Актуальные направления развития техники низких температур

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. чел. Средний темп роста был 74 млн. чел./год. Наивысший темп пришелся на период 1985-1990 г.г. - около 85 млн. чел./год. Прогнозируется снижение темпа роста населения. Ожидается, что в период 2000-2050 гг. он будет равен в среднем 58 млн. чел./год. К 2050 г. прирост населения, тем не менее, составит еще 3,0 млрд. человек, а численность достигнет 9,0 млрд. человек. Рост численности в развивающихся странах в несколько раз превышает рост 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. т продовольствия в год 1,5 млрд. т требуют охлаждения, около 40 млн. т перевозятся 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 11380 кДж). Постепенно снижается доля недоедающих (голодающих) людей: с 25 % в середине прошлого века до - 15 % в настоящее время и предположительно до 5 % к 2015 г. [2]. 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 др., 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 ТНТ станет основной и неотъемлемой частью принципиально новых способов выработки энергии.

Проблемы экологии

Возрастет роль ТНТ в решении глобальных экологических проблем. Основной будет проблема глобального потепления (парникового эффекта). Кроме того, расширится применение ТНТ в деле защиты окружающей среды, очистки выбросов и извлечения из них ценных компонентов, создания искусственного климата. Проблема озонного слоя уже ушла на второй план, так как не идет ни в какое сравнение с парниковой проблемой и даже приходит с ней в противоречие. Установлено, что за предыдущие сто лет среднегодовая температура на земном шаре повысилась на 0,6 градуса (данные IPCC - 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 градуса, к 2100 г. - 3,0...6,0 градуса (соответственно по оптимистичному и пессимистичному сценариям). Основной "вклад" (75...85 %) в этот процесс вносит диоксид углерода (СО2), преимущественно образующийся в результате сжигания топлива. Остальные 15...25 % составляют (примерно с равным суммарным влиянием) другие парниковые газы (в том числе фреоны) [3]. Можно ожидать высокую степень давления на промышленность, когда эти результаты будут осознаны международным сообществом. В связи с этим будут доминировать природные рабочие вещества (хладагенты): аммиак, углеводороды, диоксид углерода, вода, воздух. 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 нового 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. Снятие проблем подбора видов масла, совместимых с хладагентом; организации беспрепятственной циркуляции масла в контуре холодильных машин, влияние примеси масла в хладагенте на интенсивность теплоотдачи в аппаратах и др. трудно переоценить. С помощью центробежных компрессоров и некоторых типов компрессоров ротативного типа уже сегодня вполне реально обеспечить "сухое сжатие" и достаточную долговечность машин.

Доминировать в парокомпрессионных машинах будут интенсивные канальные теплообменные аппараты с малой емкостью по хладагенту. Можно ожидать применения принципиально новых способов компрессирования. 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 объем 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 [4]. Использование природных рабочих веществ не может рассматриваться только как решение экологической проблемы. Необходимо обеспечить, 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 хладагентом ограничивается 5 кг [5]. Это направление, безусловно, будет развиваться, несмотря на горючесть и взрывоопасность углеводородов, т.к. их применение обеспечивает высокую энергетическую эффективность машин.

Особого внимания требует проблема, связанная с расширением применения аммиака. Аммиак по сравнению с углеводородами менее опасен (более безобиден).

При нулевых потенциалах разрушения озона и глобального потепления аммиак:

• 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 значительный подвод теплоты.

При этом аммиак как хладагент обеспечивает высокую энергетическую эффективность производства холода. Аммиак, который во второй половине XX в. 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 1996 г. был опубликован обзор и анализ европейского опыта [6]. Там проблему решили путем применения 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.

Применению диоксида углерода (R744) в качестве рабочего вещества холодильных машин и тепловых насосов, а также вторичного теплоносителя 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 др. -, 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 [7]. 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 бромистолитиевых 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 принести и другие непредсказуемые повороты, 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 теплоснабжения 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 имеется отечественный опыт, в том числе и у специалистов нашей кафедры, однако 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 коллектива нашей кафедры и обязательной частью читаемых курсов дисциплин. По нашему мнению это важный фактор подготовки конкурентоспособных специалистов холодильщиков.

Обмен опытом специалистов в решении актуальных проблем будет способствовать созданию конкурентоспособной российской низкотемпературной техники.

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 из газообразных выбросов нефтеперерабатывающих заводов криогенными методами редких газов, дейтерия и других полезных компонентов.
• Очистка сточных вод методами озонирования и вымораживания.
• Утилизация твердых отходов путем их глубокого охлаждения и последующего измельчения.

---

ЖИЗНЕННО ВАЖНЫЕ СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНИКИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР (ТНТ)

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.

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).

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.

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.

---

Список литературы.

1. F. Billiard. New developments in the food cold chain worldwide // 20th Int. Congress of Refrigeration, IIR/IIF, Sydney, 1999.
2. W. Kaminski. Refrigeration and the food industry in the threshold of the 21st century // 20th Int. Congress of Refrigeration, IIR/IIF, Sydney, 1999.
3. Ларин И.К. О парниковом эффекте, климатических прогнозах и влиянии химии атмосферы на климат // Химия и жизнь. 2001. №7.
4. Диметиловый эфир - топливо и хладагент для дизельных авторефрижераторов / В.Н.Богаченко, С.Д.Глухов, А.А.Жердев, А.В.Поляков // Вестник МГТУ. Специальный выпуск. Серия "Машиностроение", 2000.
5. Peter Baz, Klaus Meyersen, Dirk Legatis. Hydrocarbon technology. The use of hydrocarbons as foaming agents and refrigerants in household refrigeration. Facts. Figures. Findings. //Yearbook, 1995. Eschborn, 1995.
6. Калнинь И.М. Расширение области применения аммиачных холодильных машин // Холодильная техника. 1999. №№ 11,12.
7. Бродянский В.М., Калнинь И.М., Серова Е.Н. Сопоставление эффективности парокомпрессионных и воздушных холодильных машин // Холодильная техника. 1996. №1.

---

Опубликовано: Труды кафедры "Холодильная и криогенная техника" МГУИЭ
/Сборник научных статей под ред. профессора И.М. Калниня/ М.: 2006