Разработка нового поколения низкотемпературных холодильных машин

Scientific-Engineering Center P.O.B. 3682, Ma’alot, 2 105 906, ISRAEL Phone: +972−50−8 509 416; Fax: +972−4-9 971 336 E-mail: naumir@yandex.ru

3R-Technology 108 840, Russia, Moscow, Troitsk Тел: +7−910−404−6904; +7−905−782−2040 E-mail: miily@yandex.ru; pd6@bk.ru

Канд. техн. наук И.Н. МИРМОВ, miily@yandex.ru, Институт ядерных исследований РАН, Москва;

Д-р техн. наук Н.И. МИРМОВ, naumir@yandex.ru, Научно-инженерный центр, City Ma’alot, Israel;

С.А. ЩИПЦОВ, pd6@bk.ru, ПАО «ИнтерРАО», Москва

Разработка нового поколения низкотемпературных холодильных машин

Введение

Предлагается новая низкотемпературная абсорбционная холодильная машина (АБХМ — AbRMS^m), которая работает на основе раствора соли в спиртах. Использование рабочего раствора бромистый литий + метиловый спирт (LiBr / CH₃OH) позволяет получать в испарителе температуру кипения холодильного агента (метанола) до -18ºС. В абсорбционных холодильных машинах пар холодильного агента перемещается из испарителя в абсорбер за счет разности концентраций. При отрицательных температурах кипения холодильного агента в испарителе, давление в абсорбере выше, чем в испарителе. Вследствие этого поддерживать низкое давление, а соответственно, и температуру кипения в испарителе невозможно. Для обеспечения заданной отрицательной температуры кипения в испарителе, преодоления разности давлений в аппаратах и поддержания нормальной работы холодильной машины испаритель и абсорбер соединены между собой гидродинамическим усилителем. Гидродинамический усилитель (в дальнейшем усилитель) относится к классу газожидкостных струйных аппаратов. В усилителе в качестве рабочей жидкости используют крепкий раствор, который поступает из генератора в регенеративный теплообменник. За счет кинетической энергии потока рабочей жидкости (крепкого раствора) протекает процесс отсоса паров метанола из испарителя, и в нем поддерживается заданное давление и соответственно температура кипения. При производительности 30 кВт и выше необходимо устанавливать 2, 3 и более гидродинамических усилителей.

С учетом принятой в холодильной технике классификации холодильных машин предлагается разработать модельный ряд абсорбционных холодильных машин AbRMS^m 10−350 (10, 18, 35, 70, 120, 150, 200, 350 kW).

Холодильная машина состоит из двух сборочных блоков (А) и (В). Сборочный блок может иметь компоновку абсорбер — испаритель и генератор — конденсатор в едином корпусе или состоять из отдельных аппаратов [см. рис. 1]. Холодильные машины производительностью 10 кВт и 18 кВт изготавливают однокорпусными.

1. Основные отличия предлагаемой холодильной машины от известных аналогов

1.1. Абсорбер и испаритель состыкованы между собой гидродинамическим усилителем таким образом, чтобы камера всасывания усилителя закреплена на горловине испарителя, а диффузор размещен в абсорбере.

1.2. Теплообменные трубки абсорбера, испарителя, генератора и конденсатора закреплены в трубных решетках квадратной или прямоугольной формы, что позволяет значительно уменьшить длину трубок при сохранении заданной теплообменной поверхности.

1.3. Так как основной процесс абсорбции паров холодильного агента протекает в гидродинамическом усилителе, то трубный пучок абсорбера, следовательно, и размеры самого абсорбера в 1.8−2.0 раза меньше.

1.4. Холодильная машина содержит накопительный ресивер, в котором установлен змеевик для переохлаждения крепкого раствора. Ресивер установлен после регенеративного теплообменника.

1.5. Также, холодильная машина содержит насос, который предназначен для подачи крепкого раствора через сопло гидродинамического усилителя в абсорбер.

1.6. Вариант конструкции блока (В), в котором испаритель и абсорбер размещены в одном корпусе. В данном варианте конструкции испарителя для охлаждения холодоносителя используют тепловые трубки или двухфазные термосифоны.

2. Основные технические параметры и преимущества предлагаемой холодильной машины:

2.1. Для разрабатываемого модельного ряда абсорбционных холодильных машин приведенные значения соответствуют номинальной холодопроизводительности при следующих заданных рабочих условиях:

Приведенные значения

Рабочее вещество: метанол / LiBr;

Температура кипения холодильного агента (метанола) в испарителе: −10°С и −12°С;

Температура конденсации холодильного агента: 30-40 °C;

Давление конденсации: 0.3−0.4 бар;

Холодоноситель: водный раствор этиленгликоля. Температура холодоносителя на выходе из испарителя: −6…−8°С.

2.2. Холодильная машина состоит из двух сборочных блоков, что снижает вес и улучшает условия обслуживания и ремонта.

2.3. Гидродинамический усилитель обеспечивает стабильную и равномерную подачу паров холодильного агента из испарителя в абсорбер, а также компенсирует разность давлений в абсорбере и испарителе.

2.4. Гидродинамический усилитель позволяет поддерживать заданное давление и температуру кипения холодильного агента в испарителе;

2.5. Применение гидродинамического усилителя обеспечивает интенсивный процесс абсорбции паров метанола крепким раствором за счет перемешивания в смесительной камере и диффузоре;

2.6. Предотвращение возможной кристаллизации раствора обеспечивается установкой на сливном трубопроводе между испарителем и абсорбером насоса и автоматического электромагнитного клапана

2.7. При использовании в испарителе тепловых трубок или двухфазных термосифонов повышает надежность работы холодильной машины, как минимум, в 2 раза.

1. Области использования

Разработанный типовой ряд низкотемпературных абсорбционных холодильных машин может применяться для получения технологического холода на предприятиях мясной и молочной промышленности, в пищевой, химической и нефтегазовой промышленности. Данный тип холодильных машин можно использовать для систем кондиционирования воздуха в торговых и зрелищных центрах, промышленных и офисных зданиях и в быту.

Использование абсорбционной холодильной машины в качестве ступени высокой температуры в 2-х ступенчатой машине дает возможность их применять для шоковой заморозки продуктов, мороженного и биопрепаратов.

4. Экономическая целесообразность использования и изготовления низкотемпературных абсорбционных холодильных машин

4.1. Для предприятия разработчика и изготовителя экономическая эффективность определяется следующим образом:

4.1.1. Изготовление единичного образца АБХМ, например, производительностью 120 кВт, составит 150−160 тыс. €. Себестоимость серийной машины такой же производительностью по холоду будет дешевле на 20−25%.

4.1.2. Разрабатываемый модельный ряд абсорбционных холодильных машин закрывает практически весь потребительский рынок холодильных машин для низкотемпературного охлаждения. Окупаемость вложений на разработку и изготовление в течение года порядка 8−10 холодильных машин составит не более 2-х лет.

4.1.3. Дополнительная прибыль предприятия будет получена за счет организации шеф-монтажа и осуществления пусконаладочных работ.

4.1.4. Разработанная абсорбционная холодильная машина даст большие доходы, если будет использована в качестве ступени высокой температуры в двухступенчатых холодильных машинах.

4.1.5. Производство машин может быть налажено в любой стране и в любом регионе при наличии стандартных машиностроительных предприятий.

4.2. Для фирмы или предприятия, которая приобретает низкотемпературную абсорбционную холодильную машину, экономическая эффективность складывается из следующих показателей:

4.2.1. АБХМ работают на бросовых (вторичных) источниках тепловой энергии. Температура греющего источника порядка 68-75 °C;

4.2.2. Электроэнергия расходуется только на привод циркуляционного насоса. Например, для АБХМ производительностью 120 кВт с заданными условиями расход электроэнергии составляет 6.2 кВт. Для такой же компрессионной холодильной машины, мощность установленного электродвигателя 58 кВт, то есть расходуется электроэнергии в 8,6 раз меньше.

4.2.3. Кроме того, разработанные АБХМ на 18−20% легче, чем существующие бромисто-литиевые холодильные машины.

4.2.4. Срок нормальной работы без дополнительного технического обслуживания составляет порядка 12−14 лет.

4.2.5. В холодильной машине механическими узлами являются два циркуляционных насоса, которые требуют только нормативное обслуживание уплотнений насоса и электродвигателей.

4.2.6. Применение абсорбционной холодильной машины в качестве ступени высокой температуры в двухступенчатых холодильных машинах для получения в охлаждаемых объектах температур -50ºС… ̶ 70ºС. При этом экономия электроэнергии достигает 40−43% по сравнению с компрессионными 2-х ступенчатыми машинами.

5. Интеллектуальная собственность

Конструктивные схемы низкотемпературных абсорбционных холодильных машин, конструктивные особенности основных элементов таких машин отображены в патенте Израиля № 248 315 от 05.02.2018 «Абсорбционная холодильная машина с рабочим раствором метанол / бромид лития» и в патенте РФ № 2 690 896 от 06.06.2019 «Низкотемпературная абсорбционная холодильная машина на основе раствора соли в спиртах», а также в ряде научных статей специализированных журналов.

Примечания:

1. С учетом разработки стенда для заправки холодильных машин рабочим раствором, и испытательного стенда, продолжительность выхода на серийный выпуск модельного ряда должна составлять порядка 28−32 месяца.

2. Ориентировочные расходы первого года работы по разработке и созданию двух-трех пилотных образцов холодильной машины, стендов для испытания и заправки составляют порядка € 350,000−400,000.

3. Последующий год работы даст возможность уменьшить расходы на 20−22%.