Том 113, № 4 (2024)

В условиях обязательств Российской Федерации по выполнению Кигалийской поправки к Монреальскому протоколу, предусматривающей поэтапное сокращение потребления гидрофторуглеродов, возрастает актуальность перехода на природные хладагенты. В статье проведена количественная оценка соответствия внутреннего производства природных хладагентов — пропана (R290) и пропилена (R1270) — фактической и прогнозируемой потребности в сегменте транспортного холодильного оборудования. На основе статистических данных за 2020–2023 гг. показано, что производственные мощности ООО «НПП «Синтез» позволяют полностью покрыть спрос на R290, но недостаточны для обеспечения потребностей в R1270. Анализ демонстрирует, что даже в относительно низкоёмкой по объёму хладагентов отрасли (транспортное холодильное оборудование) наблюдается дефицит по отдельным природным хладагентам, что подчёркивает стратегическую необходимость модернизации и расширения отечественного производства. Результаты исследования подтверждают важность комплексного подхода, сочетающего инженерную адаптацию оборудования и развитие производственной базы, для обеспечения энергетической и экологической устойчивости холодильной отрасли России.

По результатам анализа литературы определены основные принципы проектирования теплообменника с тепловыми трубами для применения в системах кондиционирования воздуха. Описаны принцип работы и конструкция тепловой трубы. Приведена последовательность необходимых действий для выбора конфигурации теплообменника с тепловыми трубами и предложена схема для его поэтапного проектирования. Также представлены рекомендации по выбору рабочей жидкости, материала корпуса и подбору фитильной конструкции, указаны различия между однородными и композитными фитилями. Приведены ограничения по переносу теплоты тепловых труб, их описание, причины возникновения этих ограничений и формулы для расчёта. Изложен пример установки с использованием тепловых труб в качестве теплообменника отработанного воздуха в центральном кондиционере. Сделан вывод о преимуществах использования тепловых труб в системах кондиционирования воздуха для утилизации теплоты с указанием причины редкого применения данного теплообменника. Приведен результат анализа различных методик создания теплообменника с тепловыми трубами с учетом перспективности использования тепловой трубы в системах кондиционирования воздуха. Отмечено, что довольно редко используемая конструкция утилизаторов теплоты в виде тепловых труб интересна и весьма перспективна, хотя и имеет сложности в изготовлении и требует квалифицированное обслуживание.

Обоснование. Глобальный переход к низкоуглеродной энергетике требует разработки эффективных технологий утилизации холодной энергии сжиженных газов, однако существующие решения обладают низким коэффициентом полезного действия и высокой стоимостью. Пробелы в оптимизации рабочих тел и параметров цикла Ренкина ограничивают экономическую целесообразность таких систем. Данное исследование направлено на выбор оптимального рабочего тела и режимов работы, обеспечивающих минимальный срок окупаемости при максимальной энергоэффективности. При анализе существующих установок, основанных на цикле Ренкина для утилизации низкотемпературного потенциала сжиженного воздуха, используют конкретное вещество в качестве рабочего тела цикла Ренкина и не приводят результатов сравнительного анализа рабочих тел между собой. Таким образом анализ влияния рабочих тел и их параметров на эффективность работы контура регазификации криогенного аккумулятора энергии является важной научной проблемой. В данной работе также сформирован массив данных для многокритериальной оптимизации, где ключевым критерием является не только мощность или коэффициент полезного действия, но и экономическая эффективность.

Цель — разработка методики выбора оптимального рабочего тела и параметров замкнутого цикла Ренкина для регазификации криопродуктов, обеспечивающей максимальную энергоэффективность и минимальный срок окупаемости установки.

Методы. 1) термодинамический анализ — моделирование цикла Ренкина с использованием уравнений энергии, энтропии и эксергии для оценки коэффициента полезного действия и энергетических потерь; 2) эксергетический анализ — определение необратимых потерь в компонентах системы (теплообменниках, турбине, насосе) и оценка их влияния на общую эффективность; 3) экономическое моделирование — расчет стоимости оборудования и эксплуатационных затрат на основе эмпирических зависимостей с последующей оптимизацией по критерию минимального срока окупаемости; 4) многокритериальная оптимизация (метод Парето) — поиск компромиссных решений между мощностью установки и капитальными затратами для различных рабочих тел; 5) сравнительный анализ — оценка эффективности альтернативных рабочих тел (метан, кислород, органические хладагенты) по термодинамическим и экономическим показателям.

Результаты. Результаты исследования позволяют определить оптимальные параметры работы системы, включая выбор рабочего тела, температурные режимы и конструктивные особенности теплообменных аппаратов, что способствует разработке более эффективных и экономически целесообразных решений в области криогенной энергетики.

Заключение. Данные, полученные на основе моделирования, показывают, что использование метана в качестве рабочего тела в замкнутом цикле Ренкина обеспечивает наилучшие показатели по мощности, коэффициента полезного действия и окупаемости. Дальнейшее улучшение системы требует оптимизации теплообменных аппаратов для снижения эксергетических потерь.