Исследование и разработка методики расчета генераторов

Исследование и разработка
методики расчета
генераторов бинарного льда
для охлаждения рыбы на
промысловых судах
Автор: Тарасова Е.C.
Научный руководитель: к.т.н. Серова Е.Н.
- гелеобразная масса,
состоящая из мельчайших кристалликов льда (не
более 0.4 мм) и переохлажденной морской воды (или
раствора солей, гликолей, спиртов)
Льдогенератор и накопительный танк,
установленные в подвале супермаркета
Олимпийский в Никозии, Кипр
Аккумулирующая
способность в системах
СКВ
Получение
искусственного снега
В рыболовецком флоте
для быстрого
охлаждения рыбы
В медицине
(хирургия)
 100% экологичность
Нежная консистенция
Сокращение времени охлаждения
Возможность хранения рыбы до 20 суток
Возможность транспортировки ЖЛ по
трубопроводам (до 150м)
Уменьшение времени охлаждения рыбы
Скорость охлаждения рыбы
температура продукта, оС
25
20
15
10
жидкий лед
чешучатый лед
5
0
-5
0
1
2
3
время охлаждения, ч
4
5
Основные виды
льдогенераторов
Механический
Вакуумные
С вихревым
потоком
Мембранные
Особенности льдогенераторов
различных видов
Вид
Особенности
льдогенератора
С вихревым
потоком
Вакуумные
Специально подготовленная гладкая
теплопередающая поверхность.
Периодичность действия.
В составе должны быть сосуды больших
размеров.
Мембранные
Особо мелкие размеры кристаллов
льда, малая производительность
Механические
Не требуют обязательного
накопительного сосуда, простота
устройства, непрерывность действия
Основная масса ледяных кристаллов образуется
кристаллообразующий
в объеме рассола; на стенку цилиндра из
рассол
рассола выпадает криоосадок,
который снимается механическим
внутренний цилиндр
устройством (например, шнеком
или скребком) и выводится из аппарата
с потоком бинарного льда.
внешний цилиндр
кипящий хладагент
теплоизоляция
Скребки
Канада. SUNWELL .
Технология Deepchill
Израиль. Crytec.
Технология Bubble Slurry
Производительность жид. льда:
от 920 л/ч (40%)
до 3160 л/ч (10%)
при t воды 0°С
1 тонна/сутки с танком на 180 литров
Q0=40кВт
Габариты и вес:
166*136*173 см, 1040 кг
Исландия. OPTIMAR .
Технология. OPTIM-ICE .
Россия. Digital Empire.
Технология LiveIce.
Цель исследований:
изучить процессы, происходящие в
промышленных льдогенераторах и
разработать методику расчета
льдогенераторов для получения
бинарного льда.
ЗАДАЧИ РАБОТЫ
1. Выявить общие черты механических льдогенераторов
бинарного льда, характерные для разных производителей.
2. Проанализировать экспериментальные данные
ВНИХИ по работе льдогенераторов.
3.Определить условия образования бинарной смеси.
4. Описать количественно процессы, происходящие в
аппарате-кристаллизаторе
5. Разработать методику расчета площади
теплопередающей поверхности аппарата-кристаллизатора.
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ
Для всех льдогенераторов механического типа
характерна турбулизация потока льдообразующего
рассола в аппарате-кристаллизаторе
 «Crytec» для лучшей турбулизации подает пузырьки
воздуха в поток рассола
 «Digital Empire» добивается турбулентности потока
посредством специальных лопаток
 «Фабрика Холода» использует ротор со скребками.
Льдогенератор «Digital Empire»
14 – турбулизаторы потока
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
 При начальной концентрации раствора 3% NaCl на
выходе получаем бинарную смесь с массовой долей
кристаллов 16%
 Максимальная массовая доля ледяных кристаллов в
отстоявшейся бинарной смеси составляет около 40%
 Для перекачивания смеси обычным насосом по
трубопроводам концентрация кристаллов в смеси равна
27%
tкрист = 0°С
tкрист = 0°С
tр-ла = -2°С
tH2O = 0°С
из чистой воды (однокомпонентного
холодоносителя) получить бинарный лед
нельзя!
УСЛОВИЯ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ
БИНАРНОГО ЛЬДА
 наличие рассола – раствора,
криоскопическая температура которого
зависит от концентрации растворенного
вещества;
 концентрация рассола ниже эвтектической
ξэвт;
 охлаждение рассола до температуры ниже
криоскопической;
 турбулизация потока.
ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ
БИНАРНОГО ЛЬДА В ЛЬДОГЕНЕРАТОРЕ
МЕХАНИЧЕСКОГО ТИПА
Диаграмма t- для NaCl
Процесс образования жидкого льда
Концентрация NaCl, %
0
ξнач
5
10
15
20
15
10
РАСТВОР
Температура оС
5
охлаждение рассола - рост концентрации
0
tк
-5
-10
tохл
выпадение кристаллов
-15
-20
-25
-30
tэвт
ЛЕД+РАСТВОР
ЛЕД+ГИДРОГАЛИТ
ξэвт
25
Количество выпавших кристаллов зависит от начальной
концентрации рассола ξн (криоскопической температуры исходного
рассола tкриоск) и температуры, до которой мы будем охлаждать
рассол tохл . Количественно эта зависимость может быть выражена
материальным балансом:
Gкр-ра
Gнр-ра
ξкр-ра
ξнр-ра
Gкрист
Образование кристаллов
в объеме и на стенке
ξ=0
ξнр-ра < ξкр-ра
МЕТОДИКА РАСЧЕТА АППАРАТАКРИСТАЛЛИЗАТОРА ГЕНЕРАТОРА
БИНАРНОГО ЛЬДА
- масса охлаждаемой рыбы , кг;
- начальная температура рыбы , С;
- конечная требуемая температура рыбы, С;
- средняя теплоемкость рыбы , кДж/(кг˙K);
температура С и концентрация
морской воды (рассола);
- желаемое содержание кристаллов
воды в рассоле на выходе из
льдогенератора или температура
льдоводяной смеси на выходе из
льдогенератора;
-
- время, в течение которого должен быть
произведен;
- бинарный лёд, требуемый для охлаждения
заданного количества рыбы
Количество теплоты, которое необходимо отвести от охлаждаемой рыбы,
кВт
Qрыб=mрыб∙Сp∙∆t ,
где
∆t=(t рыбн-tрыб к) – разность начальной и конечной температур
охлаждаемой рыбы.
Масса ледяных кристаллов, необходимая для охлаждения рыбы, кг
Mкрист=Qрыб/r,
где
r – теплота фазового перехода вода-лед (r=344 кДж/кг).
Массовый расход рассола через аппарат-кристаллизатор определяют по
формуле (1), где
Gкрист=Mкрист/τ
Количество теплоты, отводимое через теплопередающую поверхность
кристаллизатора от рассола к хладагенту, кВт
QT = K∙F∙Θ
где
К – коэффициент теплопередачи кристаллизатора, кВт/(м2∙К);
F – площадь теплопередающей поверхности кристаллизатора, м2;
Θ = tр-ра-t0 – разность температур рассола и кипящего хладагента, К.
Удельная тепловая нагрузка на аппарат-кристаллизатор, кДж
qT = QT /Gр-ран
Удельная тепловая нагрузка складывается
из следующих составляющих:
t=150С нач
tкриос
на охлаждение
рассола до tкриос
кон
r
tкриос
tкриос
tохл
tохл
на охлаждение
рассола от tкриос
до tохл
Рассол
Лед + рассол
теплота фазового
на охлаждение
кристаллов от tкриос перехода
до tохл
Коэффициент теплопередачи от раствора к кипящему хладагенту,
Вт/(м2К)
где
α1- коэффициент теплоотдачи от хладагента к стенке, Вт/(м2К);
α2- суммарный коэффициент теплоотдачи от кристаллообразующего
рассола к стенке, Вт/(м2К);
δст – толщина теплопередающей стенки кристаллизатора, м;
λ - коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м ∙ К).
Величина α1 определяется особенностями геометрии канала
хладагента (например, кольцевой зазор) и может быть рассчитана
по известным соотношениям
ха
Коэффициент теплоотдачи α2 обусловлен двумя процессами:
δкрио
- конвективным переносом теплоты от раствора к стенке;
- переносом теплоты от водного криоосадка в процессе его формирования
на стенке.
ξвып
αконв
ха
α1
Для его расчёта можно использовать следующее соотношение
Величина αконв может быть определена известным методом с
использованием критериев Рейнольдса Re и Нуссельта Nu.
ω – скорость течения кристаллообразующего рассола в кристаллизаторе, м/с;
d – эквивалентный диаметр полости, в которой течёт рассол, м;
ρ – средняя плотность рассола, кг/м3;
μ - средняя динамическая вязкость рассола, Па∙с.
Формулы расчёта ω и d определяются индивидуальными особенностями
конструкции аппарата-кристаллизатора
где
Pr – число Прандтля для рассола.
Коэффициент выпадения криоосадка на внутренней стенке
аппарата-кристаллизатора [4].
где
r – теплота фазового перехода вода-лед ( 344 кДж/кг);
tр-ра – средняя температура рассола, оС;
tф.п. – температура поверхности криоосадка,℃.
ρл – плотность льда (917 кг/м3);
δ' – скорость роста кристаллов льда, мм/мин.
где
δ – толщина слоя криоосадка, мм
τ – время нарастания криоосадка, мин;
λл – теплопроводность льда (2,3 Вт/(м℃).
Данная методика, основанная на описании основных физических
процессов, происходящих в аппарате-кристаллизаторе генератора
бинарного льда механического типа, может быть использована для
определения площади теплопередающей поверхности аппаратов с
различной геометрией внутреннего цилиндра и турбулизаторов. В
зависимости от особенностей конструкции этих элементов должны быть
выбраны соответствующие формулы расчета скорости рассола и
эквивалентного диаметра при определении числа Рейнольдса.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!