХАК». 2015. № 3. С. 95-103.

15. Bell I. H., Wronski J., Quoilin S., Lemort V. Pure and pseudopure fluid thermophysical property evaluation and the open-source thermophysical property library CoolProp // Industrial and Engineering Chemistry Research. 2014. No 6. Vol. 53. P. 2498-2508. DOI: 10.1021/ie4033999.

16. Тарабанов М. Г., Коркин В. Д., Сергеев В. Ф. Влажный воздух. Справочное пособие. М.: АВОК, 2004. 116 c.

17. Цой А. П., Грановский А. С., Бараненко А. В. Исследование радиаторов трубчатой конструкции системы ночного радиационного охлаждения // Международная научно-техническая конференция «Казахстан-Холод 2016». Алматы: Алма-тинский технологический университет, 2016. С. 126-133.

18. SamuelD. G. L, Nagendra S. M. S., MaiyaM. P. Passive alternatives to mechanical air conditioning of building: A review // Build. Environ.

2013. Vol. 66. P. 54-64. DOI: 10.1016/j. buildenv. 2013.04.016.

19. Мухачев Г. А., Щукин В. К. Термодинамика и теплопередача: Учеб. для авиац. вузов. 3-е изд. М.: Высшая школа, 1991. 480 c.

20. Цой А. П., Грановский А. С., Джамашева Р. А., Ашихин А. Ю., Корецкий Д. А. Экспериментальное исследование системы ночного радиационного охлаждения в летний период времени // Вестник Алматинского технологического университета. 2018. № 3 (120). С. 110-117.

21. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. 3-е изд. / Под ред. М. О. Штейнберга. М.: Машиностроение, 1992. 672 с.

22. Бараненко А. В., Тимофеевский Л. С. и др. Холодильные машины. СПб.: Машиностроение, 2006. 944 с.

23. Архив данных о погоде по городам мира. 2019. [Электронный ресурс]: http://rp5.kz.

24. Брух С. В. Сравнительный анализ энергоэффективности мультизональных систем кондиционирования воздуха // Сантехника. Отопление. Кондиционирование. 2004. № 2.

25. Dobson R. T. Thermal modelling of a night sky radiation cooling system // J. Energy South. Africa. 2005. No 2. Vol. 16. P. 20-31. DOI: 10.1016/j. buildenv. 2013.04.016.

26. Sima J., Sikula O., Kustova K., Plasek J. Theoretical Evaluation of Night Sky Cooling in the Czech Republic // Energy Procedia.

2014. Vol. 48. P. 645-653. DOI: 10.1016/j. egypro. 2014.02.075.

13. Qingyuan Z., Yu L. Potentials of Passive Cooling for Passive Design of Residential Buildings in China. Energy Procedia. 2014. No 57. P. 1726-1732. DOI: 10.1016/j. egypro. 2014.10.161.

14. Tsoy A. P., Granovskiy A. S., Tsoy D. A. Modeling the operation of the refrigeration system of night radiation cooling under conditions of a certain climate. News of scientific-technical society "QAGHAQ". 2015. No. 3. P. 95-103.

15. Bell I. H., Wronski J., Quoilin S., Lemort V. Pure and pseudopure fluid thermophysical property evaluation and the open-source thermophysical property library CoolProp. Industrial and Engineering Chemistry Research. 2014. No 6. Vol. 53. P. 2498-2508. DOI: 10.1021/ie4033999.

16. Tarabanov M. G., Korkin V. D., Sergeev V. F. Humid air. Reference book. Moscow: AVOC, 2004. 116 p. (in Russian)

17. Tsoy A. P., Granovskiy A. S., Baranenko A. V. Investigation of the radiators of the tubular design of the system of the night radiative cooling. International Scientific-Technical Conference "Kazakhstan-Cold 2016". Almaty: Almaty Technological University, 2016. P. 126-133.

18. Samuel D. G. L., Nagendra S. M. S., Maiya M. P. Passive alternatives to mechanical air conditioning of building: A review. Build. Environ. 2013. Vol. 66. P. 54-64. DOI: 10.1016/j. buildenv. 2013.04.016.

19. Mukhachev G. A., Shchukin V. K. Thermodynamics and heat transfer: Studies. for aviation. higher educational. 3-e Izd. Moscow: High school, 1991. 480 p. (in Russian)

20. Tsoy A. P., Granovskiy A. S., Jamasheva R. A., Ashikhin A. Yu., Koretsky D. A. Experimental study of the system of night radiation cooling in summer. Bulletin of Almaty Technological University. 2018. No 3 (120). P. 110-117.

21. Idelchik I. E. Handbook of hydraulic resistance. 3-e Izd. / Under the editorship of M. O. Steinberg. Moscow: Mechanical Engineering, 1992. 672 p. (in Russian)

22. Baranenko A. V., Timofeevskiy L. S., et al. Refrigeration machine. SPb. Mechanical engineering, 2006. 944 p. (in Russian)

23. Archive of weather data on the cities of the world. 2019. [Electronic resource]: http://rp5.kz

24. Bruch S. V. Comparative analysis of energy efficiency of multizone air conditioning systems. Plumbing. Heating. Conditioning. 2004. No. 2. (in Russian)

25. Dobson R. T. Thermal modelling of a night sky radiation cooling system. J. Energy South. Africa. 2005. No 2. Vol. 16. P. 20-31. DOI: 10.1016/j. buildenv. 2013.04.016.

26. Sima J., Sikula O., Kustova K., Plasek J. Theoretical Evaluation of Night Sky Cooling in the Czech Republic. Energy Procedia. 2014. Vol. 48. P. 645-653. DOI: 10.1016/j. egypro. 2014.02.075.

Сведения об авторах

Цой Александр Петрович

к. т. н., профессор кафедры «Механизация и автоматизация производственных процессов» Алматинского технологического университета, Казахстан, 050012, г Алматы, ул. Толе би, 100, [e-mail]

Грановский Александр Сергеевич

младший научный сотрудник Алматинского технологического университета, Казахстан, 050012, г. Алматы, ул. Толе би, 100, [e-mail]

Цой Диана Александровна

аспирант факультета низкотемпературной энергетики Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail]

Бараненко Александр Владимирович

д. т. н., профессор, советник при Ректорате Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail]

Information about authors

Tsoy Aleksandr Petrovich

Ph. D., Professor Professor of the Department "Mechanization and automation of production processes" of Almaty Technological University, Kazakhstan, 050012, Almaty, Tole Bi str., 100, [e-mail]

Granovskiy Aleksandr Sergeevich

Junior Researcher of Almaty Technological University, Kazakhstan, 050012, Almaty, Tole Bi str., 100, [e-mail]

Tsoy Diana Aleksandrovna

Postgraduate Student of Faculty of Cryogenic Engineering of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

Baranenko Aleksandr Vladimirovich

D. Sc., Professor, Advisor to Rector's Office of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КОМИТЕТ ПО НАУКЕ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ УНИВЕРСИТЕТ ИТМО МЕЖДУНАРОДНАЯ АКАДЕМИЯ ХОЛОДА

УНИВЕРСИТЕТ ИТМО

Приглашают принять участие в работе IX международной научно-технической конференции

«Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке»

13-15 ноября 2019 г.

Конференция проводится на базе мегафакультета биотехнологий и низкотемпературных систем Университета ИТМО по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ КОНФЕРЕНЦИИ:

> Низкотемпературная техника и системы низкопотенциальной энергетики;

> Надежность материалов оборудования биотехнологий и низкотемпературных систем;

> Автоматизация процессов и производств; ^ Криогенная техника и технологии

сжиженного природного газа (СПГ);

> Техника и процессы пищевых производств;

> Системы кондиционирования и жизнеобеспечения;

^ Теплофизика и теоретическая тепло- и хладотехника;

> Пищевые и биотехнологии;

> Промышленная экология и техносферная безопасность;

> Экономика и управление производством;

> Инновации цифровой экономики.

Телефон для справок: [phone] Платунова Яна Яковлевна, Быкова Тамара Николаевна Е-шай: [e-mail] Подробная информация на сайте:

www.rft21.ifmo.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КОМИТЕТ ПО НАУКЕ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

МЕЖДУНАРОДНАЯ АКАДЕМИЯ ХОЛОДА

VII Международная научно-техническая конференция

«НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ И ПИЩЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В XXI ВЕКЕ»

(Санкт-Петербург, 17-20 ноября 2015 г.)

ЧАСТЬ I

Материалы конференции

УНИВЕРСИТЕТ ИТМО

Санкт-Петербург 2015

УДК 664; 621; 304; 33 8

ББК 31.392; 31.31; 36; 65; 74.58 Н61

VI I Международная научнтоехническая конференция «Низко температурные и пищевые технологии^ веке» (Санкт-Петербург, 17-20 ноября 201 г). Ч. I: Материалы конференции-. СПб.: Университет ИТМО, 2015 - 544 с.

ISBN 978-5-7577-0511-8 (1) ISBN 978-5-7577-0510-1

В сборнике представлены материалы конференции по следующим направлениям: низкотемпературная техника и системы низкопотенциальной энергетниадёжность материалов низкотемпературной техники, автоматизация процессов и устройств, криогенная техника и технлогии, системы кондиционирования и жизнеобеспечения, теоретические основы тег-пи хладотехникитехника и процессы пищевых производств пищевые технологии,биотехнологии пищевых продуктовпромышленная экология, экономика и управление производством врасли, высшая школаи социально культурные практикиХХ! века.

Сборник подготовлен при участии Комитета по науке и высшей ш кол Администрации Санк-Иетербурга и Международной академии холода

Редакционная коллегияА.В. Бараненко, И.В. Баранов, А.А. Мальвше Е.И. Борзенко, М.В. Яковлева, А.В. Цыганков, О.Б. Цветков, Л.А. Забодалова, В.С. Колодязная, А.Л. ИшевскиЕ,И. Верболоз, Т.В. Меледина, О.И. СергиенкВ.Л. Василенок, И.Г. Сергеева

УНИВЕРСИТЕТ ИТМО

Университет ИТМО - ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий, один из немногих российских вузов, получивших в 2009 году статус национального исследовательского университета. С 2013 года Университет ИТМО- участник программы повышения конкурентоспособности российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательны центров, известной как проект«5 - 100». Цель Университета ИТМО- становление исследовательского университета мировою уровня, предпринимательского по типу, ориентированного на интернационализацию всех направлений деятельности.

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, 5 01

АВТОРЫ, 2015

УДК 621.565.83, 536.332

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НОЧНОГО РАДИАЦИОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ В УСЛОВИЯХ РЕЗКО-КОНТИНЕНТАЛЬНОГО КЛИМАТА

А.П. Цой, А.С. Грановский, Д.А. Цой

Алматинский технологический университетАлматы, Казахста н [e-mail]

Ночное радиационное охлаждение (НРО) это нетрадиционный способ охлаждения, основанный на передаче тепла от объекта при помощи теплового излучения, уходящего через атмосферу Земли в ночное время в окружающее космическоепространство 1].

В предыдущих работах авторы проводили предварительную оценку холодоп[®изводительности системы НРО в различных климатических условии ях Для этого подсчитывался конвективный и радиационный тепловой поток с излучающей поверхности охлаждающего устройства (радиатора). Подоб подход используется многими авторам^].

Однако эффективность работы системы НРО зависит не только от параметров радиатора, но и от конструкции других элементов холодильной системы. К примеру, крайне важно учитывать, какое количество холода необходимо запасти в аккумуляторе, а также как теплоприоки в отдельных элементах влияют на общую холодопроизводтельность системы.

Экспериментальные исследования систем НРО требуют значительных затрат временных и материальных ресурсов, так как необходимо учитывать изменения холодопроизводительности системы Н РОечение длительных периодов времени.

Поэтому наиболее эффективным способом исследования работы системы НРО является разработка ее математической модели. После проверки модели на основе необходимого количества экспериментальных данных можно провесттедювание работы системы в течение всего года исключительно за счет расчетов, как это предлаается сделать в работах 6].

Для решения обозначенной проблемы была разработана математическая модель системы НРО, представленной на рис. 1. В качестве аккумулятора холода используется полимерная емкость объемом 000 л.. Все элементы системы соединены полипропиленовыми трубопроводами. Система теплоизолирована слоем вспененного полиэтилена. В системе используется насос с сухим ротором с двигателем мощностью 450 Вт. В качестве теплоносителя в предлагаемой системегисуется вода.

Излучающая поверхность радиатора изготовлена из алюминиевого листа и трубы. Для исследования процесса теплообмена, происходящего в радиаторе, использовался метод конечных элементов, реализуемый в ф1зде [7]. На основе проведенного моделирования получена регрессионная зависимость для определения удельной хлодопроизводительности радиатора в зависимости от температуры воздуха, теплоноителя и условной температуры ночного неба.

В модели описаны все значимые видтеплопритоков: через стенки аккумулятора холода, трубопроводов системы, от двигателя насоса и в радиаторах. Для расчета коэффициентов теплоотдачи были использованы стандартные методики Также произведена оценка потерь энергии на транспортировку теплоносителя. Подсчитано энргопотребление насоса системДл я реализацирасчетного алгоритма использована средй с^аЬ [9].

Р

3

о

1

Рис. 1. Схема к расчету теплового баланса системыа Ккумулятор холода; 14 насос;

К1 - распределительный коллектор; —собирающий коллектор; -Ррадиаторы

Произведена проверка математической модели холодильной системы на основе экспериментальных даы1х. В частности была также произведена проверка матемаической модели на основе данных, полученных ранее Установлено, что расхождения в экспериментальных!® оретических данных не превышают (£5°

Далее для моделирования работы системы в течение года были получены данные об изменении температур воздуха, точки росы и облачности в течение 2014 года для города Алматы. Произведено сглаживание полученных данных.

При помощи разработанной математической модели могут быть получены графики изменения температур и тепловых потоков в каждом из элементов системы в любой момент времени (см. рис. 2), а также подсчитана суммарная холодопроизводитеьность системы в каждую изоней в году .

Обработка результатов расчетов за год показала, что при помощи разработанной холодильной системы можно получить в аккумуляторе холода температуру на 3°С ниже минимальной за ночь температуры воздуха. При работе в условиях климата города Алматы в системе НРО не менее 116 дней в году температура будет устанавливаться ниже 0°С. При этом холодильная система с радиатором площадью 2 м может произодить от 5 МДж за ночь в летний период для режима кондиционирования воздуха. В зимний период может быполучено до 35 МДж холода за ночь для поддержания ежима от 0 до +10°С. Холодильный коэффициент системы при этом в среднем за год может составлять до 8,6 единиц. Это подтверждает идею о том, что НРО в условиях резкоконтинентального климата может испольаовся не только в системах кондиционирования, но и для получения более низких температур. Наиболее перспективными способами применения систем НРО можно считать следующие: поддержание тепературы воздуха в камерах фруктоовощехранилищ, охлаждение воды до+5...+10°С для нужд технологических процессов, поддержание температуры воздуха в системах кондиционирования и снижение температуры конденсации в конденсаторах холодильных машин в летнее время.

Рис. 2. Результаты моделирования работы системы НР Озменение температур:-1аккумулятора; 2 - на выходе из радиаторов- изменение теплопритоков:-3через стенки аккумулятора; 4 - от насоса; 5- через стенки трубопроводов-^ радиаторах

Разработанная математическая модель может быть использован а дл оптимизации конструкции системы НРО, а также для разработки способов автоматизированного управления системой.

Списоклитературы :

1. Kimball B. Cooling performance and efficiency of night sky radiators // Sol. ene9$5. Vol. 34, № 1P. 19 - 33.

2. Цой А.П. Влияние климата на работу холодильной системы, использующей эффетивное излучение в космическое пространство (часть ') / Цой А.П., Грановский А.С., Цой Д.А., Бараненко А.В. // Холодильная техника. 2014. №12. (-.43165

3. Цой А.П. Влияние климатана работу холодильной системы, использующей эффетивное излучение в космическое пространство (часть 2/2) / Цой А.П., Грановский А.С., Цой Д.А., Бараненко А.В. // Холодильная техни2§.15. №1С. 43- 46.

4. Qingyuan Z. Potentials of Passive Cooling forsPve Design of Residential Buildings in China / Qingyuan Z., Yu L. // Energy Procedia. 2014. Vol. 57. P. 1-712632.

5. Sima J. Theoretical Evaluation of Night Sky Cooling in the Czech Republic / Sima J., Kosutova K., Plasel J. // Energy Procedia. 20V4L 48. P. 645- 653.

6. Vangtook P. Application of radiant cooling as a passive cooling option in hot humid climate / Vangtook P., Chirarattananon Build. Environ. 2007.Vol. 52, №2. P. 543- 556.

7. ELCUT Студенческий: 6.0.0.1508. [Электронный ресурс]. Компьютерная программа. СПб. : ООО «Тор», 2013URL: http://elcutru/.

8. Мухачев Г.А. Термодинамика и теплопередача: Учеб. для авиац. ву-зюизД. М.: Высшая школа, 1991480 с .

9. SciLab 5.5.2 (64 bit) [Электронный ресурс]Компьютерная программа. Versailles: SciLab Enterprises, 2015. URL: http://www.scilab.org/.

10. Цой А.П. Экспериментальная холодильная система, использующая эффективное излучение / Цой А.П., ГрановсйиА.С., Эглит А.Я., Ким И.А. // Развитие пищевой, легкой промышленности и индустрии гостеприимства: мат. Межднар. наракт. конф. (17718 октября 2013 г.). Алматы: Алматинский технологический университет, 20.1236 СБ- 268.

VII Международная научно-техническая конференция

«НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ И ПИЩЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В XXI ВЕКЕ»

(Санкт-Петербург, 17 - 20 ноября 2015 г.)

ЧАСТЬ I Материалы конференции

Титульный редактор Т.В. Белянкина

Компьютерная верстка Е.В. Москвичева Я.Я. Платунова

Дизайн обложки О.В. Долговская

Печатается в авторской редакции

Подписано в печать 06.11.2015. Формат 60*84 1/16 Усл. печ. л. 31,88 Печ. л. 34,25 Уч.-изд. л. 33,75 Тираж 100 экз. Заказ № С 82

Университет ИТМО. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49

Издательско-информационный комплекс 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КОМИТЕТ ПО НАУКЕ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

УНИВЕРСИТЕТ ИТМО

МЕЖДУНАРОДНАЯ АКАДЕМИЯ ХОЛОДА

IX Международная научно-техническая конференция

«НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ И ПИЩЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В XXI ВЕКЕ»

(Санкт-Петербург, 13-15 ноября 2019 г.)

Том I

Материалы конференции

УНИВЕРСИТЕТ ИТМО

Санкт-Петербург 2019

УДК 664; 621; 304; 338

ББК 31.392; 31.31; 36; 65; 74.58 Н61

IX Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 13-15 ноября 2019 г.). Т. I: Материалы конференции. - СПб.: Университет ИТМО, 2019. - 344 с.

ISBN 978-5-7577-0617-7 ISBN 978-5-7577-0618-4 (Т.1)

В сборнике представлены материалы конференции по следующим направлениям: низкотемпературная техника и системы низкопотенциальной энергетики, надёжность материалов оборудования биотехнологий и низкотемпературных систем, автоматизация процессов и производств, криогенная техника и технологии сжиженного природного газа (СПГ), системы кондиционирования и жизнеобеспечения, теплофизика и теоретическая тепло-и хладотехника, процессы и аппараты пищевых производств, пищевые и биотехнологии, промышленная экология и техносферная безопасность, экономика и управление производством, инновации цифровой экономики.

Сборник подготовлен при участии Комитета по науке и высшей школе Администрации Санкт-Петербурга и Международной академии холода.

Редакционная коллегия: И.В. Баранов, А.А. Малышев, А.В. Цыганков, О.Б. Цветков, С.А. Вологжанина, Л.А. Забодалова, В.С. Колодязная, Е.И. Верболоз, В.Л. Иванов, А.Ю. Баранов, А.В. Фёдоров, О.И. Сергиенко, В.Л. Василенок.

УНИВЕРСИТЕТ ИТМО

Университет ИТМО - ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий, один из немногих российских вузов, получивших в 2009 году статус национального исследовательского университета. С 2013 года Университет ИТМО - участник программы повышения конкурентоспособности российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров, известной как проект «5 - 100». Цель Университета ИТМО- становление исследовательского университета мирового уровня, предпринимательского по типу, ориентированного на интернационализацию всех направлений деятельности.

© Университет ИТМО, 2019 © Авторы, 2019

УДК 621.565.83, 697.97

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СУТОЧНОГО ЦИКЛА РАБОТЫ УСТАНОВКИ С РАДИАЦИОННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

А.П. Цой1, А.С. Грановский1, Д.А. Цой2, А.В. Бараненко2

1 - Алматинский технологический университет, г. Алматы, Респ. Казахстан 2 - Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия

[e-mail]

Аннотация

В работе на основе данных о погоде в городе Алматы за 23 августа 2018 года при помощи разработанной компьютерной модели произведено исследование суточного цикла работы холодильной установки, в которой охлаждение воды производится за счёт ночного радиационного охлаждения. Установка используется для поддержания температуры воздуха в закрытом помещении с габаритными размерами 3x4 м и высотой 3 м. При температуре атмосферного воздуха до +26,4°С, за счет работы установки температура воздуха в помещении поддерживалась в диапазоне от +15,7 до +18,9°С, энергопотребление за сутки достигло 0,83 кВтч, а средний удельный сброс тепла радиаторами составил 55 Вт/м2. Ключевые слова

Радиационное охлаждение, эффективное излучение, естественное охлаждение, холодильная техника, компьютерное моделирование.

Радиационное охлаждение (далее РО) - способ понижения температуры охлаждаемого объекта, основанный на сбросе тепла в виде инфракрасного излучения в ночное время через атмосферу планеты в окружающее космическое пространство [1, 2]. Данный способ охлаждения можно использовать для создания холодильной установки, в которой жидкий теплоноситель охлаждается в радиаторах в ночное время, и после этого подается в воздухоохладитель, где забирает тепло от охлаждаемого воздуха [3, 4].

Холодильные установки, использующие РО, не требуют значительных затрат энергии для осуществления охлаждения, и теоретически могут иметь высокий уровень энергоэффективности. Однако исследование установок РО связано с необходимостью учета множества переменных факторов (климатических условий, конструктивных особенностей отдельных элементов), что значительно затрудняет проведение исследований [5]. В связи с этим с целью изучения особенностей функционирования установки РО разработана усовершенствованная компьютерная модель, учитывающая детально процессы теплообмена, происходящие в отдельных элементах установки, а также рассчитывающая её фактический уровень энергопотребления.

При помощи разработанной модели, после её проверки на основе полученных ранее экспериментальных данных [6], произведено исследование работы установки РО, изображенной на рис. 1. В качестве теплоносителя в установке используется вода. Установка имеет два гидравлических контура. По первому гидравлическому контуру вода подается в радиаторы. По второму гидравлическому контуру вода подается к воздухоохладителю.

В качестве аккумулятора холода А используется кубическая ёмкость с 1028 кг воды. Стенки аккумулятора холода теплоизолированы слоем минеральной ваты толщиной 25 мм.

Воздухоохладитель ребристо-трубной конструкции с навитыми ребрами имеет площадь теплообменной поверхности 7 м2, шаг между ребрами 4 мм и вентилятор с потребляемой мощностью электродвигателя 18 Вт. Объемный расход воздуха, создаваемый вентилятором - 716 м3/час. Расчет холодопроизводительности воздухоохладителя производится по формулам из [7, с. 773].

В установке используются циркуляционные насосы с мокрым ротором. Насос Н1, подающий воду в радиаторы, создает массовый расход 0,2 кг/с, а насос Н2, подающий воду в воздухоохладитель, создает массовый расход 0,05 кг/с.

Радиаторы пластинчато-трубной конструкции закреплены на крыше здания с малым уклоном к горизонту и имеют общую площадь излучающей поверхности 12 м2. Расчет количества тепла, сбрасываемого в виде инфракрасного излучения радиаторами выполняется по методике из работы [8]. Также учитываются конвективные теплопритоки к излучающей поверхности, а также приток тепла через теплоизоляционный слой под излучающей поверхностью.

Насос первого контура с радиаторами работает между закатом и восходом Солнца (с 19:45 до 6:07). При этом через каждый час работ он отключается на 10 минут. Насос второго контура и вентилятор воздухоохладителя включены все время.

Установка используется для охлаждения закрытого помещения с габаритными размерами 4x3x3 м, стены которого выполнены из панелей с минеральной ватой толщиной 50 мм.

Моделирование проведено на основе данных о погоде в городе Алматы (Казахстан) за 23 августа 2018 года. В указанный день отсутствовала облачность (см. кривую 6 на рис. 2б) и наблюдалась низкая скорость ветра.

Рис. 1. Принципиальная гидравлическая схема моделируемой установки РО: А - аккумулятор холода; ВО - воздухоохладитель; Н1, Н2 - насосы; М1, М2, М3 - электродвигатели, ОП - охлаждаемое помещение; Р1.. ,Р6 - радиаторы; Ф1, Ф2 - фильтры

Результаты моделирования работы установки РО представлены на рис. 2.

Температура теплоносителя в аккумуляторе холода (кривая 3 на рис. 2а) за счет работы радиаторов понижается от +20°С в 0:00 до +14,6°С к 6:00 утра.

г, °С (а)

28 26 24 22 20 18 16 14 12

12 т, чч:мм

100 80 60 40 20 0

N ф, %

(б)

и, м/с

400 200 0

-200 -400 -600 -800 -1000 -1200

0

о т, чч:мм

о

т, чч:мм

0 0

00 о о

сч

0

о

мэ

0

О 00

00 О о

О СЧ

0 0

0

О

мэ

0

О 66

00 О О

О СЧ 22

0 0

Рис. 2. Динамика изменения рабочих параметров установки РО за 23 августа 2018 года: а - температуры в системе; б - параметры атмосферного воздуха; в - тепловые потоки в системе; 1 - температура атмосферного воздуха; 2 - температура воздуха в охлаждаемом помещении; 3 - температура теплоносителя в аккумуляторе холода; 4 - температура теплоносителя на выходе из радиаторов; 5 - относительная влажность атмосферного воздуха; 6 - общий уровень облачности; 7 - скорость ветра; 8 - тепловой баланс

установки РО; 9 - тепловая мощность, передаваемая от теплоносителя в радиаторах; 10 - холодопроизводительность воздухоохладителя; 11 - суммарная мощность, потребляемая

электродвигателями установки

Температура воздуха в охлаждаемом помещении (кривая 2) понижается до момента восхода Солнца в 6:07 и достигает +15,7°С. Далее температура воздуха в охлаждаемом помещении поднимается и достигает +18,9°С к 18:30. При этом температура атмосферного воздуха днем поднимается до +26,4°С к 16:00 (кривая 1). Средняя температура в охлаждаемом помещении за сутки составляет +17,5° С, что на 3 K ниже среднесуточной температуры атмосферного воздуха (+20,5°С).

Температура теплоносителя в аккумуляторе холода в дневное время на 1.. .1,4 K ниже температуры охлаждаемого воздуха. При прохождении через радиатор в ночное время теплоноситель охлаждается на 1,4 K (кривая 4).

В дневное время температура поверхности воздухоохладителя была выше температуры точки росы атмосферного воздуха. Следовательно, осушения воздуха при его охлаждении не происходило, и в помещении должен был наблюдаться высокий уровень влажности воздуха (>55%).

В ночное время к 2:00 радиаторы сбрасывают до 922 Вт тепла или 76,8 Вт на 1 м2 излучающей поверхности (кривая 9 на рис. 2в). При этом одновременно происходит сброс тепла через стенки трубопроводов и аккумулятора холода. Из-за этого общие потери тепла (кривая 8) в установке достигают 1038 Вт. В среднем же в ночное время радиаторы сбрасывают 665 Вт тепла или 55 Вт на 1 м2 излучающей поверхности.

Днем к 16:00 холодопроизводительность воздухоохладителя составляет 125 Вт. При этом холодопроизводительность воздухоохладителя равна теплопритоку через ограждения. Столь малый теплоприток в охлаждаемое помещение объясняется низкой скоростью движения воздуха, как у наружной (кривая 7 на рис. 2б), так и у внутренней поверхности ограждающей конструкции.

При одновременном включении два насоса и вентилятор воздухоохладителя установки потребляют до 53,3 Вт электрической мощности. В дневное время насос второго контура и вентилятор воздухоохладителя потребляют совместно 21,6 Вт. За сутки установка потребила 0,832 кВтч электроэнергии.

На основе полученных результатов можно сделать вывод, что установка радиационного охлаждения в указанных условиях могла свободно поддерживать комфортную температуру воздуха в помещении. Установка не способна производить осушение воздуха, в связи с чем уровень относительной влажности будет высоким, и в некоторых случаях может оказаться выше допустимого значения (>60%). В дальнейших исследованиях при помощи разработанной модели предполагается провести моделирование работы установки РО в течение годового цикла. Также разработанная модель может использоваться для оптимизации конструкции установок РО.

Работа выполнена в рамках проекта 0118РК00535 на основе гранта АР05130918/ГФ, выделенного Министерством образования и науки Республики Казахстан.

Литература

1. Vall S., Castell A. Radiative cooling as low-grade energy source: A literature review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2017. - Vol. 77. - P. 803-820.

2. Zhao B., Hu M., Ao X., Chen N., Pei G. Radiative cooling: A review of fundamentals, materials, applications, and prospects // Applied Energy. - 2019. - Vol. 236. - P. 489513.

3. Aili A., Zhao D., Lu J., Zhai Y., Yin X., Tan G., Yang R.. A kW-scale, 24-hour continuously operational, radiative sky cooling system: Experimental demonstration and predictive modeling // Energy Conversion and Management. - 2019. Vol. 186. - P.586-596.

4. Tsoy A.P., Alimkeshova A.K., Granovskiy A.S. Cooling process modeling of a periodically incoming liquid, using night radiation cooling // AIP Conference Proceedings. - 2018. - Vol. 2007.

5. Карагусов В.И., Гошля Р.Ю., Сердюк В.С., Колпаков И.С., Немыкин В.А., Погуляев И.Н. Экспериментальный стенд для исследования радиационных систем жизнеобеспечения: первые эксперименты // Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства. Материалы 8-й международной научно-технической конференции. - Омск: Омский государственный технический университет, 2018. - С. 159-160.

6. Цой А.П., Грановский А.С., Джамашева Р.А., Ашихин А.Ю., Корецкий Д.А. Экспериментальное исследование системы ночного радиационного охлаждения в летний период времени // Вестник Алматинского технологического университета. - 2018. - № 3 (120). - С. 110-117.

7. Бараненко А.В., Бухарин Н.Н., Пекарев В.И., Сакун И.А., Тимофеевский Л.С. Холодильные машины: учебник. - СПб.: Политехника, 1997. - 992 с.

8. Samuel D.G.L., Nagendra S.M.S., Maiya M.P. Passive alternatives to mechanical air conditioning of building: A review // Building and Environment. - 2013. - Vol. 66. -P. 54-64.