ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОБУДУВАННЯ

ім. А.М. ПІДГОРНОГО

Михайленко Тарас Петрович

УДК 536.421.48+532.785

МІЖФАЗНИЙ ТЕПЛОМАСООБМІН

У ГЕНЕРАТОРІ ВОДЯНОЇ ШУГИ ПРИ ВИПАРНОМУ

ОХОЛОДЖЕННІ РОЗСОЛУ

Спеціальність 05.14.06 – Технічна теплофізика та промислова

теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті

ім. М.Є.Жуковського “ХАІ” Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий

співробітник, Петухов Ілля Іванович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є.Жуковського “ХАІ”,

доцент кафедри аерокосмічної

теплотехніки;

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Фокін Віталій Сергійович,

Національний технічний університет “ХПІ”,

професор кафедри теплотехніки;

кандидат технічних наук, доцент,

Потапов Володимир Олексійович,

Харківський державний університет

харчування та торгівлі, доцент кафедри

енергетики та фізики;

Провідна установа: Інститут технічної теплофізики НАН України,

відділення тепломасообмінних процесів і пристроїв, м. Київ

Захист відбудеться “23” лютого 2006 року о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.180.02 в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського 2/10.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського 2/10.

Автореферат розісланий “20” січня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук О.Е. Ковальський

Загальна ХАРАКТЕРИСТИКА роботи

Актуальність теми. Вивчення процесів тепло- і масообміну, що протікають при випарному охолодженні рідини з наступною її кристалізацією становить інтерес в різних областях техніки.

Виморожуванням одержують концентрати соків з вмістом сухих речовин 40-50% і придатні для сепарування кристали льоду. При цьому вакуумні кристалізатори прямого охолодження, в яких добір теплоти кристалізації забезпечується шляхом випару під вакуумом деякої частини води, що міститься в рідині, енергетично і економічно ефективніше в порівнянні з кристалізаторами інших типів. Вакуумні кристалізатори прямого охолодження використовуються також для опріснення морської води.

Технологія використання водяної шуги або рідкого льоду (РЛ), текучої суспензії води або водяного розчину з дрібними кристалами льоду, обумовила значний прорив у холодильній техніці стосовно енергозбереження й гарантувавння екологічної безпеки. В установках з вакуумуванням рідини реалізується парокомпресійний холодильний цикл, де як холодоагент використовується вода. Для об'єктів з температурним режимом близько 0 С такі системи можуть перевершувати за ефективністю традиційні фреонові рефрижератори.

Додаткові переваги використання РЛ пов'язані з можливістю акумулювання холоду, що дозволяє встановлювати холодильне устаткування меншої потужності й вартості та використовувати пільгові нічні тарифи на електроенергію. Крім того, підвищення холодоресурсу РЛ у 4...6 разів у порівнянні з водою або розсолом дозволяє зменшити діаметр труб, площу поверхні теплообмінників та витрати на прокачування теплоносія. Швидке плавлення дрібних кристалів льоду гарантує стійке й точне регулювання температури системи.

Зазначені властивості РЛ роблять вигідним його застосування для кондиціонування повітря, швидкого охолодження плодів і овочів, у процесах переробки м'ясної сировини, на молокопереробних, сиро- й пивоварних заводах, у рибній промисловості (безпосередньо на судах і березі), при транспортуванні швидкопсувних продуктів і в оснащенні торгових вітрин. Намітилися можливості використання РЛ для охолодження інструментальних засобів і стиснутого повітря, у хімічних технологіях, при розділенні масляно-водяних сумішей та ін.

Для створення технологій, заснованих на випарному охолодженні з насту-п-ною кристалізацією рідини, необхідно вивчити закономірності й достовірно описати процеси зародження та росту кристалів, тепломасообміну при кристалізації рідини з урахуванням впливу на ці процеси її властивостей, що залежать від концентрації розчинених у ній речовин. При цьому слід вирішувати задачу тепломасообміну відразу трьох дотичних фаз. Через складність зазначених процесів методи розрахунку установок для виробництва рідкого льоду при вакуумуванні рідини ще не створені, тому дослідження в цьому напрямку є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в період з 2000 по 2005 р. у межах досліджень відповідно з фундаментально-пошуковими темами кафедри “Аерокосмічна теплотехніка” Національного аерокосмічного університету ім. Н.Е. Жуковського “ХАІ”, НДДКР згідно з основними напрямками комплексної державної програми енергозбереження України, затвердженої постановою КМ №148 від 05.02.1997р., а також відповідними програмами та планами ВАТ “Мотор Січ” стосовно раціонального використання і економії енергоресурсів. Тема дісертації відповідає напрямкам наукових досліджень і навчальної діяльності кафедри.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є встановлення закономірностей міжфазного тепломасопереносу при одержанні водяної шуги в установках з вакуумуванням розсолу та розробка на цій основі методу розрахунку процесів, що протікають у такому обладнанні.

Для досягнення цієї мети у роботі були поставлені і вирішені такі задачі:

1. Розробити фізичну модель процесу кристалізації в об'ємі вакуумованої рідини.

2. Експериментально дослідити вплив концентрації розсолу NaCl і режимних параметрів на процес об'ємної кристалізації рідини при вакуумуванні парового простору, одержати емпіричну кореляцію щодо коефіцієнта збільшення площі міжфазної поверхні, що замикає модель розрахунку процесу.

3. Розробити метод розрахунку параметрів робочого процесу установок для виробництва водяної шуги при вакуумуванні розсолу.

4. Обґрунтувати схеми й основні параметри досвідно-промислової й демонстраційної установок для виробництва водяної шуги при вакуумуванні розсолу, виконати досвідно-конструкторське доведення демонстраційної установки.

Об'єкт дослідження – установки для кристалізації рідини при вакуумуванні парового простору над нею.

Предмет дослідження – тепло- і масообмінні процеси, що протікають при кристалізації рідини, охолоджуваної за рахунок випаровування.

Методи дослідження математичне моделювання й методи теорії диференціальних та інтегральних числень, теорії подоби й фізичного моделювання, теорії оптимального планування експерименту та побудови емпіричних залежностей, експериментальні методи визначення параметрів у процесі тепломасопереносу.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. На основі аналізу закономірностей тепломасообміну при спільному протіканні процесів випаровування і кристалізації в об’ємі рідини, що перемішується, вперше запропоновано метод розрахунку процесу одержання водяної шуги в генераторі з вакуумуванням парового простору ємності.

2. Обґрунтовано можливість використання для розрахунку кристалізації в об’ємі вакуумованої рідини, що перемішується, рівноважної моделі кристалізації при врахуванні нерівноважності випарування.

3. Запропоновано емпіричну кореляцію щодо коефіцієнта збільшення площі міжфазної поверхні при вакуумуванні рідини.

4. Експериментально встановлено, що в діапазоні концентрацій розсолу NaCl 2...8% переохолодження до початку кристалізації складає 0,2...2,3 К, не залежить від концентрації розсолу й зменшується при інтенсифікації перемішування. Виявлено, що при концентраціях розсолу NaCl менш ніж 2% форма кристалів, що утворюються, істотно асиметрична і лускоподібна.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблено методику та комп'ютерну програму розрахунку процесу об'ємної кристалізації, що дозволяють визначити основні параметри (геометричні, режимні й за властивостями холодоагента) та характеристики установки для одержання водяної шуги з вакуумуванням парового простору ємності.

2. Отримані в роботі результати дозволили спроектувати, виготовити і налагодити в ВАТ “Мотор Січ” (м. Запоріжжя) демонстраційну установку для одержання водяної шуги.

3. Розроблено технічну пропозицію стосовно створення досвідно-промислової установки для одержання водяної шуги і її використання при кондиціонуванні повітря у виробничих приміщеннях.

4. Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі при викладенні курсів з дисциплін “Теплофізичні властивості речовин” і “Холодильна техніка і кондиціонери”.

Особистий внесок здобувача полягає в обґрунтуванні моделі, розробці методів розрахунку та комп’ютерних програм, проведенні експериментальних і чисельних досліджень процесу об'ємної кристалізації розсолу при випарному охолодженні. Автор особисто обґрунтував основні допущення і сформував рівноважну математичну модель процесу кристалізації вакуумованого розсолу, виконав його чисельне дослідження [1]. Разом зі співавторами: провів аналіз існуючих технологій одержання рідкого льоду (водяної шуги), особисто обґрунтував вибір параметрів експериментальної установки та виконав дослідження процесу кристалізації вакуумованого розсолу різної концентрації, обробив і проаналізував результати експериментів, конкретизував фізичну модель [2]; запропонував модель розрахунку паровідвідної системи та виконав чисельне дослідження впливу нерівноважності випарування на параметри робочого процесу генератора рідкого льоду [3]; уточнив модель розрахунку випарування, конкретизував значення площі міжфазної поверхні [4]; обґрунтував схему генератора й параметри демонстраційної установки для одержання рідкого льоду, виконав чисельне дослідження впливу різних факторів на концентрацію льоду та його температуру [5]; запропонував методику та виконав розрахунок характеристик і параметрів енергетичної ефективності установок для виробництва рідкого льоду при вакуумуванні рідини [6].

Апробація результатів дисертації. Основні наукові та прикладні результати пройшли апробацію на ІІ Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми холодильної техніки і технології” (Одеса, 2002), XIII міжнародній науково-технічній конференції з компресоробудування “Компресорна техніка і пневматика в ХХІ столітті” (Суми, 2004), Першій обласній конференції молодих учених “Тобі Харківщино – пошук молодих” (Харків, 2002 ), Міжнародній науковій конференції “Молода наука Харківщини – 2004” (Харків, 2004 ), міжнародних науково-технічних конференціях “Інтегровані комп'ютерні технології у машинобудуванні ІКТМ-2001” (Харків, 2001), ІКТМ-2002 (Харків, 2002), ІКТМ-2003 (Харків, 2003), ІКТМ-2004 (Харків, 2004).

Публікації.

за темою дисертації опубліковано 6 робіт, з них 4 – у виданнях, затверджених ВАК України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатка. Зміст дисертації викладено на 109 сторінках друкованого тексту і містить 48 малюнка, 11 таблиць і список літератури з 80 найменувань, 2 додатка, всього 146 сторінок.

ОСНОВНА ЧАСТИНА

Вступ. Обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету й задачі дослідження, відображено наукову новизну та практичну значущість результатів роботи.

Перший розділ містить огляд теоретичних та експериментальних робіт, присвячених питанням одержання й застосування рідкого льоду (водяної шуги), фізичному й математичному моделюванню процесу об'ємної кристалізації розчинів. Показано, що використання рідкого льоду має ряд переваг у порівнянні з іншими холодоносіями стосовно як економічної ефективності, так і гарантування екологічної безпеки, про що свідчать різноманітні можливості його застосування в харчовій промисловості, холодильній та інших галузях техніки.

Незалежно від способу відведення пари всі генератори РЛ з вакуумуванням рідини мають багато спільного. Як робоче середовище використовуються водяні розчини солей або гликолей. Найбільш поширені розсоли – розчини на основі кухонної солі. Відзначено основні тенденції впливу розчинених речовин на процеси зародження й зростання кристалічної фази. Однак дані, що дозволяють визначити концентрації солі, яки забезпечують стале одержання мілкодисперсної шуги при вакуумуванні, у літературі відсутні.

Завдяки низькому тиску в потрійної точці води, область кристалізації розсолу обмежена неглибоким шаром, що пояснюється наявністю гідростатичного тиску середовища. Тому для інтенсифікації процесу кристалізації всі генератори РЛ з вакуумуванням парового простору обов'язково містять механічну мішалку. Одержано залежності, які дозволяють визначити роботу перемішування, відзначено відповідну інтенсифікацію тепломасообміну. Однак співвідношення, що пов'язують коефіцієнти переносу з характеристиками мішалки, наведено для конкретних окремих випадків, і їх не можна безпосередньо використати при розрахунках процесів у вакуумних генераторах РЛ.

Огляд та аналіз літератури, в якій описуються тепломасообмінні процеси кристалізації в наслідок випарного охолодження рідини, а також методи розрахунків основних параметрів роботи апаратів, в яких протікають такі процеси, показав, що на сьогоднішній день не існує методу розрахунку генераторів рідкого льоду з вакуумуванням парового простору. При цьому моделі окремих процесів представлені досить широко. Існують підходи, що описують кристалізацію розсолу внаслідок випарування холодоагенту, зародження та росту кристалів у перенасичених розчинах, збільшення парових бульбашок. Однак вони не дозволяють вирішувати задачу спільного тепломасообміну трьох фаз і не дають можливості сформувати єдину фізичну модель робочого процесу генератора РЛ з вакуумуванням розсолу, що перемішується.

На основі виконаного аналізу сформульовані мета й задачі даного дослідження.

В другому розділі розроблено фізичну модель процесу охолодження та кристалізації розсолу при вакуумуванні. Визначено основні співвідношення для розрахунку тепло- і масопереносу при випарному охолодженні рідини і у процесі росту кристалів у її об’ємі. На основі теоретичних моделей середовища з використанням відповідних таблиць та експериментальних даних одержано рівняння стану і співвідношення, що описують теплофізичні властивості парової, рідкої і кристалічної фаз розчину, включаючи область фазової рівноваги та метастабільні стани. Аналіз теоретичних результатів інших авторів та результати досліджень окремих процесів, виконаних здобувачем, дозволили обґрунтувати основні припущення й сформувати модель розрахунку робочого процесу генератора РЛ.

Змінення температури й частки кристалів РЛ під час процесу розглянуто у припущенні квазістаціонарної роботи генератора РЛ. У кожен момент часу коефіцієнти тепломасопереносу й відповідні потоки, а також інші параметри робочого процесу визначаються за умови рівності масових витрат пари, що виділяється з міжфазної поверхні, і пари на вході у вакуумний компресор (насос). Тиск на вході у вакуумний насос визначається з урахуванням гідравлічного опору відкачуючого трубопроводу.

Припускається, що внаслідок перемішування температура рідкої фази (розсолу) у всьому об'ємі однакова, зовнішні теплопритоки і енергія перемішування підводиться до рідини. Однорідними вважаються також параметри в паровій подушці ємності. Виконане оцінювання дозволило використати рівноважну модель кристалізації. Температура рідкої фази при кристалізації визначається концентрацією солі у розсолі. Внаслідок малої доевтектичної концентрації солі лід, що утворюється, складається з чистого розчинника (води). При описуванні тепломасообміну між паровою та рідкою фазами використано квазірівноважну схему, яка припускає термодинамічну рівновагу на міжфазній поверхні. При наявності парових бульбашок враховувалися капілярні ефекти. Розсіл розглядався як нестислива рідка фаза з нелетючим компонентом (сіллю). Внаслідок малого тиску летючість води приймалася рівною відповідному тиску насичення, а термодинамічні властивості пари визначалися на основі моделі ідеального калорично досконалого газу.

Виконані дослідження процесу випарування рідини у парову подушку та сферичні парові бульбашки в об’ємі розсолу дозволили вважати температуру пари рівною температурі насичення. Зазначене припущення для пари в подушці було у подальшому обґрунтовано експериментально. З використанням експериментальних даних було також визначено кореляцію коефіцієнта збільшення площі міжфазної поверхні (у порівнянні з площею поверхні рідини) за рахунок кипіння в об’ємі вакуумованої рідини.

Робочий процес був розділений на три стадії: охолодження рідини до температури нижче рівноважної температури кристалізації, встановлення рівноваги внаслідок утворення кристалів в переохолодженій рідині і її кристалізація.

З урахуванням введених припущень рівняння збереження енергії і маси для процесу охолодження розсолу до температури кристалізації мали вигляд:

, | (1)

, | (2)

; | (3)

для опису процесу кристалізації:

, | (4)

, | (5)

, | (6)

де i(l)pc – питома ентальпія розчину, Дж/кг; i1(s) – питома ентальпія кристалічної фази (льоду), Дж/кг; i1H(v) – питома ентальпія водяної пари на лінії насичення, Дж/кг; G(l) – маса рідкої фази розчину (розсолу), кг; G(s) – маса кристалічної фази розчину, кг; G(v) – маса водяної пари, кг; G2 – маса солі, кг; g2(l) – масова частка солі, розчиненої в розчині, кг/кг; QK – тепловий потік внаслідок конвективного теплообміну, Вт; GD(v) – масова витрата пари, яка виділяється з міжфазної поверхні внаслідок масовіддачі, кг/с; G(v) – масова витрата пари, відведеної вакуумним насосом, кг/с; Nміш – потужність мішалки, для перемішування рідини, Вт; Qзовн – зовнішні теплопритоки, Вт; – час процесу, с.

Величина ступеня переохолодження рідини залежить тільки від інтенсивності перемішування й при розрахунку задавалася у відповідності з одержаним автором рівнянням регресіїї.

З урахуванням гідравлічного опору трубопроводу масова витрата пари що виділяється внаслідок вакуумування визначалася за формулою

G(v)=с(v)(p,T), | (7)

де н – швидкодія вакуумного насоса, м3/с; с(v) – щільність водяної пари у вхідному перетині вакуумного насоса, кг/м3

Масова витрата пари, яка виділяється з міжфазної поверхні, визначався виразом

, | (8)

де – коефіцієнт масовіддачі, м/с; А гор – площа поверхні рідини в емності, м2; – щільність пари на міжфазній поверхні і на відстані від неї, відповідно, кг/м3; К гор – коефіцієнт збільшення площі міжфазної поверхні.

Тепловий потік внаслідок конвективного теплообміну між рідиною та парою над нею визначається рівнянням

, | (9)

де – коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м2·К); T(v) – температура водяної пари над розсолом, К.

Коефіцієнти тепло- та масовіддачі визначалися з відповідних критеріальних співвідношень з урахуванням аналогії цих процесів. Коефіцієнт збільшення площі міжфазної поверхні, який входить до співвідношень (8) – (9), визначався з емпіричної кореляції, одержаної шляхом порівняння експериментальних даних щодо випарного охолодження розсолу і результатів, отриманих на основі моделі розрахунку тепломасообміну при спливанні парових бульбашок у нерухомій перегрітій рідині. Для визначення потужності мішалки, необхідної для перемішування рідини, використовувалося співвідношення

, | (12)

де KN – критерій потужності.

Після перетворення співвідношень (1)–(6) одержано систему диференціальних рівнянь для розрахунку процесу охолодження розсолу до початку кристалізації:

, | (13)

, | (14)

, | (15)

, | (16)

а також під час кристалізації:

, | (17)

,

, | (18)

,

. | (19)

На основі співвідношень (13)–(19) створено комп’ютерну програму, яка дозволяє для будь-якого проміжку часу процесу охолодження та кристалізації розсолу при вакуумуванні визначити основні параметри: тиск в паровій подушці, температуру рідкої та парової фаз, концентрацію розсолу й масову частку льоду. Результати розрахунку показані на рис.1–4, відображають долю випаровуваної рідини і змінення параметрів розсолу в залежності від зростання частки кристалічної фази.

Рис.1. Зведена витрата пари

при кристалізації | Рис.2. Змінювання температури

при кристалізації

Рис.3. Змінювання тиску

при кристалізації | Рис.4. Змінювання концентрації

розсолу при кристалізації

На рис.5, 6 зображено експериментальні дані стосовно кристалізації розсолу NaCl з концентрацією 2%при безупинному перемішуванні мішалкою з частотою обертання 2800 об/хв і результати розрахунків процесу кристалізації згідно з рівноважною та нерівноважною моделями при однакових початкових умовах.

Рис.5. Змінювання температури рідкої фази при кристалізації

Рис.6. Змінювання тиску парової фази при кристалізації

Одержані результати підтверджують правомірність введених припущень і прийнятої моделі, дозволяють зробити таки висновки:

- при спільному протіканні процесів випаровування та кристалізації в об’ємі вакуумованої рідини, що перемішується, процес кристалізації після появи зародків можна вважати рівноважним;

- тепломасообмін внаслідок кипіння рідини можна враховувати, збільшуючи площу міжфазної поверхні відносно площі поверхні рідини. Максимальне значення коефіцієнта збільшення площі визначається об’ємним паровмістом в поверхневому прошарку, що відповідає інверсії структури з бульбашкової в паробульбашкову;

- вклад конвективного теплообміну в процесі випарного охолодження рідини не перевищує 1%;

- зменшення швидкості охолодження при зниженні температури рідини зумовлено як падінням масової продуктивності насоса внаслідок зменшення густини пари, так і зниженням внеску об’ємного кипіння;

- зростання початкової концентрації солі веде до збільшення кількості тепла, що відводиться парою до початку кристалізації, зменшення температури й тиску в процесі кристалізації;

- після початку кристалізації концентрація солі в рідкій фазі розчину безперервно збільшується, що зумовлює відповідне зменшення температури замерзання розсолу й тиску над ним;

- частка кристалів РЛ, що відповідає досягненню евтектичної концентрації, зменшується зі зростанням концентраціїї солі.

У третьому розділі наведено результати експериментального дослідження основних параметрів робочого процесу впливу концентрації розсолу і інтенсивності перемішування на ступінь переохолодження рідини до початку кристалізації, форму та розміри кристалів льоду.

Експерименти проведено на установці (рис.7), оснащеній сучасними атестованими засобами вимірів.

Рис.7. Схема експериментальної установки для одержання водяної шуги

при вакуумуванні:

1 – посудина Дьюара; 2 – турбінна мішалка; 3 – привід мішалки;

4 –гумова манжета; 5 – кришка; 6 – вакуумний насос НВЗ-20;

7 – мановакуумметр; 8 – датчик перепаду тиску ИКД6ТДф;

9 – восьмиканальний вимірник-реєстратор ТРМ138;

10 – термопари типу хромель-алюмель.

Розсіл заливали в скляну посудину Дьюара (1), яка має ділянку візуалізації. Для одержання дрібнокристалічної структури льоду, що утворюється, установка обладнана турбінною мішалкою (2) з двигуном постійного струму наругою 27В (3). Оберти мішалки в межах 800 - 3000 об/хв регулюють зміною напруги живлення привода. Для забезпечення герметичності всі вимірювальні та силові пристрої вводили в об’єм посудини через металеву кришку (5) з гумовою манжетою (4). Відведення пари забезпечувалося вакуумним насосом НВЗ – 20 з продуктивністю на вході 20 л/с.

Для виміру температури в установці використовували шість індивідуально тарованих хромель-алюмелевих термопар (10) з похибкою показань ±0,2 оС, дві з яких розташовані в паровому просторі, а чотири – в рідині. Контроль процесу вакуумування ємності здійснювали мановакуумметром (7) типу ОБМВ1-160 (клас точності 1,5). Для вимірювання тиску в процесі утворення рідкого льоду використовували датчик перепаду тиску (8) типу ИКД6ТДф, який дозволяв фіксувати перепад тиску до 1600 Па. В результаті індивідуального тарування датчика похибка вимірювання не перевищувала 1 %.

Експерименти проводилися з 250 г розчину з концентраціями 2%, 5%, 8% NaCl. Готовий розсіл заливали в посудину (1). Тиск над розсолом знижувався за допомогою вакуумного насосом (6). Для вивчення впливу інтенсивності перемішування частоту обертання мішалки (2) встановлювали відповідно до плану повного двофакторного експерименту. В процесі вакуумування з інтервалом 15 секунд показання термопар і датчика тиску реєстрували універсальним восьмиканальним вимірником-реєстратором типу ТРМ 138 (9) і заносили до пам'яті комп'ютера за допомогою програми SOFT SCADA 1.02. При досягненні в об’ємі експериментальної посудини температури розсолу, яка відповідає 20% концентрації льоду, експеримент завершували. Результати експериментів наведено в табл.1.

Таблиця 1

Результати експериментів

Початкова концентрація

NaCl, % | Частота обертання мішалки, об/хв | Температура початку кристалізації, оС | Тиск початку кристалізації,

Па | Макс. переохолодження рідини, оС

2 | 800 | -1,12 | 382 | 1,47

2 | 1800– | 1,32 | 431 | 0,37

2 | 2800 | -1,2 | 438 | 0,22

5 | 800 | -3,4 | 245 | 2,12

5 | 2800 | -3,65 | 349 | 0,37

8 | 800 | -5,72 | 249 | 1,72

8 | 1800 | -5,27 | 172 | 0,62

8 | 2800 | -5,45 | 288 | 0,35

2 | 800 | -1,47 | 338 | 2,27

2 | 2800 | -1,2 | 434 | 0,3

8 | 800 | -6 | 199 | 2,32

8 | 2800 | -5,82 | 264 | 1

На рис.8, 9 показано графіки залежності ступеня переохолодження до початку кристалізації від інтенсивності перемішування та концентрації розсолу. Для початку процесу зародження кристалів необхідно переохолодити рідину, про що свідчить різкий стрибок температури в початковий момент кристалізації. Як показав регресійний аналіз, ступінь переохолодження рідини не залежить від початкової концентрації розсолу (рис.8) і зменшується зі збільшенням числа обертів мішалки (рис.9).

Рис.8. Вплив концентрації розсолу

Рис.9. Вплив інтенсивності перемішування

Для вивчення форми та розміру кристалів льоду експерименти проводили з дистильованою водою й розсолом з концентрацією NаСl 2 і 5%. Внаслідок вакуумування рідина охолоджувалася до температури, необхідної для ініціалізації процесу кристалізації. Утворення кристалів фотографували фотоапаратом “Зеніт Е” з насадкою (комплект кілець). Для освітлення об'єкта фотографування використовували синхронізовані з затвором фотоапарата два імпульсних освітлювачі з тривалістю імпульсу 1 мкс і енергією 1 Дж. Для визначення розміру кристалів у зону фотографування була поміщена голка діаметром 0,625 мм (масштабний фактор). У дистильованій воді утворені кристали швидко агломерували з утворенням стійкого прошарку на поверхні. При дослідженні розсолів явище мало інший характер. Динаміку формування кристалів у розсолі показано на рис.10-11.

а) | б) | в) | г)

Рис.10. Динаміка формування кристалів у розсолі з концентрацією 2% NaCl:

а) 15 с; б) 150 с; в) 300 с; г) 600 с.

а) | б) | в) | г)

Рис.11. Динаміка формування кристалів у розсолі з концентрацією 5%NaCl:

а) 15 с; б) 60 с; в) 240 с; г) 360 с. (діаметр голки 0,625 мм)

Процес кристалізації розсолу з концентрацією NaCl 2 і 5% спостерігали у всьому об’ємі рідини, яку перемішували. У розсолі з концентрацією NaCl 2% утворювались дископодібні кристали льоду еліптичної форми з діагоналями 1,11 мм і 0,61 мм (рис. 10). Кристалізація розсолу NaCl з концентрацією 5% супроводжувалася утворенням кристалів льоду сферичної форми діаметром 0,1 мм (рис. 11).

В цілому результати експериментів показали, що для початку процесу зародження кристалів необхідно переохолодження рідини, ступінь якого в більшій мірі залежить від інтенсивності перемішування й практично не залежить від концентрації розсолу. Після початку кристалізації під час росту кристалів концентрація солі в рідкій фазі розчину безперервно збільшується, про що свідчить зниження температури замерзання розсолу і зменшення тиску в паровій фазі над ним. При аналізі результатів вимірювання температури в паровій подушці ємності встановлено факт її тісної кореляції з температурою насичення, що відповідає поточним значенням тиску в подушці та величинам концентрації розсолу. Це явище дозволило обґрунтувати припущення прийняте в розрахунковій моделі. Результати вимірювання темпу охолодження і змінення об’ємного паровмісту в поверхневому прошарку переміщуваної рідини, що спостерігається у досвіді, стали базою для визначення коефіцієнта збільшення площі міжфазової поверхні при пароутворенні. Виявлено також, що при концентраціях розсолу NaCl менш 2% форма кристалів, що утворюються, істотно асиметрична і лускоподібно.

У четвертому розділі наведено і описано функціональну схему демонстраційної установки для одержання водяної шуги (рідкого льоду) при вакуумуванні та створену на основі нерівноважної моделі кристалізації методику для розрахунку характеристик і параметрів її енергетичної ефективності. Проведено аналіз впливу концентрації розсолу та рідкого льоду на параметри енергетичної ефективності демонстраційної установки. Результати аналізу наведено в табл.2.

Таблиця 2

Параметри енергетичної ефективності

демонстраційної установки для одержання водяної шуги

Початкова концентрація розсолу, % | 2 | 5 | 10

Холодопродуктивність, кВт

Шуга , 10 % льоду | 2,74 | 2,31 | 1,63

Шуга , 20 % льоду | 2,7 | 2,21 | 1,46

Шуга , 40 % льоду | 2,57 | 1,92 | 0,96

Максимальна температура охолодженої води (у конденсаторі), о С | 15 | 15 | 15

Холодильний коефіцієнт

Шуга , 10 % льоду | 1,53 | 1,38 | 1,12

Шуга , 20 % льоду | 1,52 | 1,34 | 1,04

Шуга , 40 % льоду | 1,47 | 1,24 | 0,81

Масова витрата пари, г/с

Шуга , 10 % льоду | 1,09 | 0,92 | 0,65

Шуга , 20 % льоду | 1,07 | 0,88 | 0,58

Шуга , 40 % льоду | 1,01 | 0,73 | 0,32

Зростання початкової концентрації солі обумовлює зменшення температури й тиску процесу кристалізації, а також зниження холодопродуктивності та холодильного коефіцієнту установки внаслідок зниження тиску пари та збільшення роботи стиснення компресора. Аналогічно впливає збільшення концентрації кристалів льоду. Із зростанням початкової концентрації солі збільшується тривалість процесу охолодження до початку кристалізації розсолу й знижується продуктивність установки що до рідкого льоду. Таку ж дію викликає підвищення температури розсолу на вході до генератора шуги. Зниження температури конденсації зумовлює зростання холодильного коефіцієнта, що можна пояснити збільшенням питомої холодопродуктивності та зменшенням роботи стиснення компресора.

Аналогічні висновки одержано при дослідженні досвідно-промислової установки для виробництва водяної шуги за допомогою вакуумування. Додатково виявлено значний вплив ККД компресора на ефективність роботи установки. Так, при адіабатичному ККД компресора, що становив 0,60, холодильний коефіцієнт дорівнював 4,3, а при ККД, що становив 0,40 – дорівнює 3. Якщо адіабатичний ККД складає 50% і вище, холодильний коефіцієнт установки при температурах, близьких до 0єС, перевищує холодильний коефіцієнт фреонових холодильних машин. Питання ефективності процесу вакуумування для даної технології виробництва рідкого льоду є одним з основних.

Виконані дослідження допомагають обґрунтувати вибір основних геометричних параметрів генератора водяної шуги при заданій продуктивності системи вакуумування. На основі результатів цих досліджень виконано проект, виготовлено і відлагоджено в ВАТ “Мотор Січ” демонстраційну установку для виробництва водяної шуги. Підготовлено технічну пропозицію щодо створення досвідно-промислової установки.

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Список РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

АНОТАЦіЯ

Михайленко Т.П. Міжфазний тепломасообмін у генераторі водяної шуги при випарному охолодженні розсолу. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – Технічна теплофізика і промислова теплоенергетика. – Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного, Харків, 2005.

Дисертацію присвячено аналізу закономірностей міжфазного тепломасопереносу при одержанні водяної шуги в установках з вакуумуванням розсолу й розробці на цій основі методу їхнього розрахунку.

Запропоновано й обґрунтовано фізичну модель процесу об'ємної кристалізації при випарному охолодженні розсолу. Розроблено математичну модель процесу кристалізації розсолу з урахуванням нерівноваги випару. Експериментально досліджено вплив початкової концентрації розсолу й інтенсивності перемішування на ступінь переохолодження до початку кристалізації, визначено форма й розміри кристалів льоду, одержуваних при кристалізації розсолу різної концентрації. Отримано емпіричну кореляцію коефіцієнта збільшення площі міжфазної поверхні при випарному охолодженні розсолу. Наведено результати експериментів. Розроблено методику розрахунку параметрів енергетичної ефективності та характеристик установок для виробництва водяної шуги при вакуумуванні.

Ключові слова: водяна шуга, розсіл, кристалізація, випарне охолодження, ступінь переохолодження, тепломасообмін.

АННОТАЦИЯ

Михайленко Т.П. Межфазный тепломассообмен в генераторе водяной шуги при испарительном охлаждении рассола. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика.– Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного, Харьков, 2005.

Диссертация посвящена анализу закономерностей межфазного тепломассопереноса при получении водяной шуги в установках с вакуумированием рассола и разработке на этой основе метода их расчёта.

Проведенный анализ показал перспективность использования технологии жидкого льда (ЖЛ), позволил определить типовую схему установки с вакуумированием и перемешиванием рассола как наиболее приемлемого хладагента при производстве водяной шуги. Несмотря на множество исследований отдельных процессов парообразования и кристаллизации жидкостей метод расчета генераторов жидкого льда, учитывающий совместный межфазный тепломассообмен трёх фаз при перемешивании вакуумируемого рассола на сегодняшний день отсутствует

Предложена физическая модель процесса объемной кристаллизации при испарительном охлаждении перемешиваемого рассола. Собственные эксперименты и оценки отдельных процессов, анализ теоретических результатов других авторов позволил обосновать основные допущения и сформировать математическую модель и соответствующий метод расчёта рабочего процесса генератора ЖЛ. Учитывалось переохлаждение жидкости до начала кристаллизации, а собственно процесс кристаллизации в объёме однородной по температуре жидкости считался равновесным. При расчёте охлаждения жидкости учитывалось как испарение с её зеркала, так и кипение в объёме. В обоих случаях использовалась квазиравновесная схема фазового перехода, предполагающая термодинамическое равновесие на межфазной поверхности, причём в случае паровых пузырьков учитывались капиллярные эффекты. Доказано, что тепломассоперенос при кипении может быть учтён введением коэффициента увеличения площади межфазной поверхности. Для него получена эмпирическая корреляция. На основе теоретических моделей среды и соответствующих таблиц экспериментальных данных построены замыкающие модель уравнения состояния и соотношения, описывающие теплофизические свойства паровой, жидкой и кристаллической фаз раствора, включая область фазового равновесия и метастабильные состояния.

Модель учитывает взаимосвязь процессов испарения и кристаллизации перемешиваемого рассола и позволяет определить основные параметры и характеристики системы на любой стадии процесса для произвольных начальных условий. Анализ результатов расчета по данной модели показал, что рост начальной концентрации соли ведёт к увеличению количества теплоты, отводимой паром до начала кристаллизации, снижению температуры и давления кристаллизации, доли кристаллов в ЖЛ, соответствующей достижению эвтектической концентрации рассола. Снижение темпа охлаждения в ходе процесса обусловлено как падением массовой производительности насоса из-за уменьшения плотности пара, так и снижением вклада объёмного кипения вследствие уменьшения перегрева рассола. Максимальное значение коэффициента увеличения площади зеркала жидкости определяется объёмным паросодержанием в поверхностном слое, соответствующим инверсии структуры из пузырьковой в парокапельную. Вклад конвективного теплообмена в процессе испарительного охлаждения жидкости не превышает 1%. Согласование расчётных и опытных данных подтверждено как для модельной установки, так и в ходе испытаний демонстрационной установки, созданной с использованием разработанного метода расчёта.

Экспериментально обосновано, что в диапазоне концентраций рассола NaCl 2…8% переохлаждение до начала кристаллизации составляет 0,2…2,3 К, не зависит от концентрации рассола и уменьшается с ростом интенсивности перемешивания. Получено соответствующее уравнение регрессии, используемое в расчётной модели. Опытным путём установлен факт тесной корреляции температуры в паровой подушке ёмкости с температурой насыщения, соответствующей текущим значениям давления в подушке и концентрации рассола. Обнаружено также, что при концентрациях рассола NaCl менее 2% форма образующихся кристаллов существенно асимметрична и приближается к чешуйчатой.

В работе приводятся схемы и методика расчета параметров энергетической эффективности и характеристик демонстрационной и опытно-промышленной установок для производства водяной шуги при вакуумировании. Проведенный анализ параметров энергетической эффективности показал, что рост начальной концентрации соли приводит к снижению холодопроизводительности и холодильного коэффициента установок. Аналогичным образом влияет увеличение концентрации кристаллов льда и повышение температуры конденсации. Дополнительно отмечено значительное влияние на эффективность работы установок КПД компрессора. В случае адиабатного КПД компрессора равном 50% и выше, холодильный коэффициент установок при температурах, близких к 0єС, превосходит таковой для фреоновых холодильных машин.

Выполненные исследования позволили изготовить и отладить в ОАО “Мотор Сич” демонстрационную установку для производства водяной шуги, а также подготовить техническое предложение на создание опытно-промышленной установки.

Ключевые слова: водяная шуга, рассол, кристаллизация, испарительное охлаждение, степень переохлаждения, тепломассообмен.

ABSTRACT

Mikhailenko T.P. Interphase heat-mass exchange in slurry ice generator during brine transpiration cooling. – A manuscript.

Dissertation for the candidate of technical science degree in specialty 05.14.06 – Technical thermal physics and industrial heat power engineering. – A.M.Institute for Mechanical Engineering Problems of the National Academy of Sciences of Ukraine. Kharkov, 2005.

The thesis is dedicated to describe the interphase heat-mass exchange during slurry ice receiving at brine vacuumization plants and method of it analysis developing.

The physical model of process of volumetric crystallization at the evaporated cooling of brine is offered and grounded. The mathematical model of process of crystallization of brine at the account of disbalance evaporation is developed. Influence of initial concentration of brine and intensity of interfusion on the degree of supercooling before the beginning of crystallization is experimentally explored, a form and sizes of crystals of ice is defined, got during crystallization of brine of a different concentration. Empiric correlation for the coefficient of increase of area of interfacial surface at the evaporated cooling of brine is got. The results of experiments are shown. The method of calculation of power efficiency parameters and descriptions of options for production of slurry ice at degassing is developed.

Keywords: slurry ice, brine, crystallization, transpiration cooling, supercooling, heat-mass exchange.

Відповідальний за випуск к.т.н. Форфутдінов В.В.

Підписано до друку 17.12.2005 р.

Формат паперу 60 х 90 х 1/16.

Папір офсетний.

Офсетний друк.

Ум. друк. арк. – 1,0.

Обл.. вид. арк.. – 1,2.

Тираж 100 прим.

Замовлення № 137.

________________________________________________________________________________________________________

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”

м. Харків, вул. Чкалова, 17

___________________________________________________________________