Вакуумный процесс получения воды с околонулевой температурой путем создания водоледяной композиции из чередующихся слоев льда и воды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат технических наук Ахмед Абдэльсалам Абдэльати Хегази

• Ахмед Абдэльсалам Абдэльати Хегази
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ахмед Абдэльсалам Абдэльати Хегази

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1: Экологически безопасные холодильние агенты и их свойства.

1.1 Общая характеристика существующих холодильних агентов

1.2 Вода как рабочее вещество в холодильных машинах.

1.3. Применение воды с околонулевой температурой в различных отраслях промышленности.

1.4. Аналитические и экспериментальные исследования процесса охлаждения жидкости.

1.5. Аналитические и экспериментальные исследования процесса замораживания воды

1.6. Выводы.

Глава 2: Аналитическое описание динамики охлаждения воды до околонулевой температурой в вакумно-холодильных установках.

2.1. Аналитическое описание процесса вакуумно-испарительного охлаждения жидкости с учётом потери её массы.

2.2. Аналитическое описание процесса намораживания водного слоя льда с учётом потери его массы при вакуумной откачке паров влаги

2.3 Выводы.

Глава 3: Опытное исследование режимов работы вакуумно-испарительной холодильной машины для охлаждения воды до околонулевой температуры.

3.1. Экспериментальная установка.

3.1.1 Принцип действия вакуумной холодильной машины.

3.1.2 Технические данные вакуумно-испарительной холодильной установки.

3.2. контрольно-измерительные приборы.

3.2.1. Измерение температуры.

3.2.2.Измерение напряжения, силы тока и мощности.

3.2.3.Измерение давление.

3.3 Методика проведения опытов.

3.4. Тарировка стенда.

3.4.1 Определение эффективной скорости откачки основного вакуумного насоса- компрессора.

3.4.2 Определение эффективной скорости откачки вспомогательного вакуумного насоса.

3.5 Обработка опытных данных и оценка погрешностей.

3.5.1 Погрешности измеряемых величин.

3.5.2 Оценка погрешности отдельных параметров , измеряемых на экспериментальом стенде.

3.6 Выводы

Глава 4: Результаты экспериментальных исследований вакуумного процесса получения воды с околонулевой температурой.

4.1 Экспериментальное исследование вакуумно-испарительного процесса охлаждения воды до околонулевой температуры.

4.2 Экспериментальное исследование вакуумного процесса намораживания слоя водного льда.

4.3 Вакуумный процесс создания водоледяной композиции из чередующихся слоев льда и воды.

4.4 Экспериментальное исследование по охлаждению воды, подаваемой на плитчатую форму льда.

4.5 Выводы

Глава 5: Предложения по практическому применению вакуумного процесса получения воды с околонулевой температурой

5.1 Обоснование применения двухроторных вакуумных насос-компрессоров в холодильных машинах использующих воду как холодильный агент.

5.2. Пример расчета вакуумных холодильных установок для производства ледяной воды.

5.3 Вакуумно-испарительные машины для систем кондиционирования воздуха.

5.4 Сравнение параметров фреонового и вакуумного водоохладителей для получения ледяной воды.

5.5 Выводы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вакуумный процесс получения воды с околонулевой температурой путем создания водоледяной композиции из чередующихся слоев льда и воды»

Потребности в охлажденной до околонулевых температур воды растёт из года в год. Особенно заметен такой рост в сельскохозяйственных районах, где необходимо быстрое охлаждающее воздействие на молоко после доения или на свежевыловленную рыбу при её транспортировке в живом виде в теплоизолированных контейнерах с ледяной водой. Значительная потребность в молочных продуктах существует в странах Ближнего Востока что связано с высокими показателями рождаемости населения.

На сегодняшний день вода с околонулевой температурой находит широкое применение и в химической и пищевой промышленностях, биологии и медицине.

Традиционные методы получения водного льда и холодной воды предполагают применение парокомпрессионных холодильных машин, использующих различные виды холодильных агентов от хладонов и аммиака (13.717) до углеводородов (бутана, пропана и т.д.). Многие из предложенных в последние годы хладонов, имея нулевое воздействие на озоновый слой земли, в то же время отепляют окружающую среду (Я404а, 11410, Ю25, Я 134а). Среди синтетического ряда агентов практически отсуствуют такие, которые безопасны для озонового слоя и не оказывают отепляющего воздействия на среду обитания человека.

В последние годы во многих странах наблюдаются усилия, направленные на разработку экологически чистых хладагентов. Работы ведутся по двум направлениям: во-первых, поиск новых синтетических рабочих веществ для современных парокомпрессионных холодильных машин, во-вторых, подбор и применение в холодильных установках природных рабочих веществ. Разработка новых синтетических хладагентов связана с большими финансовыми затратами и не всегда может гарантировать успех. Второе направление получило развитие в ряде стран с высокими экологическими стандартами. Здесь рассматриваются такие вещества, как аммиак, диоксид углерода(С02), вода, водные растворы солей и спиртов. Это направление интересно и продуктивно, так как все природные вещества совместимы с окружающей средой, они доступны, имеют низкую стоимость,обладают при этом хорошими термодинамическими и переносными свойствами.

Наиболее распространенным, дешевым, совершенным по теплофизическим свойствам является вода. Вода обладает высокой скрытой теплотой парообразования и теплоемкостью. Вода как холодильный агент в системах охлаждения является весьма перспективной для применения в сельском хозяйстве, пищевой промышленности, на транспорте, в промышленном и гражданском кондиционировании.

Вода как холодильный агент имеет низкий уровень рабочих давлений при температурах 0.+20 °С. Как следствие, система должна пропускать большие объемные потоки водяного пара, имея сравнительно высокие коэффициенты сжатия. Существующий парк холодильных компрессоров не может быть использован, поэтому в качестве средств компримирования выбраны скоростные вакуумные насосы компрессоры ротативного действия.

В вакуумных холодильных машинах вода может быть как хладагентом, так и хладоносителем. Это уменьшает стоимость и сложность систем охлаждения. Вакуумные холодильные машины, использующие воду как холодильный агент, отличаются экологической безупречностью, простотой устройства и обслуживания, энергетической эффективностью.

Создание вакуумных льдогенераторов в нашей стране и за рубежом в настоящее время находится в стадии развития. Учитывая потребность сельского хозяйства и малого предпринимательства в подобных машинах малой и средней холодопроизводительности, обоснована необходимость исследований в данной области.

Целью работы является получение экспериментальных характеристик и аналитическое описание теплофизики вакуумного процесса охлаждения воды до околонулевой температуры путем создания водоледяной композиции из чередующихся слоев воды и льда с учетом потерь их массы.

Научная новизна

1- Выполнено расчетно — аналитическое описание вакуумного двухстадийного процесса получения воды с околонулевой температурой:

1.1 Составлена аналитическая модель и получено расчетное уравнение для нахождения времени охлаждения воды от начальной до конечной температуры с учетом потери её массы в условиях вакуумирования герметичной полости.

1.2 Составлена аналитическая модель, позволяющся определить толщину слоя намораживаемого водного льда с учетом потери его массы при вакуумной откачке паров влаги.

2- Получены экспериментальные данные по динамике охлаждения воды до околонулевой температуры методом создания водоледяной композиции путем вакуумной откачки водяных паров из герметичного объема резервуара-испарителя.

3- Выполнены эксперименты по охлаждению отепленной воды, подаваемой на плитчатую форму льда при атмосферном давлении, проведено обобщение опытов.

Практическая значимость работы

Предложена принципиальная схема и создана экспериментальная вакуумная установка для получения воды с околонулевой температурой.

Предложена технология получения водоледяной композиции из чередующихся слоев льда и воды.

Предложена технология охлаждения отепленной воды до околонулевой температуры путем подачи её на плитчатую форму льда при атмосферном давлении.

Получены эмпирические соотношения, позволяющие осуществлять быструю оценку параметров охлаждения воды и замораживания льда.

Проведено сопоставление технико-экономических показателей вакуумной холодильной установки для получения ледяной воды с традиционными фреоновыми холодильными установками аналогичного назначения, выявлено преимущество вакуумных установок по расходу энергии.

Установлена связь между показателем процесса охлаждения жидкости и техническими характеристиками средства вакуумной откачки.

Предложена методика расчета вакуумной холодильной установки с учетом конечной пропускной способности вакуумных коммуникаций и скорости откачки насоса-компрессора. Показана возможность использования в качестве насос-компрессора вакуумной холодильной установки образцов машин, выпускаемых промышленностью РФ.

Апробация работы

Основные результаты диссертации опубликованы в 7 научных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Основные научные результаты работы были доложены и обсуждены на научно-технических конференциях: на междунаронной научно-практической конференции «Повышение безопасности энергетических комплексов, эффективности охраны труда и экологичности технологических процессов» (Астрахань,АГТУ, 2010); на научных конференциях студентов и молодых ученых (Москва, МГУИЭ,2010,2011) и на первой научной международной молодежной конференции «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур» ( Москва, 2010).

Заключение диссертации по теме «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения», Ахмед Абдэльсалам Абдэльати Хегази

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

- На основе физических моделей предложены аналитические описания процессов вакуумного испарительного охлаждения воды и намораживания слоя водного льда с учетом потери их массы.

- Создана программа расчета вакуумного процесса охлаждения жидкостей с определением времени охлаждения жидкости от исходной начальной температуры 1;н до необходимой конечной температуры 1:к с учётом и без учёта потерь массы жидкости. Создана программа расчета вакуумного процесса намораживания водного льда с определением толщины 5 и температуры поверхности льда на границе раздела лёд —пар То с учётом и без учёта потерь массы льда.

- Создана опытная установка для получения воды с околонулевой температурой в вакуумном процессе.

- Разработана инженерная методика расчета вакуумных установок по охлаждению воды и намораживанию слоя водного льда с учетом потери их массы.

- Расхождение между полученными экспериментальными данными и аналитическим расчетом невелико и находится в пределах 4-6 %.

Экспериментально подтверждены энергетические и экологические преимущества вакуумной холодильной установки для получения воды с околонулевой температурой по сравнению с существующими парокомпрессионными холодильными установками, работающими на традиционных холодильных агентах.

- Получены приближенные эмпирические уравнения для оценки времени охлаждения воды и толщины водного слоя льда, намораживаемого в процессе вакуумирования полости испарителя.

- Получены экспериментальна данные и обобщающее их эмпирическое соотношение, дающее оценку максимальной массы воды, подаваемой на плитчатую форму льда для охлаждения её до околонулевого состояния при атмосферном давлении.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ахмед Абдэльсалам Абдэльати Хегази, 2011 год

1. Алекандров Н.А, Маринюк Б.Т., Мелехин Д.В. 11 охлаждение и криогеннойжидкости методом вакумирования " редакция проф.Б.А.Иванов. на кафедре «Холодильная и криогенная техника» Москва 1985.

2. Андрусенко, П.И., Попов Н.И. «Технология рыбных продуктов» 1989г.

3. Бабков В. А. " Ппроизводство и применение льда " — М.: Пищевая промышленность 1977.

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

5. Воронин М.И. и др. Современная модель системы сохранения качества продовольствия и сырья биологического происхождения//Холодильная техника.2009. №6.

6. Витт М. " Природные хладагенты актуальное развитие и тенденции " // Холодильный Бизнес. - 2010. - №9. - С. 48-51.

7. Железный В.П., Хлиева О.Я., Быковец Н.П. Перспективы и проблемы применения углеводородов в качестве хладагентов // Холодильная техника. -2002. №7.-С. 14-16.

8. Калитин К.В., Рукавишников A.M. «Холодильная обработка залог качества рыбы »// Холодильная техника. — 2010. — №1— С. 32—35.

9. Калнинь И. М. , Савицкий А.И. , Пустовалов С.Б. " ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ РАБОЧИЕ ВЕЩЕСТВА 7/ Холодильная Техника. 2007. - №1. -С. 46-51.

10. Калнинь И. М. " Расширение области применения аммиачных холодильных машин '7/ Холодильная Техника. 1996. - №5. - С. 9.

11. Карпенко Э.А., Быкова В.М. «Основы промышленного рыболовства и технология рыбных продуктов.» 1981г.

12. Константинов, Л.И., «Холодильная технология рыбных продуктов. Легкая и пищевая промышленность.» — 1984г.

13. Маринюк Б.Т. Вакуумно-испарительные холодильные установки, теплообменники и газификаторы техники низких температур. М.: "Энергоатомиздат", 2003 г., 208 с.

14. Маринюк Б.Т. анализ средств вакуумной откачки для использования в холодильных машинах с природными хладагентами низкого давления/Холодильная техника, № 6(30), июнь, 2007 г., с. 20-21.

15. Маринюк Б.Т., Крысанов К.С. «Вакуумно-испарительные водо-охлаждающие установки» // Холодильная техника. — 2005 —№10. с. 31-32.

16. Маринюк, Б.Т. «Вакуумно-сублимационная установка для получения водного льда» / Б.Т. Маринюк, А.Е. Ермолаев // Холодильная техника. — 2008. — №3. — С. 36—37.

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

18. Маринюк Б.Т., Сусликов Д.В « Оценка расхода энергии при получении водного льда в холодильных установках различных типов »// Холодильная техника. — 2008. — №12— С. 20—22.

19. Маринюк Б.Т. теплообменные аппараты ТНТ , конструктивные схемы и расчет. М.: Энергоатомиздат. — 2009. - 196 с.

20. Правила устройства и безопасной эксплуатации аммиачных холодильных установок. М.: ВНИИхолодмаш, 1991.

21. Родин Е.М. «Справочник по холодильной обработке рыбы » М.: Пищевая промышленность, 1977.

22. Рыбохозяйственный комплекс России в 2007 году (Белая книга). М.: ВНИЭРХ, 2008.

23. Сакун И. А. «Холодильные машины», 1985 г., 505 с.

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

25. Файнстейн А. «Основы теории информации» Под ред. И. И. Гихмана. М.: Изд-во иностр. Лит. 1960.

26. Цветков О.Б. «Современные хладагенты, хладоносители, и проблемы экологии» // Холодильная техника. 2008. - № 01. - С. 30-36.

27. Цветков О.Б. " Хладагенты и экологическая безопасность" // Холодильная Техника. 1997. - №1. - С. 20-22.

28. Цветков О.Б., Лаптев Ю.А. " ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ХОЛОДИЛЬНОЙ ТЕХНИКИ" // Холодильная Техника. 2007. - №2. - С. 52-54.

29. Шабля, С.Г. разработка двухступенчатого вакуумного охладителя молока / С.Г. Шабля, Н.Н Ивановский // Тезисы докладов всероссийского семинара. Холодильная техника и технология. Краснодар : КНИИХП. -1998.-С. 15.

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

31. Шуйский, К.П. Вакуумные конденсаторы химического машиностроения / Шумский, К.П/Машгиз, 1961.

32. Юшков П.П., Ржевская В.Б. «Намораживание слоя льда заданной толыцины при натекании жидкости на охлажденную цилиндрическую поверхность» ИФЖ., 1974. Т. 27. №4. С. 667-671.

33. Вакуумное оборудование Каталог. - М. ЦИНТИхимнефтемаш, 1981.- 60с.12335. е, перераб и доп. / С.Н. Богданов, О.П. Иванов, А.В. Куприянова. М. : Агропромиздат, 1985.-208 с.

34. Albring, P., Heinrich, G., 1998 «Turbo chiller with water as a refrigerant», IIF/IIR -Oslo, 1998.

35. Cavillini & Steimle, 1998 «Natural working fluids in an historic perspective», «Natural working fluids 98», IIR, Oslo, 1998.-pp. 37-42.

36. Heng-I Lin and Shyan-Fu, Chou «Theoretical model of a thin-film vacuum freezing ice production(VFIP) method»,Journal of the Chinese Institute of Engineers, Vol. 24, No. 4, pp. 463-471 (2001).

37. Hwang Y, Radermacher R. 1999, Experimental investigation of the C02 refrigeration cycle. ASHRAE Transactions, 105: 1219-1228.

38. Houska, S. Podloucky, R. Zitny, R. Gree, J. Sestak, M. Dostal and D. Burfoot, ^Mathematical model of the vacuum cooling of liquids.' Journal of Food Engineering 29 (1996), pp. 339-348.

39. Houska M., Zitny R., Sestak J., Jeschke J. and Burfoot D., "Vacuum cooling process modelling". Czech Journal of Food Sciences 12 (1994), pp. 1-15.

40. Houska M., Podloucly S., Zitny R., Gree R., Sestak J., Dostal M. and Burfoot D., « Mathematical Model of the Vacuum Cooling of Liquids» Journal of Food Engineering 29 (1996) 339-348.

41. Japikse, D., 1996 Centrifugal Compressor Design and Performance, Concepts ETI, 1996.

42. Kuhnl-Kinel, J., 1998 "New Age Water Chillers with Water as Refrigerant", ST Division Cooling and Ventilation Group (ST/CV) CERN, Geneva,, Switzerland, 1998.

43. Lorentzen G. 1994, Revival of carbon dioxide as a refrigerant, International Journal of Refrigeration,vol. 17, number 5,292-301.

44. Marinyuk B.T., Ermolaev A.E., Suslikov D.V. // 8th IIR Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids. September 7—10, 2008, Copenhagen. — Copenhagen, 2008.

45. Ophir, A., Koren, A. «Vacuum Freezing Vapor Compression Process for Maine Cooling», 20th International Congress of Refrigeration, IIR,IIF, Sydney.

46. Petera K., Dostal M.,: "Vacuum cooling of liquids." Mathematical models: review and discussion, in conference CHISA, Srni (2000), in Czech.

47. Paul J. «Compressors for refrigerating plants and ice makers with water as refrigerant», Applications for natural refrigerants, IIR, Aahus, 1996, pp. 577-584.

48. Paul, J.,«Water as Alternative refrigerant», New Applications of Natural Working fluids in Refrigeration and Air Conditioning, IIR, Honnover, 1994, pp. 97-108.

49. Paul J. «STATE-OF-THE-ART FOR COOLING WITH "WATER AS REFRIGERANT" (R 718)», International Congress of Refrigeration,2007, Beijing.

50. Wang, S.K. and Lavan, Z. "Air-Conditioning and Refrigeration"Mechanical Engineering Handbook, Ed. Frank Kreith , Boca Raton: CRC Press LLC, 1999, 161 c.

51. UNEP. Montreal protocol on substances that delete the ozone layer. Final act: data 16 September 1987.- 6p.

52. Binary ice. Breakthrough in Refrigeration Technology. INTEGRAL Energietechnik GmbH. October 1997.