Исследование и разработка методики расчета генераторов бинарного льда

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.

Бинарный лед - гелеобразная масса, состоящая из мельчайших кристалликов льда (не более 0. 4 мм) и переохлажденной морской воды (или раствора солей, гликолей, спиртов)

Области применения Льдогенератор и накопительный танк, установленные в подвале супермаркета Олимпийский в Никозии, Кипр Аккумулирующая способность в системах СКВ Получение искусственного снега

Области применения В рыболовецком флоте для быстрого охлаждения рыбы В медицине (хирургия)

Преимущества охлаждения рыбы бинарным льдом q 100% экологичность q. Нежная консистенция q. Сокращение времени охлаждения q. Возможность хранения рыбы до 20 суток q. Возможность транспортировки ЖЛ по трубопроводам (до 150 м)

Уменьшение времени охлаждения рыбы 25 Скорость охлаждения рыбы температура продукта, о. С 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 Специально подготовленная гладкая теплопередающая поверхность. Вакуумные Периодичность действия. В составе должны быть сосуды больших размеров. Мембранные Механические Особо мелкие размеры кристаллов льда, малая производительность Не требуют обязательного накопительного сосуда, простота устройства, непрерывность действия

Механический льдогенератор Основная масса ледяных кристаллов образуется кристаллообразующий в объеме рассола; на стенку цилиндра из 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

Лидеры-производители генераторов бинарного льда Канада. SUNWELL. Технология Deepchill Израиль. Crytec. Технология Bubble Slurry

Лидеры-производители генераторов бинарного льда 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 Q 0=40 к. Вт Габариты и вес: 166*136*173 см, 1040 кг Исландия. OPTIMAR. Технология. OPTIM-ICE. Россия. Digital Empire. Технология Live. Ice.

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 Ø «Crytec» для лучшей турбулизации подает пузырьки воздуха в поток рассола Ø «Digital Empire» добивается турбулентности потока посредством специальных лопаток Ø «Фабрика Холода» использует ротор со скребками.

Льдогенератор «Digital Empire» 14 – турбулизаторы потока

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

Ø При начальной концентрации раствора 3% Na. Cl на выходе получаем бинарную смесь с массовой долей кристаллов 16% Ø Максимальная массовая доля ледяных кристаллов в отстоявшейся бинарной смеси составляет около 40% Ø Для перекачивания смеси обычным насосом по трубопроводам концентрация кристаллов в смеси равна 27%

tкрист = 0°С tр-ла = -2°С t. H 2 O = 0°С из чистой воды (однокомпонентного холодоносителя) получить бинарный лед нельзя!

УСЛОВИЯ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ БИНАРНОГО ЛЬДА

Ø наличие рассола – раствора, криоскопическая температура которого зависит от концентрации растворенного вещества; Ø концентрация рассола ниже эвтектической ξэвт; Ø охлаждение рассола до температуры ниже криоскопической; Ø турбулизация потока.

ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ БИНАРНОГО ЛЬДА В ЛЬДОГЕНЕРАТОРЕ МЕХАНИЧЕСКОГО ТИПА

Диаграмма t- для Na. Cl

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 , к. Дж/(кг˙K); исходные данные - 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, к. Вт 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 к. Дж/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, к. Вт QT = K∙F∙Θ где К – коэффициент теплопередачи кристаллизатора, к. Вт/(м 2∙К); F – площадь теплопередающей поверхности кристаллизатора, м 2; Θ = tр-ра-t 0 – разность температур рассола и кипящего хладагента, К. Удельная тепловая нагрузка на аппарат-кристаллизатор, к. Дж q. T = QT /Gр-ран

Удельная тепловая нагрузка складывается из следующих составляющих: t=150 С нач кон tкриос на охлаждение рассола до tкриос tохл на охлаждение рассола от tкриос до tохл r Рассол Лед + рассол я я ва ени и Кр сыщ на теплота фазового на охлаждение кристаллов от tкриос перехода до tохл

Коэффициент теплопередачи от раствора к кипящему хладагенту, Вт/(м 2 К) где α 1 - коэффициент теплоотдачи от хладагента к стенке, Вт/(м 2 К); α 2 - суммарный коэффициент теплоотдачи от кристаллообразующего рассола к стенке, Вт/(м 2 К); δст – толщина теплопередающей стенки кристаллизатора, м; λ - коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м ∙ К). Величина α 1 определяется особенностями геометрии канала хладагента (например, кольцевой зазор) и может быть рассчитана по известным соотношениям ха

Коэффициент теплоотдачи α 2 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 α 1 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/м 3; 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 к. Дж/кг); tр-ра – средняя температура рассола, о. С; tф. п. – температура поверхности криоосадка, ℃. ρл – плотность льда (917 кг/м 3); 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!