Спосіб зниження енергетичних витрат у повітроохолоджувачах для охолодження вологого повітря при температурах нижче нуля в камерах холодильників

Реферат: Винахід належить до холодильної техніки і може бути використаний на холодильниках харчової, м'ясо-молочної та плодоовочевої промисловості, а також на підприємствах торгівлі. Спосіб зниження енергетичних витрат у вихрових повітроохолоджувачах оснований на періодичному або безперервному механічному очищенні інею з теплообмінної поверхні повітроохолоджувача в залежності від вологості повітря в камері. Це дає можливість підтримувати постійний високий коефіцієнт теплопередачі і постійний аеродинамічний опір повітроохолоджувача. Винахід забезпечує зниження енергетичних витрат у повітроохолоджувачах. UA 104300 C2 (12) UA 104300 C2 UA 104300 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до холодильної техніки і може бути використано на холодильниках харчової, м'ясо-молочної та плодоовочевої промисловості, а також на підприємствах торгівлі [див. "Холодильная техника. Теплообменные аппараты, приборы автоматизации и испытания холодильных машин" - Справочник - М.: Легпи-щепром, 1984; "Холодильные установки" под ред. д.т.н. проф. И.Г.Чумака. М.: ВО "Агропромиздат", 1991.] Відомі повітроохолоджувачі, які використовуються в промисловості, однак всі вони мають високі енергетичні витрати, пов'язані із зростанням інею на їх теплообмінній поверхні при охолодженні вологого повітря при температурах нижче нуля в камерах холодильників. У процесі роботи повітроохолоджувача на його зовнішній ребристо-трубній поверхні безперервно осідає іній, який зменшує його теплопередачу і, в кінцевому рахунку, зводить її до нуля. Для відновлення роботи повітроохолоджувача необхідно видалити іній з його зовнішньої ребристо-трубної поверхні шляхом відтаювання гарячими парами холодильного агента або спеціальними ТЕНами, на що необхідно затратити електроенергію. При відтаюванні повітроохолоджувач відключається від системи холодопостачання. Після відтаювання ребристо-трубного повітроохолоджувача його теплообмінна поверхня стає чистою від інею і повітроохолоджувач включається знову в роботу. Тепловий потік, який надходить з холодильної камери холодильника до . . повітроохолоджувача дорівнює Q=k F Δt, (1), де k - коефіцієнт теплопередачі 2. повітроохолоджувача, Вт/(м К), F - площа поверхні теплопередачі повітроохолоджувача м, t=tв-ta, °C, tв - температура охолоджуваного повітря,° С, ta - температура холодильного агента,° С. При безперервному технологічному процесі охолодження, при відключенні повітроохолоджувача для відтаювання, необхідно мати резервний повітроохолоджувач і включати його. Це пов'язано з додатковими матеріальними витратами. Крім того, тепловий потік Q не повинен змінюватися. Виконання цієї умови при безперервному зниженні коефіцієнта теплопередачі k можливо тільки при підвищенні різниці температур t=tв-ta. Так як, відповідно до технології, температура охолоджуючого повітря tв повинна бути постійною, щось змінювати в бік збільшення t можна шляхом зниження тільки температури холодильного агента tа. Однак, зниження температури холодильного агента ta пов'язано зі збільшенням енергетичних витрат на компресор холодильної машини. При пониженні ta на 1 °C збільшуються витрати енергії на компресор холодильної машини приблизно на 4 %. Площу поверхні повітроохолоджувача змінювати неможливо. Самий найбільший коефіцієнт теплопередачі повітроохолоджувача буває відразу після відтаювання, коли на теплообмінній поверхні немає шару інею "k0". Енергетичні витрати на вентилятор повітроохолоджувача визначають по потужності 3 електродвигуна, котра дорівнює N=V-p/η, Вт, (2), де V - об'ємна витрата повітря, м /с, р . . 2 напір повітря, p=ξ ρ w /2, Па, η - ккд вентилятора, ξ - коефіцієнт опору (вибирається по 3 довіднику), ρ - густина повітря, кг/м , w - швидкість повітря, м/с. Тобто потужність 2 електродвигуна вентилятора, із зростанням швидкості повітря в 2 рази, збільшується в 2 =4 рази. У процесі роботи ребристо-трубного повітроохолоджувача і зростанні шару інею коефіцієнт теплопередачі "k" зменшується і при деякому значенні k/k0, визначеному техніко-економічними розрахунками, повітроохолоджувач зупиняють і виконують його відтаювання. Згідно з [Б.К.Явнель. О теплопередаче через слой инея. "Холодильная техника", 1969, №5, рис.2] утворення інею призводить до погіршення первісної теплопередачі на 30-40 %. Зростання інею на теплообмінної поверхні повітроохолоджувача значно зменшує його живий перетин, що призводить до зростання швидкості повітря, в результаті чого значно збільшується аеродинамічний опір. Це призводить до зростання енергетичних витрат на вентилятор повітроохолоджувача. Зростання відносних енергетичних витрат враховується відношенням р/р0, де р0 - аеродинамічний опір повітроохолоджувача на початку циклу роботи, р поточний аеродинамічний опір повітроохолоджувача під час його роботи. На практиці величина р може бути в 34 рази більше р0. У ребристо-трубних повітроохолоджувачах очищення теплообмінної поверхні від інею механічним шляхом всередині пучка труб неможливо. Близьким аналогом є інформація [Б.К.Явнель. Влияние инея на теплопередачу и аэродинамическое сопротивление воздухоохладителя. "Холодильная техника", 1970, № 9, рис. 1] про вплив інею на теплопередачу і аеродинамічний опір повітроохолоджувача. 2 Так, згідно з рисунком, при GИ0,3 кг/м , k/k00,6, р/р04, що свідчить про негативний вплив інею на енергетичні показники роботи холодильної машини. 1 UA 104300 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 В основу винаходу поставлена задача удосконалення "Способу зниження енергетичних витрат при охолодженні вологого повітря при температурах нижче нуля в камерах холодильників". Спосіб зниження енергетичних витрат при охолодженні вологого повітря при температурах нижче нуля можна здійснити у вихрових повітроохолоджувачах з періодичним або безперервним механічним очищенням інею з теплообмінної поверхні. Іній при цьому подрібнюється до дрібнодисперсного стану. Подрібнення інею [див. Патент України №73604 "Спосіб зниження усушування при заморожуванні харчових продуктів і пристрій для його здійснення"] здійснюється шляхом механічного очищення і руйнування осілого на теплообмінній холодній поверхні шару інею, а також впливом відцентрових сил, в обертовому русі в вихровому повітроохолоджувачі потоку повітря і інею, що притискає, через різниці щільності повітря і інею, його до теплообмінної поверхні і тре об стінку. Це сприяє подрібненню інею та інтенсифікації тепло- та масообміну в результаті турбулізації примежевого шару. Очищення інею з теплообмінної поверхні вихрового повітроохолоджувача сприяє підтримці високих постійних значень коефіцієнта теплопередачі "k0" і аеродинамічного опору "р0" протягом усього періоду його роботи. Пристрій механічної очистки інею з теплообмінної поверхні повітроохолоджувача включається і виключається автоматично по заданій програмі. Очистка інею проводиться щітками, котрі приводяться в рух спеціальним механізмом, який встановлено в вихровому повітроохолоджувачі. В камерах холодильника з високою відносною вологістю повітря φ=90 %100 %, де спостерігається інтенсивний потік вологи і інтенсивно наростає іній (наприклад, охолодження напівтуш парного м'яса після забою скота) необхідно безперервно очищувати іній, так як іній значно зменшує коефіцієнт теплопередачи повітроохолоджувача "k". В камерах з меншою відносною вологістю повітря (φ=85 %90 %), де наростання на теплообмінній поверхні повітроохолоджувача менш інтенсивне, можливо очистку інею проводити періодично. Вплив відносної вологості повітря в камері холодильника на відносний коефіцієнт теплопередачі наглядно ілюструється в [Г.-Й.Брайдерт. Проектирование холодильных установок. Расчёты, параметры, примеры. Перевод с немецкого Л.Н.Казанцевой, ТЕРМОКУЛ ТЕХНОСФЕРА, Москва, 2006, стр. 39, рис. 2.9.]. Величину відношення k/k0 можливо прийняти рівною k/k0=0,81,0. Коли відношення k/k01 це значить, що теплообмінна поверхня добре очищена від інею, а при k/k0=0,8 на поверхні теплообміну є тонкий шар інею, який наростає при непрацюючій очистці (періодична очистка). Для аеродинамічного опору потоку повітря в повітроохолоджувачі відношення р0/р можливо прийняти рівним р0/р = 0,81,0. Коли р0/р=1 поверхня теплообміну повітроохолоджувача очищена від інею, а при р0/р =0,8 на поверхні є шар інею (періодична очистка). Крім того, величини k/k0 і р0/р повинні обґрунтовуватись техніко-економічними розрахунками в результаті котрих повинні бути визначені періодичність чи безперервність роботи очистки повітроохолоджувача. Використання способу зниження енерговитрат в камерах холодильника при охолодженні повітря при температурах нижче нуля, з очисткою інею в вихрових повітроохолоджувачах дає можливість економити електроенергію на роботу компресорів холодильної машини. В цьому випадку, для отримання стабільної температури повітря в камері холодильника немає необхідності понижувати температуру кипіння холодильного агента tа, див. рівняння (1). При нормальній роботі холодильного обладнання різниця температур підтримується рівною t=8 °C. Так при температурі tв = -20 °C, ta = -28 °C. Якщо коефіцієнт теплопередачі "k" через наростання інею зменшився на 20 %, то для підтримання стабільності різниця температур t повинна на 20 % збільшитися, що складає . . Δt1=1,2 t=1,2 8=9,6 °C. Зниження ta на 9,6-8=1,6 °C (ta1=ta-1,6=-28-1,6=-29,6 °C) збільшує . енерговитрати на 1,6 4 %= 6,4 %. Але в реальних умовах, без очистки інею, коефіцієнт теплопередачі в ребристо-трубних повітроохолоджувачах зменшується на 40 %, що суттєво збільшує енерговитрати. Крім того, в існуючих ребристо-трубних повітроохолоджувачах для відтаювання інею встановлюють ТЕНи, які вживають також значну кількість електроенергії. Зі зростанням шару інею на теплообмінній поверхні повітроохолоджувача і збільшенні швидкості повітря зростають витрати електроенергії [в квадраті, див. рівняння (2)] на вентилятор. 2 UA 104300 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 1. Спосіб зниження енергетичних витрат у повітроохолоджувачах для охолодження вологого повітря при температурах нижче нуля в камерах холодильників, що включає закручування вентилятором потоку повітря на вході в вихровий повітроохолоджувач, інтенсифікацію теплообміну від потоку повітря до теплообмінної поверхні повітроохолоджувача обертовими дрібнодисперсними кристалами інею, що притискуються до поверхні відцентровими силами і турбулізують примежовий шар, механічне очищення осілого на теплообмінній поверхні шару інею, який відрізняється тим, що для підтримання відношення коефіцієнта теплопередачі вихрового повітроохолоджувача в процесі його роботи k до коефіцієнта теплопередачі на початку його роботи k0 рівним k/k00,81,0, механічне очищення інею з теплообмінної поверхні повітроохолоджувача здійснюють в залежності від відносної вологості повітря  в камері при =85 %90 % - періодично або безперервно при =90 %100 %. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при періодичному або безперервному механічному очищенні інею з теплообмінної поверхні вихрового повітроохолоджувача підтримують відношення аеродинамічного опору на початку його роботи, "р0" до поточного аеродинамічного опору "р" рівним р0/р1,00,8. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3