автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка и исследование двухфазного пульсационного теплопередающего контура для безнасосных пульсационных пароэжекторных холодильных машин

Введение.

Глава 1: Современное состояние вопросов альтернативного выбора холодильных установок в системах хладо-снабжения.

1.1 Краткая классификация.

1.2 Термодинамические основы процессов трансформации тепла.

1.3 Схемы и циклы холодильных установок.

1.3.1 Газовые (воздушные) холодильные установки.

1.3.2 Парокомпрессионные холодильные установки.

1.3.3 Абсорбционные холодильные установки.

1.3.4 Пароэжекторные холодильные установки.

1.3.4.1 Принцип действия и схема пароэжекторной холодильной машины.

1.3.4.2 Действительный цикл пароводяной эжекторной холодильной машины.

1.3.4.3 Циклы фреоновых и аммиачных пароэжекторных холодильных машин.

1.4 Абсорбционно-диффузионные холодильные установки.

1.5 Безнасосные фреоновые эжекторные холодильные машины.

1.6 Возможность использования безнасосной пульсационной пароэжекторной холодильной машины.

1.7 Выводы.

Глава 2: Математическое моделирование процессов тепло и массопереноса двухфазного пульсационного теплопередающего контура (ДПТК).

2.1 Динамика процессов заполнения парогенератора рабочей жидкостью.

2.1.1 Процесс слива из аккумулятора в промежуточный сосуд.

2.1.2 Процесс слива из промежуточного сосуда в парогенератор.

2.2 Тепломассопередача в парогенераторе.

2.3 Тепломассопередача в конденсаторе.

2.4 Динамика изменения массы и объёма пара.

2.5 Динамика процессов заполнения аккумулятора рабочей жидкостью.

2.6 Общая система уравнений для численного метода расчёта.

2.7 Анализ результатов аналитических исследований и выводы.

Глава 3: Экспериментальное исследование процессов тепло-и массопереноса двухфазного пульсационного теплопередающего контура.

3.1 Описание экспериментальной установки.

3.2 Экспериментальная проверка интенсивности слива.

3.3 Экспериментальные исследования закрытого пульсационного контура.

3.4 Экспериментальные исследования открытого пульсационного контура.

Глава 4: Моделирование и расчёт параметров функционирования струйных компрессоров при переменных режимах.

4.1 Обзор литературы.

4.2 Физическое обоснование математической модели струйного компрессора.

4.3 Математическое моделирование струйного компрессора.

4.4 Реализация расчётной модели на ЭВМ.

Традиционно в качестве источников холода в промышленных системах кондиционирования воздуха и хладоснабжения используются газо- и парокомпрессионные, а также абсорбционные холодильные машины [8, 12, 13, 15, 26, 30, 34, 45, 47, 48, 62, 65, 70, 71, 72, 73, 74]. С развитием централизованных холодильных станций все большее применение находят пароводяные эжекторные холодильные установки, обеспечивающие снабжение охлажденной водой оросительные камеры кондиционеров [22, 26, 68]. Опыт эксплуатации таких установок и технико-экономические расчёты показывают, что применение эжектор-ных холодильных машин для производственно-технологичесих нужд и промышленного кондиционирования воздуха в ряде случаев, особенно при наличии вторичных энергоресурсов и возобновляемых источников энергии, оказывается более эффективным, чем использование других видов холодильных машин.

В последние годы в связи с резким увеличением промышленных отходов теплоты, а также возросшим интересом к использованию низкопотенциальных возобновляемых источников энергии (геотермальная и солнечная энергия) представляются весьма перспективными разработки паро-эжекторных холодильных установок с низкокипящими теплоносителями. Эта перспектива усиливается тем обстоятельством, что к настоящему времени появился ряд разработок двухфазных пульсационных теплопере-дающих контуров [58, 59, 60, 61], позволяющих реализовать пароэжектор-ный холодильный цикл без использования механических нагнетателей и отказаться, в частности, от электронасосов для возврата конденсата в парогенератор.

В настоящее время известен обширный ряд двухфазных теплопере-дающих систем, успешно применяемых на практике при разработке систем обеспечения теплового режима различных объектов, создании энергосберегающих теплотехнологических процессов и оборудования. К их числу относятся термосифоны и тепловые трубы, двухфазные циркуляционные контуры с капиллярными, механическими или струйными насосами [50]. Разнообразие принципов их функционирования определяется в основном различием движущих сил, под действием которых конденсат возвращается в зону испарения рабочей жидкости, но общим является то, что характер процессов тепло- и массопереноса не меняется со временем за исключением пускового периода.

Применимость того или иного типа перечисленных устройств определяется главным образом их теплопередающей способностью, возможностью передачи тепла на заданное расстояние с минимальным термическим сопротивлением при минимальных затратах финансовых и материальных ресурсов и максимальной степени надежности. Эти требования, часто противоречат друг другу. Так, например, повышение транспортных возможностей в циркуляционных системах путём использования механических нагнетателей приводит к снижению их надёжности и необходимости дополнительных затрат энергии на привод. Эта же цель в контурах с капиллярным насосом достигается за счёт резкого увеличения экономических затрат из-за необходимости использования высоких технологий. Термосифоны, являясь наиболее надёжными и дешёвыми устройствами, обладают ограниченной теплопередающей способностью и не могут передавать тепло по направлению поля тяготения.

Частично указанные противоречия могут быть разрешены путем развития новой концепции создания теплопередающих систем на основе двухфазных пульсационных теплопередающих контуров и устройств, в которых циркуляция теплоносителя осуществляется за счёт автоколебаний давления пара в процессе передачи тепла от источника к стоку при любом их взаимном положении [58, 60].

Целью данной работы является разработка и исследование двухфазного пульсационного теплопередающего контура (ДПТК) для безнасосных пульсационных пароэжекторных холодильных машин (БНППХМ).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1.В работе обоснована новая концепция в разработке беснасоеных пароэжекторных холодильных машин на основе использования двухфазных пульсационных теплопередающих контуров.

2. Экспериментально и теоретически доказана возможность создания автономных теплопередающих систем, в которых передача тепла в двухфазном контуре осуществляется по направлению силы тяжести, а для возврата холодильного агента к источнику тепла не требуется установка механических нагнетателей.

3. Впервые сформулирована математическая модель пульсационного контура для прогнозирования его функциональных характеристик, адекватно отражающая физические механизмы процессов тепло- и массопереноса в различных элементах контура.

4. Выполненные экспериментальные исследования двухфазных тепло-передающих контуров позволили выявить условия работоспособности открытых и закрытых систем и сформулировать на этой основе ряд требований и ограничений на конструктивные характеристики элементов, в частности, аккумулятора, конденсатора и промежуточного сосуда в линии возврата рабочей жидкости. Показано, что при не выполнении этих требований работоспособность контура нарушается.

5. Выполнены экспериментальные и теоретические исследования процессов слива для открытых и закрытых теплопередающих контуров для вертикальных цилиндрических ресиверов.

6. Впервые разработаны программные средства для реализации математической модели в технических приложениях выполненных исследований, в частности, при проектировании безнасосных пароэжекторных холодильных машин.

7. На основе нового предположения о структуре и взаимодействии по

144 токов в струйном компрессоре выяснен механизм его работы как в предельных режимах, так и при запирании компрессора.

8. На основе предложенного механизма гидродинамических процессов в проточных частях струйного компрессора разработана и реализована программными средствами методика расчёта его геометрических параметров и достижимого коэффициента инжекции в широком диапазоне изменения отношения давлений в рабочем и инжектируемых потоках. Результаты расчёта хорошо согласуются с литературными экспериментальными данными.

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. Наука. Физмат-лит, 1991. Том 1.600 с.

2. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. Наука. Физмат-лит, 1991. Том 2. 304 с.

3. Алексеев Г.В., Зенкевич Б.А., Суббин В.И. Исследование теплоотдачи при пузырьковом кипении воды в трубах. "Теплоэнергетика", 1962. №4, с. 74-77

4. Альтшуль А.Д., Животовский J1.C., Иванов Л.П. Гидравлика и газодинамика. -М.: Стройиздат, 1987. 416 с.

5. Аметистов Е.В., Клименко В.В., Павлов Ю.М.Кипение криогенных жидкостей. -М.: Энергоатомиздат,1995. 400с.

6. Аржаников Н.С., Садекова Г.С. Аэродинамика больших скоростей. -М.: "Высшая школа", 1965. 560 с.

7. Бадылькес И.С. Рабочие вещества холодильных машин. -М.: Пи-щепромиздат, 1952. 228 с.

8. Бадылькес И.С., Данилов Р.Л. Система охлаждения с использованием пароструйных приборов в качестве бустер-компрессоров. -М.: Госторгиздат, 1961. 30 с.

9. Баранов П.А. Эксплуатация и ремонт паровых и водогрейных котлов. -М.: Энергоатомиздат, 1986. 263 с.

10. Богданов С.Г., Иванов О.П., Куприянова A.B. Свойства рабочих веществ, теплоносителей и материалов, используемых в холодильной технике. Издательство ленинградского университета, 1972. 148 с.

11. Богданов С.Г., Иванов О.П., Куприянова A.B. Холодильная техника. Свойства веществ. -М.: Агрпромиздат, 1985. 208 с.

12. Быков A.B. Холодильные машины. -М: Лёгкая и пищевая промышленность, 1982. 220 с.

13. Быков A.B. Эксплутция холодильников. -М: Лёгкая и пищеваяпромышленность, 1977. 208 с.

14. Быстров П.И., Михайлов B.C. Гидродинамика коллекторных теп-лообменных аппаратов. -М.: Энергоиздат, 1982. 224 с.

15. Вайнштейн В.Д. Канторович В.И. Низкотемпературные холодильные установки. -М.: Пищевая и лёгкая промышленность, 1972. 352 с.

16. Вайсман М.Д. Термодинамика парожидкостных потоков. -Л.: "Энергия", 1967. 272 с.

17. Валов М.И., Казанджан Б.И. Системы солнечного теплоснабжения. Издательство МЭИ, 1997. 140 с.

18. Васильев JI.JI., Гракович Л.П., Хрусталев Д.К. Тепловые трубы в системах с возобновляемыми источниками энергии. Минск, Наука и техника, 1988. 160 с.

19. Везирищвили О.Ш., Меладзе Н.В. Энергосберегающие теплона-сосные системы тепло- и хладоснабжения. -М.: МЭИ, 1994. 158 с.

20. Вейнберг Б.С. Расчёт термодинамического цикла пароэжекторной машины. Холодильная техника, 1961. №5

21. Воронин В.Г. и др. Низкотемпературные тепловые трубы для летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1976. 200 с.

22. Данилова Г.Н., Богданов С.Н., Иванов О.П. и др. Теплообменные аппараты холодильных установок. -Л.: Машиностроение, 1986. 303 с.

23. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. -М.: Энергия, 1974. 592 с.

24. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. -М.: Энергоиздат, 1981.472с.

25. Джордж О мура: AutoCAD 13 для Windows 95, Windows 3.1 и Windows NT, -M.: "Лори", 1997. 756 с.

26. Захаров Ю.В. Судовые устройства кондиционирования воздуха и холодильные машины. -Л.: Судостроение, 1979. 586 с.

27. Гоголин A.A. Интенсификация теплообмена в испарителях холодильных машин. М.: Лёгкая и пищевая промышленность, 1982. 222 с.

28. Головин B.C., Кольчугин Б.А., Лабунцов Д.А. Экспериментальное исследование теплообмена и критических тепловых нагрузок при кипении воды в условиях свободного движения. -ИФЖ, 1963. т.6, №2. с.3-7

29. Головин B.C., Кольчугин Б.А., Захарова Э.А. Измерение скорости паровых пузырьков при кипении различных жидкостей. "Теплофизика высоких температур", 1966. Т.4, №1. С. 147-148.

30. Голуков Б.Н., Романнова Т.М., Гусев В.А. Проектирование и эксплуатация установок кондиционирования воздуха и отопления. -М.: Энергоатомиздат, 1988. 126 с.

31. Исаченко В.И. Теплообмен при конденсации. -М.: "Энергия", 1977. 240с.

32. Исаченко В .П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. -М.: Энергоатомиздат, 1981. 416 с.

33. Исследование теплофизических свойств рабочих веществ и процессов теплообмена в холодильной технике. -Л.: Межвузовский сборник научных трудов, 1989. 158 с.

34. Каплан Л.Г. Торговое холодильное оборудование. -М: Лёгкая и пищевая промышленность,!983. 288 с.

35. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. -М.: Энергоатомиздат, 1983. 416 с.

36. Кружлин Г.Н. Теплоотдача от поверхности нагрева к кипящей од-нокомпонентной жидкости при свободной конвекции. -"Изв. АН СССР. ОНТ" 1948. №7.

37. Михайлов А.К., Ворошилов В.П Компрессорные машины. -М: Энергоатомиздат, 1989. 288 с.

38. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. -М.: Энергия, 1977. 344 с.

39. Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. -Томск: МП "Раско", 1991. 272 с.

40. Лабунцов Д. А., Абдусатторов З.С. Экспериментальное исследование предельных режимов кипения при инерционных перегрузках.-"Теплоэнергетика", 1963. №2.

41. Оносовский В.В. Моделирование и оптимизация холодильных установок. -Л.: Издательство Ленинградского университета, 1990.

42. Павлов Ю.М., Яковлев И.В., Захаров C.B. Перегревы и закипание жидкостей. МЭИ, 1997. 40 с.

43. Перельштейн И.И., Парушие Е.Б. Термодинамические теплофизи-ческие свойства рабочих веществ холодильных машин и тепловых насосов. -М.: Лёгкая и пищевая промышленность, 1984. 216 с.

44. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. -Л.: Машиностроение, 1976. 502 с.

45. Рой Дж. Доссат Основы холодильной техники. -М.: Пищевая и лёгкая промышленность, 1984.520 с.

46. Серебряный И.М. Пособие для машинистов холодильных установок. -Киев: "Техника", 1974. 240 с.

47. Сильман М.А., Шумелишский М.Г. Пароводяные эжекторные холодильные машины. -М.: Лёгкая и пищевая промышленность, 1984. 272 с.

48. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. -М.: Энергоиздат, 1981. 320 с.

49. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. -М.: Энергия, 1975. 376 с.

50. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. -М.: Энерго-атомиздат, 1989. 352 с.

51. Тамарин М.Д., Симаков Б.Д., Головко В.П. Диаграммы I-s и I-d и их применение для теплотехнических расчётов. Харьков, Издательство харьковского ордена трудового красного знамени государственного университета им. A.M. Горького, 1970. 100 с.

52. Томановская В.Ф., Колотова Б.Е Фреоны. издательство "Химия", Ленинградское отделение, 1970. 182 с.

53. Федоров В.А., Мильман О.О. Тепло-гидравлические автоколебания и неустойчивость в теплообменных системах с двухфазным потоком. -М.: МЭИ, 1998. 244 с.

54. Фисенко В.В. Критические двухфазные потоки. -М.: Атомиздат, 1978. 160 с.

55. Чуклин С.Г., Никульшина Д.Г., Чумак И.Г. Примеры расчётов холодильных установок. -М.: Лёгкая и пищевая промышленность, 1964. 382 с.

56. Шумелишский М.Г., Грачев A.M. О степени термодинамического совершенства пароводяных эжекторных холодильных машин. Холодильная техника, 1975. №2.

57. Яворский Б.С., Пинский А.А. Основы физики. -М.: Наука, 1981. 480 с.

58. Fedorov V.N., Bolotin Е.М., Borodkin А.А., Sasin V.J., Fantozzi F. The experimental Research of an Anti-Gravity Thermosyphon for a Heating System // 520 Congresso Nazionale ATI, v.l, Cernobbio, Italy, 1997. pp.349-356.

59. Kawabata K., Hashimoto N., Kamiya Y. Anti-Gravity Heat Pipe. // Processing of 10th Int. Heat Pipe Conf., 1997, Stuttgart, Germany.

60. Kenya Kawabata, Nobuyuki Hashimoto, Yoshiyuki Kamiya. Anti-Gravity Heat Pipe. The Furukawa Electric Co., Ltd. 2-4-3 Okano Nishi-ku Yokohama Japan, 220. Kanto Gakuin University. 4834 Mutsuura-cho Kanazawa-ku Yokohama, 236.

61. Maezawa S., Nakajima R., Akachi H. Experimental Study on Chaotic Behavior of Thermohydraulic Oscillation in Oscillating Thermosyphon. // Processing of 10th Int. Heat Pipe Conf., 1997, Stuttgart, Germany.

62. Richard C. Jordan, Gayle B. Priester. Refrigeration and air conditioning. Tokyo, Prentice-Hall, ING., Englewood Cliffs, N.J.

63. Charles E. Tuttle company, 1965. 556 p.

64. Tamburini P. «T-SYSTEM» proposal of New Concept Heat Transport system/ 3rd Int. Heat Pipe Conf., Palo Alto, USA, 1978.

65. Tolubinsky V.J., Ostrovsky J.N. On the mechanism of boiling heat transfer (vapor puppies growth rate in the process of boiling of liquid, solution and binary mixtures). "Int.Journ.Heata.Mass Transfer" 1966, vol.9, p. 1463-1470

66. Trane air conditioning manual. Winconsin, Published in the Interests of the air conditioning industry by The Trane company la cross, 1965.456 p.

67. Venemann H.G. Theory and application. Chicago, Nickerson & Colling Co. 336 p.

68. Siepmann R., Wulz H.G., Kreeb H. Two-Phase Heat Transport Systems European Technology Status // Processing of the 7th Int. Heat Pipe Conf., 1990, Minsk, USSR.

69. Ha Dáng Trung, Nguyén Quán. Cú sd ky thuat diéu tiét khóng khí. Há Noi: NXB khoa hoc vá ky thuát,1997, 228 p.

70. Nguyén Dúc Ltíi, Pham Ván Tuy. Moi chát lanh. NXB giáo due, 1996. 312p.

71. Nguyen Dúc Ltíi, Pham Ván Tuy. Ky thuat lanh cú sé. NXB giáo due, 1996. 328 p.

72. Nguyen Dúc Ltíi, Pham Ván Tuy, Dinh Ván Thuan. Ky thuat lanh ung dung. NXB giáo due, 1995. 372 p.

73. Nguyén Ván May. Tính toán, van hánh vá súa chüa máy lanh. Há Noi: NXB khoa hoc vá ky thuat, 1985. 173 p.

74. Trán Dúc Ba. Ky thuat lanh dai ciítíng. NXB Dai hoc vá trung hoc chuyén nghiep,1986. 234 p.

75. Trán Thanh Ky. Máy lanh. Hó Chí Minh, 1983. 288 p.

76. Сасин В.Я, Бородкин A.A., Болотин E.M., Jle Суан Xoa,

77. Ф.Фантоцци. Разработка и исследование двухфазных безнасосных теплопередающих систем // Вторая российская национальная конференция по теплообмену: докл. -М., 1998. -Т.5. -С. 93-ь96.

78. Сасин В.Я., Jle Суан Хоа, Егоров А.В. Проект промышленной системы хладоснабжения на основе двухфазного пульсационного контура с эжектором // Вторая российская национальная конференция по теплообмену: докл. -М., 1998. -Т.5. -С.97-99.

79. Sasin V.J., Le Xuan Hoa. Outlook at application of pulsing thermosyphons in vapor-ejector type refrigerators // International workshop "Non-compression refrigeration & cooling": тез. докл. -Odessa, 1999. -С. 138.

80. Лe Суан Хоа. Безнасосная пульсационная пароэжекторная холодильная установка // IV научный симпозиум Вьетнамской научно-технической ассоциации в РФ: докл. -М., 1999. -С. 287-295.

81. Ле Суан Хоа. Истечение жидкости из аккумулятора через трубу // IV научный симпозиум Вьетнамской научно-технической ассоциации в РФ: докл. -М., 1999.-С. 296-300.