автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Разработка и исследование ЭГД-насоса для холодильных систем с использованием наружного холода

Введение.

1. Анализ литературных и патентных источников по использованию наружного холода в схемах холодильных установок.

1.1. Выбор и анализ холодильных установок с использованием наружного холода.

1.2. Выводы.

2. Анализ состояния работ по ЭГД - преобразователям энергии и задачи исследования ЭГД - насоса для холодильных систем.

2.1. Введение (Возникновение и развитие ЭГД

- преобразователей энергии).

2.1.1. Принцип действия и физика процессов в ЭГД-нагнетателе.

2.1.2.Механизм образования объемного заряда в жидкости.

2.1.3. Компановка ЭГД - преобразователей.

2.2. Выводы и задачи исследования.

3. Расчетная модель и теоретический анализ процессов в ступени крио -ЭГД - насоса.

3.1. Выбор конструктивной схемы и физическая модель процессов в ступени ЭГД - насоса.

3.2. Математическая модель процессов в ступени ЭГД - насоса с электродной схемой: эмиттер - тонкостенный цилиндр; коллектор - кольцевой конус.

3.2.1. Уравнения движения.

3.2.2. Уравнения граничной поверхности (траектории) области объемного заряда.

3.2.3. Уравнение профиля канала.

3.2.4. Уравнение электрического поля.

3.2.5. Уравнения внешнего электрического поля от приложенного напряжения.

3.2.6. Осевая составляющая напряженности электрического поля от объемного заряда.

3.2.7. Радиальная составляющая напряженности электрического поля от объемного заряда.

3.2.8. Уравнение конвективного тока.

3.2.9. Общая система уравнений процессов в

ЭГД-насосе.

3.3. Теоретический анализ процессов в ЭГД — насосе.

4. Экспериментальное исследование крио- ЭГД

- насоса.

4.1. Задачи экспериментального исследования.

4.2. Экспериментальный образец ступени и стенда для экспериментального исследования ступени ЭГД - насоса.

4.3. Методика экспериментального исследования ступени ЭГД - насоса.

4.4. Результаты экспериментального исследования ступени ЭГД - насоса. ПО З^ЫВОДЫ ; ( i i i « i t i « ti i i «i t < i 1 i > 4 i « i t м tiii » i i ^ uti

5. Разработка и испытание многоступенчатого

ЭГД - насоса.

5.1. Конструкция многоступенчатого

Д HclOOOcl * 1 1 Н

5.2. Экспериментальный стенд для испытания многоступенчатого ЭГД - насоса,.

5.3. Результаты испытаний многоступенчатого

ЭГД-насоса.

Использование наружного холода в зимний и осенне-весенний периоды, о когда окружающий воздух имеет относительно низкие температуры, от О С о до -30 С, приводит к значительной экономии электроэнергии по сравнению с традиционным производством холода при помощи компрессорной холодильной установки. Особенно важна разработка такой установки в районах Сибири и Крайнего Севера, где производство и подача энергии ограничены, а наружного холода предостаточно.

Как показала практика, работа машинного оборудования, в частности компрессора, при понижении температуры происходит в тяжелых климатических условиях, что приводит к частому выходу его из строя.

Так, наблюдения на мясокомбинате ПХ "Ковалевское" Омской области показали, что за период с февраля 1993г. по март 1994г. зарегистрировано 6 отказов оборудования: из них два связано с поломкой компрессора (стоимость замены - 6000 долл. США) и четыре - с выходом из строя арматуры (редукторы и реле). Анализ состояния оборудования, проведенный в августе-сентябре 1995г. показал, что в системе имеет место повышенный расход масла, перекачиваемого компрессором, что является одной из причин поломок компрессора в зимнее время. Для холодного времени года характерен наиболее тяжелый режим работы компрессорно-конденсаторного оборудования. С понижением температуры окружающего воздуха компрессор может оказаться на влажном ходу, особенно в момент запуска, ухудшаются условия работы трущихся пар, возникают проблемы разделения масло-фреоновых смесей и ряд других причин, связанных с ухудшением работы арматуры и те-плообменных аппаратов. Кроме этого, по регламенту завода-изготовителя, технологический режим работы компрессорно-конденсаторных агрегатов по давлению не должен опускаться зимой ниже 0,11 МПа, иначе их работа приводит к перерасходу энергозатрат на выработку холода в зимний период. Поэтому разработка холодильной установки с использованием наружного холода в связи с удорожанием электроэнергии является актуальной и своевременной проблемой.

-г

С целью увеличения ресурса работы существующих холодильных установок, а также разработки новых низкотемпературных систем, использующих наружный холод, одной из первых задач является нахождение оптимальной схемы холодильной установки, надежно работающей в зимний и осенне-весенний периоды года с минимальными энергозатратами.

В практике использования наружного холода при работе компрессионных холодильных установок можно выделить три основных направления:

• наиболее простым и распространенным способом охлаждения является непосредственная подача холодного воздуха в камеры охлаждения или хранения продуктов, когда наружная температура воздуха ниже требуемой в камере. Однако этот способ зачастую не может быть применен. Например, для мясокомбината он не приемлем, так как нарушаются требования санэпиднадзора по исключению перемешивания потоков воздуха при хранении продуктов и сырого мяса. При таком способе охлаждения происходит большая усушка продуктов, нарушается влажно-стной режим в камерах, в связи с чем ухудшаются потребительские свойства продуктов питания; ко второму направлению можно отнести способы использования наружного холода в схемах рассольного охлаждения, когда рассол прокачивается через дополнительный наружный охладитель;

• к третьему направлению относятся способы с использованием наружного холода в установках с дополнительными циркуляционными контурами в схемах холодильных компрессионных систем.

Данная работа посвящена разработке и исследованию систем охлаждения с использованием наружного холода на основе компрессионных установок с дополнительным циркуляционным контуром с насосом.

На основе анализа литературных источников выбрана оптимальная схема холодильной установки с дополнительным циркуляционным контуром на основе электрогидродинамического (ЭГД) насоса.

В отличие от обычных механических насосов ЭГД-насос не имеет движущихся механических частей. В нем подведенная электрическая энергия непосредственно преобразуется в энергию потока жидкости. Принцип действия ЭГД-насоса основан на силовом взаимодействии униполярно заряженного потока с электрическим полем. Как показали предварительные исследования ступени ЭГД-насоса, подача рабочих жидкостей, в частности жидкого хлад о на 22 вполне удовлетворительно может осуществляться с помощью таких насосов.

Данная работа посвящена анализу литературных источников по использованию наружного холода в схемах холодильных установок, выбору оптимальной схемы холодильной установки, выбору насоса для работы в циркуляционном контуре этой установки в зимний и осенне-весенний периоды, разработке и исследованию ЭГД-насоса для работы в холодильных системах с использованием наружного холода, разработке рекомендаций по конструированию ЭГД-насоса для подачи хладонов и других криожидкостей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований процессов в ЗГД-насосе с новой системой электродов можно сделать следующие заключения и выводы:

1. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования процессов в ЭГД-насосе с новой системой электродов доказали возможность значительно увеличить величину конвективного тока, значение мощности и, как следствие, производительность в одной ступени.

2. Разработанные физическая и математическая модели, процессов в ступени ЭГД-насоса с новой системой электродов позволили выявить основные зависимости конвективного тока, мощности и производительности от приложенного напряжения, геометрии и формы системы электродов, параметров и состояния перекачиваемых хладонов, определить оптимальный режим и эффективность работы ступени.

3. Экспериментальные исследования процессов в ступени и многоступенчатом ЭГД-насосе подтвердили адекватность разработанной математической модели с экспериментом, доказали нормальную работоспособность ЭГД-насоса с новой системой электродов на больших производительностях с относительно высокой эффективностью работы.

4. Разработанная конструкция ступени и многоступенчатого ЭГД-насоса с новой системой электродов при экспериментальном исследовании подтвердила возможность достижения параметров и характеристик для эффективной работы в реальных холодильных системах с использованием наружного холода в осенне-весенний и зимний периоды года.

5. Предложенные рекомендации по конструированию ступени и ЭГД-насоса позволяют разрабатывать многоступенчатые ЭГД-насосы с новой системой электродов для работы в циркуляционных контурах широкого спектра холодильных систем с различной холодопроизводи-тельностъю с использованием наружного холода и других установках по перекачке хладонов и низкотемпературных диэлектрических жидкостей, включая сжиженный природный газ.

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика.-М., изд."Наука", 1976.

2. Адамчевский И. Электрическая проводимость жидких диэлектриков.-М., изд."Энергия", 1972.

3. Апфельбаум М.С., Полянский В.А. Об образовании объёмного заряда в слабопроводящих средах,- "Магнитная гидродинамика", 1982, №1, с.71-76.

4. Апфелъбаум М.С. О переносе объёмного заряда слабым течением диэлектрической жидкости в сильном неоднородном электрическом поле,-"Магнитная гидродинамика", 1978, №2, с.83-86.

5. Арабаджи В.И. ЖТФ, 1950, №20,967с.

6. А.с. 498454(СССР). Холодильная установка / А.А.Несвицкий, В.А.Ивочкин,- Опубл. в Б.И., 1976, №1.

7. А.с. 759807(СССР). Холодильная установка / А.А.Несвицкий, В.А.Ивочкин, А.П.Мелъников.- Опубл. в Б.И., 1980, №32.

8. А.с.596788(СССР). Многоступенчатая компрессионная холодильная установка / А.Н.Кабаков, В.А.Максименко, В.П.Парфёнов, А.А.Несвицкий.-Опубл.в Б.И., 1978, №9.

9. А.с.866358(СССР). Многоступенчатая компрессионная холодильная установка /А.Н.Кабаков, В.А.Максименко, В.П.Парфёнов, А.А.Несвицкий,-Опубл. вБ.И., 1981, №35.

10. А.с.673820(СССР). Холодильная установка / Л.М.Андреев, А.П.Черноб-рывец, В.И.Мацев, Т.С.Комарова.- Опубл. в Б.И., 1979, №26.

11. И. Patent №7739534(Fr). Installation de refroidissement par changement de phase /Endins Marta.- Filed: 28/12/77; Published 27.07.79.

12. A.c.806996(CCCP). Способ параллельной работы компрессионных холодильных машин / А.А.Несвицкий, А.П.Мельников, В.В.Строев. Опубл. в Б.И., 1981, №7.

13. А.с.879193(СССР). Холодильная установка / АА.Несвицкий,- Опубл. в Б.И., 1981, №41.

14. А.с.731215(СССР). Холодильная установка / Е.Т.Петров, М.З.Печатников, Ю.В.Говердовский, АА.Несвицкий, Л.А.Смирнова.- Опубл. в Б.И., 1980, №16.

15. А.с. 968557(СССР). Опубл. в Б.И., 1981, №41.

16. Балыгин И.Е. Электрическая прочность жидких диэлектриков.-М., изд. "Энергия", 1964.

17. Белецкий З.М., Рыженко В.И., Тополянский E.JI.- Электротехника, 1974, №4, 46 с.

18. Болота М.К., Бурштейн Н.Ф., Гросу Ф.П. Неустойчивость термически неоднородного слоя слабопроводящей жидкости в электрическом поле.- Известия АН СССР, МЖГ, 1974, №6.

19. Борок A.M. Электрогазодинамический компрессор с нейтрализацией пространственного заряда.- Журн.ТВТ АН СССР, 1969, ж.7, №6, с.991-996.

20. Бортников Ю.С., Рубашов И.Б. Электрогазодинамические эффекты и их применение,- Магнитная гидродинамика, 1975, №1, с.23-34.

21. Бортников Ю.С., Нестеров В.А., Рубашов И.Б. Исследование характеристик ступени ионно-конвекционного насоса,- ПМТФ, 1968, №4.

22. Бортников Ю.С., Рубашов И.Б. Эффективность электрогидродинамических преобразователей энергии.- "Магнитная гидродинамика", 1962, №2, с.102-106.

23. Бортников Ю.С. и др. ПМТФ, 1968, №4, с. 154.

24. Бродянский В.М., Семёнов A.M. Термодинамические основы криогенной техники.-М., "Энергия", 1980, с.448,

25. Бродянский В.М., Верещагин И.П. и др. Способ охлаждения рабочего те-ла.-А.с.СССР №511484, 1976.

26. Ватажин А.Б., Грабовский В.Н. Коронный разряд в движущемся газе.- \/ Изв.АН СССР. Механика жидкости и газа, 1983, №3, с. 133-141.

27. Ватажин А.Б., Грабовский В.И., Лихтер В.А., Шульгин В.И. Электрогазодинамические течения.-М., "Наука", 1983, с.344.

28. Верещагин И.П., ЛевитовВ.И., Мирзабекян Т.З., Пашин М.М. Основы ^ электрогазодинамики дисперсных систем.-М., "Энергия", 1974, с.476.

29. Верещагин И.П. Коронный разряд в аппаратах электронно-ионной техно- -у логии.-М., "Энергоиздат", 1985.

30. Гогосов В.В., Полянский В.А. Электрогидродинамика: задачи, приложения, основные уравнения, разрывные решения В кн.:"Механика жидкости и газа"(Итоги науки и техники).-М., ВИНИТИ, 1976, т. 10.

31. Гогосов В.В., Полянский В.А., Шапошникова Г.А., Вартанян А.А. Исследование движения сред, взаимодействующих с электромагнитным по-лем.М., МинВУЗ СССР, МГУ им.М.В.Ломоносова. Институт механики. Отчет №3485, 1987, с. 118.1. W6

32. Грезин A.K., Зиновьев B.C. Микрокриогенная техника.-М., Машиностроение, 1977, с.232.

33. Дейч М.Е., Циклаури Г.В. Элементы магнитной г и дро динами к и. М., МЭК, 1974,с.130.

34. Денисов А.А., Нагорный B.C. Электрогидро-и электрогазодинамические устройства автоматики.-Л., Машиностроение, 1979.

35. Жакин А.Н. О неозотермической электроконвекции.-Изв. АН СССР, Механика жидкости и газа, 1980, №2, с. 183.

36. Жижерин Р.Г., Бабат Г.И. Электричество.- 1938, №1, с.39.

37. Зыков А.А. Атмосферный униполярный примесный тандем-ионный двигатель,- Магнитная гидродинамика, 1974, №3.

38. Зыков В.А. Исследования газового двигателя ,-М., кан.дисс., МАИ, J 971.

39. Кабаков А.Н., Кал скин B.C., Несвицкий А.А. К вопросу использования низкой температуры охлаждающего воздуха в холодильных установках. ОмПИ, сб. "Вопросы криогенной техники", Омск, 1974.

40. Калашников С.Г. Электричество.-М., изд."Наука", 1970, с.666.

41. Капцов Н.А. Коронный разряд и применение его в электрофильтрах.- Гос-техиздат, 1947.

42. Капцов Н.А. Электроника.-М., ГИТТЛ, 1953.

43. Касьянов В.А. Основные уравнения электродинамики для ламинарного пограничного слоя и ламинарного течения,- ДАН УРСР, 1964, №8.

44. Касьянов В.А., Мхитарян А.А.- В сб.Гидромеханика, 1972, №29.

45. Кучинский Г.С. Теория пробоя тонких слоев жидких диэлектриков.-ЖТФ, 1966, т.36, вып.7.

46. Ландау Д.Д., Лившиц Е.М. Электродинамика сплошных сред.-М.,"Наука", 1982.

47. Левитов В.И. Корона переменного тока.-М., "Энергия", 1969.

48. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа.-М.,"Наука", 1973, с.847.

49. Льюис Г. Электрическая прочность и проводимость жидких диэлектриков в сильных полях.-Л., в кн."Прогресс в области диэлектриков", 1962, г. 1.

50. Майбуров С.П., Остроумов Г.А. Электрический ветер в жидкости и его реакция на острие,- ЭОМ, 1967, №4, с. 12.

51. Максутов Р. Электрогидродинамический насос.-А.с. СССР, №116125, 1958.1. I Я- ~

52. Gonrdine M. In: Proceedings International Symposium on Electrohydrody-namics Massachusetts Inst, af Teochnology, USR, 1969, p.l64.

53. Iorgenson G., Will E. Improved Ion Drag Pump.Review of scintific Instruments Vol.33, №1,1962.

54. Intola, 8 Liguid dielectric pump. USR. Pat.3.267.859, 1964.

55. Kahn В., Gonrdine M. Electrogasdynamic. Power Generation, A1AA. Ionrnal, 1964,2,8.

56. Kahn В., Gonrdine M. A Basic study of Slender Channel Electrogasdynamics. ARL 63-205, Nov. 1963.

57. Kahn B. A Continuation of the Basic Study of Slender Chaunel Electrogasdynamics ARL 65-4. 1965.

58. Marks A. An electrothermodynamic Ericsson cycle heat electric povers.-Eng.conf: Energy Spark and Lifline Giviliz, Los Angeles, 1982, Vol.1, pp.490495.

59. Marks A. Et al.Amer, Inst. Aeronaut and Astronaut. I.,2,45,1964.

60. Marks A., Barretto E., Chy C. Chargend Aerosol Energy Converter, A1AA, 1963.

61. Marks A. Patent №3, 792.293, 1974.

62. Musgrove P. Refregerators.Pat.Velikobr.№l. 423.825,1976.

63. Musgrove P., Welson A. Corona Charging of Aerosols for Electrodinamic Generators Energy Conversion, 1972, Vol.12, pp.21-24.

64. Musgrove P. The prospects for electrogasdynamic energy conversion.

65. Pauthenier M. Moreau-Hanot. Bull.Sos.franc.electriens, 6, 1936.

66. Reader N.Electricfluid energy converter US.Patent, n3.554.669, 1971.

67. Soo S. Direct Energy Conversion, 1968, pp.224-229.

68. Stuetzer O. Ion Drag Pressure Generation. Iournal of Applied Physics, Vol.30, №7, 1959.

69. Stuetzer O. Phys.Fluids, 1962, 5, 534.

70. Stuetzer O. Appl.Phys., 32,136, 1960.

71. Stuetzer O. Instability of Certain Electrohydrodynamic Systems,- the Phys. of Fluids, 1959, Vol.2, №6.

72. Stuetzer O. Ion Transport high Voltage generators, Rev.Sci.Inst., 32, 16-22, 1961.

73. Stuetzer O. Ion Drag pumps. US Pat.№3.398.685, 1968.

74. Сибирское региональное отделение

75. Сибирского отделения Международной АкадемиЮ&. д.т.н., профессор, акаде» Международной Академ.1. Б.Т.Грязнов

76. ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО •СИБКРИОТЕХНИКА

77. Генеральный директор АООТ «Сибкриоте1. АКТис09001 икпмяичсыш

78. Академик Междун Академии Холода,1. А.К.Грезин

79. Vrm сертифицирован i Я Российскимл

80. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС1. КРИОГЕННАЯ ТЕХНИКА"

81. Общество с ограниченной ответственностью

82. РОССИЯ, 644105, г. Омск-105, Факс: (3812)-26-48-26ул. 22 Партсъезда, д. № 97, корп. 1 Тел.: (3812)-21-01-43

83. E-Mail:cryotechntk@omsknet.ru1. На № от1. АКТоб использовании результатов диссертационной работы Попова Леонида Викторовича «Разработка и исследование ЭГД-насоса для подачи хладонов в холодильных системах с использованием наружного холода»

84. Тема 140 "Создание СКВ и холодильной установки на базе ЭГД-компрессора".

85. Тема 245 "Создание ЭГД-компрессора и ЭГД-насоса".

86. Проведенные работы позволили сделать вывод о перспективности применения ЭГД-насосов в холодильных системах с использованием наружного холода различной хладопроизводительности, а также других энергетических установках, перекачивающих хладоны.

87. Директор ООО HJK «Криогенная техника» Д Академик Международной - j

88. Академии Холоща, k.T4J.,c,h.c. / А.В.Громов1. X • * Г П '