Исследование процессов в аккумуляторах холода с теплопроводящей насадкой и разработка расчетных методов их оптимизации

Прогресс во многих областях современной науки и техники в значительной степени связан с использованием низкотемпературных систем, что в свою очередь ведет к их постоянному развитию и совершенствованию.

Потребность в низкотемпературных системах постоянно растет. Научные исследования в ядерных и термоядерных областях, космосе, радиоэлектронной промышленности, электромашинои аппаратостроении, биологии, медицине и т. д. вызывают необходимость создания и разработки различных систем обеспечения холодом с высокой термодинамической эффективностью и надежностью в работе.

Естественно, что при таком широком спектре применения низкотемпературных систем необходимо создавать столь же широкий их ассортимент с учетом постоянно ужесточающихся требований к энергетическим характеристикам, ресурсу работы и надежности установок. В этой связи в ряде случаев оказывается предпочтительным использование низкотемпературных систем в сочетании с аккумуляторами холода.

Холод в аккумуляторах запасается рабочими телами, хранящимися при заданной температуре в конденсированном состоянии (жидком или твердом) в специальных емкостях. Аккумуляторы холода заряжаются при работе низкотемпературных установок и предназначены для последующего охлаждения различных объектов до требуемой температуры в сочетании с низкотемпературной установкой или без нее. Они могут быть использованы для различных целей.

Так, применение аккумуляторов холода целесообразно для охлаждающих систем, работающих в условиях неравномерных суточных тепловых нагрузок с пиковыми значениями. В настоящее время в мировой практике достаточно широко используются аккумуляторы с целью уменьшения затрат на получение необходимого количества холода. Это связано с различной стоимостью электроэнергии в дневное и ночное время. Идея состоит в том, что в течение ночи аккумулятор холода заряжается за счет более дешевой энергии, а днем разряжается, осуществляя охлаждение объекта без затрат электроэнергии.

Например, в холодильной промышленности с целью снижения энергетических затрат широко используются аккумуляторы холода для хранения пищевых продуктов [1,2].

Работоспособность современных чувствительных электронно-оптических приборов может быть обеспечена криостатированием их элементов при помощи низкотемпературных систем с использованием аккумуляторов холода. Таковы, например, приемники инфракрасного излучения, кристаллы оптических преобразователей, катоды фотоэлектронных умножителей, лазерные диоды и др. Использование в этих случаях аккумуляторов холода позволяет не только повысить чувствительность приборов, но и исключить различного типа шумы, вибрации, электрические и магнитные поля, создаваемые низкотемпературной установкой. Аккумуляторы холода надежныих ресурс непрерывной работы при неизменной тепловой нагрузке зависит только от количества запасенного хладагента.

Проектирование, конструирование и, тем более, изготовление устройств типа аккумуляторов холода — процессы трудоемкие и дорогостоящие. Поэтому часто бывает целесообразным оценивать эффективность их использования с помощью вычислительного эксперимента, а не путем натурных испытаний различных вариантов конструкции. Вопросы, на которые должен отвечать расчет, могут иметь разную степень глубины и детальности в зависимости от цели анализа аккумулятора холода как технической системы. В связи с этим расчетные схемы должны строиться на основе алгоритмов различного уровня сложности и детальности описания процессов.

В настоящей работе рассматриваются аккумуляторы холода для микрохолодильных установок. Особенность охлаждения состоит в отводе от объектов небольших количеств теплоты с малыми градиентами температур. В этом случае аккумулятор необходимо проектировать со специальной теплопрово-дящей насадкой для выравнивания поля температур в процессе плавления рабочего тела. Методика расчета таких аккумуляторов отсутствует, что затрудняет их проектирование.

Известные экспериментальные и теоретические исследования аккумуляторов холода [3+8] не дают ответа на вопросы, связанные с их расчетом и проектированием.

Диссертационная работа посвящена исследованию процессов, происходящих в аккумуляторах плавления с теплопроводящей насадкой, расчету и оптимизации этих процессов, созданию на основе полученных результатов методики их инженерного расчета. Расчеты сопоставлены с экспериментальными данными, полученными в настоящей работе, что позволило оценить достоверность результатов расчетов и оптимизации. Проведенные исследования позволили дать рекомендации для опытно-конструкторских разработок таких устройств.

В этой связи в диссертации рассмотрены следующие вопросы:

1. Анализ литературы по разработке микрохолодильных систем, в частности, с аккумуляторами холода, и задачам их исследования.

2. Разработка методов расчета и оптимизации аккумуляторов плавления с теплопроводящими насадками разных видов.

3. Экспериментальное исследование аккумулятора плавления с тепло-проводящей насадкой. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных.

4. Разработка методики инженерного расчета аккумулятора плавления с теплопроводящей насадкой.

5. Комбинированные микрохолодильные системы с аккумуляторами плавления.

6. Перспективы применения аккумуляторов холода.

Основные научные положения, сформулированные в работе, новизна которых защищается автором:

• Физико-математическая модель процесса охлаждения объекта с помощью аккумулятора плавления с теплопроводящей насадкой.

• Методики и пакет прикладных программ для расчета аккумуляторов плавления с теплопроводящими насадками разных видов.

• Оптимизация аккумулятора плавления с помощью разработанных методик расчета с использованием созданного пакета прикладных программ.

• Результаты экспериментального исследования аккумулятора плавления с теплопроводящей насадкой.

• Методика оптимизации комбинированной системы с аккумуляторами плавления по массе оборудования.

• Принцип действия и конструкция электромагнитного теплового ключа.

Кроме этого автор защищает методику инженерного расчета аккумуляторов плавления с теплопроводящими насадками разных видов для микрохолодильных установок.

Результаты исследования использованы при создании макета установки с аккумулятором холода для исследования характеристик различных приемников излучения, которая предложена для внедрения Государственному Научному Центру Российской Федерации ГП «НПО Орион». Результаты работы также были использованы при разработке холодильной системы в устройстве для выявления дефектов внутренней поверхности дымовых труб без их остановки, изготовленном в МГТУ им. Н. Э. Баумана в интересах РАО ЕЭС России в 1998 г.

Выводы.

1. Разработанная физико-математическая модель процесса плавления рабочего тела в аккумуляторах холода с теплопроводящими насадками в виде пористого тела с открытыми порами, оребренного стержня и гладких стержней позволяет рассчитать и проанализировать температурные поля в аккумуляторе.

2. Созданные методики и алгоритм расчета аккумуляторов плавления с теплопроводящими насадками разных видов, а также пакет прикладных программ позволяют определить температуру охлаждаемого объекта в любой момент времени.

3. На основе оптимизации аккумуляторов плавления с различными типами теплопроводящих насадок установлены наилучшие их виды и формы исполнения. Показано, что в случае пористой насадки ее пористость для одного и того же материала оказывает двоякое влияние на время работы аккумулятора. С увеличением пористости насадки возрастает количество рабочего тела в аккумуляторе, что увеличивает время его работы. Однако уменьшающаяся с увеличением пористости теплопроводность насадки приводит к увеличению градиента температур между теплообменивающи-мися средами, что в итоге ведет к увеличению температуры охлаждаемого объекта.

4. В случае цилиндрической формы аккумулятора, чем большую теплопроводность имеет материал насадки, тем оптимум сдвигается в сторону большей пористости. Так для никелевой и алюминиевой насадки оптимальная пористость равна 0,6- для медной 0,8.

5. При сферической форме оптимальная пористость для медной, никелевой и алюминиевой насадки составляет 0,8. Таким образом, предложенная методика расчета позволяет для конкретных случаев применения аккумуляторов оптимизировать как материал насадки, так и ее пористость.

6. В случае насадок в виде гладких и оребренных стержней лучшими характеристиками обладают аккумуляторы с насадками из более тепло-проводящих материалов, в частности, предпочтительнее медь, чем алюминий или никель.

7. Для аккумуляторов, предназначенных для работы с небольшими те-плопритоками оптимальной является пористая теплопроводящая насадка. Для аккумуляторов с большими геометрическими объемами может оказаться технологически проще и экономически целесообразнее использовать теплопроводящую насадку в виде оребренных стержней.

8. Созданный экспериментальный стенд и проведенные на нем испытания аккумулятора с теплопроводящей пористой насадкой подтвердили правильность допущений, принятых при разработке физико-математической модели процесса плавления рабочего тела в аккумуляторе с теплопроводящей насадкой. Результаты расчетов зависимости температуры охлаждаемого объекта от времени по созданной методике лежат в пределах погрешности двух серий экспериментов на спирте и гептене, что можно считать вполне удовлетворительным согласованием.

9. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана инженерная методика расчета аккумулятора плавления с различными видами теплопроводящих насадок.

10. Разработанная методика оптимизации микрохолодильной комбинированной системы по массе оборудования позволяет установить влияние отдельных элементов на общие массовые характеристики системы и сопоставить установки с различными генераторами холода.

11. Предложенный электромагнитный тепловой ключ позволяет эффективно подключать генератор холода к аккумулятору при небольшом изменении температуры объекта охлаждения.