ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНЯ ХЛАДАГЕНТА БИНАРНОГО ЛЬДА

В настоящее время все большее распространение получают холодильные системы использующие в качестве хладагента водяную шугу – перекачиваемую насосами, суспензию воды и мелких ледяных кристаллов [1, 2, 3]. В отечественной литературе эту смесь именуют также "бинарный лёд", "жидкий лёд", "шламовый лёд", а в зарубежной - "slurry ice", "binary ice", "liquid ice", "pumpable ice" или "vacuum ice". В дальнейшем для обозначения описанной среды в данной работе используется термин "жидкий лёд" (ЖЛ). Одним из основных преимуществ жидкого льда является способность аккумулировать тепловую энергию и покрывать пиковые потребности в холоде. Его хладоресурс за счет скрытой теплоты фазового перехода в 4…6 раз выше по сравнению с холодной водой или рассолом, что позволяет при одинаковом расходе теплоносителя уменьшить затраты на его прокачку, диаметр труб и поверхность теплообменников. Кроме того быстрое плавление мелких кристаллов льда гарантирует устойчивое и точное регулирование температуры системы.

Существует два основных подхода к его производству [1]:

- соскабливание кристаллов льда, образующихся на охлаждаемой хладагентом поверхности труб или пластин;

- образование кристаллов льда в объеме охлаждаемой жидкости.

Независимо от способа получения ЖЛ для кристаллизации воды необходим отвод теплоты от жидкости. В рамках второго подхода наиболее распространены технологии с вакуумированием жидкости. При вакуумировании рассола с начальной температурой выше температуры кристаллизации его температура уменьшается, а после достижения линии плавления в рассоле начинается кристаллизация. В реальных условиях для этого требуется некоторое переохлаждение, зависящее от степени турбулентности, свойств фаз и наличия в жидкости инородных включений. Небольшое переохлаждение сохраняется и в процессе дальнейшего роста кристаллов. Кроме того, в действительном процессе испарительного охлаждения давление пара над зеркалом жидкости меньше равновесного, соответствующего параметрам жидкой фазы.

Для изучения факторов влияющих на процесс формирования кристаллов льда, получаемых при объемной кристаллизации, на ОАО «Мотор Сич» совместно с НАКУ «ХАИ» была создана экспериментальная установка на базе вакуумного насоса марки 2ДВН-500 с быстродействием 250 л/с (рис.1). В установке реализуется процесс охлаждения и кристаллизации водного раствора с доэвтектической концентрацией растворяемого вещества за счет испарения при вакуумировании.

Экспериментальная установка состоит из вакуумной камеры (CV), генератора жидкого льда, конденсатора, бака жидкого льда, блока подготовки воды, вакуумных насосов 2ДВН-500 (NZ), АВЗ63-Д (NL1), насосов для отбора конденсата (Н1), жидкого льда (Н2) и подачи рассола в генератор ЖЛ (Н3). В вакуумной камере CV располагается генератор шуги рассольного типа, представляющий собой бак с механической мешалкой М1, приводимой во вращение электроприводом Э1, расположенным вне вакуумной камеры.

Рассол заданной концентрации из блока подготовки воды подается насосом Н3 в генератор жидкого льда. За счет испарения части жидкости при вакуумировании рассола его температура уменьшается до температуры кристаллизации и начинается процесс кристаллизации в объеме переохлажденной жидкости. Для интенсификации процесса кристаллизации рассол перемешивается мешалкой М1. Образовавшийся ЖЛ через полый вал мешалки подаётся насосом Н2 в бак водяной шуги. Пар, откачиваемый из генератора вакуумным насосом NZ, конденсируется в конденсаторе, конденсат удаляется из системы насосом Н1. При переналадке системы трубопроводов конденсат может быть направлен в генератор ЖЛ.

Для измерения температуры в генераторе жидкого льда используются пять хромель-алюмелевых термопар, две из которых расположены в паровом пространстве, а три в жидкости. Погрешность измерения температуры составляет ±0,2 оС. Для измерения давления в процессе образования жидкого льда используется датчик перепада давления, позволяющий измерять перепад давления до 1600 Па с погрешностью измерения около 1 %. Сигналы показаний термопар и датчика давления регистрируются прибором ТРМ 138 и заносятся в память компьютера.

Разработанная математическая модель процесса образования жидкого льда при вакуумировании жидкости [4], позволила выявить основные закономерности изменения свойств среды при вакуумировании, определить влияние начальных параметров и доли твёрдой фазы на процесс кристаллизации (рис.2-4). Также выполненные расчёты позволяют определить влияние концентрации рассола g2 и концентрации жидкого льда G(s)/G (доли кристаллов льда в общей массе покидающей генератор суспензии) на параметры энергетической эффективности экспериментальной установки – холодопроизводительность Q и холодильный коэффициент (рис.5-6). Расчётные характеристики экспериментальной установки представлены в табл.1.

Рост начальной концентрации соли ведёт к увеличению количества теплоты, отводимой паром до начала кристаллизации (рис. 2), и уменьшению температуры и давления процесса кристаллизации (рис. 3, 4). Как следствие снижается холодопроизводительность и холодильный коэффициент экспериментальной установки (рис. 5, 6).

Рост концентрации кристаллов приводит к уменьшению доли жидкой фазы, из которой они образуются. В результате увеличивается темп снижения температуры с ростом доли кристаллов (рис. 3). После начала кристаллизации концентрация соли в жидкой фазе раствора непрерывно увеличивается, приводя к соответствующему уменьшению температуры замерзания рассола и давления над ним (рис. 3, 4), что приводит к снижению холодопроизводительности и холодильного коэффициента установки (рис. 5, 6). При определённой доле кристаллов в жидкой фазе раствора достигается концентрация соли, соответствующая эвтектической точке (23,1 % по массе). Доля кристаллов в ЖЛ, соответствующая достижению эвтектической концентрации, уменьшается с ростом концентрации рассола g2 (рис. 3).

Начальная температура и концентрация рассола оказывает влияние на производительность установки (рис.7). Производительность установки характеризуется количеством жидкого льда заданной концентрации, вырабатываемым установкой за 1 час работы. Снижение температуры свежей порции рассола приводит к уменьшению времени процесса охлаждения рассола до начала кристаллизации и как следствие к повышению производительности. Увеличение начальной концентрации рассола понижает температуру процесса кристаллизации и увеличивает время процесса охлаждения рассола до начала кристаллизации, что снижает производительность установки.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004