microbik.ru
1
Д.И. Шикунов2, П.А. Марков2, и.Д. Забродин2

Научный руководитель – А.Б. ФЕДЯНИН1, доцент

1Московский инженерно-физический институт (государственный университет),

2Физико-математический лицей №1523 при МИФИ
Энергосберегающий холодильник
В работе представлен проект модернизации бытовых холодильников, предусматривающий их комплектацию дополнительным выносным радиаторным блоком, устанавливаемым за пределами жилого помещения. Предлагаемое решение направлено на сокращение их энергопотребления за счет повышения эффективности теплообменных процессов. Проект рассчитан на применение в географических областях, где годичная или сезонная температура на улице может быть ниже комнатной. В предлагаемом проекте содержится оценочный расчет по энергосбережению, полученному при реализации данного инженерного решения.
Являясь весьма распространенным бытовым прибором, холодильник потребляет за месяц 30-40 кВт электроэнергии, что составляет 22% от общего расхода средней московской квартиры.

Целью представленной работы является разработка и обоснование инженерного решения, направленного на сокращение потребления электрической энергии бытовыми холодильниками за счет повышения эффективности теплопередачи в тепловом цикле холодильной машины при минимальных конструктивных изменениях в самих холодильных агрегатах. В основу предлагаемой разработки положен тот факт, что значительная часть человечества живет в географических условиях, где сезонные или годовые температуры значительно ниже, чем температура внутри жилого помещения, составляющую примерно 200С. Так как почти 44% населения Земли живет в условиях, где среднегодовая разница температур между улицей и жилым помещением составляет 9,5°С, существует возможность использовать возникающий градиент t° для повышения эффективности теплопередачи в рабочем цикле холодильных агрегатов. Для их эффективной работы определяющим фактором является способность теплообменника рассеивать тепло в окружающем пространстве. Чем ниже температура, до которой теплообменник может остудить хладагент и чем больше тепла радиатор может рассеять в единицу времени, тем меньше будет совершенная двигателем работа, а, следовательно, тем меньше будет потребленная им энергия. Опубликованы данные, что при повышении температуры воздуха с 20°С до 30°С потребление холодильником электроэнергии удваивается. В связи с этим в нашем проекте предлагается оснастить холодильник дополнительным выносным радиатором, устанавливаемым вне помещения подобно блокам кондиционеров. Выносной блок соединяется с радиаторным блоком холодильника через специальный отвод и вентиль регулировки потоков, являющихся единственными конструктивными элементами, встраиваемыми в стандартный агрегат. Предусматривается оптимизация регулировки потоков хладагента по специальной программе с помощью микропроцессорного блока на основе информации от датчиков внешней и внутренней температуры воздуха или данных о температуре потоков хладагента.

Оценка экономического эффекта основанная на приблизительных термодинамических расчетах показывает, что при повышении температуры воздуха с t1=20°С до t2=30°С, для холодильника мощностью 140 Вт, потребляющего в месяц 32,4 кВт·часов электроэнергии, ее потребление возрастет на 22,2%. Расхождение с опубликованными данными, обусловлено оценочной методикой расчета эффективности радиатора, проводимой, естественно, без учета увеличения теплового потока внутрь холодильника через стенки, а также с вносимыми предметами и через открываемую дверь. Разработка более точных методик расчета и программ оптимизации является очередным этапом проекта.

Как показывают расчеты, при использовании внешнего радиатора в московском регионе потребление электроэнергии холодильником с приведенными выше параметрами снизится почти на 40%. С учетом всех квартир в городе Москве в течение года можно экономить 568 млн. кВт·ч электроэнергии стоимостью 1,2 млрд. руб. На строительстве электростанций, вследствие снижения потребляемой мощности на 66 МВт может быть сэкономлено еще 1,3 млрд. руб. При этом для генерации сэкономленной энергии не будет сожжено 145 млн. м3 природного газа и в атмосферу не будет выброшено 286 тыс. т СО2, что равносильно выбросу СО2 всеми машинами города Москвы в течение 3-х дней или, как если бы около 1% автомобилей в городе перестали выбрасывать в воздух СО2.

Выводы. В результате проведенных исследований разработано инженерное решение, направленное на сбережение электроэнергии при эксплуатации бытовых компрессионных холодильников, проведена оценка климатических условий и географии применения разработанной конструкции. На основании проведенных расчетов показана оценка экономической и экологической эффективности предлагаемого решения.