Введение к работе
Актуальность проблемы. На сегодняшний день производство искусственного холода находит всё большее применение во многих областях человеческой деятельности. Обострившаяся в последний период мировая проблема экономии электроэнергии и связанная с этим задача повышения эффективности энергопотребляющего оборудования, в том числе холодильного, находится в центре внимания всего машиностроительного комплекса страны.
В настоящее время на российских предприятиях для создания искусственного холода широко используются аммиачные холодильные установки. Аммиак, хотя и не имеет предусмотренных международными соглашениями ограничений, токсичен и образует взрывоопасные смеси с воздухом. Поэтому для обеспечения биологической и химической безопасности при использовании аммиачных холодильных установок приоритетной является задача максимального снижения их аммиакоемкости. Один из путей ее решения – создание систем косвенного охлаждения с использованием промежуточного хладоносителя (ХН).
Сегодня в качестве хладоносителей используются, как правило, водные растворы неорганических и органических солей и спиртов. Развитие науки, тенденции к повышению эффективности систем хладоснабжения привели к необходимости использования растворов электролитов в смешанных растворителях, в частности, водно-пропиленгликолевых (ВПГ). Эти системы характеризуются широким набором разнообразных свойств, связанных с различным характером внутри- и межмолекулярных взаимодействий, в частности, процессов ассоциации, комплексообразования, сольватации.
Однако, системы косвенного охлаждения, используемые в настоящее время, имеют недостатки, в частности, высокие энергетические и эксплуатационные расходы. Это связано с использованием малоэффективных хладоносителей, модернизация свойств которых не успевает за развитием холодильной техники. Поэтому разработка новых ХН с комплексом оптимальных свойств, основанная на учете взаимодействий между компонентами раствора, построения математических и физических моделей, связывающих исходные и эксплуатационные свойства хладоносителя, и призванная решить важную научно-техническую задачу по повышению эффективности работы систем хладоснабжения, является актуальной.
Реализовать такой подход целесообразно на водно-пропиленгликолевых электролитных (ВПГЭ) растворах.
Цель и задачи настоящей работы. Цель - повышение энергетической и экономической эффективности работы холодильных систем с промежуточным хладоносителем при помощи оптимизации их теплофизических и физико-химических свойств. Снижение уровня энергопотребления и размеров капиталовложений с учётом особенностей эксплуатации и управления.
Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:
разработать подход к выбору хладоносителей с низкой температурой замерзания и малой коррозионной активностью, основанный на особенностях свойств электролитов в ВПГ растворителе;
определить теплофизические свойства хладоносителей и их влияние на работу холодильной установки;
провести испытания перспективных ВПГЭ хладоносителей;
создать алгоритм управления технико-эксплуатационными свойствами хладоносителей;
на основе теоретических и экспериментальных исследований показать экономическую и энергетическую эффективность оптимизации некоторых свойств хладоносителей.
Научная новизна. Разработан научный метод выбора эффективных хладоносителей с низкими температурами замерзания и малой коррозионной активностью, развивающий теорию создания ХН с заданными свойствами. Впервые предложена расчётная формула для вычисления температуры замерзания водно-пропиленгликолевых электролитных хладоносителей, учитывающая сольватацию ионов. Создан алгоритм управления технико-эксплуатационными свойствами хладоносителей.
Практическая значимость. На основании теоретических и экспериментальных исследований созданы трёхкомпонентные хладоносители с низкой температурой замерзания, по физико-химическим свойствам, превосходящие водно-солевые и водно-пропиленгликолевые. Получены и обобщены данные в широком диапазоне концентраций об их основных теплофизических и физико-химических свойствах. Разработанное методическое и программное обеспечение позволяет осуществлять оптимальный выбор хладоносителя при проектировании холодильных установок. Применение разработанных методов позволяет сократить время выполнения проектных работ, увеличить эффективность работы систем косвенного охлаждения с промежуточным хладоносителем.
Публикации по теме диссертации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 14 публикациях, из них 4 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях: «Современные методы и средства исследования теплофизических свойств веществ», Санкт-Петербург, январь 2010; «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур», Санкт-Петербург, декабрь 2010. «Низкотемпературные и пищевые технологии в 21 веке», Санкт-Петербург, ноябрь 2011; «Киотский протокол за чертой 2012 года – экологические доминанты и императивы будущего индустрии холода». Санкт-Петербург, январь 2012.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, приложений и содержит 114 страниц основного машинописного текста, 17 рисунков, 10 таблиц, 25 страниц приложений. Список литературы содержит 100 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
