автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Повышение эффективности систем охлаждения путем применения гидратных аккумуляторов холода

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

На правах рукописи

КОРНИЕНКО Владимир Николаевич

УДК 621.565.2,003

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ГИДРАТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ ХОЛОДА

Специальность - 05.04.03 - Машины и аппараты холодильной и криогенной техники и систем кондиционирования

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1993

/^4 л , /у" V , / /У / > Л-

Работа выполнена во Всероссийском научно-исслед вательском институте холодильной промышленности.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор Малова Н.Д.

Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент Клименко В.В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Иванов О.П. кандидат технических наук, доцент Клещунов Е.И.

Ведущее предприятие - Первомайский филиал инженерн

технологического института "Биотехника"

Защита состоится ■ШОМлИ- 1993 г в час(

на заседании специализированного Совета К.063.46.03 п] Московской Государственной Академии прикладной би технологии по адресу: 109818, г Москва, ул. Талалихина, 3

С диссертацией можно ознакомиться в Московск< Государственной академии прикладной биотехнологии.

Автореферат разослан ЫЛАЛ- 1993 г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Рациональное использование холода в народном хозяйстве является важной задачей, необходимость решения которой обусловлена дефицитом топливно-энергетических ресурсов.

Один из путей решения указанной проблемы - аккумулирование холода. Применение аккумуляторов холода позволит обеспечить оптимальные режимы работы оборудования, повысить надежность систем охлаждения, устранить возможные несоответствия между временем производства и потребления холода, разгрузить системы энергоснабжения в часы пикового потребления электроэнергии, уменьшить установленную мощность холодильного оборудования, расширить области применения естественного холода.

Преимущества систем охлаждения с аккумуляторами способствовали в последние годы их широкому внедрению в нашей стране и за рубежом. Однако высокие требования, предъявляемые к современному холодильному оборудованию и новым технологиям холодильной обработки продуктов, не всегда могут быть выполнены при использовании традиционных аккумулирующих веществ и существующих конструкций аккумуляторов холода. Поэтому большинство исследований в данной области направлено на поиск новых эффективных веществ и разработку экономичных аккумуляторов на их основе.

Наибольшее распространение аккумуляторы холода получили в системах комфортного и технологического кондиционирования воздуха, системах охлаждения предприятий 1гропромышленного комплекса и пищевой промышленности, в которых используется умеренный холод околонулевых и положительных температур. Для данной температурной области перспективными аккумулирующими веществами, по оценкам отечественных и зарубежных специалистов, являются клатратные соединения включения, з частности гидраты газов и органических жидкостей.

Возможности использования гидратов в холодильной технике изучаются в научно-исследовательских центрах и лабораториях США, Канады, Японии и других стран. В России и странах СНГ проблемами гидратов занимаются такие

ведущие учреждения, как ИПОС СО АН РФ, ИПНГАН РФ, НПО " Агрохолодпром", ОИНТЭ, КИСМ и др. Полученные результаты показывают, что аккумулирование холода по гидратной технологии можно осуществлять с высокой эффективностью. В первую очередь это связано с тем, что образование и плавление гидратов при поддержании высоких скоростей процесса можно организовать в объеме аккумулятора без адгезии кристаллов к теплообменным поверхностям. При этом теплофизические свойства гидратов, полученных путем включения молекулы гидратообразователя в кристаллическую решетку из молекул воды, близки к свойствам льда. Аккумулирующее вещество на их основе представляет собой водную суспензию, по внешнему виду напоминающую "снежную шугу", поддающуюся перемешиванию и транспортировке.

Многообразие свойств известных гидратообразоваге-лей (более половины рабочих веществ, применяемых в холодильной технике) предопределяют гибкость гидратной технологии аккумулирования холода и позволяет разработать аккумуляторы, учитывающие специфику систем охлаждения различного профиля.

Цель работы - создание и исследование аккумуляторов холода, рабочим веществом которых являются гидраты газов и органических жидкостей, для систем охлаждения различного назначения.

Задачи работы:

1. Получить экспериментальные данные по основным кинетическим характеристикам процесса аккумулирования холода и конвективного теплообмена гидратной суспензии с теплопередающей поверхностью, необходимые для проектирования гидратных аккумуляторов холода (ГАКХ).

2. Разработать и исследовать схемы систем охлаждения и конструкции ГАКХ для различных областей применения.

3. Разработать, создать и исследовать на экспериментальных стендах и в промышленных условиях макетные образцы ГАКХ.

Научная новизна. Впервые предложены и исследованы ГАКХ искусственного и естественного холода. Экспериментально изучены процессы образования и плавления гидра-

тов органических жидкостей при аккумулировании холода в стационарных и нестационарных условиях. Получены зависимости основных характеристик: скорости зарядки, скорости разрядки, удельной хладоемкости ГАКХ, от параметров процесса аккумулирования. Исследован конвективный теплообмен гидратной суспензии с теплопередающей поверхностью в условиях механического перемешивания. Экспериментально и теоретически определена область оптимальных значений коэффициента теплоотдачи, зависящая от объемной концентрации гидратов и массового соотношения компонентов вещества. На основании результатов термодинамического анализа доказана эффективность применения ГАКХ по сравнению с аккумуляторами традиционных типов.

Практическая ценность. Предложены принципиальные схемы ГАКХ, на основе которых разработаны конструкции аккумуляторов и схемы их включения в состав системы охлаждения. Даны рекомендации по выбору наиболее перспективных гидратообразователей в зависимости от конструктивных решений, назначения и области применения ГАКХ. Получены расчетные зависимости для определения скоростей зарядки и хладоемкости ГАКХ и уравнение теплоотдачи гидратной суспензии к теплопередающей поверхности, Экспериментально оценены аккумулирующие свойства гидратов некоторых органических жидкостей и их коррозионная активность по отношению к конструкционным материалам. Разработана методика сравнительного термодинамического анализа систем охлаждения с аккумуляторами различных типов. Доказана работоспособность макетных образцов ГАКХ искусственного и естественного холода.

Реализация результатов в промышленности. Макетный образец ГАКХ естественного холода (а.с. 1307179) прошел промышленную проверку в системе охлаждения (а.с.. 1227132) кагата сахарной свеклы на Первомайском сахарном заводе (Украина) .В результате снижения потерь массы и сахаристости свеклы в период хранения выход конечного продукта к общему количеству сырья увеличился на 0,4 .. . 0,5%.

Апробация работы. Основные положения и резуль-

таты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Теоретические и практические аспекты ускорения научно-технического прогресса в мясной и молочной промышленности" (Москва, 1987 г.), Всесоюзной научно-практической конференции "Искусственный холод в отраслях АПК" (Кишинев, 1987 г,), научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Кировоградского института сельскохозяйственного машиностроения (1989-1991 гг.), а также на заседаниях Ученого совета Всероссийского научно-исследовательского института холодильной промышленности (Москва, 1985-1992 гг.) и научном семинаре по проблемам газовых гидратов Института проблем нефти и газа АН РФ (Москва, 1989 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, получено 10 авторских свидетельств.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Работа изложена на страницах машинописного текста, содержит 1 таблицу, *Г£ рисунков, приложений на ¿^¿страницах, библиография включает наименований работ отечест-

венных и зарубежных авторов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ЗАРЯДКИ И РАЗРЯДКИ ГИДРАТНОГО АККУМУЛЯТОРА

В процессе работы ГАКХ происходит образование и плавление кристаллов гидратов при взаимодействии воды и гидратообразователя, находящегося в жидком или газообразном состоянии:

Мж+пНг0^[Мж-пНг0]г*дН>| Мг+пМ=[Мто-пН20]г*дН

Ж

ГАЗ

(2)

(1)

Кинетика этих процессов наиболее полно изучена для условий работы установок опреснения воды, когда гидрато-образователь находится в газообразном виде или кипит в объеме аппарата. Данные по скорости гидратообразования, полученные Л.Ф.Смирновым, А.С.Чепцовым, Е.И.Клещу -новым, В.В.Клименко, А.Бардуном, Д.Панборном, Ж.Рау-хом и др. для различных гидратообразующих хладагентов, могут быть использованы при проектировании прямокоп-тактных (без теплообменных поверхностей) ГАКХ, процессы в которых описываются уравнением (2).

Однако практически не изучены процессы образования и плавления гидратов с жидким гидратообразователем в аппаратах с подводом (отводом) теплоты через теплопе-редающую поверхность. В то же время анализ публикаций по аккумулированию тепловой энергии показывает, что наибольшее предпочтение отдается аккумуляторам, работающим при атмосферном давлении в соответствии с уравнением (1).

Процессы образования и плавления гидратов протекают в сложной многофазной и многокомпонентной термодинамичной системе, поэтому аналитически описать работу ГАКХ крайне трудно. Обычно такие системы изучают экспериментально, а полученные результаты обобщают с помощью : полуэмпирических выражений.

Основные характеристики процесса аккумулирования, которые определяли в процессе экспериментальных исследований :

скорость зарядки (количество холода, накапливаемого в единице объема аккумулятора в единицу времени)

удельная хладоемкесть (количество холода, накапливаемого в единице объема аккумулятора)

скорость разрядки (количество холода, расходуемое единицей объема аккумулятора в единицу времени)

V

V

Кинетические закономерности процесса аккумулирования холода связаны сложной многофакторной зависимостью с параметрами протекающего процесса. Для определения и по опытным данным и изучения степени влияния на них каждого технологического параметра ряд экспериментов проводили в стационарном режиме. На основе анализа механизма гидратообразования, его физических и кинетических моделей, изложенных в работах А.Виш-няускаса, П.Бишои, ДЛанборна, А.Бардуна, С.Кавасаки, Т.Акия, Д.Грау, Д.Руттена и др. в качестве определяющих параметров выбраны:

массовое соотношение расходов гидратообразовате-ля и воды:

0а

у ~ —» кг/кг;

время пребывания компонентов в зоне кристалли

зации

Т .у А-Л

разность температур на процесс гидратообразования

*Тг=Тр«&-Тс, К;

удельный расход мощности на перемешивание

ы

Учитывая результаты исследований кристаллогидрат-ных опреснительных установок значения определяющих параметров в экспериментах варьировали в следующих пределах: V = ОД . . . 0,3; Тп = (3 . ,. 12) х102с, *Тг = 0,2 .. . 1,5 К; M/V= 0,4 . . 4 кВт/м3.

Так как в реальных условиях процессы образования и плавления гидратов в основном протекают нестационарно, то ряд экспериментов по изучению работы ГАКХ и сравнительной оценки аккумулирующих свойств некоторых гидратов проводился в нестационарном режиме,

В качестве независимых переменных при зарядке были выбраны продолжительность процесса Т" и массовое соотношение компонентов Л/ } а при разрядке - начальная концентрация кристаллов |г . .Эти величины в опытах изменялись в следующих пределах:

Y- 0,06 . . . 0,3; t з(3...30)х102 c;fr = 12,9 . . . 39,3%.

Процессы аккумулирования холода изучали на стенде (рис. 1), основной элемент которого - кристаллизатор, имеющий конструкцию "труба в трубе". Моделирование процессов зарядки и разрядки осуществляли с помощью хладо-носителя с заданной температурой, подаваемого из термостата в межтрубное пространство и змеевик кристаллизатора для образования или плавления гидратов в его внутреннем объеме.

В ходе экспериментов характеристики процесса определялись двумя независимыми способами: из теплового и из материального балансов аккумулятора. Температуры в узловых точках стенда измеряли, лабораторными ртутными термометрами и хромель-копелевыми термопарами; расходы жидкостей - ротаметрами; количество воды, вошедшей в состав гидратов - по изменению начальной концентрации NqC£ в суспензии методом меркурометрии.

Визуальные наблюдения в нестационарном режиме показали: при Jr < 15% в периоды остановки мешалки происходит полное разделение суспензии на фракции с раз-

Рис. I. Схеыа экспериментального стенда.

I - кристаллизатор; 2 - нежтрубное пространство; 3 - бак-плавл-тель; 4,12 - насосы; 5 - ТЭЩ 6 - турбинная мешалка; 7 - вентиль отбора проб; 8,21 - ТРВ; 9,22 - конденсаторы; 10,26 - компрессоры; ,11, 23 - испарители; 13 - трехходовой вентиль; 14 - терыогиль-за; 15- термостат; 16 - ротаметр; I? - регулирующий вентиль; 18, 25 - теплообменники для охлаждения компонентов; 19,20 - баки для хранения воды и пщратообразоватеяя; 24 - бак-холодильник.

личной плотностью; при "|г < 25% суспензия с равномерным распределением твердой фазы хорошо -перемешивается во всем объеме без адгезии кристаллов к стенкам; при > 25% ухудшаются условия перемешивания и образуются застойные зоны. Установлено, что в ГАКХ при определенных условиях можно осуществлять процессы отделения, транспортировки и накопления кристаллов вне зоны их образования при поддержании в последней высоких скоростей зарядки.

При исследовании аккумулирующих свойств различных гидратов выявлена ярковыраженная зависимость кинетики процесса от взаимной растворимости гидратообразо-вателя и воды, при этом наибольшее значение и С^ характерны для полностью растворимого в воде ТГФ (рис.2). Сравнение в сопоставимых условиях процессов гидратооб-разования и льдообразования показали, что во втором случае значения С^и С^ ниже в 2-6 раз.

Рио. 2, Зависимости скорости зарядки си, скорости разрядки а,Р и хдадоемкости а от продолжительности процесса <г в нестационарном режиме. *

о - вода; д - тетрагидрофуран (ТГФ); о -Я30 (при зарядке)

в -ИЗО (при разрядке)

При изучении режима рязрядки выявлено, что не зависит от кинетических (внутренних) характеристик процесса плавления (в отличие от процесса гидратообразо-вания), а определяется только внешними условиями подвода теплоты. Подтвержден вывод» сделанный при изучении процессов в плавителях опреснительных установок, что основным фактором, влияющим на скорость плавления гидратов в объеме аппарата, является интенсивность конвективного теплообмена. Также установлено, что средние значения больше как минимум в 2-3 раза (рис. 2), поэтому при конструктивных расчетах ГАКХ их технологические характеристики следует определять из расчетных условий процесса зарядки.

В результате обработки экспериментальных данных по кинетике в стационарном режиме получены уравнения множественной степенной регрессии для определения скорости зарядки и удельной хладоемкости ГАКХ:

Пз=е7-75у^Тг1,'нТп0'36(%)а38

(3)

(4)

Из анализа зависимостей (3) и (4), описывающих данные экспериментов со средней относительной погреш ностью соответственно не более +12% и +13%, вытекает что на СЦ наибольшее влияние оказывают у,*»Тг и ^/ч/ а на С^ - соответственно у, дТг и Тл •

Параметр "у характеризует долю дисперсной фазы -капель жидкого гидратообразователя, с увеличением кото рой поверхность контакта компонентов становится больше а следовательно,возрастают значения и (рис. За)

Разность температур дТг характеризует.степень пере охлаждения суспензии относительно равновесного состоя ния. Согласно общей теории кристаллизации, лТг влия ет на интенсивность зародышеобразования кристаллов и линейную скорость их роста, а следовательно, и на увеличение и С^ (рис. 36) .

При возрастании Сп значения существенно снижаются. Это можно объяснить ухудшением условий массопе-редачи вследствие сокращения поверхности контакта воды и гидратообразователя из-за уменьшения их расходов. В то же время увеличивается С^ благодаря росту |г (рис. Зв).

Повышение расхода мощности М/\/ способствует росту и О, вследствие увеличения межфазной поверхности массопередачи при уменьшении среднего диаметра диспергированных капель гидратообразователя и устранения местных перегревов суспензии (рис. Зг).

По результатам исследований для промышленных образцов ГАКХ рекомендуются следующие оптимальные

значения у s 0,2 , . .0,3; лТг « 0,5 . . 1,5 К ;

(С„ » (3 ... 9) х102с; M/v г 1 ... 3 кВт/м3.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В ГИДРАТНЫХ АККУМУЛЯТОРАХ ХОЛОДА

Для получения расчетных зависимостей, необходимых при проектировании ГАКХ и описывающих конвективный теплообмен гидратной суспензии с теплопередатощей поверхностью, можно воспользоваться полуэмпирической теорией турбулентного переноса. Так, используя уравнение П.Г Лойцянского для теплообмена турбулетного потока однофазной жидкости со стенкой, В.Н.Соколов и И В.Доманский получили уравнение для двухфазного газожидкостного потока, а В.В.Клименко - для трехфазного газосуспензионного потока в барботажном кристаллизаторе. Такой подход был применен нами для вывода уравнения теплообмена трехфазной двухкомпонентной гидратной суспензии типа "жидкость - жидкость - твердая фаза". Для ГАКХ с механическим перемешиванием при концентрации J3r< 25% это уравнение имеет вид;

Методика экспериментов предусматривала определение С с по уравнению Ньютона-Рихмана, причем тепловой поток вычисляли из теплового баланса как со стороны хладо-носителя, так и со стороны суспензии. Анализ физической модели процесса теплообмена показывает, что на изменение еСс наиболее существенно влияют переменные ]&Г,У и

Цель исследований по теплообмену: нахождение в уравнении (5) коэффициента ; экспериментальная проверка адекватности уравнения (5) при различных значениях переменных процесса; сопоставление результатов рас-

четов по уравнению (5) с результатами расчетов по известным уравнениям для описания процессов теплообмена в аппаратах с мешалками.

Характер полученных расчетных и экспериментальных зависимостей (рис. 4) свидетельствует о наличии максимума значений оСс , который сдвигается в сторону меньших р, г при увеличении у . Это можно объяснить тем, что, с одной стороны, присутствие кристаллов гидратов снижает термическое сопротивление ламинарного подслоя и увеличивает оСс вследствие повышения Хс • С другой стороны, увеличение вязкости >)с снижает сСс , а рост числа диспергированных капель гидратообразователя при увеличении А/ Дополнительно снижает Хс и повышает ^

Рис. 4. Зависимость коэффициента теплоотдачи .¿с от объемной концентрации гидратов

' 5 -ю 15 20 25 $Г%

Полученное уравнение теплообмена (5) при 32. - 2,8 поз-золяет рассчитать <Сс с погрешностью не более +11% в области малых значений ]$г и V и +17% - в области больших значений этих величин. В исследованном диапазоне изменений и ^ эта погрешность в 1,2-1,8 раза ниже, чем три расчетах по известным уравнениям, которые, к тому же, качественно не отражают характер изменений оСс .

СХЕМЫ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ С ГИДРАТНЫМИ АККУМУЛЯТОРАМИ И ИХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ

АНАЛИЗ

Нами предложены принципиальные схемы ГАКХ, ра-Зота которых описывается уравнениями (1) и (2). В схе-

мах учтены как особенности процессов, протекающих непосредственно в ГАКХ при зарядке и разрядке, так способы подвода (отвода) теплоты к аккумулятору в системе охлаждения (рис. 5).

схема5 схема б схемаГ схема8

Ркс.ь, Яринщщшяьные схемы гидратных аккумуляторов.

Г- бак аккумулятора; 2 - аккумулирующее вещество; 3 - мешалка; 4 - насос; 5 - компрессор; 6 - конденсатор; 7 - регулирующий вентиль; 8 - поверхность теплообмена; И - источник холода; Д - потребитель холода.

Для интенсификации тепло - и массообменных про цессов в ГАКХ в зависимости от фазового состояния гид-ратообразователя можно использовать мешалку (схема 1), насос (схема 2) или компрессор (схемы 3 и 4). Отвод и подвод теплоты может осуществляться: 1) через теплооб-менную поверхность при зарядке (схемы 5 и 6) или при разрядке (схемы 6 и 8); 2) при непосредственном контакте аккумулирующего вещества и хладоносителя при заряд ке (схемы 7 и 8) или теплоносителя при разрядке (схемь 5 и 7).

Аккумуляторы, в конструкциях которых реализова ны схемы 1, 2, 5 и 6, при использовании жидких гидратооб разователей работают при атмосферном давлении и поэто му просты в изготовлении и эксплуатации. Преимущест вами ГАКХ с газообразным гидратообразователем явля

ются более высокое (в 1,3- 145 раза) значение ¿Нглз , чем Л Нж . и возможность регулирования температуры фазового перехода путем изменения давления в аккумулирующей емкости (схемы 3, 4, 7, 8). Последнее позволяет использовать одно аккумулирующее вещество при разных рабочих температурах или осуществлять процесс зарядки при температуре более высокой, чем при рязрядке. Это особенно важно для систем с источником холода переменной температуры (естественный холод). На базе схем 4, 7 и 8 можно создать прямоконтактные ГАКХ, в которых гидра-тообразователь одновременно является хладагентом холодильной машины.

Нами разработаны конструкции ГАКХ, составы аккумулирующих веществ и способы аккумулирования холода, для систем охлаждения:

- с парокомпрессионными холодильными машинами. Такие системы предназначены для поддержания стабильной температуры хладоносителя при колебаниях тепловой нагрузки (на базе схем 2 и 5); для установок комфортного и технологического кондиционирования воздуха со стандартным водоохлаждающим оборудованием (на базе схем 2 и 7); для отвода теплоты высокого потенциала от жидких продуктов после тепловой обработки (на базе схем 1 и 6); для вариантов использования гидратообразователя в качестве хладагента в цикле сжатия холодильной машины в системах с промежуточным или непосредственным охлаждением (на базе схем 3, 4, 7 и 8);

- с сорбционными холодильными машинами;

- с использованием естественного холода для хранения плодоовощной продукции ( на базе схем 1, 7 и 8).

Анализ применяемых в холодильной технике гидрато-образующих агентов с точки зрения физико-химических, термодинамических, экологических и эксплуатационных свойств позволили сделать выбор наиболее перспективных гидратообразователей: $ 30, ТГФ, Р% 160, Я 21 - для ГАКХ с испарителем холодильной машины; Д 21, К 22, В, 142в, Я 152а - для прямоконтактных ГАКХ; Я 21, Л 31 - для ГАКХ естественного холода.

Особое внимание было обращено на коррозионную и химическую активность по отношению к конструкционным материалам. Экспериментально установлено, что воздействие гидратных суспензий на применяемые в холодильной технике металлы и уплотнительные материалы не. превышает допустимых пределов.

Эффективность применения предложенных ГАКХ и использования гидратов вместо традиционных аккумулирующих веществ была подтвержена результатами термодинамического анализа систем охлаждения, псполъчукниих как искусственный, так и естественный холод. Показателем термодинамической эффективности таких систем выбран эксергетический КПД

1

Е,

ег

* Его,

В первом случае анализируемая система состоит из холодильной машины, аккумулятора, охладителя и контура циркуляции хладоносителя, Удельные составляющие уравнения (6)т отнесенные к единице накопленного в аккумуляторе холода Цдц, определяли следующим образом. Полезная эксергия влол , используемая в процессе охлаждения, равна эксергии бак» накопленной в аккумуляторе после зарядки за вычетом неиспользованной эксергии ©ни при разрядке; и суммарных потерь эксергии Д за цикл работы; а затраченная эксергия б^ат "* суммарным удельным энергозатратам Ь^ в системе:

вад-Т* ЕкМ"» N Значения Аб^, {км , Ен, Ем вычисляли по известным методикам, а бок и бнцВ случае использования гидратов рассчитывали по выражениям:

Сравнительный термодинамический анализ системы охлаждения с аккумулятором, работающим по схеме 5, при использовании рассола, воды, эвтектического и водного льда, гидратов органических жидкостей показал, что при 268К < Тхл ^ < 283К наиболее термодинамически эффективна система с ГАКХ, которая характеризуется наибольшим "эксергетическим зарядом" и наименьшими энергозатратами (рис. 6). Наименее эффективны: при "Пи|< 273К система с рассольным аккумулятором вследствие малой аккумулирующей способности рассола и повышенных энергозатрат на локализацию теплопритоков; при Тх*| > 273К - система с льдоаккумулятором, для которой характерны значительные энергозатраты вследствие низкой температуры кипения хладагента при намораживании льда на испарителе.

Рис.6.Зависимость эк-сергетического КПД lev системы охлаждения от рабочей температуры хладо-нооотеля Т*л| . I - рассол; 2 - вода; 3 -эвтектический лед;' 4 -водный лед; 5 - гидраты.

Сравнение систем охлаждения с ГАКХ, в которых реализованы схемы 5. . .8, показало: увеличение конечной разности температур на 1 К при использовании теплообмен-ной поверхности приводит к снижению системы на

0,4.„.057%; рациональный выбор гидратообразователя повышает £ а* в 1,15-1,3 раза; оснащение системы оборудованием для интенсификации процессов аккумулирования (мешалки, н ?тг.ы) незначительно снижает термодинамическую эффективность. Наиболее аерспсхстпннь» ГАКХ без теплообменника хладоносителя (схемы 5 и 7), причем подача суспензии непосредственно в охладитель дополнительно увеличивает значение в 1,2-1,3 раза.

При анализе систем охлаждения, использующих естественный холод для охлаждения растительной продукции, сравнивали традиционную систему активного вентилирования овощехранилища и предложенную нами систему с динамической теплоизоляцией и локализацией теплопри-токов в теплое время суток с помощью холода, накопленного в ГАКХ в ночной период.

Полезная эксергия Еле* в системе охлаждения с ГАКХ складывается из эксергии охлаждаемого продукта и эксер-гии холодного наружного воздуха, необходимой для локализации теплопритоков:

ЫД^А-г^ V Ч-т:л

Эксергия £аст состоит из эксергий, затраченных на активное вентилирование продукции, а также на зарядку и разрядку ГАКХ:

П^дЫас- 1а £ >о.с. )

Ч

•чу10"3 с^/У т" Т"

ала л^1** "т;/ дуи* ^

Проведенные расчеты показали> что ^е* предложенной системы охлаждения в 1,1 — 1,55 раза выше, чем традиционной. При локализации теплопритоков в теплый период суток с помощью ГАКХ энергозатраты на охлаждение картофеля в системе активного вентилирования уменьшаются на 10...30% при сокращении потерь влаги продукцией в 1,1 -1,2 раза.

ОПЫТНО -ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Разработка и испытание макетных образцов является обязательным промежуточным этапом на пути к созданию промышленных аппаратов. Было изготовлено два макетных образца ГАКХ со средней хладоемкостыо УД^МДж: на базе схем 1, 2» 5> 6 для систем охлаждения с холодильной машиной и на базе схем 3, 4, 7, 8 для систем, использующих естественный холод.

Стендовые испытания. Макетный образец ГАКХ искусственного холода испытан на стенде, состоящем из аккумулирующей емкости объемом 0,65 м^ с мешалкой и теплообменниками змеевикового типа; компрессорно-конденсаторного агрегата 2ФУБС9 и контура циркуляции теплоносителя,. Полученные данные по кинетике и теплообмену имеют для начального периода процесса зарядки хорошее совпадение с результатами испытаний лабораторной модели. Подтверждена правомочность применения расчетных зависимостей (3) и (4), уравнения теплообмена (5), а также вывода о лимитирующем влиянии внешнего теплообмена на скорость разрядки.

Макетный образец ГАКХ естественного холода испытан на стенде, состоящем из собственно аккумулятора, воздушного циркуляционного контура с вентилятором, контура циркуляции хладо (тепло)-носителя с насосом 1,5К6б и холодильно-нагревательной установки на базе компрессора ФВ-6. Схема макетного образца представлена на рис. 7.

Результаты испытаний показали удовлетворительную сходимость экспериментальных значений С^ и для начального периода процесса зарядки с расчетными, основанными на данных В.В.Клименко по скорости гидратообразо-вания К22 в барботажном кристаллизаторе опреснительной установки с теплопередающей поверхностью.

рециркуляционный воздух

Рис.7 Схема системы охлаждения кагата сахарной свеклы с макетным образцом гидратного аккумулятора естественного холода. I - емкость аккумулятора объемом 1м' ; 2 - отделитель гидратов; 3 - наоос гидрагкой воды ВКО - Х/16 с герметичным сальником; 4 -рессивер гидратообразоватеяя; 5 - регулирующий вентиль; 6 - воздушный конденсатор; 7 - крейцколфный компрессор на базе 2ФВ-4; '8 - воздушный теплообменник; 9 - кладан-смеситель; 10 - кагат свеклы;/ II - покрытие из теплоизоляционных панелей на металлическом каркасе; 12 - воздушная прослойка; 13- воздуховоды; 14 - вентилятор аккумулятора; 15 - подпольный воздуховод; 16 - вентилятор системы активного вентилирования.

При обобщении результатов стендовых испытаний двух макетных образцов было выявлено, что при % >600с не удалось достичь сопоставимых с лабораторными моделями условий протекания процесса аккумулирования. Это объясняется общим ухудшением условий теплообмена и массопередачи при возрастании в нестационарном режиме и недостаточной поверхностью теплообмена для достижения приемлемых значений тепловых потоков. Таким образом, опытным путем доказано, что для повышения эффективности работы ГАКХ целесообразно разделять зоны накопления и образования гидратов и поддерживать в последней условия, близкие к стационарным.

Промышленные испытания. Макетный образец ГАКХ естественного холода (а.с. 1307179) был установлен на Первомайском сахарном заводе в системе активного вентилирования кагата сахарной свеклы (рис. 7), обеспечивающей перехват теплопритоков с помощью динамической теплоизоляции (а.с. 1227132).

Для промышленных испытаний были заложены экспериментальный кагат емкостью 980 т и контрольный кагат без ограждающих конструкций, оборудованный традиционной системой активного вентилирования. Начальное содержание сахара в свекле 16,7%, продолжительность хранения 34 суток.

После хранения средняя сахаристость свеклы в контрольном кагате составила 16,02% к общей массе, а в экспериментальном - 16,46%, а потери массы свеклы соответственно 2,02% и 1,86.^0. В результате выход конечного продукта увеличен на 0,4 . . . 0,5% к общему количеству сырья.

Результаты промышленных испытаний подтсердили работоспособность предлагаемой конструкции ГАКХ и ее отдельных узлов, а также эффективность предложенной системы охлаждения растительной продукции, преимущество которой выразилось в улучшении показателей ее сохранности.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Экспериментально подтвержена в стационарных и нестационарных режимах возможность аккумулирования холода с помощью гидратов органических жидкостей в ГАКХ с теплопередающей поверхностью. Показано, что в сопоставимых условиях скорость зарядки и хладоем-кость ф для льда в 2-6 раз ниже, чем для гидратов, при этом средние скорости О р выше, чем ^ в ГАКХ как минимум в 2-3 раза.

2. Экспериментально установлено, что на скорость зарядки наибольшее влияние оказывают параметры

> &Тг . "у V ' а на изменение удельной хладоемкости О, соответственно V*, лТг, и 'Гп. Рекомендуемые значения С^*(40,... 90)кВт/м3 и Ц, I (4. . ,9)х104 кДж/м3, обеспечивающие оптимальные условия работы ГАКХ, достигаются при следующих значениях параметров в стационарном режиме: дТг= 0,5. . .1,5 К, V - 0,2. . .0,3 Хп- (3.. -9) хЮ2 с;

. . .3) кВт/м^о Получены корреляционные зависимости для определения СГ с относительной погрешностью не более ±12% и ±-13%.

3. Предложено уравнение для определения коэффициента теплоотдачи ^Сс гидратной суспензии в ГАКХ с

теплопередающей поверхностью и механическим перемешиванием. Теоретически выявлена и экспериментально подтверждена область максимальных значений сСс , которая сдвигается в сторону малых значений рг при увеличении параметра у и с достаточной точностью описывается полученным уравнением. Для создания оптимальных условий теплообмена при зарядке ГАКХ концентрация кристаллов не должна превышать 10. . .20% при рекомендуемых значки« л х

4. Экспериментально доказана целесообразность разделения зон накопления и образования гидратов в ГАКХ, что позволяет создавать в последней условия, близкие к стационарным, при поддержании оптимальных значений параметров и характеристик процесса аккумулирования.

5. Разработаны конструкции ГАКХ и схемы их включения в состав систем охлаждения различного назначения. Показано на основе термодинамического анализа, что применение гидратов вместо традиционных аккумулирующих веществ в системах с холодильными машинами, работающих в области околонулевых и положительных температур, повышает *\,ех в 1>2-1>5 раза. При этом обоснованный выбор гидратообразователя позволяет дополнительно повысить ^е* в 1,15-1,3 раза, а использование гидрат-ной суспензии в качестве хладоносителя - в 1,2-1,3 раза.

6. Анализ систем охлаждения плодоовощной продукции показал, что использование ГАКХ естественного холода для локализации теплопритоков в хранилище улучшает качество продукции, повышает ^ех в 1Д-1>5 Раза ПРИ снижении энергозатрат на охлаждение в системе активного вентилирования на 10-30%.

7. Подтверждена результатами стендовых испытаний работоспособность макетных образцов ГАКХ искусственного и естественного холода со средней хладоемкостью

МДж и правомочность использования полученных на лабораторной модели уравнений для определения , С относительной погрешностью не более +20% в сопоставимых условиях. Наблюдения за работой лабораторного стенда и макетных образцов подтвердили данные экспериментальных исследований по коррозионной и химической активности аккумулирующих веществ на основе гид-

ратов.

8. Проведены испытания в промышленных условиях макетного образца ГАКХ естественного холода в системе охлаждения кагата сахарной свеклы. В результате обеспечено сокращение потерь массы и сахаристости свеклы при ее хранении и увеличен выход сахара на 0,4. . .0,5% к общему количеству сырья.

По теме диссертации опубликованы работы:

1. A.c. 1227132. Устройство для хранения растительной продукции / В.И.Ивахнов, В.Н.Корниенко, В.В.Клименко и др. Заявл, 30.11.84; Опубл. 30.04.86, Бюл. № 16.

2. A.c. 1307179. Аккумулятор холода / В.В.Клименко, В.И Ивахнов, В.Н.Корниенко, Заявл. 19.12.85; Опубл.

30.04.87, Бюл. № 16.

3. А.с 1409830. Способ аккумулирования холода / В.В.Клименко, В.Н.Корниенко, Заявл. 31.12.86; Опубл.

15.07.88, Бюл № 16.

4. A.c. 1420316. Холодильная установка / В.В.Клименко, В.Н.Корниенко, В.И.Ивахнов. Заявл. 31,12.86; Опубл. 30.08,88,, Бюл. № 32.

5. А.с 1449795, Аккумулятор холода / В.Н.Корниенко, В.В.Клименко, В.И.Ивахнов. Заявл.30.06.87; Опубл.

07.01.89, Бюл. № 1.

6i A.c. 1530161. Устройство для охлаждения жидкости / В.Н.Корниенко, В.В.Клименко, Н.Н.Машкова и др. Заявл. 28,01.88; Опубл 23.12.89, Бюл. № 47.

7. A.c. 1583431. Состав рабочего вещества сорбцион-ной холодильной машины и способ его получения / В.П. Латышев, В.Н.Корниенко. Заявл. 21.07.88; Опубл. 07.08.90, Бюл № 29,

8. A.c. 1620792. Аккумулятор холода / В.Н.Корниенко, В.В Клименко, Н.Д.Малова. Заявл. 31.10.88; Опубл. 15.01. 91, Бюл. № 2.

9- A.c. 1657897. Холодильная установка / В.Н.Корниенко, В.В.Клименко, Н.Д.Малова. Заявл. 29.12.88. Опубл. 23.06,91, Бюл. № 23.

10. A.c. 1716272, Холодильная установка / В.В.Клименко, В.Н. Корниенко, В.ПЛатышев. Заявл. 01.12.89;

Опубл. 29.02.92, Вюл. № 8.

11. Корниенко В.Н. Экономия охлаждающей воды на предприятиях молочной промышленности при использовании гидратных хладоаккумуляторов // Материалы науч.-техн.конф, молодых ученых и специалистов "Теоретические и практические аспекты ускорения научно-технического прогресса в мясной и молочной промышленности", М., 1987. - С. 64.

12. Корниенко В.И., Ивахнов В.И., Клименко В.В. Анализ вариантных решений газгидратного хладоаккуму-лятора для различных охлаждающих систем // Тезисы докл. Всесоюз, науч.-техн.конф. "Искусственный холод в отраслях АПК". М., 1987. - С.12.

13. Корниенко В.Н. Сравнительная оценка аккумуляторов холода на основе льда и гидратов для систем кондиционирования воздуха Ц Материалы Всесоюз. науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов "Пути интенсификации технологических процессов и оборудования в отраслях АПК" М., 1988.-С. 83.

14. Корниенко В.Н., Клименко В.В. Перспективы использования соединений клатратного типа для аккумулирования холода // Сб. науч.трудов НПО "Агрохолодпром". М.> 1988. - С. 27-40.

15« Корниенко В.Н., Клименко В.В. Сравнительная экспериментальная оценка гидратов органических жидкостей как хладоаккумулирующих веществ // Сб. науч.трудов НПО "Агрохолодпром". М., 1988.-С. 41-50.

16. Клименко В.В., Корниенко В.Н. Газгидратные аккумуляторы холода // Холодильная техника. 1989, № 1.

С. 33-37.

17. Клименко В.В., Корниенко В.Н. Рациональное использование термической неравномерности наружного воздуха И Холодильная техника, 1989, № 6. - С. 25-30.

18. Корниенко В.Н., Клименко В.В. Исследование новых рабочих веществ аккумуляторов тепловой энергии для систем охлаждения предприятий АПК // Материалы Республиканской науч.-техн.конф, "Интенсификация технологий и совершенствование оборудования перерабатывающих отраслей АПК". Киев, 1989. - С. 229-230

19. Корниенко В.Н., Клименко В.В., Малова Н.Д.

Исследование взаимодействия хладоаккумулирующих веществ с конструкционными материалами // Материалы Всесоюз.науч.-практич.конф. "Пути интенсификации производств с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, торговле и на транспорте". Одесса>1989. - С. 87.

20. Малова Н.Д., Корниенко В.Н., Клименко В.В. Применение аккумуляторов холода в отраслях АПК: Метод, указания. М., МИПБ, 1991. 56 с.

21. Клименко В.В., Корниенко В.Н., Скрыпник A.B., и др. Экономическая эффективность картофелехранилищ с газгидратным хладоаккумулятором // Материалы Респ. науч.-техн.конф. "Проблемы конструирования и технологии производства сельскохозяйственных машин". Кировоград, 1991. - С. 26.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

М - молекула гидратообразователя; д Н - энтальпия фазового перехода, кДж/ (кг воды в составе гидратов);

- число молекул; G - расход, кг; V - объем, м ; р - относительная плотность, кг/м^; Т - температура, К; - частота вращения мешалки, 1/с; - диаметр мешалки, м; К -без--размерный коэффициент; - поправки, учитывающие влияние геометрических параметров; Ji - объемная доля кристаллов, %; ^ - коэффициент кинематической вязкости, м /с; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); оС - коэффициент теплоотдачи, Вт/ (м^К); "<£• - коэффициент пропорциональности; Рг - критерий Прандтля; " максимальная безразмерная разность температур; Ецрл , E jut - полезная и затраченная эксергии, кДж, £-работа, кДж; с-теплоем-кость, кДж/ (кгК); Млр- масса продукта кг; , Si энтальпия, кДж/кг, и энтропия, кДж/(кгК), продукта при начальных и конечных параметрах; Q.^i - внешние теплопри-токи, кДж; Одых - теплота дыхания продукта, кДж; Тдс , -среднеинтегральная температура наружного воздуха в холодный и теплый периоды суток, К; д Т - подогрев воздуха, К; Л^ - КПД вентилятора; л р - расчетное давление вентилятора, Пй.

ИНДЕКСЫ

ж ■ жидкость; газ - газ; г - гидрат; в.г. - вода, вошедшая в состав гидратов; г.в. - вода, образовавшаяся при плавлении гидратов; рав - равновесный; с - суспензия; а - гид-ратообразователь; в - вода; хл - хладоноситель; н - насос; км - компрессор; м - мешалка; о с - окружающая среда; ак - аккумулятор, аккумулирование; воз - воздух; п - воздушная прослойка; нас - насыпь продукта; а.в. - активное вентилирование; з - зарядка; р - разрядка; 1 - вход; 2 - выход.