автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Получение мелкодисперсных частиц водного льда методом диспергирования в условиях вакуумирования

На правах рукописи

СУСЛИКОВ Денис Владимирович

ПОЛУЧЕНИЕ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ ВОДНОГО ЛЬДА МЕТОДОМ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ВАКУУМИРОВАНИЯ

Специальность 05.04.03 — Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 2009 г.

003484221

Работа выполнена в ГОУ ВПО Московский государственный университет инженерной экологии (МГУИЭ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

МАРИНЮК Борис Тимофеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

БАБАКИН Борис Сергеевич

кандидат технических наук, доцент ФРОЛОВ Юрий Дмитриевич

Ведущая организация: ЗАО НПО «ХИМСИНТЕЗ»

Защита состоится «26» ноября 2009 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.145.01 в Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4, аудитория имени Л.А. Костандова (Л-207).

С текстом диссертации можно ознакомиться в библиотеке МГУИЭ

Автореферат разослан «23» октября 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

ТРИФОНОВ С. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Поиск новых рабочих веществ для современных парокомпрессионных холодильных машин в настоящее время становится всё более острой проблемой из-за возрастающих экологических требований, предъявляемых к ним. Разработка новых экологически безопасных хладагентов связана с большими финансовыми затратами и не всегда может гарантировать успех. Поэтому такие факторы как совместимость с окружающей средой, доступность, термодинамическое совершенство, низкая стоимость, пожаровзрывобезопасность, актуализируют поиск рабочих веществ природного происхождения - в том числе воды, диоксида углерода, водных растворов солей и спиртов.

Вода является простым, дешевым, совершенным по теплофизическим свойствам веществом, обладающим высокими показателями скрытой теплоты парообразования и теплоемкости. Использование воды как холодильного агента в системах охлаждения является перспективным в сельском хозяйстве, на транспорте, в промышленном и гражданском кондиционировании. Однако рабочий цикл с применением воды в качестве хладагента проходит при давлении ниже атмосферного. В результате система должна пропускать большие объемные потоки водяного пара, имея сравнительно высокие коэффициенты сжатия. По этой причине, машины высокой объемной производительности являются наилучшим выбором. Основной цикл машин, работающих на воде, фактически идентичен парокомпрессионному холодильному циклу с традиционными холодильными агентами, за исключением того, что в связи с доступностью и относительно низкой стоимостью воды как холодильного агента, возможно, ее использование в разомкнутом цикле. В силу своих специфических свойств (низкое давление паров при температурах 0...+20 °С), существующий парк холодильных компрессоров не может быть использован, поэтому в качестве средств компремирования выбраны скоростные вакуумные насосы ротативного действия.

На сегодняшний день водоледяная суспензия и водный лёд находят широкое применение в разных отраслях промышленности. Применение водоледяных суспензий в холодильной технике существенно сокращает габариты теплообменного оборудования, более интенсивно протекают процессы тепломассообмена.

Классические методы получения мелкодисперсного водного льда предполагают наличие парокомпрессионных холодильных машин, использующих различные виды холодильных агентов от хладонов и аммиака до углеводородов и С02. В последние годы в холодильной технике появилась узкая группа синтетических хладагентов типа К123, 11407С, которые имеют минимальное отепляющее воздействие на окружающую среду и не

разрушают озоновый слой. Подобные вещества не производятся в нашей стране, поэтому они весьма дороги. Еще более дорогими являются синтетические масла совместимые с ними.

В литературе имеются сведения относительно работ по созданию крупных по холодильной мощности установок, работающих на воде как хладагенте. В них применяют центробежные и осевые компрессоры. В нашей стране данной проблемой в разное время занимались к.т.н., доц. Г.Ф. Ивановский с учениками. За рубежом наиболее известны работы профессора Йохима Пауэла (Дания), Дж. Кюхнл-Кинела (Швейцария), Петера Эголфа (Швейцария). Создание вакуумных льдогенераторов малой и средней производительности на основе турбомашин динамического действия не представляется возможным, поскольку КПД этих машин резко снижается при уменьшении потока пропускаемого газа. Требуется также организация промежуточного охлаждения водяного пара, что увеличивает стоимость и сложность установки.

Цель работы

Целью работы является экспериментальное и теоретическое обоснование процесса генерации водного льда мелкодисперсной структуры в условиях вакуума, создание опытного стенда-имитатора вакуумного льдогенератора и получение его характеристик.

Основные задачи работы

1. Получение экспериментальных данных в условиях рабочих режимов на созданном стенде-имитаторе вакуумного генератора мелкодисперсного льда.

2. Разработка аналитического решения задачи замерзания мелкодисперсных капель воды, распыляемых через форсунку в вакуумируемую гермокамеру-генератор.

3. Создание методики теплового расчета установки, построенной по данному принципу.

4. Сопоставление энергетической эффективности вакуумного льдогенератора водного льда мелкодисперсной структуры с современными парокомпрессионными холодильными установками аналогичного назначения, работающими на ГФУ (HFC).

Научная новизна

Представлено аналитическое решение задачи замерзания мелкодисперсных капель воды, диспергируемых в вакуумируемом объеме термокамеры с учетом технических характеристик средств вакуумной откачки (удельная быстрота действия вакуумного насоса-компрессора), на основе чего предложено расчетное уравнение для нахождения времени промерзания капель воды заданных геометрических характеристик.

Получены экспериментальные данные по динамике замерзания мелких капель воды, диспергируемых в вакуумируемое пространство термокамеры.

Практическая значимость работы

Разработана схема вакуумного генератора водного льда мелкодисперсной структуры.

Создан опытный стенд-имитатор вакуумного льдогенератора по получению мелкодисперсного водного льда.

Проведено сопоставление энергетической эффективности вакуумного генератора для получения мелкодисперсного водного льда с современными фреоновыми холодильными установками аналогичного назначения, выявлены экологические и эксплуатационные преимущества вакуумных генераторов мелкодисперсного льда.

Предложена методика расчета вакуумных генераторов водного льда мелкодисперсной структуры с учетом конечной пропускной способности вакуумной коммуникации. Показана возможность использования в качестве насос-компрессора на установке образцов быстроходных машин, выпускаемых отечественной промышленностью.

Апробация работы

Основные результаты диссертации опубликованы в 7 научных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Результаты исследований были представлены в виде научного доклада на 8-ой конференции в Копенгагене, Дания, имени Густава Лоренцена Conference on Natural Working Fluids, «Vacuum methods of water ice formation».

Установка была представлена на Международной специализированной выставке и конференции холодильной промышленности «ХолодЭкспо Россия 2009»

Структура и объем работы

Объем диссертации составляют 120 страниц, включающих 54 рисунков, 5 таблиц. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений, списка используемой литературы, включающего ссылки на 56 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Обоснована актуальность проблемы. Показана роль природных холодильных агентов в сохранении окружающей среды.

Глава 1. Обзор проблемы получения и применения водного льда в виде водоледяных суспензий. Состояние вопроса и задачи исследования.

Рассмотрено состояние вопроса получения и применения водного льда в мелкодисперсном состоянии в составе водоледяных суспензий в различных отраслях промышленности. Дано описание методов получения водоледяной суспензии и применение ее для различных целей.

Проанализированы работы, посвященные исследованиям в этой области. На основе публикаций отечественных и зарубежных авторов выявлено, что вода как холодильный агент применяется достаточно редко, а для получения водного льда в мелкодисперсном состоянии практически не используется совсем. Недостатки вакуумных холодильных машин, использующих воду как холодильный агент, компенсируются экологической безупречностью, простотой устройства и обслуживания, энергетической эффективностью.

В зарубежной научно-технической литературе практически отсутствуют публикации по использованию двухроторных вакуумных насос-компрессоров в холодильных установках на воде как хладагенте. В отечественной литературе имеются единичные публикации по данной проблеме, в которых пока не отражены важнейшие и принципиальные вопросы, относящиеся к данной тематике.

В доступной литературе крайне редки публикации по описанию процесса замерзания водных капель в вакуумируемом объеме термокамеры.

Сравнение энергетических параметров установок, использующих воду как холодильный агент, в зарубежных и отечественных публикациях проводились для замкнутых циклов и машин большой холодильной мощностью.

Создание вакуумных льдогенераторов в нашей стране в настоящее время находится в стадии развития. Учитывая потребность сельского хозяйства и малого предпринимательства в подобных машинах малой и средней холодопроизводительности, обоснована необходимость исследований в данной области.

Глава 2. Аналитическое решение задачи замерзания мелкодисперсных капель воды, диспергируемых в вакуумируемое пространство термокамеры.

Описание процесса вакуумного метода генерации мелкодисперсного водного льда основано на физических представлениях о процессах, происходящих в факеле жидкости диспергируемой в вакумированное пространство термокамеры.

Процессы получения вещества в мелкодисперсном состоянии в разное время изучали в МИХМе, (ныне МГУИЭ) такие исследователи как профессора Гухман A.A., Бражников С.М., активно продолжают сложившиеся традиции по этому направлению сегодня профессора Генералов М.Б., Волынец А.З. и их ученики и последователи.

В процессе испарения и сублимации паров воды с поверхности диспергируемых капель происходит интенсивный отвод тепла с порциями паров, которые отводятся в водяной конденсатор.

На начальном этапе организации процесса в системе создается предварительное разряжение с остаточным давлением около 3-8 мм.рт.ст. После чего начинается скоростная откачка, вследствие которой создается требуемый уровень вакуума в гермокамере-генераторе. Затем через форсунку, смонтированную в гермокамере-генераторе, подается рабочее вещество (вода) с околонулевой температурой. В результате диспергирования воды в вакуумируемое пространство камеры происходит испарение и замерзание капель воды. При сублимации льда с замерзшей поверхности часть замороженной воды переходит в паровую фазу, за счет чего происходит понижение температуры, откачиваемые пары воды направляются в конденсатор, где происходит отвод тепла конденсации с помощью охлаждающей воды.

При составлении аналитического описания вакуумного метода получения мелкодисперсного водного льда сделаны следующие допущения: начальная температура капли воды равна О °С, фронт кристаллизации представляет собой сферу с переменным радиусом, рассматривается стационарное распределение температур в сферическом слое твердой фазы, теплота сублимации (L+r) постоянна, закон изменения давления насыщенных паров от температуры известен.

Вакуумирование полости осуществляется с эффективной скоростью откачки 53ф, которая остается постоянной в том диапазоне давления, при котором протекает процесс (см. рисунок 1).

Теплофизические свойства воды и водного льда известны — это молекулярная масса, теплота сублимации Ь, теплота замерзания Ь, температура замерзания Тф, плотность льда р„, коэффициент теплопроводности льда X.

подача воды

каплеотбойник

откачка паров

ганулы льда Рисунок 1. Схема вакуумного воздействия на замораживаемую жидкость

ш / ш

Г 1 'г

V; V вода \

щ

Рисунок 2. Схема промерзания капли воды

Понижение давления в термокамере осуществляется первоначально до давления насыщенных паров при соответствующей температуре, распыляемой в нее жидкости. Далее происходит дальнейшее понижение упругости паров, сопровождающееся интенсивным отводом тепла и понижением температуры на поверхности раздела лед-пар ниже О °С

При принятых обозначениях на рисунке 2/7 — радиус поверхности фронта фазового превращения лед-вода по координате г.

На границе раздела «лед—пар» можно записать условие:

(1)

дг

где 51* — эффективная скорость откачки на единицу площади сечения вакуумной полости;

р" — упругость насыщенных паров воды.

На границе фронта фазового превращения «лед—вода» условие теплового взаимодействия определяется как

дг

8л дт

■Рл

(2)

Согласно рекомендациям профессора Лейбензона Л.С. распределение температуры в сферическом слое твердой фазы примем как стационарное:

Г(Г, Г):

тл-тп

л

Я-т] г

(3)

Продифференцируем уравнение (3):

дТ(г,т) Тф-Т,

дг Я-т) гг Подставим уравнение (3) в граничные условия (1):

Тф-Т0 р-ц

¡1-7] Я~ X Т0-ЯГ

(4)

где:

Р =

Г„ -Лг

Подставив уравнение (3) в граничные условия (2), получим:

йц "ск

тФ-т0

Я-Ч

л

(5)

Разделяя переменные полученного уравнения (5) и интегрируя его, приходим к уравнению (6):

Ь-Р.

Л-Л-(ГФ-Т„) Ь-Р.

1-р.

Л-П2

' 3

Тп=Тл —

ц__

з

V

Я-т]1 Я3

я-п1

6

' 6]

- т

(6)

Л-Я-т

Данное уравнение (6) является ключевым, так как оно содержит помимо фактора времени Т и искомый параметр — координату фронта фазового превращения внутри капли ц. Зависимость упругости паров воды надо льдом можно выразить в виде аппроксимационного выражения, которое дает вполне удовлетворительные результаты в диапазоне температур О °С...-15 °С с погрешностью 3—5%.

Р = 35-Т0 -8940 (7)

Тогда, подставив уравнение (7) в (4) с учетом уравнения (6) получим:

ьр.

1^3-Л 6 2) Яг

35-

8940

Ьр, (г? # ДУ Л-Л-г 13 6 2

(8)

Полученное результирующее уравнение (8) представлено в неявном виде относительно искомого параметра ц. В нём удалось связать теплофизические свойства жидкости, геометрический размер капли со скоростью откачки насос-компрессора Б .

Дисперпфованные капли, витая в объеме термокамеры охлаждаются с последующим замерзанием частично или полностью в зависимости от условий тепломассообмена, геометрических размеров, фактора времени и температуры. Поэтому возникает необходимость связать режим диспергирования с размерами получаемых капель воды.

На опытном стенде в качестве распыливающего устройства была использована струйная форсунка с диаметром сопла =1,4 мм.

Для расчета диаметра получаемых капель при диспергировании воды в вакуумируемое пространство было использовано следующее критериальное уравнение (9):

^- = 1Л-№е~03 -¿р"0 07 -М0'3 (9)

Ос

где Ом — средний медианный диаметр капель;

Ос — диаметр сопла форсунки;

\Уе — критерий Вебера;

Ьр — критерий Лапласа;

М — параметр отношения плотности жидкости к газу.

Глава 3. Опытная установка для получения мелкодисперсного водного льда в условиях вакуума.

Для изучения режимов работы и снятия характеристик вакуумного генератора мелкодисперсных частиц льда на кафедре «Холодильная и криогенная техника» Московского государственного университета инженерной экологии был создан экспериментальный стенд, схема которого представлена на рисунке 3. Основное назначение установки: исследование динамики замораживания мелкодисперсных капель воды и параметров, влияющих на этот процесс.

Термокамера-генератор представляет собой цилиндрический сосуд с внутренним диаметром 400 мм, выполненный из алюминиевого сплава с толщиной стенки 4 мм и емкостью 150 л с герметично закрывающейся прозрачной крышкой из орг.стекла. Паровое пространство камеры соединяется с основным насос-компрессором вакуумной коммуникацией. Предварительные опыты показали, что сетевая вода содержащая незначительное количество солей и дистиллированная вода дают идентичные результаты поэтому во всех опытах использовалась сетевая вода подготовленная фильтрованием от механических примесей и ржавчины.

В состав агрегата входят водяной конденсатор и два вакуумных насоса, один из которых является основным, а другой вспомогательным. Основной насос ротативного принципа действия обеспечивает откачку паров охлаждаемой жидкости при ее диспергировании в гермокамеру-генератор и их сжатие до давления конденсации. В качестве основного вакуумного насоса-компрессора использовали двухроторную машину отечественного

производства, производительностью 150 л/с (основной насос-компрессор), а вспомогательного — 3 л/с.

Конденсатор кожухозмеевиковый, с теплопередающей поверхностью 4 м2 и водяным охлаждением. Конденсация паров осуществляется в межтрубном пространстве, охлаждающая вода протекает внутри медных трубок 016x1,5 мм.

Рисунок 3. Схема вакуумной установки для получения мелкодисперсного водного

льда

1 - бак испаритель; 2 - основной вакуумный насос-компрессор (ЦВН-150); 3 -конденсатор; 4 - вспомогательный вакуумный насос (РВН-20); 5 - струйная форсунка; 6 - бак-сборник водоледяной суспензии; 7 - водяной бак; 8,13,16,17,18 - запорные вентили; 9 - вентиль натекателъ; 10 - 1\ифровой прибор измерения вакуума; 11 - комплект для измерения волыпамперных характеристик К-505; 12 - выключатель вспомогательного насоса; 14,23 -мановакууметр; 15 - температурные датчики; 19 - каплеотбойник; 20 -выключатель основного насоса, 21 - двухканалъный цифровой измеритель температуры ТРМ-202; 22 —лампа светодиодная.

Приборы и датчики, установленные в различных частях системы, позволяют проводить необходимые измерения, такие как температура конденсации и другие параметры. Датчики температур представляют собой хромель-копелевые и медь-константановые термопары.

Измерения остаточного давления в герметичной полости гермокамеры-генераторе выполнялись высокоточным электронным вакууметром комбинированного типа Mini-Convectron. Вакууметр имеет жидкокристаллический дисплей для отображения различной информации, в том числе текущего давления в рабочей камере установки. Диапазон измеряемых давлений электронного вакууметра составляет Ю-4—103 мм рт. ст.

Полученные в ходе опытов мелкодисперсные частицы водного льда собирались в донной части термокамеры-генератора посредством ловушки и в дальнейшем исследовались под микроскопом МБС - 10 с разрешающей способностью 150 штр./мм с целью выявления распределения частиц водного льда по характерному геометрическому размеру-диаметру.

На установке также предусмотрено измерение напряжения, силы тока и мощности, подаваемые на основной и вспомогательный насосы при помощи лабораторного автотрансформатора «Комплекта измерительного К505», что позволило оценить затраты энергии на производство холода. Предельные относительные погрешности измерений потребляемой внутренней мощности составили в соответствии с ГОСТ 8746-93 не более 8N = 1,0 %.

Систематические ошибки при испытаниях удавалось существенно уменьшить путём тарирования средств измерения измерительными приборами с более высокой точностью. Вероятность появления предельных погрешностей показаний приборов составляет около 5 %.

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований вакуумного генератора водного льда мелкодисперсной структуры.

В результате полученных опытных данных по промерзанию капли в вакуумируемом пространстве термокамеры и результатов аналитического решения, была построена зависимость глубины промерзания капли воды диаметром 4 мм от времени, которая представлена на графике (рисунок 4).

Одним из важных вопросов при проведении опытов являлось определение энергоэффективности вакуумно-сублимационного метода получения мелкодисперсного водного льда в зависимости от температуры воды, подаваемой на диспергирование. В результате проведенных опытов была определена массовая производительность установки по генерации мелкодисперсного льда с учетом температуры воды, поступающей на диспергирование. На рисунке 5 представлена такая зависимость. Расчетные данные по динамике замораживания капель воды различных диаметров приведены на рисунке 4. Опыты замораживания отдельной капли фиксированного диаметра показали удовлетворительную сходимость с расчетными данными.

1 к

Рисунок 4. Зависимость относительной глубины промерзания капель различного радиуса в условии вакуумирования среды от времени.

—■—опытаые данные

Рисунок 5. Массовая часовая производительность мелкодисперсного водного льда, получаемого на опытной установке в зависимости от начальной температуры диспергируемой воды.

* опьпныеданные

Рисунок 6. Зависимость мощности, потребляемой на опытной установке при

получении единицы массы мелкодисперсного водного льда от начальной температуры диспергируемой воды

Исследование установки на разных температурных режимах, позволило сделать вывод, что энергетически выгодным является режим диспергирования воды с околонулевой температурой, что наглядно демонстрирует рисунок 6.

Полученные в ходе серии опытов мелкодисперсные гранулы водного льда были исследованы под стереоскопическим микроскопом МБС-10. В результате была построена кривая плотности распределения гранул водного льда по показателю их геометрической характеристики.

С|П

п-аО

/W ■ |Н Mr

О 100 200 300 400 500 600 700

Рисунок 7. Характеристика плотности распределение гранул водного льда по геометрическому диаметру

Правдоподобие гипотезы нормального распределения частиц водного льда по геометрическому параметру было подтверждено с помощью критерия согласия А.Н. Колмогорова с вероятностью Р(Х)=0,875. Характеристики распределения: матожидание Мх=211,4 мкм; среднеквадратичное отклонение ст=94 мкм.

Проведенные опыты позволяют утверждать, что перепад давления, создаваемый на форсунке, был достаточен для получения факела диспергируемой воды с ожидаемыми геометрическими характеристиками, которые согласуются с расчетными по уравнению (9).

На основании этого была создана расчетная методика проектирования вакуумного генератора водного льда мелкодисперсной структуры.

Глава 5. Практическое применение вакуумных льдогенераторов по производству мелкодисперсного водного льда.

Холодильная техника является энергоемкой отраслью промышленности. Применение вакуумных льдогенераторов мелкодисперсного льда приведет к экономии электроэнергии, как в промышленности, так и в сельском хозяйстве.

В агропромышленном комплексе такие машины удобны для охлаждения молока, рыбы, овощей и фруктов. Используя вакуумные льдогенераторы в качестве аккумулятора холода в ночное время со сниженными тарифами, можно существенно повысить энергосбережение в часы пиковых нагрузок. Стоит отметить, что они не требуют высококвалифицированного обслуживания, и при этом являются экологически безопасными.

Применение подобных установок в кондиционировании также выгодно, так как вода, использующаяся для получения водоледяной суспензии, является холодильным агентом, что упрощает и удешевляет систему. Также уменьшаются расходы на электроэнергию, связанные с перекачкой шуги насосами, а по сравнению с водой шуга имеет хладоемкость в 4-5 раз больше, что позволяет снизить металлоемкость системы.

Еще одним преимуществом применения вакуумных льдогенераторов водного льда является то, что схема организации процесса замораживания воды с помощью вакуумной установки упрощается по сравнению с классической парокомпрессионной, так как фактически становится не нужен теплообменник-испаритель. Замораживание мелких капель воды производится в гермокамере-генераторе, которая одновременно служит как испаритель и может являться сменным технологическим аппаратом.

Также эти установки могут эксплуатироваться на предприятиях пищевой промышленности для охлаждения и транспортировки продуктов, например, на мясокомбинатах или предприятиях по производству пива.

Составлен промышленный ряд вакуумных установок на основе выпускаемых отечественной промышленностью насос-компрессоров типа ДВН-50 и ДВН-150.

Приведены расчетные и опытные характеристики вакуумных генераторов мелкодисперсного водного льда и проведено сравнение с аналогичными парокомпрессионными льдогенераторами, использующими в качестве холодильного агента фреоны.

Данный льдогенератор Scotsman AF-200 AS производит высококачественный гранулированный лед /типа ледяная шуга/ с размером частиц 5... 10 мм и температурой -0,5 °С при влажности 75%. Основными элементами льдогенератора являются неподвижный вертикальный теплоизолированный цилиндр-испаритель, в межстеночном пространстве которого проложен змеевик, шнек, емкость-накопитель воды, водяной коллектор, компрессорно-конденсаторный агрегат с конденсатором водяного охлаждения, с системой холодильных трубопроводов и арматурой. Энергопотребление фреонового льдогенератора составляет 0,5 кВт при температуре входящей воды +3 °С, производительность 120 кг/сут.

Вакуумный льдогенератор по получению мелкодисперсного водного льда, состоит из вакуумного насоса-компрессора НВД-200, потребляющего 400 Вт электроэнергии и дополнительного вакуумного насоса, потребляющего 120 Вт электроэнергии. Также в составе установки имеется гермокамера-генератор, в которой смонтирован каплеотбойник и форсунка для диспергирования воды, и водяной конденсатор. Суммарно вакуумная установка потребляет 0,52 кВт электроэнергии при температуре поступающей воды в генератор +3 °С и производительности 120 кг/сут.

Затраты электроэнергии составляют соответственно 0,1 кВт*ч/кг для традиционной парокомпрессионной установки и 0,104 кВт*ч/кг для вакуумной.

Наглядно характеристики двух сравниваемых установок представлены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение параметров парокомпрессионной холодильной машины, работающей на фреоне __и вакуумной холодильной машины.

Фреоновый льдогенератор Вакуумный льдогенератор

Холодильный агент R404a вода

Масса получаемого льда, кг/сут 120 120

Потребляемая мощность, кВт 0,5 0,52

Температура воды па входе в льдогенератор, °С +3 +3

Время получения требуемого количества льда, ч 24 24

Удельные затраты энергии, на производство 1 кг льда, кВт-ч/кг 0,1 0,104

Как видно из таблицы 1, вакуумный льдогенератор и фреоновая парокомпрессионная установка аналогичного назначения по энергетическим параметрам сопоставимы друг с другом. Несмотря на паритет по потребляемой электрической мощности между установками, вакуумный льдогенератор имеет в своем составе меньший набор оборудования, легко обслуживается и не производит отрицательного воздействия на окружающую среду.

Основные результаты и выводы

-Создан стенд-имитатор вакуумного льдогенератора по получению мелкодисперсного водного льда.

- Получены основные характеристики вакуумного генератора мелкодисперсного водного льда, работающего в различных режимах испытаний.

- Выявлен энергетически выгодный режим работы льдогенератора.

- Экспериментально подтверждены технологические преимущества вакуумного метода получения мелкодисперсного водного льда методом диспергирования воды по сравнению с существующими льдогенераторными установками, работающими на традиционных холодильных агентах (HFC).

- На основе физических представлений о процессе предложено аналитическое описание процесса замерзания капель жидкости в вакуумируемом объеме гермокамеры-генераторе.

- Расхождение между полученными опытными данными и аналитическим расчетом невелико и находится в пределах 8-11 %.

- Разработана инженерная методика расчета производительности вакуумных генераторов мелкодисперсного водного льда.

- Создана программа для проектного расчета вакуумных льдогенераторов с использованием ЭВМ.

Условные обозначения:

ц — молекулярная масса воды, кг-моль-1; L — удельная теплота замерзания воды, Дж-кг" ; L*— удельная теплота сублимации, Дж-кг~!; Rr — универсальная газовая постоянная; Я — теплопроводность льда, Bt-IC'-m"1; г— время, с; f — толщина слоя льда, м; ц — радиус жидкой фазы внутри сферы до границы льда, м; R — радиус капли, м; De — диаметр сопла форсунки, м; рл — плотность льда, кг-м~3; р" — упругость насыщенных паров воды, кгм~3; 7ф — температура фазового перехода воды в лед, К; Т0 -— температура поверхности капли;

S* — скорость откачки основного насоса, отнесенная к единице площади поверхности, с которой сублимируется водяной пар, м3-с~'-м~2.

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:

1. Маринюк, Б.Т. «Экологически чистые методы получения водного льда» / Б.Т. Маринюк, Д.В. Сусликов, А.Е. Ермолаев // Холодильный бизнес.

— 2008. — №2. — С. 38—40.

2. Маринюк Б.Т. «Оценка расхода энергии при получении водного льда в холодильных установках различных типов» / Маринюк Б.Т., Сусликов Д.В // Холодильная техника. — 2008. — №12 — С. 20—22.

3. Marinyuk, В.T. «Vacuum methods of water ice formation» / B.T. Marinyuk, A.E. Ermolaev, D.V. Suslikov // 8th IIR Gustav Lorentzen Conférence on Natural Working Fluids. September 7—10, 2008, Copenhagen. — Copenhagen, 2008.

4. Маринюк Б.Т. «Аспекты применения вакуумных насос-компрессоров в холодильных установках по генерации водного льда» / Маришок Б.Т., Сусликов Д.В., Ермолаев А.Е., / Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ: тезисы докладов — М.: МГУИЭ, 2008

5. Маринюк Б.Т. «Получение водоледяной суспензии методом распыла воды в вакуумируемом пространстве» / Маринюк Б.Т., Сусликов Д.В. / Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ: тезисы докладов — М.: МГУИЭ, 2009

6. Маринюк, Б.Т. «Метод получения водоледяной суспензии на основе вакуумной технологии» / Б.Т. Маринюк, Д.В. Сусликов // Проблемы совершенствования холодильной техники и технологии: сборник научных трудов. Выпуск 4. — М.: МГУПБ, 2008. — С. 82—85.

7. Маринюк Б.Т. «Получение воды при околонулевой температуре» / Маринюк Б.Т., Хегази А.А., Сусликов Д.В // Холодильная техника. — 2009.

— №6 — С. 16—18.

Подписано в печать « » октября 2009 г. Печать офсетная. Бумага 80 г/м Формат 60 х 90/16. Объем 1,0 п.л.

Тираж 80 экз. Заказ № Оригинал подготовлен автором Отпечатано на множительной технике МГУИЭ 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Обзор проблемы получения и применения водного льда в виде водоледяных суспензий. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Общие сведения о свойствах и сферах применения природного и искусственного водного льда.

1.2. Различные виды искусственного водного льда, получаемые в промышленности. Классификация льдогенераторных установок.

1.3. Преимущества использования водоледяных суспензий как промежуточного хладоносителя. Области применения водоледяных суспензий в различных отраслях промышленности.

1.4. Классификация генераторов мелкокристаллического водного льда.

1.5. Основные типы систем накопления во до ледяной суспензии.

1.6. Системы холодоснабжения с использованием водоледяной суспензии в качестве промежуточного хладоносителя.

1.7. Теоретические и экспериментальные исследования в области замораживания воды в виде мелкодисперсного льда. Результаты исследований.

1.8. Альтернативный способ получения мелкодисперсного водного льда.

Глава 2. Аналитическое описание процесса замерзания капель воды, диспергируемых в вакуумируемое пространство термокамеры.

2.1 Постановка задачи и ее приближенное аналитическое решение.

Глава 3. Опытная установка для получения мелкодисперсного водного льда в условиях вакуума.

3.1. Описание опытной установки и ее элементов.

3.2. Последовательность пуска установки и управление процессом получения мелкодисперсных частиц водного льда.

3.3. Измерение действительной холодопроизводительности вакуумного льдогенератора. Калибровка опытного стенда.

3.4. Вспомогательное оборудование и приспособления, используемые при проведении опытов.

3.5. Расчет эффективной производительности установки и пропускной способности вакуумной коммуникации.

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований вакуумного генератора водного льда мелкодисперсной структуры.

4.1. Промерзание капли в условии вакуумирования. Сопоставление теоретических опытных данных по показателю затвердевания капель различного диаметра.

4.2. Влияние температуры, подаваемой диспергирование воды, на производительность аппарата по твердой фазе. Энергетические показатели установки.

4.3. Распределение гранул водного льда по геометрическому диаметру.

4.4. Обработка опытных данных и оценка погрешностей.

4.4.1. Погрешности измеряемых величин.

Глава 5. Практическое применение вакуумных льдогенераторов по производству мелкодисперсного водного льда.

5.1. Области применения вакуумных машин малой холодопроизводительности.

5.2. Обоснование применения двухроторных вакуумных насосов в холодильных машинах, использующих воду как холодильный агент.

5.2.1. Аспекты применения средств вакуумной откачки различных типов.

5.2.2. Преимущества двухроторных вакуумных насос-компрессоров.

5.2.3. Эксплуатационные ограничения для двухроторных вакуумных насос-компрессоров.

5.2.4. Ресурсы увеличения скорости откачки двухроторных насос-компрессоров.

5.3. Пример расчета вакуумных установок для производства мелкодисперсного водного льда.

5.4. Сравнение параметров реально действующей фреоновой парокомпрессионной установки для производства водного льда с вакуумным льдогенератором мелкодисперсного льда.

5.5. Использование вакуумных льдогенераторов по производству водоледяной суспензии системах кондиционирования воздуха.

Поиск новых рабочих веществ для современных парокомпрессионных холодильных машин в настоящее время становится всё более острой проблемой из-за возрастающих экологических требований, предъявляемых к ним. Разработка новых экологически безопасных хладагентов связана с большими финансовыми затратами и не всегда может гарантировать успех. Поэтому такие факторы как совместимость с окружающей средой, доступность, термодинамическое совершенство, низкая стоимость, пожаровзрывобезопасность, актуализируют поиск рабочих веществ природного происхождения - в том числе воды, диоксида углерода, водных растворов солей и спиртов.

Вода является простым, дешевым, совершенным по теплофизическим свойствам веществом, обладающим высокими показателями скрытой теплоты парообразования и теплоемкости. Использование воды как холодильного агента в системах охлаждения является перспективным в сельском хозяйстве, на транспорте, в промышленном и гражданском кондиционировании. Однако рабочий цикл с применением воды в качестве хладагента проходит при давлении ниже атмосферного. В результате система должна пропускать большие объемные потоки водяного пара, имея сравнительно высокие коэффициенты сжатия. По этой причине, машины высокой объемной производительности являются наилучшим выбором. Основной цикл машин, работающих на воде, фактически идентичен парокомпрессионному холодильному циклу с традиционными холодильными агентами, за исключением того, что в связи с доступностью и относительно низкой стоимостью воды как холодильного агента, возможно, ее использование в разомкнутом цикле. В силу своих специфических свойств (низкое давление паров при температурах 0.+20°С), существующий парк холодильных компрессоров не может быть использован, поэтому в качестве средств компремирования выбраны скоростные вакуумные насосы ротативного действия.

На сегодняшний день водоледяная суспензия и водный лёд находят широкое применение в разных отраслях промышленности. Применение водоледяных суспензий в холодильной технике существенно сокращает габариты теплообменного оборудования, более интенсивно протекают процессы тепломассообмена.

Классические методы получения мелкодисперсного водного льда предполагают наличие парокомпрессионных холодильных машин, использующих различные виды холодильных агентов от хладонов и аммиака до углеводородов и С02. В последние годы в холодильной технике появилась узкая группа синтетических хладагентов типа R123, R407C, которые имеют минимальное отепляющее воздействие на окружающую среду и не разрушают озоновый слой. Подобные вещества не производятся в нашей стране, поэтому они весьма дороги. Еще более дорогими являются синтетические масла совместимые с ними.

Создание вакуумных льдогенераторов в нашей стране в настоящее время находится в стадии развития. Учитывая потребность сельского хозяйства и малого предпринимательства в подобных машинах малой и средней холодопроизводительности, обоснована необходимость исследований в данной области.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Создан стенд-имитатор вакуумного льдогенератора по получению мелкодисперсного водного льда.

Получены основные характеристики вакуумного генератора мелкодисперсного водного льда, работающего в различных режимах испытаний.

Выявлен энергетически выгодный режим работы льдогенератора.

Экспериментально подтверждены технологические преимущества вакуумного метода получения мелкодисперсного водного льда методом диспергирования воды по сравнению с существующими льдогенераторными установками, работающими на традиционных холодильных агентах (HFC).

На основе физических представлений о процессе предложено аналитическое описание процесса замерзания капель жидкости в вакуумируемом объеме гермокамеры-генераторе.

Расхождение между полученными опытными данными и аналитическим расчетом невелико и находится в пределах 8-11 %.

Разработана инженерная методика расчета производительности вакуумных генераторов мелкодисперсного водного льда.

Создана программа для проектного расчета вакуумных льдогенераторов с использованием ЭВМ.

1. Ануфриева И.В., Васильев Ю.К., и др. Современное состояние рынка форвакуумных средств откачки — Вакуумная техника и технология — 2003 — том 13 —№2. 93-99 с.

2. Бабакин Б.С., Стефанчук В.И., Ковтунов Е.Е. Альтернативные хладагенты и сервис холодильных систем на их основе / Бабакин Б.С., Стефанчук В.И., Ковтунов Е.Е — М : «Колос» 2000. — 160 с.

3. Белозёров Г.А., Медникова Н.М., Пытченко В.П., Серова Е.Н.(Внихи) Холодильные системы с рабочими веществами, обеспечивающимипромышленную безопасность и энергетическую эффективность // Холодил ыцик.ш — 2009 — №4(52).

4. Бобков, В.А. Производство и применение льда / В.А. Бобков. М. : Пищевая промышленность, 1977.-231 е., ил.118

5. Бородин В.А., Дитяткин Ю.Ф. и др. Распыливание жидкостей / В.А. Бородин, Ю.Ф. Дитяткин и др — М. : «Машиностроение» 1967. — 263 с.

6. Босин, И.Н. Охлаждение молока на комплексах и фермах / И.Н. Босин. -М. : Колос. 1993. 46 е., ил.

7. Бурмистров А.В., Ушко А.В. Проводимость радиальных каналов двухроторных вакуумных насосов в молекулярном режиме / Вакуумная техника и технология — 2003 —том 13 — №2. 83-87 с.

8. Бурмистров А.В., Беляев Л.А. Концепция объемно-скоростной откачки. Метод расчета двухроторных вакуумных насосов откачки — Вакуумная техника и технология — 2002 —том 12 — №2. 85-90 с.

9. Вентцель, Е.С. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. Учеб. пособие для втузов / Е.С. Вентцель, Л.А. Овчаров. — 2-е изд., стер. — М.: Высш. шк., 2000. — 480 е.: ил.

10. Гайданенко, Е.И. Использование льдов в качестве оснований сооружений / Е.И. Гайданенко.— Новосибирск : «Наука» Сибирское отд., 1978.— 82 с.

11. П.Гейнце, В. Введение в вакуумную технику / В. Гейнце. — М. : Государственное энергетическое издательство, 1960. — 511 с.

12. Гусейнов Ш.Э. Метод сведения обобщенной задачи Стефана к нелинейному интегро-дифференциальному уравнению типа Вольтера / Гусейнов Ш.Э / Computer Modeling and New Technologies — 2006, — №2. 57-67.

13. Данилова Г.Н., Богданов C.H., Иванов О.П. и др. Теплообменные аппараты холодильных установок. —М. : «Машиностроение» 1973. — 328 с.

14. Дворжак 3. Бинарный лед // Холодильный бизнес — 2004 —№2 6-10 с.

15. Двуреченский И.В. Закономерности процессов тепло- и массопереноса при охлаждении и затвердевании капель воды в потоке вождуха / Двуреченский И.В. / Авторсф. дисс. к.т.н., — Л.: ЛТИХП 1987. — 16 с.

16. Дунаев, Е.С. Лед из морской воды как строительный материал / Е.С. Дунаев // Тр. Дальневост. политех, ин-та, 1957. - Т. 46. - С. 1-26.

17. Калнинь И.Г. Расчет центробежных холодильных компрессоров / Калнинь И.Г. / Учебное пособие. — М. : МГУИЭ. — 2000. — 76 с. ; ил. 15.

18. Кирьянов Д.В. Mathcad 13 / Кирьянов Д.В. — Спб. : «БХВ-Петербург» 2006.-608 с.

19. Корягин С.И. Экспериментальное исследование адгезии льда к металлу и полимерпым покрытиям // Пластические массы — 1997 — №4 16-18 с.

20. Крысанов, К.С. Разработка и исследование вакуумно-испарительных холодильных машин с использованием воды как холодильного агента : Автореф. дис. . канд. техн. наук : 05.04.03 : защищена 18.10.2007 : утв. 12.01.2008 / К.С. Крысанов. М. : МГУИЭ, 2007.

21. Кудряшов, Н.Т. Экспериментальное исследование тонкослойного намораживания льда / Н.Т. Кудряшов // Холодильная техника. 1959. - №3.

22. Кузнецов В И. механические вакуумные насосы / Кузнецов В И. — Л. :

23. Государственное энергетическое издательство» — 1959. — 280 с.

24. Курылев Е.С., Герасимов Н.А. Холодильные установки / Курылев Е.С., Герасимов Н.А. — JI. : «Машиностроение» 1970. — 672, илл. 319.

25. Лейбензон, Л.С. О динамическом температурном условии образования складчатости на поверхности земного шара и при охлаждении. / Л.С. Лейбензон. — Изд. АН СССР, ОТН, серия геогр. и геофиз., №6, 1939.

26. Лыков А.В. Теория теплопроводности / Лыков А.В. — М. : «Высшая школа» 1967. — 600 с.

27. Маринюк Б.Т. Вакуумные генераторы холода: реальность сегодня и перспектива на завтра // Холодильный бизнес —2004 — №2 42-43 с.

28. Марипюк, Б.Т. Вакуумно-испарительные холодильные установки, теплообменники и газификаторы техники низких температур / Б.Т. Маринюк. — М. : Энергоатомиздат, 2003. -208 е., ил.

29. Маринюк Б.Т., Крысанов К.С. Энергетическая эффективность вакуумного испарительного охлаждения воды // Маринюк Б.Т., Крысанов К.С. Холодильная техника — 2006 — №6

30. Марков, B.C. Нижнекамская станция получения ледяной воды с насыпным льдоаккумулятором / B.C. Марков, А.Г. Лазарев // Холодильная техника. 2003. - №6.

31. Пажи Д.Г., Галустов Основы техники распыливания жидкостей. / Пажи Д.Г., Галустов — М. : «Химия» 1984. — 254 с.

32. Панов Д.Ю. Численное решение квазилинейных гиперболических систем дифференциальных уравнений в частных производных/ Д.Ю. Панов. — М. : Государственное издательство технико-теоретической литературы/ 1957 — 215 с.

33. Пап, Л. Концентрирование вымораживанием / Л. Пап. — М: Легкая ипищевая промышленность, 1982.— 92с.

34. Печатников Ю.М. Инженерно-физическая модель процесса откачки в вакуумных системах при молекулярно-вязкостном режиме / Вакуумная техника и технология — 2003 —том 13 — №3

35. Пехович, А.И. Основы гидроледотермики / А.И. Пехович. — Л. : Энергоатомиздат : Ленингр. отд-ние, 1983.

36. Ржевская В.Б. Исследование процесса теплообмена в льдогенераторах непрерывного действия с целью повышения их производительности / Ржевская В.Б / Автореф. дисс. к.т.н., — Л.: ЛТИХП 1976. — 16 с.

37. Рябинин Г.А. Винтовые холодильные компрессоры / Рябинин Г.А. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию — М. : МИХМ 1982. —28 с.

38. Савельев, Б.А. Искусственные ледяные платформы / Б.А. Савельев, Д.А. Латалип. М. : ВИНИТИ, 1986. - том 7.

39. Симаков Н.Н. Кризис сопротивления капель при переходных числах Рейнольдса в турбулентном двухфазном потоке факела распыла механической форсунки / Журнал технической физики — 2004 — том 74 — вып. 2. 46-51 с.

40. Сморыгин, Г.И. Теория и методы получения искусственного льда / Г.И. Сморыгин. Новосибирск : Наука. Сиб. отд-ние, 1988. -282 с.

41. Сморыгин, Г.И. Теоретические основы получения льда рыхлой структуры / Г.И. Сморыгин. Новосибирск : Наука, 1984. - 157 с.

42. Сосновский А.В. Льдообразование в факеле искусственного дождя как метод использования водных и климатических ресурсов / Автореф. канд. дисс., М., 1984,21с.

43. Фикиин К., Калоянов Н., Филатова Т., Соколов В. Мелкокристаллические ледяные суспензии как основа передовых промышленных технологий: состояние и перспектива // Холодильный бизнес — 2007 — №7 4-11 с.

44. Фролов, Е.С. Вакуумная техника / Е.С. Фролов, В.Е. Минайчев, А.Т. Александрова. — М. : Машиностроение, 1985. — 350 с.

45. Шорин С.Н. Теплопередача. —М. : «Высшая школа» 1964. — 490 с.

46. Шумский К.П. Вакуумные аппараты и приборы химического машиностроения / Шумский К.П. — 2-е изд. —. М. : «Машиностроение», 1974 — 576 с.

47. Шумский К.П., Мялкин А.И., Максимовская И.С. Основы расчета вакуумной сублимационной аппаратуры / Шумский К.П., Мялкин А.И., Максимовская И.С. —М.: «Машиностроение» 1967. —224 с.

48. Производство ледяной шуги по технологии «ISTORM» / Холодильный бизнес. — 2004 — №4.

49. Chen К. Н20 refrigerant: exploitation of dispersed water droplets / Chen K.22nd international congress of refrigeration, Refrigeration creates the future. August 21—26, 2007, Beijing. — Beijing, 2007. — P.R. China. ICR07-B1-135.

50. Jacques Guilpart., Evangelos Stamatiou., Anthony Delahaye., Laurence Fournaison «Comparison of the performance of different ice slurry types depending on application temperature» / International Journal of Refrigeration. 29 (2006) 781788.

51. Isao Satoh, Yu Hashimoto « Freezing of a water droplet due to evaporation-heat transfer dominating the evaporation-freezing phenomena and the effect of boiling on freezing characteristics» / International Journal of Refrigeration. 25 (2002) 226234.

52. Kim B.S., Shin H.T., Lee Y.P., Jurng J «Study on ice production by water spray» / International Journal of Refrigeration. 24 (2001) 176-184.

53. Kuhnl-Kinel, J. New age water chillers with water as refrigerant. — CERN, Geneva, Switzerland.

54. Paul, J. State-of-the-art for cooling with "water as Refrigerant" (R718) / J. Paul // 22nd international congress of refrigeration, Refrigeration creates the future. August 21—26, 2007, Beijing. — Beijing, 2007. — P.R. China. ICR07-B2-856.

55. Atomized liquid jet refrigeration system / United States Patent № 7,159,407 B2 / Jan. 9,2007