Что такое эжекторная система охлаждения и как это работает

Эжекторная система охлаждения (принцип струйного насоса) — это технология, где применяется термическое управление процессом. Технология эжекторной системы охлаждения используется на практике уже достаточно долгий период времени. Нынешнее состояние развития подобных систем отмечается более низким КПД по сравнению, например, с установками сжатия пара. Однако эжекторные системы охлаждения примечательны преимуществами простоты устройства и отсутствия движущихся деталей конструкции.

Классическая конструкция эжектора

Схема ниже наглядно демонстрирует внутреннее устройство прибора. Корпус эжектора имеет квадратную форму. На корпусе справа прикреплено длинное сопло.

Часть сопла, что прикреплена непосредственно к эжектору, имеет форму прямого цилиндра. Наконечник же сопла имеет форму цилиндрического конуса. В отличие от формы сопла, с левой стороны эжектора закреплён прямой цилиндр, через который выполняется вход первичного потока.

Первая половина цилиндра находится снаружи эжектора, а вторая его половина внутри. Указателем (2) отмечено отверстие цилиндра для входа первичного потока, исходящего из общей массы рабочего вещества.

Конечная часть цилиндра внутри эжектора выполнена как небольшое по размерам сходящееся/расходящееся сопло (3). Именно здесь движущийся поток вещества ускоряется и достигает сверхзвуковой скорости.

Вторая входная область цилиндрической формы расположена у основания эжектора. Через этот вход поступает вторичный поток рабочего веществ из испарителя.

Цилиндрическая часть сопла (4) представляет собой камеру смешивания, где объединяются первичный (2) и вторичный (1) потоки. Коническое отверстие сопла (5) называется диффузором.

Эжекторные системы охлаждения

Главным преимуществом эжекторных охлаждающих систем является их способность производить холод, используя отработанную тепловую энергию с температурой выше 80°C, получаемую от разных тепловых источников.

Чтобы ясно воспринимать принцип действия оборудования, где внедрён эжектор, разберём классическую схему производства холода. Такие схемы не широко, но распространены, применяются в самых разных областях народного хозяйства.

Эжекторная система охлаждения состоит из двух контуров:

1. Контур питания
2. Контур охлаждения.

В контуре питания низкотемпературное тепло (Qb) используется в котле или генераторе для испарения жидкого хладагента высокого давления (процесс 1-2). Пары высокого давления, образующиеся в результате кипения жидкого хладагента, устремляются через эжектор, где скорость потока увеличивается за счёт прохождения сквозь сопло.

Ускоренное движение потока образует область пониженного давления в в первой секции эжектора. За счёт перепада давлений туда же из испарителя устремляется насыщенный газообразный хладагент (линия 3).

Две газообразных среды объединяются в смесительной камере. Смешанная среда поступает в секцию диффузора, где происходит замедление потока и восстановление давления. Затем смешанный газообразный хладагент переправляется в конденсатор. Здесь пары хладагента конденсируются (переходят в жидкое состояние), образующееся тепло отводится в окружающую среду (Qc).

Одна часть жидкости, выходящей из конденсатора (точке 5), закачивается в котел для завершения цикла питания. Другая часть жидкости проходит через расширительное устройство и поступает в испаритель холодильного контура (точка 6) в виде парожидкостной смеси.

Парожидкостная смесь хладагента испаряется в испарителе, создавая дополнительно эффект охлаждения (Qe). Далее полученный парообразный хладагент направляется в эжектор (точка 3).

Хладагент (вторичная газообразная смесь) вновь смешивается с первичной газообразной смесью в эжекторе и сжимается в секции диффузора перед входом в конденсатор (точка 4). Смесь конденсируется в конденсаторе. Цикл повторяется (точка 5).

Как развивалась технология

Первую конструкцию системы охлаждения с эжектором разработал в 1910 году французский инженер индустриалист Морис Лебланк. Устройство быстро завоевало популярность в сфере производства оборудования для кондиционирования воздуха.

До момента разработки хлорфторуглеродных хладагентов в 1930-х годах и дальнейшего их применения, именно эжекторным системам охлаждения отдавалось предпочтение.

Появление хлорфторуглеродных хладагентов отметилось большей эффективностью холодильного оборудования и, соответственно, изменением приоритетов в отношении эжекторов.

Однако исследования и разработки в области эжекторных систем продолжались. Технология нашла своё второе применение во многих областях индустрии, особенно в химической и перерабатывающей промышленности.

Современные разработки и перспективы

На современном этапе проектирования разрабатываются эжекторные системы с мощностью охлаждения от единиц до 60 000 кВт. Но, несмотря на активность исследований, направленных на увеличение КПД (отношение эффекта охлаждения и ввода тепла в котел), существенных результатов нет.

Даже если пренебречь работой насоса, КПД эжекторных систем охлаждения по-прежнему остаётся относительно низким. Эжекторные системы охлаждения в настоящее время трудно отыскать в прямой продаже, но ряд компаний специализируются на разработке и применении оборудования на заказ.

Приоритет производства — эжекторные паровые установки, где используется вода в качестве хладагента для охлаждения при температуре выше 0°C. С целью повышения эффективности простого цикла эжекции, проводятся исследования более сложных циклов. Также изучается интеграция эжекторов в системы сжатия и поглощения паров.

Автомобильная эжекторная система кондиционирования фирмы Denso

Уникальный пример разработки фирмы Denso (схема В) — цикличный эжектор «EJECS» в составе конструкции кондиционирования воздуха салона легкового автомобиля. Здесь создаваемое эжектором отрицательное давление всасывания действует как насос, обеспечивая циркуляцию хладагента в цикле кондиционирования воздуха.

Обычные автомобильные решения (схема А) нацелены на циркуляцию хладагента только компрессором. Но в этом случае имеют место существенные потери энергии в расширительном клапане.

Эжектор на примере уникального решения компании Denso играет роль насоса подкачки компрессора, что в значительной степени повышает эффективность системы кондиционирования воздуха.

Снижается нагрузка на двигатель автомобиля или на мотор компрессора (если используется электропривод). Эжектор, работая как насос, создаёт энергосберегающий режим работы.

Поэтому оправданными можно считать значительные усилия инженеров, разрабатывающих, к примеру, солнечные энергетические установки, дополненные эжекторными системами охлаждения.

Применение в пищевой промышленности

Производственные районы, где имеется избыток отработанного тепла, рассматриваются удачным местом для применения эжекторных систем в пищевой промышленности.

Установки могут найти успешное применение на заводах по переработке пищевых продуктов. Оборудование может использоваться для охлаждения продуктов в процессе их производства, а также в условиях транспортировки.

Другое возможное применение – так называемое технологичное tringle-поколение (tri-generation), где эжекторным системам охлаждения отводится место в сочетании с комбинированным тепловым и энергетическим оборудованием для обеспечения холодом.

Препятствия для использования эжекторной технологии

Основными препятствиями для использования технологии эжекторной регенерации видятся следующие моменты:

1. Низкий КПД (0,2 ~ 0,3) по сравнению с механикой сжатия пара и аналогичными технологиями с термическим управлением.
2. Значительное падение КПД при условиях работы на удалении от проектной точки.
3. Недоступность готовых к использованию систем, что усложняет выбор для конкретного применения
4. Отсутствие данных о производительности в условиях промышленного применения для уверенности эффективности технологии.

Основные факторы для стимуляции использования

Главными факторами, способствующими внедрению технологии эжекторного охлаждения в пищевой промышленности, являются:

1. Успешная демонстрация преимуществ технологии в тех условиях, где имеется достаточное количество отработанного тепла или в системах tringle-поколения.
2. Рост стоимости производства энергии, что может способствовать более эффективному использованию отработанного тепла.
3. Более высокая термическая интеграция процессов в производстве продуктов питания.

Потребности на исследования и разработки

Для повышения привлекательности и применения эжекторных систем охлаждения остаются востребованными исследования и разработки, результатом которых стали бы следующие достижения:

1. Повышение эффективности стационарных эжекторных систем, особенно при работе на удалении от проектных точек.
2. Разработка альтернативных типов эжекторов (таких как ротодинамические эжекторы), которые обладали бы потенциалом повышения эффективности.
3. Разработка эжекторов, способных работать с другими природными хладагентами, такими как углекислый газ и углеводороды, с температурным диапазоном ниже 0°C.
4. Оптимизация циклов, а также интеграция эжекторов с обычными системами сжатия и поглощения паров.

Обучающий видео-курс по теме эжекторов 

Видеоролик представляет обучающий курс, напрямую связанный с темой функционирования эжекторных систем. Рекомендуется к просмотру для лучшего понимания и восприятия технологии:

---