Вода как хладагент
- 1. к.т.н. Ермолаев А.Е. erml.org Московский Политех «Техника низких температур» им. П.Л. Капицы Холодильные агенты Вода (R718)
- 2. С чего началось На вершинах гор, например, мы имеем давление ниже атмосферного, при чем понижение давления равно давлению столба воздуха от подошвы горы до ее вершины. При восхождении Соссюра на Монблан, знаменитого альпиниста поразило то обстоятельство, что на обледенелой вершине альпийского колосса, он с большим трудом мог сварить в кипящей воде яйца вкрутую, настолько была там понижена температура кипения воды. При действии воздушного насоса, постепенно увеличивающего разрежение в сосуде с водой, температура кипения воды может упасть ниже точки замерзания.
- 3. Характеристики R718 Традиционные названия вода Хим. формула H2O Физические свойства Состояние жидкость Молярная масса 18,01528 г/моль Плотность 0,9982 г/см³ Динамическая вязкость 0,00101 Па·с Кинематическая вязкость 0,01012 см²/с (при 20 °C) Термические свойства Т. плав. 273,1 K (0 °C) Т. кип. 373,1 K (99,97 °C) Тройная точка 273,2 K (0,01 °C), 611,72 Па Крит. точка 647,1 K (374 °C), 22,064 МПа Теплопроводность 0,56 Вт/(м·K) Удельная теплота испарения 2256,2 кДж/кг Удельная теплота плавления 332,4 кДж/кг ЕрмолаевА.Е.Ⓒerml.org
- 4. Характеристики R718 Факты В среднем в организме растений и животных содержится более 50 % воды. В составе мантии Земли воды содержится в 10-12 раз больше, чем в Мировом океане. При средней глубине в 3,6 км Мировой океан покрывает около 71 % поверхности планеты и содержит 97,6 % известных мировых запасов свободной воды. Если бы на Земле не было впадин и выпуклостей, вода покрыла бы всю Землю слоем толщиной 3 км. Если бы все ледники растаяли, то уровень воды в земных океанах поднялся бы на 64 м и около 1/8 поверхности суши было бы затоплено водой. Морская вода при обычной её солёности 35 ‰ замерзает при температуре −1,91 °C. Иногда вода замерзает при положительной температуре. При определённых условиях (внутри нанотрубок) молекулы воды образуют новое состояние, при котором они сохраняют способность течь даже при температурах, близких к абсолютному нулю. Вода отражает 5 % солнечных лучей, в то время как снег — около 85 %. Под лёд океана проникает только 2 % солнечного света. Синий цвет чистой океанской воды в толстом слое объясняется избирательным поглощением и рассеянием света в воде. С помощью капель воды из кранов можно создать напряжение до 10 киловольт, опыт называется «Капельница Кельвина». Вода — это одно из немногих веществ в природе, которые расширяются при переходе из жидкой фазы в твёрдую (кроме воды, таким свойством обладают сурьма, висмут, галлий, германий и некоторые соединения и смеси).
- 6. Сравнение
- 8. Новые попытки Зарубежные исследователи вакуумных холодильных установок на воде, в основном рассматривают в качестве насос-компрессорных агрегатов центробежные и осевые машины. В отечественной вакуумной технике имеется разработка центробежного вакуумного насоса-компрессора ЦВН-500 с четырьмя ступенями сжатия и числом оборотов 12 000 об/мин. Давление всасывания может меняться от 0,7 мбар до 75 мбар. Ожидаемая холодильная мощность при работе на воде при температуре 6-8°С составит более 300 кВт. Для малых установок особый интерес представляют двухроторные вакуумные насосы, которые выпускаются российской промышленностью со скоростями откачки 50, 150, 500 и 1500 л/с. Используя централь из насосов с параллельной их работой, можно получить холодильную мощность 18–25кВт при конечной температуре воды 2-5°С. Такой диапазон холодильной мощности отвечает потребностям сельского хозяйства (охлаждение молока на молочных фермах, транспортировка живой рыбы в ледяной воде, охлаждение камер по выращиванию грибных мицелий и т. д.). ЕрмолаевА.Е.Ⓒerml.org
- 9. Зарубежные исследования The “beauty” of the vacuum technology lies in the possibility to cool any kind of water (even polluted), generate binary ice, and work fully with water as refrigerant. NEW AGE WATER CHILLERS WITH WATER AS REFRIGERANT - J. Kühnl-Kinel ЕрмолаевА.Е.Ⓒerml.org
- 13. Сравнение
- 14. Сравнение
- 15. Сравнение Сравнение COP вакуумно-испарительной холодильной машины на воде с аналогичными показателями фреоновых чиллеров в зависимости от конечной температуры охлажденной воды
- 19. Исследования на кафедре «Техника низких температур» Маринюк Б.Т. – руководитель работ. Крысанов К.С. (2007) «Разработка и исследование вакуумно-испарительных холодильных машин с использованием воды как холодильного агента» Ермолаев А.Е. (2009) «Получение водного льда методом послойного намораживания в условиях вакуумирования» Сусликов Д.В. (2009) «Получение мелкодисперсных частиц водного льда методом диспергирования в условиях вакуумирования» Ахмед Хегази (Египет) (2011) «Вакуумное охлаждение жидкостей с учётом потери массы при вакуумировании» ЕрмолаевА.Е.Ⓒerml.org
- 20. Этапы вакуумного воздействия на воду На втором этапе откачки происходят понижение упругости насыщенных паров интенсивный отвод тепла с порциями паров рабочего вещества, температура жидкости в герметичном резервуаре падает. Третий этап характеризуется замерзанием жидкости при по-стоянной упругости паров надо льдом. Четвертый этап характеризуется дальнейшим снижением давления упругости насыщенных паров надо льдом, что приводит к понижению температуры ледяного массива. На первом этапе вакуумной откачки давление в паровом пространстве герметичного резервуара понижается до давления насыщенных паров при начальной температуре залитой в него жидкости. Производится дегазация жидкости, которая сопровож- дается псевдокипением поверхностных слоев.
- 21. Основные схемы вакуумных машин
- 25. Оборудование. Двухроторный насос Хотя такие насосы способны работать с прямым выхлопом в атмосферу, на их выходе обычно устанавливают вспомогательный вращательный масляный насос, который не только понижает их предельное давление, но и повышает КПД, снижая потребляемую мощность, что позволяет обходиться менее сложной системой охлаждения. Вспомогательный насос, пропускающий ту же массу газа, но при более высоких давлениях, может быть сравнительно небольшим. ЕрмолаевА.Е.Ⓒerml.org
- 28. Двухроторный насос с поджатием Процесс повышения давления в базовом варианте вакуумного насоса- компрессора РУТС изображается линией a–г, в то время как в модернизированном варианте с поджатием этот процесс идет по линии а–б–в Экономия энергии на сжатие в модернизированной машине с поджатием составит 5,3 %
- 30. Схема вакуумного воздействия на охлаждаемую жидкость Исходная масса жидкости m0 занимает часть герметичной полости, паровое пространство которой подвергается динамическому вакуумированию с эффективной скоростью откачки Sэф.
- 31. Математическое описание где A, b – эмпирические коэффициенты для воды А = 606,5 B = 0,07 " P R T µ ρ ⋅ = ⋅ 19,7 ( 273) 609 exp T P T ⋅ − = ⋅ τ = − (Cw ⋅mw +Ci ⋅mi )⋅ R⋅e273b rw µSeff Ab −e −bTend ⋅ Tend +14,28( )+e −bTbegin ⋅ Tbegin +14,28( )# $% & '( (Cw ⋅ mw +Ci ⋅ mi )⋅ dT + K ⋅ F ⋅(Tph −T )dτ = r P ⋅µ R⋅T ⋅ Seff ⋅ dτ
- 32. Схема установки охлаждения воды
- 33. Экспериментальные и расчетные кривые динамики охлаждения воды сплошная линия построена по расчетным данным, прерывистая -‐ по экспериментальным
- 34. Схема вакуумно-‐испарительной холодильной установки для охлаждения молока
- 35. Сравнение с фреоновой машиной Парокомпрессионная установка Вакуумно-‐ испарительная Холодильный агент R22 молоко Охлаждаемый объект молоко молоко Заправка, л 1000 1000 Потребляемая электрическая мощность, кВт 5,3 4,1 Потребляемая электроэнергия, кВт*ч 13,25 9 Время охлаждения молока с +34°С до +4°С, час 2,5 2,2
- 37. Особенности вакуумного получения льда В вакуумных холодоаккумуляторах водного льда решается сразу несколько проблем: помимо экологического совершенства, установка получает преимущество по части схемы организации процесса. Во-первых, в отличие от традиционно признанных схем, образование льда идет практически на поверхности раздела вода-пар и термосопротивление слоя водяного льда не оказывает отрицательного влияния на интенсивность его образования. Во-вторых, имеется уникальная возможность получить водный лед с оптимальной, с точки зрения расхода энергии, температурой 0…-2°С, что трудно реализуемо в известных схемах на основе холодильных компрессоров и хладагентов фреоно-амиачной группы. Кроме того, весь рабочий цикл установки проходит при давлении ниже атмосферного, что повышает безопасность использования установки, особенно в условиях ограниченного доступа к сервисному обслуживанию. ЕрмолаевА.Е.Ⓒerml.org
- 38. Типы снежинок
- 39. Процесс получения водного льда возможен в двух вариантах: 1. Послойное намораживание. Дискретный процесс, при котором вода порциями подается в испаритель, где намерзает на предыдущий слой. 2. Распыление. Непрерывный процесс подачи воды в испаритель через распылительные форсунки. В полете капля охлаждается до околонулевого (или нулевого) состояния и при контакте со стенками испарителя замерзает. ЕрмолаевА.Е.Ⓒerml.org
- 40. Область применения воды как холодильного агента ограничена ее высокой температурой замерзания что, не дает достигнуть температуры ниже 0°С. Этот недостаток устраняется возможностью использования водосолевых растворов, таких как: CaCl2, NaCl, а также органических жидкостей — спиртов, эфиров и их смесевых композиций, друг с другом и водой. Оценки показывают, что вакуумно-испарительные установки при правильном подборе рабочих веществ могут успешно использоваться на температурном уровне −10…−30°С. . ЕрмолаевА.Е.Ⓒerml.org
- 41. Схема вакуумного воздействия на замораживаемую жидкость Подача воды Откачка паров л ЕрмолаевА.Е.Ⓒerml.org
- 42. Математическое описание Где k, u – эмпирические коэффициенты для воды k = 35 u = 8940 τ = − (Cw ⋅mw +Ci ⋅mi )⋅ R⋅e273b rw µSeff Ab −e −bTend ⋅ Tend +14,28( )+e −bTbegin ⋅ Tbegin +14,28( )# $% & '( ЕрмолаевА.Е.Ⓒerml.org
- 43. 1 4 5 3 2 Т1 Т3 Т2 A V W Вк 6 Подача воды В дренаж 1 - бак-испаритель 2 - основной вакуумный насос 3 - водяной конденсатор 4 - вспомогательный вакуумный насос 5 - вентиль-натекатель 6 - форсунки для подачи воды 7 - каплеотбойник 8 - вакуумный вентиль 9 - высокоточный электронный вакууметр 10 - Измерительный комплект Т1, Т2, Т3 - термопары Вк - вакууметр образцовый Выхлоп в атмосферу Выход воды Вход воды 8 7 9 Водяной счетчик 10 Схема вакуумного льдогенератора ЕрмолаевА.Е.Ⓒerml.org
- 44. Электронный вакууметр Оборудование. Вакууметр ЕрмолаевА.Е.Ⓒerml.org
- 45. Намороженные слои льда ЕрмолаевА.Е.Ⓒerml.org
- 46. Парокомпрессионная установка Вакуумный льдогенератор Холодильный агент R404a вода Масса получаемого льда, кг 100 100 Потребляемая мощность, кВт 1,15 1,05 Затраченная электроэнергия, кДж 4140 3780 Время получения требуемого количества льда, ч 21,8 21,39 Удельные затраты энергии, на производство 1 кг льда, кВт·∙ч/кг 0,251 0,214 Сравнение с фреоновой машиной ЕрмолаевА.Е.Ⓒerml.org
- 47. Вакуумно-‐сублимационная технология получения водо-‐ледяной шуги
- 48. Схема вакуумного воздействия на охлаждаемую жидкость каплеотбойник ганулы льда
- 50. Зависимость относительной глубины промерзания капель различного радиуса в условиях вакуумирования от времени 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 R=1,5 mm R=2 mm R=1 mm R=0,75 mm R=0,5 mmR=0,2 mm
- 51. Сравнение с фреоновой машиной Фреоновый льдогенератор Вакуумный льдогенератор Холодильный агент R404a вода Масса получаемого льда, кг/сут. 120 120 Потребляемая мощность, кВт 0,5 0,52 Температура воды на входе в льдогенератор, °С +3 +3 Время получения требуемого количества льда, ч 24 24 Удельные затраты энергии, на производство льда, кВт·∙ч/кг 0,1 0,104