Use of potential of negative temperatures of ambient air in cold-storage systems

全文:

В связи с развитием геологоразведочных работ на слабых грунтах в труднодоступных северных районах страны, начиная с 60-х годов прошлого века не прекращается поиск путей снижения затрат на их выполнение. Ряд ученых гляциологов и географов выдвинули предложения по использованию природного холода для возведения ледяных массивов большой толщины 3 - 5 м методом послойного намораживания распыляемых капель воды из форсунок. В зимнее время в таких регионах можно рассчитывать на температуры воздуха -25 ºС ÷ -40 ºС. При таких температурах процесс замораживания капли идет достаточно интенсивно и в самые короткие временные промежутки. Одним из зачинателей такой технологии был проф. Савельев Б.А. с учениками. В настоящее время это проф. А.В. Сосновский и др. Рисунок 1. Водоледяная градирня с вынужденным протоком воздуха: 1 - форсунки; 2 - наклонная сетка; 3,7 - окно; 4 - двигатель; 5 - осевой вентилятор; 6 - сборник замороженных капель; 8 - сборник для воды В ряде отраслей применения искусственного холода с большими потребителями, такими как пищевая промышленность, сельское хозяйство, хладоресурс окружающей среды практически не используется, тогда как в Центральной России в ночные часы зимнего сезона можно рассчитывать на температуры воздуха -12 ºС ÷-17 ºС, что существенно увеличивает временной интервал замерзания капель воды по изложенной выше технологии получения сферических гранул льда по сравнению с условиями северных регионов, поэтому требуется возведение башен высотой 30 - 40 м, влечет дополнительные капитальные затраты и делает использование природного ресурса холода менее выгодным. При малых потенциалах низких температур требуется интенсификация теплоотдачи от воздуха, что можно осуществить как минимум в двух вариантах устройств. Согласно первому, водоледяная градирня (рисунок 1) может иметь традиционную схему капельной градирни с закрытым корпусом высотой 10 - 15 м и вынужденным протоком воздуха, забираемого через нижнее входное окно. Вода подается в режиме дождевания из распределителя, размещенного в верхней части градирни. Замороженные капли воды выводятся из пространства корпуса градирни по наклонной сетке в бункер, а капли воды проходят сетку и накапливаются в сборнике. Процесс получения гранул идет непрерывно [3]. В конструкции устройства по второму варианту (рисунок 2) высота башни намного меньше, и замораживание капель производится в режиме витания капель в объеме, образуемом цилиндрическим корпусом и двумя ограничительными сетками. По окончании процесса замерзания капель подача воздуха и воды прекращается и производится выгрузка ледяных гранул, далее процесс повторяется [3]. В дальнейшем этот водный лед в форме сферических гранул можно использовать как холодоаккумуляционную массу в установках охлаждения, транспортировки и хранения рыбы и морепродуктов. Кроме того, холодоаккумуляционную массу льда можно использовать для охлаждения воды до околонулевой температуры, пропуская ее через пористый массив сферических гранул, соединенных друг с другом механизмом диффузии при контакте. Рисунок 2 Водоледяная градирня в режиме витания капель в объеме: 1 - форсунки; 2 - наклонная сетка; 3,7 - окно; 4 - двигатель; 5 - осевой вентилятор; 6 - сборник замороженных капель С целью нахождения рациональных режимов замораживания капель воды при заданной температуре воздуха было организовано комплексное исследование, включающее составление аналитической модели и проведение опытов по замораживанию капель воды. Рисунок 3. Схема термического взаимодействия сферической капли воды, находящейся в охлаждающей среде с отрицательной температурой Результатом анализа процесса является рабочее уравнение (1), определяющее динамику замораживания капли в холодном воздухе: , (1) где L - теплота замерзания воды, L=334 кДж/кг; ρ - плотность льда, ρ=920 кг/м3; R - радиус капли, м; η - координату фронта фазового превращения, м; Тф - температура фазового перехода вода - лед, Тф=273 К; λ - коэффициент теплопроводности, λ=2,3 Вт/(м·К); τ - время замерзания заданного слоя заморозки, c; α - коэффициент теплоотдачи от воздуха к воде, Вт/(м2·ºС); Tпов- температура поверхности капли, K. Опыты проводились на стенде, изображённом на рисунке 4. Рисунок 4. Схема опытного стенда: 1 - компрессорно-конденсаторный агрегат; 2 - вентилятор; 3 - шелковая нить; 4 - модель сферической капли В ходе опытов температуру холодного воздуха в камере поддерживали с помощью компрессорно-конденсаторного агрегата, работающего на хладагенте R22. Рабочее пространство камеры объемом 8 м3 снабжено подвесным воздухоохладителем. Модель сферической капли со средним диаметром Ø8 мм размещалась перед фронтальной плоскостью батареи воздухоохладителя на расстоянии 80-120 мм. Образец подвешивали на малотеплопроводной нити из шелка. Предварительно модель охлаждали в бытовом холодильнике до околонулевой температуры. 1 Результаты опытов представлены на рисунке 5 в виде отдельных точек, расчеты по формуле (1) - в виде сплошных линий. Как видно из графика, при толщине слоев замерзания воды менее 0,5R капли, сходимость расчетных и опытных величин глубины промерзания модельного образца может быть оценена как удовлетворительная. В поле графика нанесены данные по замораживанию капель воды в условиях нахождения их в среде холодного воздуха, полученные проф. А.В. Сосновским [2]: , (2) где R - радиус капли, м; - радиус фронта кристаллизации, м; Тф - температура плавления льда, К; - температура, подаваемая воздухоохладителем, К; - относительная влажность воздуха; - плотность насыщенного водяного пара; τ - время замерзания заданного слоя заморозки, c; - число Нуссельта, . Рисунок 5. Зависимость относительной толщины () промерзания капли от времени (): 1 - уравнение (1); 2 - уравнение проф. А.В. Сосновского; R=0,07 м; =250 К Заметно значительное отклонение полученных нами значений показателей замораживания от результатов, рассчитанных по формуле проф. А.В. Сосновского. Обратим внимание на то, что при стремлении приведенная расчетная формула примет вид зависимости, полученной исследователем Ковнером. Выводы 1. Расчетное уравнение, приведенное в рамках данной работы, предсказывает толщину промораживаемого слоя в сферической капле с точностью до 15%. 2. Определяющими параметрами для замораживания слоя капли толщиной , будет коэффициент теплоотдачи от воздуха к поверхности капли , коэффициент теплопроводности льда и температура холодного воздуха. 3. Представленное обобщение дает описание только ограниченного по толщине слоя водного льда в капле, поэтому требуются дальнейшие исследования расширения возможности представленной формулы.

作者简介

B. Marinyuk

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Dr. Eng., Prof.; +7 963 925-34-05

I. Serenov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: serenov90@mail.ru
+7 963 925-34-05

M. Ugolnikova

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

+7 963 925-34-05

参考

补充文件