Холодильной техникой потребляется примерно 20 % производимой электрической энергии. Поэтому повышение энергетической эффективности является приоритетным направлением в создании нового поколения холодильного оборудования.
Эта цель может быть достигнута при реализации трех технологических направлений:
Конструктивное совершенствование элементов холодильного оборудования. Это технологическое направление связано с переоборудованием предприятий и внедрением новых технологий, что потребует больших финансовых затрат. Поэтому этот путь совершенствования холодильного оборудования может быть реализован только в долгосрочной перспективе.
Использование новых альтернативных рабочих тел (растворов хладагент/масло), для которых термодинамическая эффективность холодильных циклов выше, чем на традиционно применяемых рабочих телах. Однако это технологическое направление, во-первых, может привести к повышению энергетической эффективности холодильного оборудования лишь на несколько процентов. Во-вторых, его реализация также сопряжена с большими трудностями, которые связаны как с разработкой новых хладагентов и компрессорных масел, так и созданием новых технологий их производства, изучением антропогенных характеристик альтернативных рабочих тел. Дополнительные трудности возникают при замене прокладочных, конструкционных и электроизоляционных материалов. То есть, это технологическое направление совершенствования холодильного оборудования также требует больших финансовых затрат и длительных тестовых испытаний хладагентов, масел, конструкционных материалов и т. п.
Внедрение нанотехнологий при создании новых альтернативных рабочих тел и теплоносителей на базе уже применяемых в холодильной технике веществ. Это направление позволяет увеличить показатели энергетической эффективности холодильной техники, повысить коэффициенты теплопередачи в аппаратах холодильного оборудования, что приведет к уменьшению материалоемкости, снижению стоимости и повышению конкурентоспособности производимого холодильного оборудования на рынке. Данное технологическое направление не требует разработки новых технологий производства холодильного оборудования, хладагентов и компрессорных масел, замены конструкционных, прокладочных и электроизоляционных материалов.
Основной технологический принцип получения новых нановеществ для холодильной техники состоит в ультразвуковом диспергировании растворов состоящих из базовых веществ (хладагентов, теплононосителей, компрессорных масел) и ноначастиц (металлы, их окислы, фуллерены, нанотрубки и т. д.). Для сохранения стабильности полученных нанофлюидов обычно применяются дисперсанты (имидазолин, олеиновая и рицинолеиновая кислоты и т. д.).
Проведенные исследования показывают, что перспективы применения нанотехнологий в холодильном оборудовании определяются следующими факторами, связанными с изменением свойств реальных рабочих тел:
Присутствие примесей наночастиц в растворах хладагент/масло приводит к повышению давления насыщенных паров растворов хладагентов в наномаслах. Этот термодинамический эффект способствует увеличению плотности паров хладагента в картере компрессора, что при неизменном его объемном расходе позволит увеличить удельную холодопроизводительность и холодильный коэффициент оборудования.
Примеси наночастиц (определенного химического состава) в компрессорном масле в ряде случаев способствуют существенному уменьшению трения и износа сопрягаемых деталей компрессора. Снижение работы трения в компрессоре приведет к уменьшению затрат электрической энергии хо-лодильным оборудованием.
В ряде опубликованных работ показано, что наличие наночастиц в компрессорных маслах приводит к увеличению их теплопроводности. Следовательно, возрастет значение теплопроводности растворов хладагент/масло, что будет способствовать уменьшению термического сопротивления пограничного слоя кипящего рабочего тела в испарителе и понижению температуры компрессора. Следствием этого эффекта будет понижение температуры нагнетания хладагента, которое будет способствовать повышению холодильного коэффициента оборудования.
Отмеченное в работе уменьшение поверхностного натяжения компрессорных масел способствует интенсификации теплообмена при кипении реальных рабочих тел в испарителе, увеличению давления насыщенных паров растворов хладагент/масло.
Проведенные исследования указывают, что примеси наночастиц способствуют увеличению вязкости масел и теплоносителей. Поэтому при оценке эффективности применения нанотехнологий в холодильной промышленности нужно решать оптимизационную задачу связанную с оценкой влияния таких положительных факторов как увеличение теплопроводности и теплоемкости нанохладоносителя с возросшими энергетическими затратами на его циркуляцию. Увеличение вязкости хладагентов, масел и растворов хладагент/масло оказывает как негативное, так и позитивные влияние на показатели энергетической эффективности компрессорной системы. Негативный эффект обусловлен увеличением затрат энергии на трение в компрессоре. Позитивный эффект может быть достигнут за счет использования в компрессорах масел с меньшей вязкостью, что будет способствовать лучшему уносу масла из испарителя и интенсификации теплообмена при сохранении коэффициента подачи (за счет влияния примесей наночастиц на вязкость компрессорного масла).
Результаты проведенных исследований показывают, что присутствие наночастиц в хладагенте способствует интенсификации процессов кипения, как в свободном объеме, так и при кипении в трубе. Физическим обоснованием этого эффекта является понижение поверхностного натяжения нанохладагента по сравнению с чистым хладагентом, а также существенные физические изменения в перегретом поверхностном слое вблизи поверхности испарителя: появление дополнительных центров парообразования, увеличение теплопроводности, уменьшение поверхностного натяжения.
Как показывают проведенные недавно в ОГАХ (Одесская государственная академия холода) исследования, еще одним позитивным эффектом присутствия наночастиц в базовых жидкостях является их влияние на параметры кривых расслоения растворов хладагент/масло, что может способствовать улучшению растворимости хладагентов в компрессорных маслах.
Анализ опубликованных работ, например посвященных исследованию теплофизических свойств и теплообмена при кипении нанофлюидов, показывает, что приготовление образцов является едва ли не ключевой проблемой. Многие авторы выполненных исследований отмечают процессы кластеризации и выпадения осадка из образца. Наночастицы в базовой жидкости со временем могут слипаться друг с другом, образуя агломераты. Одно из возможных решений этой технологической проблемы является применение при приготовлении нанофлюидов поверхностно-активных веществ - дисперсантов, таких как цитрат аммония, имидазолин, олеиновая и рицинолеиновая кислоты и т. д. Вместе с тем следует констатировать, что проблема устойчивости нанофлюидов сложна и не имеет на сегодняшний день общих решений.
С учетом изложенного, можно сформулировать общий вывод о перспективности внедрения нанотехнологий в холодильном оборудовании. В большинстве публикаций отмечается позитивное влияние наночастиц на теплофизические свойства теплоносителей, рабочих тел и интенсивность теплообмена в аппаратах холодильного оборудования. Однако все опубликованные по рассматриваемой тематике исследования носят до сих пор фрагментальный характер, посвящены отдельным аспектам изучения свойств нанофлюидов, теплообмена и их возможного применения в практике холодильного машиностроения. В настоящее время в литературе до сих пор отсутствует информация о комплексных исследованиях теплофизических свойств нанохладагентов, испытаниях новых нанохладагентов в холодильном оборудовании. По мнению авторов, эти обстоятельства сдерживают технологический прогресс в холодильном машиностроении.
Если Вы хотите обменяться мнениями по содержанию публикации - оставляйте, пожалуйста, комментарии.
Социальные комментарии Cackle