Исследование процессов в аккумуляторах холода с теплопроводящей насадкой и разработка расчетных методов их оптимизации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

Введение.

Глава I. Состояние вопроса разработки рефрижераторов с аккумуляторами холода и задачи исследования.

1.1. Общие сведения.

1.2. Аккумуляторы плавления микрохолодильных установок.

Глава II. Методы расчета аккумуляторов плавления микрохолодильных установок.

2.1. Расчет температурных полей в аккумуляторах плавления.

2.2. Методика расчета аккумулятора плавления с теплопроводящей насадкой из пористого тела.

2.2.1. Физико-математическая модель аккумулятора.

2.2.2. Численное решение.

2.3. Методика расчета аккумулятора плавления с теплопроводящей насадкой в виде оребренного стержня.

2.4. Методика расчета аккумулятора плавления с теплопроводящей насадкой в виде стержней.

Глава 1П. Оптимизация аккумуляторов плавления.

3.1. Оптимизация теплопроводящей насадки аккумулятора плавления.

3.1.1. Выбор оптимальной теплопроводящей насадки из пористого тела.

3.1.2. Выбор оптимальной теплопроводящей насадки в виде оребренного стержня.

3.1.3. Выбор оптимальной насадки в виде теплопроводящих стержней.

3.1.4. Сопоставление характеристик теплопроводящих насадок.

Глава IV. Экспериментальное исследование аккумулятора плавления.

4.1. Создание экспериментального стенда.

4.1.1. Разработка аккумулятора плавления.

4.1.2. Описание экспериментального стенда.

4.1.3. Градуировка термопар.

4.2. Экспериментальное исследование процесса плавления рабочего тела в аккумуляторе с пористой теплопроводящей насадкой.

4.3. Оценка погрешности эксперимента.

4.4. Сопоставление расчетных данных с результатами эксперимента.

Глава V. Методика расчета аккумуляторов плавления микрохолодильных установок.

5.1. Выбор рабочего тела для аккумулятора холода.

5.2. Определение количества хладагента, необходимого для работы аккумулятора плавления.

5.3. Выбор геометрической формы аккумулятора плавления.

5.4. Выбор теплопроводящей насадки аккумулятора плавления.

5.5. Расчет параметров теплопроводящей насадки и времени работы аккумулятора плавления до заданного предела повышения температуры на объекте.

Глава VI. Комбинированные микрохолодильные системы с аккумуляторами плавления.

6.1. Общая характеристика.

6.2. Оптимизация низкотемпературных комбинированных систем по массе оборудования.

Глава VII. Перспективы использования аккумуляторов холода.

Выводы.

Прогресс во многих областях современной науки и техники в значительной степени связан с использованием низкотемпературных систем, что в свою очередь ведет к их постоянному развитию и совершенствованию.

Потребность в низкотемпературных системах постоянно растет. Научные исследования в ядерных и термоядерных областях, космосе, радиоэлектронной промышленности, электромашино- и аппаратостроении, биологии, медицине и т.д. вызывают необходимость создания и разработки различных систем обеспечения холодом с высокой термодинамической эффективностью и надежностью в работе.

Естественно, что при таком широком спектре применения низкотемпературных систем необходимо создавать столь же широкий их ассортимент с учетом постоянно ужесточающихся требований к энергетическим характеристикам, ресурсу работы и надежности установок. В этой связи в ряде случаев оказывается предпочтительным использование низкотемпературных систем в сочетании с аккумуляторами холода.

Холод в аккумуляторах запасается рабочими телами, хранящимися при заданной температуре в конденсированном состоянии (жидком или твердом) в специальных емкостях. Аккумуляторы холода заряжаются при работе низкотемпературных установок и предназначены для последующего охлаждения различных объектов до требуемой температуры в сочетании с низкотемпературной установкой или без нее. Они могут быть использованы для различных целей.

Так, применение аккумуляторов холода целесообразно для охлаждающих систем, работающих в условиях неравномерных суточных тепловых нагрузок с пиковыми значениями. В настоящее время в мировой практике достаточно широко используются аккумуляторы с целью уменьшения затрат на получение необходимого количества холода. Это связано с различной стоимостью электроэнергии в дневное и ночное время. Идея состоит в том, что в течение ночи аккумулятор холода заряжается за счет более дешевой энергии, а днем разряжается, осуществляя охлаждение объекта без затрат электроэнергии.

Например, в холодильной промышленности с целью снижения энергетических затрат широко используются аккумуляторы холода для хранения пищевых продуктов [1,2].

Работоспособность современных чувствительных электронно-оптических приборов может быть обеспечена криостатированием их элементов при помощи низкотемпературных систем с использованием аккумуляторов холода. Таковы, например, приемники инфракрасного излучения, кристаллы оптических преобразователей, катоды фотоэлектронных умножителей, лазерные диоды и др. Использование в этих случаях аккумуляторов холода позволяет не только повысить чувствительность приборов, но и исключить различного типа шумы, вибрации, электрические и магнитные поля, создаваемые низкотемпературной установкой. Аккумуляторы холода надежны; их ресурс непрерывной работы при неизменной тепловой нагрузке зависит только от количества запасенного хладагента.

Проектирование, конструирование и, тем более, изготовление устройств типа аккумуляторов холода - процессы трудоемкие и дорогостоящие. Поэтому часто бывает целесообразным оценивать эффективность их использования с помощью вычислительного эксперимента, а не путем натурных испытаний различных вариантов конструкции. Вопросы, на которые должен отвечать расчет, могут иметь разную степень глубины и детальности в зависимости от цели анализа аккумулятора холода как технической системы. В связи с этим расчетные схемы должны строиться на основе алгоритмов различного уровня сложности и детальности описания процессов.

В настоящей работе рассматриваются аккумуляторы холода для микрохолодильных установок. Особенность охлаждения состоит в отводе от объектов небольших количеств теплоты с малыми градиентами температур. В этом случае аккумулятор необходимо проектировать со специальной теплопрово-дящей насадкой для выравнивания поля температур в процессе плавления рабочего тела. Методика расчета таких аккумуляторов отсутствует, что затрудняет их проектирование.

Известные экспериментальные и теоретические исследования аккумуляторов холода [3+8] не дают ответа на вопросы, связанные с их расчетом и проектированием.

Диссертационная работа посвящена исследованию процессов, происходящих в аккумуляторах плавления с теплопроводящей насадкой, расчету и оптимизации этих процессов, созданию на основе полученных результатов методики их инженерного расчета. Расчеты сопоставлены с экспериментальными данными, полученными в настоящей работе, что позволило оценить достоверность результатов расчетов и оптимизации. Проведенные исследования позволили дать рекомендации для опытно-конструкторских разработок таких устройств.

В этой связи в диссертации рассмотрены следующие вопросы:

1. Анализ литературы по разработке микрохолодильных систем, в частности, с аккумуляторами холода, и задачам их исследования.

2. Разработка методов расчета и оптимизации аккумуляторов плавления с теплопроводящими насадками разных видов.

3. Экспериментальное исследование аккумулятора плавления с тепло-проводящей насадкой. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных.

4. Разработка методики инженерного расчета аккумулятора плавления с теплопроводящей насадкой.

5. Комбинированные микрохолодильные системы с аккумуляторами плавления.

6. Перспективы применения аккумуляторов холода.

Основные научные положения, сформулированные в работе, новизна которых защищается автором:

• Физико-математическая модель процесса охлаждения объекта с помощью аккумулятора плавления с теплопроводящей насадкой.

• Методики и пакет прикладных программ для расчета аккумуляторов плавления с теплопроводящими насадками разных видов.

• Оптимизация аккумулятора плавления с помощью разработанных методик расчета с использованием созданного пакета прикладных программ.

• Результаты экспериментального исследования аккумулятора плавления с теплопроводящей насадкой.

• Методика оптимизации комбинированной системы с аккумуляторами плавления по массе оборудования.

• Принцип действия и конструкция электромагнитного теплового ключа.

Кроме этого автор защищает методику инженерного расчета аккумуляторов плавления с теплопроводящими насадками разных видов для микрохолодильных установок.

Результаты исследования использованы при создании макета установки с аккумулятором холода для исследования характеристик различных приемников излучения, которая предложена для внедрения Государственному Научному Центру Российской Федерации ГП "НПО Орион". Результаты работы также были использованы при разработке холодильной системы в устройстве для выявления дефектов внутренней поверхности дымовых труб без их остановки, изготовленном в МГТУ им. Н.Э. Баумана в интересах РАО ЕЭС России в 1998 г.

Выводы.

1. Разработанная физико-математическая модель процесса плавления рабочего тела в аккумуляторах холода с теплопроводящими насадками в виде пористого тела с открытыми порами, оребренного стержня и гладких стержней позволяет рассчитать и проанализировать температурные поля в аккумуляторе.

2. Созданные методики и алгоритм расчета аккумуляторов плавления с теплопроводящими насадками разных видов, а также пакет прикладных программ позволяют определить температуру охлаждаемого объекта в любой момент времени.

3. На основе оптимизации аккумуляторов плавления с различными типами теплопроводящих насадок установлены наилучшие их виды и формы исполнения. Показано, что в случае пористой насадки ее пористость для одного и того же материала оказывает двоякое влияние на время работы аккумулятора. С увеличением пористости насадки возрастает количество рабочего тела в аккумуляторе, что увеличивает время его работы. Однако уменьшающаяся с увеличением пористости теплопроводность насадки приводит к увеличению градиента температур между теплообменивающи-мися средами, что в итоге ведет к увеличению температуры охлаждаемого объекта.

4. В случае цилиндрической формы аккумулятора, чем большую теплопроводность имеет материал насадки, тем оптимум сдвигается в сторону большей пористости. Так для никелевой и алюминиевой насадки оптимальная пористость равна 0,6; для медной 0,8.

5. При сферической форме оптимальная пористость для медной, никелевой и алюминиевой насадки составляет 0,8. Таким образом, предложенная методика расчета позволяет для конкретных случаев применения аккумуляторов оптимизировать как материал насадки , так и ее пористость.

6. В случае насадок в виде гладких и оребренных стержней лучшими характеристиками обладают аккумуляторы с насадками из более тепло-проводящих материалов, в частности, предпочтительнее медь, чем алюминий или никель.

7. Для аккумуляторов, предназначенных для работы с небольшими те-плопритоками оптимальной является пористая теплопроводящая насадка. Для аккумуляторов с большими геометрическими объемами может оказаться технологически проще и экономически целесообразнее использовать теплопроводящую насадку в виде оребренных стержней.

8. Созданный экспериментальный стенд и проведенные на нем испытания аккумулятора с теплопроводящей пористой насадкой подтвердили правильность допущений, принятых при разработке физико-математической модели процесса плавления рабочего тела в аккумуляторе с теплопроводящей насадкой. Результаты расчетов зависимости температуры охлаждаемого объекта от времени по созданной методике лежат в пределах погрешности двух серий экспериментов на спирте и гептене, что можно считать вполне удовлетворительным согласованием.

9. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана инженерная методика расчета аккумулятора плавления с различными видами теплопроводящих насадок.

10. Разработанная методика оптимизации микрохолодильной комбинированной системы по массе оборудования позволяет установить влияние отдельных элементов на общие массовые характеристики системы и сопоставить установки с различными генераторами холода.

11. Предложенный электромагнитный тепловой ключ позволяет эффективно подключать генератор холода к аккумулятору при небольшом изменении температуры объекта охлаждения.

1. Системы хладоснабжения с аккумуляторами холода. Сборник научных трудов. Под ред. Ю.П. Алешина. М.: НПО "Агрохолодпром", 1988.

2. Бобков А.В. Производство и применение льда. М.: Пищевая промышленность, 1977.

3. Михальченко Р.С., Архипов В.Т. и др. Исследование работы дроссельной микрокриогенной системы совместно с аккумулятором холода. В кн.: Тепловые процессы в криогенных системах. Сборник научных трудов. Киев: Нау-кова Думка, 1986, с. 100-106.

4. Чумаченко А.Д. Исследование процесса фазового перехода в льдоаккуму-ляторе. II Химическое и нефтяное машиностроение, № 12, 1994, с. 14-15.

5. Гончарова Г.Ю., Медовар Л.Е. Анализ процессов в льдоаккумуляторах с децентрализованным хладоснабжением.// Холодильная техника, № 2, 1986, с. 16-21.

6. Лунин В.М. Расчет фазопереходного аккумулятора тепла с применением гетерогенной модели теплообмена.// Инженерно-физический журнал, т.57, №2, 1989, с. 329-330.

7. Emblick Е. Eis als Kaltespeicher. Temperatur Technik, N 4.1983, s. 12-29.

8. Allan Sherman. History, status and future applications of spaseborne cryogenic systems. Advances in Cryogenic Engineering, v. 27. Plenum Press, New York, 1982, p. 1007-1009.

9. Stephen H.Castles. Current developments in NASA cryogenic cooler technology. Advances in Cryogenic Engineering, v. 33. Plenum Press, New York , 1988, p. 799-807.

10. Johnson A.L. Spacecraft borne long life cryogenic refrigeration status and trends. Cryogenics, v. 39,1983, p. 339-347.

11. Ross R.G. Requirements for long-life mechanical cryocoolers for spase application. Cryogenics, v. 30.1990, p. 233-238.

12. Автономные рефрижераторы малой мощности. Под ред. Бродянского В.М. М.: Энергоатомиздат, 1984.

13. Грезин А.К., Зиновьев B.C. Микрокриогенная техника. М.: Машиностроение, 1977.

14. Техника низких температур. Сборник научных трудов. Под ред. Веркина Б.И. Киев: Наукова Думка, 1979.

15. Архипов В.Т., Михальченко P.C. и др. Экспериментальное исследование и математическое моделирование процесса затвердевания криогенных жидкостей в криостатах.// Высокотемпературная сверхпроводимость, № 1,1990, с. 93-100.

16. Верхман С.И., Сазанов A.A. Экспериментальное исследование процесса теплообмена при сублимации твердого криоагента.// Криогенное и кислородное машиностроение. М.: ЦИНТИ Химнефтемаш, № 1,1973, с. 16-17.

17. Грачев А.Б., Ворошилов Б.С., Коршунов В.В. Экспериментальное исследование активной сублимационной системы криостатирования.// Химическое и нефтяное машиностроение, № 4. М.: ЦИНТИ Химнефтемаш, 1975, с. 31.

18. Э.Криорефрижераторы Гиффорда-Мак-Магона. Криорефрижераторы Стир-линга. Криорефрижераторы Сплит-Стирлинга. Препринт фирмы "Сибкрио-техника", Омск, 1998.

19. Longsworth S., Boiarski M.I. and Klusmier L.A. 80 К Closed Cycle Throttle Refrigerator. Препринт фирмы APD Cryogenics Allentown Pa, США 18103,1998.

20. Бродянский B.M., Синявский Ю.В. О возможности создания холодильных установок на основе электрокалорического эффекта.// Холодильная техника, № 7, 1982, с. 24-29.

21. Боярский М.Ю., Лунин А.И., Могорычный В.И. Характеристики криогенных систем при работе на смесях. М.: МЭИ, 1990.

22. Устройства для охлаждения приемников излучения. Под ред. Епифановой В.И., Л.: Машиностроение, 1977.

23. Справочник по физико-техническим основам криогениники. Под ред. Майкова М.П., М.: Энергоатомиздат, 1985.123

24. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Справочное пособие., Л.: Химия,1982.

25. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972.

26. Robert Н. Perry, Don W. Green. Perry' s Chemical Engineers' Hand Book. California, USA, 1997.

27. Бродянский B.M., Семенов A.M. Термодинамические основы криогенной техники. М.: Энергия, 1980.

28. Боярский М.Ю. Основы расчета фазовых равновесий в многокомпонентных смесях. М.: МЭИ, 1984.

29. Кириллин В.А., Шейндлин А.Е., Шпильрайн Э.Э. Термодинамика растворов. М.: Энергия, 1980.

30. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под ред. Григорьева В.А. и Зорина В.М. М.: Энергоатомиздат, 1988.

31. Рубинштейн Л.И. Проблема Стефана. Рига: Звайгзне, 1967.

32. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984.

33. Крылов В.И., Бобков В.В., Монастырский П.И. Вычислительные методы. М.: Наука, 1976.

34. Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. М.: Наука 1977.

35. Poirier D., Salcudean М. On Numerical Methods Used in Mathematical Modeling of Phase Change in Liquid Metals. ASME J. of Heat Transfer. Vol.110, pp. 562570,1988.

36. Voller V. R. and Prakash C. A fixed grid numerical modeling methodology for convection-diffusion mushy region phase-change problems. Int. J. Heat Mass Transfer. Vol. 30, № 8, pp. 1709-1719, 1988.

37. Грачев А.Б., Лесюк E.A. Оптимизация криоаккумулятора. // Химическое и нефтегазовое машиностроение, №3, 1998, с. 35-37.

38. Тепло- и массообмен в капиллярно-пористых телах. Сборник статей. Под ред. Лыкова A.B. Минск: Наука и техника, 1965.

39. Тепло- и массообмен при низких температурах. Сборник статей. Под ред. Лыкова A.B. Минск: Наука и техника, 1970.

40. Лыков A.B. Тепломассообмен. Справочник. М.: Энергия, 1978.

41. Каганер М.Г. Тепломассообмен в низкотемпературных конструкциях. М.: Энергия, 1979.

42. Белов C.B. Пористые металлы в машиностроении. М.: Машиностроение, 1981.

43. Грачев А.Б., Лесюк Е.А. Расчет криоаккумулятора с теплопроводящей насадкой в виде оребренного стержня. Химическое и нефтегазовое машиностроение, №7, 1998, с. 27-29.

44. Солнцев Ю.П., Степанов Г.А. Материалы в криогенной технике. Л.: Машиностроение, 1982.

45. Материалы для криогенных конструкций. Сборник научных трудов. Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 1986.

46. Verkin B.I., Mikhalchenko R.S., Getmanets B.F., Arkhipov V.T. The thermal conductivity of a flat plate cooled by a sublimating medium. // Proceedings of the Second International Cryogen Engineering Conference. Brighton, 7-10 May 1968, USA.

47. Бекман Г., Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии. М.: Мир, 1987.

48. Авдуевский B.C., Галицейский Б.Ф. и др. Основы теплопередачи в авици-онной и ракетно-космической технике. М.: Машиностроение, 1975.

49. Шлыков Ю.П., Ганин Е.А. Контактный теплообмен. М.: Госэнергоиздат, 1963.

50. Демкин Н.Б. Фактическая площадь касания твердых поверхностей. М.: Изд. АН СССР, 1962.

51. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. Л.: Наука, 1967.

52. Лесюк Е.А. Определение минимальной массы комбинированной системы. //Вестник МЭИ, №3,1999, с.60-62.

53. МИНИСТЕРСТВО •. 5БЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

54. ЛОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н.Э. БАУМАНА107005, Мосхва, 2-* Бауманская, 5 Тел. (095) 263-63-91 Факс (095) 267-98-93 Эл. почта: postmaster @Inter<L bmgtu. msk. Su