Введение к работе
Актуальность темы диссертации определяется тем, что в настоящее время энергосбережение является одним из важнейших критериев, принимаемых во внимание при создании новых видов энергетического, промышленного и сельскохозяйственного оборудования. Поэтому большое значение придается использованию вторичных энергоресурсов, в частности, утилизации сбросного тепла промышленных производств. Успешное решение этой задачи может быть достигнуто при использовании сорбционных преобразователей тепла различного назначения, поскольку сорбционные установки (холодильные машины, тепловые насосы) для своего функционирования используют внешнюю энергию в форме тепла, в качестве которого могут быть использованы вторичные энергоресурсы. Другим обстоятельством, которое обусловило интерес исследователей и разработчиков к адсорбционным преобразователям тепла, является необходимость отказа от использования традиционных хладагентов - хладонов - в связи с проблемой сохранения озонового слоя планеты и необходимостью выполнения принятых обязательств в соответствии с международными соглашениями. Адсорбционные устройства допускают использование в качестве хладагента большое количество органических и неорганических жидкостей с подходящими теплофизическими и эксплуатационными характеристиками.
В то же время промышленное освоение адсорбционных устройств сдерживается из-за недостаточной изученности процессов, протекающих в различных конструктивных элементах адсорбционных холодильных машин (АХМ) и тепловых насосов. Другим сдерживающим фактором является то, что набор хорошо изученных адсорбционных пар ограничен, что не позволяет в полной мере учесть условия эксплуатации установки и предъявляемые к ней требования.
Одним из путей совершенствования адсорбционных установок является использование прогрессивных решений при конструировании отдельных узлов. В частности, это может быть достигнуто применением тепловой трубы. Для этого необходимо иметь методы расчета, позволяющие добиться минимизации термического сопротивления тепловых труб с учетом влияния силы тяжести.
Работа выполнена в соответствии с заданиями республиканских комплексных программ фундаментальных исследований "Энергия" и "Энергетика" в период с 1982 по 1995 г.г., государственной (общеакадемической) программы фундаментальных исследований СССР "Коренное повышение эффективности энергетических систем" -направление "Системы энергоснабжения на базе возобновляемых источников энергии", тема 9.1.9. "Разработка эффективных систем охлаждения и кондиционирования на основе сорбции-десорбции" (1989 - 1990 г.г.), отдельного научно-технического проекта государственного заказа Республики Беларусь "Адсорбционные системы получения тепла и холода" (1992 -1 ЭЭЗг.г.).
Целью работы является разработка теоретических основ проектирования экологически безопасных адсорбционных холодильных машин, которые могут быть использованы для утилизации сбросного тепла промышленных производств или совместно с альтернативными источниками энергии.
Указанная цель достигается получением новых экспериментальных данных и теоретических результатов, необходимых для разработки и расчета отдельных конструктивных элементов, входящих в состав холодильного агрегата.1*-
Объектом исследования являются экологически безопасные адсорбционные холодильные машины, предметом - процессы переноса энергии (тепла) и вещества (хладагента, теплоносителя) в конструктивных элементах, образующих АХМ.
Новые научные факты установлены с помощью методов теплофизического эксперимента и теоретического анализа изучаемых процессов.
Научная новизна и значимость результатов работы состоит в следующем.
-
Выполнен теоретический анализ конденсации насыщенного пара на плоской поверхности с пористым покрытием, в котором в отличие от существующих методов расчета учтено, что количество жидкости, образующейся вследствие конденсации, может превышать объем порового пространства покрытия. В результате анализа получен критерий, характеризующий влияние пористого покрытия на теплоотдачу.
-
Предложено теоретическое описание тепломассопереноса в гравитационной тепловой трубе (ГрТТ), отличающееся от существующих теоретических моделей тем, что учитывается присутствие жидкой фазы теплоносителя в нижней части испарителя и пленки жидкости на поверхности пористого покрытия (капиллярно-пористой структуры -КС) в конденсаторе.
-
В результате комплексного экспериментального исследования, проведенного для сорбционной пары углеродный волокнистый адсорбент (УВА) - ацетон и включающего изучение сорбционных свойств и характеристик тепломассопереноса на моделях реального адсорбера, впервые предложено использовать в адсорбционной холодильной машине волокнистую форму углеродного сорбента.
4. В развитие существующих методов расчета тепломассопереноса в
конструктивных элементах АХМ предложена модель функционирования адсорбционного
холодильного агрегата, учитывающая гидравлическое сопротивление парового тракта
при течении паровой фазы хладагента из испарителя в адсорбер.
5. В результате экспериментального исследования установлены закономерности
изменения транспортируемого уноса жидкости при парообразовании в испарителе с
пористым покрытием.
Практическая значимость полученных результатов подтверждается тем, что вклад автора работы в разработку теплообменников на тепловых трубах, где использованы результаты, представленные в диссертационной работе, отмечен Серебряной медалью ВДНХ СССР "За достигнутые успехи в развитии народного хозяйства СССР". Также полученные результаты позволили предложить новые технические решения для адсорбционных холодильных машин с использованием волокнистой формы углеродного сорбента и тепловых труб, на которые авторским коллективом получены 4 авторских свидетельства СССР на изобретение.
Практическая направленность работы подтверждается также тем, что по ее результатам на основании договора с Минским заводом холодильников спроектирован, изготовлен и испытан экспериментальный образец экологически безопасного адсорбционного бытового холодильника
Методы расчета и экспериментальные данные по тепломассопереносу в конструктивных элементах АХМ (ГрТТ), представленные в диссертационной работе, могут быть непосредственно использованы при проектировании адсорбционных холодильных установок и тепловых насосов, а также теплообменных аппаратов с тепловыми трубами.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту, следующие.
-
Физическая модель конденсации на поверхности с пористым покрытием при наличии пленки жидкости и аналитическое решение задачи для расчета теплоотдачи, из которого, в частности, следует существование оптимальной толщины пористого покрытия, обеспечивающей минимальное термическое сопротивление.
-
Модель тепломассопереноса в ГрТТ и полученное решение, из которого следует, что в ГрТТ может иметь место интенсификация теплоотдачи при конденсации по сравнению с отдельно взятой поверхностью с пористым покрытием.
-
Результаты экспериментального исследования сорбционных свойств ацетона и этанола волокнистой формой углеродного сорбента "Бусофит", результаты экспериментального исследования тепломассопереноса на моделях реального адсорбера АХМ при использовании адсорбционной пары УВА - ацетон, а также результаты испытаний экспериментального адсорбционного бытового холодильника.
-
Модель функционирования холодильного агрегата АХМ, учитывающая влияние гидравлического сопротивления парового тракта на интенсивность теплоотвода в испарителе.
5. Результаты экспериментального исследования уноса жидкой фазы
теплоносителя (хладагента) при парообразовании в испарителе с пористым покрытием,
в частности, возникновение транспортируемого уноса при достижении определенного
значения интенсивности теплоподвода и давления насыщения.
В совокупности представленные в диссертационной работе результаты обеспечивают решение важной прикладной задачи создания экологически безопасных образцов адсорбционных холодильных машин и методов их расчета.
Все экспериментальные и теоретические результаты, вошедшие в диссертацию, получены автором диссертации самостоятельно. Вклад соавторов совместных работ (кроме описаний изобретений к авторским свидетельствам) заключается в научном руководстве при выполнении научных исследований (научный руководитель), а также в планировании исследований и обсуждении результатов. Вклад авторов при подготовке материалов для получения авторских свидетельств на изобретения - равный.
Результаты исследований, содержащиеся в диссертации, докладывались на VI Всесоюзной школе-семинаре "Современные проблемы газодинамики и тепломассообмена и пути повышения эффективности энергетических установок" (Волгоград, 14-22 мая 1987 г.), Минском международном форуме "Тепломассообмен-ММФ" (24-27 мая 1988 г.), Международном симпозиуме "Solid Sorption Refrigeration" (Париж, 18- 20 ноября 1992 г.), на объединенных 24-ой Международной конференции по системам жизнеобеспечения и 5-ом Европейском симпозиуме по космическим системам жизнеобеспечения и регулирования (20 - 23 июня 1994 г., Фридрихсхафен, Германия), III Минском международном форуме "Тепломассообмен ММФ-96 (20 - 24 мая 1996 г.).
Общее количество работ, опубликованных по теме диссертации - 21, в том числе 3 статьи в научных журналах, 4 доклада в Трудах международных конференций, 8 - в сборниках научных трудов; тезисов докладов - 2; описаний изобретений к авторским свидетельствам - 4. Общее количество страниц опубликованных материалов - юз стр., из них принадлежит лично автору - 35 стр.
Диссертация состоит из Введения, общей характеристики работы, четырех глав, Заключения, приложений. Общий объем диссертации -2.27 стр. Объем, занимаемый иллюстрациями - 62 стр., таблицами - 7 стр. Диссертация содержит 3 приложения, занимающими 18 стр. Количество использованных источников -138.