Исследование процессов вакуумно-испарительной кристаллизации при получении бинарного льда тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат наук Тазитдинов Рамиль

• Тазитдинов Рамиль
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Тазитдинов Рамиль

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Анализ литературных источников: свойства бинарного льда, способы получения и применяемое оборудование

1.1 Способы охлаждения

1.2 Классификация хладоносителей

1.3 Двухфазный хладоноситель или «бинарный лёд»

1.4 Анализ свойств «бинарного льда» и сравнение его с однофазными хладоносителями

1.5 Классификация генераторов бинарного льда

1.6 Существующие системы холодоснабжения с использованием бинарного льда в

качестве промежуточного хладоносителя

ГЛАВА 2. Моделирование процесса кристаллизации капли воды

2.1 Этапы получения ледяных кристаллов заданной формы и размера

2.2 Модель Маринюка

2.3 Модель Shin и Lee

2.4 Модель Zhang, Han и Li

2.5 Модель Chao Wang, Ruina Xu, Yu Song

2.6 Постановка задачи комплексного моделирования вакуумно-испарительных

систем получения бинарного льда

ГЛАВА 3. Комплексная методика расчета вакуумно-испарительной установки для получения бинарного льда

3.1 Объект исследования

3.2 Математическая модель вакуумно-испарительной установки

3.3 Математическая модель процесса кристаллизации капель в факеле

3.4 Методика расчета вакуумно-испарительной установки для получения бинарного льда

ГЛАВА 4 Анализ результатов проектирования вакуумно-испарительной установки для получения бинарного льда

4.1 Анализ полученных данных по модели вакуумно-испарительной кристаллизации

4.2 Анализ результатов расчета бака-кристаллизатора вакуумно-испарительной установки

4.3 Технико-экономические показатели вакуумно-испарительной установки

4.4 Технико-экономическое сравнение холодильных установок с использованием

однофазного и двухфазного хладоносителя

Заключение

Список литературы

Список иллюстративного материала

Приложение А

Приложение Б

Тексты публикаций

Publications on the topic of the Thesis

Реферат

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы

Холодильная индустрия является одной из отраслей промышленности, которые оказывают значительный вклад в парниковый эффект Земли. В большой степени это вызвано применением синтетических хладагентов с высоким потенциалом глобального потепления. Кигалийская поправка к Монреальскому протоколу ориентирует мировое сообщество на поэтапное сокращение использования гидрофторуглеродов. На сегодняшний день важной задачей холодильной техники является поиск эффективных решений с использованием природных хладагентов.

За последние десять лет заметен значительный рост публикаций, посвященных изучению теплофизических свойств и производству двухфазного хладоносителя, называемого «бинарным льдом» или «жидким льдом» (в англоязычной литературе «ice slurry»). Интерес к этому хладоносителю объясняется его экологичностью и высокой охлаждающей способностью.

Одним из способов получения бинарного льда является распыление воды в вакуумно-испарительной установке при давлении ниже 611 Па (тройная точка воды). Данный способ исключает использование синтетических хладагентов при получении бинарной смеси и является экологически безопасным.

Таким образом, разработка оборудования и исследование процессов в вакуумных установках для получения бинарного льда является актуальной задачей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процессов вакуумно-испарительной кристаллизации при получении бинарного льда»

Цель работы

Диссертация посвящена проблеме повышения эффективности холодильных систем за счет использования вакуумно-испарительной кристаллизации для

получения бинарного льда.

Целью работы является повышение энергоэффективности вакуумно-испарительной установки для получения бинарного льда.

Задачи работы

Исследовать основные процессы тепломассообмена в элементах системы (процессы кристаллизации капель в потоке пара с давлением ниже тройной точки воды, процессы плавления кристаллов в потоке при поверхностном тепловом воздействии и др.).

Разработать принципиальное схемное решение, обеспечивающее эффективность и надежность функционирования системы.

Сформировать математическую модель вакуумно-испарительной установки для получения бинарного льда.

На основании исследований процесса кристаллизации капель в факеле распыления при давлении ниже тройной точки воды и модели установки разработать методику и алгоритм расчета вакуумно-испарительной установки для получения бинарного льда.

Разработать рекомендации по методам оптимального проектирования и регулирования параметров в процессе эксплуатации вакуумно-испарительной установки.

Научная новизна работы

Установлены оптимальные характеристики бинарной смеси вода-лёд, а также основные закономерности процессов тепломассопереноса при кристаллизации капель воды в потоке пара с давлением ниже тройной точки и плавления кристаллов в потоке жидкости при поверхностном тепловом воздействии.

На основании разработанной модели выполнен анализ влияния давления в баке-кристаллизаторе, начальной температуры и температуры переохлаждения

капель, их размера, дисперсности факела распыления, концентрации паров воды в баке-кристаллизаторе на время замерзания капель, габариты бака-кристаллизатора и производительность установки.

На основании разработанной аналитической модели и исследований процесса кристаллизации капель в факеле распыления при давлении ниже тройной точки воды и математической модели установки разработана методика и алгоритм расчета вакуумно-испарительной установки для получения бинарного льда.

Теоретическая и практическая значимость работы

Разработанная методика расчета позволяет проектировать высокоэффективные аппараты вакуумно-испарительной кристаллизации для получения бинарного льда, регулировать их параметры в процессе эксплуатации и оценивать энергоэффективность.

Материалы исследований используются в учебном процессе в Университете ИТМО при подготовке бакалавров и магистров по направлениям 16.03.03 и 16.04.03 - Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения.

Положения, выносимые на защиту

1. Комплексная методика расчета вакуумно-испарительной установки для получения бинарного льда, включающая тепломассообменные процессы капельной кристаллизации в факеле распыления при давлении ниже тройной точки воды.

2. Методика оптимального проектирования системы и регулирования параметров в процессе эксплуатации вакуумно-испарительной установки для получения бинарного льда.

Апробация работы

Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих международных и российских конференциях:

- X международной научно-технической конференции «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства» 26 - 29 февраля 2020 г., ОмГТУ, Омск;

- ХК1Х научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО 29 января - 1 февраля 2020 г., Университет ИТМО, Санкт-Петербург;

- IX международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» 13 - 15 ноября 2019 г., Университет ИТМО, Санкт-Петербург;

- IX международной научно-технической конференции «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства» 26 - 28 февраля 2019 г., ОмГТУ, Омск;

- IX международной научно-технической конференции «КАЗАХСТАН -ХОЛОД» 20 - 21 февраля 2019 г., Ледовый Дворец «Алматы Арена», Алматы;

- XLVШ научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО 29 января - 1 февраля 2019 г., Университет ИТМО, Санкт-Петербург;

- VII всероссийском конгрессе молодых ученых 17 - 20 апреля 2018 г., Университет ИТМО, Санкт-Петербург;

- VIII международной научно-технической конференции «КАЗАХСТАН - ХОЛОД» 15 - 16 марта 2018 г., Ледовый Дворец «Алматы Арена», Алматы;

- XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО 30 января - 2 февраля 2018 г., Университет ИТМО, Санкт-Петербург;

- VIII международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» 15 - 17 ноября 2017 г., Университет ИТМО, Санкт-Петербург;

- XLVI научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО 31 января - 3 февраля 2017 г., Университет ИТМО, Санкт-Петербург;

- V всероссийском конгрессе молодых ученых 12 - 15 апреля 2016 г., Университет ИТМО, Санкт-Петербург;

- VII международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» 17 - 20 ноября 2015 г., Университет ИТМО, Санкт-Петербург;

- V международной научно-технической конференции «КАЗАХСТАН -ХОЛОД» 19 февраля 2015 г., лыжный комплекс «Сункар», Алматы.

Достоверность научных результатов

Достоверность результатов исследования обеспечивается использованием стандартных теоретических методов исследования. Вычисления проводились в программе Microsoft® Excel® для автоматизированного расчёта. Верификация расчётной модели проводилась путем сопоставления с результатами опубликованных экспериментальных исследований в рецензируемых научных журналах. Полученные результаты были представлены на научных конференциях и опубликованы в рецензируемых научных журналах.

Внедрение результатов работы

Полученные результаты внедрены в образовательный процесс факультета низкотемпературной энергетики Университета ИТМО. Результаты работы использовались в ходе выполнения НИОКР, тема № 617028 «Ресурсосберегающие и экологически безопасные технологии углеводородной энергетики и низкотемпературных систем».

Публикации

По теме диссертации опубликована 20 печатных работ, в том числе в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень, рекомендованных ВАК - 2, а также в международную базу Scopus - 1.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Материал диссертации изложен на 118 страницах содержит 40 рисунков, 5 таблиц и список цитируемой литературы из 103 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы научные задачи исследования, цель работы, которую ставил перед собой автор, научная новизна, научные положения диссертации, выносимые на защиту, практическая ценность работы. Изложена структура диссертации и краткая характеристика ее основных разделов.

Первая глава посвящена анализу состояния вопросов, которые исследуются в работе, обзорному анализу сравнения свойств наиболее распространённых однофазных хладоносителей и бинарного льда. Изучены свойства бинарной смеси вода-лёд в зависимости от концентрации и параметров льда в смеси. Проанализированы преимущества и недостатки существующих скребковых, флюидизационных, вакуумных и других ледогенераторов, применяемых для получения бинарного льда. Рассмотрен опыт проектирования и энергоэффективность холодильных установок с использованием бинарного льда на баварском мясоперерабатывающем заводе «Jura-Fleisch» и сырном заводе в Хэнфорде, штат Калифорния, США. Помимо этого, рассмотрены комбинированные системы аккумулирования холода с помощью бинарной смеси и теплового насоса.

Во второй главе были изучены теоретические и экспериментальные результаты исследований процесса замерзания капель, которые были получены

отечественными и зарубежными учёными: Сосновским А.В. (1983 г.); Гликиным Н.В., Громовым Т.Н., (1966 г.); Маринюком Б.Т. (2009 г.); H.T. Shina, Y.P. Leea, J. Jurng (2000 г.); Isao Satoh, Yu Hashimoto (2002 г.).

Для повышения качества разрабатываемой методики проектирования установки, рассмотрены четыре существующие модели расчета процессов охлаждения и кристаллизации капли в вакуумной среде.

Модель Маринюка Б.Т. построена на рекомендациях Л.С. Лейбензона и позволяет определить время промерзания капли в вакуумной среде. Недостатками модели являются отсутствие учета массопереноса в капле, конвективного теплообмена, процесса охлаждения капли до температуры замерзания; эта модель не позволяет выполнять расчеты для капель диаметром менее 1 мм.

Модель H.T. Shin, Y.P. Lee позволяет определить изменение температуры (охлаждение) и массы (массоперенос) капли с течением времени при вакуумном испарении. Недостатком модели является отсутствие расчета процесса кристаллизации капли и конвективного теплообмена внутри нее.

Модель X. Zhang, Z. Han, Z. Li построена на уравнениях Герца-Кнудсена Шраге, описывающих испарение со свободной поверхности. Предложенная модель позволяет определить влияние размера и температуры капли, давления в окружающей среде, на процесс кристаллизации капли в вакууме. Также модель описывает процесс образования ледяной корки за счет накопленного переохлаждения. Недостатком модели является отсутствие учёта конвективного теплообмена внутри капли и длительности процесса кристаллизации капли в момент достижения температуры замерзания.

Модель Chao Wang, Ruina Xu, Yu Song, построенная на основе законов Фика и сохранения энергии, учитывает тепломассоперенос в испаряющейся капле воды, изменение фазового состояния и теплофизических свойств, зависящих от температуры. Также включает уравнения образования ледяной корки за счет накопленного переохлаждения и три варианта процесса промерзания капли. К недостатку модели можно отнести использование в расчете выражения для

коэффициента диффузии, которое не адаптировано для применения с вакуумной средой.

Перечисленные модели расчётов имеют следующие допущения: капля имеет форму сферы с постоянными свойствами; водяной пар рассматривается как идеальный газ; капля одна, а окружающий объем для испарения бесконечен; при испарении внутри капли отсутствует градиент температуры; давление и температура окружающей среды постоянны; процесс испарения и сублимации происходит с внешней поверхности капли, а изменения внутри капли не влияют на ледяную корку; процесс промерзания капли происходит снаружи внутрь (данный пункт не относится к модели Chao Wang, Ruina Xu, Yu Song).

Третья глава посвящена описанию комплексной методики расчета вакуумно-испарительной установки для получения бинарного льда, которая включает в себя математическую модель процесса кристаллизации капель в факеле распыления (формирование капель в факеле; расчет процесса кристаллизации; формирование данных для расчета установки) и математическую модель холодильной установки (тепломассовые балансы элементов установки; определение массогабаритных показателей и технологических параметров). Сформирован алгоритм расчета и описана методика расчета.

В качестве объекта исследования рассматривается холодильная установка для получения бинарного льда методом вакуумно-испарительной кристаллизации. В соответствии с рисунком 1 установка состоит из следующих основных элементов: 1 - бак-кристаллизатор, 2 - блок форсунок, 3 - циркуляционный насос, 4 - теплообменник потребителя холода, 5 - форвакуумный насос, 6 - основной вакуумный насос; 7 - конденсатор, 8 - трехходовой клапан; 9 - рециркуляционный насос.

Процесс получения бинарного льда в вакуумно-испарительной установке осуществляется в следующей последовательности. С помощью вспомогательного форвакуумного насоса создаётся предварительное разряжение с остаточным давлением около 1100 - 2000 Па, необходимое для запуска основного вакуумного

насоса. После чего включается основной вакуумный насос, который создаёт рабочее давление в баке-кристаллизаторе на уровне 200 - 400 Па (абс.).

Рисунок 1 - Принципиальная схема вакуумно-испарительной установки

для получения бинарного льда

Внутренний объем вакуумного бака-кристаллизатора для упрощения расчётов условно можно разделить на три основные зоны: распыления; кристаллизации и бинарной смеси.

В зоне распыления в верхней части бака-кристаллизатора происходит непрерывное распыление воды через форсунки. Распылительные устройства дают так называемый факел распыления, который представляет собой множество взаимодействующих между собой капель различного размера. Наиболее вероятный размер капель зависит от конструктивных особенностей форсунок и параметров процесса распыления.

Распыленная жидкость обладает большой поверхностью испарения, и в процессе испарения при пониженном давлении часть жидкости в распыляемом факеле превращается в водяной пар. Самая мелкая часть капель в распыляемом факеле взвешивается потоками водяного пара, образуя при этом туман. Более

крупные капли под действием силы тяжести выпадают из факела. Таким образом, в зоне распыления находятся водяной пар, туман и падающие капли.

Падающие из факела капли попадают в зону кристаллизации. В этой зоне капля попадает в псевдоожиженную среду, где на неё действуют сила выталкивания, создаваемая потоками откачиваемого вакуумным насосом водяного пара, и сила тяжести. Эти две силы влияют на время нахождения капли в зоне кристаллизации и геометрические размеры бака-кристаллизатора. Во время нахождения капель в зоне кристаллизации, часть их переходит в паровую фазу, а часть кристаллизуется, образуя при этом падающие ледяные кристаллы льда.

Полученные кристаллы льда оседают в зоне бинарной смеси. В ней собираются неиспарившаяся жидкость и мелкодисперсные кристаллы льда. За счёт разности плотностей воды и льда, в верхней части этой зоны образуется смесь воды с высокой концентрацией кристаллов - бинарный лёд, откуда он забирается и подаётся циркуляционным насосом в пластинчатый теплообменник потребителя для охлаждения продукта. Обратный поток возвращается к блоку форсунок бака. В нижней части скапливается вода с околонулевой температурой, часть которой непрерывно подаётся в верхнюю часть зоны бинарной смеси с помощью рециркуляционного насоса, обеспечивающего таким образом перемешивание водоледяной смеси, что не даёт слипаться кристаллам, часть воды подаётся в форсунки (в верхнюю часть бака-кристаллизатора).

Откачиваемый вакуумным насосом водяной пар поступает в пластинчатый конденсатор, где он конденсируется. Конденсат возвращается в бак-кристаллизатор.

Математическая модель холодильной установки.

Уравнения тепловых и массовых балансов являются основой для описания процессов с помощью математической модели холодильной установки. Они позволяют выполнять технологический расчёт и анализировать теплообменные процессы, влияющие на работу установки.

Тепловые и массовые балансы в баке-кристаллизаторе можно представить следующей системой уравнений.

где Ссм - расход бинарной смеси, кг/с; ¿см - энтальпия на входе в теплообменник, кДж/кг; ¿в - энтальпия бинарной смеси на выходе из теплообменника, кДж/кг; ¿в0 - энтальпия воды при температуре фазового перехода, кДж/кг; Сп - расход водяного пара, кг/с; ¿п - энтальпия водяного пара, кДж/кг; - расход воды после конденсатора, кг/с; ¿к - энтальпия воды после конденсатора, кДж/кг; Ср - расход воды перед рециркуляционным насосом, кг/с; ¿р - энтальпия воды перед рециркуляционным насосом, кДж/кг; - расход воды для перемешивания, кг/с; Ср2 - дополнительный расход воды для форсунок, кг/с; ¿р2 - энтальпия воды после рециркуляционного насоса, кДж/кг; - количество льда в расходе бинарной смеси, кг/с; ¿л - энтальпия льда в бинарной смеси, кДж/кг; Св - количество воды в расходе бинарной смеси, кг/с; ^рец - мощность рециркуляционного насоса, кВт; Qт - теплопритоки через стенки бака-кристаллизатора.

Тепловые и массовые балансы процесса кристаллизации капель можно представить следующей системой уравнений:

где Сф - расход воды через форсунку, кг/с; ¿ф - энтальпия воды на входе в форсунку, кДж/кг; Спф - количество пара, образующегося при кристаллизации в факеле распыления, кг/с; Слф - количество льда, получаемого в факеле распыления,

(4)

(5)

(6) (7)

кг/с; Свф - количество не замерзшей в факеле распыления воды, кг/с; -дополнительный расход пара для отвода теплопритоков, кг/с.

Тепловые и массовые балансы в теплообменном аппарате потребителя холода можно представить следующей системой уравнений:

Фпр = ^л • ¿в + ^в • ¿в — ^л • ¿л — ^в • ¿во — Мцир (8)

^пр • ¿пр — ^пр • ¿пр2 + ^цир + Qсм = 0 (9)

где Спр - расход охлаждаемого продукта, кг/с; ¿пр - энтальпия продукта на входе, кДж/кг; ¿пр2 - энтальпия продукта на выходе, кДж/кг; Qсм - тепловая нагрузка, отводимая бинарной смесью, кВт; @пр - тепловая нагрузка, отводимая от продукта, кВт; Мосн - тепловая нагрузка от циркуляционного насоса, кВт.

Тепловой и массовый баланс в конденсаторе:

Qкд = ^к • ¿к - ^п • Ь - ^вн (10)

где Мвн - мощность вакуумного насоса, кВт.

Испарившийся в баке-кристаллизаторе пар по вакуумпроводу длиной I и диаметром d откачивается вакуумным насосом. Эффективная скорость откачки вакуумного насоса определяется из следующего уравнения:

Б^и

5,ф = ^ (11)

где 5 - номинальная скорость откачки вакуумного насоса, м3/с; и - пропускная способность вакуумной коммуникации, м3/с.

Для изготовления бака-кристаллизатора требуется определить его размеры, которые зависят от процессов, происходящих в баке. Основные размеры бака определяются его диаметром и высотой зоны кристаллизации, представляющей из себя псевдоожиженный слой.

Уравнение скорости осаждения кристаллов в переходной области (1 < Re < 103):

k>0 = 0,151

Я0'42 • d^'14

(Рк - Рви)0'72

(12)

где ^ - динамическая вязкость водяного пара, Па с; д - ускорение свободного падения, м/с2; рвп - плотность водяного пара, кг/м3; рк - плотность капли, кг/м3 ^ - диаметр капли, м.

Уравнение скорости восходящих потоков водяного пара:

где Сп - расход водяного пара, кг/с; И - радиус сечения бака-кристаллизатора в зоне кристаллизации, м2; рп - плотность водяных паров, кг/м3.

Математическая модель процесса кристаллизации капель в факеле распыления.

Для учета распределения множества капель в факеле распыления по диаметрам можно воспользоваться эмпирическим уравнением Розина-Раммлера, которое хорошо согласуется с экспериментальными данными, благодаря чему получило широкое распространение:

где Ri - суммарная доля капель с диаметром, меньшим или равным диаметру dt; ат - постоянная размера; п - показатель распределения.

В расчетах используется центробежно-струйная форсунка производства Lechler GmbH, формирующая факел в виде заполненного конуса. При расчете тепловых и массовых процессов необходимо знать поверхность контакта капель. В качестве одного из характерных диаметров множества образующихся в факеле капель выделяют «Заутеровский диаметр» - средне-поверхностный диаметр, получающийся, если весь объем факела заменить на капли одинакового размера, так, чтобы не изменилась общая поверхность и объем всех капель.

(14)

Определить количество получаемого льда в факеле можно по формуле:

^фл = ---, (15)

тп

'"-к.жид

где шкзам - масса замерзшей капли, кг; Сф - расход воды через форсунку, кг/c; xK.d32 - доля в факеле капель с «Заутеровским диаметром»; хкисп - доля полностью испарившихся капель в факеле; шкжид - начальная масса капли, кг.

Количество водяного пара, отводимого в процессе замораживания, можно определить по формуле:

^пф ^-к(^к.жид ^к.зам), (16)

где шкжид - начальная масса капли, кг, пк - количество капель, образовавшееся в факеле распыления.

В качестве базовой модели расчета кристаллизации капли была взята модель Chao Wang, Ruina Xu, Yu Song и адаптирована под применение в расчетах процессов вакуумной кристаллизации.

Допущения, принятые при составлении модели: капля имеет форму сферы с постоянными свойствами; водяной пар рассматривается как идеальный газ; капля одна, а окружающий объем для испарения бесконечен; влияние скоростей, вызванных переносом массы, на движение капли незначительно; процесс промерзания капли происходит снаружи внутрь; при испарении внутри капли отсутствует градиент температуры; давление и температура окружающей среды постоянны; процесс испарения и сублимации происходит с внешней поверхности капли, а изменения внутри капли не влияют на ледяную корку.

Процесс замораживания капли в вакууме можно разделить на три этапа: процесс охлаждения капли (жидкость); процесс кристаллизации капли (жидкость -лёд); процесс охлаждения замёрзшей капли (лёд).

Изменение размера капли сферической формы на основе закона Фика:

¿Г _ мвп (2 + 0,6^вк25сз) Ц, -йт ркж dк \КТк

-Х-^М, (17)

Рк.ж ^к ^^Гк РТ^/

где Мвп - молекулярная масса водяного пара, кг/моль; ркж - плотность воды, кг/м3; X - концентрация пара; Рнас и Тк - давление и температура на поверхности капли, Па и К; Рт и Тт - давление и температура в окружающем объеме, Па и К; Яек -число Рейнольдса; 5с - число Шмидта; Иу - коэффициент диффузии, м2/с; йк -диаметр капли, м.

п Г1'7510"3-У27МВ7 (1я)

УУ^ЖЕ ^вп)173 + (2 ^вп2)173]2' ()

где Т = Тт - температура среды, К; Рг, Р2 - давление среды, окружающей каплю, Па; ^вп1, увп2 - атомный объем водяного пара.

Уравнение теплового баланса капли в процессе охлаждения с учетом явной теплоты, конвективного теплообмена, теплоты излучения и теплоты фазового перехода, можно записать:

^к жСр к ж^ ^^ к

. 3 . ^ = а<Та> - Тк) - Рк.ж^ск ^ (19)

где ср,кж - удельная теплоемкость воды, кДж/(кгК); г - радиус капли, м; а -коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К); дск - теплота фазового перехода, к Дж/кг.

После охлаждения капли, происходит мгновенное замерзание части жидкости за счет накопленного переохлаждения, и температура капли выравнивается до значения тройной точки. Этот процесс определяется решением уравнения теплового баланса:

^к.ж^ж(^тр.т) + ^к.л^л(^тр.т) (^к.ж + ^к.л)^ж(^пер.ох), (20)

где шкж и шкл - масса жидкой и твердой фазы в капле, кг; ^ж(Гтр) и ^л(Гтр) -энтальпия жидкости и льда при температуре в тройной точке, кДж/кг; ^г(7Лер.ох) -энтальпия жидкости при температуре переохлаждения.

Тепловой баланс процесса промерзания капли:

^-пл.л^^к.л _ ^-исп^^к.исп. + ^"суб^^к.суб — — ^тр.т)^^, (21)

где ^пл - теплота плавления льда, кДж/кг; ^Суб - теплота сублимации льда, кДж/кг; ^исп - теплота испарения, кДж/кг; Ашкисп. - масса испарившейся жидкости, кг; Дшк.суб - масса сублимированного льда, кг.

Уравнение теплового баланса процесса охлаждения замёрзшей капли:

^к лСр к л^ ^^ к [ ^^

. 3 . = а(тт - Щ - Рк^суб (22)

Четвертая глава посвящена аналитическим исследованиям замораживания капли в факеле распыления в вакууме при различных начальных параметрах и условиях протекания процесса. Исследованы основные параметры, влияющие на массогабаритные показатели бака-кристаллизатора.

С использованием комплексной методики расчета, приведенной в главе 3, выполнен анализ влияния давления в баке-кристаллизаторе, начальной температуры и температуры переохлаждения капель, их размера, дисперсности факела распыления, концентрации паров воды в баке-кристаллизаторе на время замерзания капель, габариты бака-кристаллизатора и производительность установки.

В соответствии с рисунком 2 наклонный участок линии изменения температуры описывает процесс охлаждения капли от 293,15 К до 270,15 К. За счет теплоты переохлаждения, в данном случае она принята равной 3 К, происходит мгновенное образование ледяной корки, и температура капли выравнивается до 273,15 К. Горизонтальный участок соответствует процессу промерзания капли. После того, как капля полностью замерзла, её температура понижается с 273,15 К до температуры окружающей среды 268,15 К (наклонный участок). Более 83% от общего времени процесса приходится на промерзание капли, в то время как на её охлаждение около 14%. За все этапы процесса капля теряет приблизительно 15% от начальной массы при данных условиях.

295 290 285 03 а, ЁР 280 сс Л <и Е 275 «а £ 270 265 0. 102 99

о- 96 -а иО

О о 93 |

<и 90 £ <и к

87 % эт К

ч

I 84 81 2 или

0 0.4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3, Время, схЮ6 -Изменение температуры капли Изменение массы ка

Рисунок 2 - Изменение температуры и массы капли при замерзании капли.

Расчетные условия: Рт = 400 Па; = 0,5 мм; Тк = 293,15 К; X = 0,5;

^п = 1,5 м/с; Гпер.ох = 270,15 К

В соответствии с рисунком 3 с увеличением диаметра капли влияние давления окружающей среды на время её замерзания становится более существенным, особенно это выраженно при давлениях близких к тройной точке воды. Изменение давления при низких его значениях интенсивнее сказывается на времени замерзания.

9.4

Изменение давления, Па

Рисунок 3 - Влияние давления и диаметра капли на время замерзания. Расчетные условия: Тк = 293,15 К; X = 0,5; ^>п = 1,5 м/с; Гпер.ох = 271,88 К

Скорость пара относительно капли влияет на процесс теплообмена, а соответсвенно на время замерзания капли. Из рисунка 4 видно, что с увеличением скорости движения пара интенсивность влияния снижается. С увеличением диаметра капли зависимость от скорости возрастает.

Согласно закону Фика, концентрация водяного пара влияет на массовую диффузию. В соответствии с рисунком 5 время замерзания капли увеличивается с возрастанием концентрации водяного пара. С уменьшением концентрации влияние на время замерзания капли снижается.

0.9 1,2 1.5 1.8 2,1

Изменение скорости пара, м/с

Рисунок 4 - Влияние скорости водяного пара и диаметра капли на время замерзания капли. Расчетные условия: Тк = 293,15 К; X = 0,5;

Роо = 400 Па; Тпе р.ох = 271,88 К

Результаты анализа показали, что время замерзания капли увеличивается с увеличением давления окружающей среды. Концентрация водяного пара оказывает большое влияние на изменение температуры капли, и с её увеличением возрастает и время замерзания. За счет сублимации температура замерзшей капли уравнивается до параметров окружающей среды.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тазитдинов Рамиль, 2020 год

Литература

1. Бараненко А. В. Итоги деятельности МАХ в 2018 г. и задачи на 2019 г. // Вестник Международной академии холода. 2019. № 2. С. 3-12.

2. International milestone agreement on the phase-down of HFC production and consumption in Kigali//Editorial. 2017. Vol. 73. P. V-VI.

3. Цветков О. Б., Лаптев Ю. А., Митропов В. В. и др. Кига-лийская поправка в контексте глобальных климатических императивов // Холодильная техника. 2019. № 4. С. 24-30.

4. Steffan С., Honke М, SafarikM. Operational experiences with an ice slurry cold thermal storage systems using the R718 direct evaporation ice generation process // Proceedings of 11th IIR Conference on Phase Change Materials and Slurries for

References

1. Baranenko A. V. The results of the activities of the IAR in 2018 and objectives for 2019. VestnikMezhdunarodnoi akademii kholoda. 2019. No 2. p. 3-12. (inRussian)

2. International milestone agreement on the phase-down of HFC production and consumption in Kigali. Editorial. 2017. Vol. 73. P. V-VI.

3. Tsvetkov O. B., Laptev Yu. A., Mitropov V. V. ets. The Kigali amendment in the context of global climate imperatives. Holodil'naya tekhnika. 2019. No 4. C. 24-30. (inRussian)

4. Steffan C., Honke M., Safarik M. Operational experiences with an ice slurry cold thermal storage systems using the R718 direct evaporation ice generation process. Proceedings of 11th IIR Conference on Phase Change Materials and Slurries for

Refrigeration and Air Conditioning, Karlsruhe, Germany, IIR. 2016.

5. SafarikM., HonkeM., Steffan C., Burandt B. Applications of the direct evaporation vacuum freezing technology // Proceedings of 11th IIR Conference on Phase Change Materials and Slurries for Refrigeration and Air Conditioning, Karlsruhe, Germany, IIR. 2016

6. Цветков О. Б., Лаптев Ю. А. Айс-сларри и однофазные хла-доносители / // Холодильная техника. 2004. № 3. С. 2-4.

7. Дворжак3. Бинарный лед //Холодильный бизнес. 2000. № 3. С. 6-9.

8. Bdecarrats J. P., David Т., Castaing-Lasvignottes J. Ice slurry production using supercooling phenomenon // International Journal of Refrigeration. 2010. Vol. 33. P. 196-204.

9. EgolfP. W., KauffeldM. From physical properties of ice slurries to industrial ice slurry applications // International Journal of Refrigeration. 2005. Vol. 28. P. 4-12.

10. Bedecarrats J.-P., Strub F. and Peuvrel C. Thermal and hydrodynamic considerations of ice slurry in heat exchangers // International Journal of Refrigeration. 2009. 32 (7):1791-1800.

11. Пажи Д. Г., Галустов В. С. Основы техники распиливания жидкостей. М.: Химия, 1984. 256 с.

12. Пажи Д. Г., Галустов В. С. Распылители жидкостей. М.: Химия, 1979. 216 с.

13. Kruglov A. A., Tazitdinov R. R. Analytical Model of Freezing Drop of Water to Produce Ice Slurry at a Pressure Below the Triple Point // AIP Conference Proceedings. 2019, Vol. 2141. pp. 020009.

14. Chao Wang, RuinaXu, Yu Song, Peixue Jiang. Study on water droplet flash evaporation in vacuum spray cooling // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017. Vol. 112. P. 279-288.

15. Yunyun Wu A, Xiaosong Zhang, Xuelai Zhang, MuthokaMunvalo. Modeling and experimental study of vapor phase-diffusion driven sessile drop evaporation // Appl. Therm. Eng. 2014. Vol. 70. P. 560-564.

Refrigeration and Air Conditioning, Karlsruhe, Germany, IIR. 2016.

5. Safarik M„ Honke M., Steffan C., Burandt B. Applications of the direct evaporation vacuum freezing technology. Proceedings of 11th IIR Conference on Phase Change Materials and Slurries for Refrigeration and Air Conditioning, Karlsruhe, Germany, IIR. 2016

6. Tsvetkov O. B., Laptev Yu. A. Ice-Slarri and single-phase coolants. Holodil'naya tekhnika. 2004. No. 3. p. 2-4. (in Russian)

7. Dvorak Z. Binary ice. Refrigerating business. 2000. No 3. p. 6-9. (in Russian)

8. Bdecarrats J. P.. David T., Castaing-Lasvignottes J. Ice slurry production using supercooling phenomenon. International Journal of Refrigeration. 2010. Vol. 33. P. 196-204.

9. EgolfP. W., Kauffeld M. From physical properties of ice slurries to industrial ice slurry applications. International Journal of Refrigeration. 2005. Vol. 28. P. 4-12.

10. Bedecarrats J.-P., Strub F. and Peuvrel C. Thermal and hydrodynamic considerations of ice slurry in heat exchangers. International Journal of Refrigeration. 2009. 32 (7):1791-1800.

11. Pazhi D. G., Galustov V. S., Fundamentals of liquid atomization technology. Moscow: Chemistry, 1984, 256 p. (in Russian)

12. Pages D. G., Galustov V. S. Atomizers of liquids. Moscow: Chemistry, 1979. 216 p. (in Russian)

13. Kruglov A. A., Tazitdinov R. R. Analytical Model of Freezing Drop of Water to Produce Ice Slurry at a Pressure Below the Triple Point. AIP Conference Proceedings. 2019. Vol. 2141, pp. 020009.

14. Chao Wang, Ruina Xu, Yu Song, Peixue Jiang. Study on water droplet flash evaporation in vacuum spray cooling. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017. Vol. 112. P. 279-288.

15. Yunyun Wu A, Xiaosong Zhang, Xuelai Zhang, Muthoka Munyalo, Modeling and experimental study of vapor phasediffusion driven sessile drop evaporation. Appl. Therm. Eng. 2014. Vol. 70. P. 560-564.

Сведения об авторах

Круглов Алексей Александрович

К. т. н., ассистент факультета низкотемпературной энергетики Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9. [e-mail]

Тазитдинов Рамиль Р.

Аспирант факультета низкотемпературной энергетики Университета ИТМО, 191002. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail]

Information about authors

Kruglov Alexey A.

Ph. D., Assistant of Faculty of Cryogenic Engineering of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

Tazitdinov Ramil R.

Postgraduate Student of Faculty of Cryogenic Engineering of ITMO University. 191002. Russia. St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

олодильные машины и аппараты

ПОЛУСВАРНЫЕ ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ ОАМРОББ

Канд. техн. наук Е.В.СУХОВ, директор по развитию направления «Промышленный холод», Р.Р.ТАЗИТДИНОВ, инженер направления «Промышленный холод», ООО «Данфосс»

Повышение экологической эффективности и безопасности холодильных установок, а также сокращение заправки рабочим веществом являются приоритетными задачами развития современных систем холодоснабжения. При этом тип и эффективность проточной части теплообменного оборудования оказывают значительное влияние на количество заправляемого хладагента.

В 2019 г. международная группа «Данфосс» расширяет ассортимент продукции полусварными пластинчатыми теплообменниками типа SW(pиc. 1) для промышленных холодильных установок. Полусварные теплообменники применяются в технических процессах с агрессивными средами (например, аммиаком), обеспечивая повышенную герметичность и безопасность благодаря перемещению агрессивной среды внутри сварных кассет.

Полусварные теплообменные аппараты SW были специально разработаны для работы в составе промышленных холодильных установок и могут применяться в качестве испарителей с насосной или гравитационной подачей хладагента, конденсаторов, предконденсаторов, маслоохладителей, переохладителей и др. Модельный ряд полусварных теплообменников (см. таблицу) представлен типоразмерами SW 19—189 (аппараты БХУ 102—189 ожидаются в 2020 г.).

Температурный диапазон применения теплообменников - от -40 до +120 °С при максимальном рабочем давлении 16 и 25 бар изб. Пластины доступны в исполнениях из нержавеющей стали марок А181 304, А181 316 или титана. Материалы уплотнений зависят от типа применяемых рабочих веществ, температуры и давления, а также от используемого компрессорного масла.

Рис. 1. Полусварной теплообменник $1¥с клапанными станциями 1СР

Конструктивно полусварной теплообменный аппарат состоит из теплообменного пакета и рамы. Теплообменный пакет представляет собой набор уплотнений и кассет (попарно сваренных пластин), находящихся между неподвижной и подвижной плитами. При сборке сварных кассет в теплообменный пакет образуется два контура каналов (рис. 2):

сварной контур, где рабочая среда перемещается внутри сварных кассет. Порты сварных кассет уплотняются специальными кольцевыми уплотнениями;

^ разборный контур, где рабочая среда перемещается в межкассетном пространстве. Герметичность каналов между кассетами обеспечивается с помощью диагональных уплотнений.

Рама, в свою очередь, состоит из неподвижной плиты с технологическими отверстиями для подвода

Модельный ряд полусварных пластинчатых теплообменников

Типоразмеры 8\¥19А 8\¥26А 8\У40А 5\¥54 8\¥59 5\У102 8\¥122 8\¥189

Порт, мм 65 100 100 150 200 200 300 300

Высота, мм 820 800 1208 1242 1208 1630 1878 2508

Ширина, мм 304 378 378 502 664 664 868 868

10 N1 8 2019;

ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕМ

Рис. 2. Конструкция полусварного теплообменника .5Ж

и отвода рабочих сред. В случае многоходовой компоновки возможны комплектации теплообменников с присоединениями на стороне подвижной плиты. Неподвижная плита соединена при помощи верхней и нижней направляющих с подвижной (прижимной) плитой и задней опорой. Теплообменный пакет размещается между основными плитами и обжимается стяжными шпильками.

Тепловые и гидравлические характеристики теплообменников определяются режимными параметрами и свойствами рабочих сред, типоразмером пластин, их количеством, типом рифления пластин и их компоновкой. Два типа рифления пластин — Т1_ (термически длинная, или «жесткая» пластина) и ТК (термически короткая, или «мягкая» пластина) — позволяют скомпоновать в сварных кассетах три типа каналов:

• Т1_ — канал с углом рифления 30° (рис. 3,а), образуемый компоновкой из пластин ТЬ, имеет высокие тепловую эффективность и потери давления;

• ТК - канал с углом рифления 60° (рис. 3, в), образуемый компоновкой из пластин ТК, имеет меньшие тепловую эффективность и потери давления;

• ТМ — канал с усредненным углом рифления 45° (рис. 3, б), образуемый компоновкой пластин Т1_ и ТК.

Таким образом, теплообменный пакет с каналами ТК, Т1_ или ТМ позволяет подобрать и изготовить оптимальный теплообменный аппарат под конкретные параметры заказчика. Также важно отметить, что тепловые и гидравлические характеристики

Рис. 3. Основные типы каналов для течения рабочих сред: а — канал ТЬ; б — канал ТМ; в — канал ТК

Рис. 4. Система уплотнений с «двойным барьером»

теплообменных аппаратов были верифицированы при проведении соответствующих испытаний на аммиачной холодильной установке.

Для быстрого и простого доступа к пакету пластин на подвижной плите предусмотрен нейлоновый ролик, позволяющий перемещать прижимную плиту вдоль верхней направляющей. Разработанная бесклеевая система крепления уплотнений обеспечивает надежное прилегание сварных модулей (кассет) при сборке и упрощает их сервисное обслуживание, а предусмотренная система «двойного барьера» уплотнений (рис. 4) способствует отводу потенциальных утечек за пределы теплообменного пакета, исключая их возможный прорыв в межкассетное пространство.

Для обеспечения безопасной и эффективной работы теплообменников доступен ряд запасных частей и аксессуаров, среди которых: кассеты пластин, кольцевые и диагональные уплотнения, теплоизоляционный короб, поддон для сбора конденсата, защитный экран, механический фильтр для стороны вторичного контура и ключ для сборки (разборки) теплообменника.

Все теплообменные аппараты 8\У перед отгрузкой с завода проходят тщательную проверку на соответствие высоким стандартам компании «Данфосс»: каждая кассета после лазерной сварки проверяется на плотность гелием; каждый аппарат после сборки проходит гидравлические испытания на прочность и гелиевые испытания на плотность.

В комплект поставки теплообменников SW входят ответные фланцы и полный комплект сопроводительной документации: паспорт, руководство по эксплуатации, обоснование безопасности, расчет на прочность, теплотехнический расчет, чертеж, документы соответствия ТР ТС № 10 и № 32.

Тел.: [phone] www.danfoss.com/ru-ru

'№ 8/2019

11

ДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 621.56/59(063) ББК 31.392 К 14

Сборник подготовлен под редакцией доктора технических наук, академика Кулажанова Т.К.

Редакционная коллегия:

Цой А.П., Шалбаев К.К., Галкин M.JL, Андреева В.И. (ответ, секретарь)

К 14 Казахстан-Холод 2019: Сб. докл.межд.науч.-техн.конф. (20-21 февраля 2019г.) = Kazakhstan-Refrigeration 2019: Proceedings of the Conference (February 20-21, 2019). - Алматы: АТУ, 2019. - 218 е., русский, английский

ISBN 978-601-263-484-6

В докладах представлены результаты научных исследований, посвященные холодильным компрессорам, теплообменным аппаратам, системам автоматизации, цифровизации, технологиям холодильного хранения и переработки плодов и овощей и практическим внедрениям, представленные из Казахстана, России, Украины, Германии, Австрии, Беларуси, Кыргызстана, Голландии, Швейцарии и Узбекистана. Сборник рассчитан на специалистов и ученых, работающих в областях холодильной техники, пищевой и химической промышленности, а также на специалистов систем кондиционирования воздуха и жизнеобеспечения жилых, коммерческих зданий и спортивных комплексов.

The proceedings present the results of scientific research on refrigeration compressors, heat exchangers, automation systems, digitalization, refrigeration storage technology and the processing of fruits and vegetables and practical implementations submitted from Kazakhstan, Russia, Ukraine, Germany, Austria, Belarus, Kyrgyzstan, Holland, Switzerland and Uzbekistan. The proceedings are devoted to professionals and scientists working in the fields of refrigeration, food and chemical industries, as well as to specialists in air conditioning systems and life support of residential, commercial buildings and sports complexes.

УДК 621.56/59(063) ББК 31.392

ISBN 978-601-263-484-6 ©АТУ, 2019

D. G. L. Samuel, S. M. S. Nagendra, M. P. Maiya // Build. Environ. - 2013. - Vol. 66. - P. 54-64.

10. Мухачев, Г. A. Термодинамика и теплопередача : Учеб. для авиац. вузов / Г. А. Мухачев, В. К. Щукин. - 3-е изд. - М.: Высшая школа, 1991. - 480 с.

11. Михеев, М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. - М. : Энергия, 1977.-344 с.

12. Карагусов, В. И. Эксперименталвное определение величины и направления теплового потока радиационной системв1 жизнеобеспечения / В. И. Карагусов, В. С. Сердюков, И. С. Колпаков, В. А Немыкий, И. Н. Погуляев // Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства: материалы 8-ой международной неучно-технической конференции (Омск, 26 февраля - 2 марта 2018 г.). - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2018. - С. 110-111.

13. Абдыгали, Е. Смог и выхлопные газы по городу Алматы / Е. Абдыгали, Р. 3. Сафаров // Материалв1 Международной научной конференции «Global Science and Innovations 3» (Лейпциг, 18 марта 2018 г.). - Leipzig: Eurasian Center of Innovative Development «DARA», 2018. - С. 63-67.

УДК 621.56

MODEL OF COOLING A DROP AT A PRESSURE BELOW THE TRIPLE POINT

OF WATER

МОДЕЛЬ ОХЛАЖДЕНИЯ КАПЛИ ПРИ ДАВЛЕНИИ НИЖЕ ТРОЙНОЙ ТОЧКИ ВОДЫ

Kruglov АА.1а, Ph D Tazitdinov R.R.2b Круглов A.A.la, канд. техн. наук Тазитдинов P.P.2b

ITMO University, Russia, 191002, St. Petersburg, Lomonosov str., 9 Университет ИТМО, Россия, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова 9

E-mail: a - [e-mail]; b - [e-mail]

Abstract

This paper presents a mathematical model of the water droplet cooling process at a pressure below the triple point of, which takes into account the heat and mass transfer in the droplet. Mass transfer is described by the water vapor diffusion equation. The balance of forces acting on a falling drop is considered. A graph of the cooling time of the droplet for different diameters is constructed.

Аннотация

В работе приведена математическая модель процесса охлаждения капли воды при давлении ниже тройной точки, которая учитывает тепло- и массоперенос в капле. Массоперенос описывается уравнением диффузии водяного пара. Рассмотрен баланс сил, действующих на падающую каплю. Построен график зависимости температуры и времени охлаждения для капель различного диаметра.

Введение

Кигалийская поправка к Монреальскому протоколу [1], которая подразумевает поэтапное сокращение потребления ЕФУ хладагентов, побуждает холодильную отрасль взглянуть в сторону применения природных хладагентов: аммиак, вода, диоксид углерода и др.

В последние годы заметен рост публикаций в области исследования процесса охлаждения и замораживания воды при давлении ниже тройной точки. Это можно объяснить тремя

основными факторами: вода является распространенным и безопасным веществом в природе с превосходными теплофизическими свойствами; на сегодняшний день доступны вакуумные насосы с хорошими энергетическими характеристиками (что помогает решить проблему с большим удельным объемом водяного пара в данных условиях); возможностью производства бинарного льда [2].

Технология охлаждения воды при давлении ниже тройной точки методом капельного диспергирования имеет преимущества за счет увеличения поверхности теплообмена при её распылении и непосредственного (прямого) охлаждения.

Математическая модель падения капли воды в окружающем объеме при давлении ниже тройной точки [3].

На время охлаждения капли влияет скорость ее падения. Полет капли в вакуумно-испарительной камере зависит от силы тяжести, плавучести и вязких сил, как показано на рисунке 1а.

Уравнения движения капли:

йих йиу

та = -?с1,х> и та = тад Ра.у

где тй - масса капли, кг; их и иу - скорость капли, м/с; - сила трения, Н; g - ускорение свободного падения, м/с2; - подъемная сила, Н.

Сила трения противоположна направлению скорости капли и определяется из уравнения:

_ 1

^ — -С0па рд^и >

где а - радиус капли, м; рд от - плотность водяного пара вокруг капли, кг/м3; и - скорость капли, м/с;С0 -коэффициент трения.

(а)

(б)

Рисунок 1 - Описание процесса: а - падение капли; б - процесс охлаждения капли воды при

давлении ниже тройной точки

Коэффициент тренияопределяется из следующих соотношений:

3 24

Сп =

24

Re,

Т7 + — (0<Red<0,01) 16 Red

[1 + (U31£ed(0,82 - 0,0SlogRed)](0,01 < Red < 20)

24

[l + 0Д935Де/'06305](20 < Red < 240)

Red

где Red- число Рейнольдса. Подъемная сила определяется из уравнения:

4

Fb = -ла2рдоои2.

Математическая модель охлаждения капли воды при давлении ниже тройной точки [4]. Рассмотрим математическую модель процесса охлаждения капли воды при давлении

ниже тройной точки (рисунок 16). При составлении математической модели были приняты следующие допущения: форма капли представляет собой сферу, давление и температура в окружающем объеме постоянны, изменение температуры в капле подчиняется закону стационарного распределения, теплофизические свойства воды постоянны.

Уравнение массопереноса при испарении капли:

/. п М(Ра М тЧру-п = 47Г аиу — —— — ,

где шех)р- масса испарившейся части капли за одну секунду, кг/с2;а- радиус капли в текущий момент времени, м;£)„- коэффициент диффузии водяного пара, м2/с;М- молекулярная масса воды, кг/моль; К -универсальная газовая постоянная; Ра и Та- давление и температура на поверхности капли, Па и К; Рт и Тт- давление и температура в окружающем объеме, Па и К.

Коэффициент диффузии [5]:

ТОО1'7510~3-Л[2/М

У РооКЪк^у/3 + (1р„2у/3Г

где Р[Л/1, - атомный объем водяного пара.

Уравнение теплоты, переданной при испарении части капли:

0е = ЛпаИуЬ

где Ь- скрытая теплота испарения, Дж/кцрооИ ра- плотность водяного пара (окружающая среда) и плотность воды (капли), кг/м3.

Уравнение теплоты, переданной из-за разности температур поверхности капли и окружающей среды:

(¡с = Апа2кд ( °° — а

где/с^-коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К); Г^и Та- температура водяного пара (окружающая среда) и температура воды (капли).

Изменение температуры поверхности капли определяется из баланса потерь теплоты при испарении и разности температур между поверхностью капли и окружающей средой.

3 \LDyM /Ра Рж\ 1 1

гдеСр - удельная теплоемкость воды,кДж/(кг К).

Полученный результат

С использованием математической модели, описанной выше, были произведены расчеты, по результатам построен график процесса охлаждения капель разного диаметра (рис. 2).

Рисунок 2 - Время охлаждения капли в вакууме. Исходные данные:Та = 293К; Рт = 400Па; и = 1,2 м/с.

179

Из графика видно, что для охлаждения капли на 20К (с 293К до 273К) диаметром 1 мм требуется времени почти в 4 раза больше, чем для капли диаметром 0,5 мм.

Выводы

Представленная модель позволяет оценить изменение массы и температуры капли в процессе охлаждения. Модель может быть полезна при проектировании вакуумно-испари-тельной установки для охлаждения воды методом капельного распыления.

Список литературы

1. Цветков, О.Б. Монреальский протокол - Honoris [Текст] / О. Б.Цветков, Ю. А. Лаптев // Холодильная техника. -2018.-N3.-C. 24-28.

2. Круглов, А. А. Энергоэффективные системы с использованием вакуумно-испаритель-ных ледогенераторов бинарного льда / А.А.Круглов, Р. Тазитдинов. // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Холодильная техника и кондиционирование - 2018. - № 1(28). - С. 30-37.

3. Y. Wu, X. Zhang, et al., Modelling and experimental study of vapor phase diffusion driven sessile drop evaporation / Y. Wu, X. Zhang // Appl. Therm. Eng. (2014).

4. Shin.H.T. Spherical-shaped ice particle production by spraying water in a vacuum chamber / H.T. Shin, Y.P. Lee, J. Jurng// ApplTherm. Eng. 20 (5) -2000.-P.439-454.

5. Wang,C. Study on water flash evaporation under reduced pressure. International Journal of Heat and Mass Transfer 131 / C. Wang, R. Xu, X. Chen, P. Jiang, B. Liu, - 2019 -P.31-40

YflK 621.576.5

USING MATHEMATICAL MODELING FOR CREATING AN EFFICIENT DESIGN OF A HYDROGEN BATTERY IN AIR CONDITIONING SYSTEMS

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ КОНСТРУКЦИИ АККУМУЛЯТОРА ВОДОРОДА В СИСТЕМАХ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

Chorna N.A.a, Cand. Tech. Sc., associate professor Черная НАД канд. тех. наук, доцент

A. Podgorny Institute of Mechanical Engineering Problems of the NASU Ukraine, 61046, Kharkiv, vul. Pozharskogo, 2/10 Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного HAH Украины, Украина, 61046, Харьков, ул. Дм. Пожарского, 2/10

E-mail: a - [e-mail]

Аннотация

Представлена схема теплоэнергетической установки, базовым агрегатом которой является металлогидридный термосорбционный компрессор. Данная установка может найти применение в системах кондиционирования воздуха. С помощью математической модели тер-мосорбционного взаимодействия металлогидрида с водородом разработаны рекомендации по созданию эффективной конструкции аккумулятора водорода с заданными параметрами.

Abstract

The scheme of the heat and power installation is presented, its base unit is a metal-hydride thermo- sorption compressor. This unit can be used in air conditioning systems With the help of a

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КОМИТЕТ ПО НАУКЕ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

УНИВЕРСИТЕТ ИТМО

МЕЖДУНАРОДНАЯ АКАДЕМИЯ ХОЛОДА

IX Международная научно-техническая конференция

«НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ И ПИЩЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В XXI ВЕКЕ»

(Санкт -Петербург, 13-15 ноября 2019г.)

Том I

Материалы конференции

УНИВЕРСИТЕТ ИТМО

Санкт-Петербург 2019

УДК 664; 621; 304; 338

ББК 31.392; 31.31; 36; 65; 74.58 Н61

IX Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 13 15 ноября 2019 г.). Т. I: Материалы конференции. - СПб.: Университет ИТМО, 2019. - 344 с.

ISBN 978-5-7577-0617-7 ISBN 978-5-7577-0618-4 (T.l)

В сборнике представлены материалы конференции по следующим направлениям: низкотемпературная техника и системы низкопотенциальной энергетики, надёжность материалов оборудования биотехнологий и низкотемпературных систем, автоматизация процессов и производств, криогенная техника и технологии сжиженного природного газа (СНГ), системы кондиционирования и жизнеобеспечения, теплофизика и теоретическая тепло-и хладотехника, процессы и аппараты пищевых производств, пищевые и биотехнологии, промышленная экология и техносферная безопасность, экономика и управление производством, инновации цифровой экономики.

Сборник подготовлен при участии Комитета по науке и высшей школе Администрации Санкт-Петербурга и Международной академии холода.

Редакционная коллегия: И.В. Баранов, A.A. Малышев, A.B. Цыганков, О.Б. Цветков, С.А. Вологжанина, JI.A. Забодалова, B.C. Колодязная, Е.И. Верболоз, B.JI. Иванов, А.Ю. Баранов, A.B. Фёдоров, О.И. Сергиенко, B.JI. Василенок.

УНИВЕРСИТЕТ ИТМО

Университет ИТМО - ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий, один из немногих российских вузов, получивших в 2009 году статус национального исследовательского университета. С 2013 года Университет ИТМО - участник программы повышения конкурентоспособности российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров, известной как проект «5 - 100». Цель Университета ИТМО- становление исследовательского университета мирового уровня, предпринимательского по типу, ориентированного на интернационализацию всех направлений деятельности.

© Университет ИТМО, 2019 © Авторы, 2019

РАСЧЕТ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ВОДЫ В ФАКЕЛЕ ПРИ РАСПЫЛЕНИИ В ВАКУУМЕ

A.A. Круглое, P.P. Тазитдинов

Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия al-x-kru @ yandex.ru; t.r-ITMO @ maii.ru

Аннотация

В статье приведены уравнения для оценки дисперсности капель в факеле распыла и площади поверхности распыления. Рассмотрена система тепловых и массовых балансов в процессе кристаллизации капли при давлении ниже тройной точки воды, позволяющая определить время замерзания и изменение массы капель. Ключевые слова

Бинарный лёд, жидкий лёд, хладоноситель, вакуумно-испарительная установка, ice slurry, факел распыления, диаметр капель.

Применение бинарного льда в пищевой отрасли становится все более распространено, и эта тенденция будет продолжаться. Прежде всего, это вызвано его высокой охлаждающей способностью [1], которая позволяет понизить температуру продукта за короткий временной промежуток, тем самым увеличить срок хранения и повысить качество. Бинарный лёд представляет собой смесь ледяной воды и кристаллов льда. Массовая доля льда до 30%, с размером ледяных частиц менее 0,5 мм, дает возможность его перекачивать с помощью обычных центробежных насосов [2].

Производство бинарного льда путем распыления воды в вакуумно-испарительной установке позволяет контролировать размер и форму ледяных частиц. Это является ключевым элементом при производстве бинарного льда, так как форма и размер кристаллов льда оказывают существенное влияние на его свойства [3]. Также технология получения бинарного льда при давлении ниже тройной точки воды, исключает применение традиционных холодильных машин, работающих на синтетических хладагентах. Это делает установку экологически безопасной, что является приоритетом для холодильной отрасли после внесения Кигалийской поправки в Монреальский протокол [4].

Для расчета кристаллизации капель в факеле больший интерес представляют дисперсные характеристики распыления, а не конструкция форсунок, хотя эти характеристики во многом зависят от конструктивных особенностей форсунок. Струя, выходящая из форсунки, дробится на множество капель, образуя при этом факел распыла. Для определения времени замерзания капель в факеле, необходимо знать их диаметр. Можно выделить два наиболее применяемых средних диаметра капли в факеле распыла: объемно-поверхностный (заутеровский) и медианный. Объемно-поверхностный (заутеровский) диаметр - это диаметр, который имели бы капли одинакового размера, если бы их общая поверхность и объем были такими же, как и в струе, состоящей из капель различных размеров. Медианный диаметр - это диаметр капли, при котором 50% от общего объема (или массы) распыляемой жидкости состоит из капель с диаметрами большими, чем медианный, и 50% - с меньшими.

Для определения распределения капель по диаметрам можно воспользоваться эмпирическим уравнением Розина-Раммлера (1), которое хорошо согласуется с

экспериментальными данными, благодаря чему, получило широкое распространение

[5].

Д, = 1 - ехр [-(£)"]. (1)

где /?( - суммарная доля капель с диаметром, меньшим или равным диаметру (¿¿; ат -постоянная размера; п - показатель распределения.

Значения ат и п зависят от конструкции форсунки, свойств распыляемой жидкости, режима истечения и параметров среды, в которую производится диспергирование. Зная константы в уравнении кривой распределения и два средних диаметра, можно полностью оценить дисперсность распыла.

Если распределение подчиняется уравнению Розина-Раммлера, то объемно-поверхностный (¿32) и медианный (с1т) диаметры определяются [6]:

^32 = г^"7"1)' ^

где Г ~ гамма-функция.

с1т - атл11п2, (3)

Из статистических данных получено эмпирическое уравнение, с помощью которого можно определить максимальный диаметр:

d-max — ат V5,924, (4)

Для расчета тепло-, массообменных процессов и определения мощности вакуумного насоса [7], необходимо знать площадь поверхности капель, которая определяется соотношением [8]:

F = fuV т, (5)

где fu — удельная поверхность; V - объемный расход жидкости; т - время движения капель.

Зная средний заутеровский диаметр капель, поверхность единицы объема распыленной жидкости можно определить простым соотношением:

fu=^~ (6)

«32

Процесс кристаллизации капель воды при давлении ниже тройной точки происходит за счет разности парциальных давлений на поверхности капель и окружающей среды (водяного пара). Кристаллизацию капель можно разделить на три этапа: охлаждение, кристаллизация и переохлаждение. При охлаждении, температура капель понижается за счет испарения части их массы. Таким образом, при изменении температуры капель, их диаметр уменьшается. Это изменение необходимо учитывать для точности расчета. Массоперенос можно выразить через первый закон диффузии Фика и определить изменение массы капель за определенный промежуток времени [9]:

dr _ Mw (2+0,6Red1/2Sc1/3)Dv ÍPSgt y Peo \ dt pd dd \RTd RToo)'

41

где Mw - молекулярная масса водяного пара, кг/моль; cid - диаметр капли, м; pd -плотность воды, кг/м3; Psat и Тс1 - давление и температура на поверхности капли, Па и К; Роо и Too - давление и температура в окружающем объеме, Па и К; X - концентрация паров; Red - число Рейнольдса; Sc - число Шмидта; Dv - коэффициент диффузии, м2/с

[Ю].

_ r^7S10-3-V2/Mw V ~ (PWP2)[2<IVw)^]' W

где Рг, Р2 - давление среды, окружающей каплю, Па; vw - атомный объем водяного пара.

Уравнение изменения температуры капель с учетом явной теплоты, конвективного теплообмена и скрытой теплоты, можно записать:

dTd _ /д\ Pd <1d \RTd RT,

))

at ~

(9)

3

где /г - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К); - теплота фазового перехода, кДж/кг; ср р - удельная теплоемкость воды, кДж/(кг К); г - радиус капли, м;.

Таким образом, задавая начальную и конечную температуры капель, из уравнений 7 и 9 мы можем определить время охлаждения и изменение их диаметра.

Начало процесса кристаллизации капель достаточно сложно определить, так как оно зависит от многих факторов. Поэтому для упрощения расчета, необходимо задать температуру переохлаждения, при которой во всех каплях факела начнется процесс кристаллизации. При достижении температуры переохлаждения, происходит мгновенное образование ледяной корки в каплях за счет накопленного переохлаждения, и температура капель, состоящих из воды и льда выравнивается до температуры тройной точки воды. Этот процесс можно описать уравнением:

Щ^СЪг) + т5Ъ.5(Тгг) = (ш, + т3)Н1(Ть), (10)

где тг и т5 - масса жидкой и твердой фазы в капле, кг; ^(Т^) и Н5(Т1г) - энтальпия жидкости и льда при температуре в тройной точке, кДж/кг; /г( (Ть) - энтальпия жидкости при температуре переохлаждения.

Соответственно, чем ниже температура переохлаждения, тем большая часть капли замерзнет. При промерзании капли внутрь, процесс тепломассообмена будет осуществляется не за счет испарения воды, как это было при охлаждении, а за счет сублимации ледяной корки. Полное промерзание капли можно описать тепловым балансом:

/г/иДт5 = к'/дАте5 - Н{Тт - ТСг)М, (11)

где - теплота плавления льда, кДж/кг; - теплота сублимации льда, кДж/кг; Д??1е<; - масса сублимированного льда, кг.

Лте5 = ксАа5М„ (^-Х^-) Лг, (12)

где Ай5 - площадь поверхности капли, м2; кс - коэффициент массопереноса, м/с.

Процесс промерзания капель происходит при постоянной температуре, пока оставшаяся часть жидкости не замерзнет. После того как капля полностью замерзнет, ее температура продолжит понижаться. Уравнение, описывающее тепловой баланс этого процесса:

(Tx-Td)-Psh'fgdft, (13)

Метод расчета, приведенный в этой работе, позволяет определить время кристаллизации капель в факеле. При получении и анализе функции дисперсности распыла, можно определить время замерзания всего факела или его фракции с определеным диаметром капель. Тепломассовый баланс позволит вычислить требуемую мощность вакуумного насоса для кристаллизации факела распыла, и более точно оценить массу полученного льда.

При дальнейшей доработке эта методика поможет сформировать расчетную модель вакуумно-испарительной установки для получения бинарного льда. Оценить энергоэффективность таких установок в сравнении с традиционными холодильными машинами.

Литература

1. Цветков О.Б. Айс-сларри и однофазные хладоносители [Текст] / Цветков О. Б., Лаптев Ю. А. // Холодильная техника. - 2004. - N 3. - С. 2-4. - ISSN 0023-124Х.

2. Paul J. District cooling with binary ice. Design and execution of district cooling systems with a liquid, pumpable ice slurry ("binary ice"), Technical University of Denmark.

3. Kauffeld M., Wang M.J., Goldstein V., Kasza K.E. Ice slurry applications, Int. J. Refrigerant 33 (8) (2010) 1491-1505.

4. Цветков О.Б., Лаптев Ю.А. Монреальский протокол - Honoris [Текст] / Цветков О Б., Лаптев Ю.А. // Холодильная техника. - 2018. - N 3. - С. 24-28.

5. Ходырев А.И., Ходырев Д. А., Блохина М.Г. Труды Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина. 2017. № 4 (289). С. 101-113.

6. Пажи Д.Г., Галустов B.C. Распылители жидкостей. - М.: Химия, 1979. - 216 с.

7. Круглов А.А., Тазитдинов Р., Описание расчетной модели установки для получения «бинарного льда» методом вакуумно-выпарной кристаллизации // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Холодильная техника и кондиционирование - 2016. - № 3(23). - С. 26-35.

8. Пажи Д.Г., Галустов B.C. Основы техники распыливания жидкостей. - М.: Химия 1984.-253 с.

9. Yunyun Wu a, Xiaosong Zhang, Xuelai Zhang, Muthoka Munyalo, Modeling and experimental study of vapor phase-diffusion driven sessile drop evaporation, Appl. Therm. Eng. 70 (2014) 560 - 564.

10. Chao Wang, Ruina Xu, Yu Song, Peixue Jiang. Study on water droplet flash evaporation in vacuum spray cooling, International Journal of Heat and Mass Transfer 112(2017)p.279-288.

Тазитдинов Рамиль Рашитович

Год рождения: 1992

Университет ИТМО, факультет низкотемпературной энергетики, аспирант

Направление подготовки: 13.06.01 - Электро- и теплотехника e-mail: [e-mail]

Круглов Алексей Александрович

Год рождения: 1974

Университет ИТМО, факультет низкотемпературной энергетики,

к.т.н., доцент

e-mail: [e-mail]

Юнусов Муродуллохон

Год рождения: 1993

Университет ИТМО, факультет низкотемпературной энергетики, студент группы № W4202

Направление подготовки: 16.04.03 - Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения e-mail: [e-mail]

УДК 621.56/.59

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПРОЦЕССА ЗАМОРАЖИВАНИЯ КАПЛИ В ВАКУУМНОЙ УСТАНОВКЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БИНАРНОГО ЛЬДА Тазитдинов P.P., Круглов A.A., Юнусов М. Научный руководитель — к.т.н. Круглов A.A.

Работа выполнена в рамках темы НИР № 617028 «Ресурсосберегающие и экологически безопасные технологии углеводородной энергетики и низкотемпературных систем».

В работе рассмотрена методика процесса кристаллизации капли в вакууме. Рассмотрены три случая промерзания капли. Приведены уравнения тепломассопереноса при промерзании капли для этих случаев.

Ключевые слова: бинарный лед, жидкий лед, хладоноситель, вакуумно-выпарная установка, ice slurry.

Значительный рост цен на гидрофторуглероды (ГФУ) хладагенты, вызванный подписанием Кигалийской поправки к Монреальскому протоколу, возродил интерес к применению природных хладагентов, а также к вакуумно-испарительным установкам [1]. Вакуумные холодильные установки служат для производства бинарного льда, который представляет собой смесь воды и ледяных кристаллов размером менее 0,5 мм [2,3]. Бинарный лед обладает высокой охлаждающей способностью за счет скрытой теплоты плавления ледяных частиц [4], и перекачивается с помощью обычных центробежных насосов.

При проектировании вакуумно-испарительной установки для производства бинарного льда методом распыления, необходимо определить время замерзания капель в факеле.

Расчет процесса замерзания капли можно разделить на два этапа (без учета начального охлаждения в жидком виде и переохлаждения после кристаллизации):

- замерзание части жидкости за счет накопленного переохлаждения;

- промерзания оставшейся части жидкости.

В процессе охлаждения капли происходит мгновенное замерзание части жидкости за счет накопленной температуры переохлаждения. Соответственно, чем больше переохлаждение, тем большая часть жидкости капли мгновенно замерзнет. Этот процесс описывается уравнением теплового баланса [5]:

тжкж(Ттр) + тлНл (Ттр) = (тж + тл)/1ж(Гпер), где тж и тл - масса жидкой и твердой фазы в капле, кг; /гж(Ттр) и кл(Ттр^ - энтальпия жидкости и льда при температуре тройной точки, кДж/кг; кж(Тпер) - энтальпия жидкости при температуре переохлаждения.

В момент мгновенного замерзания относительно небольшой части жидкости за счет переохлаждения в капле происходит выравнивание температуры до 273,15 К. После выравнивания температуры продолжится промерзание капли, т.е. замерзание оставшийся части жидкости при постоянной температуре. Тепловой баланс в процессе кристаллизации зависит от схемы промерзания капли. Возможны три варианта: А - внутрь, Б - наружу и В -боковое (рисунок).

(жидкость)

(В) 'боковое

Рисунок. Схема промерзания капли

Промерзание внутрь. При промерзании капли внутрь на поверхности капли образуется ледяная корка. Соответственно тепломассоперенос будет осуществляться за счет сублимации льда с поверхности капли. Тепловой баланс для этого процесса можно записать как:

КАт0Ж = 1г'сАтсл - к (Тт - Ттр)Дт, где кл - теплота плавления льда, кДж/кг; /г' - теплота сублимации льда, кДж/кг; Дшсл -изменение массы при сублимации льда, кг; к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К); Агпож - изменение массы жидкости при замерзании, кг; Тт - температура окружающей среды, К; Гтр - температура тройной точки воды, К; Дт - время процесса, с.

Агпсл = КАкМвп(^--Х^-)А т,

где Ак - площадь поверхности капли, м2; К - коэффициент массопереноса, м/с; Мш -молекулярная масса водяного пара, кг/моль; Рнас и Тк - давление и температура на поверхности капли, Па и К; Рт и Тс0 - давление и температура окружающей среды, Па и К; X - концентрация паров; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К).

, _ (2+0,6ReK1/2Pr1/3 )Aqq

к — Z >

dK

где Re - число Рейнольдса; Рг - число Прандтля; Аш - теплопроводность водяного пара, Вт/(мК); dK - диаметр капли, м.

Промерзание наружу. При промерзании капли изнутри наружу ледяная часть образуется внутри капли. Тепломассоперенос будет осуществляться за счет испарения воды с поверхности капли, тепловой баланс для этого процесса:

КАт0Ж = НиАтиж - к (Тж - Гтр)Дт, где 1ги - теплота испарения, кДж/кг; Дшиж = Дтсл - изменение массы при испарении жидкости, кг.

Боковое промерзание. При боковом промерзании капли ледяная корка образуется не по всей поверхности капли. Тепломассоперенос осуществляется за счет сублимации льда и испарения воды с поверхности капли, а тепловой баланс для этого процесса можно записать:

клАт0Ж = НиАтиж + h'cAmCJ1 - к(Тт - Гтр)Дх, где h.¡ - теплота плавления льда, кДж/кг; h'c - теплота сублимации льда, кДж/кг; 1ги - теплота испарения, кДж/кг; Атиж - масса испарившейся жидкости, кг; Атсл - масса сублимированного льда, кг; к — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); Атож - масса оставшейся жидкости, кг; Дт - время процесса, с.

Атиж = КАКЖМВП At; Дшсл = Ю1КЛМВП - Х^-) Дт,

где Акж - площадь поверхности жидкой части капли, м2; Акл - площадь поверхности замерзшей части капли, м2.

-^кл = f(jtdК/ЛЖ); ¿4кж = (1 — /)(ттйклж), где / - замерзшая часть капли.

Диаметр и плотность двухфазной капли:

<,лж = V6(mЛ + шж)/ттрлж; Рлж = 7- Рл РЖ

/•Рж + (1-/)'Рл

Как только капля полностью замерзнет (f = 1), физические свойства капли принимаются соответствующими ледяной частице, в дальнейшем происходит понижение ее температуры.

Вывод. Использование рассмотренной методики в математической модели расчета процесса получения бинарного льда в вакуумно-испарительной установке позволит более точно выполнять расчеты при разработке конструкции оборудования.

Литература

1. Цветков О.Б., Лаптев Ю.А. Монреальский протокол - Honoris // Холодильная техника. -2018.-№3.-С. 24-28.

2. Маринюк Б.Т., Крысанов К.С., Ермолаев А.Е. Вакуумные холодильные установки и холодоаккумуляторы водного льда // Труды кафедры «холодильная и криогенная техника» Техника низких температур, сборник научных статей. - 2006. - С. 42-46.

3. Цветков О.Б., Лаптев Ю.А. Айс-сларри и однофазные хладоносители // Холодильная техника. - 2004. - № 3. - С. 2-4.

4. Pronk P., Meewisse J.W., Infante Ferreira С.A., Witkamp G.J. Ice slurry production with a circulating fluidized bed heat exchanger // In Proceedings of the international congress of refrigeration. Washington, DC; 2003.

5. Wang C., Xu R., Chen X., Jiang P., Liu B. Study on water flash evaporation under reduced pressure // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2019. - V. 131. -P. 31-40.

УДК 621.56

Энергоэффективные системы с использованием вакуумно-испарительных

ледогенераторов бинарного льда

Канд. техн. наук Круглов A.A. [e-mail] Тазитдинов P.P. [e-mail] Университет ИТМО 191002, Россия, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

Сбережение ресурсов, энергии и применение природных хладагентов в холодильных системах является одним из базовых векторов инновационного развития нашей страны. Одним из перспективных путей решения этих проблемы является применение вакуумно-испарительных ледогенераторов с системой аккумулирования холода при помощи бинарного льда совместно с энергосберегающими технологиями, использующими возобновляемые источники энергии. В статье описан принцип получения льда в вакуумно-испарительной установке. Рассмотрены достоинства и недостатки способов получения льда в парокомпрессионных и вакуумно-испарительных установках. Приведено сравнение расхода электроэнергии парокомпрессионными и вакуумными ледогенераторами при получении льда и тепловыми насосами с использованием в качестве источника тепла воздуха и морской воды. Рассмотрены энергоэффективные установки с применением вакуумно-испарительных ледогенераторов в системах аккумулирования холода; в комбинированных системах охлаждения и отопления; с тепловым насосом. Ключевые слова: бинарный лед, жидкий лед, вакуумно-испарительный ледогенератор, аккумулирование холода, тепловой насос.

Energy-efficient systems with use of vacuum-evaporation ice slurry generator

Ph.D. Kruglov A.A. [e-mail] Tazitdinov R.R. [e-mail] ITMO University 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9

The saving of resources, energy and the use of natural refrigerants in refrigeration systems is one of the basic vectors of the innovative development of our country. One of the promising ways to solve these problems is the use of vacuum-evaporation ice generator with using an ice slurry storage system, together with energy-saving technologies using renewable energy sources. The article describes the principle of ice production in the vacuum-evaporation ice generator. The advantages and disadvantages of the methods of obtaining ice in vapor-compression refrigeration systems ancl vacuum evaporative plants are considered. A comparison is made between the consumption of electricity by vapor-compression refrigeration and vacuum ice makers in the production of ice, and heat pumps using air and seawater as a source of heat. Energy-efficient plants using vacuum-evaporative ice generators in cold storage systems are considered; in combined cooling and heating systems; with a heat pump. Keywords: ice slurry, vacuum-evaporation ice generator, thermal energy storage, heat pump.

Введение

Популярность холодильных установок с системами аккумулирования холода с каждым годом растет. Это объясняется более низкой стоимостью электроэнергии в ночное время (дифференцированный тариф) и снижением температуры конденсации в системах с воздушными конденсаторами [1]. Целесообразность применения аккумуляторов холода обусловлена наличием выраженного пикового теплопритока, который превышает среднесуточный на 40 - 50 %, а его единовременная продолжительность составляет не более четырех часов [2].

Различают два вида аккумулирования холода: с однофазным хладоносителем и хладоносителем с фазовым переходом. При аккумулировании холода с помощью однофазного хладоносителя отвод теплоты происходит за счет разности температур (чаще всего 6 - 10 К). При использовании хладоносителей с фазовым переходом теплота отводится за счет скрытой теплоты плавления льда при постоянной температуре (около 0°С). Аккумулирование с фазовым переходом можно осуществить путем намораживания слоя льда на поверхности теплообменника или приготовлением бинарной смеси.

Аккумулирование холода с помощью однофазного хладоносителя имеет значительно более низкую плотность хранения тепловой энергии и требует большие объемы емкостей хранения (рис. 1). Например, один кубический метр холодной воды имеет заряд в 7кВтч (при разнице температур от 6 °С до 12 °С), что более чем в 12 раз меньше чем в одном кубическом метре чистого льда (при постоянной температуре 0°С) [3, 4].

] Аккумулирование с однофазным хладоносителем (6 °С/ 12 °С);

1 Аккумулирование с фазовым переходом, методом намораживания льда на

' поверхность теплообменника;

] Аккумулирование с фазовым переходом, при помощи бинарного льда {50%)

Рис. 1. Сравнение аккумуляторов холода: а - объем емкости хранения при одинакового мощности теплового энергии; б — мощность тепловой энергии в 1м3

При аккумулировании холода методом намораживания льда на поверхности теплообменника (рис. 2) используется емкость для хранения с теплообменником. Для заряда аккумулятора (производства льда) внутри теплообменника кипит хладагент при температуре от минус 8 °С до минус 12 °С и на поверхности труб теплообменника образуется лёд. С увеличением толщины намораживаемого льда на поверхности теплообменника возрастает значение сопротивления теплопередаче между хладагентом и водой. Это приводит к снижению производства количества льда за единицу времени и рост употребления электроэнергии парокомпрессионной холодильной машиной. Для предотвращения энергетических потерь, используются большие площади теплообменников с увеличенным межтрубным пространством для лучшей циркуляции хладоносителя. При возникновении потребности в холоде, хладоноситель циркулирует, омывая поверхность теплообменника, а намороженный лед снимает теплоту (разряжая аккумулятор). Из-за необходимости размещения в емкостях для хранения объемных теплообменников, на сегодняшний день технологии позволяют хранить около 45 -55 кВт-ч энергии [5]в одном кубическом метре.

Рис. 2. Система аккумулирования холода с фазовым переходом, методом намораживания льда на поверхности теплообменника

Аккумуляторы холода с использованием бинарного льда (двухфазного хладоносителя) имеют множество преимуществ по сравнению свыше приведенными технологиями. Бинарный лёд состоит из смеси жидкости и мелких частиц льда, размер которых не превышает 0,5 мм [6], массовая доля льда может варьироваться от 5 до 50 % [7]. Бинарный лед уже достаточно давно применяется во многих отраслях промышленности, но пока широко не используется для аккумулирования энергии в больших объемах. Одним из основных преимуществ бинарного льда является способность к его перекачиванию с помощью обычных центробежных насосов. Это позволяет снизить массогабаритные показатели не только емкостей для хранения, но и трубопроводов, запорной арматуры и теплообменного оборудования, за счет высокой охлаждающей способности, создаваемой многочисленными кристаллами льда [8].

Теплообменник

для конденсации Водяной пар

Рис. 3. Схема вакуумного льдогенератора

Технология производства льда в вакууме основывается на испарении воды вблизи тройной точки (611 Па, 0,01 °С) [9]. Из герметичного бака-кристаллизатора, частично заполненного водой, при помощи вакуумного насоса откачивается водяной пар, при этом снижая в нём давление. При достижении давления ниже тройной точки происходит испарение с поверхности жидкости с образованием при этом ледяных частиц. Откачиваемый водяной пар конденсируется в теплообменнике (рис. 3) [10].

Скрытая теплота парообразования (-2400 кДж/кг) в несколько раз превышает теплоту кристаллизации воды (333,55 кДж/кг). Соответственно, при испарении 118 грамм воды, можно произвести 882 грамма льда (рис. 3).

Преимуществами вакуумных установок являются: упрощённая технологическая схема установки, поскольку вода может быть, как холодильным агентом, так и хладоносителем; возможность получения водного льда с оптимальной, с точки зрения энергозатратности, температурой 0,5 °С, что трудно реализуемо в парокомпрессионных установках. Недостатком вакуумной технологии является процесс откачивания водяного пара при низких давлениях. Плотность водяного пара при низком давлении примерно в 270 раз меньше плотности воздуха при нормальных условиях. Это приводит к высокой скорости откачки вакуумного насоса и относительно высокому коэффициенту сжатия (табл. 1).

Таблица 1

Зависимость скорости откачки от холодопроизводительности

Холодопроизводительность, кВт Производительность льдогенератора1, кг/ч Скорость откачки водяного пара2, м3/с

50 540 4,5

250 2699 22,4

500 5397 44,7

1000 10795 89,4

при температуре воды на входе 0 °С 2 при температуре испарения минус 1 °С

Расход энергии при получении льда в парокомпрессионных установках на 30 % больше, чем в вакуумно-испарительных установках (табл. 2, поз. 3,5). Если производство льда (зарядка ледоаккумуляторов) осуществляется в ночное время, эффективность системы может быть повышена за счёт более низкой температуры конденсации (табл. 2, поз. 4, 6). Значительный расход энергии при получении льда с помощью вакуумного ледогенератора идёт на охлаждение воды чиллером для конденсации водяного пара (рис. 4) [11].

. = 0,30 -

^ Парокомпрессионный льдогенератор

Вакуумно-испарительный льдогенератор Щ Чиллер для охлаждения водякного пара

Рис. 4. Расход энергии при получении льдас помощью вакуумного и пароко.мпрессионного генератора

Таблица 2

Сравнение эффективности производства льда в вакуумной и парокомпрессионной установках [11]

Поз. Тип установки Температура кипения, °С Температура конденсации. °С ЕЕЯ Уд. энергозатраты

1 Чиллер для охлаждения воды до 6/12 °С, для конденсации водяного пара(К717, л = 0,7) 4 34 5,71 0,175

2 Вакуумно-испарительный ледогенератор (11718, г| = 0,65) -0,5 6 26,2 0,038

-> -> Вакуумно-испарительная установка (поз. 1 и поз. 2) -0,5 34 4,68 0,213

4 Вакуумно-испарительная установка. Работающая в ночное время -0,5 24 6,67 0,150

5 Парокомпрессионный ледогенератор скребкового или блочного типа (К717,11 = 0,7) 10 34 3,49 0.287

6 Парокомпрессионный ледогенератор скребкового или блочного типа. Работающий в ночное время -10 24 4,71 0,212

Теплообменник для конденсации водяного пара

Рис. 5. Схема вакуумно-испарителъного ледогенератора с системой аккумулирования холода при помощи бинарного льда

Производство бинарного льда в вакуумно-испарительных установках является довольно новой технологией, применяемой в установках средней и большой мощности. Данный способ производства может использоваться для аккумулирования холода. Система аккумулирования холода (рис. 5) состоит из вакуумно-испарительной установки, описанной выше и одной или нескольких ёмкостей для хранения льда. В ночное время, когда снижены тарифы на электроэнергию, и возможно понижение температуры конденсации в системах с воздушными конденсаторами, вакуумный ледогенератор производит бинарную смесь и перекачивает ей в ёмкости для хранения. Емкости для хранения в таких системах не нуждаются в дополнительном теплообменнике, так как температура бинарной смеси постоянна (не выше 0°С) за счёт наличия частиц льда. В небольших установках ёмкостью для хранения бинарной смеси может служить нижняя часть бака-кристаллизатора. Система аккумулирования холода с использованием бинарной смеси полностью исключает необходимость в дополнительном контуре с хладоносителем.

Первая такая система была реализована в германском университете прикладных наук в Цвиккау. Описание и характеристики этой установки представлены в [12].

Тепловые насосы являются важным элементом увеличения использования возобновляемых источников энергии и становятся все более распространенными. Различают три основных природных источника теплоты, применяемых в тепловых насосах:

• воздух;

• грунт;

• вода (природные водоёмы).

В настоящее время наиболее распространены тепловые насосы, использующие атмосферный воздух, из-за низких инвестиционных затрат, но эффективность таких систем снижается с понижением температуры окружающей среды. Существенным недостатком тепловых насосов, использующих в качестве источника тепла грунт, являются высокие инвестиционные затраты на теплообменник. Грунтовые воды или вода из природного водоёма, в качестве теплоисточника, сохраняют относительно высокую и стабильную температуру круглый год, тем самым повышают эффективность теплового насоса.

Проведены расчеты энергопотребления теплового насоса, с использованием в качестве источника тепла атмосферного воздуха и морской воды, на примере здания в г. Осло. Тепловая нагрузка здания, без учёта нагрева воды на технологические нужды, составляет 6717 МВтчв год. Расчёты не учитывали ограниченную производительность теплового насоса с воздушным источником при низкой температуре окружающей среды, когда часто требуется дополнительное электрическое отопление. В табл. 3 приведены результаты расчетов для двух температур подаваемого теплого воздуха 35 °С и 45 °С. Тепловой насос с использование морскую воду в качестве теплового источника, потреблял электрическую энергию примерно на 25 % меньше по сравнению с воздушным тепловым насосом [12].

Таблица 3

Сравнение энергетических показателей теплового насоса с использованием в качестве источника тепла атмосферного воздуха и морской воды, на примере здания в Осло [12]

Тепловой насос Потребление электроэнергии тепловым насосом Сезонный/годовой КПД теплового насоса

Тепловой насос с НГТГ - воздух. Температура подачи воздуха 35 °С 1,846 МВт-ч 3,64

Тепловой насос с НГТГ - воздух. Температура подачи воздуха 45 °С 2,301 МВт-ч 2,92

Тепловой насос с НПТ - морская вода. Температура подачи воздуха 35 °С 1,421 МВт-ч 4,73

Тепловой насос с НГТГ - морская вода. Температура подачи воздуха 45 ° С 1,713 МВт-ч 3,92

Во многих отраслях, помимо охлаждения, требуется нагрев воды для технологических нужд или отопления. Для повышения эффективности системы (рис. 6, 7) [13] теплоту конденсации парокомпрессионной холодильной машины, применяемой для конденсации водяного пара, можно использовать для нагрева воды в баке-аккумуляторе (бойлере) или в качестве источника низкого потенциала в тепловом насосе.

На рис. 6 представлена комбинированная система аккумулирования холода с тепловым насосом. В зимний период времени, когда потребность в холоде отсутствует, вода из природного водоема (с температурой выше 0 °С), подаваемая в бак-кристаллизатор, используется в качестве источника теплоты для работы теплового насоса. В летний период система работает в режиме охлаждения с аккумуляцией холода.

Рис. 6. Комбинированная система аккумулирования холода с помощью бинарной смеси и теплового насоса с использованием природного водоема в качестве источника тепла в холодный период

Во многих случаях потребность в охлаждении и отоплении (нагреве воды) не совпадают. Комбинированная система с аккумулированием холода и аккумулированием горячей воды является более гибкой и независимой в сравнении с обычными холодильными системами с рекуперацией тепла. В периоды, когда потребность в нагретой воде выше, чем нагрузка на систему охлаждения, массовая доля льда в емкости хранения увеличивается. Если выше нагрузка на систему охлаждения, дополнительное охлаждение обеспечивается из ёмкости для хранения бинарной смеси, и массовая доля льда уменьшается.

Теплообменник для конденсации водяного пара

3...6 X

W///////////////////////A

Ёмкость для хранения бинарной смеси

Бойлер

Рис. 7. Схема комбинированной установки с использованием аккумулирования холода при помощи бинарного льда и системой рекуперации тепла

Добавление теплообменника воздух-вода позволяет использовать низкую температуру окружающего воздуха в холодный сезон для охлаждения и хранения льда. Этот же теплообменник можно использовать в качестве рекуператора для теплового насоса, чтобы обеспечить охлаждение, при отсутствии льда в аккумуляторе [13].