Исследование и разработка методики расчета генераторов бинарного льда для охлаждения рыбы на промысловых судах Автор: Тарасова Е.C. Научный руководитель: к.т.н. Серова Е.Н.

Аккумулирующая способность в системах СКВ Получение искусственного снега Льдогенератор и накопительный танк, установленные в подвале супермаркета Олимпийский в Никозии, Кипр

В рыболовецком флоте для быстрого охлаждения рыбы В медицине (хирургия) В медицине (хирургия)

100% экологичность Нежная консистенция Сокращение времени охлаждения Возможность хранения рыбы до 20 суток Возможность транспортировки ЖЛ по трубопроводам (до 150м)

Уменьшение времени охлаждения рыбы

Механический ВакуумныеМембранные С вихревым потоком Основные виды льдогенераторов

Особенности льдогенераторов различных видов Вид льдогенератора Особенности С вихревым потоком Специально подготовленная гладкая теплопередающая поверхность. Вакуумные Периодичность действия. В составе должны быть сосуды больших размеров. Мембранные Особо мелкие размеры кристаллов льда, малая производительность Механические Не требуют обязательного накопительного сосуда, простота устройства, непрерывность действия

Скребки внутренний цилиндр внешний цилиндр кристаллообразующий рассол кипящий хладагент теплоизоляция Основная масса ледяных кристаллов образуется в объеме рассола; на стенку цилиндра из рассола выпадает криоосадок, который снимается механическим устройством (например, шнеком или скребком) и выводится из аппарата с потоком бинарного льда.

Канада. SUNWELL. Технология Deepchill Израиль. Crytec. Технология Bubble Slurry

Исландия. OPTIMAR. Технология. OPTIM-ICE. Россия. Digital Empire. Технология LiveIce. Производительность жид. льда: от 920 л/ч (40%) до 3160 л/ч (10%) при t воды 0°С Q 0 =40кВт Габариты и вес: 166*136*173 см, 1040 кг 1 тонна/сутки с танком на 180 литров

изучить процессы, происходящие в промышленных льдогенераторах и разработать методику расчета льдогенераторов для получения бинарного льда. Цель исследований:

ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1. Выявить общие черты механических льдогенераторов бинарного льда, характерные для разных производителей. 2. Проанализировать экспериментальные данные ВНИХИ по работе льдогенераторов. 3.Определить условия образования бинарной смеси. 4. Описать количественно процессы, происходящие в аппарате-кристаллизаторе 5. Разработать методику расчета площади теплопередающей поверхности аппарата-кристаллизатора.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ

Для всех льдогенераторов механического типа характерна турбулизация потока льдообразующего рассола в аппарате-кристаллизаторе «Crytec» для лучшей турбулизации подает пузырьки воздуха в поток рассола «Digital Empire» добивается турбулентности потока посредством специальных лопаток «Фабрика Холода» использует ротор со скребками.

Льдогенератор «Digital Empire» 14 – турбулизаторы потока

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

При начальной концентрации раствора 3% NaCl на выходе получаем бинарную смесь с массовой долей кристаллов 16% Максимальная массовая доля ледяных кристаллов в отстоявшейся бинарной смеси составляет около 40% Для перекачивания смеси обычным насосом по трубопроводам концентрация кристаллов в смеси равна 27%

из чистой воды (однокомпонентного холодоносителя) получить бинарный лед нельзя! t H 2 O = 0°С t крист = 0°С t р-ла = -2°С t крист = 0°С

УСЛОВИЯ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ БИНАРНОГО ЛЬДА

наличие рассола – раствора, криоскопическая температура которого зависит от концентрации растворенного вещества; концентрация рассола ниже эвтектической ξ эвт ; охлаждение рассола до температуры ниже криоскопической; турбулизация потока.

ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ БИНАРНОГО ЛЬДА В ЛЬДОГЕНЕРАТОРЕ МЕХАНИЧЕСКОГО ТИПА

Диаграмма t- для NaCl

Количество выпавших кристаллов зависит от начальной концентрации рассола ξ н (криоскопической температуры исходного рассола t криоск ) и температуры, до которой мы будем охлаждать рассол t охл. Количественно эта зависимость может быть выражена материальным балансом: G н р-ра G к р-ра G крист ξ н р-ра ξ к р-ра ξ=0 ξ н р-ра < ξ к р-ра Образование кристаллов в объеме и на стенке

МЕТОДИКА РАСЧЕТА АППАРАТА- КРИСТАЛЛИЗАТОРА ГЕНЕРАТОРА БИНАРНОГО ЛЬДА

- масса охлаждаемой рыбы, кг; - начальная температура рыбы, С; - конечная требуемая температура рыбы, С; - средняя теплоемкость рыбы, кДж/(кг˙K); -температура С и концентрация морской воды (рассола); - желаемое содержание кристаллов воды в рассоле на выходе из льдогенератора или температура льдоводяной смеси на выходе из льдогенератора; - время, в течение которого должен быть произведен; - бинарный лёд, требуемый для охлаждения заданного количества рыбы

Количество теплоты, которое необходимо отвести от охлаждаемой рыбы, кВт Q рыб =m рыб Сpt, где t=(t рыб н -t рыб к ) – разность начальной и конечной температур охлаждаемой рыбы. Масса ледяных кристаллов, необходимая для охлаждения рыбы, кг M крист =Q рыб /r, где r – теплота фазового перехода вода-лед (r=344 кДж/кг). Массовый расход рассола через аппарат-кристаллизатор определяют по формуле (1), где G крист =M крист /τ

Количество теплоты, отводимое через теплопередающую поверхность кристаллизатора от рассола к хладагенту, кВт Q T = KFΘ где К – коэффициент теплопередачи кристаллизатора, кВт/(м 2 К); F – площадь теплопередающей поверхности кристаллизатора, м 2 ; Θ = t р-ра -t 0 – разность температур рассола и кипящего хладагента, К. Удельная тепловая нагрузка на аппарат-кристаллизатор, кДж q T = Q T /G р-ра н

нач t криос t =15 0 С на охлаждение рассола до t криос на охлаждение рассола от t криос до t охл t криос t охл на охлаждение кристаллов от t криос до t охл t криос t охл теплота фазового перехода кон Рассол Лед + рассол r Кривая насыщения Удельная тепловая нагрузка складывается из следующих составляющих :

Коэффициент теплопередачи от раствора к кипящему хладагенту, Вт/(м 2 К) где α1- коэффициент теплоотдачи от хладагента к стенке, Вт/(м 2 К); α2- суммарный коэффициент теплоотдачи от кристаллообразующего рассола к стенке, Вт/(м 2 К); δст – толщина теплопередающей стенки кристаллизатора, м; λ - коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м К). Величина α1 определяется особенностями геометрии канала хладагента (например, кольцевой зазор) и может быть рассчитана по известным соотношениям ха

δ крио α конв α1α1 ха ξ вып Коэффициент теплоотдачи α2 обусловлен двумя процессами: - конвективным переносом теплоты от раствора к стенке; - переносом теплоты от водного криоосадка в процессе его формирования на стенке. Для его расчёта можно использовать следующее соотношение

Величина α конв может быть определена известным методом с использованием критериев Рейнольдса Re и Нуссельта Nu. ω – скорость течения кристаллообразующего рассола в кристаллизаторе, м/с; d – эквивалентный диаметр полости, в которой течёт рассол, м; ρ – средняя плотность рассола, кг/м 3 ; μ - средняя динамическая вязкость рассола, Пас. Формулы расчёта ω и d определяются индивидуальными особенностями конструкции аппарата-кристаллизатора где Pr – число Прандтля для рассола.

Коэффициент выпадения криоосадка на внутренней стенке аппарата-кристаллизатора [4]. где r – теплота фазового перехода вода-лед ( 344 кДж/кг); t р-ра – средняя температура рассола, о С; t ф.п. – температура поверхности криоосадка,. ρ л – плотность льда (917 кг/м 3 ); δ' – скорость роста кристаллов льда, мм/мин. где δ – толщина слоя криоосадка, мм τ – время нарастания криоосадка, мин; λ л – теплопроводность льда (2,3 Вт/(м ).

Данная методика, основанная на описании основных физических процессов, происходящих в аппарате-кристаллизаторе генератора бинарного льда механического типа, может быть использована для определения площади теплопередающей поверхности аппаратов с различной геометрией внутреннего цилиндра и турбулизаторов. В зависимости от особенностей конструкции этих элементов должны быть выбраны соответствующие формулы расчета скорости рассола и эквивалентного диаметра при определении числа Рейнольдса.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!