Исследование процессов тепломассообмена при пленочном обтекании ледовых поверхностей с фазовым переходом на границе раздела для создания нового поколения льдоаккумуляторов

Apr 21, 2021, 2:35 PM
15m
1222 (Lomonosov st. 9)

1222

Lomonosov st. 9

oral Sustainable Cold Chains Sustainable cold chains

Speaker

Mr Георгий Борщев (Всероссийский научно-исследовательский институт холодильной промышленности - филиал ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН)

Description

Большое число объектов пищевой промышленности характеризуется высокой степенью неравномерности распределения тепловой нагрузки, как в течение суток, так и по сезонам. Это обусловливает целесообразность применения в системах охлаждения аккумуляции холода и льдоаккумуляторов, в частности. Однако традиционно выпускаемые льдоаккумуляторы с плавлением льда в объёме жидкости обладают весьма низкой интенсивностью плавления даже в совокупности с механическими мешалками, что приводит к быстрому повышению температуры воды в процессе их разрядки. В этом плане большую перспективу имеет применение пленочного обтекания плавящихся поверхностей, позволяющего существенно интенсифицировать процесс теплообмена между намороженным льдом и охлаждаемой водой. Однако ни аналитического описания, ни экспериментальных исследований процессов тепломассообмена при пленочном обтекании ледовых структур с фазовым переходом на границе раздела в открытых источниках не обнаружено.
Цель настоящей работы - исследование процессов тепломассообмена при пленочном обтекании ледовых структур с фазовым переходом на границе раздела для создания теплообменных аппаратов нового поколения с высокой интенсивностью теплоотвода, сопрягаемой с графиком действующей тепловой нагрузки. Для этого был спроектирован и создан многофункциональный стенд, позволяющий проводить эксперименты, как при объёмном режиме плавления, так и при плёночном орошении плавящихся поверхностей, что позволило провести корректное сравнение их эффективности. Были разработаны и испытаны две конструкции льдоаккумулятора: с плоскими змеевиками с шахматным расположением в поперечном сечении и с коаксиальным расположением трубных цилиндров.
Эксперименты проводились на трёх температурных уровнях подаваемой воды (20, 40 и 60°С) и в диапазоне объёмных плотностей орошения от 0,1 * 10$^-$$^4$ до 1,5 * 10$^-$$^4$ м$^2$/c . На разных уровнях под трубами со льдом были установлены датчики температуры, позволившие построить зависимости распределения тепловой нагрузки между трубами льдоаккумулятора по мере прохождения охлаждаемой воды и определить суммарную тепловую нагрузку для каждого исследованного режима.
В результате исследований экспериментально подтверждено, что при оптимальном расположении трубных секций интенсивность плавления льда в аппарате с пленочным режимом течения существенно выше, чем в объёмном режиме: так при температуре подачи воды 60°C температура воды на выходе поддерживается на уровне 2-5°С до расплавления ~ 70% намороженного льда. Впервые показано, что локальные коэффициенты теплоотдачи при плёночном течении в отличие от теплообменных аппаратов с неизменным расходом охлаждаемой среды опосредованно (через критерий Рейнольдса, увеличивающийся по мере плавления льда) зависят от градиента температур между водой и плавящимся льдом. При температуре подачи воды 60°C локальные значения коэффициента теплоотдачи достигали ~ 7000 Вт/(м$^2$ * °С), а при плавлении в объёме жидкости не превышали ~ 300 - 500 Вт/(м$^2$*°С). В этом режиме при значениях объёмной плотности орошения выше 1,0 * 10$^-$$^4$ м$^2$/c значение удельной тепловой нагрузки, отнесенной к квадратному метру теплообменной поверхности труб льдоаккумулятора, достигает 320 000 Вт/м$^2$ и значительно превосходит аналогичный показатель современных пластинчатых аппаратов известных производителей (от 12 000 до 65 000 Вт/м$^2$ по каталогам).
Обобщение результатов показало крайне высокую перспективность применения льдоаккумуляторов с пленочным механизмом теплообмена для объектов пищевой промышленности с неравномерным распределением тепловой нагрузки, требующих прецизионного поддержания температуры охлаждаемых продуктов. Кроме этого, они могут эффективно применяться в системах с импульсным характером тепловыделений (охлаждение лазеров и др.), а также в качестве суточных накопителей в совокупности с «зелёными» системами энергоснабжения, использующими энергию солнца и ветра.

Position of speaker младший научный сотрудник
Affiliation of speaker Всероссийский научно-исследовательский институт холодильной промышленности - филиал ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН
Publication Журнал "Вестник Международной академии холода" 

Primary authors

Prof. Галина Гончарова (Всероссийский научно-исследовательский институт холодильной промышленности - филиал ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН) Mr Виктор Пытченко (Всероссийский научно-исследовательский институт холодильной промышленности - филиал ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН) Mr Сергей Борзов (Всероссийский научно-исследовательский институт холодильной промышленности - филиал ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН) Mr Георгий Борщев (Всероссийский научно-исследовательский институт холодильной промышленности - филиал ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН)

Presentation materials