Теоретические основы создания и оптимизации свойств хладоносителей для систем косвенного охлаждения

Для более детального анализа эффективности применения рассматриваемых хладоносителей была использована математическая модель, позволяющая рассчитать технико-эксплуатационные характеристики аммиачной ПКХМ (и0, иm, е, эксергетический КПД испарителя зэкс) в зависимости от температур хладоносителя и окружающей среды и , а также от конструктивных параметров компрессора, конденсатора и испарителя.

Установлено, что электролитные ХН имеют преимущества по сравнению с хладоносителем ВПГ-40 по всем указанным характеристикам. В частности, и0 увеличивается на 7-20% в интервале температур = 0…-15° С, зэкс возрастает на 10-12% (= -15° С).

Учет закономерностей взаимодействия частиц в растворах ХН, содержащих водно-органический растворитель и электролит, совместно с математико-статистическим методом изучения формальной связи между компонентами раствора дали возможность оптимизировать свойства хладоносителей в широком интервале концентраций и температур. Выяснилось, что среди большого числа электролитных растворов (изучено влияние 27 электролитов) системы, содержащие KI, KBr, NaCl обладают преимуществом по сравнению с безэлектролитными водно-пропиленгликолевыми растворами по вязкости, температуре кристаллизации, коррозионной активности.

Поэтому именно эти растворы, в частности, KJ и NaCl были испытаны в условиях, приближенных к холодильной практике с целью последующего их внедрения в промышленность. В табл. 3 приводятся свойства испытуемых ХН.

Таблица 3

Теплофизические и физико-химические свойства хладоносителей, прошедшие испытания на экспериментальном стенде

Испытания новых хладоносителей и оценка технико-экономической эффективности их применения

Цель проведения испытаний - исследование влияния свойств новых хладоносителей на энергетические показатели одноступенчатой холодильной машины. В качестве испытуемых хладоносителей были взяты растворы ВПГЭ - 30 (NaCl) и ВПГЭ - 40 (KJ): для сравнения был исследован раствор ВПГ - 40, не содержащий электролит.

Для реализации цели были поставлены задачи по определению следующих характеристик холодильной машины при работе ее на трех хладоносителях: холодопроизводительности холодильной машины Qo; холодильного коэффициента д; электрической мощности компрессора N.

Исследование хладоносителей ВПГЭ-30 (NaСl), ВПГЭ-40 (KJ) и ВПГ-40 проводились на экспериментальном стенде одноступенчатой холодильной машины ХМ2ФВБС6, оборудованном приборами для замера температур и давлений в узловых точках цикла, расхода хладоносителя и воды через испаритель и конденсатор, соответственно, а также, электрической мощности компрессора и насоса. На рисунке 9 дана принципиальная схема экспериментального стенда.

Испытания проводились при установившемся режиме работы холодильной машины. Установившимся режимом считался режим, при котором давление и температура рабочего вещества в измеряемых точках оставались постоянными в течение всего времени испытаний, с допуском ± 0,5 С. Для обработки принимались режимы, в которых Gaи и Gaк различались не более, чем на 3%.

Рис. 9. Принципиальная схема холодильной машины

I - компрессор ФВБС-6, II - кожухотрубный затопленный конденсатор, III - регенеративный теплообменник, IV - дроссельный вентиль; V- испаритель; VI - циркуляционный насос хладоносителя; VII - бак хладоносителя. Арабскими цифрами на рис. 9 обозначены температуры рабочего вещества: 1 и 2 - при входе и при выходе из компрессора; 1' - перед всасывающим клапаном; 3 и 4 - при входе из конденсатора; 5 и 6 - перед и после дроссельного вентиля (t6 равна температуре кипения to); 7 - на выходе из испарителя.

Показания контрольно-измерительных приборов записывались в протокол через каждые 1015 мин, не менее трех раз. Результаты эксперимента и расчетов при = -10°C представлены в табл. 4.

Таблица 4

Опытные технико-эксплуатационные параметры хладоносителей.

Полученные данные свидетельствуют о том, что при использовании электролит-содержащих растворов холодопроизводительность машины, одна из важнейших ее режимных характеристик, возросла на 10,8-12,4%, холодильный коэффициент увеличился на 9,5-11,2% - в зависимости от природы электролита. Соответственно изменениям этих параметров увеличился и коэффициент обратимости.

Важным представляется и тот факт, что характер изменения опытных технико-эксплуатационных параметров в сторону их улучшения находится в полном соответствии с данными, полученными расчетным путем. Таким образом, можно констатировать, что электролит-содержащие ВПГ хладоносители по совокупности физико-химических и теплофизических свойств, а также по технико-эксплуатационным показателям превосходят водно-пропиленгликолевые хладоносители, в состав которых не входит электролит.

Большая эффективность электролитных хладоносителей предопределена не только их качественным составом, который выбирался с учетом взаимодействия в растворах на микроуровне, но и тем обстоятельством, что свойства трехкомпонентной системы удобнее изменять в нужном направлении по сравнению с двухкомпонентной. В этом отношении трехкомпонентный электролитный хладоноситель более совершенен, чем ХН, содержащий только пропиленгликоль и воду.

Для оценки технико-экономической эффективности работы холодильной машины при использовании ВПГЭ хладоносителей будем считать, что годовые затраты будут зависеть только от того, какой хладоноситель используется - 40%-ный водно-пропиленгликолевый или разработанные электролитные на ВПГ основе.

Для сравнения годовых затрат на работу холодильной машины при использовании электролитных ХН и ВПГ хладоносителей, не содержащих электролит, следует учитывать, главным образом, расходы на электроэнергию Экнас для компрессора и насоса и стоимость хладоносителей кхн с учетом амортизационных затрат на дозаправку, составляющих 15% от стоимости. Другие составляющие общих затрат не зависят от холодопроизводительности и холодильного коэффициента - тех технико-эксплуатационных показателей, которые характеризуют эффективность холодильной машины.

В табл. 5 приведена часть годовых затрат на работу аммиачной холодильной машины ХМ-АУУ90/А1 (холодопроизводительность 107 кВт при 28 °С, -10 °С; мощность электродвигателя компрессора 55 кВт, число часов работы в году - 5000) при использовании водно-пропиленгликолевых хладоносителей.

Таблица 5

Годовые затраты на электроэнергию для компрессора и насоса и расход хладоносителя на его стоимость.

Из табл. 5 следует, что уменьшение затрат при использовании электролитных хладоносителей составляет:

- для ВПГЭ - 30(NaCl) 227600 руб./год или 28,7%;

- ВПГЭ - 40(КJ) 131447 руб./год или 16,5%.

Таким образом, использование электролитных водно-пропиленгликолевых хладоносителей экономически целесообразно.

Рекомендации по применению ВПГЭ хладоносителей в системах косвенного охлаждения и при замораживании пищевых продуктов

Разработанные ВПГЭ ХН на основе водно-пропиленгликолевых растворов электролитов могут быть использованы для охлаждения пищевых продуктов и других объектов различного назначения. В зависимости от природы электролита, его концентрации, массовой доли пропиленгликоля рабочая температура ХН может достигать -40° С. В частности, опытным путем и с помощью полиноминальных уравнений регрессии установлено, что ВПГЭ раствор с массовой долей пропиленгликоля 45%, содержащий KJ с концентрацией 2,5 моль/кг имеет tз - 43єC. Вязкость такого раствора почти в 6 раз ниже, чем у безэлектролитного ВПГ раствора с той же температурой замерзания.

Охлаждение до -40єС может обеспечить и ВПГЭ-40, содержащий NaCl, концентрация которого составляет 2,4 моль/кг. Электролитные ВПГ хладоносители соединяют в себе хорошие теплофизические и физико-химические характеристики, что в сочетании с высоким уровнем безопасности открывает широкие возможности для их использования.

Роль ингибитора коррозии в большинстве случаев выполняет водно-пропиленгликолевый растворитель. При использовании в качестве электролита йодида калия (сm = 2,2 моль/кг, о = 30%) может быть использован ингибитор.

Сравнительно низкая температура электролитного ВПГ хладоносителя = -28… -30єС. может быть использована в системах холодоснабжения с современным оборудованием для снижения количество аммиака в системе и, следовательно повышения химической безопасности холодильной установки.

Хорошие технико-эксплуатационные свойства ВПГЭ хладоносителей при температурах -10…-14єС позволяют их использовать в холодильных машинах для создания искусственного льда, в помещениях для хранения пищевых продуктов. Выявлена возможность применения хладоносителя, содержащего NaCl, для контактного и бесконтактного замораживания пищевых продуктов.

Для бесконтактного охлаждения и замораживания в герметичной упаковке рекомендуется применять раствор NaCl в водно-пропиленгликолевом растворителе с массовой долей ПГ 26-30%. Для контактного охлаждения и замораживания ягод с плотной кожицей, плодов и овощей можно использовать 35%-ный водный раствор ПГ, содержащий 1,5-2,5% NaCl, 1% СaCl2 и лимонную кислоту. Возможно замораживание до температуры -20…-25єС с помощью ХН, содержащего пропиленгликоль, воду и йодид калия, обладающего низкой динамической вязкостью при низких температурах.

Важно отметить, что при быстром замораживании растительной продукции в ВПГ электролитных хладоносителях снижается скорость гидролиза ди- и полисахаридов, максимально сохраняются биологически активные вещества.

Основные результаты работы

Впервые обоснована и сформулирована концепция научного подхода к выбору хладоносителей, свойства которых отвечают предъявляемым к ним требованиям. Подход базируется на положениях физической химии растворов и построении математических моделей, связывающих параметры оптимизации и факторы, на них влияющие.

Разработан принципиально новый метод целенаправленного изменения свойств водно-пропиленгликолевых хладоносителей (вязкости, температуры кристаллизации, коррозионной активности) в нужном направлении. Метод основан на использовании существующих и выявленных закономерностей взаимодействия между компонентами раствора, включая количественные характеристики ионизации, сольватации и комплексообразования.

Анализ и теоретическая проработка зависимости указанных теплофизических и физико-химических свойств растворов от энергии и типа гидратации ионов, полярности растворителя, степени его структурированности, а также инструментальные методы исследования (вискозиметрия, калориметрия, криоскопия, кондуктометрия и др.) позволили разработать физико-химическую модель и на ее основе создать электролитные ВПГ хладоносители, воплотившие достоинства водно-солевых и пропиленгликолевых. Наилучшие возможности для улучшения свойств ХН обеспечиваются введением в ВПГ растворитель электролитов NaCl, KBr, KJ.

Методом планирования эксперимента определены количественная взаимосвязь факторов оптимизации - массовой доли пропиленгликоля в смешанном растворителе, концентрации йодида калия, температуры и их влияние на пять параметров хладоносителя.

Применение выведенных уравнений регрессии позволило определить оптимальные составы хладоносителей при заданном уровне ограничений их физико-химических и эксплуатационных свойств. В частности, ХН вода-пропиленгликоль (о = 40%) - йодид калия (с = 2,0 моль/кг) имеет температуру замерзания - 27,9єС,его вязкость при -20єС составляет 18,4·10-3Па·с. Температура замерзания хладоносителя вода-пропиленгликоль (о = 40%) - хлорид натрия (с = 2,3 моль/кг) равна - 42,0єС.

Проведенные систематические коррозионные испытания позволили выявить зависимость скорости коррозии от уровня взаимодействия ионов электролита с молекулами растворителя. Скорость общей коррозии сталей Ст20 и 09Г2С в среде разработанных хладоносителей не превышает 0,010 мм/год, что обеспечит надежность работы оборудования в течение 8-10 лет.

На основе разработанной научной теории, позволяющей прогнозировать и изменять свойства хладоносителей, и ее практической реализации созданы хладоносители нового поколения с улучшенными теплофизическими и физико-химическими свойствами, защищенные патентами РФ. Исследованы их основные свойства в рабочих областях температур, составлены уравнения, позволяющие производить необходимые теплотехнические расчеты. Применение данных хладоносителей обеспечит энергетическую эффективность и эксплуатационную надежность холодильных систем с вторичным контуром охлаждения.

Преимущества разработанных хладоносителей нового поколения подтверждены стендовыми испытаниями и заключениями холодильных и пищевых предприятий. Доказана технико-экономическая целесообразность использования разработанных хладоносителей для систем косвенного охлаждения. Для холодильной машины холодопроизводительностью 107 кВт снижение годовых затрат на электроэнергию составит около 200000 руб.

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по применению предложенных хладоносителей в холодильных системах косвенного охлаждения и при контактном замораживании пищевых продуктов.

Список литературы

1. Петров, В.И. Повышение эффективности работы холодильных установок с промежуточным хладоносителем. [текст] / Петров В.И., Кириллов В.В., Феликсов В.В. // Всесоюзная науч.-технич. конф. «Повышение эффективности процессов и оборудования холодильной и криогенной техники». Тезисы докладов. - Л.: ЛТИХП, 1981. - С.48.

2. Добрышин, К.Д. Способ получения перманганата щелочного металла: А.с. №1049428 [текст] / Добрышин К.Д., Кириллов В.В., Головкина М.Т. // Бюлл. №39, 1983.

3. Добрышин, К.Д. Исследование устойчивости растворов перманганата калия в кислой среде. [текст] / Добрышин К.Д., Кириллов В.В., Головкина М.Т.// Изв. вузов. Химия и химическая технология. - 1985. вып.8, №28, - С.16-20.

4. Кириллов, В.В. Комплексообразование ионов металлов с органическими лигандами. [текст] / Кириллов В.В., Макашев Ю.А., Щелоков Р.А. // VI Межд. конф. «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах. Тезисы докл. - Иваново, 1995. - С.43-44.

5. Кириллов, В.В. Взаимодействие ионов металлов с органическими лигандами в смешанных растворителях: Применение искусственного холода, физико-химических и биологических средств для повышения качества пищи. [текст] / Кириллов В.В., Бородулина О.М., Ботина А.А. // Межвузовск. сб. научн. трудов. - СПб: СПбГАХПТ, 1996. - С.123-127.

6. Кириллов, В.В. Образование биоактивных комплексов Sm(III) в различных растворителях. [текст] / Кириллов В.В., Макашев Ю.А., Щелоков Р.А. // Межд. конф. «Теория и практика процессов сольватации и комплексообразования в смешанных растворителях». Тезисы докл. - Красноярск, 1996. - С.46.

7. Кириллов, В.В. Ионизация нитрата самария (III) и хлорида кальция в смешанном водно-ацетоновом растворителе. [текст] / Кириллов В.В., Макашев Ю.А. // ХХ Межд. конфер. по координационной химии. - Ростов-на-Дону, 2001. - С.258.

8. Кириллов, В.В. Микрообъемный кондуктометрический метод определения степени ионизации солей. [текст] / Кириллов В.В., Макашев Ю.А. // Материалы III Всеросс. науч.-техн. конф. «Методы и средства измерений». - Н.Новгород, 2001. - С.27.

9. Кириллов, В.В. Коррозионные и теплофизические свойства растворов хлорида кальция с добавкой перманганата калия. [текст] / Кириллов В.В., Баранов И.В. // II-ая Межд. науч.-техн. конф. «Низкотемпературные и пищевые технологии в ХХI веке» Сб. трудов: СПбГуНиПТ, 2003. Т.2, С.313-318.

10. Макашев, Ю.А. Пути оптимизации свойств хладоносителей контуров промежуточного охлаждения. [текст] / Макашев Ю.А., Кириллов В.В., Петров Е.Т. // Известия СПбГУНиПТ. - 2003, №1. - С.19-21.

11. Кириллов, В.В. О возможности использования перманганата калия в качестве ингибитора коррозии стали в водном растворе хлорида кальция. [текст] / Кириллов В.В., Баранов И.В., Добрышин К.Д. // Вестник Международной Академии холода. - 2004, №3. - С. 24-27.

12. Кириллов, В.В. Физико-химические свойства хладоносителей на основе водных растворов этиленгликоля в присутствии электролита. [текст] / Кириллов В.В., Баранов И.В., Самолетова Е.В. // Холодильная техника. - 2004, №3. - С.9-11.

13. Кириллов, В.В. Новый подход к выбору промежуточного хладоносителя с заданными свойствами. [текст] // ХI Российская конф. по теплофизическим свойствам веществ. - СПб., 2005. - 154 с.

14. Кириллов, В.В. Функциональная зависимость вязкости водных растворов хлоридов металлов и аммония от их концентрации, электропроводимости и энтальпии гидратации. [текст] / Кириллов В.В. Крупенина Н.В. // Вестник МАХ. - 2005, № 3. - С.18-22.

15. Кириллов, В.В. Водно-спиртовые растворы электролитов в качестве хладоносителей с оптимальными свойствами [текст] / Кириллов В.В., Петров Е.Т. // Холодильная техника. - 2005, №7. - С.14-15.

16. Бараненко, А.В. Разработка электролит-содержащих пропиленгликолевых хладоносителей - эффективный способ улучшения их свойств. [текст] / Бараненко А.В., Кириллов В.В. // Холодильная техника. - 2006, №1. - С.28-32.

17. Кириллов В.В. Разработка хладоносителей с прогнозируемыми транспортными и теплофизическими свойствами на основе водно-пропиленгликолевых растворов электролитов. [текст] // V Межд. научно- техн. конф. «Искусственный холод: новые технологии, старые проблемы и их решения. Безопасность аммиачных холодильных установок». Тез. докладов. - М., 2006. - С.53-55.

18. Кириллов В.В. Расчетные зависимости вязкости водно-пропиленгликолевых растворов электролитов применительно к разработке хладоносителей с прогнозируемыми свойствами. [текст] // Вестник МАХ. - 2006, № 2. - С.29-33.

19. Кириллов В.В. Теплофизические свойства и коррозионная активность хладоносителей на основе электролит-содержащих водно-пропиленгликолевых растворов. [текст] //Холодильная техника. - 2006, №12. - С. 27-30.

20. Кириллов В.В. Влияние сольватации на относительную вязкость растворов галогенидов щелочных металлов и аммония в водно-пропиленгликолевом растворителе. [текст] Кириллов В.В., Польская Ю.В. // Известия СПбГУНиПТ. - 2006, №1. - С.64-68.

21. Бараненко А.В. Разработка хладоносителей на основе электролитных водно-пропиленгликолевых растворов. [текст] / Бараненко А.В., Кириллов В.В. //Холодильная техника. - 2007, №3. - С. 38-41.

22. Бараненко А.В. Использование математико-статистического метода для выбора электролит-содержащего водно-пропиленгликолевого хладоносителя. [текст] / Бараненко А.В., Кириллов В.В, Бочкарев И.Н. // III межд. научн.-техн. конф. «Низкотемпературные и пищевые технологии в ХХI веке». Тезисы докл. - СПб: СПбГУНиПТ, 2007. - С. 12-22.

23. Бараненко А.В. Оптимизация свойств хладоносителей с помощью метода планирования эксперимента. [текст] / Бараненко А.В., Кириллов В.В., Бочкарев И.Н. // Вестник МАХ. - 2007, №4. - С. 11-16.

24. Кириллов В.В. Анализ свойств используемых хладоносителей и пути оптимизации их свойств с помощью электролит-содержащих растворов: Теория и практика разработки и эксплуатации пищевого оборудования. [текст] / Кириллов В.В., Бочкарев И.Н. // Межвузовск. сб. научных трудов. - СПбГУНиПт, 2007. - С.33-42.

25. Бараненко А.В. Коррозионная активность электролитных растворов хладоносителей. [текст] / Бараненко А.В., Кириллов В.В., Бочкарев И.Н. // Вестник МАХ. - 2008, №3. - С. 26-28.

26. Бараненко А.В. Хладоноситель. [текст] / Бараненко А.В., Кириллов В.В., Петров Е.Т. Патент РФ № 2318010. Бюлл. №6, 2008 г.

27. Бараненко А.В. Хладоноситель. [текст] / Бараненко А.В., Кириллов В.В., Данилов П.А. Патент РФ № 2323953. Бюлл. №13, 2008 г.

28. Кириллов В.В. Энергетическая эффективность применения хладоносителей на основе водно-пропиленгликолевых растворов электролитов. [текст] / Кириллов В.В., Герасимов Е.Д. // Холодильная техника. - 2008, №12. - С. 10-43.

Размещено на Allbest.ru