Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Вода как эффективный холодильный агент и холодоноситель 11
1.1. Экологические аспекты применения холодильных агентов
1.2. Природные холодильные агенты 15
1.3. Вода как холодильный агент 18
1.4. Холодильные установки, использующие воду как холодильный агент 24
1.5. Необходимость математического описания вакуумно-испарительного охлаждения воды 32
1.6. Выводы 38
ГЛАВА 2. Расчетно-теоретическое исследование. аналитическое описание динамики охлаждения жидкости в вакумно- испарительных холодильных установках 40
2.1. Физическая модель процесса вакуумно-испарительного охлаждения 40
2.2. Аналитическое описание процесса вакуумно- испарительного охладения . 46
2.3. Обоснование применения конденсатора в схеме установки вакуумно-исапрительного охлаждения
2.4. Методика расчета вакуумно испарительной установки для охлаждения воды или водосодержащих жидкостей...
2.5. Выводы 57
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование режимов работы вакуумно-испарительной холодильной машины при охлаждении воды 58
3.1. Экспериментальная установка 58
3.2. Методика проведения опытов 62
3.3. Определение скорости откачки основного вакуумного насоса ,.
3.4. Динамика вакуумного охлаждения воды 66
3.5. Распределение температур по глубине слоя воды при ее вакуумном охлаждении
3.6. Влияние температуры воды подаваемой на конденсатор на скорость охлаждения 69
3.7. Энергетические показатели установки вакуумного охлаждения 72
3.8. Охлаждение воды с высокой начальной температурой 75
3.9. Обработка опытных данных и оценка погрешностей. 79
3.10. Промышленные испытания вакуумно-испаритльной холодильной машины
3.11. Выводы 83
ГЛАВА 4. Практическое применение вакуумно-испарительных холодильных машин 84
4.1. Области применения вакуумно-испарительных машин малой холодильной мощности
4.2. Обоснование применения двухротоных вакуумных насосов в холодильных машинах использующих воду как холодильный агент
4.3. Пример расчета вакуумно-испарительных установок для охлаждения молока
4.4. Сравнение параметров реально действующей парокомпрессионнои установки охлаждения молока с вакуумно-испарительной холодильной установкой
4.5. Использование вакуумно-испарительного метода охлаждения для систем кондиционирования воздуха ~.
4.6. Выводы 100
Основные результаты работы 101
Список литературы
- Природные холодильные агенты
- Аналитическое описание процесса вакуумно- испарительного охладения
- Определение скорости откачки основного вакуумного насоса
- Обоснование применения двухротоных вакуумных насосов в холодильных машинах использующих воду как холодильный агент
Введение к работе
Развитие холодильной техники в настоящее время находится под влиянием жестких требований по экологии холодильных установок. Анализируя наиболее известные, разработанные в различное время 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 вода. Использование водяного пара как холодильного агента получило значительное внимание промышленности и науки в последние десятилетия. Вода экологически чистое вещество, не загрязняющее окружающую среду, не содействует глобальному потеплению. При использовании воды в качестве холодильного агента можно рассчитывать на максимальное упрощение технологической схемы холодильной установки по сравнению с классическими парокомпрессионными холодильными установками на традиционных холодильных агентах. Вода может быть как хладагентом, так и хладоносителем. Это значительно уменьшает стоимость и сложность систем охлаждения. Вода химически стабильная, нетоксичная, не воспламенима, и не вредит окружающей среде. Однако вода как холодильный агент имеет очень низкий уровень рабочих давлений, в результате система должна проводить большие объемные потоки водяного пара и очень высокие коэффициенты сжатия. Для получения холодильной мощности в несколько сотен киловатт требуются машины динамического принципа действия.
Высокие отношения давлений необходимые для функционирования холодильный установок на воде как холодильном агенте с применением ЦКМ, требуют использование многоступенчатых компрессоров. 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 специфических свойств воды в установках не может быть использован существующий парк компрессионного оборудования, поэтому в качестве средств компремирования выбирать высокоскоростные машины способные работать в диапазоне давлений 5-50мм.рт.ст.
За рубежом часто используются крупные по холодильной мощности установки работающие на воде, в них применяют центробежные и осевые компрессоры.
Основным преимуществом применения вакуумно-испарительной машины является использование в качестве холодильного агента воды содержащейся в продукте (молоко, квас, соки...), при этом процесс охлаждения может вестись от высокой начальной температуры 40-50С до криоскопической температуры.
Целью работы является изучение режимов работы и снятие характеристик вакуумно-испарительной холодильной машины, способной вести охлаждение воды и водонасыщенных растворов до температуры, близкой к криоскопической.
Результаты исследования и полученные данные предлагается применить при создании промышленного образца вакуумно-испарительной холодильной машины.
Научная новизна
Получены экспериментальные данные по динамике охлаждения воды путем вакуумной откачки ее паров из герметичного объема резервуара-испарителя. Дано аналитическое описание процесса вакуумно-испарительного охлаждения жидкостей, предложено аналитическое выражение для расчета времени охлаждения массы воды от начальной до конечной температуры. Выявлено влияние температуры воды, подаваемой на охлаждение конденсатора на эффективность процесса вакуумного охлаждения воды.
Практическая значимость работы
Разработана схема вакуумно-испарительной холодильной установки для охлаждения жидкостей (воды).
Проведено сопоставление эффективности вакуумно-испарительной установки для охлаждения воды с традиционными фреоновыми холодильными установками аналогичного назначения, выявлено преимущество вакуумно-испарительных установок по расходу энергии.
Предложена методика расчета вакуумно-испарительной холодильной установки с учетом конечной пропускной способности вакуумной коммуникации, зависимости теплоты испарения жидкости от температуры. Доказана возможность использования в качестве насос-компрессора вакуумно-испарительной холодильной установки образцов вакуумных насосов выпускаемых отечественной промышленностью.
Выявлена возможность работы основного вакуумного насоса в режиме детандирования с возвратом работы на вал электродвигателя.
Апробация работы
Основные результаты диссертации опубликованы в 6 научных работах, список которых приведен в конце реферата.
Результаты исследований были представлены на 22ом конгрессе по холоду в Китае, Refrigeration Creates the future, "Vacuum-evaporative refrigeration and ice generation installation".
Установка была представлена на всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2007.
Природные холодильные агенты
Обосновывая замену синтетических хладагентов на природные рабочие вещества, необходимо иметь ввиду, что главное — не допустить снижения энергетических показателей холодильной системы. Кроме того, для осознанного применения альтернативных веществ в производстве новой техники и сервисе эксплуатируемого парка холодильного оборудования необходимо иметь достаточно большой объем информации о термодинамических свойствах этих веществ, их взаимодействии с другими материалами и веществами в холодильной машине, а также данные о санитарно-гигиенических свойствах и т.д. Эти сведения не всегда имеются для предлагаемых на рынке веществ, в том числе и отечественных.
Немаловажными факторами успешного внедрения новых хладагентов являются также наличие базы отечественного производства как самих веществ, так и компрессоров, предназначенных для работы на них, и возможность экспорта холодильной техники, работающей на таких веществах. С учетом вышеизложенного перспективным направлением обеспечения полной экологической безопасности холодильного оборудования, в первую очередь бытового и торгового, представляется применение природных холодильных агентов. Таких, как: аммиак, СОг и вода.
Идеальный холодильный агент должен производить максимальную мощность при минимальном подводе энергии, что не является единственным требованием к холодильным агентам. Хороший холодильный агент должен быть экологически безопасен и не токсичен (особенно, если используется для воздушного кондиционирования или для пищевой промышленности). Желательно, чтобы холодильный агент был[49]: - с высокой теплотой парообразования; - с разумными рабочими давлениями; - не токсичным; - химически стабильным; - не огнеопасным; - безопасным для окружающей среды; - дешевым; - хорошо совместимым с различными материалами; - доступным; - имел высокий холодильный коэффициент; - имел высокую теплопроводность; - имел низкую вязкость; - имел низкую теплоту сжатия. Сравнение некоторых ключевых характеристик для нескольких распространенных синтетических холодильных агентов и нескольких натуральных, включая воду, приводится в таблице 1.1 [49]. Табл. 1.1 Сравнение характеристик холодильных агентов.
1.Теоретический холодильный коэффициент для температур конденсации и испарения соответственно равный 35С и 7С. Критическая температура С02 ниже температуры конденсации.
Из таблицы 1.1. видно, что теоретический холодильный коэффициент воды не хуже чем у синтетических холодильных агентов. К тому же вода имеет преимущество так как она не загрязняет окружающую среду и не токсична. СС 2 интересен как холодильный агент прежде всего для каскадных циклов, что накладывает некоторые ограничения на его использование в пищевой промышленности, и приводит к удорожанию установки.
Аммиак NH3 имеет широкое использование в средних и крупных установках холодильной техники уже много лет, свойства его хорошо известны. Аммиачные холодильные установки с системой непосредственного кипения хладагента и разветвленными трубопроводами раздачи его по приборам охлаждения имеют значительные объемы заправки и поэтому рассматриваются как объекты повышенной опасности, особенно в густо населенных кварталах городов. [31] Кроме того аммиак — бесцветный газ, с резким удушливым запахом, в небольших концентрациях вреден для человека. Температура кипения аммиака при атмосферном давлении 33,4С, температура замерзания — 11,ТС, предельно допустимая концентрация аммиака в воздухе — 0,02 мг/л. [31]
Аммиак горит при содержании в воздухе около 11% — 14%, а при конденсации 16%—28% смесь аммиака с воздухом становится взрывоопасной. В присутствии влаги аммиак разрушает медь, цинк, бронзу и другие сплавы меди, за исключением фосфористой бронзы. На черные металлы и алюминий он не действует. В воде аммиак хорошо растворяется, в масле — плохо. [31]
Аммиак не оказывает отрицательного действия на пищевые продукты при кратковременном воздействии: они очень быстро абсорбируют его из воздуха, но в последующем при попадании продуктов в атмосферу чистого воздуха аммиак быстро улетучивается. На мясо и рыбу пары аммиака влияют также отрицательно, ухудшая их качество. И все же необходимо еще раз подчеркнуть, что, несмотря на отмеченные недостатки, по термодинамическим свойствам аммиак является одним из лучших холодильных агентов, поскольку обладает высокой объемной холодопроизводительностью, высокой теплотой испарения.
Аналитическое описание процесса вакуумно- испарительного охладения
Один из лидеров в создании центробежных компрессоров для сжатия водного пара является компания IDE. IDE была основана около 30 лет тому назад, чтобы разрабатывать новую технологию опреснения для Израиля. Для опреснения морскую воду при помощи вакуумирования охлаждают до замерзания, затем - разделяя лед из рассола получают пресный лед и в конечном итоге - пресную воду. Свыше 300 установок опреснения, используют эту технологию во всех странах. Достаточно полное описание машины IDE представлено в публикации [68]. Компрессоры, применяемые для опреснения, используют уникальные насаженные лопасти, изготовленные из титана или композитов [68]. Лопасти очень легкие, что дает умеренные уровни центробежных сил и нагрузок [69]. Чтобы достигать необходимых температурных перепадов и обеспечивать должный уровень давления нагнетания часто используются два этапа сжатия. DTI и INTEGRAL пользуются центробежными компрессорами IDE для их исследований и установок. Одна из установок, созданных фирмой DTI находящаяся на заводе LEGO, была частью совместного проекта с Датским Энергетическим Агентством. IDE разработали две линии установок ECO-VIM и ECO-CHILLER (торговые марки IDE). ECO-VIM ваккумно-испарительные ледогенераторы, ECO-CHILLER ваккумно-испарительные машины для охлаждения воды[69].
Институт Luft & Kaltetechnik в Дрездене (Германия) работает над разработкой теплового насоса, использующего двухступенчатые пароводяные центробежные компрессоры, информация о которых опубликована в публикациях [74][75]. Однако данные оказались не доступными ILK разработали свой компрессор или компрессор был приобретен у сторонних производителей.
В отечественной вакуумной технике имеется разработка центробежного вакуумного насоса-компрессора ЦВН-500 с четырьмя ступенями сжатия и числом оборотов 12000об/мин. Давление всасывания может меняться от 0,5 до 60 мм. рт. Столба [39]. Ожидаемая холодильная мощность при работе на воде при температуре 6-8С составит более 300кВт. В конструкции машины, по-видимому, следует предусмотреть промежуточное охлаждение. Применение в вакуумно-испарительном охлаждении осевых компрессоров
Основная компания, разрабатывающая осевые компрессоры для холодильных установок на основе воды - INTEGRAL [76]. Но многие другие зарубежные компании так же проявляют интерес к этому типу компрессоров. Преимущества осевых над центробежными машинами включают в себя: меньший размер, отсутствие эрозии на лопатках и единственный вал для нескольких ступеней сжатия [76]. В настоящий момент существуют компрессоры фирмы INTEGRAL: Применение в вакуумно-испарительном охлаждении компрессоров циклоиды.
Компания DTI работает над циклоидным компрессором водного пара начиная с 1991 года [77] [78]. В публикации [78] представлено теоретическое сжатие в циклоидном компрессоре, Madsboll, в 1994 году представил настоящие данные опытного прототипа с объемной производительностью 77.7 ft-3/sec мъ. При 1,500 об/мин, коэффициент сжатия - 2.94. На двух заводах созданы данные установки: Применение в вакуумно-испарительном охлаждении эжекторов
Преимущества эжекторов состоят в их простоте, малых капитальных затратах, надежности и способности эжекторов работать с двухфазным состоянием рабочего вещества [79]. Но имеется несколько недостатков, включающих низкий холодильный коэффициент, требование больших мощностей конденсатора, пара высокого давления и сложности контроля производительности [80] Отчет Sheer & Mitchley, (1998 г.) [81], адресованный контролю над вакуумным кипением в эжекторных системах, включает улучшения в методах управления и разработке более совершенных холодильных установок, использующих эжекторы [80] [82].
Определение скорости откачки основного вакуумного насоса
Для подтверждения составленной в пункте 2.1. математической модели вакуумного охлаждения на кафедре Холодильной и криогенной техники Московского государственного университета инженерной экологии была создана экспериментальная вакуумная холодильная установка, схема которой представленная на рисунке 2.1. Основное назначение установки: исследование динамики охлаждения пресной воды и параметров, влияющих на процесс.
Испаритель представляет собой сосуд из химического стекла 20л с герметично закрывающейся крышкой, паровое пространство которого соединяется с насосно-конденсаторным агрегатом вакуумной коммуникацией. В крышке имеется вентиль-натекатель для соединения внутренней полости испарителя с атмосферой. Через него же осуществляется натекание (плавный впуск воздуха в испаритель) после завершения всех опытов.
В состав агрегата входят конденсатор и два вакуумных насоса, один из которых является основным, а другой вспомогательным. Наличие вспомогательного насоса позволяет понизить давление в системе и таким образом облегчить этап пуска основного насоса. Кроме того, вспомогательным насосом удобно пользоваться при обслуживании установки. Сюда можно отнести проверку системы на герметичность, заправку испарителя охлаждаемой жидкостью (вода, возможно применение и других). Вспомогательным насосом решается задача откачки воздуха и других неконденсированных газов из испарителя.
Основной насос ротативного принципа действия обеспечивает откачку паров охлаждаемой жидкости при ее кипении в испарителе и их сжатие до давления конденсации. Геометрическая скорость откачки основного насоса составляет 50 л/с, а вспомогательного - 5 л/с, в зависимости от требуемых условий опыта также может быть применен вспомогательный насос еще более малой производительности (0,5 л/с).
Конденсатор кожухотрубный, с водяным охлаждением. Конденсация паров осуществляется в межтрубном пространстве, вода протекает внутри трубок.
Приборы и датчики, установленные в различных частях системы, позволяют измерять многие необходимые параметры, такие как температура кипения, температура конденсации, давление в испарителе и другие. Предусмотрено введение сразу нескольких датчиков температуры для измерения распределения температурного поля в испарителе. Все датчики температур представляют собой хромель-капелевые термопары питающиеся от батареек и безопасных в эксплуатации. Некоторые датчики (например, для измерения температуры конденсации) имеют возможность вывода информации на компьютер и при наличии специального программного обеспечения строить графические зависимости температур в режиме реального времени.
На установке предусмотрено измерение напряжения, силы тока и мощности, подаваемых на основной насос, что позволяет оценить затраты энергии на производство холода.
Также возможно измерение величин напряжения и силы тока в любой части любой электрической цепи бесконтактным методом с помощью токовых клещей.
Охлаждаемая жидкость заправляется в резервуар-охладитель 1. Выбор стекла в качестве материала дает возможность наблюдать процессы происходящие при вкуумировании емкости с водой. Из резервуара-охладителя вспомогательным механическим вакуумным насосом 4. ведется откачка до давления насыщенных паров при температуре воздуха в помещении, обычно - 15-25мм рт.ст. После этого включается основной насос 2, который удаляет водяной пар в конденсатор, в межтрубном пространстве которого происходит конденсация водяного пара за счет отбора тепла охлаждающей водой проходящей в трубках конденсатора.
Имеющиеся мощности стендового оборудования позволили получить экспериментальные данные по вакуумному охлаждению воды в диапазоне температур от 0С до 60С и заправки воды до 20л (установка в МГУИЭ) и до 200л на установке, размещенной в институте ВИЭСХ. Технические данные: Тип - вакуумно испарительная холодильная установка разомкнутого цикла Холодильный агент - вода R718 Количество хладагента, заправляемого в систему - 20 кг Холодопроизводительность, 500-4000Вт Температура воды на входе в конденсатор, 15-38С Температура кипения воды в испарителе, 0-35 С Производительность основного насоса, 50 л/с Производительность вспомогательного насоса, 0,5 или 5 л/с Охлаждаемая среда вода Потребляемая мощность, 600 Вт Напряжение в силовой цепи, 380 В в зависимости от применяемого вспомогательного насоса
Методика проведения опытов на вакуумно-испарительной холодильной установке принципиально отличается от аналогичных испытаний холодильных установок традиционного принципа действия. При работе вакуумно-испарительной холодильной машины постоянно падает температура воды (молока), находящийся в испарителе. Процесс вакуумного охлаждения нестационарный, в отличие от процессов, происходящих в традиционных холодильных машинах, где после выхода на режим параметры работы не меняются.
После создания вспомогательным вакуумным насосом предварительного разряжения за пускается основной насос, одновременно с пуском основного вакуумного насоса начинается отсчет времени и заканчивается по достижении охлаждаемым веществом необходимой температуры, на этом отсчет времени прекращается.
Результатами измерений на опытной установке вакуумного охлаждения воды являются две основные характеристики установки в зависимости от времени: температура охлаждаемой жидкости и потребляемая мощность насосного агрегата. Проведение опыта на установке можно условно разделить на 3 этапа. I. Подготовка установки к опыту и обеспечение должного рабочего давления для основного насоса И. Проведение опыта охлаждения воды со снятием всех доступных параметров III. Выключение установки и выравнивание давления в коммуникациях до атмосферного.
Обоснование применения двухротоных вакуумных насосов в холодильных машинах использующих воду как холодильный агент
Холодильная техника является энергоемкой отраслью промышленности. Тарифы на электроэнергию растут как для индивидуальных потребителей, так и для предприятий.
Наиболее чувствительны к этой тенденции малые предприятия и предприятия агропромышленного сектора производства, где эксплуатируется значительный парк холодильных машин и установок, реализация холодильной мощности которых происходит в режиме пиковых нагрузок.
Учитывая слабые электрические сети фермерских и коллективных хозяйств, проблема снижения установленной мощности технологического оборудования выдвигается на одно из первых мест в сельской местности. А учитывая растущую конкуренцию на рынке проблема снижения потребляемой электроэнергии затрагивает все области малого предпринимательства в России.
В агропромышленном комплексе такие машины удобны для охлаждения молока, т.к. кроме меньшего по сравнению с фреоновыми машинами энергопотребления, они не требуют высоко квалифицированного обслуживания.
Применение вакуумно-испарительных холодильных установок в кондиционировании так же выгодно, т.к. вода является одновременно и холодоносителем, и холодильным агентом что сильно упрощает систему и уменьшает расходы на электроэнергию.
Так же водяные установки могут эксплуатироваться на предприятиях пищевой промышленности, для охлаждения продуктов содержащих в своем составе воду, или для охлаждения и транспортировки, например, живой рыбы.
Применение вакуумно-испарительных холодильных машин приведет к экономии электроэнергии как в промышленности, так ив сельском хозяйстве.
Резервы повышения холодильной мощности в установках с двухроторными машинами связаны в первую очередь с возможностью увеличения числа оборотов роторов как минимум в 1,5-2 раза, что возможно либо с применением частотного преобразования, либо с установкой повышающей передачи на стороне ведущего вала насоса компрессора. Первый вариант более предпочтителен, т.к. габариты и масса установки остается практически неизменными. В итоге холодильная мощность установки в форсированном варианте может достичь 40-50кВт, что представляет интерес и для промышленного использования.
Схема организации процесса охлаждения воды для вакуумной установки упрощается по сравнению с классической, т.к. фактически выпадает теплообменник-испаритель. Охлаждение жидкости производится в баке, который одновременно является испарителем и сменным технологическим аппаратом. Например 300 литровые баки с водой для транспортировки живой рыбы можно подавать к посту откачки после охлаждения воды до +2-4С загружать их рыбой и далее транспортировать бак с рыбой в место ее реализации. Другой особенностью вакуумно-испарительной установки является глубокое охлаждение жидкости (воды, молока) от высоких положительных температур +50-60С до 2-4С, а в случае необходимости и до образования водного льда. В парокомпрессионных установках с классическими испарителями глубина охлаждения воды составляет 5-8С.
Двухроторные вакуумные насосы относятся к средствам вакуумной откачки с внешним сжатием.
Двухроторные вакуумные насосы имеют небольшие габаритные размеры и сравнительно небольшую мощность на единичный объем откачиваемой газовой нагрузки (несколько ватт на 1 л/с) рисунок 4.1.
Зависимость удельных энергозатрат от давления на всасывании для различных средств вакуумной откачки. 1. Двухроторный вакуумный насос с S=140(ta/c 2. Двухроторный вакуумный насос с форвакуумным насосом с 8=50л/с. 3. Двухступенчатый механический вакуумный насос с S=An/c
В рабочей камере двухроторного вакуумного насоса находятся два ротора рисунок 4.2., которые вращаются в противоположных направлениях. Благодаря профилям двух роторов и синхронизации их вращения посредством пары синхронизирующих шестерен, эти роторы постоянно направлены по касательной один к другому и к рабочей камере. В процессе вращения захватывается газ в объеме между каждым ротором и рабочей камерой и транспортируется, без сжатия, от впускного отверстия насоса к выпускному, такой принцип действия обеспечивает некоторые специфические характеристики для двухроторных насосов, которые имеют большое значение в промышленных областях применения. Кроме того, этот принцип определяет условия, при которых двухроторные насосы можно использовать в вакуумных технологиях.
