Logo holodilshchik
интернет-выпуск № 10(46), октябрь, 2008 г.
ПЕРВАЯ В РОССИИ ИНТЕРНЕТ-ГАЗЕТА ПО ХОЛОДИЛЬНОЙ И БЛИЗКОЙ ЕЙ ТЕМАТИКЕ

Грамотно преподнести себя через рекламу - тоже искусство!
ХОЛОДИЛЬНОЕ ДЕЛО
ИИЦ "Стирлинг-технологии" (С.-Петербург)
ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ХОЛОДА:
ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ СТИРЛИНГА УМЕРЕННОГО ХОЛОДА

(О ТЕНДЕНЦИЯХ РАЗВИТИЯ МИРОВОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В XXI ВЕКЕ)


XХI ВЕК И ХОЛОДИЛЬНОЕ ДЕЛО

Тысячелетиями человечество удовлетворяло потребности в холоде за счет естественного охлаждения, используя для этих целей лед и снег. Лед был главным источником холода многие годы. И только в 80-х годах 19 века сформировались основы современных методов получения искусственного (машинного производства) холода. Дальше холодильное дело развивалось стремительно. Меньше чем за сто лет создано столько разновидностей холодильных установок, что для описания их не хватит целого тома. Только основных физических явлений, используемых в технике для осуществления искусственного охлаждения существует более десяти.

Наиболее распространенными из охлаждающих эффектов являются:

  • фазовые превращения;

  • расширение сжатого газа с получением внешней работы;

  • дросселирование; вихревой эффект (труба Ранка);

  • термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье) и т.д.

В настоящее время холод стал непременным элементом современного быта, область его использования широка. Трудно представить жизнь крупных городов, развитие пищевой промышленности (молочной, мясной, рыбной и т.д.) и торговли без холодильных машин различной мощности. С помощью холода осуществляется кондиционирование воздуха в производственных и бытовых помещениях. Даже развитие спорта потребовало применения холода для создания искусственных катков.

В XXI веке роль искусственного холода в жизни человека (в промышленном и сельскохозяйственном производстве, медицине, в быту и т.п.) продолжает возрастать с каждым годом. Так, в 1990 году в мире было произведено 80 млн. стационарных холодильных установок и 20 млн. транспортных холодильных установок, а уже в 2002 году, соответственно, 100 млн. и 35 млн. штук.

Энергетика и производство холода неразрывно связаны между собой. Искусственное охлаждение (т.е. охлаждение ниже температуры окружающей среды) может производиться только с затратой энергии, чаще всего электрической, расходуемой на привод холодильной машины. Потребляемая мощность современных холодильных машин колеблется от нескольких десятков ватт до тысяч киловатт, в зависимости от холодопроизводительности машин. Так, часовая холодопроизводительность крупных холодильных установок составляет от сотен тысяч до несколько миллионов килоджоулей. Эти установки обеспечивают качественное хранение в холодильных камерах огромного количества пищевых продуктов. Соответственно и затраты электроэнергии значительны. Чтобы уменьшить потребление электроэнергии в прошедшее столетие человечество стремилось создавать более совершенное холодильное оборудование, отличающееся более высокой энергетической эффективностью, при этом, 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). Данное обстоятельство обусловлено рядом положительных свойств, присущих этим машинам и, прежде всего, относительно высокая эффективность, простота элементной базы и т.д.

Однако, эмиссия применяемых в ПКХМ в качестве рабочих тел - фреонов, на рубеже XXI века привела к обострение глобальных проблем, требующих срочного решения: уменьшение озонового слоя Земли и усиление "парникового эффекта" и т.д. В результате в 1980-х - 1990-х годах международным сообществом было принято несколько крупных международных законопроектов, которые в значительной мере ужесточили требования к современным системам, генерирующим холод, и были направлены на стабилизацию и улучшение экологической ситуации в связи с опасностью разрушения озонового слоя и глобальным потеплением. Так, в 1987 году всеми странами (в том числе и Россией), производящими фреоны, был подписан Монреальский протокол по озоноразрушающим веществам, согласно которому ряд широко используемых фреонов (например, 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 рабочих веществ. Однако проблема оказалась значительно сложнее, чем она представлялась, когда вводились ограничения на производство и применение хлорфторуглеродов с целью сохранения озонового слоя Земли. Оказалось, что значительная часть созданных за последнее десятилетие 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 (утечке) хладагентов из холодильных установок, следует 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 связи с этим, в настоящее время к перспективному холодильному оборудованию предъявляются два основных требования:

1) высокая энергетическая эффективность
и 2) экологическая чистота.

Именно в удовлетворении этих требований и будет идти развитие холодильной промышленности в XXI веке.

ТЕНДЕНЦИИ И АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ НАПРАВЛЕНИЙ
РАЗВИТИЯ МИРОВОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Фреоновый кризис дал мощный толчок в развитии исследований в области холодильной техники и новых принципов получения холода. В то же время в мировой холодильной промышленности нет единого понимания и подхода к решению возникших экологических проблем. В инновационном плане в холодильном деле в настоящее время существует несколько групп, которые представляют собой, как правило, объединение крупных транснациональных корпораций или государств, отстаивающих свои корпоративные интересы в холодильном бизнесе. Чтобы понять о каких суммах идет речь, необходимо отметить, что по некоторым оценкам только стоимость оборудования, чье функционирование связано с использованием запрещенных фреонов, составляет в мире около 200 млрд. долл. США, а установок счет идет на несколько сотен миллионов штук.

В связи с этим, можно выделить несколько направлений в развитии мировой холодильной промышленности:

1. Производство новых синтетических хладагентов (группы HFC) для ПКХМ.

Данное направление лобируется правительствами таких стран как США, Япония, а также транснациональными корпорациями "Дюпон", "Данфосс" и др. Начиная с 1988 г. периодическая печать буквально переполнена публикациями, посвященными новым хладагентам, холодильным маслам, рассмотрению энергетической эффективности различных классов холодильного оборудования, использующего альтернативные рабочие тела. 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 путем использования, как чистых хладагентов, так и многокомпонентных композиций. В связи с этим, стали весьма актуальны вопросы технологического характера, а именно, внедрение альтернативных хладагентов, анализ термодинамической эффективности новых рабочих тел в различных типах холодильного оборудования, изучение процессов тепломассообмена в конденсаторе и испарителе холодильных машин.

С другой стороны, синтез новых веществ, разработка технологий их получения и создания соответствующего оборудования - длительный дорогостоящий процесс. Производители хладагентов не скрывают, что новые, предлагаемые сегодня на рынок, хладагенты играют роль переходных, им на смену придут другие, возможно чуть лучше, но никто не гарантирует, что и они надолго задержатся в холодильной промышленности. При этом 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.), кроме высокого потенциала глобального потепления имеют еще ряд существенных недостатков. 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 образоваться сильнейшие яды на основе фторосодержащих 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 запрещенные к производству 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.

2. Применение природных хладагентов.

Это направление особенно интенсивно развивается в Западной Европе (например, 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. Проводимые в настоящее время исследования ведутся в направлении конструктивных и схемных изменений в холодильном оборудовании.

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 имеют более высокую стоимость, чем оборудование, работающее на фреонах. Дополнительные затраты возникают из-за более сложной механической конструкции, которая необходима для того, чтобы удовлетворить требования безопасной эксплуатации в случае использования аммиака или горючих хладагентов или справиться с очень высоким давлением и низкой критической температурой в случае применения диоксида углерода.

3. 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 Пельтье, Ранка и т.д. Цель работ данного направления - повысить эффективность.

Переход к энергетически неэффективным холодильным машинам, приводит к сохранению озонового слоя, но за счет увеличения глобального потепления Земли, вызванного увеличением количества 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 в даже в идеальном случае значение их эксергетический к.п.д. не превысит 20-25%, что связано с особенностями термодинамических циклов этих машин. Так, воздушные холодильные машины (обратный замкнутый цикл Брайтона) по потребляемой энергии становятся конкурентноспособными с ПКХМ лишь при температурах ниже 200 К (-70 °С).

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

4. Разработка новых принципов получения холода.

Ряд специалистов считает, что вслед за революцией в энергетике последует революция в принципах получения холода. В качестве новых принципов указываются, например, так называемые "звуковые компрессоры" и "холодильные чипы". В первом случае для создания холода используется звук, а 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 ожидается 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. В виду этого говорить о широком коммерческом использовании новых принципов получения холода очевидно преждевременно.

5. 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, которые впоследствии получили 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 из-за своего тогдашнего несовершенства, к началу XX столетия они были полностью вытеснены компрессионными холодильными машинами. В настоящее время возрождение интереса к использованию машин Стирлинга на уровне умеренного холода связано, в основном, с бурным ростом научно-технических знаний и значительными успехами, достигнутыми в последнее время, в области создания двигателей и криогенных машин Стирлинга. Все это привело 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, уже в ближайшее время в ряде европейских стран и Южной Кореи 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, каковыми 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.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ И ОПЫТ СОЗДАНИЯ ЗА РУБЕЖОМ
ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН СТИРЛИНГА УМЕРЕННОГО ХОЛОДА

Холодильные машины Стирлинга для систем холодоснабжения супермаркетов.

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. В этом направлении достигнуты результаты, которые с уверенностью позволяют говорить об их серийном производстве. Так, в Институте прикладной термодинамики и холодильной техники в университете г. Эссен (Германия) создана холодильная машина Стирлинга производительностью 10 кВт при t = - 35 °С для крупных магазинов, конкурирующая по своим характеристикам и цене с ПКХМ на R-12.

Фирма "Stirling Thermal Motors (SMT)" (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 (SPS)" имеет в своем арсенале две модели холодильных машин Стирлинга умеренного холода - "V160" (a-схема) производительностью около 10 кВт (см. фото 1) , и "TEM" (b-схема) с производительностью более 3 кВт. Имеются реальные предпосылки, что на уровне охлаждения от 230 К до 270 К ближайшем будущем появятся многоцилиндровые холодильные машины Стирлинга с производительностью до 100 кВт и выше.

Холодильная машина Стирлинга умеренного холода холодопроизводительностью 10 кВт

Фото 1. Холодильная машина Стирлинга умеренного холода
холодопроизводительностью 10 кВт.

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 для этой ниши холодильного оборудования добились американцы. Еще в конце 90-х годов фирмой "Sunpower Inc." на основе серийно выпускаемых криогенераторов Стирлинга была создана холодильная машины умеренного холода для КЛАМИ "Spase Shuttle". Бортовой холодильник был предназначен для замораживания проб крови и урины космонавтов во время проведения медико-биологических экспериментов на борту "Шаттлов". Холодильная машина Стирлинга работала на двух 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 этой фирмой были разработаны несколько модификаций домашних холодильников на основе свободнопоршневых машин Стирлинга, представленных в таблице 1.

Таблица 1

Характеристики холодильных машин Стирлинга
умеренного холода фирмы "Sunpower Inc."



Параметры

Тип машины
Domestic
Refrigerator
Mobel 1B
Domestic
Refrigerator
Mobel 2A
Small
Capacity
Cooler

 Холодопроизводительность, Вт

250 250 100

 Мощность привода, Вт

95 235 30

 Температура рефрижерации, К

247 247 273

 Давление во внутреннем контуре машины, МПа

1,89 1,90 2,20

 Коэффициент регенерации

86% 85% 81%

 Эксергетический к.п.д.

22% 24% 34% (273 К)
44% (250 К)

В настоящее время фирмой создана новая холодильная машина Стирлинга для бытового холодильника, имеющая эксергетический к.п.д. около 60%, производительность 200 Вт на уровне 258 К. Стоимость этой модели, по предварительным просчетам будет составлять 88 долл. США за единицу (при серийном производстве 250 тыс. холодильников в год).

Фирмой "Gryodynamics Inc." (США) создан домашний холодильник с машиной Стирлинга, который на уровне от 250 К до 271 К, по эффективности, также, превосходит существующие холодильники с ПКХМ. Холодильник имеет два контейнера, один из которых предназначен для замораживания продуктов, а другой - для хранения охлажденных продуктов. Сравнительные характеристики представлены в таблице 2.

Таблица 2

Характеристики холодильных машин Стирлинга
умеренного холода фирмы "Gryodynamics, Inc"



Параметры

Тип холодильника
Холодильник с ПКХМ Холодильник с ХМ Стирлинга

 Время охлаждения, ч

1:55 1:00

 Мощность привода, Вт

240 150

 Температура замораживания, К

252 250

 Температура охлаждения, К

275 275

 Эксергетический к.п.д.

18% 25%

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 у 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.

Японская компания "Toshiba" выпускает в настоящее время несколько типов холодильных машин Стирлинга, работающих в диапазоне от 173 до 275 К. Характеристики основных видов данного холодильного оборудования представлены в таблице 3.

Таблица 3

Характеристики холодильных машин Стирлинга
умеренного холода фирмы "Toshiba"



Параметры

Тип машины
NS 03 N SD 01 C SC 100

 Холодопроизводительность, Вт

3500 10 100

 Температура рефрижерации, К

173 275 233

 Давление во внутреннем контуре машины, МПа

1,5 0,15 0,7

 Холодильный коэффициент

0,6 - -

 Эксергетический к.п.д.

35% - 22%

Серьезные намерения в отношении холодильных машин Стирлинга имеет такой гигант, как южнокорейская корпорация "LG Electronic Inc". Работы по холодильным машинам Стирлинга умеренного холода фирма начала с 1996 года. В настоящее время ей разработана и испытана холодильная машина Стирлинга "LG cooler" с механическим приводом производительностью 250 Вт для бытового холодильника. Эта корпорация предполагает представить на мировой рынок холодильной техники новую серийную модель бытового холодильника со свободнопоршневой машиной Стирлинга "Model 100A". Эффективность этой усовершенствованной машины на 25% выше, чем у машины фирмы "Global Cooling B.V.", демонстрировавшейся в 1994 году на 12 Мировом конгрессе по холоду. Эта модель предназначена для портативного 60-литрового холодильника с температурой охлаждения 250 К и имеет производительность 100 Вт.

Технические характеристики этой холодильной машины: общая длина - менее 250 мм и масса 2,5 кг. Опыт коммерческой реализации первой партии холодильников показал высокий потребительский спрос. Холодильник изготовлен в виде контейнера, компактен и удобен в применении.

Фирма "Global Cooling B.V." считается одной из ведущим компаний в области создания свободно-поршневых холодильных машин Стирлинга. Этой фирмой разработан 200-литровый бытовой холодильник с холодильной машиной Стирлинга (схему машины см. фото 1), для которой в качестве источника энергии выступает солнечная радиация, а также домашний холодильник вместимостью 365 литров, который при температуре 243 К имеет 30%-ную экономию энергии по сравнению с ПКХМ.

Холодильная машина Стирлинга с линейным приводом фирмы 'Global Cooling B.V.' для домашнего холодильника

Рис 1. Холодильная машина Стирлинга с линейным приводом фирмы "Global Cooling B.V."
для домашнего холодильника

Производством и исследованием холодильных машин Стирлинга в настоящее время также занимаются такие фирмы, как "Mitchell Stirling Systems Inc.", "AEG AG", "Kubota Corporation" и многие другие.

Авторефрижераторные установки с холодильными машинами Стирлинга.

Впервые авторефрижераторные установки с холодильными машинами Стирлинга умеренного холода были разработаны американской фирмой "Gryodynamics Inc." для 42 футового контейнера. Эксергетический к.п.д. этой установки составлял 25%, и ее основным достоинством была компактность.

В настоящее время холодильные машины Стирлинга умеренного холода производительностью до 6 кВт (с холодильным коэффициентом свыше 1,5) находят широкое применение в различных транспортных холодильных системах: автомобильные кондиционеры, авторефрижераторные установки и т.д.

Основными преимуществами транспортных холодильных систем на основе машин Стирлинга являются:

  • экологическая чистота;

  • высокая эффективность;

  • компактность;

  • быстрое охлаждение;

  • широкий температурный интервал охлаждения и замораживания;

  • небольшой вес.

Автомобильные кондиционеры.

В настоящее время за рубежом ежегодно производится до 30 млн. автомобильных кондиционеров, входящих в стандартную комплектацию свыше 50% новых машин. Несмотря на постоянное совершенствование этих систем, автомобильные кондиционеры являются одними из главных источников утечек в атмосферу хладагентов. Так, в 1996 году из произведенных 84000 тонн R134а, основная его часть пошла для покрытия именно этого сектора холодильной техники. В связи с этим за рубежом вызывает огромный интерес вопрос использования машин Стирлинга умеренного холода для кондиционирования воздуха в автомобилях.

Исследования, проведенные японскими фирмами "Sanden" и "Zexel Corporation", являющимися основными производителями автомобильных кондиционеров, показали, что холодильные машины Стирлинга имеют большие возможности в данных системах, чем ПКХМ. В качестве промышленного образца разработана и проходит натурные испытания двухпоршневая холодильная машина Стирлинга производительностью 1,5 кВт, работающая в диапазоне температур 270-303 К с гелием в качестве хладагента. Фирмой "Western Research Centre" разработана 3 кВт установка с машиной Стирлинга, предназначенная как для военных, так и для гражданских транспортных средств.

Применение холодильных машин Стирлинга для производства автомобильных кондиционеров характерно не только для японских производителей. Известно, что в Европе автомобильный концерн "BMW" также отдает предпочтение применению холодильных машин Стирлинга для оснащения ими своих новых автомобилей.

Состояние отечественной холодильной промышленности.

Технологический кризис мировой холодильная промышленность, обусловленный Монреальским и Киотским протоколами, в России усугубляется социальными и экономическими факторами, связанными с переходом к рыночным отношениям.

Нынешнее состояние данной отрасли отечественной экономики можно охарактеризовать следующими чертами:

  • высокая степень изношенности значительного большинства ныне работающих холодильных установок, что определяет высокие потери и низкую эффективность систем холодоснабжения (более 80% всего промышленного холодильного парка имеет истекший срок службы и технологически устарело). Так, только в Санкт-Петербурге на конец 2000 года 90% торгового холодильного оборудования (ТХО) имело истекший срок службы, при этом до 50% находилось в бесхозном состоянии и практически не обслуживалось;

  • практическое большинство существующих холодильных установок используют в качестве рабочего тела фреон R12, применение которого противоречит положениям Монреальского протокола (ввоз и производство фреона R12 на территории России запрещены с 1 июня 2000 года). Например, в 2000 году торговое холодильное оборудование г. Санкт-Петербурга было представлено около 45 тыс. холодильными агрегатами, из них с компрессорами "ФАК" - 26% (на R12 - 99%), с полугерметичными компрессорами - 5% (на R12 - 75%, R 22 - 23%), с герметичными компрессорами - 69% (на R 12 - 72%, R 22 - 23%). Использование новых озонобезопасных хладагентов в настоящее время составляет около 8% от всего холодильного оборудования;

  • перевод (ретрофит) отечественных парокомпрессионных холодильных установок на озонобезопасные и переходные хладагенты (R-134a, R-404a и R-22) практически нецелесообразен, поскольку сама процедура ретрофита приводит к снижению холодопроизводительности установок, требует конструктивных изменений в компрессорно-конденсаторных агрегатах, замены части оборудования и значительно усложняет процесс эксплуатации. К тому же не решена одна из главных проблем ретрофита - сбор и утилизация (уничтожение) оставшегося фреона R-12;

  • в России отсутствуют отечественные технологии производства озонобезопасных хладагентов (R-134а, R-404 и т.д.), синтетических масел к ним и нового холодильного оборудования, работающего на данных хладагентах и т.д.;

  • в виду этого, за последние десятилетие в России сложилась очень сложная ситуация, когда необходимо срочно менять значительную часть холодильного оборудования, но в то же время в России явно отсутствует отечественные технологии производства современной холодильной техники, новых экологически чистых хладагентов и "холодильных" масел к ним. Все это позволяет расширять зарубежным фирмам экспансию на отечественном рынке холодильного оборудования;

  • сегодня практически все вновь вводимые в эксплуатацию системы холодоснабжения и кондиционирования воздуха используют холодильные агрегаты и комплектующие к ним зарубежного производства, хотя еще в 1990 году доля импортной техники составляла не более 3-4%.

В чем основные причины кризиса российской холодильной промышленности?

Кризис обусловлен рядом объективных экономических, технических и социальных факторов, среди которых, в первую очередь, необходимо отметить следующие:

  • в тот момент, когда на наш рынок хлынул поток импортной техники, производимое отечественной промышленностью холодильное оборудование было неконкурентноспособным. Кроме этого, многие виды холодильного оборудования в России перестали производить, так как те заводы-гиганты, которые обеспечивали бывший СССР холодильной техникой, после его развала остались за границей. В частности это, Мелитопольский завод - единственный, который выпускал бессальниковые компрессоры (ими оснащалось до 90% универсамов), Харьковский завод, выпускавший герметические агрегаты, Рижский завод "Компрессор", Одесский завод "Холодмаш" и т.д. Естественно, при такой ситуации потребность внутреннего рынка не обеспечивалась отечественным оборудованием;

  • высокие цены на отечественное холодильное оборудование при их более низком качестве. Неэффективная финансовая и техническая политика отечественных производителей и в настоящее время позволяет занимать образовавшуюся нишу в потребности и сбыте холодильного оборудования зарубежным фирмам. Внедрение происходит на счет расширения сети дилеров, инвестирования крупных проектов, организации собственной производственной деятельности на местном рынке;

  • отсутствие лоббирования на местном и государственном уровне интересов отечественных производителей холодильной техники, выражаемое в изменениях в системе налогообложения, правил, законов и других нормативных актов, обеспечивающих развитие отрасли и повышающих конкурентоспособность отечественных производителей.

В сложившихся в настоящее время условиях в отечественной холодильной промышленности наметились следующие тенденции ее развития:

  • в виду отсутствия финансирования, в России практически не ведется инновационная деятельность в области холодильной техники, многие научно-исследовательские и проектно-конструкторские организации холодильной отрасли за последние десятилетие прекратили свое существование, соответственно, значительно сократились научные исследования по многим видам холодильного оборудования;

  • техническая политика существующих на территории России предприятий по производству холодильного оборудования с машинным охлаждением, основывается на оснащении отечественных изделий (бытовых холодильников, витрин и т.д.) дорогостоящими зарубежными ПКХМ с озононеразрушающими хладагентами. На первый взгляд, казалось бы все верно, это наиболее быстрый путь разрешения кризисной ситуации. Однако она приводит к "перекачиванию" значительных финансовых ресурсов за пределы России и способствует развитию только зарубежных производителей холодильного оборудования;

  • уровень цен, к которому приходиться адаптироваться отечественным потребителям на рынке холодильной техники, определяется, в основном, зарубежными производителями данной техники. Используя гибкую ценовую политику и массированную рекламу, они продолжают тактику вытеснения оставшихся отечественных производителей холодильной техники из всех сегментов внутреннего рынка с целью полного уничтожения российской холодильной промышленности. В этом нет ничего удивительного, таковы правила игры в рыночной экономике, в конкуренции побеждает сильнейший. Однако если не принять срочных мер, такая политика позволит зарубежным производителям не только диктовать сегодня цены на холодильное оборудование в России, но и оказывать в будущем серьезное влияние на развитие всей отечественной промышленности в целом;

  • в сложившихся условиях, для того чтобы успешно конкурировать с иностранными фирмами, российским производителям холодильной техники и оборудования необходимо либо значительно снизить цену, что при существующей технологической базе практически невозможно, либо существенно улучшить качество производимой продукции. В решении этим проблем, значительное большинство отечественных производителей идут по пути закупки импортных технологических линий и лицензий на производство качественной зарубежной холодильной техники.

Причины такого подхода ясны - применение уже освоенных технологий, апробированных на серийно выпускаемых зарубежных холодильных агрегатах, представляется, на первый взгляд, технологически и финансово более простой задачей.

Однако ориентация только на западные образцы данного вида холодильной техники в дальнейшем может привести к значительным негативным последствиям.

Это, в первую очередь, связано с тем, что в настоящее время наступил предел совершенствования парокомпрессионных холодильных машин (ПКХМ). Так, несмотря на все более увеличивающиеся затраты на исследования, связанные с повышением качества холодильной техники на основе ПКХМ, заметных положительных результатов не получено. Более того, переход на новые хладагенты приводит к снижению эффективности ПКХМ, значительно усложняет конструкцию и увеличивает стоимость, как самих холодильных агентов, так и парокомпрессионных машин в целом - налицо регресс данной холодильной техники;

Во-вторых, нельзя не видеть, что в отечественной холодильной промышленности в настоящее время складывается очень опасная, негативная тенденция, а именно, ее ориентация на достижения неких, уже известных рубежей, создание аналогов, в качестве которых выступают "лучшие зарубежные". Происходит формирование определенного стереотипа мышления, вырабатывается позиция - "догнать мировой образец". Но такой подход может привести только к одному: копированию уже существующих технических решений и, следовательно, к созданию морально устаревшей техники. Именно таким образом и складывается сегодняшняя ситуация. На российский рынок холодильной техники широко внедряются зарубежные технологии и парокомпрессионные холодильные агрегаты на переходном хладагенте R 22 (выпуск холодильного оборудования на этом хладагенте, согласно поправкам к Монреальскому протоколу, будет запрещен уже с 2030 года, а некоторых странах - с 2010 года) или озонобезопасных, но имеющих значительный коэффициент глобального - R134а, R125, R 32, R404 и т.д. В то же время, в Западной Европе все отчетливее видна тенденция на применение природных хладагентов (аммиака, пропана и т.д.), которая особенно быстро стала нарастать после принятия соглашения Киотского протокола. Не окажется ли так, что после значительных финансовых затрат, вложенных в модернизацию отечественной холодильной промышленности сегодня, уже через несколько лет, придется изыскивать новые, еще большие средства на новую модернизацию в угоду новых зарубежных технологий?

Сложившуюся ситуацию можно изменить в пользу отечественных производителей лишь за счет качественного прорыва в холодильной технике, соединяющим в себе высокую технологию производства, эффективность, экологичность и надежность в эксплуатации. Именно это возможно, если сделать основной акцент в развитии отечественной холодильной промышленности на создание холодильных машин Стирлинга умеренного холода.

Уровень техники и опыт создания холодильных машин Стирлинга в России

Перспективность направления развитии отечественной холодильной промышленности на основе производства и широкого применения холодильных машин Стирлинга обусловлена наличием в России достаточно большого опыта, накопленного в области криогенных газовых машин (КГМ) Стирлинга, а также промышленных предприятий и научно-исследовательских организаций, имевших или имеющих непосредственное отношение к производству машин Стирлинга.

Фирмами-производителями холодильного оборудования с криогенными машинами Стирлинга являются: ОАО "Машиностроительный завод "Арсенал", ОАО "Сибкриотехника", ГУП "НПО "Орион", ФГУП "КБ "Арсенал" и ряд других предприятий. Так, в течение ряда лет во ВНИИГТ велись работы по созданию эффективных криогенераторов, работающих по циклу Стирлинга. В результате выполнения указанных работ были созданы две базовые модели КГМ с несмазываемыми поршневыми уплотнениями и ромбическим приводом (КГМ 1500/80 и КГМ 900/80). Последнее обеспечивало полную уравновешиваемость машин, отпадала необходимость фундаментов. Позднее эти машины были переданы на НПО "Гелиймаш" для серийного производства.

До 1990 года одним из технических направлений НПО "Гелиймаш" являлось создание и производство КГМ Стирлинга. На этом предприятии был разработан параметрический ряд КГМ на два температурных уровня: 20 К и 80 К. Успешное освоение производства КГМ Стирлинга обеспечило выпуск широкой номенклатуры высокоэффективного холодильного оборудования: азотодобывающей станции А ж - 0,05; ожижителя воздуха В ож - 0,06, ожижителя воздуха В ож - 0,01 и т.д. Оборудование отличается компактностью, транспортабельностью, при монтаже не требовало установки специальных фундаментов, в обслуживании нуждается лишь на период пуска и остановки. Однако в последнее десятилетие с отсутствием в России платежеспособных заказчиков производство криогенного оборудования данного типа прекращено. Уникальные технологии, разработанные ГУП "НПО "Орион" для производства фотоприемников на основе КРТ, позволили создать новое поколение фоторезисторов с интегрированной микрохолодильной системой на основе свободно-поршневой криогенной машиной Стирлинга, которые находят свое применение в портативных тепловизионных системах. Использование микрохолодильных сплит-стирлинг систем, позволяет уменьшить потребляемую энергию, а также дает неоценимые преимущества по компактности и надежности систем наблюдения, тепловизионной техники, лазерных дальномеров и т.д.

В области производства холодильного оборудования на основе машин Стирлинга умеренного холода Россия имеет пока небольшой опыт. Первые исследования по созданию машин Стирлинга умеренного холода в России начали проводиться с 1990 года. Так, на АОЗТ "АРСМАШ" при участии специалистов ООО "Инновационно-исследовательского центра "Стирлинг-технологии" с 1991 по 1994 год проводились работы по созданию перспективных холодильных установок для авторефрижераторной техники. Проведенный анализ показал, что в качестве наиболее перспективного холодильного агрегата может выступать только холодильная машина Стирлинга. В виду этого были созданы опытные образцы холодильных машин производительностью до 5 кВт, работающих в диапазоне от 285 К до 230 К, которые по эффективности и массогабаритным характеристикам соответствовали современным ПКХМ для авторефрижераторной техники. Была разработана проектно-сметная и конструкторская документация на ее серийное изготовление. Однако в связи с общим спадом в экономике и финансовыми трудностями заказчика работы по данному проекту были остановлены.

Сейчас отдельные образцы холодильных машин Стирлинга умеренного холода производит ОАО "Сибкриотехника". Выпускаемые этим предприятие холодильные машины Стирлинга обеспечивают холодопроизводительность 1 кВт при температуре 190-210 К и 1,5 кВт на температурном уровне 240-250 К. Холодильными машинами Стирлинга оснащаются комплексы вакуум-сублимационной сушки и холодильные шкафы, предназначенные в качестве технологического оборудования в медико-биологической, пищевой и других отраслях промышленности.

В области применения холодильных машин Стирлинга в военном деле серьезные результаты получены специалистами Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. Работы проводились с 1986 по 2002 годы. Основные направления работ были связаны с применением холодильных машин Стирлинга в системах холодоснабжения и термостатирования стационарных и подвижных боевых ракетных комплексов РВСН, Космических Войск, специальных фортификационных сооружений и другой военной техники МО РФ.

Большими возможностями для крупномасштабного серийного производства машин Стирлинга умеренного холода обладает ОАО "Машиностроительный завод "Арсенал", имеющий более чем 40-ти летний опыт проектирования и производства криогенных машин Стирлинга, которые входят в состав воздухоразделительных установок ЗИФ-700, ЗИФ-1002, ЗИФ-2002.

Как показывает опыт, успех в создании высокоэффективных холодильных машин Стирлинга умеренного холода может быть достигнут только как результат синтеза передовой технологии производства и высокого уровня научных исследований. Значение последних определено сложностью реализации идеального термодинамического цикла Стирлинга в реальных машинах, что обусловлено заменой прерывистого движения поршней гармоническим, а также нестационарностью тепломассового обмена во внутреннем контуре. Все это затрудняет математическое описание процессов, происходящих в машинах Стирлинга, а соответственно, и их проектирование. Без точного математического моделирования доводка проектируемых машин превращается в многолетние дорогостоящие экспериментальные исследования. Это одно из главных причин неудач практически всех как зарубежных, так и отечественных фирм, пытавшихся без серьезной научной проработки, решать вопросы создания, как двигателей, так и холодильных машин Стирлинга.

В настоящее время Россия обладает достаточным научным потенциалом для создания высокоэффективных машин Стирлинга умеренного холода. В период с 1956 по 1980 год научные исследования по тематике машин, работающих по обратному циклу Стирлинга, проводились в МВТУ им. Баумана и Омском политехническом институте. Именно в этих организациях были заложены основы современных отечественных теорий проектирования машин Стирлинга. Учитывая, что в то время еще не была обозначена проблема экологии холодильной техники, основной акцент в исследованиях делался на создание криогенных систем.

На данный момент в России наиболее значительным научным потенциалом в области создания машин Стирлинга умеренного холода обладает ООО "ИИЦ "Стирлинг-технологии", специалисты которого занимаются исследованиями в данной области с 1990 года. Созданные в ходе многолетних теоретико-экспериментальных исследований методики расчета и оптимизации, позволяют в настоящее время проектировать машины Стирлинга с высокой эффективностью и без проведения дорогостоящих экспериментальных работ, связанных с доводкой отдельных узлов машин. Накопленный опыт позволяет сократить время создания машин Стирлинга от этапа разработки технического задания на проектирование до готового к серийному производству опытного образца машин до 2 лет.

Результаты экспериментальных исследований холодильных машин Стирлинга, созданных на основе холодильного агрегата воздухоразделительной установки ЗИФ-1000, подтвердили теоретические положения о возможности создания отечественных высокоэффективных машин Стирлинга умеренного холода, с характеристиками, превосходящими зарубежные аналоги, а также позволили получить исходные данные для формирования технических заданий и разработки проектно-конструкторской документации на стационарные и передвижные установки с холодопроизводительностью от 1 до 50 кВт.

Ранее, в России, впрочем, как и за рубежом, работы связанные с созданием машин данного цикла проводились в основном в рамках оборонных ведомств и организаций с целью их применения в различных видах военной техники и не имели широкой огласки. Однако, сегодня именно технологии, созданные в недрах военно-промышленного комплекса, становятся основополагающими в развитии многих отраслей промышленности. Только быстрая смена технологий и крупномасштабное освоение базисных инноваций, составляющих ядро современного мирового технологического уклада, является единственно надежным и реальным путем выживания отечественных производителей холодильного оборудования и повышения конкурентоспособности их продукции.





Приглашаем ученых и инженеров, аспирантов и студентов, а также,
заинтересованные институты, фирмы, организации и частных лиц, принять участие в размещении
информации в интернет-газете, посвященной холодильной и близкой ей тематике.

Учредитель и издатель интернет-газеты: ООО "АВИСАНКО" (Москва).
Адрес редакции: Россия, 115551, Москва, Шипиловский проезд, д.47/1, офис 67-А.
Тел./факс: +7 (495) 343-43-71, тел.: +7 (495) 343-43-48, 223-60-50 доб. 132.

Головной сайт: www.avisanco.ru.

E-mail: info@holodilshchik.ru

Первый выпуск первой в России интернет-газеты по холодильной и
близкой ей тематике - "Холодильщик.RU" - вышел в свет в январе 2005 г.
Интернет-газета зарегистрирована Федеральной службой по надзору за соблюдением
законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия.
Руководитель проекта и Главный редактор: Маргарян С.М. (АВИСАНКО, ООО)
За содержание рекламных материалов редакция ответственности не несет.
При перепечатке статей, ссылки на их авторов и интернет-газету обязательны.
Разместите на своем сайте нашу кнопку... Rambler's Top100 Многоязыковая поисковая система...


Авторские права © 2005-2017 // MARGARY@N

Партнеры: Фургоны-тушевозы для перевозки мяса www.spec-mobil.ru/catalog/show/86/142 газель рефрижератор - topcold.ru