На правах рукописи

СИВАЧЁВ АЛЕКСАНДР ЕВГЕНЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ С

ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ХЛАДОНОСИТЕЛЕМ

Специальность: 05.04.03 - Машины и аппараты, процессы холодильной и

криогенной техники, систем кондиционирования и

жизнеобеспечения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2012

Работа выполнена на кафедре холодильных установок в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий»

Научный руководитель: доктор технических наук Кириллов Вадим Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук Волкова Ольга Владимировна кандидат технических наук Бессонный Анатолий Николаевич

Ведущая организация: Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт холодильной промышленности»

(ГНУ ВНИХИ РОССЕЛЬХОАКАДЕМИИ),

Москва.

Защита состоится iwjrfjtf- 2012 г. в часов на заседании диссертационного Совета Д 212.234.01 при Санкт-Петербургском государственном унивеоситете низкотемпературных и питттевых техноттогий по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9, СПбГУНиПТ Тел./факс: (812)315-30-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан О&ЛМЛ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук, профессор Рыков В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. На сегодняшний день производство искусственного холода находит всё большее применение во многих областях человеческой деятельности. Обострившаяся в последний период мировая проблема экономии электроэнергии и связанная с этим задача повышения эффективности энергопотребляющего оборудования, в том числе холодильного, находится в центре внимания всего машиностроительного комплекса страны.

В настоящее время на российских предприятиях для создания искусственного холода широко используются аммиачные холодильные установки. Аммиак, хотя и не имеет предусмотренных международными соглашениями ограничений, токсичен и образует взрывоопасные смеси с воздухом. Поэтому для обеспечения биологической и химической безопасности при использовании аммиачных холодильных установок приоритетной является задача максимального снижения их аммиакоемкости.

Один из путей ее решения - создание систем косвенного охлаждения с использованием промежуточного хладоносителя (ХН).

Сегодня в качестве хладоносителей используются, как правило, водные растворы неорганических и органических солей и спиртов. Развитие науки, тенденции к повышению эффективности систем хладоснабжения привели к необходимости использования растворов электролитов в смешанных растворителях, в частности, водно-пропиленгликолевых (ВПГ). Эти системы характеризуются широким набором разнообразных свойств, связанных с различным характером внутри- и межмолекулярных взаимодействий, в частности, процессов ассоциации, комплексообразования, сольватации.

Однако, системы косвенного охлаждения, используемые в настоящее время, имеют недостатки, в частности, высокие энергетические и эксплуатационные расходы. Это связано с использованием малоэффективных хладоносителей, модернизация свойств которых не успевает за развитием холодильной техники. Поэтому разработка новых ХН с комплексом оптимальных свойств, основанная на учете взаимодействий между компонентами раствора, построения математических и физических моделей, связывающих исходные и эксплуатационные свойства хладоносителя, и призванная решить важную научно-техническую задачу по повышению эффективности работы систем хладоснабжения, является актуальной.

Реализовать такой подход целесообразно на воднопропиленгликолевых электролитных (ВПГЭ) растворах.

Цель и задачи настоящей работы. Цель - повышение энергетической и экономической эффективности работы холодильных систем с промежуточным хладоносителем при помощи оптимизации их теплофизических и физико-химических свойств. Снижение уровня энергопотребления и размеров капиталовложений с учётом особенностей эксплуатации и управления.

Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи;

• разработать подход к выбору хладоносителей с низкой температурой замерзания и малой коррозионной активностью, основанный на особенностях свойств электролитов в ВПГ растворителе;

• определить теплофизические свойства хладоносителей и их влияние на работу холодильной установки;

• провести испытания перспективных ВПГЭ хладоносителей;

• создать алгоритм управления технико-эксплуатационными свойствами хладоносителей;

• на основе теоретических и экспериментальных исследований показать экономическую и энергетическую эффективность оптимизации некоторых свойств хладоносителей.

Научная новизна. Разработан научный метод выбора эффективных хладоносителей с низкими температурами замерзания и малой коррозионной активностью, развивающий теорию создания ХН с заданными свойствами.

Впервые предложена расчётная формула для вычисления температуры замерзания водно-гтропиленгликолевых электролитных хладоносителей, учитывающая сольватацию ионов. Создан алгоритм управления техникоэксплуатационными свойствами хладоносителей.

Практическая значимость. На основании теоретических и экспериментальных исследований созданы трёхкомпонентные хладоносители с низкой температурой замерзания, по физико-химическим свойствам, превосходящие водно-солевые и водно-пропиленгликолевые.

Получены и обобщены данные в широком диапазоне концентраций об их основных теплофизических и физико-химических свойствах. Разработанное методическое и программное обеспечение позволяет осуществлять оптимальный выбор хладоносителя при проектировании холодильных установок. Применение разработанных методов позволяет сократить время выполнения проектных работ, увеличить эффективность работы систем косвенного охлаждения с промежуточным хладоносителем.

Публикации по теме диссертации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 14 публикациях, из них 4 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских научнотехнических конференциях: «Современные методы и средства исследования теплофизических свойств веществ», Санкт-Петербург, январь 2010;

«Инновационные разработки в области техники и физики низких температур», Санкт-Петербург, декабрь 2010. «Низкотемпературные и пищевые технологии в 21 веке», Санкт-Петербург, ноябрь 2011; «Киотский протокол за чертой 2012 года - экологические доминанты и императивы будущего индустрии холода». Санкт-Петербург, январь 2012.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, приложений и содержит 114 страниц основного машинописного текста, 17 рисунков, 10 таблиц, 25 страниц приложений. Список литературы содержит 100 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во Введении обоснована актуальность работы, её научная новизна и практическая значимость. Приведены цели и задачи работы.

Литературный обзор. В главе рассматриваются существующие хладоносители, их преимущества и недостатки. А также математические методы оптимизации свойств ХН и факторы влияющие на них.

Изучение свойств хладоносителей на основе водно-органических растворов электролитов. Закономерности понижения температуры замерзания растворов.

В последние годы в СПбГУНиПТ проводились исследования по оптимизации свойств хладоносителей. Была предложена теория, основанная на физико-химических взаимодействиях и математико-статистических методах оптимизации. В развитие теории в данной работе показана возможность модернизации свойств ВПГЭ растворов [1].

Одна из важных характеристик хладоносителя является температура замерзания. Именно она предопределяет возможность его использования для охлаждения различных объектов по свойствам и назначению. Создание, модернизация растворов ХН и последующее их опытное определение температуры замерзания требует длительного времени и особого внимания.

В связи с этим большую значимость приобретает возможность использования расчетных формул [8].

Температура замерзания (t3) водно-пропиленгликолевых электролитных хладоносителей зависит от природы электролита, его моляльной концентрации (С„,) и от массовой доли () ПГ в смешанном растворителе. С помощью математико-статистических методов при определённых ограничениях (С и =1.0...3.0; =25...60%) на входные параметры выведены полиномиальные уравнения регрессии для вычисления температуры замерзания ВПГЭ ХН. Так, для хладоносителя, содержащего NaCl:

t3 = 0,97^ + 4,24С и -0,144C m + 0,0026^ 2 + 0,46CW2 - 3, 8 7 (i) Экспериментальное определение температуры замерзания