Разработка и исследование холодильной машины с аккумулятором холода

Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ

ШЛЯХОВЕЦКИЙ В.М.
конд. техн. наук, доцент, беззаботов Ю.С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мелехин В.Б.
кандидат технических наук, доцент

Аминов Г.И.
Ведущая организация: ООО «Юг-холодпром», г. Краснодар

Защита состоится 27 декабря 2006 г. в 14 час.

на заседании диссертационного совета

в Дагестанском государственном техническом университете по адресу:

367015, г. Махачкала, просп. Имама Шамиля, 70

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета по

адресу: г. Махачкала, просп. Имама Шамиля, 70


Автореферат разослан «25» ноября2006 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета,

к.т.н., доцент Евдулов О.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Системы хладоснабжения предприятий перерабатывающей промышленности с сезонным поступлением сырья работают в условиях резко переменного графика хладопотребления, т.е. с пиковой тепловой нагрузкой на холодильную установку. Применение в составе холодильной установки аккумуляторов холода (АКХ) является одним из современных эффективных способов снижения затрат на выработку холода. Использование АКХ позволяет сглаживать неравномерность тепловой нагрузки на холодильное и технологическое оборудование, уменьшить холодильную мощность установленного оборудования. При этом в период ночного минимума внешних теплопритоков и потребления электроэнергии намораживается водный лед (или охлаждается хладоноситель), холодильный потенциал которого используют в период дневного пика тепловых нагрузок потребителя холода и пика потребления электроэнергии. Анализ холодопотребления на распределительном холодильнике Республика Ливан показал, что основные затраты электроэнергии на выработку холода для компенсации теплопритоков совпадают с периодом действия высоких дневных тарифов на электроэнергию.

Исходя, из вышеизложенного следует, что разработка холодильной системы с аккумуляцией холода в период действия «ночного» тарифа на электроэнергию в условиях Республики Ливан является актуальной проблемой.

Цели и задачи исследования. Цель настоящего исследования - разработка холодильной машины с аккумуляцией холода для условий многоставочных тарифов на электроэнергию и суточных колебаний температуры, характерных для Республики Ливан.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:

- разработать математическую модель холодильной машины с аккумулятором холода для условий эксплуатации в Республики Ливан;

- выполнить экспериментальные исследования для проверки адекватности разработанной математической модели;

- разработать холодильную машину с аккумуляцией холода, позволяющую понизить t_к для условий многоставочных тарифов и суточных колебаний температуры, характерных для Республики Ливан;

- провести анализ энергетической и экономической эффективности применения холодильной машины с аккумулятором холода в условиях Республики Ливан;

- разработать методику расчета режимов работы и проектирования элементов аккумулятора холода;

- разработать комплекс прикладных программ для практического использования предложенной методики расчета и проектирования элементов холодильной машины с аккумулятором холода;

- разработать и оптимизировать конструкции отдельных элементов аккумулятора.

Научная новизна

- разработана схема холодильной машины с аккумулятором холода с тепловыми трубами для работы в условиях Республики Ливан;

- разработана математическая модель аккумулятора холода с тепловыми трубами;

- разработана методика расчета режимов работы аккумулятора холода;

- проведен анализ энергетической и экономической эффективности применения холодильной машины с аккумулятором холода в условиях Республики Ливан;

- получены экспериментальные данные по процессам тепло - и массообмена в аккумуляторе холода (коэффициенты теплоотдачи при кипении холодильного агента в тепловой трубе, массы наморозки льда и циклов зарядки и разрядки аккумулятора), подтверждающие адекватность разработанной математической модели;

- при работе аккумулятора холода на R134а, который рекомендуется для условий Республики Ливан, выявлен диапазон температур кипения хладагента (t₀ = -10 … -15⁰С), при которых работа аккумулятора холода наиболее эффективна;

- получены уравнения регрессии, описывающие характеристики работы аккумулятора холода в процессе наморозки льда;

- техническая схема разработанной конструкции холодильной установки с аккумулятором холода защищена патентом РФ на изобретение.

Практическая значимость работы

- разработана математическая модель и пакет реализующих ее прикладных программ, позволяющие проектировать, холодильную машину с аккумулятором холода для работы в условиях резкопеременной температуры наружного воздуха при многоставочных тарифах на электроэнергию в Республике Ливан.

- разработанные с использованием математической модели программы расчета холодильной машины с аккумулятором холода используются в учебном процессе на кафедре холодильных и компрессорных машин и установок Кубанского государственного технологического университета (КубГТУ) - при подготовке специалистов по специальности 101700 - Холодильная, криогенная техника и кондиционирование;

- патент на изобретение может использоваться как коммерческий продукт.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- математическая модель холодильной машины с аккумулятором холода на базе тепловых труб;

- экспериментальные данные по исследованию коэффициентов теплоотдачи и плотности тепловых потоков при кипении холодильного агента в тепловой трубе в режиме заморозки льда на ее наружной поверхности, подтверждающие математическую модель;

- методика теплового расчета холодильной машины с аккумулятором холода;

- схема и режимные характеристики (производительность аккумулятора холода, число циклов наморозки и оттайки) работы холодильной машины с аккумулятором холода;

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международной научной конференции «Прогрессивные пищевые технологии – третьему тысячелетию» в КубГТУ г. Краснодар в 2000г. и на второй региональной научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» в КГАУ г. Краснодар в 2001г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 статьи, 5 тезисов, получен 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 18 рисунков, 20 таблиц, 20 графиков, список использованной литературы включает 110 наименований.
содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу состояния вопроса и обоснованию выбранного направления исследования.

Приведен анализ существующих аппаратов для охлаждения жидких сред, позволяющих использовать аккумуляцию холода. Дан анализ процессов тепло-массообмена в тепловых трубах, как элементах аккумуляторов холода, работающих в режиме наморозки льда. Приведены основные зависимости, определяющие значения коэффициентов теплоотдачи и теплового потока в тепловых трубах, показана необходимость проведения исследований процессов тепло-массообмена в тепловых трубах в режиме льдообразовании.

Рассмотрены вопросы построения методики моделирования тепловых труб и процессов теплообмена в них при льдообразовании, дана оценка эффективности применения аккумулятора холода в условиях Республики Ливан.

Проведенный обзор литературы показывает, что:

1.Рассмотренные системы аккумуляции холода и регулирования температуры конденсации не отвечают в полной мере условиям эксплуатации в Республике Ливан, так как не учитывают резкопеременные суточные колебания температур и «ночные» тарифы стоимости электроэнергии.

2.При резкопеременном графике тепловой нагрузки на холодильную установку, значительном изменении параметров окружающей среды в течение суток и вводе переменных по времени тарифов оплаты за электроэнергию, в схему холодильной установки для сокращения приведенных затрат на выработку холода предлагается ввести аккумулятор холода, позволяющий понизить температуру конденсации в период пиковых тепловых нагрузок на холодильную установку за счет использования аккумулированного холода.

4.Необходима разработка нового технического решения холодильной машины с аккумуляцией холода и возможностью его использования для снижения температуры конденсации и потребляемой электроэнергии с учетом особенностей эксплуатации холодильной машины в Республике Ливан.

Вторая глава посвящена разработке математической модели, которая описывает процессы наморозки льда в аккумуляторе холода с тепловыми трубами.

Начиная с 1980 г., в Кубанском государственном технологическом университете профессором В.М. Шляховецким был выдвинут новый подход к сокращению уровня энергозатрат в холодильных установках с аккумуляцией холода при наличии различных тарифов на оплату электроэнергии. Этот подход был сформулирован следующим образом : для сокращения уровня энергозатрат необходимо снижение температуры конденсации хладагента t_k^тр в цикле холодильной машины в период максимальных температур окружающей среды t_о.с и максимальных суммарных теплопритоков ∑Qi.

Из характера изменения теплопритоков Q_i в течение суток в летний период (рис. 1), применительно к распределительному холодильнику в г. Бейрут (Ливан), следует, что основные затраты энергии на выработку холода для компенсации теплопритоков на холодильнике оплачивают в период действия высоких тарифов S_N2 и S_N3, а время поступления минимальных теплопритоков совпадает со временем действия минимального тарифа S_N1.

Принципиальная схема предлагаемой холодильной установки с аккумулятором холода для регулирования режима (АР) показана на (рис. 2).

Вертикально-трубный испаритель из тепловых труб, положенный в основу конструкции аккумулятора холода, имеет свои особенности в протекании процессов тепло - и массообмена, поэтому на основе рассмотренных в 1 главе уравнений смоделированы процессы кипения в вертикально-трубном испарителе тепловых труб и аккумуляция холода при намораживании на его поверхности водного льда. На рис.3 представлена расчетная схема теплообменной трубки аккумулятора холода.


Рис. 3 - Расчетная схема теплообменной трубки.

Процесс теплообмена в трубке описывается системой уравнений (1):

,

, (1)

,

.

где F_o и В_i- критерии Фурье и Био для процессов льдообразования и разморозки;

- температуры в аккумуляторе воды и льда, ⁰С;

и - удельные теплоемкости и плотности воды и льда кДж/кгК, кг/м³;

- толщина льда, задаваемая и предельно возможная при данных условиях работы аккумулятора, м;

δ_с - толщина теплопередающей стенки, м;

δ_л - толщина льда, м;

_л - плотность льда, кг/м³;

 - время льдообразования, с;

_л -коэффициент теплопроводности льда, Вт/(мК);

_с -коэффициент теплопроводности стенки теплообмена, Вт/(мК);

_с -коэффициент теплопроводности стенки теплообмена, Вт/(мК);

_ф -коэффициент теплоотдачи от воды к слою льда, Вт/м²К;

_к -коэффициент теплоотдачи от воды к слою льда при конвекции, Вт/м²К;

_х -коэффициент теплоотдачи от холодильного агента к стенке , Вт/м²К;

х – паросодержание кипящего хладагента, кг/кг;

r₀- теплота плавления льда, кДж/кг;

∆i - разность энтальпий воды и льда в процессе льдообразования, Дж/кг;

Nu - критерий Нуссельта;

 - коэффициент динамической вязкости воды, Пас;

_ст - коэффициент динамической вязкости теплопередающей стенки, Пас;

G - модуль сдвига льда;

Условия аккумуляции холода и намораживания льда на поверхности теплообмена тепловой трубки описываются уравнениями системы (2):








(2)


где - теплоемкость воды,

- теплоемкость льда,

- теплота льдообразования,

t_вн - начальная температура льдообразования,

- плотность льда, кг/м³;

- теплопроводность льда,

- теплопроводность воды,

δ_л - толщина льда, м;

δ_cm - толщина стенки трубки, м;

α_a- коэффициент теплоотдачи от хладагента,

_от - толщина слоя воды при работе аккумулятора в режиме оттайки, м;

q_зам - теплота замораживания слоя льда, Вт;

q_от - теплота оттаивания слоя льда, Вт;

τ_зам - время замораживания слоя льда, с;

τ_от - время оттаивания слоя льда при очистке поверхности аккумуляции, с;

Решение системы уравнение (1) определяет следующие характеристики:

- коэффициент теплоотдачи от хладагента к стенке теплового трубе, α, Вт/м²к;

- плотность теплового потока при аккумуляции холода, q_F, Вт/м².

Результаты расчетов представлены на рис. 4.

Рис. 4 - Зависимости коэффициента теплоотдачи  Вт/м²К от плотности теплового потока q Вт/м2 и температуры кипения Т_о для некоторых хладагентов:

1 -для аммиака R717 при То = 253-283 К, по /14/;2 -для аммиака R717 при То = 243 К, по /25/; 3 - для аммиака R717 при То = 258 К, по /25/; 4 - для аммиака R717 при То = 283 К, по /14/; 5 - для фреона R12 при То = 263 К, по /28/; 6 - для фреона R12 при То = 248 К, по /28/; 7-9 – по данным исследований автора: 7 - для фреона R22 при То = 300 К; 8 - для фреона R22 при То = 313 К; 9 - для фреона R134а при То = 307 К;
Расчеты по математической модели проводились для разработанного вертикально-трубного испарителя. Как следует из рис.4, полученные в численном эксперименте зависимости 7-9 имеют характер, аналогичный ранее известным (зависимости 1–6), но проходят более круто. Это свидетельствует о том, что при работе тепловых труб в условиях наморозки льда при увеличении удельной тепловой нагрузки q коэффициент теплоотдачи  будет возрастать более интенсивно, что обеспечит эффективную работу аккумулятора холода.

n_цикл n_цикл

Система (2) определяет параметры режима работы аккумулятора и его производительность при льдообразовании. Режим работы аккумуляторы состоит из двух циклов: цикла намораживания льда и цикл оттайки, т.е. снятия намороженного льда с теплообменной поверхности. Полученные результаты расчета режимных параметров представлены на рис.5-8.

Режим аккумуляции осуществляется во время действия минимального тарифа на электроэнергию (в ночное время). Днем холодильная машина работает в обычном режиме, используя аккумулированную массу льда для снижения температуры конденсации. Установлено что:

1-Продолжительность времени оттайки (τ_от, с) апроксимируется уравнением: τ_от = 1990,6t_гр^-1 в интервале температуры кипения t₀ [(-5) - (-15)] и в интервале греющей температуры t_гр [(+25) - (+45)] для фреона R22 и уравнением: τ_от = 2596,9t_гр^-1 в тех же интервалах температур для фреона R134a, с отклонением не более 5%.

2-Максимальная производительность аккумулятора за время аккумуляции получается при намораживании льда толщиной 7 - 9 мм.

3-Увеличение толщины льда в процессе зарядки аккумулятора от 0,008 до 0,01 м приводит к увеличению времени зарядки и оттаивания, уменьшению массы льда, намороженного за данное время.

4-Производительность льдоаккумулятора, его режим работы и тепловая нагрузка являются основанием для расчета геометрических параметров аккумулятора холода.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям коэффициентов теплоотдачи и тепловых потоков в тепловых трубах для условий аккумуляции холода, на основании результатов которых осуществлялась проверка адекватности разработанной математической модели и сделан вывод об эффективности холодильной установки. Для исследования процессов, протекающих в макете вертикально-трубного испарителя – охладителя воды в КубГТУ разработали и изготовили экспериментальный стенд (рис. 9).

На экспериментальном стенде была предусмотрена следующая процедура проведения эксперимента, учитывая, что работу стенда осуществляли в режиме термосифона. Испаритель 1 орошался водой, нагретой электронагревателем 10, установленным в емкости 7. Пары, образующиеся в испарителе 1 при кипении хладагента, по паровому трубопроводу 18 поступали в конденсатор 2, где конденсировались, поскольку конденсатор 2 охлаждался потоком холодного воздуха, поступающим из кондиционера 3. Из конденсатора 2 конденсат сливался в одну из мерных емкостей (например, 4), которая выполняла функции сборника жидкого хладагента; в то же время из другой емкости жидкость поступала в испаритель 1. Это позволяло одновременно измерять массовый расход хладагента через испаритель и конденсатор.

Стенд оборудован контрольно–измерительными приборами, фиксирующими параметры хладагента во всех необходимых точках схемы. Для получения представительных результатов в заданные сроки план экспериментальных исследований разрабатывался с учетом методов математического планирования эксперимента. Полученная схема эксперимента соответствовала полнофакторному эксперименту типа 3³.

На рис. 9 представлена принципиальная и измерительная схема стенда.
Р
ис. 9 - Схема экспериментального стенда
Накопленные экспериментальные данные подвергались статистической обработке. Проверка адекватности производилась с помощью критерия Фишера F_т, который при 95 % вероятности достоверности полученных данных и степенях свободы варьируемых факторов составляет F_{т 0,05, 2, 54} = 3,17; F_{т 0,05, 4, 54} = 2,55.

Результаты эксперимента представлены на рис.10, 11 в виде зависимостей исследуемой величины α = f(q_F). На рис.10 представлены результаты зависимости коэффициента теплоотдачи  Вт/м²град от величины удельной тепловой нагрузки q Вт/м² в интервале температур кипения Т_о = 263-258 К для R22; на рис. 11 – для R134a в интервале температур Т_о = 263-258 К. Каждая точка на рис. 10 и 11 соотносится с 4-6 замерами; расхождения в замерах не превышали ± 10 %.

В процессе экспериментов создавались условия, приближенные к условиям работы аппаратов для охлаждения воды при резком возрастании тепловой нагрузки. Вертикально-трубный аппарат с верхней подачей жидкого хладагента в трубы практически не изменяет режима свой работы. Это обуславливается, вероятно, отсутствием паровых пробок и способностью отвода теплоты пленкой со всей площади поверхности теплообмена. Очевидно, что испарение с поверхности пленки, стекающей под действием гравитационных сил, способствует интенсификации теплообмена, и с увеличением теплового потока Q возможно снижать расход хладагента, чтобы обеспечивать полное испарение жидкости у нижней части трубы.



Таким образом, применительно к вертикально-трубным охладителям определяющим интенсивность теплообмена является главным образом, гидродинамика стекания пленки, что обеспечивает увеличение значения коэффициента теплоотдачи  в два-три раза больше, чем значение  при кипении в большом объеме.

Полученные экспериментальные данные по теплопередаче и процессам (рис. 10 и 11), протекающим в макете вертикально-трубного испарителя, апроксими-руются уравнениями: для фреон R22 при Т_о = 263К, α = 3,529q_F^0,7471 и при Т_о = 258 К, α = 0,2008q_F^1,0262 ; для фреон R134a при Т_о = 263К, α = 28,99q_F^0,3683 и при Т_о = 258К, α = 0,0018q_F^1,5115.