КАЛНИНЬ Игорь Мартынович, профессор, доктор технических наук. Окончил Московское высшее техническое училище им. Н.Э.Баумана (1957г.). Заслуженный деятель науки Российской Федерации. Заведующий кафедрой "Холодильная и криогенная техника" Московского государственного университета инженерной экологии.
Научные интересы: холодильная и криогенная техника, теплоэнергетика.
Во второй половине 20-го века техника низких температур (ТНТ) проникла во все
сферы деятельности людей и стала фактором, без которого современная цивилизация не может существовать и развиваться. В числе жизненно важных сфер применения низких температур такие, как:
- снабжение продовольствием;
- энергетика;
- очистка и утилизация выбросов;
- искусственный климат;
- медицина и др.
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.
Так называемая "Холодильная промышленность", включающая технику и технологии низких температур (ТНТ), являет собой обширную, быстрорастущую, но организационно не оформленную отрасль, присутствующую в любом регионе, городе, и практически в каждом доме. Эта отрасль, оказывающая огромное влияние на экономику, энергетику, экологию, социальную сферу, требует внимания и опеки.
В производстве и эксплуатации техники низких температур заняты сотни тысяч
людей. Холодильная и криогенная техника - промышленные установки, холодильные
машины в сфере торговли и транспорте, бытовые холодильники, системы
кондиционирования воздуха - потребляет около 20 % от общей генерируемой в стране электрической энергии.
В условиях нарастания дефицита энергоносителей, обострения экологических проблем выбору правильной стратегии развития техники и технологии низких температур необходимо уделить пристальное внимание. В ведущих странах мира развитие этой отрасли взято под контроль государства. Устанавливаются и выполняются нормы снижения энергопотребления конкретными видами низкотемпературной техники (например, автономными кондиционерами), приближаются сроки, запрещающие производство и применение синтетических рабочих веществ, являющихся парниковыми газами, (например, "Акт о чистом воздухе" в США) и т.п.
Каждая развитая страна самостоятельно на законодательном уровне решает свои
проблемы, связанные с энергопотреблением ТНТ и ее воздействием на экологию. Если такую политику не проводить у себя дома, то легко можно превратиться в регион, куда будет сбрасываться, и где будет накапливаться неэффективная и экологически опасная низкотемпературная техника. Признаки такого процесса сегодня уже присутствуют. Однако, полноценно такую политику можно проводить имея собственное производство низкотемпературной техники, прежде всего ее базового оборудования - компрессоров, детандеров, основных теплообменных аппаратов, а также рабочих веществ. Преобладание "отверточного" производства отбрасывает экономику в разряд слаборазвитых и незащищенных.
Пути решения проблем энергоэффективности и экологической безопасности ТНТ
тесно связаны между собой, и их значение выходит далеко за пределы собственно
низкотемпературной техники и технологии.
В сфере экологии главной задачей является постепенный переход на экологически
безопасные природные рабочие вещества, в числе которых аммиак, диоксид углерода, углеводороды, вода и воздух, а также некоторые смесевые рабочие вещества. Первостепенной задачей представляется возврат к аммиачным холодильным машинам малой холодопроизводительности от 3...5 кВт и выше, для торговли и сельского хозяйства. Эти машины нового поколения по безопасности, степени автоматизации и безнадзорности работы не должны уступать фреоновым машинам. Должна быть создана такая техническая, экономическая и правовая обстановка, чтобы предприятия хотели и практически могли выпускать аммиачные машины высокого технического уровня, а потребители не боялись, хотели и могли их применять.
Но использование природных рабочих веществ не может рассматриваться только как решение экологической проблемы. Необходимо, чтобы системы нового поколения имели бы существенно более высокую энергетическую эффективность, рассчитанную на перспективу. Одновременное выполнение обоих условий требует новых научных разработок и инженерных решений.
Необходимость ухода от синтетических рабочих веществ должна повышать интерес к новым экологически безопасным и энергетически эффективным принципам получения холода. Среди них сорбционные металлогидридные системы, термоэлектрические охладители с использованием принципиально новых полупроводниковых материалов, охладители, использующие электрокалорический эффект. При этом надо учитывать, что представление об экономичных и неэкономичных способах охлаждения и отопления изменит неизбежное удорожание энергоносителей, что вызовет перераспределение стоимостных соотношений различных статей материальных затрат.
В сфере энергетической эффективности ТНТ очевидно, что ее повышение позволяет
сберегать невозобновляемые источники энергии (органического топлива) и одновременно снижает эмиссию парниковых газов. Думаю, что в нашей стране экономические стимулы, прежде всего тарифы на электроэнергию и топливо, заставят потребителя искать выгодные решения по потреблению энергии и видам энергоносителей. Проводимое разработчиками и изготовителями совершенствование холодильного оборудования (прежде всего компрессоров), безусловно, служит решению этой задачи. Однако простой выбор более эффективного оборудования (обычно более дорогого) не отвечает современным требованиям энергосбережения. Потребителю надо помочь выбрать технические решения, обеспечивающие минимальное энергопотребление в среднем по году с учетом сезонных изменений условий эксплуатации систем. Ему надо научиться оценивать "стоимость качества" предлагаемых технических решений. Предлагаемые более дешевые простые схемы могут со временем принести убытки, в том числе за счет перерасхода энергии. Основным критерием энергоэффективности должна стать степень (коэффициент) использования первичной энергии (конечно, с учетом соотношения тарифов альтернативных энергоносителей). В связи с этим необходимо рассматривать комплексное применение холодильной техники и низкопотенциальной энергетики.
Низкопотенциальная энергетика (НПЭ) - это по существу ветвь техники низких температур. Как научно-техническое направление она сформировалась во второй
половине прошлого века и охватывает энергетические системы, вырабатывающие тепловую и электрическую энергию а также холод, с использованием теплоты возобновляемых природных и вторичных промышленных (а также бытовых) источников. Основное назначение НПЭ - экономия топливно-энергетических ресурсов и защита окружающей среды от химического и теплового загрязнения. Системы НПЭ строятся на базе:
- компрессионных тепловых насосах (ТН), использующих механическую энергию;
- абсорбционных термотрансформаторах, использующих тепловую энергию;
- энергоустановках (турбогенераторах), использующих для выработки
электроэнергии низкопотенциальное тепло.
Общим для этих систем является реализация обратных или прямых термодинамических циклов на низкокипящих рабочих веществах, в том числе применяемых в холодильной технике.
Источники низкопотенциального тепла (природные и техногенные) по
температурному уровню можно разделить на две группы:
- низкопотенциальные (ИНТ) - ниже 70 °С, используемые в тепловых насосах;
- высокотемпературные (ИВТ) - от 70 до 150 °С, используемые в абсорбционных
тепловых насосах и энергоустановках в качестве источника энергии.
Тепловые насосы создавались на основе принципов работы холодильной техники и, как правило, выпускаются заводами холодильного машиностроения. Создание ТН - одна из важнейших областей пересечения техники низких температур с энергетикой. Применение ТН позволяет снизить потребление органического топлива при теплоснабжении в 1,2 ...2,3 раза по сравнению с его прямым сжиганием.
Перспективно использование комбинированных энергетических систем в сочетании с другими технологиями использования возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, биоэнергии), так как позволяет оптимизировать параметры сопрягаемых систем и обеспечивать наиболее высокие экономические показатели.
Представляется, что еще одной важнейшей областью применения НПЭ станут установки опреснения соленой воды. Потребление человеком чистой пресной воды и
загрязнение ее в процессе использования значительно больше, чем ее восполнение, и этот дисбаланс катастрофически растет. Специалисты ООН полагают, что к 2025 г. около 5 млрд. человек населения планеты будут испытывать трудности со снабжением водой для хозяйственных и личных нужд.
Даже для небольших стран потребление пресной воды достигает сотен миллионов тонн. Обычное годовое потребление пресной воды развитой страной исчисляется
миллиардами кубометров. Компенсация дефицита пресной воды в той или иной степени может быть достигнута за счет опреснения соленой воды, главным образом морской, запасы которой составляют 95 % всей воды на земном шаре. Опреснение морской воды может осуществляться различными методами. Однако из всего объема получаемой в мире опресненной воды 96 % приходится на долю установок с изменением ее агрегатного состояния, а именно дистилляционных. Расход тепла на получение 1 кг пресной воды в одноступенчатом дистилляционном опреснителе составляет около 2400 кДж.
Снижение расхода тепла достигается в сложных многоступенчатых выпарных установках за счет рекуперации, т.е. возврата тепла конденсата нагреваемой соленой воде.
Расход тепла в четырехступенчатом дистилляторе составляет 500-600 кДж на 1 кг пресной воды, что соответствует примерно 130-160 кВт/(м3/ч).
Наилучшие результаты могут быть достигнуты путем создания дистилляционных установок без сжигания топлива, в которых выработка и рекуперация тепла
осуществляются путем реализации одноступенчатого обратного термодинамического цикла (цикла ТН) на низкокипящем рабочем веществе, который позволяет кардинально упростить устройство установки, снизить удельный расход энергии на получение пресной воды и создавать установки практически любой требуемой производительности.
В борьбе за сбережение энергоресурсов необходимо иметь в поле зрения все
возможные решения:
- одновременную выработку холода и тепла;
- применение теплоиспользующих холодильных систем, - сорбционных
термотрансформаторов, компрессионных машин с приводом от тепловых
двигателей;
- суточная аккумуляция холода и тепла с использованием льготных тарифов на
электроэнергию;
- сезонная аккумуляция тепла и холода с помощью соляных прудов;
- использование естественного холода в холодное время года;
- утилизация низкопотенциального тепла естественных, промышленных и бытовых
источников для выработки холода, тепла и электроэнергии;
- использование нетрадиционных источников энергии (энергии солнца, ветра и др.)
и комбинированных систем низкопотенциальной энергетики в том числе для
очистки (дисцилляции) загрязненных вод и опреснения морской воды.
Все эти сложные и, порой, неудобные, но необходимые решения нам никто не предложит. Надо оценивать, проявлять дальновидность и инициативу в их реализации.
Приведу несколько примеров отечественных разработок ТНТ нового поколения разной степени завершенности, заслуживающих поддержки и реализации. Все разработки предполагают снижение энергопотребления по сравнению с существующими и конкурентными системами, а также применение экологически безопасных рабочих веществ. В большинстве этих разработок участвует научно-технический центр "Техника низких температур" МГУИЭ (НТЦ ТНТ МГУИЭ).
Аммиачная холодильная машина малой производительности для торговли и сельского хозяйства.
Фреоновый турбокомпрессор малой производительности для систем
кондиционирования воздуха (водоохлаждающих машин).
Теплоиспользующие абсорбционные водоохлаждающие бромистолитиевые машины
для систем кондиционирования воздуха.
Вакуумно-испарительные системы для охлаждения воды, водосодержащих эмульсий и растворов.
Воздушные турбодетандерные системы для заморозки материалов и продуктов.
Тепловые насосы малой производительности на диоксиде углерода для
теплоснабжения и горячего водоснабжения зданий.
Промышленные тепловые насосы большой производительности для централизованных систем теплоснабжения.
Криогрануляторы для получения материалов с наноразмерами.
Теплонасосный опреснитель соленой воды.
Холодильная промышленность, включающая технику и технологии низких температур (ТНТ) оказывает большое влияние на экономику, энергетику, экологию и
социальную сферу. Снижение энергопотребления ТНТ и решение проблем экологии
требует новых технических решений, рассматриваемых в статье.
