Vacuum-evaporative process of water cooling together with counter flow

Full Text

Охлаждение воды в холодильной технике занимает особое место. Традиционно осуществляется в водоохладителях, работающих на фреонах. Парокомпрессионный цикл, таким образом, организуется при участии посредника, которым является рабочее вещество. На наш взгляд, более рационально вести процесс с использованием объекта охлаждения в качестве холодильного агента, во-первых, потому, что вода обладает совершенными теплофизическими свойствами, теплота парообразования у нее в два раза больше чем у аммиака, и, во-вторых, потому, что в испарителе при этом может отсутствовать теплопередающая поверхность, а следовательно, и связанный с ней перепад температур. Такой процесс можно реализовать, осуществляя непосредственное вакуумное воздействие на воду в вакуумно-испарительной машине. Пределом охлаждения воды здесь является точка замерзания. Интерес представляет также совмещение конвективного процесса отвода тепла от воды за счет потока воздуха окружающей среды с вакуумным процессом откачки. Данная работа посвещяна изучению совместного воздействия вакуумно-испарительного и конвективного механизмов теплообмена воды с воздухом. Понятно, что в этом случае следует рассчитывать на применение «мягкого» вакуума с остаточным давлением P0 не ниже 100 мм. рт. ст. Достижение такого вакуума возможно в вакуумных насосах механического типа: водокольцевых, многопластинчатых вращательных, вращательных насосов с масляным уплотнением и даже двухроторных насосах, осуществляющих откачку в окружающую атмосферу. Практическое применение такого процесса возможно при охлаждении оборотной воды в вакуумных градирнях. Известно, что в современных градирнях пределом охлаждения воды является температура мокрого термометра tм. Реально в вентиляторных градирнях глубина подохлаждения воды не превышает 4-5°С. В то же время, понижение температуры воды, идущей на охлаждение конденсаторов, на один градус в современных фреоновых холодильных машинах позволяет снизить давление конденсации и, соответственно, уменьшить расход энергии на сжатие рабочего вещества на 4%. Принципиальная схема опытной установки, реализующей данный процесс включает в себя быстроходный вакуумный насос-компрессор, испаритель, форсунку для подачи и распыла воды и циркуляционный центробежный насос. В качестве насос-компрессора применяли водокольцевую машину марки ВВН-6 с предельным остаточным давлением 60 мм. рт. ст, и производительностью 0,05 м3/с. Испаритель – вертикальный резервуар со съемной крышкой и внутренним объемом 100 л. На установке имеется образцовый вакуумметр пружинного типа и термопары для замера температуры воды. Рисунок 1 – Принципиальная схема установки: 1 – водокольцевой вакуумный насос типа ВВН-6; 2 – водоохладительное устройство; 3 – ротаметр; 4 – насос; 5 – счетчик расхода воды; 6 – вакуумметр; 7 – форсунка Аналитическая модель расчета предельного значения конечной температуры охлаждения расхода воды Gw за один цикл охлаждения включает три уравнения, устанавливающие основные отношения между параметрами процесса. При проведении расчетов по представленным уравнениям была учтена масса алюминиевого резервуара, в полости которого проводили опыт. Расчеты следует проводить до момента, когда температура воды на выходе практически перестанет изменяться, это значение температуры и составит предел охлаждения в условиях ведения процесса. (1) (2) (3) где: Cpв – теплоемкость воздуха, ; – коэффициент теплоотдачи от разреженного воздуха к поверхности капель, ; – плотность водяного пара в воздухе при начальной и конечной температуре воздуха, ; – средняя плотность насыщенного водяного пара у поверхности капли, ; s – удельная скорость откачки, ; r – теплота испарения влаги, ; F – суммарная поверхность капель, м2; Gw – расход охлаждаемой воды, ; Gв – расход воздуха, , Тв – температура воздуха, °С; Тw – температура воды, °С. Расчеты, проведенные по приведенным уравнениям, представлены в виде графика зависимости конечной температуры охлаждаемой воды от величины остаточного давления при фиксированных значениях, . Рисунок 2 – Зависимость конечной температуры охлаждаемой воды от величины остаточного давления в безнасадочной вакуумной градирне Как следует из графика, расчетные и опытные значения предельной конечной температуры находятся в удовлетворительном согласовании. По мере возрастания остаточного давления P0 значение конечной температуры возрастает. При значении остаточного давления в градирне P0=380÷420 мм. рт. ст. заметно достижение минимального значения температуры охлаждаемой воды, что можно объяснить наличием максимального теплоотвода от нее при сочетании обоих механизмов теплои массопереноса. Данная модель может быть также распространена для расчета конечной температуры охлаждаемой воды в классической градирне с регулярной насадкой и известными ее характеристиками: пористостью Fv, , удельной поверхностью , , эквивалентным диаметром dэ, м2. Для этого в уравнении (1) модели необходимо заменить значение суммарной поверхности капель F на значение теплопередающей поверхности насадки Fн, по которой стекает вода в пленочном режиме. Предложенный метод позволяет обоснованно вести расчет как обычных вентиляторных градирен с регулярной насадкой, так и вакуумных водоохладителей. В существующих подходах выбора градирен не учитываются характеристические параметры работы аппарата, поточные показатели воздуха и воды, а также место расположения градирни по отношению к уровню моря и параметрам влажности воздуха.

About the authors

B. T Marinyuk

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: fozk@ya.ru
Dr. Eng.

K. S Krysanov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: fozk@ya.ru
Ph.D.

S. V Spritnyuk

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: spritnyuk@ya.ru

References

Supplementary files