Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор проблемы получения и применения водного льда. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Применение водного льда в различных отраслях промышленности 9
1.2. Использование водного льда в качестве хладоемкой массы 16
1.3. Получение различных видов водного льда 19
1.4. Аналитические и экспериментальные исследования процесса замораживания воды в различных условиях и их результаты 22
1.5. Альтернативные способы получения искусственного холода 27
1.6. Выводы 30
Глава 2. Анализ вакуумного замораживания жидкостей в спокойном состоянии 32
Глава 3. Опытная установка вакуумного льдогенератора 37
3.1. Описание экспериментальной установки и ее элементов 37
3.2. Описание работы установки и методика проведения опытов 43
3.3. Дополнительное оборудование и приспособления, используемые при проведении экспериментов 46
3.4. Расчет эффективной производительности установки 50
Глава 4. Экспериментальное исследование режимов работы вакуумнойхолодильной машины при производстве водного льда методом послойного намораживания 52
4.1. Динамика вакуумного замораживания воды 52
4.2. Распределение температур по толщине слоя льда при вакуумной ледогенерации 56
4.3. Энергетические показатели установки вакуумного охлаждения воды 60
4.4. Обработка опытных данных и оценка погрешностей 61
4.4.1. Погрешности измеряемых величин 61
4.5. Выводы 63
Глава 5. Практическое применение вакуумных льдогенераторов с послойным намораживанием 64
5.1. Области применения вакуумных машин малой холодопроизводительности 64
5.2. Обоснование применения двухроторных вакуумных насосов в холодильных машинах, использующих воду как холодильный агент 66
5.2.1. Аспекты применения средств вакуумной откачки различных типов 66
5.2.2. Преимущества двухроторных вакуумных насос-компрессоров 69
5.2.3. Эксплуатационные ограничения для двухроторных вакуумных насос-компрессоров 70
5.3. Пример расчета вакуумных установок для производства водного льда 71
5.4. Сравнение параметров реально действующей фреоновой парокомпрессионной установки для производства водного льда с вакуумной холодильной установкой 73
5.5. Использование вакуумных холодильных машин в системах кондиционирования воздуха 75
5.6. Выводы 78
Приложения 79
- Аналитические и экспериментальные исследования процесса замораживания воды в различных условиях и их результаты
- Анализ вакуумного замораживания жидкостей в спокойном состоянии
- Дополнительное оборудование и приспособления, используемые при проведении экспериментов
- Распределение температур по толщине слоя льда при вакуумной ледогенерации
Введение к работе
Охлаждение различных объектов и поддержание их на заданном температурном уровне всегда имело большое значение в жизни человека. Прежде всего, это относится к хранению пищевых продуктов, а значит, напрямую влияет на качество питания и, следовательно, здоровье людей. Наиболее быстро и просто сохранить продукты, применяя водный лед, полученный естественным путем или при помощи специальных холодильных машин.
Традиционные методы получения водного льда предполагают задействование парокомпрессионных холодильных машин, использующих различные виды холодильных агентов от хладонов и аммиака до углеводородов и СОг- Многие из предложенных в последние годы хладонов, имея нулевое воздействие на озоновый слой земли, в то же время отепляют окружающую среду (R404a, R410, R125, R134a). Весьма редки хладагенты одновременно безопасные и для озонового слоя, и в плане воздействия на глобальное потепление (R32, R161), поэтому они весьма дороги.
Развитие холодильной техники в настоящее время находится под влиянием жестких экологических требований. Анализируя наиболее известные, разработанные к настоящему времени в нашей стране и за рубежом синтетические заменители запрещенных к использованию холодильных агентов, можно убедиться, что у каждого из них имеются уязвимые места с позиции выполнения всех экологических, энергетических и эксплуатационных требований, предъявляемых к современным холодильным агентам. Поэтому в перспективе все они могут оказаться объектами разного рода регулирования, которое в конечном итоге сведется к запретам или ограничениям их производства и потребления.
В последние годы возрос интерес к холодильным агентам природного происхождения, к которым относится и вода. Использование воды как
-8-холодильного агента в системах охлаждения является перспективным в сельском хозяйстве, на транспорте, в промышленном и гражданском кондиционировании. Вода — экологически чистое вещество, не загрязняющее и не отепляющее окружающую среду. Вода может быть как хладагентом, так и хладоносителем. Это значительно уменьшает стоимость и сложность систем охлаждения. Вода химически стабильна, нетоксична, невоспламенима и не вредит окружающей среде. Однако вода как холодильный агент имеет очень низкий уровень рабочих давлений. В результате система должна пропускать большие объемные потоки водяного пара, имея сравнительно высокие коэффициенты сжатия. По этой причине, машины высокой объемной производительности являются наилучшим выбором. Основной цикл машин, работающих на воде, фактически идентичен парокомпрессионному холодильному циклу с традиционными холодильными агентами, за исключением того, что в связи с доступностью и относительной дешевизной воды как холодильного агента, возможно ее использование в разомкнутом цикле. В силу своих специфических свойств (низкое давление паров при температурах 0—+20 С), существующий парк холодильных компрессоров не может быть использован, поэтому в качестве средств компремирования выбраны скоростные вакуумные насосы ротативного действия.
В литературе имеются сведения относительно работ по созданию крупных по холодильной мощности установок, работающих на воде. В них применяют центробежные и осевые компрессоры. В нашей стране данной проблемой в разное время занимались к.т.н., доц. Ивановский с учениками. За рубежом наиболее известны работы профессора Йохима Пауэла [39] (Дания) и Дж. Кюхнл-Кинела [38] (Швейцария). Создание вакуумных холодильных машин малой производительности на основе турбомашин динамического действия не представляется возможным, поскольку КПД этих машин резко снижается при уменьшении потока пропускаемого газа. Требуется также организация промежуточного охлаждения водяного пара, что увеличивает стоимость и сложность установки.
Аналитические и экспериментальные исследования процесса замораживания воды в различных условиях и их результаты
Диспергирование воды в среду с отрицательной температурой в целях замораживания водяных капель является более выгодным энергетически по сравнению с процессом льдогенерации методом послойного намораживания.
Впервые достаточно полный качественный анализ физических процессов, протекающих в факеле диспергированной воды, был выполнен Д. Ченом и В. Кеворкяном [37]. Однако в их работах не нашли отражения особенности кристаллизации капель воды в атмосфере и процессы формирования покровов из гранулированного льда.
Особой формой льдоводяной смеси является шуга. Это основная форма льда в начальный период образования ледяного покрова. Образование шуги из соленой воды является частью многих технологических процессов в северных районах. Серия проведенных Цангом экспериментов [40] показала, что между концентрацией шуги в морской воде и временем ее образования можно установить четкую функциональную зависимость. Было показано, что морская шуга отличается от пресноводной как по кристаллографической структуре, так и по физическим свойствам. Были построены графики, позволяющие определять концентрацию шуги в зависимости от времени. Вместе с тем, следует заметить, что полученные данные верны для определенных значений числа Рейнольдса и условий затравки, определенных экспериментальным путем, хотя предварительное исследование показало, что влияние числа Рейнольдса имеет второстепенное значение по сравнению с влиянием начального переохлаждения.
В работе [32] рассмотрен процесс образования шуги и льда в естественных условиях (под открытым небом, в реках) и в холодном помещении. Представлены графики влияния скорости охлаждения на температуру воды (в том числе на переохлаждение). Установлено, что шуга образуется на прямых участках реки с поверхностной скоростью, превышающей 0,6 м/с.
Послойное намораживание является менее эффективным из-за различных факторов. Скорость послойного намораживания зависит от времени замерзания элементарного слоя воды, определяемого в основном интенсивностью его теплообмена с окружающей средой.
С.А. Бобков [5] исследовал послойное намораживание при возведении ледяных бунтов и предложил эмпирическую формулу для оценки интенсивности намораживания в зависимости от температуры воздуха t и скорости ветра w. Формула имеет вид
Для изучения процессов послойного намораживания другой автор — В.В. Степанов применил аэродинамическую трубу. В его опытах проанализировано влияние отдельных составляющих внешнего теплообмена за счет конвекции, испарения и излучения. Он построил графики, учитывающие значение каждой из перечисленных составляющих теплового баланса при различных метеорологических условиях. Данные экспериментов позволили установить зависимость эффективного коэффициента теплоотдачи от скорости ветра, характерного размера поверхности намораживания и коэффициента кинематической вязкости воздуха.
Е.С. Дунаев [12] выполнил большой объем экспериментальных исследований по намораживанию льда из морской воды. Большое внимание было уделено измерению свойств полученного им льда как строительного материала.
Стендовое и производственное изучение процессов послойного намораживания, выполненное Н.Т. Кудряшовым [14], позволило ему найти полуэмпирическую зависимость для определения времени замерзания слоя воды заданной толщины д при различных температурах воздуха tBm и скорости ветра и: где а — коэффициент теплоотдачи от воздуха.
Также были оценены и другие климатические факторы, влияющие на интенсивность льдообразования. Показано, что относительная влажность воздуха в интервале 70—90 % очень слабо влияет на этот процесс. Роль солнечной радиации заметно возрастает к концу февраля и началу марта, замедляя процесс льдообразования на 11—14% и 30—74% соответственно. При слабом ветре и в безоблачные ночи темп намораживания увеличивается на 30 %, поэтому Н.Т. Кудряшов указывает на высокую эффективность работ по намораживанию в ночное время.
Анализ вакуумного замораживания жидкостей в спокойном состоянии
Рассмотрим замкнутую герметичную полость, внутри которой находится жидкость (вода) в спокойном состоянии при температуре, близкой к О С. Предположим, что подаваемая в полость бак-испарителя вода имеет околонулевую температуру. Вакуумирование полости осуществляется с эффективной скоростью S, и эта скорость остается постоянной в том диапазоне давления, при котором образуется ледяной массив. Данное предположение вполне соответствует реальному положению дел при специальном подборе средств вакуумной откачки для конкретного вида замораживаемой жидкости. Откачка паров Т Принятые упрощающие допущения: — Начальная температура воды tw= О С. — Удельная скорость откачки насос-компрессора S , м-(м -с ), постоянна. —
Теплофизические свойства воды и водного льда постоянны. — Откачка массы паров не влияет на положение границы фронта фазового превращения воды в лед. — Теплопритоки из окружающей среды отсутствуют. Теплофизические свойства воды и водного льда заранее известны — это молекулярная масса, теплоты испарения г и замерзания L, температура замерзания Гф, плотность льда жидкости рп, коэффициент теплопроводности льда Л в состоянии таяния X При принятых обозначениях на рисунке 2.1 буквой показана глубина промерзания льда по координате X На границе раздела «лед—паровая полость» можно записать условие где S — эффективная скорость откачки на единицу площади сечения вакуумной полости; р" — упругость насыщенных паров воды. На границе раздела «лед—вода» условие теплового взаимодействия определяется уравнением: Следуя рекомендациям проф. Л.С. Лейбензона [15], распределение температур в слое намораживания льда принимаем прямолинейным: где Го — температура поверхности льда на границе раздела «лед—паровая полость». Такое предположение обосновано тем, что лед образуется в тонких слоях толщиной , (отношение толщины к внутреннему диаметру корпуса льдогенератора меньше 0,04), которые со временем смораживаются в ледяной массив цилиндрической формы. Дифференцируя уравнение (2.3) и применяя условие (2.1), в котором упругость паров воды р" выражена через давление насыщенных паров по уравнению состояния, получаем: Вновь используя уравнение прямолинейного распределения температур (2.3), и применяя граничное условие (2.2) получаем уравнение: Откуда, разделяя переменные и интегрируя: Данное уравнение является ключевым, так как оно содержит параметр времени т и искомую толщину слоя намораживания льда Выразим давление упругости паров воды надо льдом выражением Полученный результат приведен в виде неявного уравнения относительно искомого параметра Зависимость упругости насыщенных паров воды от температуры в ограниченном дидпазоне ее изменения можно представить упрощенно в виде выражения где к = 35 и и = 8940 — эмпирические константы. Такое уравнение описывает табличные данные по упругости насыщенных паров воды от температуры в диапазоне температур 0...-10 С с погрешностью 3—5%. Тогда, с учетом (2.8) из (2.4): 3.1.
Описание экспериментальной установки и ее элементов В Московском Государственном Университете инженерной экологии, на кафедре «Холодильная и криогенная техника», был создан экспериментальный стенд-имитатор вакуумного льдогенератора с использованием воды как холодильного агента. Основные функции установки — охлаждение воды и получение водного льда. Смесь воды со льдом является наиболее удобным источником холода для промышленности и сельского хозяйства, в том числе и фермерского. Принцип действия вакуумной холодильной машины основан на том, что в процессе кипения охлаждаемой жидкости в резервуаре-испарителе (а после образования ледяного слоя на поверхности льда — в процессе сублимации) при давлении ниже атмосферного происходит интенсивный отвод тепла с порциями паров, удаляемых из объема испарителя средством вакуумной откачки, например, двухроторным насос-компрессором, с последующей конденсацией паров в водяном конденсаторе. Рабочее вещество (вода) заправляется в бак-испаритель. Вспомогательный вакуумный насос создает начальное разрежение, необходимое для работы основного насоса, так как он не может работать с атмосферным давлением на выхлопе в силу технических особенностей Запуск основного насоса должен происходить только при достижении в камере необходимого уровня вакуума (порядка 5 мм рт. ст.) После включения основного вакуумного насоса начинается основной процесс вакуумного послойного намораживания воды. Во время работы основного насоса часть рабочего вещества уносится в виде паров, отводя при этом тепло и охлаждая тем самым оставшуюся в испарителе часть воды и льда.
Дополнительное оборудование и приспособления, используемые при проведении экспериментов
Приборы и датчики, установленные в различных частях системы позволяют измерять необходимые параметры, такие как температура (датчики ТІ, Т2, ТЗ), давление (вакууметры Вк и 9) и другие. Предусмотрено введение сразу нескольких датчиков температуры для измерения распределения температурного поля в испарителе (в основном, вертикального распределения).
Датчики температур представляют собой хромель-копелевые термопары, работающие от батареек и безопасные в эксплуатации. Некоторые датчики (например, для измерения температуры конденсации) имеют возможность выводить информацию непосредственно на компьютер и при наличии специального программного обеспечения строить графические зависимости температур от различных параметров в режиме реального времени.
Для измерения профиля температур по толщине замороженной водяной линзы использовалась специальная термопарная «гребенка» ТІ (см. рис. 3.8), состоящая из 4-х термопар (константан-медь) с диаметром электродов 0,15 мм. Чувствительные элементы термопар расположены друг от друга на регулируемом расстоянии 1—12 мм.
Показания термопар выводились на специальный высокоточный вольтметр с регулируемой точностью и ценой деления «Вольтметр универсальный ЩЗ 1» (см. рис. 3.9), не являющийся постоянным элементом установки и включенный в ее состав только для измерения распределения температур в единичном слое и между слоев льда. Переключение между термопарами выполнялись с помощью переключателя (см. рис. 3.10).
На установке предусмотрено измерение напряжения (вольтметр V на рисунке 3.1), силы тока (амперметр А) и мощности (ваттметр W) на основном и вспомогательном насосе, что позволяет оценить затраты энергии на производство холода.
Амперметр, вольтметр и ваттметр представляют собой единый прибор «Комплект измерительный К505» (см. рис. 3.11) и имеют изменяемую цену деления, что расширяет возможности и точность прибора при снятии требуемых характеристик. Цена деления выставляется на панели управления прибора специальными переключателями.
Также возможно измерение величин напряжения и силы тока в любой части любой электрической цепи бесконтактным методом с помощью специальных токовых клещей.
Для измерения давления в различных частях установки установлены 2 вакууметра. Образцовый вакууметр (рис. 3.12) имеет цену деления 7,6 мм рт. ст. и установлен между основным насосом и конденсатором. По этому вакууметру в основном определяют, вышел ли вспомогательный насос на уровень рабочего давления, когда можно запускать основной вакуумный насос.
Электронный вакууметр (см. рис. 3.13) комбинированного типа Mini-Convectron (серия 275) установлен на баке-испарителе. Вакууметр имеет жидкокристаллический дисплей для отображения различной информации, в том числе текущего давления в рабочей камере (возможно измерение давления в миллиметрах ртутного столба или килопаскалях). Диапазон измеряемых давлений электронного вакууметра составляет 10" —103 мм рт. ст. Подробные характеристики прибора приведены в приложении 3. Эффективная скорость откачки установки согласно основному уравнению вакуумной техники определяется [9] как где і53ф — эффективная производительность вакуумной установки, л/с; Sn — паспортная производительность вакуумного насоса, л/с; U— пропускная способность вакуумной коммуникации, л/с. Пропускная способность вакуумной коммуникации U при ламинарном течении газа рассчитывается по формуле: где d — диаметр трубопровода, см; / — длина участка трубопровода, см; Р — среднее давление в откачиваемом объеме, мм рт. ст.; Кс — поправочный коэффициент для среды, пропускаемой через трубопровод [9]. Экспериментальное определение производительности вакуумной установки осуществляется методом постоянного давления. Метод «постоянного давления» изложен в литературе [9], [33] и состоит в следующем: в рабочей емкости предусматривается линия натекания воздуха с регулирующим вентилем, с наружной стороны линии устанавливается газовый счетчик. Первоначально в емкости создается наиболее низкое остаточное давление, и далее открывается вентиль-натекатель, через который в емкость поступает воздух из окружающей среды, устанавливается расчетный вакуум. При соблюдении таких условий эффективная производительность установки будет равна величине натекания. Для изотермических условий натекания эффективная производительность составит где S{— натекание в систему по газовому счетчику, л/с; Ра — атмосферное давление, кПа; Рр — установившееся рабочее давление, Рр = 6 кПа. Для оценки точности аналитического описания вакуумно-сублимационного процесса сопоставим результаты расчетов по формуле (2.12) с экспериментальными данными. Наиболее наглядно динамику ледогенерации описывает график зависимости толщины намороженного льда от длительности вакуумного процесса. Построим график роста толщины слоя намораживаемого льда во времени по формуле (2.12) и наложим на него опытные точки.
Распределение температур по толщине слоя льда при вакуумной ледогенерации
Для получения распределения температур по толщине слоя льда было использовано 4 термопары (медь-константан) с диаметром электродов 0,15 мм, размещенных по вертикали на расстоянии 2,5 мм друг от друга. Термопары были оттарированы по ртутному термометру с ценой деления 0,5С. При тарировке использовалось несколько контрольных точек с разной температурой, по которым была построена зависимость между температурой и генерируемым напряжением на концах термопары. По этой зависимости методом интерполяции находились измеряемые температуры в массиве намораживаемого льда (см. рис. 4.7).
В ходе опытов было исследовано распределение температур по вертикали в отдельно взятом слое (см. рис. 4.8). В первые минуты лед образовывался только на поверхности и его температура была близка к нулю. Позже температура во всем слое понижалась и имела профиль, близкий к прямолинейному. К концу опыта поверхность слоя, с которой происходит сублимация льда, имеет температуру, близкую к —10 С.
Опыты по измерению распределения температур в отдельно взятом слое позволили убедиться, что первоначальное допущение о прямолинейности закона распределения температур по толщине слоя верно.
Стоит отметить, что столь низкая температура поверхности имеет место лишь в случае," когда ведется намораживание только одного слоя. Но если на него наливается новая порция воды на замораживание, температура поверхности практически сразу повышается до 0...—1 С. Также повышается температура и внутри замороженного слоя.
Для оценки температур между слоями была проведена серия опытов, в которых термопары устанавливались не в пределах одного слоя, а на их границах. Во время этих опытов термопары располагались на расстоянии 10 мм друг от друга, намораживаемые слои имели такую же толщину.
Из рисунка 4.9 видно, что хотя температуры эти и близки к нулю, но чем ближе к поверхности раздела фаз «лед—пар», тем температура ниже, что вполне соответствует представлениям о физике процесса.
Получение льда с околонулевой температурой для целей холодоаккумуляции наиболее выгодно энергетически, так как энергия затрачивается только на замораживание воды, тогда как в обычных льдогенераторах происходит его дополнительное переохлаждение. Это переохлаждение совсем не обязательно и даже вредно с точки зрения расхода энергии, так как основной механизм холодоаккумуляции с применением льда заключается в «консервации» теплоты замерзания.
В дополнение к полученным данным по динамике послойного намораживания водного льда в ходе опытов были произведены измерения температуры поверхности ледяного массива, с которой происходит сублимация паров, и сопоставлены с аналитическим расчетом этой величины (см. рис. 4.10).
Как видно из рисунка 4.10, аналитическое описание процесса вакуумной ледогенерации вполне удовлетворительно совпадает с экспериментальными данными и описывает не только динамику намораживания льда, но и основные параметры процесса, такие, как, например, изменяющаяся температура поверхности льда.
Ключевой характеристикой холодильной машины является ее энергетическая эффективность. Для сравнения энергетических показателей вакуумно-сублимационного метода с традиционными способами замораживания на установке, находящейся МГУИЭ, был проведен ряд исследований по энергетической эффективности вакуумной холодильной установки на воде как хладагенте.
