Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Анализ нестационарных процессов в охлаждающих системах и камерах холодильников
1.1. Взаимосвязь параметров неустановившегося KMSлdbHsbr?!.и и
1.2. Анализ исследований неустановившихся процессов в охлаждающих системах 25
ГЛАВА 2 Общие принципы и особенности составления математических моделей для исследования нестационарных процессов в охлаждающих системах пищевых продуктов
2.1. Общая методика подхода к составлению мате
матической модели 31
Основные уравнения, характеризуощие математическую модель аппарата 37
Упрощающие допущения 38
Преобразование исходных уравнений и их решение 47
2.2. Аппараты с однофазным течением сред 57
2.2.1. Регенеративный теплообменник (переохладитель) ". 57
2.2.2. Водяной теплообменник бб
2.2.3. Рассольная батарея 69
2.2.4. Трубопроводы 75
2.2.5. Термобатарея при переменных температурах вдоль поверхности теплообмена 77
2.3. Аппараты с двухфазным течением сред 78
2.3.1. Конденсаторы
Кожухотрубный конденсатор 78
Испарительный конденсатор 87
Воздушный конденсатор 99
2.3.2. Кожухотрубный испаритель 100
2.3.3. Батарея с насосной схемой подачи хладагента 100
2.3.4. Батарея с непосредс-венным испарением холодильного агента III
2.3.5. Конденсатор- испаритель ИЗ
2.4. Воздухоохладители 115
2.4.1. Теплообменные аппараты контактного типа с регулярной насадкой 11б
2.4.2. Воздухоохладители озбристотрубные 123
2.4.2.1. Математическая модель модуля рассольного воздухоохладителя 130
2.4.2.2. Математическая модель воздухоохладителя
с непосредственным испарением хладагента ,. 137
2.5. Динамика роста инея в гебристотпубных воздухоохладителях 137
Модель нестационарного инееобразования рассольного воздухоохладителя 138
2.6. Математическая модель ресивера (промсосуда) 140
В ы в о д ы 151
ГЛАВА 3 Экспериментальное исследование аппаратов холодильных установок .и проверка адекватности математических моделей
3.1. Исследование воздухоохладителя с плоскопараллельной насадкой при прямоточной схеме.. 154
3.2. Испарительный и воздушный конденсаторы 164
3.3. Рассольный воздухоохладитель 174
3.4. Батарея с насосной схемой подачи хладагента 178
3.5. Холодильные установки непосредственного испарения и с промежуточным теплоносителем 191
3.5.1. Кожухотрубный конденсатор 196
3.5.2. Рекуперативный теплообменник 200
3.5.3. Батареи непосредственного испарения 206
3.5.4. Кожухотрубный испаритель 209
3.5.5. Батареи с рассольным охлаждением 209
ГЛАВА 4 Математические модели камер хранения продуктов
4.17 Камера хранения мороженых и охлажденных
4.2, Камера хранения с воздушной системой охлаждения 224
4.3, Определение величины усушки при хранении мороженых грузов 231
ГЛАВА 5 Расчет и анализ процессов в теплообмннннх аппаратах холодильных установок с использованием математических моделей
5.1. Расчет и анализ установившихся процессов в отдельных теплообменных аппаратах с 235
5.2. Исследование неустановившихся процессов в аппаратах аналитическими и эксперимен тальными методами 247
Нестационарный процесс инееобразования на модуле рассольного воздухоохладителя.. 256
5.3. Определение коэффициентов тепло- и массо-обмена с учетом нестащионарности процессов в аппаратах 262
5.4. Исследование аппаратов с помощью аналоговых и цифровых вычислительных машин 271
5.4.1. Воздухоохладитель с плоскопаралленьной
насадкой 273
5.4.2, Кожухотпубный конденсатор 278
5.4.3. Регенеративный теплообменник 290
5.4.4, Батарея непосредственного испарения 294
5.5.1. Пооектиоование воздухоохладителя насадкой 296
5.5.2. Расчет циркуляционного ресивера 301
- 5 стр.
5.5.3. Расчет испарительных конденсаторов 302
5.5.4. Расчет оптимальной теплообменной поверхнос ти ГОт бныхко 309
5.6. Синтез двухступенчатых холодильных устано вок, отличающих повышенной эффективностью и надежностью работы .". 311
В ы в о д ы 319
ГЛАВА 6 Составление математических моделей холодильних устанозок и их решение 323
6.1. Математическая модель холодильной установки с непосредственным испарением 325
6.2. Математические модели низкотемпетатурных холодильных установок и установок с промежуточным теплоносителем 330
6.3. Методика расчета динамики холодильных установок на основании полученных математических моделей 332
В ы в о д ы 345
ГЛАВА 7 Методики построения переходных процессов в нелинейных систем управления высокого порядка
7.1, Метод гармонической линеаризации для тасче та нелинейных систем управления 348
7.1.1. Построение переходных процессов в нелинейных системах с использованием метода Соло-доБникова В.В г 350
7.1.2. Применение метода Акулыпина П.К. к простро-ению переходных процессов в нелинейных
САР 355
7.1.3. Расчет релейных систем с помощью нормирования уравнений третьего порядка 357
7.1.4. Анализ нелинейных систем, содержащих л -нелинейных звеньев 360
7.1.5. Применение метода корневого годографа для построения переходных процессов в нелинейных АСР 360
7.2. Применение метода фазовой плоскости для исследования нелинейных систем управления 363
7.2.1. Исследование нелинейных систем автоматического управления высокого порядка с использованием фазовой плоскости 364
Общие выводы 369
Литера туаа
- Анализ исследований неустановившихся процессов в охлаждающих системах
- Аппараты с однофазным течением сред
- Холодильные установки непосредственного испарения и с промежуточным теплоносителем
- Исследование аппаратов с помощью аналоговых и цифровых вычислительных машин
Анализ исследований неустановившихся процессов в охлаждающих системах
Изменение режимов работы для испарителей нежелательно и по другим причинам. Если возникают большие тепловые нагрузки, они могут вызвать аварийные ситуации, связанные с выбросом хладагента во всасывающие магистрали. Если КХМ недостаточной производительности, то произойдет повышение давления кипения и уменьшение интенсивности теплообмена, уменьшение удельной тепловой нагрузки на аппараты, и,как следствие, все это удлиняет процессы термообработки, увеличивает потери массы продуктов.
Для конденсатора повышение тепловых нагрузок сверх расчетных в любом случае увеличивает расход электроэнергии, уменьшает холо-депроизводительность компрессоров и т.д. Для камер хранения пищевых продуктов свойственны переменные и квазистационарные режимы работы. К примеру, для камер хранения мороженых грузов допускают вести доморозку поступающих грузов в количестве 6 от емкости камер. В реальных условиях поступление мяса в холодильник распределительного типа происходит из рефрижераторного транспорта, темпе - 22 ратура в котором поддерживается в пределах 261...255 К (-12... -18С). Поэтому выход на режим хранения в камерах большой емкости происходит от 15 до 45 суток и зависит в основном от условий отвода тепла от штабеля. Нестабильность температурного режима в камерах, а также в установке объясняется ухудшением со временем изоляционных конструкций ограждений холодильника и ухудшением теплопередачи приборов охлаждения из-за инея, выпадающего на теплопередающей поверхности. Возмущения наносятся также за счет поступления в камеры теплого воздуха при открывании дверей, освещения и работы механизмов. Все это дает значительные отклонения действительной температуры от принятых в проектах. В этом случае, если проектировщик и учитывает изменения тепловой нагрузки количественно, без распределения его во времени и без учета влияния друг на друга работающих аппаратов холодильной установки, то колебание температур в камерах от этого не уменьшается, а может только поменяться знак в сравнении с номинальным значением технологически требуемой температуры воздуха в помещении.
Заметное влияние на режимы работы КХМ оказывает температура окружающей среды, особенно если применяется воздушный конденсатор.
Температура воды, поступающей на охлаждение конденсатора, в течение суток также изменяется на 8...ЮС. Причем максимальное изменение ее совпадает и с другими возмущениями, накладывающимися на температурный режим в камерах холодильников.
Внутренние возмущения имеют тесную взаимосвязь с воздействием среды, вернее, являются ее производной. Это можно проиллюстрировать следующим примером. На холодильнике резко повысились тепловые нагрузки, что привело к включению дополнительного компрессора, который является источником возмущений как на испаритель так и конденсатор. Регулирование температуры в камерах (часто на крупных холодильниках) производится за счет отключения части поверхности приборов охлаждения, но это значит, что вносится возмущение для всей системы, т.к. оказывается, что производительность компрессоров становится сразу завышенной и в связи с этим в аппаратах данного охлаждаемого объекта понижается температура кипения хладагента и т.д.
Эти изменения касаются одной системы охлаждения, а на холодильнике почти всегда имеется несколько контуров с раллинными температурами кипения, объединенных между собой через конденсатор и промсосуд для систем "Компаунд". В этом случае через конденсатор оказывается большое влияние на работу всех систем данного холодильника, если в нем происходит резкое изменение тепловых нагрузок, особенно их превышение в сравнении с расчетной.
Проектирование КХМ с объектами охлаждения проводится, исходя из стационарности работы системы, причем с учетом максимальных тепловых нагрузок, возникающих в летний период, с учетом максимального поступления в него грузов. Но этого оказывается недостаточно. Нарушение режимов работы испарителей, повышение температур кипения агента приводят к увеличению количества циркулирующего хладагента через конденсаторы (нередко в 1,3...1,5 раза). Все это оказывает влияние на производительность компрессоров, и установка часто не может выйти на стационарный режим; это также приводит к перерасходу электроэнергии, ухудшению качества продуктов и неудовлетворительной эксплуатации холодильника.
То есть микроклимат в камере хранения пищевых продуктов есть результат динамического равновесия между тепловыми потоками, постуаающими в камеру через ограждающие конструкции к продукту и отводимыми через приборы охлаждения.
Проведенные [265] исследования показали, что величина тепло-притоков в камеру хранения определяется разностью среднесуточного значения температуры окружающей среды и температуры в камере, а колебания температуры окружающей среды относительно среднесуточного значения не влияют на величину теплопоступлений через ограждения. С другой стороны, эти колебания существенно влияют на режимы эксплуатации холодильной установки и соответственно на параметры воздуха в камере. Таким образом, потери пищевых продуктов при хранении зависят от сложных многофакторных и взаимосвязанных процессов, которые (при существующих методах исследования) не всегда позволяют достаточно ясно сформулировать даже качественные суждения, не говоря уже о количественных соотношениях в сплетении взаимосвязанных причин, характериуующих величину усушки. Поэтому при исследовании процесса хранения пищевых продуктов необходимо учитывать процессы не только во внутрикамерных охлаждающих приборах, а всю совокупность технических средств, обеспечивающих требуемые теплофизические режимы хранения и их эксплуатацию.
Все изменения параметров окружающей среды и температуры воздуха в камерах холодильников в конечном итоге сказываются на продолжительности хранения, качестве и потере массы продуктов от естественной убыли. А эти показатели, в основном, и определяют рентабельность работы холодильника.
Аппараты с однофазным течением сред
Экспериментальные исследования рассольной батареи позволили нам подойти к рассмотрению математической модели, как конвективного теплообменника с сосредоточннными параметрами со стороны воздуха. Разброс температур воздуха характерен для камер с батарейным охлаждением (рис.2.36), по высоте камеры (точки 12 и 7) составил 2С (при высоте камеры 2,4 м) в установившемся режиме работы холодильной установки и постоянстве тепловой нагрузки.
При внесении возмущения скачком со стороны изменения расхода хладагента на кожухотрубный испаритель и постоянстве тепловой нагрузки в камере температура в камере изменилась (понизилась) на 3С. При этом характер распределения температур по высоте камеры не изменился, что определяется не свойствами батареи, как объекта с распределенными параметрами, а свойствами конвективных токов воздуха по высоте камеры (от холодных зон - низ камеры к более теплым - верх камеры). Если теперь предположим, что батарея - это теплообменник, в котором движение воздуха происходит от теплой стороны (вход) к холодной стороне (выход), то отношение приращения температуры на выходе к температуре на входе
Это отношение соответствует физи Адвн (точка 7) -3 ческой сущности объекта с сосредоточенными параметрами и позволя - 70 ет нам рассматривать батарею, как объект с сосредотчченными параметрами со стороны воздуха и с распределенными - со стороны хла-доносителя.
Как уже было отмечено, при записи постоянных времени в комбинированной системе уравнений необходимо учитывать назначение математической модели аппарата. Если она предназначена для автономных исследований динамических и статических характеристик аппарата, то в общем решении для аппарата безразлично, как мы их определим. Если же мы ведем анализ и сравниваем отдельные аппараты между собой по постоянным времени, то запись их должна быть таковой, чтобы соответствовала единой физической сущности коэффициента.
Согласно (2.86) уравнения (2.83 и 2.84) преобразованы таким образом, что К5І = Кш = = I иоответствуюю тлассической йормулировке постоянной времени как для объекта с сосредоточннными параметрами (уравнение Стодолы) [104]. При этом уравнения (2.83 и 2.84) можно сравнить между собой и судить об их инерционности по TfS и Tms . Если окажется, что TlS«TcmS (т.е. отличается больше чем в 50...100 раз), то TlS можно пренебречь без существенной потери точности решения и упростить математическую модель, понизив ее на порядок. Однако уравнения (2.83 и 2.84) уже нельзя сравнивать по постоянным времени с уравнением (2.85), так как их записи неравноценны. Поэтому, выполнив преобразования в уравнениях (2.80 - 2.82) [242,244], при которых КЪЬФ Ист У коэффициенты в уравнениях (2.83 - 2.84), можно записать
При исследовании камер хранения с батарейной системой охлаждения необходимо располагать передаточными функциями батареи относительно средней температуры охлаждающей поверхности. Для этого в исходной системе уравнений (2.80, 2.81 и 2.82) выполним прямое преобразование Лапласа по времени и относительной пространственной координате L и решим полученную систему уравнений.
Записав полученные решения в виде (2.58), с помощью обратного преобразования Лапласа в области изображений комплексной переменной S [59], согласно (2.60) получим передаточные функции рассольной батареи, которые сведены в таблицу П.2.4. Значения коэффициентов в передаточных функциях (П.2.26 - П.2.38) определяются на основании (2.86) где п - показатель степени скорости рассола в критериальном уравнении с(Р . Структурная схема рассольной батареи согласно передаточным функциям (П.2.26 - П.2.38) приведена на
Трубопроводы в холодильной установке рассматриваются как однофазные аппараты при условии наличия теплообмена между воздухом и трубопроводом (неизолированные участки) и с теплоизоляцией, предотваащающей потери тепла в окружающую среду (адиабатические участки). Швод передаточных функций для изолированного и неизолированного участков трубопровода приведен в приложении (стр.
Для изолированного трубопровода изменение весового расхода хладагента на входе приведет к изменению температуры на выходе только на время переходного процесса. В установившемся режиме приращение температуры на выходе будет равно нулю, что видно из выражения (П.2.56), так как величина - - -т- = О, потому что то из его анализа следует, что при изменении температуры хладагента на входе, температура хладагента на выходе достигнет 9И спустя время, равное времени чистого запаздывания (первый сомножитель) и времени переходного процесса (второй сомножитель), так как в новом установившемся режиме оба сомножителя равны единице.
В тех случаях, когда потерей тепла в окружающую среду пренебречь нельзя для изолированного трубопровода за счет разности температур окружающей среды и теплоносителя, для целей исследования динамики можно воспользоваться работой [l22], в которой приведены зависимости, которые позволяют определить температуры на выходе при изменении температуры и расхода теплоносителя на входе. Решения во времени получены в виде ряда.
Для решения подобных выражений в интегральной форме получаются очень сложные зависимости, которые решаются с помощью ЭЦВМ [348], поэтому обратное преобразование величины, стоящей в скобках, производят после разложения ее в бесконечно сходящийся ряд [122,190,246] иаи применяя другие формы решения.
Термобатарея при переменных температурах вдоль поверхности теплообмена Термоэлектрические нагреватели и охладители жидкостей и газов можно рассматривать как своеобразные теплообменники - рекуператоры, в которых на поверхности термобатареи, раздляяющей потоки теплоносителей, происходит выделение и поглощение тепла Пель-тье, а в объеме термобатареи - выделение тепла Джоуля [4б,200].
Как показано в работах [176,189,200,230], вследствие зависимостей энергетических характеристик термопар от температуры спаев и средней разности температур между стенкой и теплоносителем от условий теплообмена на спаях, результаты расчета одной термопары нельзя распространить на всю термобатарею. В данном случае термопары в батарее работают в индивидуальном температурном режиме. Аналитические соотношения должны быть, учитывая разные температурные режимы термоэлементов, принципиально другими в сравнении с соотношениями для батарей с равными условиями работы всех элементов.
Холодильные установки непосредственного испарения и с промежуточным теплоносителем
Решение (3.35) получено при подстановке постоянных времени в часах и показано на рис.3.II (пунктирная кривая). Кривая, показанная сплошной линией, получена в процессе опыта. В таблице 3.7 приведены результаты исследования статики при двухфазном течении хладагента в трубе 0 0,038 х 0,003 и длиной ( = 5 м режим № I I идлино I = =0,7 7 - -ржимы 2 2 и). Режим I получен при внесении возмущения по тепловой нагрузке в камере. Уменьшение тепловой нагрузки на 73 привело к изменению температуры воздуха в камере на -4С.
Режим 2 - увеличим расход пара на входе опытного участка, а режим 3 - соответствует уменьшению расхода пара в опытный участок.
Проведенные исследования дают нам возможность утверждать, что полученная математическая модель для горизонтальнотрубной батареи при двухфазном течении сред адекватна реальной физичес - 191 -коИ модели с точностью до 10 .
Для проверки адекватности математических моделей теплооб-менных аппаратов холодильной установки непосредственного испарения были проведены опытные исследования физической модели, полностью имитирующей промышленную холодильную установку. При этом нагрузку в камере изменяли с помощью электронагревателей, конструктивное решение которых исключало наличие радиационного теплообмена.
Экспериментальные исследования аппаратов можно проводить с помощью пассивного и активного методов (как в отдельности, так и в сочетании холодильной установки в целом) на стендовых и промышленных установках.
В практике экспериментальных исследований динамики тепло-обменной аппаратуры преимущество отдается стендовым испытаниям [341,351]. При этом экспериментатор не ограничен в выборе величины и типа возмущающих воздействий, времени проведения эксперимента, возможности оснащения стенда требуемой контрольно-измерительной и регулирующей аппаратурой, важным свойством стендовых испытаний является возможность проследить изменение выходных параметров теплообменного аппарата при изменении одного из возмущающих воздействий при стабилизации других, т.е. четко выделить исследуемый канал. Однако стендовые испытания при всех их достоинствах обладают одним важным недостатком - они требуют абстрагироваться от реальных эксплуатационных условий работы аппаратов. Поэтому все вышеперечисленные экспериментальные установки создавались таким образом, чтобы максимально приблизить условия эксперимента к реальным условиям эксплуатации аппарата, что, в пер - 192 вую очередь, требует наличия замкнутости системы термодинамического цикла работы холодильной установки и обеспечения герметичности по хладагенту, который постоянно циркулирует в рабочем контуре. Поэтому собственные характеристики аппаратов, полученных в условиях разомкнутого контура на стенде, будут существенно отличаться от динамических характеристик в случае его работы в замкнутом контуре холодильной установки. При этом спектр несущих частот амплитудно-фазовых характеристик деформируется и смещается в область низких частот - все это может привести к большим ошибкам не только в количественном но и качественном отношении. Это наглядно показано в работах [51 250] при идентификации ре-ветэсивных теплообменников и тзегенетзатоіюв установках разделения газа
На основании вышеизложенного, экспериментальные исследования аппаратов холодильной установки необходимо производить в условиях эксплуатации или максимально приближенных к ним.
С другой стороны, проведение исследовании в промышленных условиях эксплуатации холодильных установок (стационарные или транспортные холодильные установки), как правило, исключает возможность постановки активного эксперимента и получения достаточно достоверных данных. Это объясняется условиями технологии режимов эксплуатации, действием возмущающих воздействий, которые зачастую носят случайный характер, влиянием различных помех (действием систем автоматического регулирования, воздействием других испарительных систем, камер с различными температурными уровнями и условиями термообработки продуктов - замораживания или хранения и т.д.). Поэтому в этих случаях находит применение пассивный эксперимент, который базируется на методах статистической обработки параметров [l80,2I7,25I,26l] , полученных в процессе их нормальной эксплуатации
Исследование аппаратов с помощью аналоговых и цифровых вычислительных машин
Одним из факторов снижения естественной убыли продуктов и сохранения его качества является автоматическое регулирование параметров воздуха камер хранения в заданных пределах. Однако отсутствие достоверных аналитических или экспериментальных зависимостей, характериуующих камеру как объект регулирования, сдерживает развитие этого направления. Поэтому в литературе нет данных по неустановившимся и установившимся процессам камер хранения мясопродуктов. Это объясняется сложностью и многообразием процессов тепло- и массообмена, происходящих в камере хранения, длительностью и сложностью экспериментальных исследований, наличием большого числа возмущающих факторов, влияющих на процессы в камере, что усложняет проведение эксперимента, и трудностью четкого разграничения каналов по интереуующим возмущениям. Поэтому исследования в области разработки математических моделей камер являются актуальными и необходимыми.
Аналитические исследования объектов, близких по своей сущности к камере хранения, приведены в работах Бражникова A.M., Пелеева А.И. [35,36,218]. Однако в работах Бражникова A.M. были приняты упрощающие допущения при получении уравнений теплового баланса, которые для камер хранения с батарейной системой охлаждения очень грубы: 1) температуры во всех точках камеры одинаковы - камера, как объект с сосредоточенными параметрами; 2) влагосодержание воздуха и другие теплопритоки постоянны. Несостоятельность подобных допущений наглядно доказана в работах Верещагина В.А., Чижова Г.Б. [52] и Патина А. [354], которые фиксируют значительную неоднородность температурного поля по объему камеры хранения мороженых мясопродуктов.
В [52] отмечается, что в камерах с сребренными батареями разность температур воздуха в грузовом объеме достигает 4,5С. Подобная закономерность была зафиксирована также нами при экспериментальных исследованиях холодильных установок с непосредственным и расслльным охлаждением.
Патин А. [354], анализируя влияние работы приооров охлаждения на изменение температуры воздуха по высоте камеры одноэтажного холодильника, привел эмпирическую зависимость, которая позволяет определить перепад температур пола и потолка, исходя из анализа теплового баланса камеры.
Определенный интерес при исследовании камер представляют результаты работы Каяна [355,356,357], в которых приведены данные о влиянии на температурные условия хранения и работу холодильной установки вносимого " теплого" продукта. Результаты проведенных расчетов указывают на влияние на температурное поле каыеры "теплого" продукта, вносимого в камеру, характеризуя его как возмущающее воздействие. Поэтому Эглит А.Я. в своей работе [328] рассматривает теплопритокй от внесения в камеру продуктов, как основные возмущающие воздействия. В то же время максимальные теплопритокй через ограждения (.внутренние и наружные) могут составлять только 30 тепловой нагрузки на охлаждающие приборы камеры. Теплопритокй от различных источников (освещение, открывание дверей, люди) составляют не более 10% общей тепловой нагрузки. Подобная интерпретация долевого влияния различных возмущающих воздействий, выработанная на основании анализа большого объема экспериментальных работ по исследованию температурно-влажностных режимов в камерах, подтверждается также рекомендациями по проектированию холодильных установок [234]. При этом в рекомендации четко оговорено, что суточное поступление в камеру хранения грузов не должно превышать 6% для камер грууовой емкостью свыше 200 т а температура поступающего груза не должна превышать -8С.
В отечественной практике по математическому моделированию камер хранения с батарейным охлаждением следует отметить работу Эглита А.Я., в которой на основании детального анализа ранее проведенных частных исследований автор выполнил исследования температурных режимов в камере хранения, рассматривая ее как объект с распределенными параметрами. Правда, Эглит А.Я. ограничился только численными методами моделирования с использованием ЭВМ, разработав программу на основании метода элементарных балансов [37,324] .
Продукт в камере хранится уложенным в штабель. Физические процессы в камере - это тепло- и влагообмен между продуктом, воздухом камеры, приборами охлаждения и ограждениями. Используя метод системного анализа для камеры хранения, можно отметить, что камера (как единая система) состоит из следующих подсистем (рис.4.1):
