Моделирование тепловых режимов холодоаккумуляторов и водяных газификаторов, работающих в условиях намораживания водного льда

В известной литературе по холодильной технике вопросу расчета открытых испарительных систем, работающих в условиях намораживания водного льда, уделяется мало внимания. В то же время именно такие системы способны обеспечить снижение текущих затрат на электроэнергию, работая в режиме аккумуляции холода. Снижение затрат на электроэнергию осуществляется за счет работы агрегата в ночное время, для которого могут быть установлены специальные низкие тарифы. Особую значимость эта проблема приобрела в агропромышленном комплексе, где эксплуатируется значительный парк водоохлаждающих холодильных установок.

В настоящее время возникла необходимость поиска экологически чистого, дешевого и доступного топлива для судов. Считается, что альтернативой топливу на основе нефтепродуктов является природный газ. Для удобства транспортировки газ сжижают. Для конечного использования на судне в качестве топлива его необходимо перевести в газообразное состояние. В процессе газификации к жидкому криопродукту необходимо подводить тепло. Наиболее эффективным для организации процесса газификации следует считать теплоотдачу от воды с последующим превращением ее в лед, который молено использовать как хладоемкую массу в системе кондиционирования, хранения продуктов в провизионных камерах или системах хранения скоропортящихся грузов в трюмах. При таком подходе отсутствуют дополнительные затраты топлива для работы дизельных двигателейотпадает необходимость в использовании дорогих хладонов, многие из которых признаны вредными для окружающей среды. Топливная система становится наиболее безопасной с точки зрения загрязнения окружающей среды.

В связи со слабой изученностью процесса теплообмена намораживания льда на гладкой поверхности и ребрах отсутствует конкретная рекомендация по выбору подводимой к холодоаккумулятору холодильной мощности. 5.

Основными задачами данной работы являются:

1. Создание и реализация физико-математических моделей процесса намораживания льда на охлаждаемых поверхностях низкотемпературного оборудования, погруженных в водяную среду.

2. Экспериментальное исследование основных факторов, влияющих на теплообмен при намораживании водного льда.

3. Теоретическое обобщение экспериментальных данных, полученных в условиях лаборатории и на испытаниях промышленных образцов низкотемпературного оборудования в заводских условиях.

4. Разработка инженерных методик расчета холодоаккумуляторов водного льда и газификаторов низкотемпературных энергоносителей.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ о — температура кипения холодильного агента, °С- - текущая температура воды, °Си" - начальная температура воды, °Сл — температура фазового перехода воды в лед, °Ср — средняя температура ребра, °Сош — температура основания ребра, °С;

То — температура кипения холодильного агента, К;

Ттемпература воды, К;

7л — температура фазового перехода воды в лед, КГсх — температура стенки, К;

— площадь теплопередающей поверхности аппарата, м — л аи, — коэффициент теплоотдачи от воды к поверхности льда, Вт/(м • °С);

— число Нуссельта для водыОгн — число Грасгофа для водыоси — коэффициент теплоотдачи от поверхности стенки испарителя к кипящему хол лодильному агенту, Вт/(м • °С) — ёл — толщина льда, мЗр — толщина ребра, м- &-г — толщина стенки испарителя, мс! — внутренний диаметр трубки, м- 4' - скорость роста льда, м/ст- время, с;

Лл — теплопроводность льда, Вт/(м • °С);

Лег ~ теплопроводность стенки испарителя, Вт/(м ¦ °С);

Лр — теплопроводность ребра, Вт/(м • °С) — 7 кр — коэффициент теплопередачи, отнесенный к развитой поверхности, Вт/(м2 • °С) — рл — плотность льда, кг/м3;

Ь — теплота фазового перехода воды в лед Дж/кгг* ~ теплота кипения энергоносителя;

— коэффициент льдовыпадения- 0К — масса воды, кгОл — масса намороженного льда, кгл.

Ммассовая скорость хладагента, кг/(мс) — (}.А — массовый расход энергоносителя, кг/с- /'мр — площадь мелфеберных участков, м2- (р — коэффициент оребрения;

2о (/о) — холодильная мощность в функции температуры, Вт;

К (1о) — коэффициент конвективного кипения в функции температуры;

А/'(/о) — перепад энтальпий в холодильном цикле в функции температуры, Дж/кг;

1?- удельный расход электроэнергии, кВт ч/кг.

выводы.

1. Показано, что при температурных режимах, характерных для холодильной техники влиянием переменности теплофизических свойств можно пренебречь.

2. В результате обработки экспериментальных данных по намораживанию водного льда на изотермической плоской стенке установлено, что процесс намораживания водного льда в начальной стадии приводит к интенсификации наружного теплообмена, в развитой же стадии процесса теплоотдача от воды может быть рассчитана по принятым в теории конвективного теплообмена соотношениям.

3. Выполнено сравнение панельного холодоаккумулятора водного льда с ореб-ренной батареей. Установлено, что оребренную батарею целесообразно использовать в жидкостных холодоаккумуляторах, работающих без накопления льда.

4. Установлено, что экономичные режимы намораживания льда соответствуют показателям подведенной удельной холодильной мощности 1,2 кВт на 1 м те-плопередающей поверхности. При этом оптимальная толщина слоя водного льда составит приблизительно 51 мм.

5. Рекомендовано сокращение шага расположения панельных секций в холодоак-кумуляторе со 160 до 140 мм.