МЕТОДИКА ТЕПЛОВОГО И КОНСТРУКТИВНОГО РАСЧЕТА СОЛНЕЧНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ АККУМУЛИРУЮЩЕЙ ЭНЕРГИЮ ХОЛОДА В ВИДЕ ВОДЯНОГО ЛЬДА

АННОТАЦИЯ

В статье представлена методика инженерного расчета солнечной холодильной установки, запасающей энергию холода в виде водяного льда. С помощью этого метода можно определить геометрические размеры холодильника с минимальным значением коэффициента тепловых потерь холодильной камеры, необходимое количество компрессоров, обеспечивающих требуемую холодопроизводительность, а также количество образующегося водяного льда.

АBSTRACT

 The article presents a technique for engineering calculation of a solar refrigerator that stores cold energy in the form of water ice. Using this method, it is possible to determine the geometric dimensions of the refrigerator with the minimum value of the heat loss coefficient of the refrigerating chamber, the required number of compressors that provide the required cooling capacity, as well as the amount of water ice formed.

Ключевые слова: солнечный холодильник, холодопроизводительность, теплопотери, водяной лед, полезный объем.

Keywords: solar refrigerator, cooling capacity, heat loss, water ice, usable volume.

Тот факт, что солнечная энергия не имеет постоянной и единообразной величины по земной поверхности, и что время поступления солнечной энергии на земную поверхность не соответствует времени потребности в нем, делает необходимым запасание солнечной энергии. в других полезных формах. С этой целью авторами была разработана установка для генерации водяного льда с использованием солнечной энергии. В этой статье представляется метод инженерного расчета для проектирования холодильной установки с использованием солнечной энергии, которую можно использовать круглосуточно. Компрессоры холодильной установки потребляют электроэнергию, вырабатываемую солнечными фотомодулями, совершают термодинамическую работу и вырабатывают холод в испарителе. Эта энергия охлаждения используется для замораживания воды внутри охлаждающей камеры. Выработанный, таким образом лед, поддерживает низкую температуру окружающей его воду и соответственно воздуха внутри камеры, даже когда компрессоры перестают работать.

В результате выполнения, разработанного инженерного расчета, можно получить следующие данные:

• суточное выработанное устройством количество льда;

• геометрические размеры холодильной камеры:

• к необходимому количеству компрессоров.

Исходными данными для проведения расчета являются:

• величина нагрузки, которая приходится на холодильную камеру;

• требуемая температура воздуха внутри холодильной камеры;

• полезный объем холодильной камеры.

Ниже приводится последовательность выполнения разработанного инженерного расчета.

Количество хладагента, вырабатываемого холодильной камерой, зависит от области использования камеры. В зависимости от того, какое вещество хранится в холодильной камере, холодильная нагрузка является производственной.

Суточное количество энергии холода, связанное с изменением температуры охлаждаемого продукта,

m – масса продукта, кг, c – удельная теплоемкость продукта, Дж/(кг*К), ∆T – разница между начальной и конечной температурами вещества, К.

Количество суточной энергии холода за счет изменения состояния вещества полностью или частично в течение 1 суток,

m - масса вещества, изменившего агрегатное состояние, кг, g - удельная энергия плавления (затвердевания), необходимая для изменения агрегатного состояния, Дж/кг.

Суточная холодопроизводительность,

Внешние стенки охлаждающей камеры должны быть теплоизолированы, чтобы свести к минимуму теплообмен холодной воды внутри камеры с внешней средой. Поэтому тепловая защита камеры охлаждения также является важной частью инженерных расчетов. Принимая температуру холодной воды в охлаждающей камере одинаковой по объему, т. е. изотропной, а температуру металлических стенок, камеры содержащих воду, равной температуре воды, теплопотери может быть определена в следующей последовательности.

Суммарное термическое сопротивление наружной стенки холодильной камеры:

 - тепловое сопротивление слоев, образующих наружную стенку,  - коэффициент конвективного теплообмена между окружающим воздухом и наружной поверхностью холодильной камеры, Вт/(м² К).

- толщина слоя, м,  - коэффициент удельной теплопроводности слоя Вт/(м*К)

Теплообмен между окружающим воздухом и наружной поверхностью охлаждающей камеры представляет собой естественный конвективный теплообмен, при этом коэффициент конвективной теплоотдачи определяется в следующей последовательности.

Nu – критерий Нусельта  – коэффициент удельной теплопроводности воздуха Вт/(м*К), l – характерный размер, м.

C, n - коэффициенты, зависящие от величины Gr×Pr, берем из специальной литературы.

Критерий Прандтля для воздуха Pr:

– удельная изобарная теплоемкость, Дж/(кг*К),  – коэффициент динамической вязкости, (Па·с),  – удельная теплопроводность воздуха, Вт/(м*К).

Критерий Грасгофа Gr:

 - коэффициент температурного расширения, 1/К,  - ускорение свободного падения m/c², l - характерный размер, м,  - коэффициент динамической вязкости Па*с,  - температура окружающего воздуха, K,  - температура поверхности стенки камеры охлаждения, К.

После определения коэффициентов теплопередачи горизонтальных Fгор. и вертикальных Fверт._ стенок холодильной камеры рассчитываются поверхности этих стенок.

а, b и h - ширина, длина и высота холодильной камеры соответственно, м.

Теплопотери охлаждающей камеры определяется из следующих уравнений:

Суточные тепловые потери

Общая суточная нагрузка по холоду

Исходя из заданного объема холодильной камеры, можно определить конструктивные размеры (ширину, высоту и длину) холодильной камеры с минимальными потерями тепла во внешнюю среду.

Для заданного объема холодильной камеры приведенные выше уравнения (1-16) рассчитываются для различных температур воздуха и размеров камеры, а результаты представляются в виде диаграммы рис. 1.

На рис. 1, представлены результаты расчетов теплопотерь для разных размеров камеры и температур наружного воздуха для камеры объемом 0,5 м³ при термическом сопротивлении вертикальной и горизонтальной стенок 2,88 и 4,02 (м² К)/Вт соответственно.

Чтобы воспользоваться диаграммой, сначала определяем требуемую высоту холодильника (1) и от выбранного значения проводим горизонтальную линию. От этой линии от точек пересечения определенных значений ширины камеры проводим вертикальные линии до пересечения с кривыми соответствующих значений ширины камер линия (2). Минимальное значение теплопотерь определяется проведением горизонтальных линий (3) от точек пересечения вертикальных линий (2) с соответствующими кривыми ширины камер.

Рисунок 1. Диаграммы определения величины тепловых потерь холодильной камеры во внешнюю среду

Исходя из необходимой суточной холодопроизводительности, определяется количество компрессоров, которые могут обеспечить эту энергию.

 - время работы компрессора в течение суток, часов.  - холодопроизводительность компрессора, Вт. Холодопроизводительность компрессора величина переменная, при температуре испарения и конденсации энергоносителя -5 С и +50 С соответственно и при частоте вращения компрессора 2000 мин^-1  равна 75 Вт.

В зависимости от требуемой среднесуточной холодопроизводительности количество льда, которое должно образоваться в холодильной камере за 1 день, определяется по следующему уравнению.

 - удельная скрытая теплота плавления водяного льда, Дж/кг. - коэффициент, обеспечивающий нахождение температуры воздуха внутри холодильной камеры в требуемом диапазоне, принимается 0,7 для холодильников с температурой не выше +1 С и 0,95 для холодильника с температурой не выше +4 С.

Список литературы:

1. Kumar Sahu, B., 2015. A study on global solar PV energy developments and policies with special focus on the top ten solar PV power producing countries. Renew. Sustain. Energy Rev. 43, 621–634. <http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2014.11 .058>.
2. Ondraczek, J., Komendantova, N., Patt, A., 2015. WACC the dog: the effect of financing costs on the levelized cost of solar PV power. Renew. Energy 75, 888–898. <http://dx.doi.org/10.1016/ j.renene.2014.10.053>
3. Kim, D.S., Infante Ferreira, C.A., 2008. Solar refrigeration options – a state-of-the-art review. Int. J. Refrigeration 31, 3–15. <http:// dx.doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2007.07.011>.
4. Ekren, O., Yilanci, A., Cetin, E., Ozturk, H.K., 2011. Experimental performance evaluation of a PV-powered refrigeration system. Electron. Electr. Eng. 114.
5. McCarney, S., Robertson, J., Arnaud, J., Lorenson, K., Lloyd, J., 2013. Using solar-powered refrigeration for vaccine storage where other sources of reliable electricity are inadequate or costly. Vaccine 31, 6050–6057. <http://dx.doi.org/10.1016/j.vaccine .2013.07.076>.
6. Otanicar, T., Robert, A.T., Phelan, P.E., 2012. Prospects for solar cooling – an economic and environmental assessment. Sol. Energy 1287–1299
7. Sarbu, I., Sebarchievici, C., 2013. Review of solar refrigeration and cooling systems. Energy Build. 67, 286–297
8. Kaplanis, S., Papanastasiou, N., 2006. The study and performance of a modified conventional refrigerator to serve as a PV powered one. Renew. Energy 31, 771–780. <http://dx.doi.org/ 10.1016/j.renene.2005.04.012>.
9. Modi, A., Chaudhuri, A., Vijay, B., Mathur, J., 2009. Performance analysis of a solar photovoltaic operated domestic refrigerator. Appl. Energy 86, 2583–2591. http://dx.doi.org/ 10.1016/j.apenergy.2009.04.037