ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ХОЛОДУ

ЖИВИЦЯ Володимир Іванович

УДК 621.56/ .59: 621.56/57

НАУКОВО-ТЕХНІЧНІ ОСНОВИ СТВОРЕННЯ КОНТАКТНИХ

ДИСПЕРСНИХ ВИСОКОШВИДКІСНИХ ОХОЛОДЖУВАЧІВ

ДЛЯ АМІАЧНИХ ХОЛОДИЛЬНИХ УСТАНОВОК

Спеціальність: 05.05.14 – Холодильна і криогенна техніка,

системи кондиціонування

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Одеса – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії холоду, Міністерство освіти і науки України

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки України Чумак Ігор Григорович, Одеська державна академія холоду, професор кафедри холодильних установок, радник ректора.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Голіков Володимир Антонович, професор кафедри теорії автоматичного управління та обчислювальної техніки, Одеська національна морська академія, Міністерство освіти і науки України;

доктор технічних наук, професор Нікульшин, Руслан Костянтинович, професор кафедри холодильних машин, Одеська державна академія холоду, Міністерство освіти і науки України;

доктор технічних наук, професор Радченко Микола Іванович, професор кафедри кондиціонування та рефрижерації, Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Міністерство освіти і науки України.

Провідна організація: Одеський національний політехнічний університет, Міністерство освіти і науки України.

Захист відбудеться “_27_” __09_____ 2004 року о _13.30__ годині в аудиторії 108 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.087.01 при Одеській державній академії холоду Міністерства освіти і науки України за адресою: вул. Дворянська, 1/3, Одеса, Україна, 65026.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ОДАХ.

Автореферат розісланий “_20 ” _08___ 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради

д.т.н., професор В.И. Мілованов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. За останні 10-15 років у холодильній техніці, по суті, відбувся “перегляд цінностей” у відповідь на зрослі, насамперед екологічні й енергетичні, вимоги. В зв’язку з цим відбулося переосмислення перспектив використання холодильних агентів. При розгляді шляхів подальшого розвитку промислових холодильних установок помірного холоду фахівцями був зроблений цілком визначений висновок про те, що для них саме аміак продовжить залишатися основним холодоагентом. Але для цього треба запропонувати такі науково-технічні рішення, які б дозволили істотно підвищити екологічну й експлуатаційну безпеку аміачних холодильних установок шляхом створення малоємних систем з дозованим заправленням, у яких енергетична ефективність повинна зростати, а матеріалоємність і вартість - знижуватися. Поширенню використання аміаку буде також сприяти розчинне в ньому мастило, яке запропоновано в Одеській державній академії холоду.

Одним із перспективних напрямків створення промислових аміачних одно- і багатоступеневих холодильних установок нового покоління, що відповідають зазначеним вимогам, є підвищення ефективності їхніх систем охолодження пари і паромастильних сумішей. Традиційні методи охолодження, що пов'язані із застосуванням охолоджувачів барботажного або поверхневого типу привели до збільшення ємності установок по аміаку, підвищеним енергетичним витратам і вже не задовольняють сучасним вимогам. Очевидно, що для розв’язання цієї проблеми необхідне використання таких технічних рішень, які базуються на нових або маловивчених фізичних ефектах. До останніх відноситься, зокрема, ефект теплової компресії (підвищення повного тиску гальмування потоку), що виникає в процесі контактного дисперсного високошвидкісного охолодження (КДВО) газових (парових) потоків. Відомо його застосування для охолодження вихлопних газів двигунів внутрішнього згоряння шляхом упорскування дрібнорозпиленої води. Однак внаслідок істотного розходження процесів, параметрів і властивостей взаємодіючих речовин широкомасштабне впровадження двофазних струминних апаратів КДВО, що використовують ефект теплової компресії в аміачних холодильних установках неможливе без установлення закономірностей його прояву в конкретних умовах охолодження аміачних і мастильно-аміачних потоків, тобто одно- і двокомпонентних сумішей. Ці закономірності і методологічні підходи до їх визначення повинні складати теоретичну базу проектування контактних дисперсних високошвидкісних охолоджувачів пари і паромастильних потоків і, отже, основу концепції створення аміачних холодильних установок нового покоління. У свою чергу, реалізація останньої неможлива без накопичення й узагальнення досвіду тривалої експлуатації апаратів КДВО в складі холодильних установок різного призначення на підприємствах України і за рубежем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дослідження з проблеми підвищення ефективності і безпеки промислових аміачних холодильних установок протягом декількох десятків років проводяться в Одеській державній академії холоду. Подані в дисертації матеріали узагальнюють результати робіт, виконаних автором за період з 1980 року до цього часу у рамках різних державних науково-технічних програм.

Обраний напрямок досліджень відповідає законам України “Про енергозбереження”, “Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки на період до 2006 року”, він пов'язаний з держбюджетними і госпрозрахунковими НДР № 79024810 (керівник роботи), і МК 00/10 № 0100U003729 (старший науковий співробітник), а також відповідає рішенням і рекомендаціям II Всесоюзної науково-технічної конференції по холодильному машинобудуванню, Москва, 1985; Всесоюзного семінару “Нові технічні рішення для промислових холодильників”, 1991, Таллінн, Естонія; Галузевої конференції “Нове в агропромисловому комплексі”, Тернопіль, 1994; Міжнародних науково-технічної конференцій “Проблеми створення нових машин і технологій”, м. Кременчук, 2001, 2002, 2003 р.р.; 1?3 Міжнародних науково-технічних конференцій "Сучасні проблеми холодильної техніки і технології", м. Одеса, 2001, 2002, 2003 р.р.

Мета і задачі дослідження

Метою є розробка концепції та методології проектування, їх реалізація при створенні малоємних (з дозованим заправленням) промислових аміачних холодильних установок нового покоління на базі високоефективних і безпечних охолоджувачів парових і паромастильних потоків.

Основні задачі наукового дослідження:

- обґрунтувати принцип дії охолоджувачів парових і паромастильних потоків у промислових аміачних холодильних установках нового покоління;

- теоретично обґрунтувати та експериментально дослідити ефект теплової компресії, що виникає при контактному дисперсному високошвидкісному охолодженні парових і паромастильних потоків в аміачних холодильних установках, визначити умови його виникнення і виявити основні закономірності;

- оцінити фактори, що визначають повне і неповне охолодження одно- і двокомпонентних потоків;

- розробити фізичні і математичні моделі охолоджувачів, провести їхню ідентифікацію;

- створити методологію проектування, розробити типорозмірний ряд апаратів контактного дисперсного високошвидкісного охолодження і типові схеми малоємних холодильних установок з такими апаратами;

- запропонувати схемно-конструктивні рішення, впровадити й узагальнити досвід експлуатації ряду охолоджувачів різного функціонального призначення: проміжного охолодження пари, охолодження мастила в установках із ґвинтовим компресором, кінцевого охолодження пари в промислових аміачних холодильних установках середньої і великої потужності, що працюють за різними схемами.

Об'єкт дослідження – процеси охолодження перегрітої пари аміаку і мастильно-аміачної суміші в промислових аміачних холодильних установках.

Предмет дослідження – параметри процесу контактного дисперсного високошвидкісного охолодження потоку перегрітої пари аміаку або масляно-аміачної суміші, яке супроводжується ефектом теплової компресії в спеціальних двофазних струминних апаратах, їхні експлуатаційні характеристики в складі промислових аміачних холодильних установок.

Методи дослідження:

-

-

-

-

-

-

-

Наукова новизна отриманих результатів

Наукове положення, що захищається в роботі, сформульовано в такому вигляді.

Контактне дисперсне високошвидкісне охолодження є основою для створення ефективних і безпечних охолоджувачів перегрітої пари і паромастильних сумішей аміаку з якісно новими і більш високими у порівнянні з барботажними й поверхневими охолоджувачами за енергетичними, екологічними, експлуатаційними та масогабаритними показниками, які забезпечують створення малоємних (з дозованим заправленням) промислових аміачних холодильних установок нового покоління.

Наукові результати із визначенням ступеня новизни й відмінності від раніше відомих, сформульовано в такому вигляді.

1.

2.

3.

4.

5.

Практичне значення отриманих результатів

Розроблено методологію проектування апаратів КДВО перегрітої пари і паромастильних сумішей аміаку, яка забезпечує створення малоємних (з дозованим заправленням) промислових аміачних холодильних установок нового покоління.

Запропоновано типові схемно-конструктивні рішення і розраховано типорозмірний ряд апаратів КДВО. Технічні рішення захищені авторськими посвідченнями на винахід.

Встановлено обмеження по швидкостях потоків, виходячи з яких проектуються проточні частини апаратів КДВО.

Запропоновано узагальнену класифікацію двофазних струминних апаратів зі зміною агрегатного стану одного з потоків, що дозволяє комбінацією різних варіантів одержувати апарати КДВО відповідного функціонального призначення для промислових аміачних холодильних установок.

Розроблені апарати КДВО мають якісно нові і більш високі показники у порівнянні з барботажними і поверхневими охолоджувачами та забезпечують

Ш

-

-

-

Ш

-

-

-

Ш

-

зниження на 10...30 % об’єму заправлення традиційних аміачних холодильних систем.

Результати і матеріали дисертаційних досліджень автор використовував при розробці документації, у розрахунках і практичному їхньому впровадженні на Україні: сироробний завод в м. Пирятин Полтавської області; міськмолзаводи в м.м. Бердянськ Запорізької області; Одеса; Кіровоград; міські холодильники в м.м. Дрогобич Львівської області; Ізмаїл Одеської області; холодокомбінат № 2 м. Одеса; м'ясокомбінати в м.м. Харків; Червоний Промінь Харківської області; Горлівка Донецької області; Тернопіль; Первомайськ Миколаївської області; проекти холодильників у м.м. Чугуїв, Вовчанськ, Стаханов, Ватутино й інші, всього 22 організації;

Росії: розподільчий холодильник м.Тольятти; рибокомбінат сел. Черский, Нижньоколимського району, республіка Саха Якутія; холодокомбінат та Уральське спецпідприємство, цех № 5, м. Пермь; СПНУ м. Бєлгород; Крайове об'єднання “Росмясомолторг”, м. Краснодар; СМНУ “Проммонтажавтоматика” сел. Красково Люберецького району Московської області; Центральний ПКІ “Гипромясомолпром”, м. Москва й інші, всього 15 організацій;

Білорусії: міськхолодильник м. Брест, молокозавод м. Береза; маслосирзавод, м. Столин Брестська область; молочний комбінат м. Барановичі і м. Пінськ; м'ясокомбінат м. Слуцьк і інші, всього 7 організацій;

у Молдавії: м'ясокомбінат м. Бєльці; СПНУ м. Кишинів;

в інших країнах СНД і далекого зарубіжжя:

- розподільчий холодильник, м. Кустанай, Казахстан,

- м'ясокомбінат, м. Каінда, Киргизія,

- молочні комбінати в м. Пайде і м. Тарту, Естонія,

- фірма “Gramm Refrigeration”, Данія, для двоступеневого компресора НСТ 8075,

- концерн “Frigoscandia”, Швеція, для автономної аміачної системи з дозованим заправленням,

- виставка екологічної техніки і технологій, Берлін, Німеччина, 2000 рік,

- проект “Joule-2”, дослідницький холодильний центр Брістольського університету, Англія (FRPERC, Langford, University of Bristol, UK), 1996 рік.

Матеріали дисертаційних досліджень, крім того, ввійшли в довідник “Теплообменные аппараты холодильных установок” / Г.Н. Данилова, С.Н. Богданов, О.П. Иванов, Н.М. Медникова, Э.И. Крамской / Под ред. Г.Н. Даниловой. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986. – 303 с., у два видання підручника “Холодильні установки” для студентів вищих навчальних закладів, під ред. проф. Чумака И.Г., Київ.: “Либідь”, 1995, т. 2.- 223 с. і Одеса.: “Рефпринтинфор”, 2003.- 532 с., у методичні вказівки для курсового і дипломного проектування, використані за період 1988-2003 роки приблизно в 50 дипломних проектах, а також відбиті в ряді лекційних курсів, що читаються в ОДАХ.

Особистий внесок здобувача

Внесок полягає в розробленні і реалізації концепції створення малоємних (з дозованим заправленням) промислових аміачних холодильних установок нового покоління на основі КДВО пари і паромастильних сумішей з ефектом теплової компресії, постановці задач дослідження, одержанні експериментальних даних, розробці фізичних і математичних моделей, методології проектування апаратів КДВО і методик розрахунку їхніх конструктивних параметрів, обґрунтуванні висновків, одержанні наукових результатів, підтвердженні їхньої вірогідності; конкретний особистий внесок при спільних публікаціях приведений для кожного випадку після списку основних праць наприкінці автореферату.

Апробація результатів дисертації

Основні результати апробовані на II Всесоюзній науково-технічній конференції з холодильного машинобудування (м. Москва, 1985); науково-технічному семінарі “Надійність холодильного і технологічного устаткування” (м. Калінінград, 1980); семінарі “Наука - агропромисловому комплексові” (м. Кишинів, 1981); 5 національному з'їзді з міжнародною участю Норвезького суспільства холодильщиків (Хаугесунд, 1983); V міжнародної науково-технічної конференції по холодильній техніці “Розвиток холодильників і холодильних машин” (НРБ, Пловдів,1986); meeting of comission B2,C2,D1, D2/B3 of the International Institute of Refrigeration, Dresden, Germany, 1990); Всесоюзному семінарі “Нові технічні рішення для промислових холодильників” (м. Таллінн, Естонія, 1991); Всесоюзної конференції “Холодильна техніка – промисловості” (м. Ленінград, 1991); XVIII International Congress of Refrigeration (Montreal, Canada, 1991); International simposium ”New application of refrigeration to fruit processing“, Istanbul, Turkey,1994; Республіканської конференції “Нове в агропромисловому комплексі” (м. Тернопіль, 12 –14 грудня 1994 року); 1 Української конференції з автоматичного керування “Автоматика - 94” (Київ, 18-23 травня 1994); 60-й наукової конференції “Теорія і практика вузівської науки” (ОГАХ, Одеса, 1995); IV міжнародної конференції по екології (ОГАХ, Одеса, 1995); Республіканському семінарі по обміні досвідом експлуатації холодильних установок по компаундних схемах для м’ясомолочної промисловості (Брест - Береза, Білорусія, 1995); міжнародній науково-технічній конференції “Холод і харчові виробництва” (Санкт-Петербург, 1996); науково-технічному семінарі “Перспективи впровадження енергозберігаючих технологій та обладнання на підприємствах Одещини, “Споживаймо Енергію Розумно” 1-2 листопаду 2000; Ювілейній науковій конференції присвяченої 80-річчю ОДЕУ (25-27 квітня 2001 р.); 8-ій Міжнародній конференції з автоматичного управління (10-14 вересня 2001р., м.Одеса); Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми створення нових машин і технологій” (15-17 травня 2001р., м. Кременчук); 3-й Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії” (10-14 жовтня 2001 р., м. Львів); Міжнародних конференціях з сучасних проблем холодильної техніки ( 2001-2003 р.р., м. Одеса);

у виді лекційного курсу автора щодо двофазних струминних апаратів у холодильній техніці для викладачів, науковців і аспірантів кафедри холодильної техніки Норвезького технічного університету, завідувач – професор Gustav Lorentzen (м. Трондхейм, Норвегія), жовтень 1983 – березень 1984 р.м., кафедри холодильної і криогенної техніки Сіанського національного Джаода університету, завідувач – професор Wu Ejeng (м. Сіань, Китай), жовтень 1993 – березень 1994 р.м., Херрик лабораторії Пурдью університету, директор – професор Robert Bernhard (м. Лафает, США), лютий - червень 2003 р., навчального і дослідницького холодильного центра Іллінойського університету, співдиректори: професор Anthony Jacoby і професор Pega Hrnjak (м.м. Урбана - Шампейн, США), квітень 2003 р., у виді окремих лекцій, прочитаних за період 1984-2003 р.м. в Україні в містах: Харків, Одеса, Запорожжя, Луганськ, Київ, Миколаїв, Сімферополь, Львів, у країнах - Данії, Болгарії, Англії, США, а також у вигляді доповідей на науково-практичних семінарах і консультування проектантів Львівського відділення ПКБ “Укроптм’ясомолторга”, травень 1992 року, м. Львів; співробітників компресорного цеху м'ясокомбінату в м. Первомайську Миколаївської області, червень 1993р.; бригади монтажників холодильного устаткування м'ясокомбінатів і молокозаводів у м.м. Горлівка Донецької області; Бердянськ Запорізької області; Бєльці, Молдавія; Ізмаїл і с.м.т. Ширяєво Одеської області і деяких інших, за період 1985-2001 роки, при особистих зустрічах і дискусіях з багатьма українськими фахівцями і вченими, а також закордонними професорами, відомими своїми досягненнями в області холодильної техніки, такими як: G. Lorentzen, A. Bredesen (Норвегія); S. James, F. Pearson, A. Gigel (Англія); Wu Ejeng (Китай); A. Lindborg (Швеція); H. Krause (Німеччина); S.Touberg (Нідерланди); L. Ambs, R. Cohen, J. Braun, W. Stoeckert, C. Bullard, W. Soedel, S. Garimella, I. Mudavar (США).

Публікації

Результати дисертації опубліковані в 55 друкованих працях, у тому числі 25 у наукових фахових спеціальних виданнях України й інших країн, визначених ВАК (без співавторів 14), 18 тез доповідей (без співавторів 6), здобуто 8 авторських свідоцтв на винаходи і 2 патенти України.

Структура дисертації

Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, і додатків, повний обсяг складає 355 сторінок, у тому числі ілюстрацій - 69, таблиць - 14, додатків - 2, викладених на 25 сторінках, список використаних літературних джерел містить 160 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність і доцільність роботи для подальшого розвитку промислових аміачних холодильних установок, сформульовано мету і задачі дослідження, показано зв'язок обраного напрямку досліджень з державними програмами, наведено захищаєме наукове положення, яке узагальнює отримані нові наукові результати, наведено дані про їх практичне використання, показано особистий внесок здобувача, названі місця апробацій результатів досліджень, перелічено публікації за темою дисертації та описано її структуру.

У першому розділі проведено аналіз стану і тенденцій розвитку промислових аміачних холодильних установок на сучасному етапі. Показано, що відповідно до рішень 21-го Міжнародного конґресу по холоду в серпні 2003 року, інших міжнародних і вітчизняних організацій аміак продовжує залишатися основним холодоаґентом в установках штучного холоду промислового застосування, оскільки до цього часу поза конкуренцією перебувають його техніко-економічні й екологічні властивості, навіть незважаючи на його токсичність і вибухонебезпечність. В Україні аміачні холодильні установки в промисловості становлять 98 % у системі “Укроптм’ясомолторга”, 60 % - у м'ясній, 50 % - у кондитерській, 80% - у виробництві пива та напоїв, 70 % - в овоче- і фруктосховищах. Технічний стан більшості установок, введених в експлуатацію 20-30 років тому на сьогодні можна оцінити як небезпечний, кількість аварій з важкими наслідками і загибеллю людей продовжує зростати, значна кількість аміаку, заправленого в холодильні системи, які розташовані в міській зоні, створює реальну загрозу виникнення надзвичайних ситуацій і техногенних катастроф.

Раціональним напрямком модернізації таких установок є зниження їх аміакоємності, перехід на системи з дозованим заправленням при необхідному співвідношенні маси аміаку до холодильної потужності на рівні 0,02...0,5 кг/кВт, впровадження принципово нових технічних рішень і технологій, що дозволяють не тільки істотно підвищити безпеку систем, але й знизити експлуатаційні витрати.

Докладно розглянуто так званий “запит практики” при проектуванні й експлуатації промислових аміачних холодильних установок, на який було вказано в роботах Цибанова В.С., Герасімова Н.А., Чумака І.Г., Калніня І.М., Розенфельда Л.М., Голікова В.А., Сенягіна Ю.Я. та інших. Цей запит послужив відправним моментом для виконання даного науково-прикладного дослідження і полягає в такому.

Статистика аварій на промислових аміачних холодильних установках свідчить про те, що найважча аварія – гідравлічний удар була й залишається основним видом аварій і становить приблизно 75 % від їх загальної кількості, а в багатоступеневих установках більше половини з них припадає на компресор ступені високого тиску, тобто після проміжного охолоджувача (промпосудини). Існуюча система захисту від вологого ходу і гідравлічного удару по суті, припускає контроль за аварійно високим рівнем рідкого аміаку в тому ресивері, з якого холодильний компресор має всмоктувати виключно аміачну пару.

Проведений в даному розділі аналіз причинно-наслідкових зв'язків виникнення й розвитку аварійних ситуацій, енергетичних і масоґабаритних характеристик показав, що саме наявність значної маси (рівня) рідкого аміаку на лінії зв'язку ступенів стиску, особливо при змінному тиску в ПП, є основною причиною його недоліків, а саме:

- при різкому спаді тиску пари над поверхнею насиченого рідкого аміаку в перехідних процесах спостерігається явище скипання (самовипару), що супроводжується пароутворенням по всьому об’єму без підведення теплоти ззовні та неконтрольованим зростанням (“набряканням”) рівня в розглянутому ресивері, тобто з'являється істотна різниця між масовим і фізичним рівнями холодоаґенту. Відсутність контролю за рівнем в даному перехідному процесі пояснюється тим, що чуттєвий елемент поплавкового датчика тоне в утворюваній парорідинній емульсії та не може подати сигналу захисту для вимикання електродвигунів компресорів двоступеневої установки, надійність такої системи захисту має неприпустимо низьке значення на рівні 0,6...0,7, сам апарат по каналу реґулювання рівня властивості самовирівнювання не має;

- втрати тиску при повному проміжному охолодженні потоку перегрітої пари аміаку між ступенями стиску шляхом його барботажу через шар рідкого аміаку в ПП принципово непереборні і становлять, за даними різних авторів, 10...12 % від величини проміжного тиску, що відповідає 2...3 ґрадусам за температурою насичення при цьому тиску і призводить до зростання величини питомих витрат електроенергії на вироблення холоду для такої установки приблизно на 3...5 %. Для цілей проміжного охолодження витрачається значна кількість рідкого аміаку, що одержується в конденсаторі: так, на одну одиницю масової витрати в компресорі СНТ, його значення в компресорі СВТ, залежно від режиму, дорівнює 1,26...1,32;

- склався глухий кут для розробників при створенні систем з дозованим заправленням і реалізації сучасних вимог для співвідношення - маса холодоаґенту/холодильна потужність, оскільки нормативне заповнення рідким аміаком тільки такого апарату як ПП становить 50 % від його об’єму. Наприклад, традиційний барботажний проміжний охолоджувач потребує близько 500 кг аміаку для аґрегату потужністю 300 кВт;

- для проґресивних компаундних систем потрібні спеціальні ресивери, що комбінують функції ПП і ЦР, які вітчизняна промисловість не випускає;

- традиційні барботажні охолоджувачі мають значні масоґабаритні і вартісні характеристики, їх монтаж досить складний.

Аналіз схемних рішень і практики експлуатації було проведено для охолоджувачів мастила ҐМК. Показано, що, крім відомих традиційних водяних або термосифонних систем, існують принципово інші, альтернативні технології охолодження й відділення мастила, які також мають позитивні і неґативні сторони. Виходячи з пріоритетності розв’язання проблем екології, енергетики і економіки, остаточне рішення при обранні способу охолодження мастила для ҐМК передбачається одержувати у вигляді розумного компромісу на базі порівняння приведених витрат за відповідними їх варіантами.

В результаті аналізу був зроблений висновок про те, що існуючі традиційні рішення вузла охолодження парових і паромастильних потоків у промислових аміачних холодильних установках зайшли в суперечність зі зрослими вимогами до холодильної техніки. Для розв’язання цієї проблеми було запропоновано застосувати контактне дисперсне високошвидкісне охолодження в потоці шляхом впорскування в цей потік дрібнорозпиленого рідкого аміаку. Відповідно до наслідку закону обернення впливів, таке відведення теплоти від потоку для дозвукових швидкостей супроводжується явищем теплової компресії. Процес охолодження організується в спеціальному двофазному струминному апараті (СА), іноді називаному тепловим соплом (термопресором). Оскільки ключове значення в таких апаратах має зміна аґрегатного стану одного з потоків, то становить певну зацікавленість запропонована в роботі їх узагальнена класифікація, в якій за основу взята зазначена ознака. Наступним кроком було подано розширену класифікацію саме двофазних СА за кількістю компонентів, які беруть участь у процесі, що дозволило систематизувати під цим поглядом вже існуючі типи таких апаратів й окреслити шляхи подальшого наукового дослідження в цій галузі.

Проведено цілеспрямований огляд значної кількості досліджень у згаданій галузі, це насамперед роботи Соколова Е.Я., Зингера Н.М., Жадана С.З., Нікульшина Р.К., Фісенко В.В., Шаманова Н.П., Дядика А.Н., Лабінського А.Ю., Філіппова Г.А., Степанова И.Р., Чудінова В.И., Михайлівського Г.А., Шляховецького В.М., Радченко М.І., Shapiro A.N., Wadleigh K.R., Gavril B.D., Fowl A.A. та інших авторів, в яких розглянуті питання течії потоків у каналах енергетичного устаткування при різних видах впливів. Проведений огляд науково-технічної літератури показав, що, очевидно, інформації про вивчення явища теплової компресії для аміачних холодильних установок бракує. Відомі подібні теплообмінні апарати, які використовують це явище, були застосовані для охолодження вихлопних газів двигунів внутрішнього згорання за допомогою впорскуємої води. Аналіз і порівняння з наявними результатами привели до висновку про необхідність проведення дослідження таких апаратів для аміачних холодильних установок, оскільки при їх конструктивній подібності, процеси, параметри, властивості використовуваних речовин відрізняються істотно. Брак теоретичної бази для проектування апаратів КДВО і насамперед даних про закономірності процесів при високошвидкісних режимах течії охолоджуваних потоків, їх структурі, склади й інші параметри утруднює розробку всього комплексу технічних рішень, що забезпечують істотне підвищення безпеки експлуатації, економію енергетичних та матеріальних ресурсів.

З урахуванням викладеного була сформульована мета дисертаційної роботи і поставлені конкретні задачі наукового дослідження. Розв’язання сформульованої науково-прикладної проблеми – конфліктної ситуації, що виникає та існує об'єктивно, виконували за наявності двох умов: необхідної – потреби у розв’язанні, та достатньої – формулювання ідеї дослідження.

У другому розділі розглянуто системний підхід вивчення контактного дисперсного високошвидкісного охолодження, як експертизу на відповідність і несуперечність фізичним законам, відомим аксіомам, прийнятих в даному дослідженні ідей та гіпотез, обґрунтовано вибір основних методів досліджень.

Можливість перебігу процесу з підвищенням повного тиску потоку при його випарному контактному охолодженні вперше теоретично було показано понад 50 років тому. При інтенсивному відведенні теплоти і відповідній організації робочого процесу виявляється можливим не тільки істотно зменшити опір каналу, але й збільшити повний тиск в потоці, при чому за рахунок переважного теплового впливу (відведення теплоти) відбувається стиснення газового (парового) потоку.

Основні елементи, з яких складається апарат КДВО (рис. 1), уявляють собою сопло -1, в якому гарячий сильно перегрітий газ (пара) прискорюється; секцію випаровування - 2, у якій газ (пара) охолоджується і випаровується основна частина рідини, яка впорскується пристроєм - 3, що вводить дрібнорозпилену рідину у високошвидкісний потік газу (пари); дифузор - 4, де потік газу (пари) гальмується і його статичний тиск збільшується.

Хоча такий двофазний струминний апарат (термопресор) простий за конструкцією, фізичні процеси, що відбуваються в ньому, винятково складні при детальному розгляді. Одночасно мають місце ефекти взаємодії потоку пари (газу) із краплями рідини, випаровувальне контактне охолодження, зміна площі поперечного перетину, тертя об стінки каналу – усе це призводить до найрізноманітніших режимів його роботи, включаючи маловідомий перехід від дозвукових до надзвукових швидкостей в каналі постійного перетину.

Рівняння (1), що дало підставу для розробок, приведених у дисертації і відоме зараз як наслідок закону обертання впливів, було отримано в 1946 році відомим радянським вченим В.А. Вулісом, а в 1947 році незалежно від нього - американськими професорами з Массачусетського технологічного інституту Шапіро А. і Хавторном В. Воно показує, як ізоентропійний тиск гальмування потоку змінюється під впливом різних зовнішніх впливів, які, в свою чергу, змінюють стан розглянутого потоку.

(1)

Це рівняння, одержане на основі фундаментальної системи рівнянь безперервності, збереження моментів та енергії для ідеального газу, є результатом одномірного аналізу простої моделі, для якої зовнішні впливи містили в собі: зміни температури гальмування, тертя об стінки каналу, рівномірно розподілене впорскування і випарювання рідини з відповідними змінами параметрів газової (парової) фази.

Критерій для підвищення тиску гальмування записується як

(2)

З (2) випливає, що рідину треба вибирати з досить значною схованою теплотою фазового переходу. Найбільш підходять для цього вода або, наприклад, аміак, деякі фреони.

У дисертації розглянуто одномірну модель апарату при таких допущеннях: потік є одномірним, у радіальному напрямку параметри газу або хмари крапель не змінюються, усі краплі однакові за формою і розміром; оскільки розпилення відбувається дуже швидко, то у вхідному перетині секції випаровування сферичні краплі рівного розміру рівномірно розподілені в цьому перетині для властивостей газового потоку і хмари краплин зміни їх параметрів будуть наслідками від тертя об стінки; зміни площі поперечного перетину; гальмування крапель, теплообміну і випаровування.

Для нескінченно малого інтервалу dz аналіз ґрунтується на розв’язанні системи таких рівнянь:

-

-

-

Результати розрахунків у дисертації показано у вигляді коефіцієнтів взаємовпливу. Наприклад, можна простежити поводження потоку при зміні площі поперечного перетину, теплообміні при випаровуванні, терті об стінки і прискоренні краплі.

З огляду на здобуті результати, стає можливим уявити феноменологічну (фізичну) модель і спробувати пояснити поводження потоку в апараті КДВО. Для охолоджувача, що має довгу секцію випаровування з постійною площею поперечного перетину і дозвукове число Маха в площині впорскування (рис. 2), де газ тече з високою швидкістю і температурою, а рідина впорскується з меншою швидкістю і температурою, виділяють режим I – перевага лобового опору краплі. Режим II – перевага процесу випаровування краплі. Оскільки різниця швидкостей між газом і рідиною зменшується, то досягається точка, в якій явища, супроводжуючи випаровування, переважують явища лобового опору краплі. У режимі II число Маха зменшується, статичний тиск і тиск гальмування збільшуються, швидкість газу зменшується, статична температура і температура гальмування зменшуються.

Режим III – перевага тертя об стінки. До кінця режиму II швидкість випаровування знижується, оскільки площа поверхні краплі зменшується, крім того, різниця швидкостей і температур рідини й газового потоку, що раніше сприяли тепло- і масообміну, тепер також зменшуються. Тоді, зрештою, знаходиться така межа, після якої тертя об стінки, що було раніше непомітним, тепер починає переважати. Важливо підкреслити, що режиму III у правильно спроектованому термопресорі слід уникати.

Викладені теоретичні результати дозволили сформулювати загальні вимоги для конструювання частин і систем апарата КДВО. Так, були розглянуті парове сопло (конфузор), камера випаровування, дифузор, система впорскування рідини, вплив тиску, температури пари й рідини, співвідношення пара-рідина, тертя.

Аналіз нашого досвіду експлуатації, а також ті нечисленні дані в технічній літературі щодо апаратів КДВО, обумовили вибір методів дослідження, що зазначені в загальній характеристиці роботи.

У третьому розділі розглянуто питання моделювання контактного дисперсного високошвидкісного охолодження стосовно умов аміачних холодильних установок. Перед математичним моделюванням проведена побудова фізичної моделі охолодження потоку перегрітої пари між ступенями стиску в промисловій аміачній холодильній установці, визначені особливості перетворення енергії в двофазних струминних апаратах і можливості ефекту теплової компресії для циклу (рис. 3) двоступеневої аміачної холодильної установки помірного холоду з апаратом КДВО.

Так, з урахуванням розглянутих допущень та умов в ідеалізованому апараті КДВО для тиску було розв’язано рівняння (1)

, (3)

або . (4)

Урахування втрат тиску в апараті, викликаних тертям було проведено як сума складових його ділянок

. (5)

Аналізуючи режимні фактори, слід зазначити, що апарат КДВО працює ефективніше при нижчих температурах кипіння і вищих температурах конденсації. Значний вплив на роботу апарату здійснюють конструктивні чинники, які визначають число Маха на вході в секцію випаровування. При низьких числах М швидкість цього процесу незначна, що призводить до збільшення довжини ділянки випаровування, відповідно до зростання втрат енергії на тертя. З підвищенням числа М відбувається більш інтенсивне випаровування на завдовжки меншій ділянці секції при відносно менших втратах на тертя. Однак для кожного ряду початкових параметрів існує максимальне значення М, перевищення якого може призвести до встановлення надзвукових швидкостей, утворення стрибків ущільнення і значних втрат енергії. Результат зниження втрат тиску на лінії зв'язку ступеня низького і високого тисків можна оцінити за графіками холодопродуктивності й споживаної енергії від температури кипіння.

Позитивний ефект від застосування термопресора спостерігається за рахунок усунення втрат тиску при барботажі й одержанні теплової компресії; так, розрахункове значення підвищення повного тиску потоку становить приблизно 0,5 % від величини проміжного тиску, але не це є метою застосування апарата КДВО (термопресора). Головне його призначення полягає в тому, що він являється високоінтенсивним малоґабаритним охолоджувачем потоку пари, який дозволяє усунути основні згадані вище недоліки проміжних охолоджувачів барботажного типу (промпосудин). Крім того, позитивний ефект виражається в підвищенні холодильного коефіцієнту на 3...5 %

і зменшенні масоґабаритних показників приблизно на два порядки. Здобуті дані дозволили визначити геометричні характеристики, провести конструктивне пророблення проточної частини і систем розпилу аміаку. При вибиранні геометрії проточної частини термопресора необхідний розумний компроміс між суперечливими вимогами: з одного боку, - збільшувати швидкість потоку для досягнення максимального ефекту теплової компресії, з іншого боку, - зменшувати швидкість потоку через утрати на тертя об стінки каналу, але при цьому на всіх швидкостях має досягатися й утримуватися дисперсний режим течії. Швидкісна характеристика потоку у вигляді числа Маха була застосована при визначенні проточної частини апарата. Використовуючи дані розрахунку циклу, аналогію між властивостями води й аміаку за густиною, в'язкістю, поверхневим натягом, питомій теплоті паротворення, можна зробити висновок про те, що здійснення краплинно-зваженого дисперсного режиму відбувається, якщо швидкість потоку нагнітаємої пари відповідатиме умові М > 0,2. Величина ? залежить від геометричних співвідношень і якості виготовлення стінок апарата, її значення мають бути якомога меншими при виконанні пропонованих технологічних вимог. Розрахунки показали, що при числах Маха понад 0,8 різко зростають втрати на тертя, що починає перевищувати піднімання тиску через ефект теплової компресії. Таким чином, рекомендований діапазон М лежить усередині зазначених вище меж.

Визначальним чинником для всіх контактних дисперсних високошвидкісних охолоджувачів є швидкість процесу випаровування охолоджувальної рідини, що особливо важливо при використанні таких охолоджувачів у аміачних холодильних установках, бо відповідно до правил техніки безпеки впорскування в усмоктувальну лінію компресора заборонено, оскільки через небезпеку вологого ходу або гідравлічного удару зовсім неприпустима наявність рідкого холодоаґенту на лінії всмоктування і далі в порожнині стискування компресора або в мастиловідділювачі ґвинтового компресора, крім того, сама вартість сконденсованого холодоаґенту високого тиску досить висока. В Інституті технічної теплофізики Національної академії наук України під керівництвом академіка Долинського А.А. були розроблені теоретичні і прикладні основи нового напрямку в теплотехнології, що дозволяє істотно інтенсифікувати тепломасоперенос у багатофазних нерівноважних системах шляхом реалізації принципу дискретно-імпульсного введення і трансформації енергії (ДІВТЕ).

Аналіз показує, що в аміачних холодильних