автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Моделирование тепловых режимов холодоаккумуляторов и водяных газификаторов, работающих в условиях намораживания водного льда

ВВЕДЕНИЕ.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО ПРОБЛЕМЕ ХОЛОДОАК-КУМУЛЯЦИИ НА ГЛАДКИХ И ОРЕБРЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ.

§1 Основные сведения.

§2 Промерзание влажного грунта и образование льда в стоячей воде в большом объеме.

§3 Приближенные решения задачи образования льда на плоской стенке.:.

§4 Производство искусственного льда из воды. Составление теплового баланса льдогенератора.

ГЛАВА 2. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ВОДНОГО ЛЬДА НА ОХЛАЖДАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ СТЕНКИ.

§1 Теплообмен при образовании льда на изотермической плоской стенке.

§2 Теплообмен при образовании льда на прямоугольном ребре.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАМОРАЖИВАНИЯ ВОДНОГО ЛЬДА НА ОХЛАЖДАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ.

§1 Намораживание льда на изотермической плоской стенке.

§2 Промышленные испытания холодоаккумулятора.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ХОЛОДОАККУМУЛЯЦИ

ОННЫХ УСТРОЙСТВ ВОДНОГО ЛЬДА.

§1 Панельный холодоаккумулятор водного льда.

§2 Определение оптимальной удельной холодильной мощности при проектировании панельного холодоаккумулятора.

§3 Змеевиково-ребристый аккумулятор водного льда.

§4 Панельный газификатор сжиженного природного газа.

ВЫВОДЫ.

В известной литературе по холодильной технике вопросу расчета открытых испарительных систем, работающих в условиях намораживания водного льда, уделяется мало внимания. В то же время именно такие системы способны обеспечить снижение текущих затрат на электроэнергию, работая в режиме аккумуляции холода. Снижение затрат на электроэнергию осуществляется за счет работы агрегата в ночное время, для которого могут быть установлены специальные низкие тарифы. Особую значимость эта проблема приобрела в агропромышленном комплексе, где эксплуатируется значительный парк водоохлаждающих холодильных установок.

В настоящее время возникла необходимость поиска экологически чистого, дешевого и доступного топлива для судов. Считается, что альтернативой топливу на основе нефтепродуктов является природный газ. Для удобства транспортировки газ сжижают. Для конечного использования на судне в качестве топлива его необходимо перевести в газообразное состояние. В процессе газификации к жидкому криопродукту необходимо подводить тепло. Наиболее эффективным для организации процесса газификации следует считать теплоотдачу от воды с последующим превращением ее в лед, который молено использовать как хладоемкую массу в системе кондиционирования, хранения продуктов в провизионных камерах или системах хранения скоропортящихся грузов в трюмах. При таком подходе отсутствуют дополнительные затраты топлива для работы дизельных двигателей; отпадает необходимость в использовании дорогих хладонов, многие из которых признаны вредными для окружающей среды. Топливная система становится наиболее безопасной с точки зрения загрязнения окружающей среды.

В связи со слабой изученностью процесса теплообмена намораживания льда на гладкой поверхности и ребрах отсутствует конкретная рекомендация по выбору подводимой к холодоаккумулятору холодильной мощности. 5

Основными задачами данной работы являются:

1. Создание и реализация физико-математических моделей процесса намораживания льда на охлаждаемых поверхностях низкотемпературного оборудования, погруженных в водяную среду.

2. Экспериментальное исследование основных факторов, влияющих на теплообмен при намораживании водного льда.

3. Теоретическое обобщение экспериментальных данных, полученных в условиях лаборатории и на испытаниях промышленных образцов низкотемпературного оборудования в заводских условиях.

4. Разработка инженерных методик расчета холодоаккумуляторов водного льда и газификаторов низкотемпературных энергоносителей.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ о - температура кипения холодильного агента, °С; - текущая температура воды, °С; и" - начальная температура воды, °С; л - температура фазового перехода воды в лед, °С; р - средняя температура ребра, °С; ош - температура основания ребра, °С;

То - температура кипения холодильного агента, К;

Т- температура воды, К;

7л - температура фазового перехода воды в лед, К; Гсх - температура стенки, К;

- площадь теплопередающей поверхности аппарата, м ; л аи, - коэффициент теплоотдачи от воды к поверхности льда, Вт/(м • °С);

- число Нуссельта для воды; Огн - число Грасгофа для воды; оси - коэффициент теплоотдачи от поверхности стенки испарителя к кипящему хол лодильному агенту, Вт/(м • °С); ёл - толщина льда, м; Зр - толщина ребра, м; &г - толщина стенки испарителя, м; с! - внутренний диаметр трубки, м; 4' - скорость роста льда, м/с; т- время, с;

Лл - теплопроводность льда, Вт/(м • °С);

Лег ~ теплопроводность стенки испарителя, Вт/(м ■ °С);

Лр - теплопроводность ребра, Вт/(м • °С); 7 кр - коэффициент теплопередачи, отнесенный к развитой поверхности, Вт/(м2 • °С); рл - плотность льда, кг/м3;

Ь - теплота фазового перехода воды в лед Дж/кг; г* ~ теплота кипения энергоносителя;

- коэффициент льдовыпадения; 0К - масса воды, кг; Ол - масса намороженного льда, кг; л

М- массовая скорость хладагента, кг/(м -с); (}.А - массовый расход энергоносителя, кг/с; /'мр - площадь мелфеберных участков, м2; (р - коэффициент оребрения;

2о(/о) - холодильная мощность в функции температуры, Вт;

К(1о) - коэффициент конвективного кипения в функции температуры;

А/'(/о) - перепад энтальпий в холодильном цикле в функции температуры, Дж/кг;

1¥- удельный расход электроэнергии, кВт ч/кг

выводы

1. Показано, что при температурных режимах, характерных для холодильной техники влиянием переменности теплофизических свойств можно пренебречь.

2. В результате обработки экспериментальных данных по намораживанию водного льда на изотермической плоской стенке установлено, что процесс намораживания водного льда в начальной стадии приводит к интенсификации наружного теплообмена, в развитой же стадии процесса теплоотдача от воды может быть рассчитана по принятым в теории конвективного теплообмена соотношениям.

3. Выполнено сравнение панельного холодоаккумулятора водного льда с ореб-ренной батареей. Установлено, что оребренную батарею целесообразно использовать в жидкостных холодоаккумуляторах, работающих без накопления льда.

4. Установлено, что экономичные режимы намораживания льда соответствуют показателям подведенной удельной холодильной мощности 1,2 кВт на 1 м те-плопередающей поверхности. При этом оптимальная толщина слоя водного льда составит приблизительно 51 мм.

5. Рекомендовано сокращение шага расположения панельных секций в холодоак-кумуляторе со 160 до 140 мм.

1. Абдульманов X. А., Абдульманов И. X., Вера Круш, де Мело Ж. А. Оптимизация параметров холодоаккумуляторов периодического действия // Холодильная техника 1987, №4.

2. Бенсон М. И. Охлаждение и транспортировеа молока за рубежом. М. :ЦИНТИпищепром, 1961.

3. Бобков В. А. Производство и применение водного льда. М.: Госторгиздат, 1961.

4. Бобков В. А. Использование естественного холода для сохранения продовольствия М.: ВНИХИ, 1968.

5. Бобков В. А. Веверн В. Н. Завод прозрачного льда при холодильнике №2 в Москве // Холодильная промышленность 1939, №2.

6. Богданов Б. К., Вязовский В. П., Соколов В. А. Система управления аккумулятором холода на базе интегральных микросхем // Холодильная техника 1989, №1.

7. Богданов Б. К., Вязовский В. П., Соколов В. А., Гришин С. М. Автоматизированная система управления аккумулятором холода молочного завода // Холодильная техника 1987, №4.

8. Богданов С. П., Иванов О. П., Куприянова А. В. Холодильная техника. Свойства веществ. Справочник. Л.: Машинастроение, 1976.

9. Богородский В. В., Таврило В. П. Лед: Физические свойства. Современные методы гляциологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1980.

10. Бучко Н. А. Некоторые особенности теплообмена при твердевании // «Холодильная техника» 1963, №6.

11. Быков А. В., Бежанишвили Э. М., Калнинь И. М. и др. Холодильные компрессоры. М: Колос, 1992.

12. Варивода В. А. Динамика инееобразования на теплообменных поверхностях холодильных аппаратов. Канд. дисс. Одесса, 1990.13