ООО "Холодильное дело"
В РОССИИ ХОЛОД ЗА НАС!
 

Главная
Новости
Издания
Публикации
Поиск
Литература
П.О.
Компакт-диск
Подписка
Реклама
Реквизиты
Карта сайта

Copyright © 2001-2017,
ИД «Холодильное дело»

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru

"Актуальные направления развития техники низких температур"

Статья из журнала "ХБ" № 1/2007 г.

 

Техника низких температур (ТНТ) прошла в XX веке стадии становления и бурного развития, в результате чего во второй половине века она проникла во все сферы деятельности людей. Это связано с тем, что ТНТ была настойчиво востребована как необходимое средство защиты сфер обитания людей, сбережения и рационального использования природных ресурсов в условиях невиданного роста численности населения Земли. Прирост населения на 4,5 миллиарда человек создал глобальные экономические и экологические проблемы, необходимость решения которых потребовала привлечения новых высоких технологий, к которым относится холодильная и криогенная техника. Уже тогда стало ясно, что современная цивилизация не может существовать и развиваться без этой техники, что определило высокие темпы ее развития и производства. Оглядываясь назад, можно остановиться на таком ярком примере развития, каким явилось создание и распространение бытовых холодильников. Эти энергетические системы, состоящие из комплекса машин и аппаратов и работающие без наблюдения в течение 10-20 лет, справедливо могут считаться чудом техники. Именно в этой области впервые были введены полная автоматизация работы, агрегатирование и монтаж на заводе-изготовителе, герметизация компрессоров, высокие частоты вращения и, наконец, невзрывоопасные и нетоксичные холодильные агенты - фреоны. История завоевания мира этой техникой поистине фантастична: 1910 г. - 1 тыс. шт. (США, Англия, Германия), 1940 г. - 4,0 млн шт. (США, Западная Европа), 1950 г. - 7,0 млн шт. (включились СССР и страны Азии), 1990 г. -50 млн шт; сейчас, по-видимому, 65 - 70 млн шт.

Мировой действующий парк холодильной техники всех видов превышает миллиард единиц. Характерно, что при столь широком диапазоне применения технологии низких температур практически полностью направлены на жизнеобеспечение людей, решение экологических задач, как правило, при одновременном выполнении и ресурсосберегающей, и защитной функции.

Актуальные, перспективные направления развития ТНТ непосредственно связаны с решением глобальных проблем развития цивилизации. Представляется, что основными факторами, которые будут определять пути развития холодильной техники, являются:

- рост численности населения Земли и выравнивание уровня потребления (прежде всего продовольствия) между развитыми и развивающимися странами, между различными слоями населения;
- нарастающий дефицит энергоносителей;
- проблемы экологии.

Рост потребления

Масштабы применения ТНТ, в основном, как и раньше, будут определяться ростом производства и потребления продовольствия. В 2000 г. численность населения Земли достигла почти 6 млрд человек. В период с 1950 по 2000 г. его прирост составил 3,7 млрд человек, со средним темпом роста 74 млн человек в.год. Наивысший темп пришелся на период 1985-1990 гг. - около 85 млн человек в год. Прогнозируется снижение темпа роста населения. Ожидается, что в период 2000-2050 гг. он будет равен, в среднем, 58 млн человек в год. К 2050 г. прирост населения, тем не менее, составит еще 3,0 млрд, а численность достигнет 9,0 млрд. человек. Рост численности в развивающихся странах в несколько раз выше, чем в развитых странах: в период 1995-2000 гг. соответственно 1,65 и 0,26 % в год [1]. Из производимых в настоящее время в мире 4,5 млрд тонн продовольствия в год 1,5 млрд требуют охлаждения, около 40 млн тонн перевозится на дальние расстояния различными видами холодильного транспорта. Потребление продовольствия на душу населения за последние 30 лет XX столетия возросло на 15 % (с 9940 кДж на человека в день до 11 380). Постепенно снижается доля недоедающих (голодающих) людей: с 25 % в середине прошлого века до 15 % в настоящее время и предположительно до 5 % - к 2015 г. Все это приведет к росту масштабов применения низкотемпературной техники, материальных затрат на ее производство и эксплуатацию, затрат энергии на производство холода, объемов глобальных перебросок продовольствия, численности контингента работников, обслуживающих отрасль, что обострит проблемы энергетики и экологии.

Дефицит энергии

Дефицит энергоносителей (органического топлива) будет постоянно нарастать и к середине XXI века может стать критическим, если не будут найдены принципиально новые способы получения энергии. Вследствие этого будут исключены компромиссы в отношении использования энергетически неэффективных систем (способов) охлаждения (например, воздушных холодильных машин в диапазоне температур охлаждения выше минус 60°С). Неизбежное удорожание энергоносителей вызовет перераспределение стоимостных соотношений материальных затрат, что изменит существующие представления об экономичных и неэкономичных способах охлаждения и отопления. Расширится применение теплоиспользующих холодильных систем: сорбционных термотрансформаторов, компрессионных машин с приводом от тепловых двигателей и других, поскольку они будут обеспечивать более высокую степень использования первичной энергии. Возрастет использование естественного холода: наружного воздуха, аккумулированного льда, соляных прудов для аккумуляции холода зимой и тепла летом и др. Расширится применение вторичных тепловых ресурсов, нетрадиционных источников энергии, теплонасосных систем, комбинированных систем низкопотенциальной энергетики. Потребуется приспособление технологии потребления тепла и холода к оптимальным условиям их получения: новые подходы к выбору оптимальных уровней температур охлаждения и отопления, одновременная выработка холода и тепла, использование ночных льготных тарифов на электроэнергию и др.

Прекратится пренебрежительное отношение к «неудобным» решениям теплохладоснабжения, обусловленное относительно благополучным XX веком, особенно в богатых странах. Сама техника низких температур станет основной и неотъемлемой частью принципиально новых способов выработки энергии.

Проблемы экологии

Возрастет роль ТНТ в решении глобальных экологических проблем. Основной станет проблема глобального потепления (парникового эффекта). Кроме того, расширится применение ТНТ в деле защиты окружающей среды, очистки выбросов и извлечения из них ценных компонентов для создания искусственного климата. Проблема озонного слоя уже ушла на второй план, так как не идет ни в какое сравнение с парниковой и даже приходит с ней в противоречие. Установлено, что за предыдущие сто лет среднегодовая температура на земном шаре повысилась на 0,6 К (данные IРСС -межправительственного комитета по изменению климата). Следствие этого - таяние полярных льдов и другие явления. Исландия уже потеряла 250 км3 льда. Проведен прогноз этого процесса по четырем возможным сценариям развития цивилизации. Получены угрожающие результаты: рост средней температуры к 2050 г. составит 1,8...2,6 К, к 2100 г. - 3.0...6,0 К (соответственно по оптимистичному и пессимистичному сценариям). Основной «вклад» (75...85 %) в этот процесс вносит диоксид углерода (CO2), преимущественно образующийся в результате сжигания топлива. Остальные 15-25 % составляют (примерно с равным суммарным влиянием) другие парниковые газы (в том числе фреоны). Можно ожидать, как высока будет степень давления на промышленность, когда эти результаты будут осознаны международным сообществом. В связи с этим природные рабочие вещества (хладагенты): аммиак, углеводороды, диоксид углерода, вода, воздух станут доминирующими. Потребуется более здравый подход к требованиям безопасности их применения с учетом новых технических достижений. Ужесточатся требования к энергетической эффективности, так как перерасход энергии — это дополнительная эмиссия диоксида углерода в атмосферу. Повысится интерес к новым экологически безопасным и энергетически эффективным принципам получения холода, например, сорбционным металлогидридным системам. Можно ожидать следующего витка развития термоэлектрических охладителей с использованием принципиально новых полупроводниковых материалов, а также практического применения охладителей, использующих электрокалорический эффект.

Парокомпрессионным машинам, тем не менее, можно прогнозировать долгий век. Однако, и они могут существенно измениться. Прежде всего, в связи с применением природных хладагентов, например, диоксида углерода. Перспективным представляется создание машин без циркуляции масла в системе. С помощью центробежных компрессоров и некоторых типов компрессоров ротативного типа уже сегодня вполне реально обеспечить «сухое сжатие» и достаточную долговечность машин.

Можно ожидать применения принципиально новых способов компримирования. Например, в малых холодильных машинах (бытовых холодильниках) может найти применение электрогазодинамический компрессор без движущихся частей.

Перспективы применения природных рабочих веществ

Переход на природные хладагенты - вынужденный процесс, который должен поощряться государством, поскольку оно несет ответственность за уровень эмиссии парниковых газов. Универсальными природными хладагентами являются углеводороды и аммиак (диоксид углерода, воздух и вода могут решать только частные задачи). К ним может быть отнесен также диметиловый эфир. Использование природных рабочих веществ не может рассматриваться только как решение экологической проблемы. Необходимо, чтобы их применение не только не снизило, но повысило достигнутый уровень энергоэффективности холодильных машин и тепловых насосов. В Западной Европе уже находят применение углеводородные хладагенты (пропан, бутан, изобутан) в малых холодильных машинах, прежде всего, в бытовых холодильниках и тепловых насосах. Объем заправки хладагента ограничивается 5 кг. Это направление, безусловно, будет развиваться, не смотря на горючесть и взрывоопасность углеводородов, так как их применение обеспечивает высокую энергетическую эффективность машин.

Особого внимания требует проблема, связанная с расширением применения аммиака. Аммиак по сравнению с углеводородами менее опасен. При нулевых потенциалах разрушения озона и глобального потепления он:

- легкий (легче воздуха, не опускается);
- имеет запах (легко обнаруживается при утечке);
- обладает высокой теплотой парообразования, и поэтому при утечке из сосуда с жидким аммиаком давление в нем быстро снижается до атмосферного и утечка сокращается;
- воспламеняется только при 650 °С, и для его воспламенения требуется подвод значительного количества теплоты.

При этом аммиак как хладагент обеспечивает высокую энергетическую эффективность производства холода. Сейчас аммиак, после того как во второй половине XX века настойчиво вытеснялся фреонами и стал уделом почти только крупных промышленных установок, возвращается. Все более широко применяются малые аммиачные холодильные машины (прежде всего, в торговле). Европа этот этап уже прошла. В опубликованном в 1996 г. обзоре проанализирован европейский опыт работы с аммиачными холодильными установками, с использованием современных технических решений (герметичные кожухи, оборудование с малой заправкой хладагента, сигнализация, системы эвакуации аммиака, качество изготовления и эксплуатации) и разумных, обоснованных требований безопасности. Должна быть создана такая техническая, экономическая и правовая обстановка, чтобы предприятия хотели и практически могли выпускать аммиачные машины высокого технического уровня, а потребители хотели и могли их применять.

Диоксиду углерода (R744) как и рабочему веществу холодильных машин и тепловых насосов, а также как к вторичному теплоносителю в низкотемпературных холодильных установках, в мире уделяется пристальное внимание. Основной стимул - абсолютная безопасность этого вещества (если не учитывать высокие рабочие давления в системах). Исследовательские и конструкторские работы ряда последних лет перешли в стадию практического применения. Уникальность этих машин состоит в том, что для них не может быть использовано существующее базовое холодильное оборудование - компрессоры, теплообменные аппараты и другое -, а должно быть создано новое. Основная проблема состоит в обеспечении достаточной энергетической эффективности. В цикле холодильной машины на R744 чрезвычайно трудно компенсировать перерасход затрачиваемой работы, связанной с надкритическим протеканием процесса охлаждения сжатого газа. Тем не менее, с учетом безвредности эмиссии R744 в атмосферу начато его применение в таком массовом оборудовании, как автомобильные кондиционеры. Можно ожидать широкого применения диоксида углерода в тепловых насосах. В цикле теплового насоса (ТН) высокая энергетическая эффективность, более высокая чем у фреоновых (углеводородных) ТН, может быть обеспечена при соответствующем выборе параметров нагреваемой среды и оптимизации других параметров цикла.

Вопросы эффективного применения воздуха в качестве рабочего вещества рассмотрены в работе. Область эффективного использования воздушных холодильных машин, в основном, ограничена температурами охлаждения ниже минус 80 °С. Однако возможность их более широкого применения не исчерпана и подлежит исследованиям.

Вода как рабочее вещество эффективно используется в абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машинах и тепловых насосах. Востребованность этих машин будет возрастать. Перспективным представляется создание и применение водяных вакуумно-испарительных систем охлаждения и генерации водного льда.

Развитие ТНТ может привести и к другим, непредсказуемым поворотам, особенно за пределами первой четверти XXI века. Безошибочно на длительный срок можно прогнозировать неуклонный рост распространения и значения техники низких температур.

Перспективы развития низкотемпературной энергетики

В условиях нарастающего дефицита энергоносителей за последние 30 лет все более широкое распространение получают системы низкотемпературной энергетики (СНЭ), использующие для получения холода, тепла и электроэнергии низкопотенциальное тепло природных, промышленных и бытовых источников. СНЭ - это термодинамические системы, в которых реализуются обратные или прямые термодинамические циклы на низкокипящих рабочих веществах. Температура источников низкопотенциального тепла (ИНТ) варьируется в пределах от 273 до 500 К. Коэффициент полезного использования энергии в технологических процессах в среднем не превышает 35...40 %. В ближайшие годы возникнет необходимость выявить и задействовать имеющиеся резервы снижения энергетических потерь, и, безусловно, все виды ИНТ. Источники с температурой до 350 К - это ИНТ для тепловых насосов, вырабатывающих тепло для тепло- и горячего водоснабжения жилых и общественных комплексов с экономией первичной энергии (органического топлива) в 1,2...2,0 раза. Ставится задача полного исключения прямого сжигания топлива для этих целей, а также для ряда теплопотребляющих технологических процессов, например, опреснения морской воды.

ИНТ с температурой выше 350 К должны быть использованы как источники энергии при производстве холода и тепла для промышленных предприятий с помощью абсорбционных понижающих и повышающих термотрансформаторов, а также выработке электроэнергии с помощью турбогенераторных установок.

В создании и применении систем низкотемпературной энергетики в установках нового поколения должны применяться только природные рабочие вещества, что потребует большого объема исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Перспективные направления развития ТНТ являются предметом пристального изучения и внимания.

 

ЖИЗНЕННО ВАЖНЫЕ СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНИКИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

1. ТНТ для снабжения продовольствием

Непрерывная холодильная цепь (НХЦ) обеспечивает сокращение потерь и сохранение качества продуктов при:

- сборе (производстве);
- обработке;
- транспортировке;
- хранении и реализации.

НХЦ включает:

- технологии холодильного хранения, охлаждения, замораживания и размораживания, сублимации, сушки мяса, рыбы, фруктов, ягод, зерна;
- охлаждаемые хранилища и камеры;
- холодильный транспорт автомобильный железнодорожный, морской, контейнерный;
- бытовые холодильные приборы;
- холодогенерирующее и холодопотребляющее технологическое оборудование.

2. ТНТ для энергетики

- Тепловые насосы (ТН), использующие для теплоснабжения теплоту окружающей среды и тепловые отходы, потребляя в 1,5...2,0 раза меньше первичной энергии, чем при прямом сжигании топлива;
- установки сжижения водорода и природного газа, для их применения в качестве экологически чистого моторного топлива;
- системы охлаждения сверхпроводящих материалов (до 30...40 К и 70...90 К) для электрических машин нового поколения;
- криосистемы, обеспечивающие охлаждение на уровне 3,6...80 К для создаваемых экологически чистых установок термоядерного синтеза (энергетика 21-го века).

3. ТНТ для очистки и утилизации выбросов

- Очистка газовых потоков методами конденсации, вымораживания, криосорбции от вредных примесей;
- очистка воздуха криометодами от радиоактивных продуктов на АЭС и при переработке отходов ядерного топлива;
- улавливание паров углеводородов из паровоздушной смеси;
- извлечение криогенными методами из газообразных выбросов нефтеперерабатывающих заводов редких газов, дейтерия и других полезных компонентов;
- очистка сточных вод методами озонирования и вымораживания;
- утилизация твердых отходов путем их глубокого охлаждения и последующего измельчения.

4. ТНТ искусственного климата

- Системы комфортного и технологического кондиционирования воздуха (СКВ);
- автономные СКВ - квартиры, коттеджи;
- централизованные СКВ - общественные и производственные здания;
- транспортные СКВ - автомобили, железнодорожные вагоны, самолеты, суда;
- бортовые системы жизнеобеспечения - космические аппараты, высотные самолеты, подводные лодки, бронетанковая техника.

5. ТНТ в криомедицине и криобиологии

- Криоинструменты для криохирургии, криотерапии, криокосметики;
- низкотемпературные установки для консервации крови, генетического материала, костного мозга, спермы, медицинских препаратов;
- криобанки для хранения биоматериалов.

 

Вместо заключения…

Говоря о перспективах техники низких температур нельзя обойти вопрос о состоянии ее производства в нашей стране. Начиная с 60-х годов прошлого столетия в отсутствии возможности использования мировой кооперации нам удавалось поддерживать на достойном уровне выпускаемую холодильную технику и удовлетворить потребность в ней огромной страны. В стране производилось около 400 тысяч единиц холодильных машин для торговли, транспорта и промышленности (в диапазоне холодопроизводительности от 1 кВт до 5,0 МВт) и около 6 миллионов бытовых холодильников в год. Отечественная криогенная техника занимала ведущее место в мире. В настоящее время потребность в технике низких температур не снижается, а по отдельным ее видам, например, автономные кондиционеры, быстро возрастает. Однако в отношении покрытия этой потребности положение кардинально изменилось. В условиях переходного периода в экономике страны в течение более десяти лет приостановился необходимый процесс технического развития базового оборудования – компрессоров, детандеров, основной теплообменной аппаратуры – основы всей выпускаемой техники низкий температур и оно, за редким исключением, утратило конкурентоспособность.

Именно базовое оборудование определяет технический уровень холодильной техники.

Растущая потребность в холодильной технике удовлетворяется либо за счет импорта готовых изделий, либо за счет сборочных («отверточных») технологий полностью из импортных компонентов, либо за счет производства машин и агрегатов с использованием импортного базового оборудования.

Происходят процессы, направленные на то, чтобы углублялось ущербное состояние нашего холодильного машиностроения. Так, например, на территории страны пускаются заводы инофирм для выпуска бытовых холодильников, которыми Россия себя вполне обеспечивает. Это может привести к свертыванию отечественного производства (с выпуском порядка 3 млн единиц в год) с соответствующими экономическими и социальными последствиями. Одновременно остается не замеченным огромный импорт холодильных компрессоров и другого базового оборудования, производство которого на территории страны для собственного потребления и экспорта, прежде всего в страны СНГ, дало бы большой экономический и социальный эффект. Процесс проникновения импортного холодильного оборудования в Россию никем не контролируется, что наносит ущерб экономике страны. Возможность поддержки отечественного производителя имеется, но она государственными структурами не используется. В условиях вступления России в ВТО эта возможность сократится.

В такой жизненно важной отрасли Россия не может оставаться в состоянии слаборазвитой страны. Перспектива состоит в том, что восстановить на территории России производство конкурентоспособного базового холодильного и криогенного оборудования, теперь уже с привлечением зарубежного опыта, зарубежных партнеров. За это сообщество холодильщиков страны должно бороться.

###

 

И.М. Калнинь, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Холодильная и криогенная техника», Московский государственный университет инженерной экологии.

«VIV Russia 2017»

«КРИОГЕН-ЭКСПО. Промышленные газы 2017»

Кафедра «Техника низких температур»

Кондиционеры, тепловые насосы, системы вентиляции