Многоуровневая система моделирования нестационарных и меняющихся режимов работы низкотемпературных установок

Московский государственный технический университет имени Н.Э.БауманаНа правах рукописиУДК 621.59ЛАВРОВ НИКОЛАЙ АЛЕКСЕЕВИЧМНОГОУРОВНЕВАЯ СИСТЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯНЕСТАЦИОНАРНЫХ И МЕНЯЮЩИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫНИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСТАНОВОКДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степенидоктора технических наукСпециальность 05.04.03 - Машины, аппараты и процессы холодильной икриогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспеченияМосква - 20132СОДЕРЖАНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 8Глава 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВНИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕХНИКИ ................................................................ 151.1 Моделирование теплового взаимодействия потоков и стенки втеплообменных аппаратах................................................................................

151.2. Аналитические методы решения для стационарного случая ........................ 521.3 Конечно-разностный метод для расчета двухпоточныхтеплообменников, исключающий возможность пересечениярасчётных профилей температур потоков хладагентов длястационарного случая ....................................................................................... 701.4 Приближенный метод разложения по базисным функциям попространственной координате температуры потока хладагентадля нестационарного случая ............................................................................ 731.5 Использование критериальных зависимостей для определениякоэффициентов теплоотдачи ...........................................................................

88Выводы по первой главе................................................................................... 88Глава 2. РАСЧЕТНАЯ СИСТЕМА РАЦИОНАЛЬНОГО ВЕДЕНИЯМЕНЯЮЩИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ КРИОГЕНЫХ УСТАНОВОК............ 922.1 Моделирование нестационарных и меняющихся режимов работынизкотемпературных установок ...................................................................... 922.2 Постановка задачи и расчётные ступени ........................................................ 1012.3 Описание экспериментальной установки .......................................................

1052.4 Использование при расчётах экспериментальных данных........................... 1052.5 Описание измерений и расчёт погрешностей ................................................ 1053Стр.2.6 Апробация расчётных методов для установки ............................................. 1052.7 Модель с косвенным учетом теплообмена ..................................................... 1402.8 Модель с сосредоточенными параметрами .................................................... 1462.9 Модели с распределенными параметрами .....................................................

1552.10 Поверочный расчёт и рациональное проведение переходныхрежимов работы .............................................................................................. 1552.11 Рекомендации по конструктивным изменениям, приводящим кулучшению проведения рабочих процессов ................................................ 155Выводы по второй главе ...................................................................................

88Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕЛ СКАНАЛАМИ ВНУТРИ НИХ ................................................................................. 1773.1 Основные способы охлаждения объектов ...................................................... 1773.2 Оценки времени охлаждения объектов .......................................................... 1773.3 Математическая модель теплообмена цилиндрического объекта,имеющего осевые каналы............................................................................. 11783.4 Рациональное ведение процесса охлаждения пакетаиспользованных автопокрышек.....................................................................

1863.5 Использование изменения направления движения потока дляуменьшения разности температур в охлаждаемом теле ............................. 197Выводы по третьей главе ................................................................................. 88Глава 4. СОПРЯЖЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА ПРИЗАМОРАЖИВАНИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ И ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ ...... 2024.1 Особенности моделирования процессов охлаждения изамораживания ................................................................................................ 2024Стр.4.2. Расчётное и экспериментальное исследование замораживаниянеоднородного пищевого продукта в скороморозильном аппарате.......... 2124.3 Моделирование процессов массообмена при охлаждении ........................... 2154.4 Экспериментальное исследование процессов испарения влаги приохлаждении и замораживании .......................................................................

219Выводы по четвёртой главе ............................................................................. 88Глава 5. ТЕПЛОМАССООБМЕН ПPИ ДВИЖЕНИИ ГАЗОВЫХ ПУЗЫPЕЙЧЕPЕЗ СЛОЙ ЖИДКОСТИ ................................................................................... 2245.1 Особенности тепломассообменных процессов при барботаже ................... 2245.2 Изотермический массообмен при всплытии единичного газовогопузыpя через слой жидкости .......................................................................... 2345.3 Моделирование изотермической барботажной колонны безперемешивания ................................................................................................ 2415.4 Моделирование барботажной колонны с перемешиванием .........................

2505.5 Моделирование процессов очистки жидкости от растворённого вней газа при барботаже ................................................................................... 256Выводы по пятой главе ..................................................................................... 88ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................ 266СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................... 2675Основные обозначения и сокращенияЛатинскиеC- теплоемкость, Дж/кг К, мольная доля растворенных газов в жидкостиFc - удельная сила сопротивления, Н/кгH - постоянная Генpи, ПаG - массовый pасход, кг/сK - объемная массопеpедача, м3/сKr - скоpость изменения pадиуса пузыpя, м/сL - полная длина теплообменной поверхности, м; газовая нагрузкаM - масса, кгN - число единиц переноса теплоты (NTU), число разбиений по координате,число молей компонентов, находящихся в единичном объеме, кмоль/м3T - температура, КR - радиус цилиндра или шара, м,S - площадь поперечного (проходного) сечения, м2Sд – действительная площадь повеpхности пузыpя, м2V - объем, м3Y - мольная доля паpов жидкости в газовом пузыpеa - безразмерный коэффициент в уравнениях энергии для потоков, a=G0 /(LS)b - безразмерный коэффициент в уравнениях энергии для потоков,b=0 /(CpS)h - энтальпия, Дж/кг, расстояние, пpойденное пузыpемg - ускоpение свободного падения, 9,81 м/с2k - объёмный коэффициент удельной массопеpедачи, м/сki - размерные коэффициенты в граничных условиях общего вида для потоков,k’i - размерные коэффициенты в граничных условиях общего вида для потоков,Дж/кгm - мольная масса, кг/кмольmi - безразмерные коэффициенты в граничных условиях общего вида дляпотоков,6n - число газовых компонент,nb - число пузыpей в единице объема, 1/м3p - давление, Паq - плотность теплового потока, Вт/м2υ - линейная скорость, м/с п - скоpость всплытия пузыpя, м/сx - координата длины теплообменной поверхности, мx - безразмерная кооpдината длины теплообменной поверхности, x = x /LГреческие - пеpиметp теплоотдачи, м - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2К, ф - коэффициент формы пузыря, учитывающий отклонение поверхностипузыря от сферы, - безразмерный коэффициент в уравнениях энергии для стенки, = L0 /(CстMст) - коэффициент для связи температуры и энтальпии, кг·К/Дж,  = (Т/h)p - коэффициент теплопpоводности, Вт/м К - вязкость, пз - время, с 0 - характерное время процесса, с - безразмерное время,    0 - плотность, кг/м3 - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м - число молей, кмольВерхние индексыо - в начальный момент времени,Нижние индексыe - равновесное значение,7г - относится к газу,ж - относится к жидкости,и - относится к теплоизоляции, обозначает единичное значение,к - относится к корпусу теплообменника,о.с.

- относится к окружающей среде,п - относится к пузырю,р - при постоянном давлении,ст - относится к теплопередающей стенке,1 - относится к прямому потоку,2 - относится к обратному потоку, - суммарное значение8ВВЕДЕНИЕОхлаждение и отогрев крупных криогенных установок таких, каквоздухоразделительные установки, установки сжижения природного газа,рефрижераторы для сверхпроводящих систем, криотермовакуумных камер имитаторовкосмическогопространствахарактеризуютсясущественнойпродолжительностью, соизмеримой в некоторых случаях с рабочим временемработы.

В связи с этим рациональная организация нестационарных процессов сцелью сокращения времени и затрат энергии, обеспечения безаварийнойработы имеет существенное значение. Нестационарные процессы перехода отодного установившегося режима работы низкотемпературной установки кдругому часто имеют место при эксплуатации. Кроме этого, существуютспециальные установки, предназначенные, например, для быстрого охлажденияи замораживания пищевых продуктов, в которых сами рабочие режимыявляются нестационарными. Параметры низкотемпературных установок при ихработе не всегда совпадают с проектными значениями и могут существенноизменяться в процессе эксплуатации. Происходит это из-за переменностивнешней тепловой нагрузки, параметров входящих потоков в установку инестабильности рабочих характеристик машин и аппаратов, из которых состоитустановка.

Поэтому рациональная эксплуатация установки в таких меняющихсярежимахкрайненеобходимакакдлятого,чтобынеуменьшаласьхолодопроизводительность или количество получаемых продуктов, так и длятого, чтобы избежать возможности поломок машин и аппаратов даннойустановки при отклонении величин параметров за пределы допустимыхзначений.Проведениеполномасштабныхэкспериментальныхисследованийнестационарных и меняющихся процессов связано с большими затратами ипорой технически затруднено.