Получение водного льда методом послойного намораживания в условиях вакуумирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат технических наук Ермолаев, Андрей Евгеньевич

• Ермолаев, Андрей Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ермолаев, Андрей Евгеньевич

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Обзор проблемы получения и применения водного льда. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Применение водного льда в различных отраслях промышленности.

1.2. Использование водного льда в качестве хладоемкой массы.

1.3. Получение различных видов водного льда.

1.4. Аналитические и экспериментальные исследования процесса замораживания воды в различных условиях и их результаты.

1.5. Альтернативные способы получения искусственного холода.

1.6. Выводы.

Глава 2. Анализ вакуумного замораживания жидкостей в спокойном состоянии.

Глава 3. Опытная установка вакуумного льдогенератора.

3.1. Описание экспериментальной установки и ее элементов.

3.2. Описание работы установки и методика проведения опытов.

3.3. Дополнительное оборудование и приспособления, используемые при проведении экспериментов.

3.4. Расчет эффективной производительности установки.

Глава 4. Экспериментальное исследование режимов работы вакуумной холодильной машины при производстве водного льда методом послойного намораживания.

4.1. Динамика вакуумного замораживания воды.

4.2. Распределение температур по толщине слоя льда при вакуумной ледогенерации.

-34.3. Энергетические показатели установки вакуумного охлаждения воды.

4.4. Обработка опытных данных и оценка погрешностей.

4.4.1. Погрешности измеряемых величин.

4.5. Выводы.

Глава 5. Практическое применение вакуумных льдогенераторов с послойным намораживанием.

5.1. Области применения вакуумных машин малой холодопроизводительности.

5.2. Обоснование применения двухроторных вакуумных насосов в холодильных машинах, использующих воду как холодильный агент.

5.2.1. Аспекты применения средств вакуумной откачки различных типов.

5.2.2. Преимущества двухроторных вакуумных насос-компрессоров.

5.2.3. Эксплуатационные ограничения для двухроторных вакуумных насос-компрессоров.

5.3. Пример расчета вакуумных установок для производства водного льда.

5.4. Сравнение параметров реально действующей фреоновой парокомпрессионной установки для производства водного льда с вакуумной холодильной установкой.

5.5. Использование вакуумных холодильных машин в системах кондиционирования воздуха.

5.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Получение водного льда методом послойного намораживания в условиях вакуумирования»

Охлаждение различных объектов и поддержание их на заданном температурном уровне всегда имело большое значение в жизни человека. Прежде всего, это относится к хранению пищевых продуктов, а значит, напрямую влияет на качество питания и, следовательно, здоровье людей. Наиболее быстро и просто сохранить продукты, применяя водный лед, полученный естественным путем или при помощи специальных холодильных машин.

Традиционные методы получения водного льда предполагают задействование парокомпрессионных холодильных машин, использующих различные виды холодильных агентов от хладонов и аммиака до углеводородов и (Юг- Многие из предложенных в последние годы хладонов, имея нулевое воздействие на озоновый слой земли, в то же время отепляют окружающую среду (11404а, 11410, Я125, Я134а). Весьма редки хладагенты одновременно безопасные и для озонового слоя, и в плане воздействия на глобальное потепление (1132, Ш61), поэтому они весьма дороги.

Развитие холодильной техники в настоящее время находится под влиянием жестких экологических требований. Анализируя наиболее известные, разработанные к настоящему времени в нашей стране и за рубежом синтетические заменители запрещенных к использованию холодильных агентов, можно убедиться, что у каждого из них имеются уязвимые места с позиции выполнения всех экологических, энергетических и эксплуатационных требований, предъявляемых к современным холодильным агентам. Поэтому в перспективе все они могут оказаться объектами разного рода регулирования, которое в конечном итоге сведется к запретам или ограничениям их производства и потребления.

В последние годы возрос интерес к холодильным агентам природного происхождения, к которым относится и вода. Использование воды как холодильного агента в системах охлаждения является перспективным в сельском хозяйстве, на транспорте, в промышленном и гражданском кондиционировании. Вода — экологически чистое вещество, не загрязняющее и не отепляющее окружающую среду. Вода может быть как хладагентом, так и хладоносителем. Это значительно уменьшает стоимость и сложность систем охлаждения. Вода химически стабильна, нетоксична, невоспламенима и не вредит окружающей среде. Однако вода как холодильный агент имеет очень низкий уровень рабочих давлений. В результате система должна пропускать большие объемные потоки водяного пара, имея сравнительно высокие коэффициенты сжатия. По этой причине, машины высокой объемной производительности являются наилучшим выбором. Основной цикл машин, работающих на воде, фактически идентичен парокомпрессионному холодильному циклу с традиционными холодильными агентами, за исключением того, что в связи с доступностью и относительной дешевизной воды как холодильного агента, возможно ее использование в разомкнутом цикле. В силу своих специфических свойств (низкое давление паров при температурах 0—+20 °С), существующий парк холодильных компрессоров не может быть использован, поэтому в качестве средств компремирования выбраны скоростные вакуумные насосы ротативного действия.

В литературе имеются сведения относительно работ по созданию крупных по холодильной мощности установок, работающих на воде. В них применяют центробежные и осевые компрессоры. В нашей стране данной проблемой в разное время занимались к.т.н., доц. Ивановский с учениками. За рубежом наиболее известны работы профессора Йохима Пауэла [39] (Дания) и Дж. Кюхнл-Кинела [38] (Швейцария). Создание вакуумных холодильных машин малой производительности на основе турбомашин динамического действия не представляется возможным, поскольку КПД этих машин резко снижается при уменьшении потока пропускаемого газа. Требуется также организация промежуточного охлаждения водяного пара, что увеличивает стоимость и сложность установки.

Заключение диссертации по теме «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения», Ермолаев, Андрей Евгеньевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Создан стенд-имитатор вакуумного льдогенератора с послойным намораживанием.

Получены основные характеристики вакуумного льдогенератора, работающего в различных режимах.

Выявлена рациональная толщина замораживаемой линзы воды.

Экспериментально подтверждены энергетические и экологические преимущества вакуумного метода получения водного льда методом послойного намораживания по сравнению с существующими льдогенераторными установками, работающими на традиционных холодильных агентах (HFC).

На основе физических представлений о процессе предложено аналитическое описание процесса вакуумной ледогенерации.

Расхождение между полученными экспериментальными данными и аналитическим расчетом невелико и находится в пределах 7 %.

Разработана инженерная методика расчета вакуумных установок-льдогенераторов.

Создана программа для расчета вакуумных установок с использованием ЭВМ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ермолаев, Андрей Евгеньевич, 2008 год

1. Ащеулова, A.C. Адиабатическое замораживание воды холодом гранул льда как задача Стефана : Автореф. дис. . канд. физ.-мат. наук : 02.00.04 : защищена: утв./ A.C. Ащеулова. Кемерово : КемГУ, 2007.

2. Бажинов, С.И. Моделирование тепловых режимов холодоаккумуляторовIи водяных газификаторов, работающих в условиях намораживания водногольда : Автореф. дис. . канд. техн. наук : 05.04.03 : защищена : утв.

3. С.И. Бажинов. -М. : МГУИЭ, 2001.

4. Бобков, В.А. Инструкция по заготовке и хранению естественного льда / В.А. Бобков. М. : Главхладопром Минмясомолпрома СССР, типолит. М-ва мясной и молочной пром-ти СССР, 1947.

5. Бобков, В.А. Производство и применение водного льда / В.А. Бобков. -М. : Госторгиздат, 1961. 167 е., с ил. и карт.

6. Бобков, В.А. Производство и применение льда / В.А. Бобков. М. : Пищевая промышленность, 1977. — 231 е., ил.

7. Босин, И.Н. Охлаждение молока на комплексах и фермах / И.Н. Босин. — М. : Колос, 1993. 46 е., ил.

8. Вентцель, Е.С. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. Учеб. пособие для втузов / Е.С. Вентцель, JI.A. Овчаров. — 2-е изд., стер. — М.: Высш. шк., 2000. — 480 е.: ил.

9. Гайданенко, Е.И. Использование льдов в качестве оснований сооружений / Е.И. Гайданенко.— Новосибирск : «Наука» Сибирское отд., 1978.— 82 с.

10. Гейнце, В. Введение в вакуумную технику / В. Гейнце. — М. : Государственное энергетическое издательство, 1960. — 511 с.

11. Дунаев, Е.С. Лед из морской воды как строительный материал / Е.С. Дунаев // Тр. Дальневост. политех, ин-та, 1957. - Т. 46. - С. 1-26.

12. Крысанов, К.С. Разработка и исследование вакуумно-испарительных холодильных машин с использованием воды как холодильного агента : Автореф. дис. . канд. техн. наук : 05.04.03 : защищена 18.10.2007 : утв. 12.01.2008 / К.С. Крысанов. -М. : МГУИЭ, 2007.

13. Кудряшов, Н.Т. Экспериментальное исследование тонкослойного намораживания льда / Н.Т. Кудряшов // Холодильная техника. 1959. — №3.

14. Лейбензон, Л.С. О динамическом температурном условии образования складчатости на поверхности земного шара и при охлаждении. / Л.С. Лейбензон. — Изд. АН СССР, ОТН, серия геогр. и геофиз., №6, 1939.

15. Маринюк, Б.Т. Вакуумно-испарительные холодильные установки, теплообменники и газификаторы техники низких температур / Б.Т. Маринюк. — М. : Энергоатомиздат, 2003. 208 е., ил.

16. Марков, B.C. Особенности получения ледяной воды с использованием насыпных льдоаккумуляторов / B.C. Марков, А.Г. Лазарев // Холодильная техника. 2003. - №5.

17. Марков, B.C. Нижнекамская станция получения ледяной воды с насыпным льдоаккумулятором / B.C. Марков, А.Г. Лазарев // Холодильная техника. 2003. - №6.

18. Московченко, В.В. Исследование льдогенераторов с послойным намораживанием блоков : Автореф. дис. . канд. техн. наук : 05.194 : защищена-94 : утв. / В.В. Московченко. — Одесса : Одесскийтехнологический институт холодильной промышленности, 1972.

19. Пап, Л. Концентрирование вымораживанием / Л. Пап. — М: Легкая и пищевая промышленность, 1982.— 92с.

20. Пехович, А.И. Основы гидроледотермики / А.И. Пехович. Л. : Энергоатомиздат : Ленингр. отд-ние, 1983.

21. Пио-Ульский, Г. Искусственное производство холода и механическое приготовление льда / Г. Пио-Ульский. Б. м. и г. — 53 с.

22. Пятаков, В.Г. Применение пенистых теплоизоляторов для предохранения дражных полигонов от промерзания / В.Г. Пятаков, Б.В. Левинский, Ю.М. Ведяев, В.Ф. Сафонов. М. : Цветметинформация, 1979. - 45 с.

23. Ржевская, В.Б. Исследования намораживания тонких слоев льда в аппаратах непрерывного действия / В.Б. Ржевская, Л.А. Степанова, Н.В. Фомин // Холодильная техника. 1973. - №5.

24. Ржевская, В.Б. О теплообмене в льдогенераторах непрерывного действия / В.Б. Ржевская, Л.А. Степанова, Н.В. Фомин // Холодильная техника.- 1978.-№7.

25. Савельев, Б.А. Искусственные ледяные платформы / Б.А. Савельев, Д.А. Латалин. М. : ВИНИТИ, 1986. - том 7.

26. Свердлов, Г.З. Курсовое и дипломное проектирование холодильных установок и систем кондиционирования воздуха. / Г.З. Свердлов, Б.К. Явнель.2.е изд., перераб. и доп. — М.: Пищевая пром-сть, 1978. — В пер.: 90 к. — с. 232.

27. Сморыгин, Г.И. Теоретические основы получения льда рыхлой структуры / Г.И. Сморыгин. Новосибирск : Наука, 1984. - 157 с.

28. Сморыгин, Г.И. Теория и методы получения искусственного льда / Г.И. Сморыгин. Новосибирск : Наука. Сиб. отд-ние, 1988. - 282 с.

29. Собельман, И.И. Озонный слой над Москвой / И.И. Собельман, С.В. Соломонов // «Экология и жизнь». 1997. - Гл. 1. - С. 2-3.

30. Теплообмен и образование шуги / ЛенморНИИпроект. №1789. - 22 е., ил. // Пер. докл. Carstens Т. на конф. Ice Symposium. — Reykjavik, 1970.

31. Фролов, Е.С. Вакуумная техника / Е.С. Фролов, В.Е. Минайчев, А.Т. Александрова. — М. : Машиностроение, 1985. — 350 с.

32. Хоссейн, Абу Салех Мохаммед. Совершенствование льдогенераторов малой производительности : Автореф. дис. . канд. техн. наук : 05.04.03 / Абу Салех Мохаммед Хоссейн. Одесса : Одесский институт низкотемпературной техники и энергетики, 1989.

33. Шаталина, И.Н. Теплообмен в процессах намораживания и таяния льда /И.Н. Шаталина. Л. : Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 120 е., ил.

34. Шелоков, В.К. Замерзание тонких слоев воды при намораживании льда / В.К. Щелоков // Материалы к учению о мерзлых зонах земной коры. — М. : Изд-во АН СССР, 1963. Вып. 9. - С. 89-104.

35. Chen, J. Heat and mass transfer in making artificial snow / J. Chen, V. Kevorkian // Ind. Eng. Chem. Process. Des. Develop. — 1971. — V.10, N1.

36. Kuhnl-Kinel, J. New age water chillers with water as refrigerant. — CERN, Geneva, Switzerland.

37. Paul, J. State-of-the-art for cooling with "water as Refrigerant" (R718) / J. Paul // 22nd international congress of refrigeration, Refrigeration creates the future. August 21—26, 2007, Beijing. — Beijing, 2007. — P.R. China. ICR07-B2-856.

38. Tsang, Gee. Образование и свойства шуги / Gee Tsang.; ВЦП № И-35938. - 23 е., ил. - VTT Symposium, 1983.