Создание генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Егорова Анна Игоревна

• Егорова Анна Игоревна
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Егорова Анна Игоревна

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ РАБОТЫ

1.1 Однофазные вторичные хладоносители в системах холодоснабжения

1.2 Промышленные способы производства шугообразного льда

1.2.1 Области применения шугообразного льда

1.2.2 Производство шугообразного льда

1.3 Научные представления о перспективных способах генерации льда

1.4 Проблемы развития систем холодоснабжения на шугообразном льде

1.5 Выводы к Главе 1. Постановка задач исследования

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА РЕЖИМА РАБОТЫ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ГЕНЕРАТОРА ШУГООБРАЗНОГО ЛЬДА.

ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА

2.1 Описание принципа работы генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением

2.2 Методика расчета режима работы и производительности генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением

2.3 Сравнение результатов информационного подхода и метода энтальпийной пористости

2.4 Выводы к Главе

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА

ШУГООБРАЗНОГО ЛЬДА С ИНДУКЦИОННЫМ ЛЬДОУДАЛЕНИЕМ

Стр.

3.1 Описание схемы экспериментального стенда

3.2 Методика проведения эксперимента

3.3 Расчет погрешностей эксперимента

3.4 Исследованные режимы и полученные результаты

3.5 Валидация. Сравнение результатов модели и эксперимента

3.6 Вывод уравнения для расчета доли жидкости в генераторе шугообразного льда с индукционным льдоудалением

3.7 Выводы к Главе

ГЛАВА 4. АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ГЕНЕРАТОРОВ ШУГООБРАЗНОГО ЛЬДА. РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ

4.1 Особенности расчета производительности генератора через долю жидкости

4.2 Методика расчета генераторов шугообразного льда и её применимость

4.3 Рекомендации для расчета и проектирования генераторов шугообразного льда с индукционным льдоудалением

4.4 Выводы к Главе

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Аббревиатуры

КПД - коэффициент полезного действия ОКЭП - общий коэффициент эквивалентного потепления ПКХМ - парокомпрессионная холодильная машина ПО - предварительное охлаждение

CFD - вычислительная гидродинамика (англ. computional fluid dynamics)

Условные обозначения

а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К)

в - фактор намораживания / жидкая фракция

Y - приведенная погрешность, %

S - относительная погрешность

е - константа

П - координата фронта фазового превращения, м /

коэффициент динамической вязкости, кг-с/м2

О - угол смачивания, град

Я - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК)

р - динамическая вязкость, Па с

- толщина слоя льда, мм

- абсолютная погрешность р - плотность, кг/м3

т - время, с

Т - тензор напряжений

и - скорость, м/с

A - константа

а - константа

Ь - константа

С - удельная теплоемкость, Дж/(кгК)

- доля жидкости, %

й - диаметр, м

Е - энергия, Дж

Г - площадь поверхности, м2

/ - частота, Гц

/о, / - узловые значения функции на одном из интервалов

/СО - функция

0 - массовый расход, кг/с

§ - ускорение свободного падения, м/с2

Н, И - энтальпия, Дж, Дж/кг

j - поток частиц

к - коэффициент теплопередачи, Вт/К-м2

Ь - теплота фазового перехода, Дж/кг

Ь(х) - функция, определенная методом линейной интерполяции

1 - длина, м ш - масса, кг

п - порядковое число

Р - давление, бар

Q - количество теплоты, Дж

г - цилиндрическая координата, радиус, м

Яе - число Рейнольдса

^ - стороны плоскости, м

SИ - объемный источник тепла

Т - температура, К, °С

АТ - разность температур

V - объем, м3

x0, X1

Y

глубина прогрева, мм

узловые точки функции на одном из интервалов массовая доля

Индексы

liquidus - плавление

mush - мягкая зона

ref - базовый

solidus - окончательная кристаллизация

Внешн - внешний

Внутр - внутренний

&х - вход

жидк - жидкость

изб - избыточный

Инд - индуктор

Кипения - кипение

комп - компенсация

Кр - кристаллизация

Льда - лед

м - металлическая стенка

Мтр - межтрубный

нап - напор

нар - наружный

Ост - остаток

Пл-я - плавление

Пов ТОА - поверхность ТОА

пол - полезный

полн - полный

Р-ра - раствор

Ср - средний

ст - стенка

Т - термическое сопротивление

Тр - труба

ун - универсальный

ХН - хладоноситель

экв - эквивалентный

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением»

ВВЕДЕНИЕ

Роль вторичных хладоносителей в промышленном и коммерческом охлаждении растет в связи с увеличением выбросов гидрофторуглеродов в атмосферу в системах непосредственного кипения хладагента. В то же время энергопотребление систем с вторичными хладоносителями повышается от 10 до 20%, что влечет за собой увеличение выбросов углекислого газа от производства электроэнергии [1].

Согласно Стратегии социально-экономического развития РФ с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 г. (распоряжение Правительства РФ от 29 октября 2021 г. № 3052-р) в число мероприятий по её реализации входит повышение эффективности систем теплохолодоснабжения.

По состоянию на март 2023 года энергопотребление холодильного оборудования и систем кондиционирования воздуха составило до 20 % всей произведенной в мире электроэнергии, что соответствовало примерно 8 % мировых выбросов парниковых газов.

Потенциально возможно снизить возросшее энергопотребление систем с вторичными хладоносителями в суточном эквиваленте до 5% относительно системы непосредственного кипения хладагента, если вместо жидкостей в режиме аккумуляции холода использовать двухфазный хладоноситель [2]. Результат достигается за счет периодической работы холодильной машины вне времени пиковых нагрузок, например, ночью. В итоге суточное энергопотребление, а также стоимость электроэнергии за счет ночного тарифа снижается, однако капитальные затраты на оборудование для производства двухфазного хладоносителя выше.

Распространенный вид двухфазного хладоносителя - шугообразный лёд (жидкий лёд, ледяная шуга, айс сларри). Это - микроскопические частицы льда размером около 500 мкм в водном растворе, включающем соли, гликоли, спирты. При концентрации кристаллов льда в объеме жидкости до 30% шугообразный лёд обладает свойствами ньютоновской жидкости и может быть перекачан по системе

трубопроводов насосами. Дополнительная энергетическая ёмкость за счет теплоты фазового перехода обеспечивает высокую интенсивность теплоотдачи, создает стабильный температурный режим хладоснабжения [3]. Таким образом, снижаются количество хладоносителя в системе и затраты на его перекачивание, уменьшаются диаметры трубопроводов и размеры теплообменников.

Обширный перечень сфер применения шугообразного льда как в качестве хладоносителя для промышленного холодоснабжения, систем вентиляции и кондиционирования, так и среды непосредственного охлаждения в разных отраслях экономики от пищевой промышленности до медицинского применения на тканях человека дал развитие темам, связанным с двухфазными хладоносителями ещё в конце 20-го века. Самый распространенный аппарат для производства шугообразного льда - скребковый генератор, в котором на цилиндрической стенке теплообменного аппарата, охлаждаемой кипящим хладагентом, намерзает лёд [4]. С поверхности стенки лёд удаляется вращающимся вокруг своей оси скребком. Эта технология, как и другие способы производства ледяной шуги (вакуумные генераторы, генераторы-переохладители), имеют недостатки, что стало одной из причин низкой распространенности двухфазных хладоносителей в промышленности [5-8]. Повысить привлекательность ледяной шуги можно, во-первых, уменьшением энергопотребления систем холодоснабжения на таком двухфазном хладоносителе (за счет снижения разности температур кипения хладагента и кристаллизации раствора), во-вторых, применением более дешевого оборудования для его производства.

Внедрение в контур холодоснабжения генератора ледяной шуги, обладающего вышеперечисленными преимуществами, позволит снизить эксплуатационные затраты систем с малой заправкой хладагента и разветвленными потребителями холода, составить конкуренцию системам с однофазными вторичными хладоносителями и существующим методам генерации льда.

Рабочая гипотеза:

Согласно теории индукционного нагрева, воздействие переменного магнитного поля индуцирует в металлической поверхности проводника вихревые

токи, которые вызывают её нагрев [9]. Таким образом, ожидается, что на теплообменной поверхности со слоем льда в результате воздействия переменного магнитного поля будет образовываться расплавленный контактный слой. Если теплообменная поверхность будет находиться в потоке жидкости, то лёд над контактным слоем может быть унесен потоком. За счет малого теплопритока при воздействии переменного магнитного поля с кратковременным интервалом и непрерывного охлаждения теплообменной поверхности на ней можно добиться стабильной кристаллизации.

Ожидаемое производство льда в непрерывном режиме, отказ от механического привода для отделения слоя льда, использование тонкостенной теплообменной поверхности дают основания выдвинуть гипотезу о том, что генератор шугообразного льда, работающий по указанному принципу, может генерировать лёд с меньшей разницей температур кипения хладагента и кристаллизации, чем это необходимо скребковым генераторам, с типичными для шугообразного льда размерами кристаллов.

Степень разработанности темы:

Среди ученых, плодотворно работавших в указанном направлении и на публикации которых автор опирался при решении задач диссертации, следует назвать Алексея Александровича Круглова (ИТМО, г. Санкт-Петербург), который работает над вакуумно-испарительными методами производства ледяной шуги, Бориса Тимофеевича Маринюка (МИХМ, г. Москва), который занимался вопросами теплообмена и математического моделирования процессов кристаллизации, Михаэля Кауффельда (Германия), который несколько десятилетий занимается изучением как свойств шугообразного льда, так и энергоэффективными способами его генерации [3, 5, 6, 10 - 12]. Он же продемонстрировал применение эффекта электромагнитной индукции для льдоудаления и её потенциал с точки зрения энергетической эффективности [13]. Разработка носила демонстрационный характер и не являлась генератором ледяной шуги непрерывного действия. Разрабатываемый в данной работе генератор с индукционным льдоудалением представляет собой аппарат непрерывного

действия, который может рассматриваться как полноценный аналог скребкового генератора.

Объект исследования - генератор шугообразного льда с индукционным льдоудалением.

Предмет исследования - развитие энергосберегающих технологий при производстве двухфазного хладоносителя холодильной машины.

Цели и задачи работы:

Целью данного исследования является разработка методики расчета и лабораторного образца генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением для повышения энергетической эффективности производства двухфазного хладоносителя.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. разработка способа производства ледяной шуги и конструкции генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением, основанных на рабочей гипотезе;

2. разработка методики расчета режима работы и производительности генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением;

3. изготовление экспериментального стенда и лабораторного образца генератора для исследования теплообмена, кристаллизации и режимов работы лабораторного генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением;

4. экспериментальные исследования процессов теплообмена и кристаллизации, обработка результатов, оценка эффективности и качества процесса льдогенерации;

5. валидация результатами эксперимента математической модели, на которой основана методика расчета режима работы и производительности;

6. апробация методики расчета режима работы и производительности генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением;

7. выработка практических рекомендаций по выбору размеров и режимам работы генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением.

Научная новизна:

1. Впервые разработана методика расчета режима работы и производительности генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением.

2. Предложены и валидированы результатами эксперимента поправочные коэффициенты в уравнении расчета доли жидкости в объеме межтрубного пространства при расходе раствора для производства шугообразного льда от 0 до 11,5 л/мин.

3. Получены и аналитически обоснованы экспериментальные зависимости производительности генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением в диапазоне от 14,7 кг/ч до 18,3 кг/ч по льду и интенсивности кристаллизации для 5% водного раствора пропиленгликоля в зависимости от расхода раствора.

Практическая значимость:

1. Разработан и экспериментально исследован лабораторный образец генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением в диапазоне расходов раствора для производства шугообразного льда от 9,16 л/мин до 11,45 л/мин.

2. Экономия электроэнергии на примере системы холодопроизводительностью 100 кВт в режиме аккумуляции холода составляет 11739 кВт-ч в год относительно аналогичной системы со скребковым генератором и соответствует снижению энергопотребления на 8 %. При сравнении с системой непосредственного кипения хладагента экономия составит 14367 кВт-ч или снижение энергопотребления на 9 %.

3. Разработаны рекомендации по проектированию и выбору режимов работы генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением для достижения высокой производительности.

4. Результаты работы внедрены в деятельность ООО «СоюзХолод».

5. Результаты работы используются в рамках дисциплины «Теоретические основы холодильной техники» кафедры «Холодильная,

криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н.Э. Баумана

Методология и методы исследования:

1. Математическое моделирование нестационарного теплообмена.

2. Экспериментальное исследование теплообмена.

3. Экспериментальная валидация результатов численного моделирования теплообмена.

Положения, выносимые на защиту:

1. Способ производства шугообразного льда в теплообменном аппарате типа «труба в трубе» с индукционным льдоудалением.

2. Результаты аналитических и экспериментальных исследований режимов работы лабораторного генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением и его производительности по льду.

3. Методика расчета режима работы и производительности генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением на основе нелинейного дифференциального уравнения теплопроводности Фурье.

4. Рекомендации по выбору размеров и режимам работы генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением и предложения по совершенствованию конструкции генераторов подобного типа.

Апробация работы:

Основные результаты выполненных исследований докладывались автором на 4 конференциях, в том числе на 3-х международных научно-технических конференциях:

- XXVII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2021 г.);

- 13-й Международной конференции по теплоносителям с фазовым переходом и суспензиям для охлаждения и кондиционирования воздуха «PCM 2021» (Виченца, Италия, 2021 г.);

- Международной научно-практической конференции «Применение низких температур в науке и промышленности» (Москва, 2022 г.);

- XXXIX Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2023 г.).

Личный вклад автора:

Личный вклад автора заключается в разработке конструкции лабораторного генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением, проведении теоретических и экспериментальных исследований производства шугообразного льда, разработке математической модели расчета генераторов шугообразного льда. Автором предложена методика расчета режима работы и производительности генератора шугообразного льда и определены границы её применимости; проанализированы результаты теоретических и экспериментальных исследований, на их основе даны рекомендации по усовершенствованию конструкции, оптимальной геометрии генератора шугообразного льда и режимам работы с максимальной производительностью.

Публикации:

Основное содержание диссертации изложено в пяти работах, из которых три соответствуют категории индексации журналов К1, две опубликованы в сборниках тезисов докладов конференций. Зарегистрирована программа для ЭВМ.

Благодарности:

Автор благодарит сотрудников кафедры Э4 «Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» и сотрудников отдела НИИ ЭМ 3.1. Особую благодарность автор выражает Рябикину Сергею Сергеевичу за помощь в проведении исследований, подготовке материалов докладов, подготовке и обсуждении работы.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованной литературы. Объем работы 155 страниц основного текста, включая 55 рисунков, 22 таблицы и 108 наименований источников.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ РАБОТЫ

1.1 Однофазные вторичные хладоносители в системах холодоснабжения

Парокомпрессионная машина представляет собой систему охлаждения, в которой рабочим телом является хладагент - вещество, которое претерпевает фазовый переход для поглощения или сброса теплоты [14]. Согласно 11-му закону термодинамики для переноса теплоты с низкого температурного уровня на высокий, рабочему телу цикла необходимо сообщить работу с помощью компрессора [15].

В ходе развития промышленного охлаждения системы холодоснабжения стали представлять собой разветвленные системы с отдельными испарительными блоками на каждом из потребителей. Так, при средней заправке хладагента от 900 до1130 кг для супермаркета его ежегодная утечка в атмосферу составляет до 30 % [16]. Необходима дозаправка системы, которая является значительной статьей эксплуатационных затрат.

В качестве хладагентов применяются гидрофторуглероды (ГФУ), которые являются озонразрушающими веществами [17, 18]. Разрушение озонового слоя ведет к глобальному потеплению и изменению климата, с которым в настоящее время борется большая часть государств. Проблема поставлена на Рамочной конвенции ООН об изменении климата, которая вступила в силу 21 марта 1994 года и к 2023 году подписана 198 странами мира.

Согласно Постановлению Правительства РФ от 18 февраля 2022 г. № 206 «О мерах государственного регулирования потребления и обращения веществ, разрушающих озоновый слой», объемы потребления озонразрушающих веществ подлежат государственному регулированию в объемах, определенных в соответствии с пунктом 2 статьи 2J поправки к Монреальскому протоколу по веществам, разрушающим озоновый слой, принятой на двадцать восьмом

совещании Сторон Монреальского протокола (г. Кигали, Руанда, 15 октября 2016 г.).

Вышеперечисленные нормативные документы повлияли на снижение объема производства хладагентов и рост цен на них. Рамочная конвенция явилась предпосылкой активному внедрению вторичных хладоносителей в ПКХМ. В данной схеме холодоснабжения имеется один испарительный блок, который охлаждает жидкость. Эта жидкость прокачивается насосами до потребителей холода. Внедрение дополнительного контура приводит к необходимости снижения температуры кипения хладагента для достижения первоначального температурного уровня у потребителей холода относительно температуры кипения в ПКХМ. Ожидаемый рост энергопотребления систем с вторичными хладоносителями составляет от 10 до 20 % по сравнению с системами непосредственного кипения [1]. Расходы на электроэнергию при многолетней эксплуатации системы значительно превышают экономию на количестве хладагента для заправки. Однако, в таком случае снижаются утечки хладагента в окружающую среду за счет уменьшения объема и протяженности контура. При этом утечка жидкости (вторичного хладоносителя) может быть оперативно замечена невооруженным глазом.

Однофазный вторичный хладоноситель представляет собой относительно несложное и экологически безопасное решение, но приводит к высоким эксплуатационным затратам, которые ложатся на потребителей и пользователей систем холодоснабжения.

В ходе изучения причин глобального потепления было установлено, что на изменение климата влияет не только разрушение озонового слоя, но и выбросы парниковых газов, к которым относится углекислый газ (С02). Парижское соглашение по климату (Рамочная конвенция ООН об изменении климата) регламентирует к 2050 году свести к нулю эмиссию парниковых газов. С 2019 г. соглашение ратифицировано в РФ. Как следствие была опубликована и утверждена Правительством РФ 29.10.2021 г. № 3052-р Стратегия социально-экономического развития Российской Федерации с низким уровнем выбросов парниковых газов до

2050 года. И инерционный, и интенсивный сценарии этой стратегии предусматривают повышение эффективности систем теплохолодоснабжения.

По состоянию на март 2023 года энергопотребление холодильного оборудования и систем кондиционирования воздуха составляет около 20% всей производимой в мире электроэнергии, что составляет примерно 8% мировых парниковых выбросов. Поэтому, так много внимания в части экологической безопасности уделяется этой отрасли.

В настоящий момент воздействие на климат можно оценить общим коэффициентом эквивалентного потепления (ОКЭП), который вычисляется как сумма объема хладагента, выпущенного в атмосферу при эксплуатации оборудования (в расчет включены и утечки во время утилизации системы) и объема выбросов С02, от производства энергии, которая необходима для эксплуатации системы [19]. Таким образом, система холодоснабжения должна не только работать на безопасных для окружающей среды веществах или иметь малую заправку озоноразрушающих веществ, но и потреблять при этом небольшое количество энергии, чтобы отвечать современным тенденциям по углеродному следу.

Обеспечить низкие температуры, достаточные для промышленного охлаждения можно следующими веществами и их водными растворами.

Вода ограничена применимостью до температуры охлаждения минус 2 °С, поэтому чаще всего требуются добавки для снижения температуры замерзания.

Растворы пропиленгликоль/вода являются распространенным хладоносителями для среднетемпературных применений до минус 40 °С. Температура замерзания этого раствора может быть снижена с увеличением концентрации пропиленгликоля в растворе. Однако вязкость такого раствора будет значительно выше, чем вязкость воды, что требует оснащения системы подачи жидкости мощными насосами и трубопроводами больших диаметров. Пропиленгликоль признан безопасной пищевой добавкой, поэтому может применяться на пищевых производствах. Он не горюч и не вызывает коррозии материалов [18].

Растворы этиленгликоль/вода обладают лучшими свойствами вязкости по сравнению с растворами пропиленгликоля и обеспечивают температуру замерзания до минус 50 °С. Однако этиленгликоль токсичен для человека. Это ограничивает сферу применения. Нельзя применить растворы этиленгликоля для охлаждения пищевых производств или продуктовых магазинов [20].

Стоит отметить, что у этиленгликоля и пропиленгликоля снижение температуры замерзания происходит за счет снижения эффективности теплопередачи (снижение теплоемкости раствора). Это приводит к повышению вязкости и, как следствие, увеличению затрат энергии на перекачивание.

Синтезированная жидкость гидрофтороэфир (№Ъ) с температурой кристаллизации до минус 100 °С, пригодна для применения как при низких, так и при средних температурах. Согласно предварительным испытаниям, жидкость не токсична для приема внутрь, не воспламеняется и совместима с большинством распространенных материалов [21].

Синтетический органический флюид - синтетическая жидкость, которая обеспечивает температуру до минус 73,3 °С. По сравнению с этиленгликолем имеет более низкую вязкость при низких температурах. Как и этиленгликоль, она токсична для человека, особенно при попадании внутрь [21].

Вторичный хладоноситель выбирают из комплекса следующих свойств: температура замерзания, теплоемкость, коэффициент теплоотдачи, гидропотери в системе, воспламеняемость, органолептические свойства, воздействие на окружающую среду и здоровье человека, коррозионная активность, стоимость. Пример сравнительного расчета ПКХМ и чиллера с вторичным хладоносителем водой для задачи кондиционирования воздуха представлен в Таблице 1. Энергопотребление компрессора для чиллера на 30 % больше, чем для ПКХМ. Данный расчет показывает, что система с вторичным хладоносителем отвечает только одному требованию Рамочной конвенции ООН об изменении климата: снижению заправки озонразрушающих веществ. Однако выбросы СО2 в атмосферу будут выше с ростом энергопотребления.

Потенциально возможно снизить возросшее энергопотребление в суточном эквиваленте до 5% относительно системы непосредственного кипения хладагента, если использовать двухфазный хладоноситель в режиме аккумуляции холода вместо жидких вторичных хладоносителей [22].

Таблица 1.

Характеристики ПКХМ и чиллера [22]

Параметр ПКХМ Чиллер

Хладагент R134a R407а

Температура кипения +8 °С +2 °С

Температура воды — +7 °С

Энергопотребление компрессора (конденсация +35°С) 1,39 кВт/ч 1,82 кВт/ч

Суточное энергопотребление 33,36 кВт 43,68 кВт

1.2 Промышленные способы производства шугообразного льда

Двухфазный хладоноситель обычно представляет собой многокомпонентную рабочую жидкость, в объеме которой присутствуют как твердая, так и жидкая фазы компонентов. Одна из фаз в результате изменения температуры претерпевает фазовый переход, что обеспечивает значительную теплопоглощающую способность подобных растворов по сравнению с однофазными жидкими хладоносителями [23].

На сегодняшний день применение находят несколько типов веществ, которые могли бы использоваться в качестве двухфазных хладоносителей.

Двухфазная эмульсия - это смесь двух жидкостей, одна из которых растворена в другой в виде капель. Имеет два подвида: растворенные капли жидкости в воде и растворенные капли воды в жидкости. Фазовый переход претерпевают капли вещества, которое находится в растворителе. При этом до и после фазового перехода капли не изменяют размер, имеют стойкость к циклическому изменению температуры. В холодильной технике в качестве

двухфазной эмульсии может быть использована смесь воды и жидкого парафинового воска. Средний размер капель вещества, претерпевающего фазовый переход, составляет от 0,5 до 200 мкм. Диапазон температур фазового перехода для эмульсий: от 4 до 70 °С [24]. Однако при концентрации растворенного вещества более 25% наблюдается резкое повышение вязкости, что ограничивает максимально возможную теплоемкость эмульсии. Также при эксплуатации возникают проблемы закупоривания труб, вызванные расслоением эмульсии ввиду разности плотностей рабочих веществ во всех фазовых состояниях [25]. Проблема стабильности размеров капель при циклическом фазовом переходе рассматривалась в работе [24].

Микроинкапсулированная шуга - это раствор, в котором вещество, претерпевающее фазовый переход, заключено в микрокапсулу из полимерной пленки. Форма капсулы может быть сферической или стержневой. Капсулы размерами от 1 до 1000 мкм взвешены в воде и образуют шугу. Путем заключения неорганических веществ, претерпевающих фазовый переход, в оболочку можно понизить коррозионную активность раствора. Однако сами способы заключения рабочего вещества в капсулу зависят от требуемого размера капсулы. Получение мелких капсул происходит достаточно дорогостоящим способом испарения или экстракции растворителя, что к тому же может приводить к выбросам нелетучих органических растворителей в атмосферу. Более дешевые и экологичные способы инкапсулирования способны обеспечить размер капсул от 100 мкм [26, 27].

Ледяная шуга (пр. названия: жидкий лёд, айс-сларри, шугообразный лёд) -частицы льда, растворенные в водном растворе. Частицы образуются в результате охлаждения раствора ниже температуры замерзания. При этом температура может регулироваться концентрацией примесей водного раствора и быть значительно ниже 0°С, температуры замерзания воды. Основные методы производства льда -отделение кристаллов с охлаждаемой поверхности и образование кристаллов в объеме переохлажденной жидкости. Для производства шугообразного льда требуется, как минимум, двухконтурная система, в состав которой входит

холодильная машина, обеспечивающая охлаждение раствора, и контур циркуляции переохлажденной жидкости с полученной ледяной шугой к потребителям холода.

Гидратная шуга - вещество, образованное водой и газовыми гидратами. Газовые гидраты - кристаллические соединения воды и молекул газа и другой жидкости. Они формируются в условиях высокого давления и низкой температуры (2 МПа при 0 °С). В кристаллической решетке, сформированной водой, газ занимает междоузельные положения [28].

Все вышеперечисленные смеси могут использоваться в качестве вторичных хладоносителей путем перекачивания из теплообменников-генераторов до конечных устройств. Фактором эффективности данных хладоносителей является удельная теплота кристаллизации или плавления веществ, претерпевающих фазовый переход. Так, скрытое тепло, содержащееся в льде, в случае использования ледяной шуги - 333 кДж/кг. Для гидратной шуги энтальпия диссипации для гидрата с СО2 достигает 500 кДж/кг. Однако газовые гидраты для достижения устойчивого состояния требуют поддержания повышенного давления, что существенно усложняет системы, в то время как ледяная шуга используется при атмосферном давлении, обладая при этом достаточно большой скрытой теплотой [29].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Егорова Анна Игоревна, 2024 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Жердев А.А., Колесников А.С. Анализ энергетической эффективности применения хладоносителей с фазовым переходом в качестве вторичных хладоносителей // Вестник МГТУ им Н.Э. Баумана Сер. «Машиностроение». 2012. № 5. С. 62-70.

2. Rowe E. Initial investigation of ice slurry as an alternate chiller medium in poultry processing: A Thesis Presented to The Academic Faculty. USA. 2016. 92 p.

3. Kauffeld M., Kawaji M., Egolp P.W. Handbook on Ice slurries. Paris: International Institute of Refrigeration. 2005. 364 p.

4. Stamatiou E., Meewisse J.W., Kawaji M. Ice slurry generation involving moving parts // International Journal of Refrigeration. 2005. № 28. P.60-72.

5. Круглов А.А., Тазитдинов Р.Р. Энергоэффективные системы с использованием вакуумно-испарительных ледогенераторов бинарного льда // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия Холодильная техника и кондиционирование. № 1. 2008. С. 30-37.

6. Тазитдинов Р.Р. Исследование процессов вакуумно-испарительной кристаллизации при получении бинарного льда: дисс. ...канд. техн. наук. Санкт-Петербург. 2020. 271 с.

7. Колосов М.А., Артемов И.М. Каскадная холодильная установка с вакуумной ступенью на воде // Вестник МГТУ им Н.Э. Баумана Сер. "Машиностроение". 2012. С. 214-221.

8. Study on the Dynamic Generation of Subcooled Water Using a Compact Heat Exchanger / Cheng P. [и др.] // Appl. Sci. 2023. № 13. 4369. P. 1- 15

9. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л.: Энергия, 1974. 264 с.

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

11. Угольникова М.А. Моделирование процессов теплообмена при намораживании водного льда на неизолированных элементах низкотемпературного оборудования: дис. ... канд. техн. наук. Москва. 2017. 140 с.

12. Ермолаев А.Е. Получение водного льда методом послойного намораживания в условиях вакуумирования: дис. ... канд. техн. наук. Москва. 2008.95 с.

13. Schaaf J., Kauffeld M. Ice aluminium debonding with induction heating // Journal of Adhesion Science and Technology. 2018. №32(4). P. 1-17.

14. Хладагенты и циклы парокомпрессионных холодильных машин: учебно-методическое пособие / А.А. Жердев [и др.] Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020. 87 с.

15. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика [Электронный ресурс]: учебник для вузов. М.: Издательский дом МЭИ, 2016. 496 с.

16. Harrison M. R., Keeney R. C., Nelson, T. P. Pilot Survey of Refrigerant Use and Emissions from Retail Food Stores // ASHRAE Transactions. 1995. № 101(1). P. 25- 33.

17. Global Climate Change 1st Edition / S. Suruchi [и др.] Amsterdam: Elsevier. 2021. 442 p.

18. Annual Review of Environment and Resources Greenhouse Gas Emissions from Air Conditioning and Refrigeration Service Expansion in Developing Countries / Y. Dong [и др.] // Annu. Rev. Environ. Resour. 2021. № 46. P. 59- 83.

19. Проектирование и подбор оборудования с учетом минимизации воздействия на климат. Оценка общего коэффициента эквивалентного потепления (ОКЭП) // Ozone Program: Вывод озоноразрушающих веществ и фторсодержащих газов в Российской Федерации. [Электронный ресурс] 2024. URL: https://www.ozoneprogram.ru/biblioteka/posobija all/posobija/ocenka okehp/ (дата обращения 12.01.2024).

20. Галкин М.Л. Пропиленгликоль как основной компонент хладоносителя // Холодильная техника. 2009. №9. С. 36-38.

21. Inlow S. W., Groll E. A. A Performance Comparison of Secondary Refrigerants // International Refrigeration and Air Conditioning Conference: Conference Paper. Purdue (USA). 1996. № 349. P. 357-362.

22. Menin B. Calculation of pumpable (slurry) ice machine capacity // Journal «Scientific Israel- Technological Advantages». 2010. Vol.12, № 2. P. 178-181.

23. Akhtar S.; Ali H.; Park C.W. Thermo-Fluidic Characteristics of Two-Phase Ice Slurry Flows Based on Comparative Numerical Methods // Processes. 2019. №2 7, 898. P. 1-16.

24. Liu L., Niu J., Wu J.Y. Preparation of Stable Phase Change Material Emulsions for Thermal Energy Storage and Thermal Management Applications: A Review // Materials (Basel). 2022. № 15, 121. P. 1-27.

25. Thermofhysical properties of fhase change emulsions prepared by D-Phase emulsification method / M. Morimoto [h gp.] // Energy Conversion and Management. 2016. № 122. P. 215-222.

26. Jurkowska M., Szczygiel I. Review on microencapsulated phase change materials slurries (mPCMS) properties // Applied Thermal Engineering. 2016. № 98. P. 365-373.

27. Microencapsulated phase change materials as slurries for thermal energy storage: A review / L. Pathak [h gp.] // Materials Today: Proceedings. 2021. № 44/1. P. 1960-1963.

28. Progress in CO2 hydrate formation and feasibility analysis for cold thermal energy harvesting application / J.H. Park [h gp.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2023. № 187. P.1-19.

29. Fourmaison L. Practical aspects on slurries for refrigeration and air conditioning // Proceedings of the 25th IIR International Congress of Refrigeration. Canada. 2019. № 1839. P.1-10.

30. Kuriyama T., Sawahata Y. Slurry ice transportation and cold distribution system // Information Booklet for the Technical Tour of the Fourth Workshop of IIR Ice Slurry Working Party. 2001. Nov 13. P. 1-6.

31. Ise H., Tanino M., Kozawa Y. Ice storage system in Kyoto station building // Information Booklet for the Technical Tour of the Fourth Workshop of IIR Ice Slurry Working Party. 2001. Nov 13. P. 11-16.

32. Bellas I., Tassou S.A. Present and future applications of ice slurries // International journal of refrigeration. 2005. № 28. P. 115-121.

33. Keys D.R., Lowder A.C., Mireles DeW. Conditions for the effective chilling of fish using a nano-sized ice slurry // J Food Process Preserv. 2018. № 42 (3). P. 1-7.

34. Sindri R. S. Increased efficiency in cooling systems for mackerel: thesis submitted in partial fulfillment of a Magister Scientiarum degree in Industrial Engineering. Iceland. 2016. 75 p.

35. A system for producing ice slurry using sea water. Patent IN3056/MUM/2013 / Rustom Boman Irani. заявл. 3056/MUM/2013 от 24.09.13; опубл.10.07.15.

36. Application of ice slurry technology in fishery / Wang M.J [и др.] // Proceedings of the 20th International Congress of Refrigeration, IIF/IIR. 1999. № IV. P. 569.

37. Лабыкин.А, Рыба из полярного моря // Эксперт. №38/39. 2016. С.28-30.

38. Medical ice slurry preparation device and medical ice slurry preparation and storage system. Patent CN212431426 / Yang Yun, Huang Chubo, Zeng Youhon. заявл. 202021533132.8 от 29.07.20; опубл.29.01.21.

39. Medical ice slurry preparation device and medical ice slurry preparation and storage system. Patent CN114087819 / Yang Yun, Huang Chubo, Zeng Youhon. заявл. 202010745372.2 от 29.07.20; опубл.25.02.22.

40. Therapeutic hypothermia after cardiac arrest: A systematic review/meta-analysis exploring the impact of expanded criteria and targeted temperature / L. S. Aldo [и др.] // Resuscitation. 2016. № 108. P. 102-110.

41. Simulation of fluid hypothermia for robot-assisted prostatectomy / I.A. Burkov [и др.] // Journal of Enhanced Heat Transfer. 2018. Т. 25. № 2. P. 121-136.

42. Шакуров А.В. Исследование теплообмена при охлаждении биоткани внутренних органов для проведения роботических операций: автореферат дис. ... канд. техн. наук. Москва. 2016. 16 с.

43. The effects of low and normal dose ice slurry ingestion on endurance capacity and intestinal epithelial injury in the heat/ S.B. Alhadad [и др.] // Journal of Science and Medicine in Sport. 2023. № 26. Т. 6. P. 278-284,

44. Kauffeld M., Gund S. Ice slurry -History, current technologies and future developments // International Journal of Refrigeration. 2019. № 99. P. 264-271.

45. Niezgoda-Zelasko B. Transport of ice slurry in the pipelines of central air conditioning systems in mining plants // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2023. № 142. P.1-10.

46. Zhang K., Zhang W. Performance Assessment of Solar Ice Slurry Cold Storage System for Solar Refrigerated Vehicle // Journal of Energy Research and Reviews. 2024. № 16 (1). P. 12-20.

47. Louro A. Studying the feasibility of installing a temperature independent snowmaking system with heat recovery: Case study for the ski resort of Astun: Student thesis, Advanced level (Master degree, one year). Sweden. 2018. 100 p.

48. Research report «Temperature independent snow production» / SINTEF Energi, Tradal S. № 00874. 2017. 53 p.

49. Behaviour of Ice Slurry in Thermal Storage Systems / Hansen T.M. [и др.] Издательство: ASHRAE RP 1166, 2002. 115 p.

50. Development of supercoolers for ice slurry generators using icephobic coatings / D. Carbonell [и др.] // International Journal of Refrigeration. 2022. № 144. P. 90-98.

51. Review on ice crystallization and adhesion to optimize ice slurry generators without moving components / W. Samah [и др.] // Applied Thermal Engineering. 2023. №223. P. 1-25.

52. Tahti Т. Suspension Melt Crystallization in Tubular and Scraped Surface Heat Exchangers: dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.). Germany. 2004. 114 p.

53. Method and device for making slurry ice. Patent JP2003148841 / M. Miyuki [и др.]. заявл. 2001341888 от 07.11.01; опубл.21.05.03.

54. Research on energy saving of ultrasonic wave in the process of making sea-slurry ice / Z. Wang [и др.] // Energy Conversion and Management. 2021. № 24. P.1-8.

55. Sunwell Technologies Inc.Harvest the benefits of Deepchill® for your fishery. Canada. 2022. 7 p.

56. Зимин А.В. Получение бинарного льда в льдогенераторе шнекового типа: дис. ...канд. техн. наук. Одесса. 2012. 110 с.

57. ZIEGRA Eismaschinen GmbH. Ice machine UBE 1.500 Specification. Germany. Rev.06. 2017. 3 p.

58. Зимин А.В. Особенности проектирования генераторов бинарного льда шнекового типа // Холодильная техника и технология. 2015. №2. Том 5. С. 10-12.

59. Screw disturbance type slurry ice slurry generating device. Patent CN219083459 / S. Zhiyong [и др.]. заявл. 202223470704.4 от 26.12.22; опубл.26.05.23.

60. Seawater ice slurry machine. Patent CN213687402 / W. Xiaowei, Y. Mo. заявл. 202022520901.7 от 04.11.20; опубл. 13.07.21.

61. Ice slurry ice crystal manufacturing device. Patent CN112325524 / W. Da, J. Lianwen, H. Shifa. заявл. 202011216788.1 от 04.11.20; опубл.05.02.21.

62. Ice slurry storage device and ice slurry generation device. Patent CN217357673 / Z. Kai [и др.]. заявл. 202123451524.7 от 31.12.21; опубл.02.09.22.

63. Vacuum ice-making technology and characteristic analysis / C Hongfen. [и др.] // Journal of Molecular Liquids. 2022. № 360. P.1-13

64. Сусликов Д. В. Получение мелкодисперсных частиц водного льда методом диспергирования в условиях вакуумирования: дис. ... канд. техн. наук. Москва. 2009. 120 с.

65. A method and device for the manufacture of an ice slurry. Patent US4845954 / Johansson Yngve. заявл. 07203096 от 07.06.88; опубл.11.07.89.

66. Apparatus and method for freeze desalination. Patent W02012104787 / Efrat T., Goshen H. заявл. PCT/IB2012/050449 от 31.01.12; опубл.09.08.12.

67. Sea water slurry ice equipment capable of avoiding ice blockage phenomenon. Patent CN107246751 / W. Zhen [и др.]. заявл. 201710354997.4 от 19.05.17; опубл. 13.10.17.

68. Investigation of ice detachment by a liquid jet on various submerged surfaces for the development of ice slurry generators without mechanical scraping / W. Samah [и др.] // Applied Thermal Engineering. 2024. № 236. Part A. P.1-23.

69. Boone J. Natural refrigerants secondary brine ice slurry // 14th European Conference Тезис докл. межд. конф. Милан. 2011. D0C.2011-249 R1. P. 1-5.

70. Analysis of ice slurry production by direct contact heat transfer of air and water solution / X. J. Zhang [и др.] // Journal of Zhejiang University SCIENCE A. 2013. № 14. P. 583-588.

71. Experimental investigation of producing ice slurry with water using opposed-nozzle impinging jet method / Y. Gao [и др.] // Applied Thermal Engineering. 2023. №219. P. 1-10.

72. A novel ice slurry producing system: Producing ice by utilizing inner waste heat / X.W. Li [и др.] // Energy Conversion and Management. 2009. № 50. P. 2893- 2904.

73. Experimental characterization of the icephobic surfaces properties for optimization of ice slurry production / W. Samah [и др.] // Proceedings of the 26th IIR International Congress of Refrigeration. France. 2023. P.1-12

74. Pulse electro-thermal de-icer (PETD) / V.F. Petrenko [и др.] // Cold Regions Science and Technology. 2011. № 65. P. 70-78

75. Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Eisbrei. Patent DE 10 2012 218 349 B4 2016.01 .28 / Shaaf J. заявл. От 23.12.11; опубл.27.06.13.

76. Schaaf J., Koffler M., Kauffeld M. Influence of a heat flux to ice adhesion force // ICR 2015, August 16 - 22 - Yokohama, Japan. 2015. P. 1-6.

77. Schaaf J. Energieoptimierte Trennung von Eis - Aluminiumverbindungen durch induktiv erzeugte Wärmeimpulse: zur erlagung des akademischen Grades Doktor der Ingeneurwissenschaften. Kahrlsruhe (Germany). 2016. 152 p.

78. Blackburn C., Laforte C., Laforte J.L. Apparatus for Measuring the adhesion force of thin ice sheet on a substrate // 9th Int. Workshop of Atmospheric Icing of Structures, 2000.

79. A study of ice slurry production process based on electric heating of heat transfer surface / A. Kolesnikov [и др.] // Proceedings of the 25th IIR International Congress of Refrigeration: Montréal, Canada. 2019. P.1-6.

80. Slurry ice machines (SL Series) // Recom Ice Systems B.V. [Электронный ресурс] 2023. URL. https://recom-ice.com/product/slurry-ice-machines/ (дата обращения 25.06.2023)

81. McTigue J. Analysis and optimisation of thermal energy storage: a dissertation submitted for the degree of doctor of philosophy. Cambridge. 2016. 291 p.

82. Простяков А. А. Индукционные нагревательные установки. М.: Энергия, 1970. 119 с

83. Холодильные установки / Чумак И.Г. и др. 2-е изд. Перераб. И доп. // М: Легкая и пищевая промышленность, 1981. 344 с.

84. Марширов И.В., Головичев А.И. Конструкции, особенности работы и расчет индукционных тигельных печей: Учебное пособие по курсу «Печи литейных цехов» для студентов специальности 150204 - "Машины и технология литейного производства". Барнаул. АлтГТУ. 2006. 68 с.

85. Solidification behavior of an ice slurry flowing in a rectangular channel / T. Morimoto [и др.] // International Journal of Refrigeration. 2021. № 131. P. 129-136.

86. Zhang, P.; Shi, X.J. Thermo-Fluidic Characteristics of Ice Slurry in Horizontal Circular Pipes // Int. J. Heat Mass Transf. 2015. № 89. P. 950-963.

87. Stamatiou E., Kawaji M. Thermal and Flow Behavior of Ice Slurries in a Vertical Rectangular Channel-Part II. Forced Convective Melting Heat Transfer // Int. J. Heat Mass Transf. 2005. № 48. P. 3544-3559.

88. Rezaei M., Pakravan H. A. Numerical study of ice slurry flow and heat transfer in successive U-bends as part of tubular heat exchangers // International Journal of Thermal Sciences. 2023. № 191. P. 1-9.

89. Mathematical and Experimental Investigation on Pressure Drop of Heterogeneous Ice Slurry Flow in Horizontal Pipes / J. Wang [и др.] // Int. J. Heat Mass Transf. 2017. № 108. P. 2381-2392.

90. Study on flow and heat transfer characteristics of salt solution ice slurry / P. Gao [и др.] // International Journal of Refrigeration. 2024. № 159. P. 1-16.

91. Numerical investigation on heat and mass transfer characteristics of ice slurry in pulsating flow / L. Cai [и др.] // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2022. № 189. P. 1-14

92. Shehnaz A., Haider A., Cheol W. P. Thermo-Fluidic Characteristics of Two-Phase Ice Slurry Flows Based on Comparative Numerical Methods // Processes. 2019. № 7(898). P. 1-16.

93. Niezgoda-Zelasko B. The enthalpy-porosity method applied to the modelling of the ice slurry melting process during tube flow // Procedia Engineering. 2016. № 157. P. 114-121.

94. Cai L., Mi S., Luo C. Study on enhanced heat transfer of a phase change material slurry in transverse corrugated tubes // Applied Thermal Engineering. 2023. № 226. P. 1-14.

95. Performance analysis of ice storage tank with smooth-tube and corrugated-tube heat exchangers based on numerical simulation / Y. Wang [и др.] // Applied Thermal Engineering. 2024. № 236. P. 1-14.

96. Experimental, numerical and analytic study of unconstrained melting in a vertical cylinder with a focus on mushy region effects / C. Pan [и др.] // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018. № 124. P. 1015-1024.

97. ANSYS Inc. ANSYS Fluent Theory Guide Release 2020 R2. Canonsburg (USA), 2020. 1008 p.

98. Моделирование процесса направленного затвердевания/плавления методом энтальпии-пористости / Е.В. Павлюк [и др.] // Расплавы. 2023. № 3. с. 250266.

99. Маринюк Б.Т. Обзор «Льдообразование и инеевыпадение на элементах низкотемпературного оборудования». М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШб, 1988. 42 с.

100. Шаталина И.Н. Теплообмен в процессах намораживания и таяния льда. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1990. 120 с.

101. Галкин М.Л. Определение вида и концентрации хладоносителей Лабораторный практикум по дисциплине «Рабочие вещества в холодильной технике». М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2016. 69 с.

102. Fujian Snowman Co. Ltd. Slurry Ice Machine for Sea Water on Board Using S50W (5T/D) // Snowman Group [Электронный ресурс] 2023. URL: https://www.sno wkey.com/en/product/slurry_ice_machine/3a6a3a4022804208eae8184336fca3da.html (дата обращения 25.06.2023)

103. Банных О.П. Курсовая работа. Расчет необходимой площади поверхности теплообмена. Учебное пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2017. 46 с.

104. Icelings Product - Iceflow Slurry Ice Machine // Chirag Ice Factory Pvt Limited. [Электронный ресурс] 2023. URL: http://www.icelings.net/product/Slurry-Ice-Machines (дата обращения 25.06.2023)

105. Lau F. Prozesstechnische Optimierung eines Kratzeiserzeugers zum erweiterten Einsatz in speichergestützten Kälteversorgungssystemen: zur Erlangung des akademischen Grades Diplom - Ingenieur. Dresden (Germany). 2019. 135 p.

106. Верификация и валидация компьютерных моделей / Сальников А.В. [и др.] // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2022. №9 (750). С. 100-115.

107. ГОСТ Р 15.101-2021. Система разработки и постановки продукции на производство. Порядок выполнения научно-исследовательских работ. М., 2021. 19 с.

108. Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. - 4-е изд., стер. - М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999. 702 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

П.1 Основные термины

Валидация модели

Агломерация льда - скопление и соединение кристаллов льда в более

крупное образование [3].

Верификация модели - процесс определения того, что вычислительная

модель точно представляет лежащую в ее основе математическую модель и ее решение. Может осуществляться путем сравнения результатов вычислительной модели с результатами достоверной математической модели (например, с аналитическим решением) [106].

- процесс определения степени, в которой модель является точным представлением рассматриваемой физической системы в рамках предполагаемого периметра ее использования. Осуществляется путем сопоставления результатов моделирования и эксперимента [106].

- формирование кристаллов льда на поверхности или в объеме жидкости [3].

- хладоноситель, состоящий из двух фаз - жидкой и твердой [3].

- объемная доля жидкости внутри генератора шугообразного льда в момент времени т.

Генерация льда

Двухфазный хладоноситель Доля жидкости

Генератор шугообразного льда с индукционным льдоудалением

генератор шугообразного льда, в котором применено явление индукционного нагрева для отделения кристаллов льда от поверхности намораживания.

Лабораторный образец

Льдогенератор Методика

Производительность

генератора Шугообразный лёд

Экспериментальный образец

образец, позволяющий проводить физические измерения технических характеристик [107]. устройство для создания шугообразного льда [3]. совокупность методов, приёмов практического выполнения чего-либо [108].

мера количества получаемого льда на выходе из генератора в единицу времени. микроскопические частицы льда размером около 500 мкм в водном растворе, включающем соли, гликоли, спирты [3].

изделие, изготовленное при проведении научно-исследовательских работ для проверки основных технических решений, параметров и характеристик, подлежащих использованию при разработке изделия [107].

Тнэи, сек T вхР- ра, ° С Т вхХН, ° С ТвыхР- ра, ° С Т выхХН, ° с Gvxh, л/мин Охн, Вт GvP-pa, л/мин Ор-ра, Вт АС(тп-тю), ° С А С,(GvP-pa), л/мин ЛШр-Р" .>, Вт AÇ(T6-T5), ° С Aç(Gvxm, л/мин AÇ(OXH), Вт

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

14:38 1,2 -14,2 -0,07 -13,76 15,05 398, 12,7 -1134,3 0,3 0,06 3,95 0,23 0,15 3,53

14:51 1,2 -14,2 -0,07 -13,76 15,05 398, 12,7 -1134,3 0,3 0,06 3,95 0,23 0,15 3,53

15:57 1,2 -14,2 -0,07 -13,76 15,05 398, 12,7 -1134,3 0,3 0,06 3,95 0,23 0,15 3,53

16:65 1,2 -14,2 -0,07 -13,76 15,05 398, 12,7 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,53

17:71 1,2 -14,17 -0,07 -13,76 15,05 371, 12,7 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,53

17:76 1,2 -14,17 -од -13,76 15,05 371, 12,7 -1134,3 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,53

18:28 1,2 -14,17 -од -13,76 15,05 371, 12,7 -1134,3 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,53

18:34 1,2 -14,17 -од -13,7 15,05 425, 12,7 -1134,3 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,54

18:40 1,2 -14,17 -од -13,7 15,05 425, 12,7 -1134,3 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,54

19:54 1,2 -14,17 -од -13,7 15,05 425, 12,7 -1134,3 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,54

20:62 1,2 -14,17 -од -13,7 15,05 425, 12,7 -1134,3 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,54

21:70 1Д -14,17 -од -13,7 15,05 425, 12,7 -1081,9 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,54

21:76 1Д -14,14 -од -13,7 15,05 398, 12,7 -1081,9 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,53

22:41 1Д -14,14 -од -13,67 15,05 425, 12,7 -1081,9 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,54

23:28 1Д -14,14 -од -13,67 15,05 425, 12,7 -1081,9 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,54

23:47 1Д -14,14 -од -13,67 15,05 425, 12,7 -1081,9 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,54

24:60 1Д -14,14 -од -13,67 15,05 425, 12,7 -1081,9 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,54

25:67 1Д -14,14 -од -13,67 15,05 425, 12,7 -1081,9 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,54

26:29 1Д -14,11 -од -13,67 15,05 398, 12,7 -1081,9 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,54

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

27:376 1,14 -14,11 -0,13 -13,67 15,05 398,36 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,54

27:439 1,14 -14,11 -0,13 -13,64 15,05 425,52 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,54

28:512 1Д4 -14,11 -0,13 -13,64 15,05 425,52 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,54

29:637 1Д4 -14,11 -0,13 -13,64 15,05 425,52 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,54

29:715 1Д4 -14,11 -0,13 -13,64 15,05 425,52 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,54

30:277 1Д4 -14,11 -0,13 -13,64 15,05 425,52 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,54

31:358 1Д4 -14,08 -0,13 -13,64 15,05 398,36 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,54

32:483 1Д4 -14,08 -0,13 -13,67 15,05 371,2 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,53

33:574 1Д4 -14,08 -0,13 -13,67 15,05 371,2 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,53

33:699 1Д4 -14,08 -0,13 -13,67 15,05 371,2 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,53

40:507 0,83 -13,3 -0,53 -12,82 15,05 371,06 12,76 -1186,6 0,3 0,06 3,92 0,23 0,15 3,6

35:327 1Д1 -14,08 -0,13 -13,67 15,05 371,2 12,76 -1081,9 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,53

36:393 1Д1 -14,05 -0,13 -13,67 15,05 344,04 12,76 -1081,9 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,53

36:518 1Д1 -14,05 -0,13 -13,58 15,05 425,53 12,76 -1081,9 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

37:584 1Д1 -14,05 -0,13 -13,58 15,05 425,53 12,76 -1081,9 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

38:271 1Д1 -14,05 -0,13 -13,58 15,05 425,53 12,76 -1081,9 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

38:724 1Д1 -14,05 -0,13 -13,58 15,05 425,53 12,76 -1081,9 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

40:803 1Д1 -14,05 -0,13 -13,58 15,05 425,53 12,76 -1081,9 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

42:318 1Д1 -14,05 -0,13 -13,58 15,05 425,53 12,76 -1081,9 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

43:787 1Д1 -14,05 -0,13 -13,58 15,05 425,53 12,76 -1081,9 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

On

H

Si

и s

a p

M

a -ö

о to о и

й О)

к s

О)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

44:346 1,11 -14,05 -0,13 -13,58 15,05 425,53 12,76 -1081,9 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

45:555 1,11 -14,02 -0,16 -13,58 15,05 398,37 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,54

46:618 1,11 -14,02 -0,16 -13,55 15,05 425,53 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

47:821 1,11 -14,02 -0,16 -13,55 15,05 425,53 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

48:336 1,11 -14,02 -0,16 -13,55 15,05 425,53 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

49:403 1,11 -14,02 -0,16 -13,55 15,05 425,53 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

53:388 1,11 -13,99 -0,16 -13,55 15,05 398,37 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

54:466 1,11 -13,99 -0,16 -13,55 15,05 398,37 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

55:748 1,11 -13,99 -0,16 -13,52 15,05 425,53 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

56:826 1,11 -13,99 -0,16 -13,52 15,05 425,53 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

58:470 1,11 -13,99 -0,16 -13,52 15,05 425,53 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

59:526 1,11 -13,99 -0,16 -13,52 15,05 425,53 12,76 -1108,1 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

59:604 1,14 -13,99 -0,16 -13,52 15,05 425,53 12,76 -1134,3 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

00:745 1,14 -13,99 -0,19 -13,52 15,05 425,53 12,76 -1160,5 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

01:885 1,14 -13,99 -0,19 -13,52 15,05 425,53 12,76 -1160,5 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

03:526 1,14 -13,99 -0,19 -13,52 15,05 425,53 12,76 -1160,5 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

03:588 1,14 -13,99 -0,19 -13,52 15,05 425,53 12,76 -1160,5 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

03:666 1,11 -13,99 -0,19 -13,52 15,05 425,53 12,76 -1134,3 0,3 0,06 3,94 0,23 0,15 3,55

На основе представленных данных рассчитаны следующие значения теплопритока от нагрева при воздействии индукции, средней теплоты, отводимой хладоносителем, средней теплоты на охлаждение раствора для производства БЛ, теплоты кристаллизации, расхода льда и абсолютных погрешностей соответствующих измерений. Она представлены в таблицах П.2.2 и П.2.3.

Таблица П.2.2

^^^инд , йхнср, Вт А^„на), Вт ^ % А%(вш)ср , Вт 4 йхн) ср , %

69,29 410,79 0,85 1,23 3,54 0,86

Таблица П.2.3

йР-ра ср , Вт йкр, Вт ^Льда , кг/с йр - ра ) ср , Вт ра )ср , % а,), Вт 4(йкр) , %

-1109,43 1589,51 0,0048 3,93 0,35 7,48 0,47

П.3 Оценка неопределенностей измерений

Оценка неопределенностей выполнена по методике ГОСТ Р 54500.3-2011 и РМГ 43-2001. В данной работе значения измеренных величин (прямые измерения) принимаем по равномерному закону распределения возможных значений, поэтому

неопределенность для них вычисляется по типу Б:

^ (П31)

где Ах - абсолютная погрешность измерения.

По этому же типу вычисляем неопределенность справочных данных. Абсолютные погрешности прямых измерений и справочных данных представлены в разделе 3.3 третьей главы.

Для косвенных измерений вычисляем суммарную стандартную неопределенность:

)=

т

£(^)2и2(х), (П.3.2)

где и(х) - неопределенность единичного измерения, I - ¡-я величина, f - функция измеряемой величины.

Таким образом, для измеренных величин на основе приборной прогрешности неопределенность типа Б представлена в таблице П.3.1. Неопределенность справочных данных плотности и теплоемкости составляет иБ = 0,5 кг/м3 и

иБС = 0,18 Дж/кг-К соответственно.

Измерение температуры является косвенной величиной, которая должна учесть неопределённость термометра сопротивления и вторичного преобразователя. В связи с этим её выражаем как:

истх =у/и б , 2+ ииб ,вп 2 (П.3.3)

Разность температур в таком случае можно выразить как:

ис А Г =^1 иСг, + ис ,2 (П.3.4)

Прибор Диапазон измерения в эксперименте Абсолютная погрешность для диапазона Неопределенность по типу Б

Термометры сопротивления РТ 100 класс А(Т5-Т11) Минус 25 -плюс 3 ° С АТтп = ±0,15 °С С/ =°'1_5 = 0,087 °С

Вторичный преобразователь Овен ПЛК Минус 25 -плюс 3 ° С АТш = ±АТгт 7 = ±0,07 °С вп д1()() ^=^ = 0,04 °С

Расходомер цифровой турбинный OGM-25-P (G1) 10..25 л/мин Аа=±АСгт 7 =±0,15 л/мин 1 ^ 100 иБО= °'1-5 =0,087 л/мин V 3

Расходомер шестеренный импульсный К24-А (G2) 6..25 л/мин АО,=±АОп 7 =±0,095 л/мин 2 д100 UEG == 0,055 л/мин V 3

Штангенциркуль 0..30 мм ±0,05 мм (0,00005 м) иБМт=^ = 0,029 мм

Миллиметровая линейка 0..1025 мм ±1 мм (0,001 м) Uдин = = 0,58 мм

Секундомер 0..300 ±0,5 сек UБ,сщ, = = 0,29 сек

X

О)

о а

О) to О)

U

О)

К И О о н к

а

¡а 2 а

X

К

со

2 О)

О)

К

К »

О U)

Н

о\

и

К

а р

U)

Для косвенных измерений теплоты, отводимой хладоносителем, затрачиваемой на охлаждение раствора, на нагрев под воздействием индукции, суммарная стандартная неопределенность выражается согласно (Х) как:

исп = 1(а)2иБС 2 + (а )2иБ02 + (а)2исАГ2 (П.3.5)

сйхн у дС/ БС двш Бд дАГ с

и = (дйр-ра )2и 2 + (дйр-рд )2и 2 + (Ы2р-ра 2 (П 3 6)

исйР-ра ]]( дСр } иБС +(двР_ра} иБА +( дАГ } исАГ (П.3.6)

и = (дйИнд )2и 2 , (дйИнд )2 и 2 , (дйИнд )2и 2 , (дйИнд )2и 2 /тт ^ ^ дУ ^ дС ,,р др ,Р дАГ с АГ (П3/)

При этом объем также является косвенным измерением, для которого следует вычислисть суммарную стандартную неопределенность:

и У = . кдт)2иБЛин2 + (д-)2иБМт 2 + (^дУ)2иБ,шт2 (П.3.8)

л д/ дг дг

у отр нар ен

Итоговые значения представлены в таблице П.3.2.

Таблица П.3.2.

Результаты оценки неопределенности

ь <Ъ

т

и н е с о н н е 00 СП 1> - 57,58 66,37 5,24 00,52 0,30

Л ч (и д е р сч со, 1 1 1 1

к а с о" о" 1 О 1 5 3, 1 5 5, о 5, 1 00 2 2,

а п 00 со' 5, сч 2, 3, 0,

Р о е н сч 2

и

т тра д ь т с <Ъ

о н V© о, 13, 2 СЛ 2 8, 11

ат о н е ч (и ю о, ^ сч 1 сч 1 сч 1 1 6, 3 1 ,0 1

ан д е р о" о" 1 О ю 6 сч 5 о, 2 7, 8 0,

нра п о 1, 8, (О 8, 0,

2 е 1

н

у

О

« « 3 3

и н е т с 2 о о

е н е К Л л о, о о о

¡5 н п 1 »п <о 1 о т т о т о 8 о ю ,5

м 5 1 1 1 1 1 1

н о озпа е п с к еп (Ч с у н и о ^ сч о о о о о о 0 8 7 4,

иа Е о, о"

ь и

т О

с

о о р

н о СЙ р ут у

р е ута р е п т Вт т РР т РР т рр к е о

Л та (и ж «

<й н р е п е т ь т б о г! ез

к л е Т с о н

е рр за Р

Р©(СШ®СТ5АЯ1 ФВДШРАШЩШ

ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж

жжжжжж |ж

СВИДЕТЕЛЬСТВО

о государственной регистрации программы для ЭВМ

№ 2024616122

Программа расчета производительности генератора бинарного льда с индукционным нагревом (межтрубный

зазор 10 мм)

Правообладатель: Егорова Анна Игоревна (Яи)

Автор(ы): Егорова Анна Игоревна (Яи)

Заявка № 2024614247

Дата поступления 04 марта 2024 Г.

Дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 18 Марта 2024 г.

Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности

документ подписан электронной подписью

Сертификат 429ЬбаС^е3853164ЬаТ9бТ83Ь73Ь4аа7 Владелец Зубов Юрий Сергеевич

Действителен с 10.05.2023 по 02.08.2024

Ю.С. Зубов

ЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖ^й

ООО «Со&озХолод»

140050, Московская обл., г. Люберцы, д.п. Красково, ул. 2-я Заводская д. 5, литер Б1, эт.2, каб.17 тел./факс: [phone], e-mail:

г. Москва

23 мая 2024 г.

АКТ

о внедрении результатов диссертации на соискание степени кандидата технических наук Егоровой А.И. «Создание генератора шугообразного льда

Настоящим актом подтверждаем, что результаты диссертационной работы Егоровой Анны Игоревны «Создание генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением» применены в деятельности ООО «СоюзХолод» с 2024 года. Основной профиль организации - разработка и производство промышленного холодильного оборудования.

В диссертации Егоровой А.И. проведено исследование процесса кристаллизации, а также разработан лабораторный образец генератора ледяной шуги, являющийся ноу-хау нашего предприятия. Данный образец имеет лучшие показатели энергетического потребления при аналогичных параметрах ледяной шуги при сравнении со скребковыми генераторами. В дальнейшем планируется наладить серийное производство такого оборудования в составе парокомпрессионного чиллера на ледяной шуге.

с индукционным льдоудалением»

ч </ ; ~Ч.. 140050, Московская обл., г. Люберцы, д.п. Красково, ул. 2-я Заводская д. 5 Б1 ¿=@[©¿#С.€Ы1 ОЁЬ www.souzholod.ru, e-mail: [e-mail], тел./факс: [phone]

Министерство

ВЕРЖДАЮ ¡ый проректор -кч проректор по учебной работе

тво науки и высшего образоващда^аь —— 'Ш'^кЩ---

Российской Федерации

Б.В. Падалкин

Федеральное государственное бюджетное образов;

учреждение высшего образования «Московский государственный технический универс' имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»

_(МГТУ им. Н.Э. Баумана)_

АКТ

о внедрении результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Егоровой Анны Игоревны «Создание генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением» в учебный процесс МГТУ им. Н.Э. Баумана

Настоящим актом подтверждаем, что в учебный процесс кафедры Э4 «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» внедрены результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Егоровой Анны Игоревны «Создание генератора шугообразного льда с индукционным льдоудалением»: описание современного оборудования, расчеты свойств ледяной шуги, методики проведения и результаты теплофизического эксперимента, аспекты проведения вычислительного эксперимента, концепция систем холодоснабжения с шугообразным льдом в качестве хладоносителя и аккумулятора холода, практические рекомендации.

Материалы диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Егоровой Анны Игоревны используются в рамках дисциплины «Теоретические основы холодильной техники» кафедры Э4.

Руководитель Научно-учебного комплекса «Энергомашиностроение», д.т.н., проф.

А.А. Жердев

Доцент кафедры Э4 «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения», к.т.н.

А.С. Кротов