Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 90.

Как бороться с холодильниками?

XXI век и холодильное дело

Тысячелетиями человечество удовлетворяло потребности в холоде за счет естественного охлаждения, используя лед и снег. Только в 80-х годах XIX века сформировались основы современных методов получения искусственного холода. Дальше холодильное дело развивалось стремительно. Меньше чем за сто лет создано огромное количество разновидностей холодильных установок. Только основных физических явлений, используемых в технике для осуществления искусственного охлаждения, существует более десяти. Наиболее распространенными являются фазовые превращения, расширение сжатого газа, дросселирование, вихревой эффект (труба Ранка), термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье).

В настоящее время холод стал непременным элементом современного быта, область его использования широка. Так, в 2000 году в мире было произведено 100 млн. стационарных и 35 млн. транспортных холодильных установок.

Энергетика и производство холода неразрывно связаны между собой. Искусственное охлаждение (т.е. охлаждение ниже температуры окружающей среды) может производиться только с затратой энергии, расходуемой на привод холодильной машины. Потребляемая мощность современных холодильных машин колеблется от нескольких десятков ватт до тысяч киловатт. Часовая холодопроизводительность крупных холодильных установок составляет от сотен тысяч до нескольких миллионов Кдж.

Соответственно, и затраты электроэнергии значительны. Чтобы уменьшить потребление электроэнергии, в прошедшее столетие человечество стремилось создавать более совершенное холодильное оборудование, отличающееся более высокой энергетической эффективностью, не задумываясь об экологических аспектах эксплуатации холодильной техники. В результате с 30-х годов XX века и до настоящего времени в бытовых и промышленных холодильных установках (а также кондиционировании воздуха) нашли широкое применение фреоновые парокомпрессионные холодильные машины (ПКХМ).

Однако эмиссия применяемых в ПКХМ в качестве рабочих тел фреонов на рубеже XXI века привела к обострению глобальных проблем: уменьшению озонового слоя Земли, усилению «парникового эффекта» и т.д.

В 1980-90-х годах было принято несколько крупных международных законопроектов, которые ужесточили требования к современным системам, генерирующим холод, и были направлены на улучшение экологической ситуации в связи с опасностью разрушения озонового слоя и глобальным потеплением.

Так, в 1987 году всеми странами, производящими фреоны (в том числе и Россией), был подписан Монреальский протокол по озоноразрушающим веществам, согласно которому ряд широко используемых фреонов (R12, R13, R502 и т.д.), относящихся к классу хлорфторуглеродов, должны быть исключены из практической деятельности. Для замещения в холодильной технике указанных хладагентов первоначально основной акцент был сделан на разработку и применение новых альтернативных веществ. Однако проблема оказалась значительно сложнее. Оказалось, что значительная часть альтернативных хладагентов решением Киотского протокола (Япония, 1997), наряду с СО2, являющимся основным виновником глобального потепления, были отнесены к категории “парниковых газов”. Так, вклад в парниковый эффект 1 кг хладагента R134a эквивалентен выбросу в атмосферу 1300 кг СО2.

Помимо прямой эмиссии (утечки) хладагентов из холодильных установок, следовало иметь в виду также и количество СО2, выделяемое при производстве энергии для привода холодильного оборудования. Это привело к необходимости введения в холодильное дело понятия нового критерия: полного эквивалента глобального потепления - TEWI, который комплексно учитывает энергетические и экологические факторы использования холодильной техники. В настоящее время к перспективному холодильному оборудованию предъявляются два основных требования: высокая эффективность и экологическая чистота.

Анализ современных направлений развития холодильной промышленности

Фреоновый кризис дал мощный толчок развитию исследований в области холодильной техники. Можно выделить несколько направлений в развитии современной холодильной промышленности.

Во-первых, это производство новых синтетических хладагентов (группы HFC) для ПКХМ. Данное направление лоббируется правительствами США, Японии, а также транснациональными корпорациями «Дюпон», «Данфосс» и др. Однако в настоящее время интерес к поиску новых озонобезопасных веществ, которые можно было бы использовать в холодильной технике, заметно ослабевает. С одной стороны, уже имеющаяся номенклатура альтернативных веществ позволяет заменить R12, R22 и т.д. в холодильном оборудовании как чистыми хладагентами, так и многокомпонентными композициями. С другой стороны, синтез новых веществ, разработка технологий их получения и создания соответствующего оборудования - длительный дорогостоящий процесс. Практически для каждого нового хладагента придется менять холодильное масло и значительную часть оборудования.

Исследования последних лет показали, что предлагаемые зарубежными фирмами озононеразрушающие хладагенты группы HFC (R134а, R125, R152а и т.д.), помимо высокого потенциала глобального потепления, имеют и другие существенные недостатки. Так, хладагент R134а проверялся на токсичность более 7 лет. Однако есть подозрения, что при эксплуатации холодильных установок могут возникнуть условия, при которых из микропримесей этого хладагента будут образовываться сильнейшие яды на основе фторсодержащих соединений. Будучи сами озонобезопасными, хладагенты этой группы, упущенные в атмосферу при эксплуатации холодильных машин, под воздействием солнечных лучей разрушаются по углеродным связям и, соединяясь с атмосферным хлором, образуют озоноразрушающие вещества (например, R115). Более того, как показывает опыт, затраты на замену существующих рабочих веществ хладагентами группы HFC составляют от 40 до 70% первоначальной стоимости холодильной машины, при этом снижается ее эффективность, переход же на выпуск новых холодильных установок с «озононеразрушающими» рабочими веществами увеличивает их стоимость на 20-25%, что на 30-40% повышает розничную цену холодильного оборудования.

Применение природных хладагентов

Это направление особенно интенсивно развивается в Западной Европе (например, в Германии) и связано с более широким использованием в холодильной промышленности дешевых природных веществ, таких, как пропан, аммиак, двуокись углерода и т.д. Указанные вещества являются экологически чистыми продуктами, имеются достаточные производственные мощности для их промышленного получения.

Однако эти рабочие вещества требуют специальных мер предосторожности при использовании их в холодильной технике. Так, при использовании аммиака и углеводородов ввиду их ядовитости и воспламеняемости необходимо применять специальные инженерно-технические решения для того, чтобы был обеспечен надлежащий уровень герметичности системы в отношении утечек из нее хладагента. Как правило, холодильное оборудование на природных хладагентах имеет более высокую стоимость, чем оборудование, работающее на фреонах. Дополнительные затраты возникают из-за более сложной механической конструкции, которая необходима для удовлетворения требований безопасной эксплуатации в случае использования аммиака или горючих хладагентов. В случае применения диоксида углерода затраты возникают в силу необходимости справиться с очень высоким давлением и низкой критической температурой.

Совершенствование низкоэффективных холодильных машин

Третье направление - совершенствование экологически чистой холодильной техники, основанной на низкоэффективных принципах получения холода. К данной категории холодильного оборудования относятся воздушные, пароэжекторные, сорбционные холодильные машины, устройства, использующие эффект Пельтъе, Ранка и т.д. Цель работ данного направления - повысить эффективность.

Энергетически неэффективные холодильные машины не вредят озоновому слою, но увеличивают количество парниковых газов при производстве электроэнергии для данного оборудования.

Нецелесообразность значительных капитальных вложений на совершенствование низкоэффективных холодильных машин (воздушных, термоэлектрических и т.д.) обуславливается тем, что даже в идеальном случае значение их эксергетический кпд не превысит 20-25%, что связано с особенностями термодинамических циклов этих машин. Так, воздушные холодильные машины (обратный замкнутый цикл Брайтона) по потребляемой энергии становятся конкурентоспособными с ПКХМ лишь при температурах ниже 200 К (-70 °С).

Применение данных типов холодильных машин, вероятнее всего, в дальнейшем будет определяться специфическими условиями функционирования объектов, для которых эти машины предназначены.

Разработка новых принципов получения холода

Ряд специалистов считает, что нас ждет революция в способах получения холода. В качестве новых принципов указываются, например, так называемые «звуковые компрессоры» и «холодильные чипы». В первом случае для создания холода используется звук. Основные исследования в этой области проводятся в компании «Marco Sorix Co» (США). Технология с применением «холодильных чипов» относится к термоионному охлаждению. Разработкой данной технологии занимается английская компания «Бореалис Техникал». Согласно теоретическим оценкам создателей, энергетическая эффективность этого типа охладителей будет в 2 раза выше, чем у компрессорных систем.

Однако в настоящее время существуют только отдельные опытные образцы холодильного оборудования, работающего на этих принципах, а цена их значительно превышает стоимость парокомпрессионного оборудования. Поэтому говорить о широком использовании новых принципов получения холода пока рано.

Холодильные машины Стирлинга

Пятое направление - производство холодильных машин Стирлинга умеренного холода. Идея использования цикла Стирлинга для создания холодильных машин умеренного холода не нова. В 1834 году Дж. Гершелем были изготовлены опытные образцы холодильных машин Стирлинга, впоследствии получивших широкое распространение. Такие машины успешно эксплуатировались в пищевой промышленности, ими также были оснащены многие промысловые суда Англии в целях замораживания рыбы. С 1876 года холодильные машины Стирлинга использовались в Шотландии на фабриках по производству парафиновых мастик. Однако в силу тогдашнего несовершенства они к началу XX столетия были полностью вытеснены компрессионными холодильными машинами.

В настоящее время бурный рост научно-технических знаний и успехи в области создания двигателей и криогенных машин Стирлинга привели к интенсификации научных исследований по созданию альтернативного холодильного оборудования умеренного холода на основе цикла Стирлинга.

За рубежом перспективность использования машин Стирлинга в области умеренного холода становится очевидным. В настоящее время в мире проблемами создания новых образцов машин Стирлинга и их производства занимается не менее 140 крупных компаний и научно-исследовательских организаций, многие из которых достигли значительных успехов и вышли на серийное производство. Так, с 2003 года в ряде европейских стран и Южной Корее планируется начать массовый выпуск бытовых холодильников на основе холодильных машин Стирлинга с линейным приводом. Полученные результаты исследований показывают, что достигнутый уровень в проектировании машин Стирлинга позволяет создавать холодильные машины Стирлинга умеренного холода (производительностью до 100 кВт) с эффективностью в 1,5 раза выше, чем у лучших образцов парокомпрессионных холодильных машин, при этом массогабаритные характеристики сокращаются до 20-30%. Кроме ведущих стран в области проектирования и создания машин Стирлинга, какими являются США, Великобритания, Япония, ФРГ, Швеция и Нидерланды, в последнее время начались интенсивные исследования в данной области техники в Китае, ЮАР, Австралии, Израиле, Канаде, Индии и ряде других стран.

Холодильные машины Стирлинга умеренного холода - перспективное холодильное оборудование XXI века

Термодинамический цикл машин, о которых пойдет речь дальше, был предложен в 1816 году шотландцем Робертом Стирлингом. Машина Стирлинга - это машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу, в котором циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема. Цикл Стирлинга, состоящий из двух изотерм и двух изохор, по эффективности равен циклу идеальной машины (циклу Карно). Поэтому машины Стирлинга самые высокоэффективные машины в мире. В холодильных машинах Стирлинга практически отсутствуют собственные потери, а технические потери от трения и конечной разности температур при внешнем и внутреннем теплообмене могут быть устранены или существенно снижены при рациональном конструировании и подборе термодинамических параметров. Принципиальная особенность холодильных машин Стирлинга - совмещение в одном устройстве процессов сжатия и расширения рабочего тела, теплообмена между прямым и обратными потоками гелия, а также внешнего теплообмена с охлаждаемым объектом и с окружающей средой. Это обуславливает их компактность и высокую термодинамическую эффективность.

Холодильные машины Стирлинга - это экологически чистые машины. В качестве рабочего тела используется гелий, могут применяться также азот и водород, т. е. вещества, полностью нейтральные к окружающей среде.

В настоящее время разработано большое количество компоновочных схем и конструктивного исполнения отдельных узлов машин Стирлинга. Так, только одних приводов известно более 18 типов. На мировых форумах по современному состоянию и перспективам развития машин, работающих по циклу Стирлинга, отмечалось, что технология изготовления машин Стирлинга почти полностью освоена. Решены проблемы уплотнений двигающихся деталей, выбора материалов, пайки теплообменников и т.д. В связи с этим, наряду с традиционным применением для военных целей (переконденсация низкокипящих жидкостей, охлаждение детекторов инфракрасного излучения), перспективным считается применение машин Стирлинга для хранения пищевых продуктов и систем кондиционирования воздуха.

Уровень техники и опыт создания холодильных машин Стирлинга умеренного холода за рубежом

Уже в настоящее время на рынке холодильного оборудования крупных магазинов и складов для хранения продуктов питания появились высокоэффективные и экологически чистые холодильные машины Стирлинга умеренного холода. Так, в Институте прикладной термодинамики и холодильной техники в университете г. Эссена (Германия) создана холодильная машина Стирлинга производительностью 10 кВт при t = -35 °С для крупных магазинов, конкурирующая по своим характеристикам и цене с ПКХМ на R12.

Фирма «Stirling Thermal Motors» (США) разработала холодильную машину Стирлинга SMT4-120 холодопроизводительностью около 25 кВт для систем холодоснабжения супермаркетов. В диапазоне температур 240-265 К данная холодильная машина имеет холодильный коэффициент, равный 2,3. Американская фирма «Stirling Power Systems» имеет в своем арсенале две модели холодильных машин Стирлинга умеренного холода - «V160» производительностью около 10 кВт и «TEM» производительностью более 3 кВт. Имеется реальная возможность появления в ближайшем будущем многоцилиндровых холодильных машин Стирлинга производительностью до 100 кВт и выше, на уровне охлаждения от 230 К до 270 К.

Холодильные машины Стирлинга умеренного холода для бытовых холодильников

Первые эффективные машины Стирлинга умеренного холода для бытовых холодильников были созданы в Великобритании в 1957 году. В качестве рабочего тела использовался воздух, при этом их эффективность на температурном уровне 233 К была сравнима с ПКХМ. Однако первые модели холодильных машин Стирлинга умеренного холода стоили гораздо дороже парокомпрессионных аналогов из-за сложной технологии изготовления отдельных узлов машины.

В настоящее время наиболее серьезных результатов в серийном производстве высокоэффективных машин Стирлинга умеренного холода добились американцы. В конце 1990-х фирмой «Sunpower Inc» на основе серийно выпускаемых криогенераторов Стирлинга была создана холодильная машина умеренного холода «Spase Shuttle». Этот бортовой холодильник предназначен для замораживания проб крови и урины космонавтов во время проведения медико-биологических экспериментов на борту «Шаттлов». Холодильная машина Стирлинга работала на температурных уровнях +4 °С и -22 °С. Бортовой холодильник успешно прошел цикл летных испытаний во время полета КЛАМИ «Spase Shuttle STS-60» в феврале 1994 года. Позже фирмой были разработаны несколько модификаций домашних холодильников на основе свободнопоршневых машин Стирлинга.

В настоящее время фирмой создана новая холодильная машина Стирлинга для бытового холодильника, имеющая эксергетический кпд около 60% и производительность 200 Вт на уровне 258 К.

Фирмой «Gryodynamics, Inc» (США) создан домашний холодильник с машиной Стирлинга на уровне от 250 К до 271 К, который также превосходит по эффективности существующие холодильники с ПКХМ. Холодильник имеет два контейнера, один из которых предназначен для замораживания продуктов, а другой - для хранения охлажденных продуктов.

Фирмой «General Electric» (США) подготовлен к серийному производству домашний холодильник на основе охладителя Стирлинга, имеющий эффективность на 16% выше по сравнению с ПКХМ. Время наработки - 25 тыс. часов. Однако, как отмечают специалисты, стоимость холодильника при мелкосерийном производстве почти в 2 раза выше, чем холодильников с ПКХМ. При производстве холодильников 250 тыс. штук в год, их цена снижается до 88 дол. США, а при производстве 1 млн. штук в год составит всего лишь 33 долл. США за единицу.

Н. Г. Кириллов
к.т.н., с.н.с. (Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского)
Федеральный эксперт научно-технической сферы

В девяносто первом выпуске читайте: Заводим вечный двигатель?