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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования«МОСКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»УДК 621.565На 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 жизнеобеспеченияДиссертацияна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук, профессорМаринюк Борис ТимофеевичМосква – 20172СОДЕРЖАНИЕ................................................................................................................................ Стр.ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ...................................................................... 5 ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................

6 ГЛАВА 1. НАУЧНО ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОСТРОЕНИЯМАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССА НАМОРАЖИВАНИЯВОДНОГО ЛЬДА НА ЭЛЕМЕНТАХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГООБОРУДОВАНИЯ ..................................................................................................

10 1.1. Водный лед, его виды и свойства. .................................................................. 10 1.2. Обзор публикаций по теплообмену в условиях подвижной границыфронта фазового перехода...................................................................................... 16 1.3. Аналитические модели, описывающие динамику роста слоя льда, наразличных поверхностях ........................................................................................ 22 1.4. Накопление и производство водного льда ....................................................

35 1.5. Применение низкотемпературной технологии для подъемаоболочковых объектов со дна водных бассейнов ................................................ 42 1.6. Выводы по главе 1 ............................................................................................ 44 2.1. Теплообмен при намораживании водного льда на поверхностиплоской стенки. ....................................................................................................... 47 2.2. Теплообмен при намораживание водного льда на наружнойповерхности полой трубы. ..................................................................................... 63 2.3. Теплообмен при намораживании водного льда на внутреннейповерхности трубы .................................................................................................. 74 2.4. Выводы по главе 2 ............................................................................................ 79 ГЛАВА 3.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ СТЕНДОВ ИОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ ОПЫТНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. .............................. 80 3................................................................................................................................ Стр.3.1. Намораживание водного льда на поверхности плоской стенке ................. 80 3.2. Намораживание водного льда на внутренней поверхности трубы ............

87 3.3. Намораживание водного льда на внешней поверхности трубы................. 93 3.4. Оценка погрешности эксперимента .............................................................. 97 3.5. Выводы по главе 3 ........................................................................................... 99 ГЛАВА 4. СОПОСТАВЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ИРЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ. ........................................... 100 4.1. Сопоставление экспериментальных и теоретических результатов понамораживанию водного льда на поверхности плоской стенке ...................... 100 4.2.

Сопоставление экспериментальных и теоретических результатов понамораживанию водного льда на внутренней поверхности трубы ................. 103 4.3. Сравнение экспериментальных и теоретических результатов понамораживанию водного льда на внешней поверхности трубы ...................... 104 4.4. Выводы по главе 4 .......................................................................................... 107 ГЛАВА 5. ВЫБОР ЭФФЕКТИВНОЙ ПОВЕРХНОСТИНАМОРАЖИВАНИЯ И ПРИНЦИП ПРОЕКТИРОВАНИЯКРИОКЮВЕТЫ ....................................................................................................

109 5.1. Устройство для подъема оболочковых объектов со дна водныхбассейнов (криокювета). ....................................................................................... 109 5.1.1. Принципиальная схема криокюветы и техническая оценкавозможности её действия .....................................................................................

109 5.2. Выбор эффективной поверхности намораживания и определениерационального соотношения геометрических размеров, ледогенераторовразличных форм поверхности .............................................................................. 124 5.3. Выводы по главе 5 .......................................................................................... 126 4................................................................................................................................ Стр.ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...............................................................

128 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................... 129 Приложение ........................................................................................................... 138 5ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯρ – плотность водного льда, кг/м3;α – коэффициент теплоотдачи от воды к поверхности льда, Вт/(м2· );Tф – температура фазового перехода воды в лед, К;Tс –температура охлаждаемой поверхности стенки, К;Тв – температура воды, К;ξ – толщина слоя намороженного льда, м;L – теплота фазового перехода воды в лед, кДж/кг;τ – время, с;λ – коэффициент теплопроводности водного льда, Вт/(м· );,δс – толщина стенки, м;λс – коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м· );Cp – удельная теплоемкость водного льда, Дж/(кг· );β – фактор роста слоя водного льда, м/с1/2;r0 – радиус полой трубы, м;a – коэффициент температуропроводности, м2/с;αх – коэффициент теплоотдачи от охлаждающей среды к поверхности трубы,Вт/(м2· );Тх – температура охлаждающей среды, К;Nu – число Нуссельта;Gr – число Грасгофа;Ra – число Рэлея;Prж – число Прандтля при температуре жидкости;Prс – число Прандтля при температуре поверхности льда;ρж – плотность жидкости, кг/м3;– температурный коэффициент объемного расширения, К-1;μж – динамическая вязкость жидкости, Па·с;Cpж – удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг· );λж – коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(м· );6ВВЕДЕНИЕАктуальность 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 [1]. Причем лед может бытьполучен как с помощью холодильной установки (работающей в наиболееразгруженные для электросети часы), так и с применением естественногохолода окружающей среды.Важнойэкологическойпроблемой,ставшейпоследствиембурнойтехногенной деятельности в XX веке, является очистка водоемов отзатопленных оболочковых объектов. Такие элементы 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 опасности7разрушения.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 систем подъемазатопленных объектов с применением низкотемпературной технологии.Цель работыСоздание и обоснование математического описания процессов работыустройств ледогенераторов, с различной формой поверхности намораживания,и устройств криозахвата оболочковых объектов с шельфа водных бассейновЗадачи исследования:1.

Разработка расчетно-аналитического метода определения скоростинамораживания водного льда на поверхностях канонических форм (плоскаяповерхность, внешняя и внутренняя цилиндрическая поверхность).2. Оценка влияния зависимости теплофизических свойств льда оттемпературы, для случаев намораживания льда на плоской поверхности ивнешней цилиндрической поверхности.3. Получение экспериментальных данных по динамике роста слоя водногольда на различных поверхностях.4.Сопоставлениеэкспериментальныхданныхстеоретическимизависимостями, полученными по разработанным аналитическим моделям.5.