Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
Том 114, № 1 (2025)
Научные обзоры
Эволюция блоков подачи жидкого азота в систему охлаждения криотерапевтического комплекса
Аннотация
На данный момент, уже свыше 25 лет, в РФ производят и используют в клинической практике одноместные установки для общего криотерапевтического воздействия (криосауны). Общее криотерапевтическое воздействие – физиотерапевтическая процедура, основанная на кратковременном контакте всей поверхности кожи человеческого тела с газовой средой, охлажденной до криогенных температур. Снижение температуры кожи за счет интенсивного отвода теплоты к криогенному газу (теплоносителю) стимулирует холодовые рецепторы кожи и создает условия для лечения ряда социально-значимых заболеваний: ревматоидного артрита, псориаза, бронхиальной астмы, аллергии и т.д. Основная эксплуатационная проблема таких установок связана с тем, что при контакте с криогенным газом кожный покров пациентам выделяет большое количество аккумулированной теплоты. Наиболее эффективным способом отвода этого теплового потока является использование жидкого азота в качестве теплопоглощающей среды (криоагента). С использованием жидкого азота работала первая в мире криотерапевтического и установка, с помощью которой была открыта и доказана эффективность общего криотерапевтического воздействия. Впоследствии чего, эффективность систем азотного охлаждения была поставлена под сомнение и в ряде стран их заменили компрессионными рефрижераторными системами. В России технология азотного охлаждения была развита и адаптирована к конструкции одноместных криотерапевтических систем. Благодаря этому такой тип криосаун позволяет получать максимальный криотерапевтический эффект при минимальных затратах жидкого азота.
Цель работы – провести анализ блоков подачи жидкого азота в систему охлаждения криосаун и выявить наиболее эффективную технологию. В результате установлено, что азотные системы охлаждения позволяют отводить большее количество теплоты при минимальных затратах энергии, более того, не требуется установка дополнительного рефрижераторного оборудования. Контактные системы азотного охлаждения обладают меньшей тепловой инерцией, а эффективность использования жидкого криоагента более высокая. Предложено использование альтернативного криоагента в многоместных криотерапетических установках. Использование азотных систем охлаждения контактного типа в одноместных криотерапевтических системах наиболее обосновано энергетически и технологически.
5-16
Холодильные технологии в обеспечении продовольственной безопасности: научная школа профессора Колодязной Валентины Степановны (памяти ученого и педагога)
Аннотация
Статья посвящена памяти ученого и педагога, д.т.н., проф. Валентины Степановны Колодязной (1937 – 2023).
Сохранение качества пищевых систем, определяющего пищевую ценность и безопасность продовольственного сырья и пищевых продуктов, снижения потерь при хранении, увеличение сроков годности с применением искусственного холода – одна из основных задач современных пищевых технологий.
В настоящей статье представлен обзор многолетних исследований научной школы профессора В.С. Колодязной по применению холодильных технологий в обеспечении продовольственной безопасности. В проектах, реализованных под руководством Валентины Степановны Колодязной, наряду с разработкой рецептур пищевых продуктов для здорового питания, обосновывались технологические параметры производства и хранения, создавались новые виды упаковок и нанопокрытий с барьерными свойствами, позволяющих сохранять пищевые системы в течение длительного времени при обеспечении высоких показателей качества и безопасности. В научно-исследовательских работах решалась одна из актуальных народнохозяйственных проблем, связанная со снижением потерь от микробиальной порчи продовольственного сырья, разрабатывались технологии замораживания и низкотемпературного хранения, предлагались методы биоконтроля на основе исследования микробных сообществ, внедрялись технологии комплексного использования всех видов сырья – не только основного, но и побочного.
В статье приведены результаты ряда исследований, проведенных под руководством В.С. Колодязной. Было показано, что скорость роста санитарно-показательных микроорганизмов значительно замедляется при хранении мелкокусковых полуфабрикатов из телятины с различными покрытиями: растворами органических кислот и желатина и хитозана, альгината натрия и хитозана, гуаровой камеди и хитозана в различных соотношениях и в полиэтиленовой упаковке.
Приведены результаты исследований по разработке биофунгицидных препаратов, определению набора биоконтрольных агентов для создания биопрепаратов по снижению патогенной нагрузки растительной продукции при хранении в условиях низких положительных температур. Оценка антагонистической активности в отношении фитопатогенных микроорганизмов плодоовощной продукции выявила, что у ряда штаммов псевдомонад (RF13H, RF14J, RM14B, RF12C) выражен биоконтроль и адаптивность, характеризующийся метаболитной и защитной активностью.
Под научным руководством В.С. Колодязной изучались различные способы процесса замораживания растительных продуктов в воздушной среде, жидких хладоносителях и парокапельной азотной среде при различных температурах. Представлены результаты по частичной дегидратации методом микроволнового вакуумного обезвоживания и замораживанию ягод земляники садовой, черной смородины, аронии.
Выпускники научной школы В.С. Колодязной продолжают работу как в научно-исследовательских и образовательных организациях, так и в крупных российских и зарубежных индустриальных компаниях.
17-26
Анализ эффективности систем охлаждения жидкости: возможности фрикулинга в Санкт-Петербурге
Аннотация
В данной работе представлен анализ и сравнительная оценка энергетической и экономической эффективности систем круглогодичного охлаждения жидкости, применимых в климатических условиях г. Санкт-Петербурга. На основе анализа среднемесячных температур наружного воздуха за последние 10 лет и расчета сезонного коэффициента энергоэффективности для стандартного чиллера с и чиллера со встроенным фрикулингом, выполнен расчет экономической эффективности внедрения технологии свободного охлаждения.
Результаты исследования показали, что чиллер со встроенным фрикулингом обладает значительно более высоким (примерно на 30%) значением сезонного коэффициента энергоэффективности по сравнению со стандартным чиллером. Экономический расчет подтвердил, что несмотря на более высокие первоначальные капитальные затраты, система с фрикулингом обеспечивает годовую экономию на электроэнергии около 1,5 млн. руб. Экономическая выгода (окупаемость дополнительных инвестиций) достигается уже в первый год эксплуатации за счет существенного снижения эксплуатационных расходов.
Новизна работы заключается в проведении анализа и расчетов для систем охлаждения с учетом специфики реальных климатических данных Санкт-Петербурга (среднегодовая температура 7,1°C) и параметров конкретных установок, что повышает практическую применимость полученных результатов для проектирования энергоэффективных систем в данном регионе.
27-34
О возможности создании спирального компрессора на основе спирали Архимеда как образующей (часть 1)
Аннотация
В первой статье из предлагаемого цикла излагается история появления на мировом рынке спиральных компрессоров, проводится краткий анализ их преимуществ перед компрессорами других типов, описывается принцип действия спирального компрессора. Излагаются основные теоретические предпосылки построения рабочих органов спирального компрессора, базирующегося на спирали Архимеда в качестве образующей. Приводятся причины, приведшие к выбору спирали Архимеда в качестве образующей. В статье описаны некоторые методы построения пера спирали, в частности метод коррекции, сводящийся к построению математического алгоритма, описывающего получение одной из образующих пера спирали в случае, когда вторая образующая является спиралью Архимеда. Таким методом может быть достигнута высокая степень соответствия рабочих элементов компрессора. В последующих частях работы описан теоретический метод получения второй образующей пера спирали, использующий принципы дифференциальной геометрии, метод огибающих кривых. Он позволил получить уравнения, описывающие внешнюю образующую рабочего элемента спирального компрессора при условии, что внутренняя образующая является спиралью Архимеда. В работе обсуждаются методы сопряжения концов спиралей в центральной части компрессора. Обозначены также связанные с этим проблемы. В дальнейшем будут изложены другие методы профилирования рабочих спиралей на основе кривой Архимеда. В заключении дается краткий обзор существующих ныне методов моделирования спирального компрессора и обзор публикаций по этому направлению. Формулируются основные направления и тенденции в этой области техники.
35-42
Оригинальные исследования
Влияние конфигурации криогенного резервуара на мощность центробежных компрессоров отпарного газа
Аннотация
Обоснование. В ходе транспортировки сжиженного природного газа морским путём, перевозимый энергоноситель постоянно изменяет своё агрегатное состояние, поскольку часть газа конденсируется, переходя в жидкое состояние, а часть испаряется и переходит в газообразное состояние, что создаёт повышенное давление в грузовых танках. Количество испарившегося газа определяет требуемую мощность компрессоров отпарного газа, входящих в состав установки повторного сжижения отпарного газа, которая позволяет вернуть испарившиеся компоненты сжиженного природного газа обратно в резервуар.
Цель работы — оценка и анализ влияния геометрических параметров резервуаров танкеров-газовозов на интенсивность испарения сжиженного природного газа и на мощность центробежных компрессоров отпарного газа.
Методы. Методика расчета основана на сопоставлении величины испарения сжиженного природного газа с площадью поперечного сечения заполненных емкостей различных конфигураций, с учетом теплообмена и теплоизоляции, что является ключевым аспектом в проектировании криогенных резервуаров. В качестве примера рассматриваются три типа независимых резервуаров, характеризующихся различной формой и соотношением высоты и диаметра, что позволяет оценить влияние геометрических параметров на интенсивность испарения и произвести расчет оценки мощности центробежных компрессоров отпарного газа.
Результаты. Для оценки влияния формы резервуара на объемные потери сжиженного природного газа используется модель, учитывающая теплоприток через изоляцию и конвективный теплообмен с окружающей средой. Полученные результаты позволяют оценить влияние конструктивных особенностей резервуаров на величину образования отпарного газа, оптимизировать их конструкцию, а также снизить мощность центробежных компрессоров отпарного газа.
Заключение. Проведённый анализ и расчёты показали, что площадь зеркала испарения напрямую влияет на величину испарившегося отпарного газа и потребляемую мощность компрессора отпарного газа. Результаты исследования могут быть полезны для проектирования и совершенствования криогенных систем хранения и транспортировки сжиженного природного газа и оценки мощности центробежных компрессоров отпарного газа.
43-51
Теоретическое обоснование эффективности работы винтового однороторного компрессора со встроенным регулятором производительности нового типа
Аннотация
Обоснование. Необходимость энергоресурсосбережения вызвана современной повесткой социальных, экологических и экономических факторов в мире. Холодильная техника является существенным потребителем электроэнергии, поэтому обеспечение энергоэффективности систем охлаждения различного назначения является актуальной задачей. Положительный эффект в данном направлении может быть достигнут за счет регулирования объемной производительности компрессора, в свою очередь, являющимся основным потребителем энергии холодильных систем.
Цель работы — обоснование эффективности работы винтового однороторного компрессора со встроенным регулятором производительности нового типа.
Методы. Объектом исследования являлся винтовой однороторной компрессор, оборудованный встроенным регулятором производительности в виде поворотного регулировочного кольца. Расчет объемной производительности винтового однороторного компрессора на стадии ее регулирования осуществлялся при помощи разработанной математической модели, автоматизированной в среде программирования Python, а также инструментами ANSYS. Эффективность работы винтового однороторного компрессора, в данном случае оценивалась по двум параметрам: коэффициенту подачи λ и удельной потребляемой мощности Nуд.
Результаты. В работе представлено сравнение эффективности работы винтового однороторного компрессора в случае частотного регулирования объемной производительности и при регулировании поворотным регулировочным кольцом. Определено преимущество регулирования встроенным регулятором.
Заключение. В результате выделена область предпочтительно диапазона работы винтового однороторного компрессора при наиболее высоких значениях λ, примерно соответствующая режиму работы при 1500–3000 об/мин. Данный диапазон можно считать оптимальным. Регулирование объемной производительности, путем ее уменьшения при помощи частотного регулирования за пределами выделенной области будет являться малоэффективным. В диапазоне регулирования действительной объемной производительности Vд ≈ 10–40%, имеет место увеличение значений Nуд, однако для способа регулирования при помощи регулировочного кольца данный показатель на рассматриваемом диапазоне имеет меньшие значения, в сравнении с частотным регулированием (до 23,7% эффективнее при работе на воздухе и до 13,6% эффективнее при работе на аммиаке в случае применения регулировочного кольца).
52-64