автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка методов расчета и исследование теплообмена испарительно-газификационных систем с криогенерацией льда и инея

рг6 ол

1 9 ДПР 1993

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

МАРИНЮК БОРИС ТИМОФЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ИСПАРИТЕЛЬНО-ГАЗИФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ С КРИОГЕНЕРАЦИЕИ ЛЬДА И ИНЕЯ

05.17.08 — процессы и аппараты химической технологии

05.04.03 — машины и аппараты холодильной и криогенной техники и систем кондиционирования

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Московской государственной академии химического машиностроения.

Официальные оппоненты:

профессор, доктор технических наук АРХАРОВ А. М.

профессор, доктор технических наук МАЙКОВ В. П.

профессор, доктор технических наук АРУТЮНОВ Б. А.

Ведущая организация: НПО КРИОГЕНМАШ г. Балашиха

Защита состоится «20» 1993 г. в// чамин.

на заседании специализированного совета по защите докторских диссертаций Д.06.344.01 при Московской государственной академии химического машиностроения по адресу: 107884, Москва Б-66, ул. Старая Басманная, 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан « »Л 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

О. Н. ЕРМОЛАЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Получение холода на разных теипер*.тур-1!их уровнях, а тякхе практическое использование его связаш с переносок энергии различными механизмами. Учитывая, что реализация холодильной мощности, производимой на установке, осуществляется в иопарительнэ-гаэифккацяонноЯ системе посредством теплопередачи, протекающей с конечной разностью температур, которая для аппаратов и машин криогенной техники достигает 200 и бслез градусов,ис-паритель!йя система и процессы теплообмена, проистекающие в ней, являются объектами теоретического к ¡эксперимент.!льного исследования в комтлексе низкотемпературной установки.

Особую актуальность эта задача приобретает в открытых г.спэри-тельньк системах, где охлаждаемая теплолередчшая поверхность обртлен-, в о кружа юсу» среду влажного г чдуха или воды. Развктио процесса теплосбмед-1 в этом случае сопровождлстся образованием кряоосадка, который в значительной степени илияет на теплопередачу , кассовые и габаритные. показатели низкотемпературного оборудования.

Тендзнцин развития вшуска низкотемпературных г.'лаин, аппаратов и установок показывают, что пар* оборудования, поверхности которого в условиях эксплуатации подвержен льдоинеевкм образованиям стабильно растёт. В первую очередь ото отн-^ггея ;с криогенной технике. Анализ систем снабжения потребителей криогенными продукт«ыи и сравнение ¡ос оконоиичесхоЕ эффективности показизают, что наиболее рациональной фор:.., л снабжения является доставка крнопродузтов потребителям в ж.дком виде с последуюией газификацией иа месте потребления.

Газификация жидких криолродуктсп за счёт чеала окрутлжцей среди - води или воздуха является наиболее экономично,; и простой в конструктивном отноаонил формой ведения процесса, чем и объясняется аирокоо распространенна холодных криогенных газификаторов атмосферного типа, звторые выпускаются прО).ал!ленностью с диапазоном производительностей от 500 до 2000 мэ/ч по газообразному продукту.

В холодильной технике инеевый криоосадок образуется на змее-пиково-ребристой поверхности камерных воздухоохладителей, батарей, енегогенераторов. В условиях льдообразования на активной

поверхности работает холодоакку;>«уляторы, льдогенераторы различив типов 1 всдоохпэдители, некоторые типы газификаторов сжиженного природного гязя. Прогрессивки).! направление;.: техники низких '¿емлер^тур является использование искусственного холода для замораживания участков иоду и слабнх грунтов, что обещает существенно сократить сроки вззЕедения платформ поиска и разв-дки но£>-ти а снизить 1к стоикосто.

Успезков проектирование низкотемпературного оборудования, работающего в условиях льдеинеевых отлохений, требует покимо знания динамики наморг.лсииания инея и льда и учат.«» их характеристик, которые в сильно;- степени влияат на эффективность работы установок, кх габаритI! 1'лссоше показатели.

В то же время, несмотря к& известное распространенно явления льдоинеевых випадеиий в технике низких температур, в доступной отечественна й и зарубежной литературе отсутствуют исчерпывающие сведения, необходию-'е длл пр- ледения инженерия расчетов по тепло и ¡.'яссооСме.чу в условиях льдсинэевых выпадений при естественной и ЕЕЦуждекноЯ конвекцми воздуха и воды.

Слокшсть условий взаимодействия поверхности, находящейся при кизкоИ температуре с влахным воздухом, вытекает из двойственном :: процесса тепло- и массообмена, а такие из большого числа факторов, влияющих на это вэаиыодейстьие. Особенно это относится к низкотекпературним режимам, при которых возникает ряд специфических явлений, не позволяющих механически использовать результаты и рекомендации, полученные при высоких температурах каюражи- ■ вания инея.

Теплообмен в усдорнях льдообразования требует рассмотрения разновидности задачи Стефана с переменной границей фронта фяэоЕч-го превращения. Применение криотехнических режимов накораккзяния льда приводит к необходимости учёта зависимости теплофизических свойств льда от температурь', что подчёркивает нелинеПныЯ характер задачи.

Иснарительно-газификационные систеш 0ТКр1ТТ0Г0 типа и холо-; :льноЯ техника существенно уступают по тепловой эффективности закрытии к,тем более-.конденсатор!«;.! системам, они доминируя? в общей гассе низкотемпературной установки. Поэтому снижение массовых и габаритных показателей ИГС остаётся важнейшим вопросом при проектировг. лл низкотемпературного оборудования.

Работа выполнялась в соответствии с постановлением С'Л СССР ™ 136-46 от 27.OI.t36.

1;ел:>ю работа является поънпение ¡эффективности низкоте:ипера-турного оборудования, работающего в условиях криогенерации льда и инея, путём совершенствования методов его расчёта и улучшения конструктивно-технических показателей.

Для достижении цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать процессь: тепло- к массообнена в условиях образования льда и инея на охлаждаемой поверхности стенки в широком 4 диапазоне низких те./лернтур на её поверхности вплоть до криогенных;

■ - получить зависимости, которые с достаточной для инженерных расчётов точностью позволяют определит» основное факторы теплопередачи при образования криоосадноп изо льда к яьйп;

- создать комплексную физико-математическую модель теплового к конструктивного расчетов атмосферного газификатора яидких криопродуктов, m основании чзго шлолнить численное исследование гл ЭЦВМ влияния различных факторов на эффективность процесса газификации;

- осуществить длительные испытания в реальных условиях окру-jsaraefi среди холодного криогенного газификатора -тмосферного типа, выпускаемого про;.:ызленностыо, провести анализ скодк;.:ос?'л расчётов по разработанной модели с результатами испытаний;

- разработать практические .еколендации по эксплуатации газификаторов атмосферного типа;

- провести экспериментальное исследование вдоличных схем компоновок газификаторов с целью выявления ¡^'».„олее эффективной по теплообмену схемы;

- разработать новые конструктивные схемы.испарительно-гази-фикационних систем интенсивного типа.

h^IiiilSJJSIiilSUl! работы состоит в том, что поставлены и реие-101 задачи обоснованного расчёта и проектирования пепарительно-газификяционкых систем, работавших в условиях образования крио-осадкл из льда и инея на активней теплопередаюаей поверхности, разработаны принципы интенсификации тепло- и массообмена, проте-каотого в действующих ИГС, созданы ковьго системы ITC в виде конструктивных схем, макетных к экспериментальных образцов.

Полученные автором экспериментальные и расчётно-теоретичес-

кие íí экспериментальные результаты, больяая часть которых является ковы.'.'л, в совокупности с научными положениями позволяет теоретически обобиить и репамь крупную научно-техническую проблем, /.'.'.евшую влжноз народнохозяйственное значение.

новизна которых защищается в

работе:

I. Разработана модификация информационного полхода при анализе процесса теплопроводности.

?.. Получено приближённое аналитическое решение задачи теплообмена при намораживании льда на охлаждаемой поверхности стенки с учётом i! Озз учёта зависимости термических свойств льда от температуры.

3. Экспериментально изучено влияние температуры металлической поверхности стенки и параметров воздуха на темп роста инее-вого осадкь, получены данные по теплофизичееккм свойствам клеевою осадка, образуемого нг. ••еталлической поверхности стенки, охлаждаемой вплоть до криогенных температур, выявлена зависимость коэффициентов теплопроводности инея от температуря его образования.

4. Обнаружено влияние темпа охлаждения металлической стенки на глссу осавдаемого инея, предложен! система эмпирических зависимостей, позволявших рассчитать толшицу, массу и теплопроводность инезвого слоя на фиксированный момент времени в условиях криогенных температур на охлаждаемой поверхности стенки.

5. Разработан приближенный аналитический не-.од расчёта динамики намерзания иисевого криоосадка и его термосвойств на охлаж-даемоП поверхности станки.

6. Пред пожен ряд инженерных соотношений, позволяюяих провести приближённую оценку толщины слоя намораживаемого инея и его термосвойств.

7. Выявлен маханизм интенсификации наружной теплоотдачи к поверхности намораживаемого льда от води в условиях естественной конвекции и криогенных температур на охлаждаемой поверхности

тенхи.

П2яктическяя_ценность работы состоит в следующем:

I. Предложена модификация информационного подхода к анализу процессов теплообмена с фазовыми превращениями и переменностью термосвойств ъ лсства, что позволяет получить икяенерное решение

- Ь -

нелинейной задачи с переменной границей теплообмена ними затратами ресурсов и времени.

2. Получены необходимые для проектирования оборудования расчётные зависимости, определяющие основные теплофизический характеристики слоев льдоинеевого происхождения.

3. Разработаны и рекомондовч!») режимы транспортировки крио-продуктов по коротким трубопроводам без тепловой изоляции, которые внедре:м на предприятии п/я !.i-5c47, г.Москва.

4. Созданы и внедрены в промышленность уточненные ытеенерше ' методики теплового и конструктивного расчёта атмосферных газификаторов жидких нриопродуктов и воздухоохладителей техники низких температур.

5. Разработаны и предложены методы интенсификации теплообмена при образовании льдоинеевых оепдков на теплопередяюпих пояерх-ностях низкотемпературного оборудования, закиданные авторскими свидетельствами СССР 642585, 9CG67I, II7908I, IG66673.

6. Разработаны и предложен?»' новые конструктивнее схеш низкотемпературных установок и систем, зяшисённие авторскими свидетельствами СССР 1355845, 1386675, 1255754, I6I5496, 1633496,конструкция атмосферного газификатора по а.с. I6I5498 принята к внедрению ¡а НПО КРйОГЕНШ.

7. Дано обоснование использования стандартного криогенного оборудования для строительства льдогрунтовых основания поиска и разведки нефти на участках ска х грунтов к воды.

Ряд научных результатов по указанной проблеме включён я курсы лекций по холодильным газиням, транспорпгропанип и хране;шю скилзиных газов и других дисциплин, читаемых ь -Ж'-f и Институте повыаения квалификации работников и специалистов »'¿интяжмлшз.

Результаты исследований докладывались:

- на ü-ей Всесоюзной няучнэ-техничоской конференции молодых специалистов по холодильной технике и технологии (Ленинград, 1977);

- на ХХХ1ХЦ961Г.), X (1963г.), XI(1985 г.) научно-технических конференциях профессоров, преподавателей, и сотрудников кафедр и лабораторий

- на Ш-ой Всесоозной научно-технической конференции по криогенной технике в г. Балашиха (1982 г.);

- ид Всесоюзном семинаре "Научно-технические проблемы крио-

генной техники и кондиционирования" (.'.¡ЭТУ, 1ШЗ г.);

- на 16 Междугдродноы конгрессе по холоду в Париже, 1903 г.',

-- ь школе передового опыта "Криогенная техника в народном хозяйстве" (Москва, ВДНХ СССР, 19В5 г.);

- на ^¡еждум родной конференции по холодильной технике "Прогресс в науке и технологии искусственного холода" (Дрездзн, 1990);

- па 12 Международном конгрессе по холоду в Монреале, 1991г.

За разработку схемы криогенной платформы на базе стандартных

элементов кр'дооо'прудования, автор настоящей работы постановлением Глагвыстаъкома ВДНХ СССР V 1019 Н от б декабря Г-ъо г. отмечен серебряной медалью.

Публикации. По материалам диссертации выпушены 2 броспры, опубликовано 50 печатных работ, в их числе 10 авторских свидетельств.

Диссертация состоит из введения, 7 глав, общих выводов, списка испольэрваш й литературы (173 наименования) и приложений. Работа изложена на 376 стр. и содержит 87 рисунков и 7 таблиц.

СОДЕРгАШЕ РАБСга

Во_эв§цении обоснована актуальность, сформулирована цель исследования, указаны научная новизна и практическая ценность работы.

Глава I. Информационно-вероятностная концепция распределения температур в тедях канонических форм

При разработке испарительно-газификационных систем закрытого или открытого типа возникают задачи расчёта теплообмена, решение которых значительно упрощается при использовании тгоретико-ии -формлционных принципов рассмотрения процессов теплопроводности и теплообмена в целом.

известном обзоре по методам решения нелинейных уравнений нестационарной теплопроводности акад.АН БССР А.В.Лыков указа.? ад перспективность применения кибернетических методов, в частности теории информации для анализа и решения физических задач переноса .

Расширение облает« использования теории информации как аппарата исследования физических процессов било подготовлено рядом публикаций, ср^ди которых основополагающими являются работы

-г/ -

Р.Хартли, В.А.Котельниковя, И.Винера, К.Шеикона.

Разработка и совершенствование математической основы теории № формации сделало её более универсальной, что позволило перейти х широкой трактовке основных положений и выводов. В 1957 г. Э.Т.Джейксу удалось доказать обобщённость и универсальность основных положений теории информации, показав возможность получэ-ния из них основных результатов статистической механики и термодинамики в виде производи:«, частных решений. Созданный Э.Т.ДкоГ;— нсом аппарат поиска вероятности состояния процесса б ферме ста- • тистического вывода завершил формирование прикладной теории информации.

' Дальнейшее развитие прикладных направлений теории информации связано с публикациями проф.3,П.Майков* в области массоперечоса и ХТрайбуса в области термостатики и термодинамики.

Спецификой информационного подхода к анализу процессов теплообмена, в частности, теплопроводности, является понятие изменяю- -шегося энергосостояния элементарных составляющих объекта воздействия. Физический объект условно припишется состоящим из ряда элементарных по размерам областей, каждая из которых содержит достаточное количество частиц для сохранения статистических закономерностей.

До момента теплового воздействия энергетическое состояние элементарных областей фиксировано заданием начального распределения энергии по координате X. Е роцессе теплового воздействия энергетическое состояние частиц тела, характеризуемое температурой 0 , меняется по времени Т и по координате X случайным образом. Случайт;й характер процесса определяет целесообразность построения модели распределения температур в форме статистического вывода, для чего привлекается исходная информация, представляемая началыша знания о процессе та его границах. Далее, записываются универсальные характеристики распределения: условие нормировки, математическое ожидание случайной величины, дисперсия случайной величины, моменты шешос порядков, каядьй из которых характеризует 1'акое-либо свойство функции распределения.

Так как число уравнений исходной информации не достаточно для' нахождения искомой функции плотности распределения Р(0) , возникает неопределённость в сё выборе. Степень неопределённости мо-;гет быть измерена с помощью выражения для информационной энтропии

в

5 (п

Привлекая к рассмотрен;!» физический смысл информационной энтропии, mjt.ho сказать, что в процессе теплопроводности, как в любом процессе переноса энергии с носителями, возникает стремление систем.! к максимальной неупорядоченности частиц по энергиям. Поэтому ннкболзе героятные профили температур должны обладать максимальной энтропией.

1л:<ян постанови задачи соответствует формализму ДкеЯнся, т.е. получеыио результата с минимальной предвзятостью в условиях неполной ¡-.»формации.

Поиск выражения Р(0) составляет изопериметрическую за,дачу вариационного исчисления, которая может быть решена по методу неопределё; .ык множителей Лагрпикл.

Опираясь на изложенное г'ьцепции, автор получил выражения для распределения температур в телах канонических форм - плоской стенки

- полом цилиндре Г

п

- сферическом слое

н1 «1

1 П Гг. >>

- полуограниченыом массиве с постоянными термосвойствами

9„ег{(№-Х). (5)

В уравнениях (1-5) безразмерная избыточная температура О представлена в виде функции текущих координат тел X и Г .геометрических размеров толщины [_, > значений внутреннего и наружного радиусов л , а также переменных безразмерных множите-

лей Даграгаа и

Анализ влияния изменения коэффициентов на профиль температур показал, что при заданных теплофизических свойствах тет.они 'являются информационными аналогами времени протекания процесса. Располагая значением коэффициента для какого-нибудь момента времени, модно получить профиль температур ня любой другой момент времени, относящийся к стадии регулярного теплового режигя.

Классические выражения для распределения температур в стационарном состоянии получаются из уравнений (2-4) как предельные при стремлении множителя Лягрчнма .Л к 0.

В, целом ряде случаев при решении нелинейных нестяциодарншс задач теплопроводности исследователь располагает более обширной информацией, чем начальные знания о пр'ессе на его границч:;, а . также универсальные статистические характеристики распределения. В частности, может быть иээестеь закон распределения температур при постоянных термосвойствах тела. для тел канонических форм ото, обычно, классическое реьение, представленное з ксгтастноЗ форме. Использование информации более высокого ранга в вчдо готовых решений фундаментальных уравнений переноса для сред с постоянными теплофизичеагими свойствами, позволяет сократить ходы, связанные с максимизацией функции неопределённое ' Д-кейнса, ис- ' ключив её из процедуры решения, п само рэшение представить а терминах теории подобия. В последующих разделах работы .на основе изложенных принципов подбор^, исходной информации о процессе представлен теоретический анализ теплообмена с слоях льда и инея с постоянными и переменными термосвойгтвами.

Глава 2. Нестационарная теплопроводность в условиях льдообразования на теплопередзюией поверхности стенки

Явление образования льда на охлаждаемой поверхности стенки имеет важное «практическое значение в различных областях применение искусственного холодя,? частности, в устяношсах газификации Я-Цдких криопродук'^'ов за счёт тепла воды, в холодоаккумуляторах и льдогенераторах холодильной техники.

В последние годе усилился интерес к процессу теплообмена в • условиях льдообразования б связи с рядом национальных и международных программ по освоение акватерритории северных морей и арктического побережья. Значительное место в этих программах отво-

дитсп технологии возведения буровых ледяных ялпформ методой намораживания прл использования искусственного и естественного холода .

Современная техника низких температур содержит в себе больше ьозмотг.иости при применении новой технологии возведения платформ поиска и разведки нефти и газа как на морском ше."ьфе, так и на участках слабых грунтов « еодьг.

Расчет и проектирование подобного оборудования связаны с решением задачи динамш:и намораживания льда, которая относится к слок.чоыу классу задпч с фронтом фазового преврашенил вещества, точное рзуекче которых для двух частных случаев дань; О.Нейманом и ¡¡.Стефаном.

Для зад*ч теплообмена, осложнённого намерзанием льдя>в технике низких температур характерны приближённые аналитические решения с эк ерикентальной проверкой результатов. С этой точки 'зрения интерес представляют публикации ГуягоЭ.И., Ржевской В.Б., Волынца Л.З., Шкова П.П. Большинство из известных работ технической направленности рассматривает образование тонких слоев льда с постоянным коэффициентом теплопроводности и прямолинейным Л профилем температур, что характерно для эксплуатации льдогенераторов непрерывного действия. В то же время, потребности инженерной расчетной практики связаны с нахождением толпины слоев льда при длительном ведении процесса намораживания и широком диапазоне низких температур на теплопередашей поверхности стенки вплоть до криогенных. В последнем случае оценка толщины слоя намораживаемого льда связана с учётом зависимости его теплофиэи-ческих свойств от температуры.

Учёт переменности теплофиэических свойств льда необходим также при анализе температурного поля в полуограниченном массиве водного льда при тепловом воздействии на него с внешней суо-рош. Такая задача возникает при проектировании льдогрунтошх хранилищ сжиженного природного газа.

Предварительный анализ зависимости теплофиэических свойств ~ьда от температуры показал, что удельная теплоёмкость льда слабо увеличивается с повышением температуры и почти в два раза меньше, чем у воды. Отсюда возможно без опасения большой погрешности учесть переменк^ть удельной теплоёмкости введения её среднего по те "ературе значения. Так как плотность льда счита-

ют постоянной практически во всех расчётах, сугубо нелинейное нестационарное дифференциальное У1|,,внение теплопроводности можно привести к виду нелинейного уравнения диффузионного типа. Схема ■решения такого уравнения в рамках информационно-вероятностного подхода !1ВП будет включать выбор исходной ;п*формации, в качестве которой следует использовать нлчаль.ше и грчничнне условия, а также готовое решение для полуограниченного массива, с постоянными теплсфизическими свойствами. Результат решения представляет разложение искомой функции в степенной ряд по координате^ : ,

Т;п)т , , ДТШТУ, 3йтУЧ'У (6)

В связи с отсутствием эксперименте ,шх даших по распределению температур в полуограниченном массиве ль,т при его охлпк-дении до цриогекных температур, решение (6) Сило проверено по методике Фридмана, определяющей граничные положения профиля температур в связи с переменностью теплофизических свойств материала массива.

Как показал анализ, результаты расчётов по уравнение (б)да-ют профиль температур, лежащий ме:еду двумя граничным^ профилями в широком диапазоне переменного комплекса

Решение задачи нестационарного теплообмена в условиях намерзания льда на плоской стенке, охлаждаемой изнутри холодильным агентом, часто сводится к расчету динамики намораяивания льда.

Поскольку диапазон низких температур на теплопередающей поверхности стенки может Сыть самим различным, ' теплофизпческие свойства льда, в частности, коэффициент теплопроводности в сильной степени зависит от температуры, решение задачи целесообразно получить с учётом переменности теплофизических свойств льда. Случай постоянных термосвойств льда мояет рассматриваться как частный.

Постановка задачи предполагает запись нелинейного нестационарного дифференциального уравнения теплопроводности в слое намораживаемого льда *

5 дг ал 1т Ш) , 0

Первичная исходная информация о процессе с переменной границей теп.тосбменя должна включать помимо начальных и граничных услоьий, устанавливающих значение текгерчvyp на краях временного и координатного интервалов процесса, также тепловое условие взаимодействия на границе раздела лзд-водя, которое можно записать в виде .

Для решения задпчи целесообразно привлечь дополнительную информации в виде подстановки Еольцмака, т.е. предположить

.TM'Wh ^fF,

где 'U - координатно-временная функция,

{3 - искомый параметр росте толщины f слоя льда.

С учёт ч это/о нелинейное дифференциальное уравнение теплопроводности (7) в частных производи« трансформируется в дифференциальное уравнение в пол.—*х njjo¡¡сводных, решение которого можно представить в виде стеленного рада вида (

т(вьт t^Mt (9)

Ограничисаясь в рнаении (9) т;>;мя первыми членами, найдём параметр из условия Т(0) - ?с

Tc = 2?3-(^-t Blfflfi+Çg jf-j) , (10) где .

При температурах на теплопередатаей поверхности стенки 223 К ч выше слияние переменности теллофизических свойств льда мало и им можно пренебречь, тогда решение задачи для этого случая получает

вид. (ш

т -^jr- ■ ?lkt л j а

Сравнение расчётной толщины слоя льда, намораживаемого на стенке, имевшей температуру 77 К с учётом и без учёта переменности термосвоГетв льда, показывает, что толщина слоя с учётом переменности его термо -юйств приблизительно на 15—10 % ншй в зависимости от ввемени намораживания. Это можно объяснить влиянием

повшенной теплопроводности слоёв лыщ, гоходяпихсг. при криогенных или Слизких к ним температурах.

В практике инженерных расчётов интерес представляет нахождение толщины слоёв льдч с учётом термического сопротивления теплоотдачи со стороны кипящего криоагента и металлической стенки. Расчётная зависимость в г»том случае имеет вид

(13)

где Ло- коэффициент теплоотдачи от кипящего криоагента к стенке, + ~ безразмерный комплекс, - толаина стенки, - коэффициент теплопроводности стенки.

Одновременный учёт термического сопротивления стенки, термо-свойств-льда, а также термического сопротивления теплоотдачи со стороны кркочгентя приводит к зависимости, из которой определяется значение параметра рост* толщины слоя льда

где -комплекс, йТ-Т$-Т/1-

Работа целого ряда низкотемпературных теплообменных аппаратов протекает в условиях образования на поверхности охлаждаемых трубчатых элементов слоёв льда. Особую значимость это явление приобретает в исплритолях-холодоаккумуляторах, трубчатых генераторах льда, на технологических трубопроводах "рдяных гаэификато-ров и установок по замораживанию участков воды и слабых грунтов.

При эксплуатации такого оборудования часто требуется провести оценку максимальной толщины слоя льда, образованного на поверхности трубчатого элемента, погружённого в спокойную или проточную воду и охлаздаемого изнутри кипятим криопродуктом. Оценка максимальной толщины слоя льда необходима для выявления условий аварийных режимов эксплуатации аппарата, нахождения предельных весовых и габаритных показателей оборудования, а также определения максимального термического сопротивления слоя льда.

Рассмотрение задачи нахождения максимальной толаики слоя льда, образованного на грубо радиусом П> , охлаяумемоП изнутри до температуры То кипятим криоагентом» приводит к выражению

вида

_

То

(14)

Основные результаты решения задачи, намораживания льда из воды, полученные выше, ь:огут быть гспольэс5аны для получения ва-мейаеГ характеристики дли расчёта теплообмена - тер! ического сопротивления слоя льда.

Наряду с толщиной, определяющим фактором для расчёта термического сопротивления слоя льда является значение коэффициента теплопроводности. Условия криовоздейотвия нч стенку исключают возможность использования этой характеристики как некоторой константы, взятой из справочника при принятой температуре. Попытка учёта переменности коэффициентов теплопроводности слоев льда как среднего арифметического из его значений у стзнкн и нд поверхности раздел; также не является обоснованной, так как в этом случае не учитывается особенна*, ч криволинейного профиля температур в слое льда.

По принятому гиперболическому закону изменения коэффициента теплопроводности льда с температурой и о учётом ранее приведённого выражения (9) било найдено расчётное соотношение для определения средней по толщина теплопроводности намораживаемого слоя

где

ера .

2?Ь ,,

, а-щш1 \

(15)

Т'~ _ размерные комплексы.

Полученные результаты теоретического исследования в виде расчётных формул и зависимостей позволили обоснованно рассмотреть вопрос выбора геометрии теплопередаюцей поверхности испарителей-льдогенераторов.

Зг» критерий оценки эффективности работы теплопэредагвдей поверхности по наморяжи. (Нию льда гринят показатель темпа роста толщины слог., образуемого на стенке. Рассмотрены плоская стенка

и полые трубчатые поверхности разных диаметров.

Как следует из анализа, наибольшей аккумулирующей способностью обладает плоская стенка г момент начального образования •льда на ией. Аккумулирующая способность трубчатых поверхностей различна: при прочих равных условиях труба большего диаметра аккумулируют лёд быстрее.

!1а основании приведённого анализа в . погружных льдогенераторах и холодоаккумуляторлх холодильных установок роксмендомно применение пластинчатых теплопередагящх поверхностей.

Результата теоретического исследования нагали подтверждение в опытах по намораживания льда на охлаждаемой поверхности топко-стенного цилиццра высотой 330 мм и диаметром 170 мм. Лёд нчморч- ■ живали из водяной ванны объёмом 170 л. ^ качестве охлаждающих сред использовали яидкий азот к хладон 12, кипяних при атмосферном давлении. В обоих случаях в опытах длительностью до I часа расхождение экспериментов с теоретическими расчётами по динамике * намораживания льда не превыиплл 3-6

1>!нсгзчисленные визуальные наблюдения показали сложную структуру движения воды у поверхности льда. Слой водя, примыкающий к поверхности льда, перемешается вверх, а более удалённые слои скользят вниз. Тают образом, естественная кон' ций воды на ледяной поверхности развивается по двухслойной модели. Нрморвжиза-ннй льда е условиях высоких температурных градиентов сопровождается нарушением динамического .вновесия движения потоков, срыву ioc в вихрь л образовании волнистостей на границе раздела.

Глава 3. Тепло- и массообмен при инееобра' вании на элементах низкотемпературного оборудования

Задача о тепломассообмене при инееобразовании на охлаждаемой поверхности актуальна при проектировании многих видов оборудования техники низких температур: воздухоохладителей и камерных батарей в холодильной технике, атмосферных газификаторов и дренажных коммуникаций з криогенной технике.

Уелейное проектирование низкотемпературного оборудования,работающего в условиях ииееобразования, невозможно без знания и учёта влияния характеристик инеевого слоя, которые в сильной степени влияют на эффективность эксплуатации установок, их габаритные и массовые показатели.

Известными исследовчтелями дякного випрося в кя:ией стряне является А.Л.Гоголин, Б.К.Явкель, Г.Н.clanллков, А.Д.Суслов, А.-М.Солинский, А.П.Титенков и др. Среди зарубежных исследователей надо отметкть В.Л.Чепурненко, В.А.Вяриводя, Л.П.Аннушкину, Т.Гечилова, В.Гшянову, Ч.Байтхелстя, Д.Секуликя и других.

Несмотря на имеющиеся публикации, в долупной литературе отсутствует исчерпывающие сведения, необходимые для проведения ин-кенерных расчётов по тепломассообмену при инееобряэокянии в условиях криогенных температур ня стенке.

Всё вьиеизло.т.енное определило такие задачи экспериментального исследования как выявление факторов, влияющих на интенсивность теплопередачи при инееоб^азовании, получение данных по теллофи-зическим свойствам инея, образованного в широком дичпазоне низ. ких температур на стенке вплоть до криогенных, систематизация их и обобщение .ля создании банка данных по свойствам криоосядня.

Опыты по исследованию тепло- и массопареноса при инееобразо-вании проводили на установке, еостоядей из климатической камеры с рабочим объемом I мэ, опытного элемента и/контрольно-измерительных приборов.

В качестве опытного элемента использовался тонкостенный ла-туниыИ цилиндр диаметром 64 мм и высотой 100 мм. Температуру на поверхности опытного элемента устанлвливали в интервале от 240 до 93 К путём заполнения внутренней полости соответствующим холодильным агентом (жидкий азот и хладонн). Температура воздуха вцутри климатической кямеры изменялась по условиям опытов от С до +4С °С и автоматически поддеряивалясь на заданном уровне с точностью t 0,3 °С.

Характер изменении опытных данных по величинам суммарных тег-яопритоков показал, что суммарный "тепловой поток, максимальный в начале опыта, через короткий отрезок времени уменьшается до примерно. постоянной величины, несмотря на продолжающееся увеличение толщины слоя инея.

Опытные данные по величинам суммарного теплопритока были использованы для определения "сухой" теплоотдачи к поверхности инея. Как показали результаты обработки опытных данных, тенденция изменения значений суммарного теплопритока сохраняется и для коэффициентов теплоотдачи: .«иболыпие их значения приходятся на период неустановившееся теплообмена, по мере приближения процесса к

квазистационарному состоянию, происходит падение коэффициентов теплоотдачи до значений, близких к постоянному, которое тем выше,чем mote температура воздуха и выше температурный напор.

Найденные значения коэффициентов "сухой" теплоотдачи к поверхности инея были обобщены в критериальной форме

Nu = 0.730(0 • Рг)°'26

Все физические параметр; взяты при средней температуре между поверхность«) инея и воздухом на удалении от неё. В качестве определяющего размера принята высота опытного элемента.

!1етодикч проведения опытов предусматривала нахождение таких характеристик слоя инея как толщина, плотность и теплопроводность.

Сравнение результатов опытов, проведённых при одинаковых метеорологических условиях п окружлкаей среде, но различных температурах на стенке показало, что более низкая температура на стенке способствует образование слоя инея болыгей толг.ины и меньшей плотности.

Для величин относительной влажности воздуха 45 % прибли-ионная оценка толаякь» слоя водного инея, образованного при криогенных температурах на охлаждаемой поверхности стенки может быть выполнена по зависимости

o,3¿?0 о, 306 5 = 4,6 (2?3~ Тс) Т (17)

Точность расчётов по уравнению (17) находится а пределах 15-25 %.

D опытах по изучению массопереноса при инееобразовании выявлено нарушение аналогии между тепло- и массообменом, которое наблюдается преимущественно при низкотемпературных режимах намерзания инея и объясняется дефицитом массы, притекающей к теплопе-родасшеЯ поверхности из-за частичного уноса во конвективными токами воздуха в погранслое. Такая тенденция получает резкое развитие с увеличением темпа охлаждения поверхности стенки до криогенных или близких к ним температур, что приводит к заметному уменьшению массы образованного на стенке инея.

Согласно методике обработки опытных данных за основу при оценке теплопроводности слоя инея принята величина локальной теплопроводности, позволяющее проследить изменение параметра от точки к точке по толщине слоя.

Как показали результаты обработки опытных данных на ЭЦВМ, локальная теплопроводность слоя инея не одинакова по толщине, периферийные участки обладают большей теплопроводностью , чем внутренние. Ьтст результат находится п согласии с данными других исследователей и объясняется наличием интенсивного механизма тепло- к массооймена у поверхности слоя.

Используя опытные данные по распределению температур в слое инея и полученные значения локальных коэффициентов теплопроводности у\цп ,удалось выявить зависимость последних от средней плотности инея и локальной температуры в слое Г. Обобщавшее уравнение имеет вид: ^

Отсюда следует, что иней одинаковой плотности может иметь различен теплопроводность в зависимости от температурных условий образования. Сделанный вывод позволил успоиио обобщить данные по теплопроводности инея, полученные разными авторами при различных температурах его образования. Попытка обобщения только на основе средней плотности иноевого слоя давала расхождение по теплопроводности на 100 к более процентов.

Глава 4. Теория и ртечёт испарительно-гаэификационных систем низкотемпературных энергоносителей

Ашлиэ показателей газифнкационных установок различных типов показал, что наибольшее предпочтение с точки зрения экономии расхода эне^ии имеют газификаторы, работагаие за счёт тепла окружавшей среды воздуха или воды.

Выбс конкретного типа установки определяется такими факторами как производительность, длительность непрерывной работы установки, климатические условия района эксплуатации.

Водяные газификаторы чапе всего комплектуются крионасосом и электроподогревателеы, их преимущественно используют в транспортных установках- где важна высокгл компактность.

Воздушные ¡ц>иогеннме газификаторы не требуют сторонних источников энергии, они просты в эксплуатации, надёжны и могут работать в автоматическом режиме. В учебной и справочной литературе уделяется мало внимания расчёту, процесса газификации особенно для установок, работающих за счёт тепла окружающего воздуха .Цен-

тральной проблемой здесь является решение задачи нахождения характеристик роста толщины слоя водного инея на охлаждаемой поверхности стенки.

В связи со сложной физической природой процесса инееобрязо-зпния в построении аналитической модели процесса целесообразно применение информационно-вероятностного подхода с привяечегаем готовых форм решений, которые «окно рассматривать как завераён-ные описания отдельных частой облей задачи.

Следуя принципам ИБП, изложенным ранее, в качестве исходной информации в рассматриваемой задаче дтя описания динамики роста толщины слоя инея следует принять аналогичное по содержание уравнение для слоя льда, формула (II). Основные параметры льда, входящие в уравнение (II): плотность, теплопроводность, надо рассматривать как средние для инея на фиксированный момент времени

В качестве допуцений теоретической модели принимается независимость теплофизическмх свойств иноя от температуры, тепловые условия первого рода со стороны холодильного агента и отсутствие термосопротивления стенки.

По аналогии между тепло- и массообменоы, представим толщину слоя инея Ь в виде

6" (19)

Скорооть роста толщины слоя инея определим как

. (20>

Величину погойя массы влаги, идущей на уплотнение слоя инея, можно выразить на основе характеристик инея как пористой среды и условий на границе криоосадок-влагный воздух по извест-ноцу уравнению.

Подставляя соответствутаие выражения в уравнение (20) и счу тая, что средняя теплопроводность иная следует зависимости Лии~ 3,17 10 уи(/ , приходим к диЙеренциальноцу уравнению с раз-деляюяимися переменными, интегрирование которого даёт

Тшт'гшг^

гдо

^¡иПр^Н;,- ¿зЦ'Ь Ш' /О^НТ^Г' ~ Р^рные комплексы.

Возвраздясь к уравнению (20), подставим в его левую часть выражение для скорости роста тсляины слоя инея, а в правую - выражение для потока массы, вдущей на уплотнение, в результате получим

Л(й-и) + ЫЧ-U)] Т~Мич1 (Тсм~Гпое)

"ьТии h« I faH Шпв-глг2 ?f;,J.7i

fiitf

1 и угоржт^йсыж^

I L J Аан

V f T [ J)

Ресая совместно систему уравнений (21) и (22), получаем иско-цую температуру поверности слоя криоосадка на момент вре-

мени f , соответственно на основе этого параметра находим толыи* НУ слоя инея и другие теплофизичес.кие показатели.

Сопоставление результатов расчёта с опытными данными различных исследователей показало, что средняя величина расхождения не превышает 12 х.

3 ряде случаев, связанных с проектированием и эксплуатацией низкотемпературного оборудования, поверхности которого подверже-ш выпадению льдоинеевых осадков требуется проведение инженерной оценки таких характеристик слоя как толщина, средняя плотность и теплопровод: сть. Подобные расчёты должны проводиться по простым соотношениям, допускладиы быстрое получение результата с приемлемой cTentiibn точности.

С учётом сказанного, голшину слоя инея О можно находить по предложенной автором формуле

J ip^U (d^dnaj) + 2 ip СТВ.

В практических расчётах по формуле (23) температура поверхности слоя инея принимается в зависимости от температуры точки Росы ~|Гр . Если эта температура выше 0 °С, то 7гю5 = 0°С-(0,5*1)°С при температуре "¡~р ниже 0°С, Тг»6 =■ Хр -(0,5+1) °С. Диапазон использования приведённых соотношений по параметру относительной

влажности f находится в пределах 20 + 100

Применяя соотношение (23) и считая справедливой аналогию между тепло- и массоперенссом в условиях инеевыпадения, получч-«иуравне;ие для приближенной оценки термосопротивления слоя мнея

/4-) = Ж W-TcnJ___(24)

W«« ¿[Ud¿-d„.0+2№"U).

Принимая во внимание уравнение (24), срэднхю температуру поверхности прямого плоеного ребра, а следовательно и чго температурную яф{)ективность,можно рассчитать как

Б качество базовых данных для сравнения результатов расчята по уравнению (25) приняты показатели, получььные Б.К.Яькелем при экспериментальном исследовании круглого и квадратного рибер, рвботаюштх г условии инеевыпадения инея. Совпадение расчётных и экспериментальных данных по оффективности не хуже 10—14 %, что может считаться вполне удовлетворительным, учитывая приближён! кП характер формулы (25).

Полученные в главе 4 результаты были использованы для создания комплексной методики теплового и конструктичного расчёта криогенного газификатора атмосферного типа. На основе созданной программы проведено расчётно-теоретическое исследование работы газифякационной установки с определением взаимно1о влияния факторов компоновки г^зификационних панелей, массооой скорости крио-продукта, величины недорекуперации на тёплом конце и теплопере-даюаей поверхности.

Программа комплексного расчёта принята для практического использования в САПР "Аппарат" отраслевого института.

Глава 5. Основные результаты научно-технических испытаний атмосферного газификатора

В качестве базового образца для испытаний был принят газиф! катор типа ГХК-25/1,6-£СШ. Необходимость в проведении научно- . технических испытаний связана с дефицитом опытных данное по работе выпускаемых промышленностью установок типа ГХК с уменыж -

НЫ1.1 межпанелышм просветом.

Продукционный испаритель газификационной установки состоит из двух теплэобменщлс блоков, каждый из которых включает по 4 вспомогательны* и по 36 рабочих гаэификационных панелей. Аппарат выполнен двухходовым по газифицируемо^ криопродукту с равным число гпэификационных панелей в каждой секции. Первая по ходу движения потока группа из 18 панелей является холодной секцией, вторая - тёплой. В обоих теллообменных блоках газифицируемый криопродукт последовательно проходит холодную н тёплую секции, коллектируется и направляется потребителю.

Программа испытаний предусматривала подготовку газификатора к работе, заполнение резервуара ёмкостью 25 и3 дкдким азотом в количестве 20 т и газификацию его в продукционном испарителе. Работа выполнялась при участии персонала сотрудников криогенного экспериментального центра в г. Видное.

Условия проведения испытаний отвечали наиболее неблагоприят-нму сочетанию климатических факторов окружаскего воздуха: температура воздуха находилась в интервале от -I °С до +1,5 °С, относительная влвжность составляла 75+95

В процессе испытаний замеряли и фиксировали расход и давление криолродукта, ого температуры на входе и выходе из продукционного испарителя, влажность окружающего воздуха, толлицу слоя криоосадка. Помимо замеров параметров процесса, проводили фотосъёмку и визуальные наблюдения за состоянием теплообменной поверхности панелей тёплой и холодной секций. Целый ряд признаков и явлений, опровождашкх процесс газификации во время испытаний, были аналогичны тому, что наблюдалось и при исследовании процесса на 01ЫТН0М элементе в климатической камере: образование инее-вого подслоя с характерным белосахарным цветом, токи воздуха в виде белого тумана переохлаждённых кристаллов льда, очаговые образования длинных, и тонких кристаллов водного льда на подслое и т.д.

Лнтегряль м показателем эффективности работы газификатора является величина недорекуперации на его тёплом конце. По степени совпадения экспериментальных и расчётных значений этого параметра мокио судить о совершенстве методики комплексного теплового и конструктивного расчёта установки.

Как экспериментальные, так и расчётные данные указывают на

слабый рост величины недорекуперации с течением времени, что объясняется ростом термического сопротивления слоя криоосядка. Расхождение расчетных и экспериментальных данных составляет 15-20 %.

Проведение механической очистки активной поверхности панелей от слоя инея во время газификации позволило выявить влияние термосопротивления слоя криоосадка на эффективность работы установки, которое выразилось в уменьшении величины недорекуперации на тёплом конце в 3 - 3,5 раза.

Глава 6. Повышение эффективности атмосферных газификаторов жидких криопродуктов

Атмосферные гязификационные установки являются важным элементом системы снабжения потребителей продуктами разделения воздуха. Эффективность работы гизификиционной установки в значительной степени влияет на экономические показатели всего комплекса, включпюиего производство и распределение криопродуктов.

Обладая рядом таких в.чжнчх достоинств как простота конструкции, возможность эксплуатации на открытом воздухе без потребления энергии от внешних источников, атмосферный газификатор одновременно имеет существенный недостаток, связанный с низкой интенсивностью наружного теплообмена. В итоге, среднее значение плотности теплового потока при температурных перепадах летнего цикла эксплуатации не превышает 400 * 600 Вт/м^.

С учётом сказанного, интенсификация наружного теплообмена является актуальной задачей совершенствования атмосфер1мх газификаторов жидких' криопродуктов.

Сравнивая значения показателей термических сопротивлений со стороны воздуха и слоев криоосадка, можно сказать, что криооса-док из инея в большей степени лимитирует теплопередачу по сравнению с термосопротивлением сс стороны воздуха. Поэтому одним из радикальных путей повышения эффективности теплообмена является подавление процесса ннеевыпадения с использованием различных типов воздействий на обраэушиЛся слой.

Существует много способов воздействия на целостность слоя криоосадка из водного инея: применение гидрофобных покрытий, механическая очистка поверхности панелей, орошение поверхности теплообмена водой, попеременный отогрев панелей с иснольэоввн"ем энергии ввтроколеса, работавшего в составе установки, особые схе-

1> * — fc'l —

•мы компоновки гпзификлциоютпс панелей в тешюобменном блоке. При всём многообразии приёмов и технических решений по интенсификации геглообмена следует стремиться к варианту, который сохраняет качаствя атмосферного газификатора, выделившие его из аналогичных по назначению установок других типов. Поэтому приоритет отдаётся техническим решениям, не требующим сторонних источников анэргин, сложных механических устройств, дорогостоящих энергиноситолеЯ. Отсюда интерес представляет рассмотреть влияние схем компоновки газификационных панелей в теплообменном блоке »и ' эффективность процесса газификации.

Экспериментальное исследование проводили на установке, включающей гаэпфикяционцую секцкы из шести газификационных панелей, укреплённых в каркасе из уголка с заданным шагом 150 мм.

Поток газифицируемого крмопродукта пропускали через газовый счётчик, установленный на труба сброса газа из газификацг.оншй секции после подогрева в водяной ванне. Подачу кркопродуктв на > газификации осуществляли от стационарного резервуара-хранилища.

Контролируемыми пграмстраыи были расход газифицируемого продукта , его температура на выходе из газификационной секции, температура поверхности панели, толпина слоя инея, температура воды в ванне и воздуха окружпшей среды. Опыты проводили на открытом воздухе в энядасином от сквозных ветров месте.

Испытанно подлежали три схемы включения газификационных панелей: параллельное, двухходовое и чередования с прямоточно-про-тизоточнь'м направлением движения воздуха и газифицируемого продукта.

Испытания проводили при положительных температурах воздуха и значения^ относительной влажности *f = 75+95 Расход криопро-дукта соответствовал показателям, принятым в промышленных установках.

Согласно принятой методике, все три схемы испытывали в одинаковых климатических условиях в короткоцикловом режима длительностью 3^5 час-->в и после выявления двух самых эффективных из них переходили к длинноцикловыы режимам продолжительностью 8-14 часов.

Сравнение тепловой эффективности схем компоновки панелей проводилось по значению величины недорекуперации на тёплом конце испыт темой секции.

В короткоцикловых испытаниях наибольшую эффективность показали схемы чередования и двухходового включения пеиелеВ. Ограниченный временной интервал коротксцккловых отлов не позволил выявить возможности схеми чередования Панелей, которая била разработана с расчётом нп перераспределение потока бодяного пара с поверхности теплых панелей на холодные. Развитие такогс эффекта возможно в условиях полного покрытия инеем тёпл!тх панелей, что ь короткоцикловых опыгях не наблюдалось.

В длинноцнкловых опытах обнаружено, что до момента времени ¿X -- 4-4,5 час. от начала опыта обе схемы показывают практически близкие результаты пи ЛТ • I»0 маРв дальнейшего ведения процесс« газификации значения в двухходовой схеме включения становятся вьгое в сравнении с вариантом чередования. Более т;>ги, анализ экспериментальных данных указывает нн больше» число спя-дов дУ , приходящихся на схецу чередования, что можно объяснить эффектом подсушивания слоёъ инея, находящихся на тёплых панелях, ?а счёт отвода части массы водяного пара на поверхность холодных панелей,с которых инеЯ периодически удаляется иэ-оа саморазрушения.

Схема компоновки панелей, построенная на осноие их чередования признана наиболее эффективной по теплообмену и перспективной для использования в промышленных газификаторах нового поколения.

Глава 7. Интенсификация процесса тепломассообмена и улучшение конструктивно-технических показателей испарительно-газификационных систем

Задача интенсификации тепломассообмена в испарительно-газификационных системах^ работающих в условиях выпадения влаги в виде льдоинеевых отложений, является особо актуальной для холодильной техники. Низкие температурные напоры между теплообмениваюшимися средами в сочетании с высоким термосопротивлением образующихся осадков из влаги, льда и инея приводят к сушественноцу снижению интенсивности теплопередачи, возрастанию габаритов и массы оборудования .

В испарительных батареях и воздухоохладителях холодильных тановок промышленного и торгового назшчения борьба с выпадением инеевого осадка осуществляется сейчас преимущественно путём оттаивания. Недостатком этого метода является периодическое от- 1и-вание холодильного контура, что нарушает технологический режим

•хранения продуктов или ведения химико-технологического процесса. Следует иметь в виду также дополнительный расход анергии в теп-ло^щелягаих элементах и потери при охлаждени системы до рабочих температур.

При отсутствии надёжных датчиков роста толщины инеевого осадка холодильная система отключается на отогрев по сигналу реле времени чьроэ произвольно устанавливаемые интервалы, вызывая тем самым существенные перерасходы электроэнергии.

В качестве средств, одерживающих образование льдоинеевкх осадков в воздухоохладителях рассмотрены способы, основанные на применении стороннего холодильного агента, отсоса влаги с помощью тел капиллярно-пористой структуры, ударного воздействия на активную поверхность упругими элементами, а также механического сьёиа инен с помошью П-обраэкых скоб. Все перечисленные приёмы борьбы с льдоинеевыил осадками зацишоны авторским: свидетельствами на изобретения.

В целом ряде случаев как,например,при транспортировке жидких криопродуктов по коротким участкам трубопроводов образова- • нио инеевого слоя на стенке желательно, так как в результате теплоизоляционного эффекта ведёт к сокращению потерь жидкости от испаряемости.

Получение устойчивого сдоя инея в условиях криогенных температур на металлической поверхности стенки затруднительно из-за низкой его прочности и склонности к саморазрушению. Для получения устойчивого слоя инея, разработаны особые режимы ого образования, дл чего процесс, теплообмена ведут в несколько этапов. На первом этапе производится предварительное охлаждение трубопровода, которое осуществляется прерывистой подачей малых порций жидкого криэпродукта или подачей холодного пара. Предварительное охлаждение ведут до образования на стенке сплошного и устойчивого инеевого покрытия тодшшой 4-6 мы. Второй этап ох-лаядения производят при рабочих расходах криопродукта по трубопроводу, при слой инея будет слабо каратизать своё термосопротивление автоматически в течение всего периода транспортировки.

Реализация способа транспортировки жидких криопродуктов по коротким участкам трубопроводов на ряде столичных предприятий позволилг сэкономить десятки тонн ценных криопродуктов.

1 В целом ряде низкотемпературных ротационных мааин реализован принцип намораживания льда или генерации инея в потоке-носителе с целью развития имеющихся иди получении новых эксплуатационных качеств. 3 частности, приведены конструктивнее схемы и изложены принципы действия таких устройств ка.с вакуумный насос-коклресеор для транспортир.)! .аки>; холодных газов ь паров, холодильная машина для охлаждения жидкостей, снегогенератор. Веч уотройстпа занижены авторскими свидетельствами на изобретения.

Стремление снизить стоимость строительства платформ пииска и разьедки нефтегазовых месторождений ьа слабих грунтах и шельфе арктических морей привело к разработке схемы крмообеспечения ледяной платформы-газификатора на основа стандартного криогенного оборудования.

Установка, работающая по предложенной схеме, включает резервуар с жидким криопродуктом, развитую теплопередадаую поверхность в виде стандартных газификационных панелей, на которых намораживаются массивы льда, систецу коммуникаций и каркаса. Весь комплекс может эксплуатироваться с безмашиншм и машинном вариантах, в последнем случае достигается автономность установки пэ энергообеспечению.

Рекомендации по применению криогенного оборудования для замораживания участков воды и слабых грунтов переданы специализированной организации /институт П1Ш1С/для реализации.

СЕЦЖ ШВСД11 ПО РАБОТЕ

1. На основании представлений о дискретном строении веяеетвч и стохастичности процессов, происходящих на микроуровне, разработана модификация информационно-вероятностного подхода применительно к анализу процессов теплопереноса в твёрдых телах.

2. На основе теоретического исследования с использованием ИВЛ получено приближённое аналитическое решение задачи динамики намерзания льда с учётом и без учёта зависимости его термосвойств от температуры. Результаты теоретического решения нашли экспериментальное подтверждение и стали основой для теплового расчёта открытых испарительных систем, работающих в условиях намерзания льда на активной поверхности. В частности, разработана методика оценки эффективности процесса намораживания льда на теплопер'па-юших поверхностях типа плоской стенки и полой трубы, даны реко-

'мендации по выбору геометрической формы активной поверхности в льдогенераторах и холодоаккумул^торах холодильных установок.

3. Проведено экспериментальное исследование процесса инее-обраэованин в условиях естественной конвекции воздуха и широкого диапазона низких температур на охлаждаемой поверхности стенки. Показано, что коэффициент теплопроводности инея зависит ко только or средней плотности, но и от температурного уровня его образования. Последнее позволило обобзил'ь данные разных авторов по теплопроводности инея с приемлемой для расчёта точностью.

4. Установлено влияние темпа .охлаждения металлической стенки на массу осаждаемого инея при низкотемпературных режимах ведения процесса, что связано с превращением паров влаги в мель-чайаие кристалды льда в тонком слое воздуха у поверхности раздела и выносом твёрдой фазы конвективными токами воздуха в свободный обьом. lia основании этого разработаны, рекомендованы и внедрены в промышленности режимы транспортировки криопродуктов по коротким трубопроводам 6es тепловой изоляции.

5. Создан банк данных по теплофизическим свойствам инея, образованного в широком диапазоне низких температур на охлаждаемой поверхности стенки и параметров окружающей среды влажного воздуха.

G. Па основании теоретических н экспериментальных исследований разработана приближённая аналитическая модель нарастания слоя инея на охлаждаемой поверхности стенки, составлена алгоритмическая программа расчёта динамики роста слоя инея, а также его термосвойст. . Результаты расчётов сопоставлены с эксперименталь*. ными-даг'"чш1 различных исследователей.

7. Ызработана инженерная методика выполнения экспресс-расчётов по динамике роста и нахождению термического сопротивления слоя инея. Получено уравнение для оценки эффективности рёбер с учётом инесвыпрдения на них.

8. Создана и внедрена в промышленность методика теплового и конструктивно! расчёта атмосферного криогенного газификатора типа ГДС, по которой на основе составленной программы на алгоритмическом языке БЕЙСИК выполнено комплексное численное кссяе^ дование работы установки с определением влияния на величину теп-лопередаюшей поверхности таких факторов как недорекуперация на тёплом к^ице и массовая скорость газифицируемого криопродукта.

Проведено прогнозирование длительности непрерывной работы установки в неблагоприятных условиях окружающей среды. По результатам внедрения получен реальный экономический аффэкт.

9. Выполненный по разработанной программе комплекс научно-технических испытаний промьтекного газификатора ГХК-25/1, 6500.'.! с уменьшенным межпанельным расстоянием показал удовлетворительную сходимость результатов теоретических расчетов с опытными данными.

10. Соэда!« методика теплового и конструктисного расчёта «оз-духоохладитэл4 холодильной установки. Реализация методики позволяет на стадии проектирования избежать создания необоснованных запасов по теплопередпшей поверхности и на стадии эксплуатации аппарата установить рациональную частоту циклов оттаивания из условий тепловлажностного режима работы аппарата.

11. В результате экспериментального исследования процесса газификации жидких криопродуктов в опытной секции из шести испарительных панелей.выявлены оптимальные с точки зрения эффективности теплообмена и длительности работы аппарата схемы их компоновки, которые рекомендованы к прошлленному использованию.

12. Разработаны и предложены методу интенсификации наружной теплоотдачи в воздухоохладителях и воэдухоосудктелях путём частичного или полного удаления инея и капельной влаги. Результаты исследований и разработок внедрены на отечественных предприятиях-изготовителях испарительно-гаэификационкых систем.

Ус;^ные_обозкачения£_ 0о - начальная безразмерная избыточная температура тела; ¡^ - произвольная константа; К% С< - раэмер-. ные константы; [1") - отношение удельных теплоёмкостей при средней и начальной температурах^ Т0 - начальная абсолютная температура; О, о - коэффициент температуропроводности при начальной температуре» Д"^ - максималыия избыточная температура тела; Тс - темпер -тура воздействия на тело; - плотность льда; £'(Т)- теплоёмкость льда, зависящая от температуры;"^ - тогашна слоя льда; Л/ - коэффициент теплоотдачи от воды к поверхности льда; Ь/Т. - теплота фазового перехода воды в лёд и водяного пара в лёд; Д - коэффициент теплопроводности льда;Тв,1/) - температура воды и фазового перехода води в лёд; с1ПоЕ~ влагосодержание воздуха вдали к у поверхности инея; Ср - "еплоёк зть воздуха; Лс - коэффици-

онт теплоотдачи от воздуха к поверхности инея;Т? - температура воздуха вдали от поверхности стенки; - средняя плотность мнеовсго глол; - коэффициент извилистости инеевой структуры;

- коэффициент диффузии водян;.-х паров; - газовая постоянная для ьодяного пара; ["к - коэффициент контакта ребра с несуне!! поверхностью; Т<Ю_ температуря стенки; - температура основания ре.Сра; - высота ребра; ^р- коэффициент теплопроводности материала ребра; 5р - толщина ребра; То - время охлаждения стенки до рабочей температуры.

Основное содержание диссертации наложено в следующих работах:

1. Наринюк Б.Т. ¡'¡нформлционная концепцш: распределения температур ь полуограничонноа ¡иасс1;вь//Знтропийнъе методы моделирования в хлмпч«с::ой технике: Со.научн.тр.вузов/Под ред.В.П.Майкова.-Ы. :220Ш,1Ш1.- С. 124-12?.

2. Б.Т. .Усюкин И.П. К вопросу о теплопроводности криогенного яноя/УХимическсе машиностроение:СС. научи, трудов.-»!. ¡Ж,1975.- С. 161-185.

3. шаринок Б.Т. Льдообразование и ннеевыпадение на элементах низкотемпературного оборудования.Обзорная информация.Сер. ЗС5-6.-М.:ЦИ1ШЬсимнефтемал,1968.- 41 с.

•1. л!аринвк Б.Т. Метод расчета распределения температур в полуограниченном массиве льда при переменных теплофизических свой-ствах//1Ьв.вузов СССР. Энергетика.-Г983.- » 7.-С.103-Ю5.

5. .''лринюк Б.Г. Нестационаргшй теплообмен в условиях намер-эания льда на плоской стенке с внутренним охлаждением//Конструи-рованне и р-.очёт аппаратурного оформления процессов разделения

в химичр кой технике:Сб.научн.тр.вузов.-;•!. СЛ26-130.

6. Наринюк Б.Т. Учёт термического сопротивления осадков в виде льда и инея//Исследовательские работы в области холодияыгых к компрессорных машин: Тематический сб. тр.ВШШолодмаша/Под ред. А.В.Быкова.- Ы.:ШМКХолодиаш, 1985.- С.40-43.

7. ¡'аришок Б.Т. Подбор и сценка эффективности теплопередаю-адос поверхнос1. ,1 льдогенераторов//ПоЕышение эффективности холодильного и компрессорного оборудования в процессе исследования

и проектирования:7ематический сб.тр.ВНИИхояодмаша/Под ред.А.В.Быкова.-«!. : ВНШХо лодмаш, 1986. -С. 124-127.

6. Штиак Б. Г. Расчёт термического сопротивления криоосадка из водно!у яьда //Химическое и нефтяное машиностроение.-199Э.-

№ 12. - С.21-22.

9. Мяринюк Б.Т. Основные результаты исследования диняники намерзания дьдя //Химическое и нефтяное машиностроение.-1989.-№ 3.- С.10-11.

10. лЬринок Б.Т., Буланов А.Б., Берсенев Н.П. Тепло- и массо-перонос на элементах низкотемпературного оборудования в условиях инееобразования.Обзорная информация. Сер. Х;.!-6.:ЦН1:ТИхим-нефтемаа,1960.- 94 с.

11. ¿Зарянок Б.Т., Пасютин В.А. Расчёт наружного теплообмена в испарительных панелях установок тепло- и хладсснабженил с учётом инееобразования на них //'Работы по созданию нового эффективного холодильного и компрессорного оборудования: Тем.сб.трудов/Под ред.Л.З.Быкова.- М.: ВШМХолодмап ,1909.С.01-6о.

12. 1'ипри;пйк Б.Т. Расчет эффективности рёбер в условиях инееобразования //Холодильная техника. - 1990. - Р 9. - С. 12-13.

13. «!аринвк Б.Т.Уточнённый расчёт камерного воздухоохладителя // Холсдильная техника.- 1991.- № 5,- С.22-23.

14. ¿¡аря.чвк Б.Т. Влкууншь нсплрнтвльнь'е системы лсдоохлаждения и холодоаккуцуляцци //Прогрессивные методы исследования и проектирования хоюдидокого г. компрессорного оборудогиния; Тематический сб.тр.ВШ!»1Холодмаша /Под ред.А.Б.Быкова.-А.: ВНЛИ-Холодмаи,1953.-С.100-111.

16. «¡аринок Б.Т., 1'ванов Б.А.,Дьячков М.И. К вопросу о применении криогенной технологии для замораживания участков ьсдн и слабых грунтов //Процессы и аппараты криоренноГ, технологии и кондиционирования: Сб.кяучн.тр.вузов/Под ред. Г.А.Головко.-Л.: ЛТИХП, 1905.- С. 64-67.

16. ¡¿аринюк Б.Т. Некоторые аспекты применения искусственного холода при строительство льдогруьтовых сооружений //Интенсификация производства и применение искусственного холода. Тезисы докл.Всес.каучно-пряктической конф, Л.,1986.- С.100-101.

17. Иванов Б.А. ,.<!арикюк Б.Т. ,Как К.Д. Ь1етоды подавления ине-евого осадка в аппаратах холодильных машин //Интенсификация работы холодильных установок. Тезисы докл. тучно-технической конф. Владивосток,1985,- С.39-40.

13. Дробинки И.Н., ааринюк Б.Т..Дашков С.А. Новая установка для газификации жидкого кислорода.Экспресс-информация "Иежот-раслевые вопросы науки и тех' чкм" № .-У.:Г0СШГЛ,1977.- 3 с.

1 19. Уарикпк Б.Т. Информационный анализ распределения температур в полом толстостенном цилиндре // Новые методы расчёта и конструирования машин и аппаратов химических производств сб.научн.трудов Люд ред.В.II.Майкова.- J. :№ECJ,I9S7.- C.87-9I.

£0. «!&ринюк Б.Т. Новые методы интенсификации теплообмена в аппаратах, рабсташях с криогенерацией льда н ннея//На>чно-тех-кичаский прогресс в области холодильного и компрессорного машиностроения.Тем. с.6. труде в/Под ред. А.В.Быкова.-М. :ВН1ЭДХолодмат, 1387.- С.136-142.

21. ¡Маринок Б.Т. .«етоды интенсификации теплообмена в низкотемпературных испарительных системах с аккуьтуляцией инея. Экспресс-информация "Оксплуатация, ремонт, зашита от коррозии оборудования к сооружений" » 5.- ¿1. :1ШГЭШ, 1966,- C.9-I7.

22. 1ларинюх Б.Т.Метода совераекствования кспаритедьно-гази-фикационшх систем с криогенерацией льда. Экспресс-информация "Эксплуатация, ремонт, запита от коррозии оборудовашя и сооружений" № 2.- il.siliwraxna, I9B8.- С. 1-9.

23. и!арикюк Б.Т. Учет термического сопротивления инея при расчёте теплообкенных аппаратов //Холодильная техника.- 1989.» 4.- С.20-32.

24. Маринок Б.Т. .Стрёнин Г.В. Расчёт динамики процесса намораживания водного дьда в условиях переохлаждения стенки //Прочность и надёжность химического оборудования: ¡»ежвуэ. сб. научн. трудов.- ¿l.:l£KU,I9S9.- C.IQ9-II3.

25. приник Б.Т.Намерзание льда как средство завиты испарителей от корр зии //Завита химического оборудовашш от коррозия: ¡¿ежвуз.г^.научн.трудов.- И.:И/!ХМ, 1985,- С. 14-16.

26. ¿¿аринюк Б.Т.Конструктивные особенности пластинчатого испарителя теплонасосной установки /Долодндыия техника.- 1990. № 10.- С.25-26.

27. V.arinyk В.Т. Heat end сааз transfer under fronting conditions //Int.J. of Refrigeration.- 1980.-K6.-p.366-363.

Новые технические решения защищены авторскими свидетельства-

ми Ш 9C367I, 1244445, 1068673, II7906I, 1355845, 1388675,

1255754 , 9CB67I, I6I5498, 1633496.