Автореферат (Моделирование процессов теплообмена при намораживании водного льда на неизолированных элементах низкотемпературного оборудования)

На правах рукописиУгольникова Мария АндреевнаМОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА ПРИНАМОРАЖИВАНИИ ВОДНОГО ЛЬДА НА НЕИЗОЛИРОВАННЫХЭЛЕМЕНТАХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОБОРУДОВАНИЯСпециальность 05.04.03 – Машины и аппараты, процессы холодильной икриогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспеченияАвторефератдиссертации на соискание ученойстепени кандидата технических наукМосква – 2017Работа выполнена в Московском политехническом университетеНаучный руководитель:доктор технических наук, профессорМаринюк Борис ТимофеевичОфициальные оппоненты: доктор технических наук, профессорЛавров Николай Алексеевич Московскийгосударственный технический университет им.Н.Э. Бауманакандидат технических наук, доцент, ИньковАнатолий Павлович ООО «Экотерм»Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетноеобразовательное учреждение высшегообразования «Калининградский государственныйтехнический университет» «Балтийскаягосударственная академия рыбопромысловогофлота» ФГБОУ ВО «КГТУ» БГАРФЗащита состоится « » октября 2017 года в на заседании Диссертационногосовета Д 212.141.16 в Московском Государственном ТехническомУниверситете им.

Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва,Лефортовская наб., д. 1, корпус «Энергомашиностроение».С диссертацией до защиты можно ознакомиться в библиотеке МГТУим. Н.Э. Баумана и на сайте www.bmstu.ru.Ваши отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать поуказанному адресу: 105005, г. Москва, ул. 2-ая Бауманская, д.5.Ученомусекретарю диссертационного совета Д 212.141.16.Автореферат разослан «» ___________2017 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.141.16кандидат технических наук, доцентКолосов М.А.ВВЕДЕНИЕАктуальность работы. Водный лед обладает особыми теплофизическимисвойствами, он доступен, имеет относительно низкую стоимость, полностьюсовместим с окружающей средой, этим обусловлено его широкое применение вразличных областях науки и техники.

Растет применения водного льда вразличных его формах и модификациях, в частности, как хладоноситель спостоянной температурой и меняющимся агрегатным состоянием он широкоприменяются в сельском хозяйстве, пищевой промышленности, торговойотрасли, строительном деле и др. Существенным преимуществом примененияводного льда для охлаждения продуктов, является отсутствие подмораживания,что в ряде случаев крайне важно.

В связи с обширной областью применения,производство водного льда является важной технической задачей, в которуювходит, в том числе расчет и проектирование ледогенераторов с различнойформой рабочей поверхности намораживания.Водный лед применяется так же в качестве холодоаккумуляционноймассы, используемой в часы пиковых нагрузок. Причем лед может бытьполучен как с помощью холодильной установки (работающей в наиболееразгруженные для электросети часы), так и с применением естественногохолода окружающей среды.Важной экологической проблемой, ставшей последствием активнойтехногенной деятельности в XX веке, является удаление из водоемовзатопленных оболочковых объектов. Такие предметы могут содержатьтоксичные, экологически опасные вещества, попадание которых в воднуюсреду губительно для подводной флоры и фауны, а вместе с ними и длячеловека (через морепродукты). Это обуславливает необходимость подъемаоболочковых объектов на поверхность водного бассейна для их последующейтранспортировки и утилизации.

Сложность данной задачи состоит в том, чтостенки объектов зачастую подвержены значительному корзинному износу,исключающему механическое воздействие на них, вследствие опасностиразрушения.Втакихусловияхперспективнымипредставляютсянизкотемпературные методы, основанные на применении водного льда дляподъема затопленных объектов.Задача расчета динамики намораживания водного льда на поверхностяхразличных форм является весьма актуальной для расчета и проектированияледогенераторов и холодоаккумуляторов, а так же для создания системизвлечения затопленных объектов со дна водных бассейнов, с применениемнизкотемпературной технологии.1Цель работыСоздание и обоснование математического описания процессов работыустройств ледогенераторов, с различной формой поверхности намораживания,и устройств криозахвата оболочковых объектов с шельфа водных бассейнов.Задачи исследования:1.

Разработка расчетно-аналитического метода определения скоростинамораживания водного льда на поверхностях канонических форм (плоскаястенка, внешняя и внутренняя цилиндрическая поверхность).2. Оценка влияния зависимости теплофизических свойств льда оттемпературы, для случаев намораживания льда на плоской и наружнойцилиндрической поверхностях.3. Получение опытных данных по динамике роста толщины слоя водногольда на стенках, различных геометрических форм.4. Сопоставление экспериментальных данных с теоретическимизависимостями, полученными по разработанным аналитическим моделям.5. Создание конструктивной схемы устройства для подъема затопленныхоболочковых объектов (криокюветы), на основе низкотемпературнойтехнологии.6. Создание методики расчета режимов работы устройства, для подъемаоболочковых объектов (криокюветы).7. Определение наиболее эффективной по способности накапливания льдарабочей поверхности намораживания.Научная новизна1.

Разработан приближенный аналитический метод для расчета динамикинамораживания льда на плоской стенке и цилиндрических поверхностях.2. Получены аналитические зависимости, определяющие развитеепроцесса ледообразования на поверхностях намораживания ледогенераторов,холодоаккумуляторов и других элементах низкотемпературного оборудования,работающих в условиях водной среды, с учетом и без учета зависимоститеплофизических свойств льда от температуры.3. Выявлено влияние фактора времени развития процесса и тепловыхпараметров льда и воды на динамику роста слоя льда на охлаждаемыхповерхностях.Положения выносимые на защиту1. Метод расчета динамики намораживания льда на охлаждаемыхповерхностях канонических форм, погруженных в водную среду.2.

Результаты расчетного исследования процесса намораживания водногольда.23. Результаты экспериментальных исследований намораживания водногольда на изотермической поверхности плоской стенки и цилиндрическихповерхностях.4. Конструктивная схема устройства криозахвата (криокюветы) дляизвлечения оболочковых объектов расположенных в водной среде.Личный вклад соискателяУчастие в постановке задачи моделирования процессов теплообмена принамораживании водного льда на поверхностях канонических форм (плоскаястенка, наружная и внутренняя цилиндрическая поверхность). Расчеты поматематическим моделям.

Создание стендов для получения экспериментальныхданных и методики проведения опытов. Сопоставление теоретическихрезультатов с опытными данными, полученными на стендах.Достоверность полученных автором результатовПолученные автором данные достоверны, что подтверждаетсяиспользованием, проверенных способов измерения параметров и методикпроведения опытов, а так же применением сертифицированных измерительныхприборов. Все полученные в результате эксперимента данные могут бытьповторно воспроизведены.Практическая значимостьРазработана конструктивная схема устройств (криокюветы) для подъема иизвлечения затопленных оболочковых объектов с водного шельфа.Представлена методика расчета режимов работы криокюветы дляосуществления процесса смораживания рабочей поверхности устройства соболочкой извлекаемого объекта.Проведена оценка прочностных свойств льда на предмет возможностейработы, по подъему грузов с помощью криокюветы.Предложен метод расчета и осуществлен выбор эффективной, поспособности накапливания льда, поверхности намораживания, в различныхконструкциях ледогенераторов.Апробация работыОсновные положения и результаты исследования по теме диссертационнойработы докладывались и обсуждались на III Международной конференции длямолодежи с элементами научной школы: «Инновационные разработки вобласти техники и физики низких температур» 10–12 декабря 2013 г., (Москва,2013); 63-ей Открытой студенческой научно-технической конференции СНТКУниверситета машиностроения 22 – 26 апреля 2013 г.

(Москва 2013); Научнопрактической конференции посвященной памяти Л.А. Костандова, ноябрь 2014,Университет Машиностроения, (Москва, 2014); Международной научнопрактической конференции: «Новейшие технологии освоения месторождений3углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем каспийскогошельфа» 7 Сентября 2015г., (Астрахань 2015); Научно-практическойконференции посвященной памяти Л.А. Костандова, ноябрь 2015, УниверситетМашиностроения, (Москва, 2015); Научно-практической конференции:«Развитие индустрии холода на современном этапе» 2-3 марта 2016г., (Москва,2016), Научно-практической конференции: «Школа молодых ученых именипрофессора И.М. Калниня» 28 февраля-3 марта 2017г., (Москва, 2017).ПубликацииОсновные результаты работы опубликованы в 9 научных работах, в томчисле 5 в реферируемых журналах ВАК РФ.Объем и структура работыДиссертационная работа включает в себя введение, пять глав, выводы,список сокращений, приложения и список литературы.

Работа содержит 140страниц машинописного текста, 75 рисунков, 10 таблиц, список литературы из89 наименования.Специальность, которой соответствует диссертацияВ соответствии со сформулированной целью научной работы, ее научнойновизной,установленнойпрактическойзначимостью,диссертациясоответствует паспорту специальности 05.04.03 – Машины и аппараты,процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционированияи жизнеобеспечения, пункту 2 «Теоретические и экспериментальныеисследования процессов холодильной и криогенной техники, системкондиционирования и жизнеобеспечения с целью углубления оценкипроявляющихся в них физических закономерностей, создания надежныхалгоритмов управления и прогноза»; пункту 3 «Развитие методов натурного ивычислительного моделирования процессов и объектов холодильной икриогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения с цельюпоиска оптимальных решений по экономичности, надежности и ресурсунизкотемпературных установок, машин и аппаратов».СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность проведенного исследования,сформированы цели и задачи выполненной работы, определены научнаяновизна и практическая значимость полученных результатов, изложеныположения, выносимые на защиту.В первой главе проведен обзор существующих математических моделейпроцесса намораживания водного льда на поверхностях различных форм.Проведен обзор конструктивных схем ледогенераторов и холодоаккумуляторовразличных типов, а также обзор способов подъема затопленных объектов с4использованием низкотемпературной технологии.