CC BY
57
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ БАРОГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ТЕПЛОХЛАДОСНАБЖЕННЯ УНИВЕРСАЛЬНЫХ СПОРТИВНО-РАЗВЛЕКАТЕЛЬНЫХ
КОМПЛЕКСОВ
ENERGY SAVING BAROGAL'VANICESKAA TECHNOLOGY SUPPLY IN UNIVERSAL SPORTS AND ENTERTAINMENT
COMPLEXES
, К.В.Люцько
, K. Lutsko
НИИСФ PAACH
Рассматривается новая энергосберегающая электрохимическая технология те-плохладоснабжения спорткомплекса, заключающего в себе ледяной каток и плавательный бассейн. Энерготехнология относится к классу нанотехнологий.
The new energy-efficient electrochemical technology of heat-cold supply of the sport center which includes an ice skating rink and swimming pool is considered. The energy technology belongs to the class of nanotechnologies.
В последние десятилетия в России наблюдается значительный рост интереса населения к здоровому образу жизни, выражающийся в проведении свободного времени в спортивно-развлекательных учреждениях. Появилась новая индустрия активного отдыха и развлечений населения, а также занятий непрофессиональным спортом. Одновременное активное развитие профессионального спорта в нашей стране сопровождается строительством всевозможных спортивных сооружений различного назначения для обеспечения тренировочных процессов и релаксации спортсменов. В свете изложенного появилась необходимость строительства универсальных спортивно-развлекательных сооружений, которые позволяли бы по желанию круглый год заниматься как зимними, так и летними видами спорта под одной крышей, и позволяли бы осуществлять релаксационные процедуры. Возможным симбиозом таких видов спорта и отдыха могли бы быть сочетания аквапарка и ледяного катка, бассейна и хоккейной площадки. Вместе с тем, важнейшей проблемой при создании таких сооружений является минимизация и эффективное потребление энергии, расходуемой системами подогрева, например, для плавательного бассейна, и охлаждения, например, для катка. Наиболее экономичными из известных систем теплохладоснабжения универсальных спортивных комплексов являются системы с тепловыми насосами [1]. Они позволяют использовать холодильно-нагрева-тельные свойства парокомпрессионного цикла. Одним из новых подходов к повышению эффективности теплонасосных систем является использование электрохимических процессов, характеризующихся высоким коэффициентом трансформации тепловой энергии в замкнутом электрохимическом термодинамическом цикле [2]. В НИИ строительной физики (НИИСФ РААСН) разработаны метод трансформации тепла и на его основе конструкция теплового насо-
С.А. Сидорцев
S.Sidortsev
са для теплохладоснабжения спорткомплекса [3]. Ниже приведен пример возможного использования барогальванической теплонасосной установки в универсальном спортивном комплексе с искусственным катком и бассейном.
На рис. 1 схематично показан универсальный спортивный комплекс с размещенной в нём теплонасосной установкой.
а)
б)
Рис. 1 Размещение теплового насоса в здании универсального спортивного комплекса: а - вид сверху, б - вид сбоку 1 - электрохимический компрессор; 2 - электрохимический детандер; 3 - регенеративный теплообменник
В теплонасосной установке устройство для намораживания ледяного поля выполнено в виде электрохимических детандеров, а устройство для обогрева бассейна и компрессоры функционально объединены и представляют собой электрохимические компрессоры.
Теплонасосная установка (рис. 1) состоит из охлаждающей (2) и нагревательной (1) панелей, которые соединяются между собой через регенеративный теплообменник (3) с образованием циркуляционного контура магистралями низкого и высокого давлений.
На рис. 2 представлена конструкция модуля теплового насоса.
Детандеры и компрессоры имеют форму прямоугольных плоских корытообразных диэлектрических панелей из теплоизоляционного материала (например из окиси алюминия), разделённых пористыми электродами на заполненные металлическим сетчатым материалом полости высокого давления и полости низкого давления рабочего тела. Полости высокого давления ограничены теплопроводными стенками с рёбрами жёсткости, обращёнными в эти полости. Электроды, расположенные в полостях низкого давления и опирающиеся на жёсткие перфорированные пластины, закреплённые в боковых стенках панелей. В одной из двух коротких боковых стенок панелей размещены элементы коммутации. Детандеры и компрессоры установлены на площади кат-
ка и дна бассейна горизонтально и вплотную друг к другу в два ряда так, что все элементы коммутации располагаются по периметру катка и дна бассейна (рис. 1).
На рис. 3 представлен детандер в разрезе (сечение В-В на рис. 1а), а на рис. 4 -представлен компрессор в разрезе (сечение Г-Г на рис. 1а), (обозначение см. на рис. 2).
М
Рис. 2 Конструкция модуля теплового насоса. 1 - электрохимический компрессор; 2 - электрохимический детандер; 3 - регенеративный теплообменник; 4, 7 - электролитные мембраны; 5,6,8,9 - пористые электроды; 14 - полость высокого давления; 15 - металлическая сетка, заполняющая полость 14; 16 - рёбра жёсткости; 17 -поджимная рамка; 18 - верхняя стенка; 19 - продольное наружное оребрение; 20 - перфорированный лист; 21 - полость низкого давления; 22 - жёсткая перфорированная пластина; 23 - корытообразная панель; 24 - стенка бассейна; 25 - слой воды; 26 - полость высокого давления; 27 - металлическая сетка, заполняющая полость 26; 28 - рёбра жёсткости; 29 - поджимная рамка; 30 - верхняя стенка; 31 - полость низкого давления; 32 - жёсткая перфорированная пластина; 33 - корытообразная панель; 34 - слой льда; 35 - реостат
Рис. 3 Детандер в разрезе Рис. 4 Компрессор в разрезе
Тепловой насос работает следующим образом (рис. 5). Газ-хладагент изотермически расширяется в детандере - процесс (10-11) на рис. 6 от максимального давления Ртах = 1 атм. до минимального давления Рт;п = 10-3 атм.
Рис. 5 Схема теплового насоса 1 - электрохимический компрессор; 2 - электрохимический детандер; 3 - регенеративный теплообменник; 4,7 - электролитные мембраны; 5,6,8,9-пористые электроды
При этом хладагент забирает у льда тепло q1 при минимальной температуре цикла Т1, равной температуре льда, а электродный блок, включающий электролитную мембрану (7) и пористые электроды (8) и (9), поглощает это тепло. Далее хладагент нагревается в регенеративном теплообменнике (процесс 11-12) до максимальной температуры цикла Т2, равной температуре воды в бассейне. После этого газ сжимается в компрессоре (процесс 12-13) от давления Рш;п до давления Ршах за счёт подвода электрической энергии постоянного тока к пористым электродам (5) и (6). Процесс сжатия газа-хладагента сопровождается выделением количества тепла q1 в электродном блоке, включающем электролитную мембрану (4) и электроды (5) и (6), эквивалентного работе сжатия газа-хладагента на заданном перепаде давления. Сжатый хладагент охлаждается в регенеративном теплообменнике (процесс 13-10) обратным потоком "холодного" газа, поступающего из детандера с температурой Ть
Рис. 7 Термодинамический цикл теплового насоса (10-11) - процесс в детандере 2; (11-12)-процесс в регенеративном теплообменнике 3; (12-13) - процесс в компрессоре 1; (13-10) - процесс в регенеративном теплообменнике 3;
В качестве хладагента - рабочего тела в тепловом насосе может быть использована смесь газов, например, аммиака с водородом в нестихиометрическом составе: один моль рабочего тела = 1 мольКИ3+0,5 моля Н2, а в качестве электролитных мембран -диэлектрический пористый "сухарь", пропитанный насыщенным водным раствором соли аммония с проводимостью по комплексному иону КН4+, типа (Ы"Н4)2 Б04, КН4С1; КН4К03.
Устройства для обогрева бассейна и намораживания ледяного поля - компрессоры и детандеры, имеющие вид прямоугольных корытообразных диэлектрических панелей, выполнены из теплоизоляционного материала, например, окиси алюминия, (23) и (33) (рис. 2, 3, 4).
Верхние стенки панелей (18) и (30) представляют собой ортотропные плиты из теплопроводного материала, (например, металла) с поперечными рёбрами жёсткости (16) и (28), обращёнными в полости высокого давления (14) и (26). Пористые электроды (6) и (9), расположенные в полостях низкого давления и опирающиеся на жёсткие перфорированные платины (22) и (32), закреплённые в боковых стенках панели, воспринимают нагрузку от перепада давлений газа-хладагента. Для улучшения циркуляции воды в бассейне стенки компрессора (18) снабжены продольным оребрением (19), над которым закреплены перфорированные листы (20). Для обеспечения эффективного отвода тепла от электродных блоков и подвода тепла к ним полости высокого давления (14) и (26) компрессоров и детандеров заполнены металлическим сетчатым материалом (15) и (27).
Разработанный тепловой насос позволяет покрыть только часть тепла, необходимого для нагрева бассейна, недостающее количество тепла поступает от котельной или электрообогревателя. В конструкции предусмотрено плавное и точное регулирование теплопроизводительности. Это достигается плавным изменением характеристик подводимой к устройству электроэнергии с помощью реостата (35) на рис. 2.
Применение теплонасосных установок для одновременного охлаждения и обогрева комплексных спортивных сооружений может быть расширено за счет изменения конфигурации сосудов. Например, можно выполнить вместо катка замкнутую конькобежную дорожку [4]. Для этого сосуды охлаждающей панели устанавливаются в один ряд вдоль дорожки, и на её криволинейных участках имеют форму кольцевых секторов, а коллекторы сосудов охлаждающей панели выполнены в виде двух замкнутых кольцевых контуров, размещенных с внутренней стороны дорожки. На рис. 8 схематично представлена теплонасосная установка для бассейна и ледовой беговой дорожки спортивного комплекса.
Основными показателями эффективности теплового насоса, выполняющего функции охлаждения и обогрева, являются холодильный коэффициент и коэффициент трансформации. Рассчитаем предельные значения этих коэффициентов, приняв следующие исходные данные: 1 - минимальная температура цикла Т1=258°К; 2 - минимальное давление газа-хладагента Р1=10-3 атм.; 3 - максимальное давление Р2=1 атм; 4 - газ-хладагент будем считать по свойствам близким к идеальному газу.
Количество тепла, отводимого ото льда и поглощаемого в детандере q1, можно определить по формуле:
ql = ТгДБ(10_11) = ЯТ^и ^ = 14,63кДж/к моль, (1)
где АБ(10.11) - изменение энтропии в процессе (10-11), кДж/кмоль-°К, Я - газовая постоянная, кДж/кмоль-°К,
а количество тепла, выделяющегося в компрессоре и используемого на нагрев воды в бассейне, определяется по формуле:
р2
q2 = Т2-АБ(12-13) = — = 17,56 кДж/к моль, (2)
где Т2-АБ(12_13) - изменение энтропии в процессе (12-13), кДж/кмоль-°К.
згг*
Рис. 8 Теплонасосная установка для бассейна и ледовой беговой дорожки 1 - прямоугольный компрессор; 2 - детандер в форме кольцевого сектора; 3 - регенеративный
теплообменник
Полная теоретическая работа Атеор., совершаемая над газом-хладагентом за цикл при стандартных условиях, составит:
Атеор.= q2 - q1=2,93 кДж/к моль (3)
Вычисленный по найденным параметрам коэффициент трансформации цтеоР., т.е. отношение полезного тепла, идущего на обогрев бассейна, к электрической работе Атеор., затраченный в цикле, будет равна:
Цтеор.
42
42 Ч2~Ч1
= 5,9,
а холодильный коэффициент будет равен:
^теор. .
41
= 4,99
(4)
(5)
Рассчитанные по формулам (4) и (5) предельные значения цтеор. и £теор., превышают значения этих величин, составляющие 1,5-3,5 в заданном интервале температур для известных в настоящее время тепловых насосов [1].
Рассчитаем мощность теплового насоса, необходимую для создания заданных температурных режимов катка и бассейна. Будем считать, что тепловой режим катка с искусственным льдом является определяющим. Примем размеры катка равными 61 м
X 30 м =1830 м (размер хоккейной площадки). Теплоприток к поверхности льда qnp будем считать равным 418 кДж/м2-ч или 100 ккал/ м2-ч.
Требуемая холодильная мощность теплового насоса составит величину:
gnp-Wa _ 212 5 кВт (6)
ХОЛ. 3600 с ' v '
Учитывая, что для рассматриваемого теплового насоса ете0р.= 4,99, электрическая мощность N3JI., подводимая к устройству будет равна:
Nra = ^ = 42,6 кВт (7)
£расч
Тепловая мощность насоса, идущая на обогрев бассейна NHar., составит:
NHar = Nxon+ N3n = 255,1 кВт ' (8)
Теплопотери qnoT через ограждающие конструкции бассейна и через зеркало воды лежат в интервале 80-400 кДж/м2-ч. Примем размеры бассейна в плане 50 м х 20 м, а его глубину 3 м. Тогда сумма площади ванны бассейна и зеркала воды будет равна 2420 м2.
Тепловая мощность, идущая на обогрев бассейна, составляет:
N = g™-s6acc « 281 кВт (9)
теп 3600 с v '
Как видно из сопоставления, NHar и NTen, практически всю мощность на нагрев бассейна обеспечивает тепловой насос. Недостающую мощность в 26 кВт должен обеспечить независимый источник тепла - котельная или электронагреватель.
Рассмотренная конструкция имеет следующие преимущества по сравнению с известными тепловыми насосами.
Благодаря изотермичности процессов сжатия и расширения в тепловом насосе (рис. 7) его рабочий цикл становится эквивалентным обратному обобщённому циклу Карно, поскольку изобары высокого и низкого давлений для реальных рабочих тел практически эквидистантны. Конструкция насоса обеспечивает аномально высокие степени расширения и сжатия - порядка 103-104, при которых несовершенство регенеративных теплообменников перестаёт существенно влиять на эффективность работы устройства. Рабочие процессы в предлагаемом тепловом насосе протекают без химических реакций и в полной изолированности от окружающей среды. Отсутствие движущихся частей делает конструкцию более надёжной в работе, снимает факторы шума и вибрации. Конструкция электрохимических компрессоров обеспечивает равномерное температурное поле по поверхности льда, существенно улучшая его качество.
Экономичность такой системы теплохладоснабжения обусловлена также небольшой материалоёмкостью конструкции, простотой эксплуатации, малыми потерями в системе коммутации.
Разработанная технология относится к классу нанотехнологий, поскольку в современных условиях электродные блоки детандера и компрессора могут быть выполнены с использованием наноматериалов (нанотрубок из графита) и нанопроцессов (напыления пористых электродов).
Эти особенности работы барогальванического парвого теплового насоса свидетельствуют о перспективности его создания и использования для теплохладоснабжения универсальных спортивных комплексов.
Литература
1. Д.Рей., Д.Макмайкл. Тепловые насосы - М.: Энергоиздат, 1982.
2. Баготскнй B.C. Роль электрохимии в решении энергетических проблем будущего. -Вестник АН СССР, 1983, № 10, 101-110 с.
3/2011_МГСу ТНИК
3. Сидорцев С.А. Авторское свидетельство № 1163106 «Теплонасосная установка для универсального спортивного комплекса: бассейн - ледовый каток».
4. Сидорцев С.А. Авторское свидетельство № 1267131 «Теплонасосная установка для универсального спортивного комплекса: бассейн-ледовая дорожка».
Literature
1. D.Rei., D.Makmaikl. Teplovye nasosy - M.: Energoizdat, 1982.
2. Bagotskii V.S. Rol' elektrohimii v reshenii energeticheskih problem buduschego. - Vestnik AN SSSR, 1983, № 10, 101-110 s.
3. Sidorcev S.A. Avtorskoe svidetel'stvo № 1163106 «Teplonasosnaya ustanovka dlya univer-sal'nogo sportivnogo kompleksa: bassein - ledovyi katok».
4. Sidorcev S.A. Avtorskoe svidetel'stvo № 1267131 «Teplonasosnaya ustanovka dlya universal'nogo sportivnogo kompleksa: bassein-ledovaya dorojka».
Ключевые слова: Энергосбережение, спорткомплекс, каток, дорожка, бассейн, энергетическая эффективность, цикл Карно.
Keywords: energy-efficiency, sport center, ice skating, track, energy-effectiveness, cycle Karno
Москва, Локомотивный проезд, дом 21;
тел. +7 (499) 488-76-97, e-mail: [email protected]
