Разработка и анализ эффективности холодильных машин на диоксиде углерода, работающих на уровне температур от -80 до -120 °С (1025661), страница 6
Текст из файла (страница 6)
С учетомначальных условий получим систему линейных уравнений (2.20).0 = 0 [с]к = к [с]шаг = 1 [с]20 = −78,5 [℃]20 = 02 [кг]пр0 = 20 [℃]пр = пр [кг]пр = пр [м2 ](2.20)Вт = � 2 �м ∙К(+1 − ) = 1 ∙ пр ∙ �пр − 2 � = пр ∙ пр (пр ) ∙ (пр+1− пр )02 ∙ 2 �2 � ∙ �2+1 − 2 � + пр ∙ пр �пр � ∙ �пр= 100 (2 ) ∙(2 )2 ∙ 2 ∙ 2 (2 ) ∙ (+1 − )2 +1 = 2 − 100 �2 � ∙(2 )2 ∙ 2+1∙ (+1 − )− пр � =41Блок-схема алгоритма представлена на Рисунке 2.8.
Листинг расчета,выполненного с в среде MathCAD 15, решения системы показан на Рисунке 2.9.НачалоВвод0 , 20 , 2 , шаг , 02 , пр , пр0 , пр , =2 − 20шагfor ∈ 0. . пр+1 ←+1⎛←⎜пр ∙ ∙ �2 − пр � + Спр �пр � ∙ пр ∙ прСпр �пр � ∙ прСпр �пр � ∙ пр ∙ �пр − � + Спр �пр � ∙ пр ∙ �пр − пр+1 � + 2 �2 � ∙ 100 �2 � ∙2 �2 � ∙ 100 �2 � ∙⎝2+1 = 2+1 − 100 �2 � ∙2+1 ← 2 − шаг2 �2 �2 ∙ 22 �2 �∙ 2 ∙ 2 ⎞⎟2 �2 �∙ (+1 − +1 )2 ∙ 2 ← + 1Вывод 2 , пр , , 2 , пр − 2КонецБлок-схема алгоритма расчета температуры продукта и времениохлаждения.⎠42Листинг алгоритма по блок-схеме, представленной на Рисунке 2.8Исходные данные: 02 = 1 кг; 0пр = 1 кг; пр = 0,0095 м2 ; =215 Вт/м2 ∙ К; 0пр = 20 °; 02 = −78,5 °Результатырасчетадляисходных данныхпредставленные в графическом виде на рисунке 2.10обозначенныхвыше43График изменения температуры диоксида углерода иметаллических деталей при низкотемпературной обработке при сублимациидиоксида углерода в ходе вакуумной откачкиАналогичное решение можно получить, решая систему (2.21).(2 )⎧02 ∙ 2 (2 ) ∙ 2 + пр ∙ пр (пр ) ∙ пр = 100 (2 ) ∙∙ ( ) ∙ ⎪2 ∙ 2 2 2100 (2 ) ∙ (2 )⎨пр = 2 +⎪2 ∙ 2 ∙ ∙ пр⎩нн = 0; 2= −78,5 ℃; пр= 20℃;Вывод по второй главеНа основе выражения теплового баланса, описывающего понижениетемпературытвердогодиоксидауглерода,полученоприближенноеаналитическое решение.
Решение уравнения 2.1 численно, позволяет рассчитатьвремя, за которое рабочее вещество охладится до нужной температуры впроцессе вакуумной откачки.Составлена система уравнений для случая охлаждения объектов привакуумировании гранулированного диоксида углерода. Получены численныерешения для объектов с характерным размером до 20 мм.44Описание экспериментального стенда, получениеопытных данных, их интерпретация и обобщение, оценкапогрешностей измерения.
Сопоставление опытных данныхс расчетными показателями3.6 Вакуумно-сублимационная холодильная установка, работающаяпо разомкнутому циклуЭкспериментальная установка состоит из насосно-откачного агрегата,состоящего из пластинчато-роторного вакуумного насоса Busch RA100F(Рисунок 3.9), герморезервуара, системы контрольно-измерительных приборов,силовых элементов для электроснабжения основных компонентов.Общий вид экспериментальной установки1 – Герморезервуар с вакуумно-порошковой теплоизоляцией; 2 –Вакуумметр конвекционный; 3 – Пластинчато-роторный вакуумный насос; 4 –Ротаметр газовый; 5 – Система электроснабжения и контроля параметров набазе измерителей ТРМ138 фирмы Овен45Силовые распределительные щиты и система контрольно-измерительныхприборов (Рисунок 3.2), размещаемая в металлическом корпусе, экранирующемот некоторых внешних воздействий, крепятся на общую раму.Общий вид системы электроснабжения, контрольноизмерительных приборов и регистрации показаний, смонтированной на стенде1-силовой электрощит; 2-контрольно-измерительные и регистрирующиеприборы; 3-дополнительные средства управления установкой (в т.ч.частотные преобразователи)Герморезервуар (Рисунок 3.3), в котором осуществляется процесссублимации рабочего вещества – это цилиндрическая емкость внутреннимобъемом 60 литров, с эллиптическим днищем и плоской съемной крышкой,закрепляемой с помощью болтов к фланцу.
Герморезервуар имеет вакуумнопорошковую изоляцию, сводящую к минимуму теплоприток от окружающейсреды, который может существенным образом повлиять на процесс охлаждения.Крышка плоская, совместно с фланцем на герморезервуаре, показана на рисунке3.3, образует соединение шип-паз, уплотняемое прокладкой из вакуумнойрезины марки 7889 по ТУ 38105116-81.46Герморезервуар (слева) и крышка герморезервуара (справа)1-подставка; 2-герморезервуар; 3-фланец с резьбовыми отверстиямипод крепежные шпильки; 4-плоская крышка; 5-прокладка извакуумной резины; 6-вакуумный трубопровод; 7- штуцер KF16 дляэлектронного вакуумметра; 8- герметичнй ввод для преобразователейтемпературыДля проведения экспериментов в качестве рабочего вещества был выбрангранулированный диоксид углерода в виде цилиндрических гранул диаметром8мм и высотой от 10 до 20мм, измеренная плотность твердой фазы составилатв = 1326,3 кг/м3 , при этом плотность насыпки в контейнере нас =914,7 кг/м3 .Для размещения гранулированного диоксида углерода (далее массы)были изготовлены контейнеры, показанные на Рисунке 3.4 и Рисунке 3.5.47Контейнер для размещения массы в герморезервуареКонтейнер (Рисунок 3.5), в котором размещается рабочее веществонаходится внутри сосуда и располагается на теплоизоляционной подставке,препятствующей теплообмену массы рабочего вещества со стенками сосуда.
Дляминимизации лучистого теплообмена с боковыми стенками сосуда контейнеризготовленизсветлогополиэтилена,снаружипокрытэкранирующейалюминиевой пленкой.Контейнер для размещения твердого CO2 рабочем объемевакуумного сосудаВнутренний контейнер наполняется рабочим веществом, одновременнозахолаживаясь. Контроль количества рабочего вещества, помещаемого в48контейнер, производится по весам (Рисунок 3.6), перед началом экспериментафиксируется исходная масса рабочего вещества.Определение начальной массы рабочего вещества с помощьювзвешиванияЗатемконтейнерсрабочимвеществомпомещаетсянатеплоизолирующую подставку, размещенную в герморезервуаре.
Для измерениясредней температуры массы в толщу погружается термометр сопротивления, чтопоказано на Рисунке 3.7.Размещение датчика температуры в массе твердого рабочеговещества (Слева вертикальное размещение, справа горизонтальноеразмещение)1-полиэтиленовый контейнер экранированный алюминиевой пленкой;2-масса твердого хладагента (CO2); 3-термометр сопротивления49Герморезервуар закрывается с помощью крышки, фиксируемой наболтах, к выпускному патрубку подсоединяется вакуумная коммуникация,соединяющая герморезервуар с вакуумным насосом.Производится пуск вакуумного насоса, параметры процесса синхроннорегистрируются с фиксацией времени.Принятый целевой достигаемый в ходе экспериментов температурныйуровень -120 ⁰С.По достижении целевого температурного уровня производится остановкавакуумного насоса, выемка контейнера с оставшейся массой рабочего веществаи ее взвешивание с последующим определением откачанного во времяпроведения эксперимента количества рабочего вещества.Принципиальная схема экспериментального стенда представлена наРисунке 3.8.Вакуумно-сублимационная холодильная установка, работающаяпо разомкнутому циклу1-одноступенчатый пластинчатый масляный вакуумный насос; 2теплоизолированный герморезервуар; 3-емкость для размещения рабочеговещества; 4- диоксид углерода; 5-термометр сопротивления; 6-вакуумметрстрелочный; 7- вакуумметрический преобразователь конвекционного типа; 8ротаметр электронный; 9-вакуумопроводЭксперимент проводился с использованием одноступенчатого насосамодели RA 0100 F, производства фирмы Busch (Германия) (Рисунок 3.9).50Пластинчато-роторный вакуумный насос с масляным уплотнениемBush R 5 0100 F1 – всасывающий патрубок с клапаном; 2 – смотровое стекло дляконтроля уровня масла; 3 – отверстие для слива масла; 4 – отверстие длязалива масла; 5 – выпускной клапан; 6 – уплотняющая пластина; 7 –ротор; 8 – выпускной фильтр; 9 – выпускное отверстие; 10 – масляныйфильтр; 11 – картер маслоотделителя; 12 – маслоотделительВакуумный одноступенчатый насос марки Busch модели R 5 0100 F имеетноминальную производительность 100 м3/час.
Заявленная производительностьна уровне давления всасывания, соответуствующем температуре сублимации 120 °C равном 1302 Па, должна составлять около 75 м3/час, при этом нагнетаниепаров осуществляется в атмосферу. Паспортная характеристика насоса Busch R5 0100 F, представлена на графике (Рисунок 3.10) [55].Рисунок 3.10. Паспортная характеристика пластинчато-роторногомасляного насоса Busch R 5 0100 FОткачка из герморезервуара производилась с помощью гибкоговакуумного рукава из ПВХ, армированного металлической проволокой51внутренним диаметром 50 мм длиной 1,5 метра.
Соединение с насосомосуществляется с помощью вакуумных фланцев KF 50. Все прокладкивыполнены из вакуумной резины марки 7889 по ТУ 38105116-81.3.7 Определение коэффициента теплоотдачи при теплообмене ссублимирующим гранулированным диоксидом углеродаДля охлаждения деталей машин в установке разомкнутого цикла вкачестве рабочего вещества выбран гранулированный диоксид углерода сдиаметром гранул 8 мм и длиной от 10 до 30 мм. Плотность гранул,использованного для экспериментов диоксида углерода, составила около 1400кг/м3, при этом плотность твердой фазы при атмосферном давлении составляет1562 кг/м3 [26], что говорит о 10% пористости гранул. Плотностьгранулированной массы составила 860 кг/м3, при этом пористость составит около45%.Измерение коэффициента теплоотдачи к поверхности производилось посхеме, представленной на Рисунке 3.11.Схема прибора для определения коэффициента теплоотдачи отгранулированного CO21 – теплоизоляционный контейнер; 2 – гранулированный диоксидуглерода; 3 – управляемый нагревательный элемент; 4-фиксатор термопары снаконечником из теплоизоляционного материала 5 – термопара медьконстантан;52Коэффициент пропорциональности (коэффициент теплоотдачи) найдемиз закона Ньютона-Рихмана (3.1)2 =нагр ∙ �пов − 2 �(3.1)где нагр – тепловой поток поступающий от нагревателя; пов – температураповерхности, измеренная термопарой; 2 – температура насыщения диоксидауглерода при атмосферном давлении; F- поверхность теплообменаЭкспериментальный стенд для определения коэффициентатеплоотдачи от гранулированного диоксида углеродаслева – общий вид стенда, справа – теплоизолированная емкость снагревателем наполненная диоксидом углеродаТепловой поток, создаваемый электрическим нагревателем, определим,как полную мощность.
(3.2)нагр = нагр ∙ нагр(3.2)где нагр – величина постоянного напряжения подаваемого нанагреватель; I – постоянный ток протекающий через нагревательДля эксперимента, показанного на Рисунке 3.12 нагр = 59,85 Вт,соответственно2 =59,85= 250 Вт/м2(−53,30,0095 ∙+ 78,5)Серией экспериментов был установлен коэффициент теплоотдачи отгранулированного диоксида углерода равный 2 = (215 ± 19) Вт/м2 ∙ К, с53вероятностью0,95.Длядальнейшихрасчетовиспользуемвеличинуматематического ожидания 2 равную 215 Вт/м2·K.3.8 Описание задействованного измерительного оборудованияДля определения характеристик исследуемого процесса динамикипонижения температуры массы рабочего вещества при проведенииэксперимента измерялись: температура массы рабочего вещества, давление вгерморезервуаре.Для получения расширенных характеристик исследуемой холодильнойустановки и уточнения параметров процесса проводились измерения: расходапаров рабочего вещества на выходе из вакуумного насоса при атмосферномдавлении, напряжение и ток на обмотках электродвигателя вакуумного насоса.Для измерения температуры массы рабочего вещества, изменяющейся впределах от -78,5⁰C до -120⁰C, применялись термопреобразователисопротивления платиновые типа ТСП Pt100 (Рисунок 3.13) по ГОСТ 6651-2009[30], нижний предел измерения которого составляет -200⁰C.
Такжеиспользовались термопары типа T (медь-константан) (Рисунок 3.14) по ГОСТ Р8.585-2001 [31].Внешний вид термометра сопротивления платинового Pt100Термопары типа Т смонтированная в стальной шарик (слева)для измерения температуры продукта, и смонтированная на медной пластине(справа), для измерения температуры гранулированного диоксида углерода54Калибровкатермопарпроизводиласьсогласнорекомендациямпроизводителя контрольно-измерительных приборов.В качестве контрольно-измерительных и регистрирующих приборов дляснятияхарактеристикспервичныхпреобразователейиспользовалисьизмерители-регуляторы универсальные восьмиканальные модели ТРМ-138производства фирмы «Овен» (ООО «Завод №423»).Измерение давления в герморезервуаре производилось с помощьюконвекционного вакуумметра модели SuperBee CVM201GBA производстваInstru Tech (США) (Рисунок 3.15).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
