Моделирование процесса замораживания при создании различных форм хладоемкой массы водного льда с использованием низкотемпературного потенциала окружающей среды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат наук Серенов, Иван Иванович

• Серенов, Иван Иванович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Серенов, Иван Иванович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Использование потенциала отрицательных температур окружающей среды в системах холодильной техники (по данным литературных источников). Постановка задачи исследования

1.1. Оценка потенциальных возможностей использования природного холода для холодоаккумуляции льда в Центральном федеральном округе России

1.2. Обзор практических достижений по использованию природного холода для холодоаккумуляции льда и охлаждения воды

1.3. Теоретическое и экспериментальное исследование замораживания воды

в различных геометрических формах

1.3.1. Анализ существующих решений задачи о затвердении сферических капель воды

1.3.2. Анализ существующих решений задачи о промораживание плоскопараллельного слоя

1.4. Цель и задачи исследования

Глава 2. Моделирование процесса образования водного льда в различных геометрических формах с использованием низкотемпературного воздуха

2.1. Расчетная модель процесса замораживания плоско-параллельного

слоя воды с использованием холодного воздуха

2.2. Расчетно-теоретическая модель процесса замораживания сферического слоя воды при внешнем воздействии потока воздуха с отрицательной температурой

2.2.1. Расчетная модель промерзания сферического слоя воды с использованием стационарного распределения температур на

основе гипотезы проф. Лейбензона Л.С

2.2.2. Расчетная модель промерзания сферического слоя воды на основе решения нестационарного уравнения теплопроводности Фурье (информационный подход)

2.3. Расчетная модель оттаивания ледяной сферы

Глава 3 Описание экспериментальных установок и методика проведения опытов. Оценка погрешности выполнения опытов

3.1. Описание экспериментальной установки по замораживанию водонасыщенной сферы

3.1.1. Обоснование выбора гидрофильного материала для имитации

сферического шара воды

3.2. Описание экспериментальной установки по замораживанию плоско-параллейного слоя

3.3. Описание эксперимента по оттаиванию водоледяной сферы

3.4. Описание эксперимента по определению коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха к сфере

3.5. Описание экспериментального стенда холодоаккумуляционной градирни

3.6. Оценка погрешности измерительных приборов

Глава 4. Сравнение результатов теоретического и экспериментального исследований

4.1. Результаты сопоставления роста толщины слоев водного льда сферической формы

4.2. Результаты сопоставления роста толщин водного льда плоскопараллельной формы

4.3. Результаты сопоставления таяния сферы водного льда омываемой теплой водой

4.4. Влияние коэффициента теплоотдачи на скорость замораживания сферической формы воды (результаты расчета)

Глава 5. Макетные образцы холодоаккумуляционных устройств. Описание, методика и пример расчета

5.1. Описание и принцип расчета холодоаккумуляционной градирни со сферической насадкой

5.1.1. Методика теплового конструктивного расчета холодоаккумуляционной градирни

5.1.2. Пример расчета холодоаккумуляционной градирни со сферической насадкой

5.2. Описание и методика теплового конструктивного расчета холодоаккумуляционного устройства для получения плитчатого льда

5.2.1. Методика теплового конструктивного расчета холодоаккумуляционного устройства

5.2.2. Пример расчета холодоаккумуляционного устройства для получения плитчатого льда

Выводы и основные результаты работы

Список вводимых сокращений

Список используемой литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование процесса замораживания при создании различных форм хладоемкой массы водного льда с использованием низкотемпературного потенциала окружающей среды»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Возрастание проблем влияния техногенного фактора на окружающую среду и рост стоимости электроэнергии вызывают необходимость поиска мер по энергосбережению и защите окружающей среды. Использование возобновляемых источников энергии, к которым относятся ресурсы отрицательных температур окружающей среды, позволяют снизить расходы электроэнергии в действующих установках холодильной системы, что согласуется в принятом ФЗ №261 от 23.11.2009 (ред. от 03.07.2016) «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [1].

Климатические условия России обладают существенными запасами холода в виде атмосферного воздуха с отрицательными температурами, которые наблюдаются в осенне-зимний период года. Природный холод можно успешно использовать для целей аккумуляции льда с дальнейшем применением для охлаждения воды до околонулевых температур.

Рост цен на энергоносители, в том числе на электроэнергию, носит объективный характер, так как стоимость добычи ископаемых энергоносителей как и затраты на транспортировку их к местам потребления возрастают.

В статье «Актуальные направления развития техники низких температур», говоря о нарастании дефицита энергии в 21 веке, проф. д.т.н. Калнинь И.М. прогнозировал возрастание использования естественного холода наружного воздуха для аккумуляции водного льда. В этой связи принятое научное направление исследования является актуальной задачей.

Ледяная вода используется при реализации следующих процессов:

- охлаждение и хранение молока, кисломолочных продуктов, мороженого, соков, овощной и фруктовой продукции;

- изготовление сыров — дозревание головок в холодильных камерах;

- промывка, хранение, упаковка охлажденного мяса, птицы, рыбы;

- приготовление сырья для пива и поддержание температурного режима брожения;

— замешивание и доведение теста до нужной консистенции в хлебобулочном производстве;

- кондиционирование воздуха в развлекательных центрах, кинозалах и прочих заведениях;

— производство бетона и цементных смесей;

- производство пластмасс для охлаждения форм и фильер;

— в химической и фармацевтической промышленности для охлаждения технологических и производственных процессов [75].

Целью работы является создание эффективных устройств холодоаккумуляции на основе процесса замораживания воды в различных формах с использованием низкого потенциала отрицательных температур окружающей среды.

Задачи исследования:

1. Разработка расчетно-аналитического описания процесса замораживания воды в различных ее формах.

2. Получение экспериментальных данных в условиях эксплуатационных режимов на опытном стенде холодоаккумуляционной установки.

3. Сопоставление экспериментальных данных с результатами расчета по составленной математической модели.

4. Создание конструктивной схемы холодоаккумуляционной установки способной вести накопление льда при слабоотрицательных температурах окружающего воздуха.

5. Создание методики расчетного проектирования холодоаккумуляционной установки.

Научная новизна:

1. Созданы математические модели процесса замораживания водной среды в различных ее геометрических формах (плоско-параллельный слой и сфера).

2. Получены аналитические зависимости, определяющие динамику замораживания водного льда в различных его формах.

3. Выявлены параметры, определяющие скорость развития процесса промораживания водной среды в различных ее геометрических формах.

Положения, выносимые на защиту:

¡.Метод расчета динамики намораживания льда в различных геометрических формах на основе информационного подхода.

2. Результаты расчетного исследования процесса замораживания водного

льда.

3. Результаты экспериментальных исследований на моделях и опытной холодоаккумуляционной установки.

Личный вклад соискателя:

Участие в постановке задачи моделирование процесса замораживания капли воды в потоке холодного воздуха. Расчеты по математическим моделям. Создание стендов для проведения опытов. Сопоставление результатов расчетов с опытными данными, полученными на стендах.

Практическая значимость

Предложена конструктивная схема холодоаккумуляционной установки, позволяющей работать при слабых потенциалах отрицательных температур окружающего воздуха, начиная с минус 1.5°С и ниже, такая схема обладает признаками оригинальности, подана заявка в Роспатент на предполагаемое изобретение.

Разработана методика расчетного проектирования холодоаккумуляционной установки. Полученные обобщения позволяют вести анализ влияния характеристик процесса на развитие динамики замораживания сферического слоя воды. Представленные результаты могут быть использованы для расчетов времени экспозиции при замораживании водонасыщенных лесных ягод перед закладкой их в морозильную камеру для длительного сохранения.

Решение задачи замораживания плоско-параллельного слоя воды позволяет рассчитать производительность льдогенератора, использующего потенциал

отрицательных температур окружающего воздуха для создания холодоаккумуляционной массы водного льда при его закладке зимой в льдобунтах для хранения и использования летом. Полученное обобщение может быть так же использовано для определения несущей способности слоя льда на водоемах в предзимний период, что важно при организации переправ и зимников, для движения людей и транспорта.

Апробация работы

Основные положения и результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур» 14—16 декабря 2011 г., (Москва, 2011); Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур» 10-12 декабря 2013 г., (Москва, 2013); Научно-практической конференции посвященной Л.А. Костандова, ноябрь 2014, Университет Машиностроения, (Москва, 2014); Научно-практической конференции посвященной Л. А. Костандова, ноябрь 2015, Университет Машиностроения, (Москва, 2015); Научно-практическая конференция «Развитие индустрии холода на современном этапе» 23 марта 2016г., (Москва, 2016).

Глава 1. Использование потенциала отрицательных температур окружающей среды в системах холодильной техники (по данным литературных источников). Постановка задачи исследования.

Современная энергетика в основном базируется на невозбновляемых источниках энергии, которые негативно влияют на окружающую среду. Как известно, использование невозбновляемых источников энергии отрицательно сказывается на окружающей среде, а также является тупиковым развитием энергопотребления в связи с ограниченностью таких ресурсов и их истощение (нефть, газ и т.д.) [2].

Различные сценарии развития энергообеспечения производственных процессов предполагают необходимость широкого освоения новых возобновляемых источников энергии уже в ближайшее время как по причине неизбежного сокращения добычи и повышения стоимости энергоносителей, так и по экологическим причинам (эмиссия СОг и других вредных воздействий традиционной энергетики на окружающую среду). Использование возобновляемых источников энергии, как правило, не несут разрушающего воздействия на окружающую среду, а в большей степени являются экологически чистыми [2].

Из различных видов возобновляемых источников энергии для техники низких температур имеет особую значимость тепловой потенциал окружающей среды, так как территория России обладает огромными запасами холода. В частности, на сегодняшний день в холодильной технике нашей страны слабо задействован природный холод - морозный воздух, который можно успешно использовать в процессах холодоаккумуляции льда. Технические системы, установки для использования естественного холода, как правило, просты по устройству, доступны для изготовления в местных условиях, высоконадежны, исключают использование экологически опасных хладоносителей (фреоны, углекислота), значительно минимизируют расход электроэнергии по сравнению с машинами искусственного холода [3, 4, 5, 6].

1.1. Оценка потенциальных возможностей использования природного холода для холодоаккумуляции льда в Центральном федеральном округе России

Центральный федеральный округ расположен в центре Восточно-

'У

Европейской равнины. Территория округа составляет 650 205 км . В его состав входят 18 субъектов Российской Федерации: Белгородская, Брянская, Владимирская, Воронежская, Ивановская, Калужская, Костромская, Курская, Липецкая, Московская, Орловская, Рязанская, Смоленская, Тамбовская, Ярославская области. Округ является самым заселенным федеральным округом России — 38.3 млн человек [76].

Климат Центрального ФО умеренно-континентальный, средняя температура января от -7 до -14°С, июля от +16 до +22°С.

Японские ученые, исследуя эффективность аккумулирования природного холода для нужд сельскохозяйственного производства, пришли к выводу аккумулирование природного холода высокоэффективно в областях, где индекс холода больше 400 градусосуток [7].

Индекс холода вычисляется по формуле (1.1):

д = (1.1)

где И- среднесуточная температура окружающего воздуха в зимний период времени, град; £)/ - количество дней в году с температурой ниже ноля.

По данным Гидрометцентра России [77] проведен анализ средних температур за последние три года, которые представлены в Таблице 1.

Таблица 1

Дата Температура воздуха, °С, сезон 2014/2015/2016 год

Ноябрь Декабрь Январь Февраль Март

1 +3.1/-1.2/+2 -6,3/-12,2/-3,3 -0,9/-10/-14 -18,5/-3,7/-3,7 -5,5/-1,2/-7

2 +4,7/-2,9/+4 -5,1/-11,4/-2,7 -3,б/-7/-17 -10,9/-3,9/-2,4 -2,5/-2,7/-3

3 +2,7/-2,9/+б -10.6/-12.8/-3 -3.5/+1/-15 -10,0/-5/+1 -1,6/-2,1/-0,8

4 +7,3/-0,2/+5 -2,7/-5/-1,8 -2,6/+1/-16 -6,5/-4/+1 -2,0/-1,3/-0,4

5 +4,3/+1,7/+6 -4,1/-1,5/+2 -1,4/-15/-18 -4,2/-5,2/-1,6 -1,1/-1,8/-0,1

Продолжение таблицы 1

6 +10/+4,1/-1,8 -4,9/-1,3/+2 0,2/-19/-17 -7,7/-8/-2,1 0,9/-4/+0,5

7 +5,6/+4,3/-2,2 -2.3/-4/+5 0,11-201-16 -10,1/-7/-8 -2,0/-0,6/-2

8 +3,9/+6,5/-3 -4,3/-4,1/+2 1,2/-17/-16 -3,5/-5/-2,5 1,5/-1,2/-0,9

9 +\,91+2,11-2 -9,3/-4,6/-0,8 2,4/-11/-16 -1,3/-5,7/-2,9 0,3/+2/+2

10 6,3/-1,2/+1 -12,7/-4/-1,4 2,2/-8/-16 -4,6/-14/-1,7 1,11+21-0,1

11 7,1/3,0/+) -16,8/-3/+0,3 -1,9/-4/-19 -5,0/-5/+1 3,'9/+3/-2,1

12 2,9/4,2/+1 -7,3/-1,8/-1,5 -2,4/-2/-16 -4,3/-3,2/-1,5 1,11+21+2,1

13 2,5/4,2/+0,8 -0,4/-1,8/-1,2 -6,11-51-5 0,6/-1,8/-1,7 2,1/1,5/-1,8

14 1,0/-0,6/-2 -5,3/+0,3/-2 -10,8/+1/-5 1,3/-1,6/-2 2,3/-2,4/-1,4

15 2,7/-1,8/-2,4 -9,8/+1/-4 -13,2/-2/-14 1,5/-3,3/+1 1,2/-3,3/-7

16 1,4/-4,8/-2,8 -12,6/-4/-4 -9,9/-2/-17 0,7/-12/+2 -0,11-21-1,9

17 2,0/-5,3/-2,5 -3,9/+1/-7 -1 А,01-21-1 0,6/-10/-5 -2,9/-2,4/+1

18 -2,5/4,4/-2 0,8/+1/-6 -11,91-21-16 0,8/-10/-6 -4,1/-3,2/+1

19 -4,6/-10,7/+1 -1,2/-0,7/-2,3 -21,2/-2/-10 -1,6/-3,4/-7 -1,51-31-1

20 1,0/-11,4/+1 -2,1/-1/+1 -18,6/-0,9/-10 -3,3/-0,8/-5 -Ъ,91-21-9

21 -0,2/-10,7+3 -2,0/+2/+6 -17,8/-13/-16 -5,8/-1,7/-8 -10,4/+2/-8

22 3,1/-7,9/-2,9 -0,2/-1/+5 -19,9/-15/-13 -5,0/-2,4/-5 4,4/-4/-8

23 3,0/-6,8/-1,4 0,7/-1/+3 -20,8/-8/-14 -0,8/0,5/-0,8 0,5/-10/-8

24 3,7/-2,3/-3,1 1,0/-0,3/+5 -18,6/-4/-19 1,2/+1/-4 7,4/-4,7/-8

25 2,9/-4,4/-2,6 0,6/-8/+1 -20,0/-2,3/-21 -1,4/-2,1/-2 3,0/+1/-4

26 -0,6/-6,7/-5 -0,9/-12/+1 -15,6/-12/-13 -4,7/0,3-1,5 3,6/+0,2/-3,2

27 -6,3/-9,2/-7 -1,2/-11/-3,5 -15,1/-9/-7 -5,3/-2,8/+0,1 -0,2/-3,1/-4

28 -4,4/-11,6/-5 -1.8/-11/-6 -18,0/-6/-5,2 -4,8/1/-4 -0,4/-3/-3,7

29 -0,6/-11.9/-7 0,6/-14/-10 -22,0/-3/-4,8 -/-7-1,7 -6,9/-2,4/-2,2

30 -6,3/-12,5/-3,6 0,8/-17/-8 -25,4/2,8/+2 -2,8/-2,7/+2

31 1,7/-18/-8 -21,8/3,4/+! -1,4/-1,3/+2

По данным Таблицы 1 вычислены индексы холода в Центральном федеральном округе и количество дней в году, имеющих отрицательную температуру. Данные представлены в Таблице 2.

Таблица 2

Осенне-зимний сезон Индекс холода, градусосуток Количество дней с отрицательной температурой в году

2014 716 93

2015 680 101

2016 702 91

Из данных Таблицы 2 видно, что индекс холода превышает экономически допустимый (по мнению японских ученых) порог в 400 градусосуток и количество дней с отрицательной температурой относительно года составляет 2325%. На основании данных таблицы 2 можно сделать вывод - в Центральном Федеральном округе России возможно использование льдоаккумуляционной градирни для аккумулирования природного холода в виде водного льда, что позволит экономить электроэнергию из сети в течение года на 23—25% (не считая затраты электроэнергии на льдоаккумуляционную градирню).

1.2. Обзор практических достижений по использованию природного холода для холодоаккумуляции льда и охлаждения воды

В наше время интерес к использованию естественного холода в народном хозяйстве все более возрастает. При этом уменьшение капитальных и эксплуатационных затрат на охлаждающие системы, а также использование энергосберегающих технологий, является актуальной задачей, требующей без отлагательного решения.

Большой вклад в решение проблемы использования природного холода в нашей стране внесли ученые В.А. Бобков, И.Н. Босин, В.И. Квашенников, A.M.

Мусин, Б.А. Савельев, Д.А. Латилин, Н.М. Антроповский, A.A. Мультан, Ю.А. Зейгарник, Ю.А. Дубоделов и многие другие.

Сегодня разработкой конструкций установок для использования природного холода занимается большое число технических специалистов и изобретателей.

Основными важнейшими показателями технической характеристики аккумуляторов естественного холода, как и аккумуляторов машинного должны быть:

- хладоемкость (кДж, кВт-часов),

- величина зарядной хладопроизводительности (кВт), характеризующая длительность накопления холода (кДж, кВтчас), как функцию метеорологических условий окружающей среды (температура воздуха, скорость ветра) [8].

От совершенства аккумулятора природного холода во многом зависит эффективность эксплуатации любой технической системы, имеющей в своем составе аккумулирующее устройство. Основная цель совершенствования — добиться как можно большей длительности работы аккумулятора в течение года с сохранением своих главных характеристик - хладопроизводительности (кВт) и хладоемкости (кДж, кВт-часов) [9,10].

В настоящее время усилиями специалистов отечественных и зарубежных фирм, научно-исследовательских, проектно-технологических институтов, специалистов учебных ВУЗов разработано большое количество систем, аккумулирующих естественный холод [11, 12, 13, 14, 15].

Известно устройство (Рисунок 1.1.), установка для охлаждения молока естественным холодом [11].

Н 6

Рисунок 1.1. Установка для охлаждения молока естественным холодом

Установка для охлаждения молока содержит установленный на отрытом воздухе резервуар 1 для воды с размещенным над ним воздушно-водяным теплообменником 2, в нижнюю часть которого встроено пластинчатое устройство 3 из пористого материала для намораживания льда. Стенки резервуара 1 выполнены из металла и имеют хорошую теплопроводность. В качестве теплоносителя используется вода.

Резервуар 1 через фильтр 4 и водозаборный трубопровод 5 соединен с насосом 6. Водозаборный трубопровод 5 проходит через утепленный проем в стене здания. В свою очередь выходной патрубок насоса 6 через пластинчатый охладитель 7, переключатель 8 с ползуном 9 и трубопровод 10 соединен с разбрызгивающим устройством 11 теплообменника 2. При этом ползун 9 находится в левом положении. Теплообменник 2 имеет вентилятор 12, который расположен в боковой части теплообменника с возможностью подачи воздуха навстречу разбрызгиваемой воде из разбрызгивающего устройства 11. Воздух после разбрызгивающего устройства выходит в атмосферу. Для привода

переключателя 8 установлен пневмоцилиндр 13 с поршнем 14. Переключатель 8 внутренним трубопроводом 15 соединен с резервуаром 1. Выходной патрубок внутреннего трубопровода 15 в резервуаре 1 направлен в верхнюю часть резервуара, а сам трубопровод 15 расположен в утепленном проеме рядом с водозаборным трубопроводом 5.

Установка для охлаждения молока работает следующим образом. С наступлением осенне-зимнего периода, когда температура воздуха становится близкой к нулю, резервуар 1 заполняют водой, которая через стенки резервуара под влиянием температуры окружающего воздуха охлаждается. Включают насос 6, и холодная вода из резервуара 1 через фильтр 4 и водозаборный трубопровод 5 прокачивается насосом 6 через охладитель 7. При этом молоко охлаждается. Подогретая вода по обратному трубопроводу 10 подается на разбрызгивающее устройство 11, охлаждается в воздушно-водяном теплообменнике 2 и попадает через пластинчатое устройство 3 на поверхность воды резервуара 1. Из резервуара 1 вода забирается насосом 6, и цикл повторяется.

Недостатком этой установки является ограниченный интервал эксплуатации, так при критичном для воды понижении температуры окружающей среды (морозе) эксплуатация устройства недопустима и расположение вентилятора на входе холодного воздуха.

В статье [12] представлена энергосберегающая комбинированная система охлаждения молока с использованием природного холода и водоледяного аккумулятора (Рисунок 1.2.).

Контур I - Шф1\ т«шм ццояогщ? а АИ шшуоии 1к.ц

/~\9

■ т ■

12

Контур - -иирк\ 11ШИ »оды

Д1ЯОХ ТЛЖ^ГНКЯ

молоы

Рисунок 1.2. Энергосберегающая комбинированная система охлаждения молока с использованием природного холода и водоледяного аккумулятора

Система охлаждения работает следующим образом. Хладоноситель, проходя через наружный теплообменник 15, охлаждается за счет обдува его холодным наружным воздухом, при помощи электровентилятора 14. Затем охлажденная среда по трубкам поступает в льдоаккумулятор 11, где происходит теплообмен с водой и намораживание льда на стенках испарителя 12. Далее при помощи насоса 13 хладоноситель попадает обратно в теплообменник 15 и цикл по контуру «1» повторяется. Установка оснащена датчиками температуры (1-6), весами для измерения массы льда 9, счетчиком для измерения расхода хладоносителя 7 и ваттметром 8. Намораживание льда происходит с использованием потенциала отрицательных температур окружающей среды.

Недостатком данного устройства является возможность применения его от минус 12 °С и ниже.

В статье [13] описывается устройство сезонного аккумулятора холода, принцип работы которого основан на использовании, в теплое время года, холодоаккумуляционной массы льда, накопленной в зимний период. Содержание разработки заключается в производстве искусственного снега (льда) в зимний период за счет замораживания капель воды малого размера (менее 50 мкм) в среде

холодного воздуха (с температурой ниже минус 7 °С). Полученная хладоемкая масса льда накапливается в специально оборудованном теплоизолированном хранилище, размеры которого определяются в зависимости от необходмой годовой нагрузки с учетом неизбежных потерь льда по причине его расстаивания в хранилище. Для доставки холода к потребителю внутри теплоизолированного хранилища располагается теплообменный аппарат, в котором циркулирует хладоноситель (вода или антифриз).

Недостатками данного устройства является возможность применения его от минус 10 °С и ниже, нарастание слоя льда на стенках рабочего канала.

В статье [14] описана конструкция (Рисунок 1.3.) аккумулятора естественного холода А - 15, который разработан на кафедре «Механизация животноводства» Мордовского государственного университета.

Г—Г

»

20

16

—Х-Г

д

■ ! ;

-*-<Х]-А

21

*—/

«

13

~г

♦ - ♦

зГ 7

г? в

Вода

» Молоко о Воздух

У

Вода

12 11 Ю /1ед

Рисунок 1.3. Аккумулятор естественного холода А - 15

Аккумулятор А-15 имеет стальную горизонтальную емкость 1, которая размещена вне помещения молочного блока на открытом воздухе, соединенную трубопроводами с центробежными водяными насосами 2, 3 и с двухсекционным пластинчатым охладителем молока 4. В ней сделана вторая горловина, в которой закреплена градирня 5 с осевым вентилятором 6, центробежной форсункой 7 и

оросительной насадкой 8. Емкость соединена с насосами и водозаборной трубой 13, герметично приваренной к краям отверстия дна, заглубленного вовнутрь емкости стакана 10. Труба защищена кожухом 11 с термоизоляцией 12 и снабжена сетчатым фильтром 21. На трубопроводах установлены манометры 14, 15 и вентили 16-19. На торцевой стенке емкости вырезано отверстие 9. Аккумулятор снабжен бачком 20 с поплавковым клапаном для поддержания заданного уровня воды, соединенным с водопроводной сетью.

Перед пуском в работу емкость 1 заполняют водопроводной водой до нижнего края отверстия 9. При минусовых температурах наружного воздуха в емкости аккумулируется естественный холод в виде ледяной воды. В зависимости от температуры наружного воздуха аккумулирование холода в период до очередного доения коров осуществляют активным или пассивным способами. При температуре воздуха минус 5°С и ниже все электропотребители выключают и накопление холода ведут пассивным способом через нетеплоизолированные стенки емкости. На поверхности воды и на стенках, контактирующих с водой, намораживается лед. С целью предотвращения образования ледяной пробки в водозаборной трубе 13 предусмотрено воздушное пространство вокруг этой трубы, образованное стаканом 10 и кожухом 11. Для конвективного теплообмена кольцевое пространство сообщено с помещением молочного блока. Перед очередным доением коров включают вентилятор 6, а затем насос 2, открывают вентили 18,19, а вентиль 16 закрывают (вентиль 17 открыт постоянно). Насосом 2 вода подается по замкнутому контуру: емкость 1 - насос 2 - параллельным потоком обе секции охладителя 4 - форсунка 7 - оросительная насадка 8 — емкость 1. Одновременно парное молоко насосом подается в охладитель 4, откуда в охлажденном до 4...6 °С виде поступает в емкость для временного хранения или в молоковоз для отправки на молочный комбинат. Температура воды на входе в охладитель молока обычно составляет 0,5-2,0 °С, а на выходе из него 10-12 °С. При температуре наружного воздуха минус 20°С и ниже охлаждение молока ведут без включения вентилятора 6. В период оттепелей, когда температура наружного воздуха близка к 0 °С, аккумулирование холода в паузе до очередного

доения коров, особенно в ночное время, ведут активным способом: включают в работу вентилятор 6 и малый насос 3, открывают вентиль 16, а вентили 18 и 19 закрывают. При этом вода движется по замкнутому контуру: емкость 1 - насос 3 -форсунка 7 - оросительная насадка 8 - емкость 1. Вода, разбрызганная форсункой, тонкой пленкой стекает вниз по поверхности навитых в спираль плоской и гофрированной лентой оросительной насадки и охлаждается потоком наружного воздуха, нагнетаемого вентилятором в емкость. Воздух, отделившись от капель воды, вытесняется через горловину емкости 1 в дополнительное отверстие 9. Такое прямоточное движение воздуха с водой, в отличие от противотока в вентиляторных градирнях, предотвращает оледенение вентилятора при низках температурах и не требует специального каплеотделителя. Перед охлаждением молока насос 3 выключают, вентиль 16 закрывают, вентили 18 и 19 открывают, предварительно включив главный насос 2. Далее происходит процесс охлаждения молока по описанной выше технологии.

Известна комбинированная установка (Рисунок 1.4.) для охлаждения молока естественным холодом [16].

Рисунок 1.4. Комбинированная установка для охлаждения молока естественным

холодом

Комбинированная установка для охлаждения молока с использованием естественного холода включает аккумулятор холода, выполненный в виде двух резервуаров: нетеплоизолированного резервуара 1, расположенного на открытом воздухе и находящегося с ним в тепловом контакте, и теплоизолированного резервуара 2, расположенного в производственном помещении, соединенных между собой трубопроводом 3 с установленным на нем вентилем 4, проходящим внутри теплоизолирующего блока 5, причем на боковых стенках нетеплоизолированного резервуара 1 установлены вертикальные ребра 6, в верхней части которых установлен сужающийся кверху кожух 7, образующий воздушные каналы с боковыми стенками нетеплоизолированного резервуара 1 и вертикальными ребрами 6, в верхней части которого установлен вентилятор 8 под защитным экраном 9, а в теплоизолированном резервуаре расположен испаритель 10, соединенный с компрессорно-конденсаторным агрегатом 11, причем в центральной части нетеплоизолированного резервуара 1 укреплен горизонтальный разделительный экран 12, над которым размещен патрубок 13 с отверстиями в верхней стенке и закрытым торцевым отверстием, соединенный другим торцевым отверстием с трубопроводом 14, проходящим через теплоизолирующий блок 5 и трехходовые краны 15, 16, 17, с теплоизолированным резервуаром 2, входом и выходом теплообменника 18 и через насосный агрегат 19 с нижней частью теплоизолированного резервуара 2, в верхней части которого установлен поплавковый клапан 20, соединенный с системой водоснабжения, а центральная часть нетеплоизолированного резервуара 1, расположенная под горизонтальным разделительным экраном 12, соединена с трубопроводом 3, проходящим через теплоизолирующий блок 5, вентиль 4 и далее с нижней частью теплоизолированного резервуара 2, расположенного в производственном помещении, причем на днище нетеплоизолированного резервуара 1 вертикально установлены открытые с торцов трубы 21 из теплопроводящего материала, соединяющие пространство над верхней частью нетеплоизолированного резервуара 1 с пространством под его днищем, причем в теплоизолирующем блоке 5 установлен нагревательный элемент 22, а на участке

трубопровода 3, соединяющего теплоизолированный 2 и нетеплоизолированный 1 резервуары через теплоизолирующий блок 5, в производственном помещении установлен предохранительный клапан 23, а датчики температуры хладоносителя 24, 25 и атмосферного воздуха 26, насосный агрегат 19, компрессорно-конденсаторный агрегат 11 и нагревательный элемент 22 электрически соединены с блоком управления 27.

Комбинированная установка для охлаждения молока с использованием естественного холода работает следующим образом. Молоко охлаждается в теплообменнике 18, куда насосным агрегатом 19 из теплоизолированного резервуара 2 подается охлажденный хладоноситель (вода). В холодное время года хладоноситель охлаждается в нетеплоизолированном резервуаре 1, на охлаждаемые поверхности которого из кожуха 7 подается вентилятором 8 холодный атмосферный воздух, который проходит над горизонтальной поверхностью хладоносителя (воды) и затем попадает в воздушные каналы, образуемые внутренней поверхностью кожуха 7, наружной поверхностью стенок нетеплоизолированного резервуара 1, вертикальными ребрами 6, трубами 21. Холодный воздух охлаждает также днище нетеплоизолированного резервуара 1. На охлаждаемых поверхностях хладоносителя, находящегося в этом резервуаре, при отрицательных температурах наружного воздуха формируется лед. При особо низких температурах теплоизолирующий блок 5 обогревается нагревательным элементом 22. Уровень хладоносителя в обоих резервуарах регулируется поплавковым клапаном 20. С блока управления 27 по сигналу датчика температуры наружного воздуха 26 включается насосный агрегат 19 и хладоноситель через трехходовой кран 17 и теплообменник 18, через трехходовые краны 16 и 15 подается в трубопровод 14, затем - в нетеплоизолированный резервуар 1, патрубок 13 и через отверстия в верхней стенке этого патрубка 13 поступает к охлаждаемым поверхностям нетеплоизолированного резервуара 1. Охлажденный хладоноситель концентрируется в нижней части теплоизолированного резервуара 1 под разделительным экраном 12 и через трубопровод 3, проходящий через теплоизолирующий блок 5 и открытый вентиль

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Серенов, Иван Иванович, 2016 год

Список используемой литературы

1. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: федеральный закон от 23.11.2009 (ред. от 03.07.2016) № 261 ФЗ // Собрание законодательства РФ. 2009. №48. Ст. 5711.

2. Попель О.С., Туманов B.J1. Возобновляемые источники энергии: состояние и перспективы использования // Альтернативная энергетика и экология. 2007. № 2. С. 135-148.

3. Зверев С.С. Холодильник-аккумулятор естественного холода в условиях Якутии // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2008. № 10. С. 103 -108.

4. Ильясов B.C., Полушкин В.И., Васильева JI.H. Холодильная технология продуктов в мясной и молочной промышленности. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. 316 с.

5. Курылев Е.С., Оносовский В.В, Румянцев Ю.Д. Холодильные установки. СПб.: Политехника, 1999. 576 с.

6. Ермолаев А.Е. Получение водного льда методом послойного намораживания в условиях вакуумирования: автореф. дис. ...канд. тех. наук. Москва, 2008. 95 с.

7. Аникин Г.В., Поденко JI.C., Феклистов В.Н. Тепломассо-перенос в вертикальном парожидкостном термосифоне // Криосфера Земли. 2008. Т. 8, № 3. С. 54-58.

8. Коровин Г.С. Разработка и обоснование водооборотного льдоаккумулятора для молочно-товарных ферм: дисс. ...канд. техн. наук. Оренбург, 2015. 168 с.

9. Кобулашвили Ш.Н. Холодильная техника // Энциклопедический справочник, в 3-х т. М.: Госторгиздат, I960. 506 с.

10. Холодильная техника и технологии / С.А. Большаков [и др.] М.: Инфра-М. 2000. 285 с.

11. Установка для охлаждения молока естественным холодом: патент РФ № 2243652 / Антроповский Н.М., Скоркин В.К., Морозов Н.М. заявл. 17.03.2003; опубл. 10.01.2005. Бюлл. №1.

12. Мультан A.A. Энергосберегающая комбинированная система охлаждения молока с использованием природного холода и водоледяного аккумулятора // Ползуновский вестник. 2011. №2. С. 204-208.

13. Зейгарник Ю.А., Попель О.С., Низовский B.JL Сезонное аккумулирование природного холода // Ползуновский вестник. 2012. №4. С. 190-195.

14. Босин И.Н. Аккумулятор естественного холода // Сельский механизатор. 1997. №4. С. 32-34.

15. Шамаров М.В. Моделирование аккумулятора холода на базе тепловых труб // Известия вузов. Пищевые технологии. 2010. №1. С. 80-81.

16. Комбинированная установка для охлаждения молока естественным холодом: патент РФ 2390124 С1 / Марьяхин Ф.Г., Учеваткин А.И., Коршунов Б.П. и др. заявл. 05.02.2009; опубл. 27.05.2010. Бюлл. №15.

17. Дубоделов Ю.А. Энергосберегающие системы для промышленных холодильных установок и установок для кондиционирования воздуха с аккумуляцией холода // Вестник автоматизации. 2010. № 3. С. 10-12.

18. Карташов Э.М., Кротов Г.Г. Аналитическое решение однофазной задачи Стефана / Э.М. //Математическое моделирование. 2008. Т. 20, №3. С. 77-86.

19. Морачевский В.Г., Воробьев Б.И. Движение границы зоны рассеяния облака при активном воздействии //Труды ЛГМИ. 1974. Вып. 50. С. 31-38.

20. Мучник В.М., Шмуклер А.Х. О таянии градин при падении // Труды Укр. НИГМИ. 1954. Вып. 1. С. 48-72.

21. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высш. школа, 1967. 600 с.

22. Качурин, Л.Г., Морачевский В.Г. Кинетика фазовых переходов воды в атмосфере. Д.: Изд-во ЛГУ, 1965. 184 с.

23. Чижов Г.В. Вопросы теории замораживания пищевых продуктов. М.: Пищепромиздат, 1956. 252 с.

24. Жекамухов M.K. Некоторые проблемы формирования структуры градирен. М.: Гидрометеоиздат, 1982. 171 с.

25. Мейсон Б.Д. Физика облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1961. 543 с.

26. Исаев А.П. Распад дождевальных струй // Материалы научно-технич. совета. 1966. Вып.21. С.66-77.

27. Стоянов С.Т. Время полного замерзания капли воды // Гидрология и метеорология. 1973. №22. С. 11-15.

28. Педросо Р.И., Домото Г.А. Решение методом возмущений задачи о затвердении жидкости в сферической области при температуре фазового перехода //Теплопередача. 1973. № 1. С. 44-49.

29. Синирадж Д.А., Боуз С.Л. Одномерная тепловая задача при наличии фазовых превращений и радиационного и конвективного теплообмена среды с окружающим пространством // Теплопередача. 1982. № 4. С. 208-210.

30. Волынец А.З., Гаврилова Е.В, Постников В.М. Исследование процесса непрерывного монодисперсного гранулообразования под вакуумом // Холодильная техника. 1977. № 9. С. 30-33.

31. Сморыгин, Г.И. Теория и методы получения искусственного льда. Новосибирск: Наука, 1988. 197 с.

32. Сосновский A.B. Льдообразование в факеле искуственного дождя как метод использования водных и климатических ресурсов: дисс. ...канд. геогр. наук. Москва, 1983. 169 с.

33. Генералов М.Б. Криохимическая нанотехнология: Учеб. Пособие для вузов. М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. 325 с.

34. Лобанов И.Е. Точное аналитическое решение квазистационарной задачи о намораживании на сферической поверхности (квазистационарная задача Стефана) // Альманах современной науки и образования. 2011. № 12. С. 50-53.

35. Сморыгин Г.И. Теоретические основы получения льда рыхлой структуры. Новосибирск: Наука, 1984. 191 с.

36. Сусликов Д.В. Получение мелкодисперсных частиц водного льда методом диспергирования в условиях вакуумирования: автореф. дис. ...канд. техн. наук: Москва, 2008.120 с.

37. Устройство для криогенного гранулирования растворов и суспензий: патент РФ 2421272 / Генералов М.Б., Трутнев Н.С., Онопко К.Д. заявл. 17.05.2010; опубл. 20.06.2011.Бюлл. №17.

38. Поденко JI.C., Молокитина Н.С., Шаламов В.А. Новый класс дисперсий воды, устойчивых к замерзанию-оттаиванию // Криосфера Земли. 2011. Том 25, № 4. С. 58-60.

39. Грибова H.A. Товароведная оценка качества замороженных ягод с использованием технологии осмотического обезвоживания: дисс. ...канд. тех. наук. Москва. 2012. 188 с.

40. Лобанов И.Е., Бабакин Б.С., Айтикеев Р.Б. Математическая модель процесса намораживания льда на сферической поверхности применительно для аккумуляторов холода // Вестник международной академии холода. 2013. №4. С. 12-15.

41. Дудетский B.C., Сидоров И.К. К вопросу о структуре капель воды, замораживаемых в различных условиях // Русск. физ.-хим. с-ва, часть физическая. 1911. Т. 43, №6. С. 340-343.

42. Вейнберг Б.П. Лед. М-Л.: изд-во технико-теорет. лит-ры, 1940. 524 с.

43. Сосновский A.B. К теории факельного намораживания // Гляциологические исследования. - 1982. - №44. - С. 73 - 79.

44. Сосновский A.B. Закономерности формирования и использования искусственных фирново-ледяных массивов: дисс. ...доктора геогр. наук. Москва. 2010. 301 с.

45. Балкарова С.Б. Экспериментальное моделирование процессов тепломассобмена при испарении, кристализации капельных зародышей града: дисс. ...кандидата физ.-мат. наук. Нальчик. 2004. 126 с.

46. Хилькевич, С.С. Физика вокруг нас. М.: Наука, 1985. 247 с.

47. Афанасьев В.П., Смирнов В.Н. Методика расчета полномасштабной прочности льда // Актуальные проблемы современной науки. 2010. №6. С. 244 -247.

48. Маринюк Б.Т. Расчет теплообмена в аппаратах и системах низкотемпературной техники. М.: Машиностроение, 2015. 272 с.

49. Попов С.Н., Старостин Н.П. Интенсификация нарастания толщины ледяного покрова на реках для создания ледяных переправ // Наука и образование, 2008. № 1. С. 18-23.

50. Маринюк Б.Т. Теплообменные аппараты ТНТ. М.: Энергоатомиздат, 2009. 200 с.

51. Серенов И.И., Спритнюк С.В., Маринюк Б.Т. Теоретические и технические особенности процесса замораживания капельной влаги // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2014. №4. С. 16-17.

52. Пажи Д.Г. Основы техники распыления жидкостей. М.: Химия, 1984. 256 с.

53. Термометры сопротивления ДТС. Паспорт КУФК.405210.003 ПС. Богородицк. 2013.4 с.

54. ОВЕН УКТ38 Устройство для измерения и контроля температуры. Руководство по эксплуатации. Богородицк. 2008. 76 с.

55. Измеритель-регулятор 8-ми канальный ОВЕН УКТ38-Щ4. Паспорт КУФК 421214.002 ПС. Богородицк. 2013. 6 с.

56. Гигрометр психрометрический типа ВИТ - 2. Руководство по эксплуатации Мб 2.844.000РЭ. Москва. 2013. 8 с.

57. Гигрометр психрометрический ВИТ - 2. Паспорт Мб 2.844.000РЭ. Москва. 2013.4 с.

58. Цифровой анемометр X - Line AeroTemp. Руководство по эксплуатации. Москва. 2014. 7 с.

59. Цифровой штангенциркуль типа ПШЩ 605-01. Руководство по эксплуатации. Москва. 2012. 8 с.

60. Весы электронные АСОМ JW — 1. Руководство по эксплуатации. Москва. 2010. 17 с.

61. Осокин В.В., Бендик В.А., Сытдыков Т.Р. Подбор вентилятора с заданными параметрами // Интелектуальные системы. Теория и приложения. 2015. № 3. С. 39-53.

62. Белова Е.М. Центральные системы кондиционирования воздуха в зданиях. М.: Евроклимат, 2006. 640 с.

63. Москалев JI.H., Поникаров С.И., Алексеев В.В. Исследование центробежной форсунки малой производительности // Вестник Казанского технологического универститета. 2012. №18. С. 189 -191.

64. Баловнев Н.П. Расчёт цилиндрических зубчатых передач. Учеб. пособие по дисциплине детали машин и основы конструирования. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2006. 47 с.

65. Дунаев П.Ф. Конструирование узлов и деталей машин. М.: Академия. 2009. 447 с.

66. Riley D.S. The inward solidification of spheres and circular cylinders / Riley D.S., Smith F.T., Poots G. // Int. I. Heat Mass Transfer. 1974. Vol. 17. P. 157-156.

67. Pedroso R. I., Domoto G.A. Inward spherical solidification-solution by the method of strained coordinates // Heat of Mass Transfer. 1973. Vol. 5. P. 137-143.

68. Stow C.D., Woodward M.C. Evaluation of a simple open circuit wind tunnel for large droplet support // Geophys Research. 1974. Vol. 30. P. 460^166.

69. Blanchard D.C. The behavior of water drops at terminal velocity in air // Trans amer geophys union. 1950. Vol. 6. P. 86-92.

70. Cotton W.R., Cokhale N.R. Collision, coalescence and breakup of large water drops in a vertical wind tunnel // Geophys Research. 1967. Vol. 16. P. 441^149.

71. Hoffer Т.Е., Mallen S.C. A vertical wind tunnel for small droplet studies // Applied meteorology. 1968. Vol. 7. P. 290-292.

72. Iribarne I.V. Electrification associated with breakup of drops at terminal velocity in air// The atmospheric sciences. 1970. Vol. 27. P. 527-536.

73. Montgomery D.N., Dawson G.A. Collisional charging of water drops // Geophys Research. 1969. Vol. 74. P. 962-972.

74. Woodward M.C., Stow C.D. The position stability of large water drops suspended in a vertical wird tunnel // Applied meteorology. 1975. Vol. 14. P. 571-577.

75. Производство холодильных установок торговой марки Вактех. URL. http://sinvek.ru/files/vactekh_2010.pdf (дата обращения 05.05.2016).

76. Описание Центрального Федерального округа Росии. URL. https://ш.wikipedia.org/wiki/ЦeнтpaльньIЙ_фeдepaльньIЙ_oкpyг (дата обращения 02.01.2016).

77. Архив погоды в Центральном Федеральном округе России. URL. http://www.meteo-tv.ru/weather/archive/?month=3&year=2016 (дата обращения 09.05.2016).

78. Вентиляторный завод лиссант. Осевой вентилятор ВО 630. URL. http://www.lissant.ru/catalog/osevye-ventilyatory/vo-01/Vl-V0630 (дата обращения 25.06.2016).

79. НПО Агростройсервис. Форсунка тангециальная. URL. http://acs-nnov.ru/forsunka-tangencialnoe.html (дата обращения 08.08.2016).

80. Теплокомфорт. Насос циркуляционный Grundfos SOLAR 25-40 180. URL. http://www.teplo-comfort.ru/nasos_tsirkulyatsionnyiy_grundfos_solar_25-40_180.47316.htm (дата обращения 05.09.2016).

81. Неватом. Осевой вентилятор неватом ВО 500-4Д-01. URL. http://nevatom.ru/catalog/ventilyatory/osevye-ventilyatory/flantsevye/ (дата обращения 15.07.2016).

Форы» .ч «4 tu. им, noooi t

Фелерялымя служб* по интеллектуальной собственности

Фсдсрхпнос государственное бюджетное учреждение

m «Федеральный институт промышленной собственности» л (ФИПС)

«in»»««» tu*.. M ««f. Г-». irn-J. 11.4))

It.w^MWK-iytl jJO-W-l? t.) IM

УВЕДОМЛЕНИЕ О ПОСТУПЛЕНИИ ЗАЯВКИ

18.03.2016 015244 ! 2016109655

I Дата поступления Hxothiiuuû í 1 Vvíí епцюи и отшйЛ г í

I0I7VM

I219 ¿vriагнка/

wir отамт

(i fil KTfA^miwà m

1и<ммкГ>1

О'**

itftt JLU HiftHNi»Ü -и ——•-. Vfmwcpzrrrr m *u » ».

сигд: на t» & wincr»«. stoau

Tt* $ |«3> 2?f»J?.1«

Ajtftc jux cxrrctm* n11in»rкм »

JKHMI • IMU4 Н'ЧЧ FMW^MM«

».Г Л.ГСП1 !)•»»

i\n Н4М4МИС HkKmolU

ХП.ШДОАт'Ш'ЛЯШКЖКЛЯ (ГЛДКРК*

«Htimh»****»»—i—*.i T......

lummi eAr****»*« «МККМЫ utàimMT^mnmm 5*м*гиÎWI (MAMMI»

% A UxtbsmtC***m*br»%M, l£.U(«:aj*, lEfTUÎÏ.pAX**,

сгти

iu:tvjoi*:\n

»OI»C IT 1

SI?

Q имици1

•rnfdmfm Q ■■n*r*4

Ii4iiirtjcti>«£7 utSki ia**ttAfl

I .ЦЧ» «I

. luv.txril

-I i.... m Iinii^r"*"'- !*АДГ«ЛI

Ущк^я w»«»rwrf*<w»e..OHíV*. >я илин Cfwn.mu, it,

tfinlfWNBffMM