Введение к работе
Актуальность проблемы. Рациональное использование холода в народном хозяйстве является важной задачей, необходимость решения которой обусловлена дефицитом топливно-энергетических ресурсов.
Один из путей решения указанной проблемы - аккумулирование холода. Применение аккумуляторов холода позволит обеспечить оптимальные режимы работы оборудования, повысить надежность систем охлаждения, устранить возможные несоответствия между временем производства и потребления холода, разгрузить системы энергоснабжения в часы пикового потребления электроэнергии, уменьшить установленную мощность холодильного оборудования, расширить области применения естественного холода.
Преимущества систем охлаждения с аккумуляторами способствовали в последние годы их широкому внедрению в нашей стране и за рубежом. Однако высокие требования, предъявляемые к современному холодильному оборудованию и новым технологиям холодильной обработки продуктов, не всегда могут быть выполнены при использовании традиционных аккумулирующих веществ и существующих конструкций аккумуляторов холода. Поэтому большинство исследований в данной области направлено на поиск новых эффективных веществ и разработку экономичных аккумуляторов на их основе.
Наибольшее распространение аккумуляторы холода получили в системах комфортного и технологического кондиционирования воздуха, системах охлаждения предприятий ігропромьішленного комплекса и пищевой промышленности, в которых используется умеренный холод около-нулевых и положительных температур. Для данной температурной области перспективными аккумулирующими веществами, по оценкам отечественных и зарубежных специалистов, являются клатратные соединения включения. з частности гидраты газов и органических жидкостей.
Возможности использования гидратов в холодильной технике изучаются в научно-исследовательских центрах и лабораториях США, Канады, Японии и других стран. В Рослій и странах СНГ проблемами гидратов занимаются такие
ведущие учреждения, как ИПОС СО АН РФ, ИПНГАН РФ, НПО "Агрохолодпром", ОИНТЭ, КИСМ и др. Полученные результаты показывают, что аккумулирование холода по гидратной технологии можно осуществлять с высокой эффективностью. В первую очередь это связано с тем, что образование и плавление гидратов при поддержании высоких скоростей процесса можно организовать в объеме аккумулятора без адгезии кристаллов к теплообменным поверхностям. При этом теплофизические свойства гидратов, полученных путем включения молекулы гидратообразователя в кристаллическую решетку из молекул воды, близки к свойствам льда. Аккумулирующее вещество на их основе представляет собой водную суспензию, по внешнему виду напоминающую "снежную шугу", поддающуюся перемешиванию и транспортировке.
Многообразие свойств известных гидратообразоваїе-лей (более половины рабочих веществ, применяемых в холодильной технике) предопределяют гибкость гидратной технологии аккумулирования холода и позволяет разработать аккумуляторы, учитывающие специфику систем охлаждения различного профиля.
Цель работы - создание и исследование аккумуляторов холода, рабочим веществом которых являются гидраты газов и органических жидкостей, для систем охлаждения различного назначения.
Задачи работы:
-
Получить экспериментальные данные по основным кинетическим характеристикам процесса аккумулирования холода и конвективного теплообмена гидратной суспензии с теплопередающей поверхностью, необходимые для проектирования гидратных аккумуляторов холода (ГАКХ).
-
Разработать и исследовать схемы систем охлаждения и конструкции ГАКХ для различных областей применения.
-
Разработать, создать и исследовать на экспериментальных стендах и в промышленных условиях макетные образцы ГАКХ.
Научная новизна. Впервые предложены и исследованы ГАКХ искусственного и естественного холода. Экспериментально изучены процессы образования и плавления гидра-
тов органических жидкостей при аккумулировании холода в стационарных и нестационарных условиях. Получены зависимости основных характеристик: скорости зарядки, скорости разрядки, удельной хладоемкости ГАКХ, от параметров процесса аккумулирования. Исследован конвективный теплообмен гидратной суспензии с теплопередающей поверхностью в условиях механического перемешивания. Экспериментально и теоретически определена область оптимальных значений коэффициента теплоотдачи, зависящая от объемной концентрации гидратов и массового соотношения компонентов вещества. На основании результатов термодинамического анализа доказана эффективность применения ГАКХ по сравнению с аккумуляторами традиционных типов.
Практическая ценность. Предложены принципиальные схемы ГАКХ, на основе которых разработаны конструкции аккумуляторов и схемы их включения в состаи системы охлаждения. Даны рекомендации по выбору наиболее перспективных гидратообразователей в зависимости от конструктивных решений, назначения и области применения ГАКХ. Получены расчетные зависимости для определения скоростей зарядки и хладоемкости ГАКХ и уравнение теплоотдачи гидратной суспензии к теплопередающей поверхности, Экспериментально оценены аккумулирующие свойства гидратов некоторых органических жидкостей и их коррозионная активность по отношению к конструкционным материалам. Разработана методика сравнительного термодинамического анализа систем охлаждения с аккумуляторами различных типов. Доказана работоспособность макетных образцов ГАКХ искусственного и естественного холода.
Реализация результатов в промышленности. Макетный образец ГАКХ естественного холода (а.с. 1307179) прошел промышленную проверку в системе охлаждения (а.с. 1227132) кагата сахарной свеклы на Первомайском сахарном заводе (Украина) .В результате снижения потерь массы и сахаристости свеклы в период хранения выход конечного продукта к общему количеству сырья увеличился на 0,4 . . .0,5%.
Апробация работы. Основные положения и резуль-
таты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Теоретические и практические аспекты ускорения научно-технического прогресса в мясной и молочной промышленности" (Москва, 1987 г.), Всесоюзной научно-практической конференции "Искусственный холод в отраслях АПК" (Кишинев, 1987 г,), научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Кировоградского института сельскохозяйственного машиностроения (1989-1991 гг.), а также на заседаниях Ученого совета Всероссийского научно-исследовательского института холодильной промышленности (Москва, 1985-1992 гг.) и научном семинаре по проблемам газовых гидратов Института проблем нефти и газа АН РФ (Москва, 1989 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, получено 10 авторских свидетельств.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Работа изложена на -{$ страницах машинописного текста, содержит 1 таблицу, ~ рисунков, ./^- приложений на .^бстраницах, библиография включает /$$ наименований работ отечественных и зарубежных авторов.