Разработка и анализ эффективности холодильных машин на диоксиде углерода, работающих на уровне температур от -80 до -120 °С (1025661), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Математическое описаниединамикипроцессаохлаждениямассыCO2ипогруженныхвнеготермообрабатываемых деталей.Научная новизна работы:1. Получены экспериментальные данные по эффективности вакуумносублимационной холодильной машины для получения низких температур,работающей на твердом CO2.2. На основе решения дифференциального уравнения теплового баланса,получены численные результаты для прогнозирования динамики охлаждениямассы гранулированного диоксида углерода в процессе вакуумной откачки, атакже при совместном охлаждении термообрабатываемых объектов и рабочеговещества.3. Экспериментально определен коэффициент теплоотдачи поверхностис гранулированным диоксидом углерода.4.
Предложенысхемывакуумно-сублимационныххолодильныхустановок для получения низких температур в диапазоне от -80 до -120 oC.Некоторые схемы обладают признаками оригинальности, что подтверждается8наличием патента на изобретение №2617039, также подана заявка напредполагаемое изобретение №2017114944.На защиту выносятся:1. Экспериментальные данные по динамике охлаждения массы диоксидауглерода при вакуумировании, а также экспериментальные данные, полученныепри термообработке тел сферической формы малого диаметра в средегранулированного диоксида углерода, подверженного вакуумной откачке.2.
Выражения для прогнозирования динамики охлаждения массыгранулированного диоксида углерода в процессе вакуумной откачки. А такжедля случая совместного охлаждения термообрабатываемых объектов и рабочеговещества.3. Результаты численного решения выражения для расчета времениохлаждения массы гранулированного диоксида углерода и при совместномохлаждении термообрабатываемых объектов и рабочего вещества.4. Данныесравненияэнергетическойэффективностицикловнизкотемпературных холодильных установок на уровень температур -120 °CПрактическая ценность:1. Создана и экспериментально исследована вакуумно-сублимационнаяхолодильная машина для получения низких температур, работающая на твердомCO2 в качестве холодильного агента.2. Проведен анализ процесса сублимации массы твердого диоксидауглерода при вакуумной откачке.
Получены соотношения для расчета времениохлаждения массы диоксида углерода.3. Проведен анализ охлаждения объектов, сферической формы малогодиаметра, в вакуумно-сублимационной холодильной машине открытого цикла.4. Разработаны варианты схемных решений вакуумно-сублимационнойхолодильной машины.Апробация работы:Основные положения и результаты работы были представлены на 5конференциях:91. Международная конференция «Низкотемпературные и пищевыетехнологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2015).2. Всероссийская молодежная конференция «Научные инициативы иинновации для развития регионов России» (Москва, 2015).3. Международная конференция «Математические методы в технике итехнологиях» (Саратов, 2015).4. Школа молодых ученых «Развитие индустрии холода на современномэтапе» (Москва, 2016).5.
Школа молодых ученых «Развитие индустрии холода на современномэтапе» (Москва, 2017).Публикации:По теме диссертации опубликовано 6 работ общим объемом 1,5 печатныхлиста, из них 3 в журналах из перечня, рекомендованного ВАК РФ, получен 1патент на изобретение, опубликованы тезисы 2 докладов в сборниках трудовнаучно-практических конференций.Структура и объем работы:Диссертация включает в себя: введение, четыре главы, выводы, списоклитературы.
Квалификационная работа изложена на 93 страницах текста,содержит 68 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 57 наименований.В первой главе описываются технологии, требующие применениянизких температур, рассматриваются установки для получения температурданного диапазона, анализируются достоинства и недостатки существующихспособовмашинногоохлаждения.Предлагаетсяиспользованиесублимационного метода получения холода с помощью природного рабочеговещества – диоксида углерода, как альтернатива наиболее распространенномупарокомпрессионному машинному охлаждению.Во второй главе рассматривается процесс, протекающий в вакуумносублимационной холодильной машине при вакуумировании твердофазногогранулированного диоксида углерода.Для описания динамики охлаждения массы рабочего вещества в процессевакуумной откачки предлагается использование выражения теплового баланса в10дифференциальной форме.
Полученное аналитическое решение позволяетрассчитать время охлаждения массы рабочего вещества до заданноготемпературного уровня.Для получения более точных результатов предложено выражение,описывающее изменение массы рабочего вещества в процессе вакуумнойоткачки.Данноевыражение,атакжезависимостидействительнойпроизводительности вакуумного насоса, изменения теплофизических свойстврабочего вещества использованы в уравнении теплового баланса для получениярешения численным методом.С учетом перечисленных выше факторов, численным методом полученазависимость температуры от времени охлаждения при термообработке тел вгранулированном диоксиде углерода, при вакуумной откачке паров (для Bi<0,1).В третьей главе дается описание экспериментальных стендов иизлагается методика выполнения опытов, описывается задействованноеизмерительное оборудование, система автоматической регистрации параметров,приводится оценка погрешности измерительной системы, анализируютсярезультаты экспериментов, сравниваются результаты, полученные в ходеэкспериментов расчетным методом по уравнению теплового баланса и примоделировании в пробной версии пакета COMSOL.В четвертой главе анализируются существующие и предлагаютсяоригинальные схемные решения низкотемпературных холодильных машин,работающих за счет сублимации твердотельного рабочего вещества.Вакуумно-сублимационная холодильная машина с двумя параллельнымидетандерами (схема защищена патентом № 2617039) показывает меньший, носопоставимый холодильный коэффициент.
Приведенная схема в своем составеимеет минимальное число вспомогательных аппаратов. Максимальное давлениев цикле составляет 6 атм, при этом степень сжатия верхней ступени равняется 6.Использование диоксида углерода в качестве рабочего вещества позволяетдобиться максимальной экологичности и безопасности системы.11ГЛАВА 1. Потребители низких температур инизкотемпературные холодильные установки1.1 Области применения низких температур1.1.1 Холод в машиностроенииЭлементы современных машин, аппаратов, приборов подвергаютсявоздействию низких температур: элементы установок низкотемпературногосжижения и разделения газов, узлы систем, работающих с сжиженными газами,элементы и системы космических аппаратов, элементы обшивки и наружныеузлы современных самолетов, детали и узлы транспортной и строительнойтехники, работающей в условиях Крайнего Севера.
Материалы должныобеспечивать устойчивость к данным факторам для длительной и надежнойработы оборудования.В зависимости от назначения и условий работы к современнымконструкционным материалам могут предъявляться требования по высокойпрочности и пластичности, малому удельному весу, коррозионной стойкости,сопротивляемостиизносуирадиационномуоблучению,специальнымэлектромагнитным свойствам, хорошей свариваемости и обрабатываемости.Металлургам,металловедамихимикамприходитсяиспользоватьвсевозможности современной технической физики и химии, чтобы обеспечитьконструкторов материалами, необходимыми для создания новой техники.Постояннорасширяетсяноменклатураиспользуемыхсталей.Легированные стали и сложные по составу сплавы, цветные металлы,композиционныематериалыипластикидавноконкурируютснизкоуглеродистыми конструкционными сталями.
Для выбора, наиболееподходящего для заданных рабочих условий материала и правильногоопределения надежности и долговечности изделий, конструктору требуютсязнания физической природы процессов, происходящих в материалах привсевозможных воздействиях в ходе эксплуатации, а также точные данные об12измененияхосновныхпрочностныххарактеристикматериаловподвоздействием внешних условий.Эффективность механической обработки ряда материалов можноповысить путем уменьшения пластичности и повышения твердости при низкихтемпературах.
Также при низких температурах улучшаются режущие свойства иповышается время работы металлорежущего инструмента. Стабилизацииразмеров прецизионных деталей и получение необходимой структуры возможнос использованием термической обработки холодом.Остаточные явления, возникающие при глубоком охлаждении деталей,носящем как длительный, так и кратковременный характер, необходимоучитывать при эксплуатации для предотвращения опасности хрупкогоразрушения материала. Для этого ответственные детали, которые в процессеработы могут подвергаться воздействию низких температур необходимоподвергать испытаниям.Остаточное содержание аустенита в стали, в зависимости отсодержания углеродаОднойизпричинхрупкогоразрушения,являютсяаустенитно-мартенситные превращения, сопровождающиеся увеличением объема иснижением ударной вязкости.
На Рисунке 1.1 видно, что с увеличениемсодержания углерода, увеличивается остаточное содержание аустенита после13термообработки,чтосвидетельствуетонеобходимостипроведениянизкотемпературной обработки, в первую очередь для углеродистых сталей.Изменениеобъемоввтелахсложнойформысопровождаетсявозникновением местных напряжений, которые могут приводить к разрушениюдеталей.Ввиду приведенных факторов, детали и узлы машин, которыепредназначены для работы при низких температурах, необходимо подвергатьвоздействию низких температур.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
