РАЗДЕЛ 2
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ИЗУЧЕНИЮ КОНТАКТНОГО
ДИСПЕРСНОГО ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ОСНОВНЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Системный подход к решению проблемы и обоснование выбора направления исследования
Большинство противоречий, создающих проблемную ситуацию, устраняются после разрешения главного противоречия, лежащего в её основе. Алгоритм разрешения противоречий рассматриваемой проблемы, направленный на раскрытие причинно-следственных связей, предполагает развертывание проблемы в направлении от конкретных проявлений в эксплуатации, т.е. от следствий, к физической сущности явлений.
Алгоритм решения проблемы повышения эффективности аммиачных холодильных установок может быть записан в следующем виде.
1. Анализ проблемы низкой эффективности, статистики аварий и разработка идей возможного разрешения противоречий.
2. Формализация задач.
3. Создание математических моделей и подтверждение их адекватности объектам исследования экспериментальными данными.
4. Разработка схемно-конструктивных решений систем охлаждения пара и паромасляной смеси в промышленных аммиачных холодильных установках.
5. Обобщение результатов в виде концепции постановки и решения проблемы.
6. Реализация концепции в практике проектирования и эксплуатации.
2.2. Анализ эффекта тепловой компрессии как следствия закона обращения воздействий
При движении рабочего тела в каналах и трубопроводах энергетических установок широко используются различные виды внешних воздействий [1,27,33,34,38,78,83,85,96,112,114,117,122,130]. Это может быть изменение площади поперечного сечения, отвод и подвод тепла, энергетический обмен с окружающей средой в виде механической энергии или теплоты, трение о стенки, тепловое взаимодействие капелек жидкости с потоком пара и другие. Интенсивный подвод тепла вызывает увеличение аэродинамического сопротивления, а отвод - его уменьшение. При интенсивном отводе тепла и соответствующей организации рабочего процесса оказывается возможным не только существенное уменьшение сопротивления, но и увеличение полного давления в потоке. В этом случае за счет преобладающего теплового воздействия (отвода тепла) происходит поджатие газового потока. Аппарат, в котором за счет отвода тепла от газового потока происходит увеличение полного давления газа, получил название термопрессора (иногда - аэротермопрессора). Отвод тепла может осуществляться путем контактного теплообмена либо через стенки канала, либо путем испарительного охлаждения за счет впрыскиваемой в газовый поток мелкораспыленной охлаждающей жидкости. В дальнейшем будет показана недостаточная эффективность обычных поверхностных теплообменников в свете решаемой проблемы для охлаждения потока перегретого пара или масляно-аммиачной смеси и рассмотрены контактные дисперсные высокоскоростные охладители, в которых проявление эффекта тепловой компрессии однозначно связывается с его исключительно интенсивным испарительным контактным охлаждением в значительно ускоренном, но дозвуковом потоке.
Возможность протекания процесса с повышением полного давления потока при его испарительном контактном охлаждении впервые теоретически была показана Л.А. Вулисом [28] ещё в 1946 г. Однако по данным [109] случаев практического использования термопрессоров не было известно.
В настоящее время во всем мире значительно возрос интерес к процессам с использованием технологий нано-, микро- и мезомасштабного диапазона, в том числе в холодильной технике. Сам процесс испарительного дисперсного контактного охлаждения перегретого потока аммиачного пара за счет впрыснутого высоко диспергированного жидкого аммиака с диаметрами капель в десятки и сотни микрон может рассматриваться как один из примеров таких технологий. Характерным для таких технологий является новое "качество" процесса, при котором его ключевые показатели меняются на два-три и более порядков. Следующие цифры иллюстрируют соотношения и порядок величин параметров, участвующих в рассматриваемых процессах. Так, если предположить, что 1 см3 жидкого вещества диспергирован на капли диаметром 10 микрон (наиболее вероятное значение для рассматриваемых условий), то суммарная их площадь составит приблизительно 2 м2, а отношение площади такой капли к её объему составит величину порядка 106, причем численное значение самого отношения обратно пропорционально диаметру капли в первой степени.
В данном подразделе представлено продолжение системного анализа противоречий как основы решения проблемы, используя материалы [1,3,12,28,42,43,49,51,62,100,109,154] теоретических и экспериментальных исследований контактного газодинамического устройства, в котором реализуется эффект тепловой компрессии. Это устройство использует возможность повышения полного давления высокоскоростного потока газа (пара) путем охлаждения самого газа (пара). Будучи размещенным в энергетической системе, например, на выхлопе (входе) турбины, термопрессор снижает (повышает) давление после (до) неё и, тем самым, дает экономию топлива, повышает мощность на единицу воздушного потока. В холодильной и криогенной технике это могут быть охладители потока перегретого пара между ступенями сжатия или концевые охладители. В этом случае существенно снижаются потери давления на линии связи между ступенями и тем самым улучшаются энергетические характеристики установки в целом, повышается безопасность её эксплуатации, упрощается сам узел охлаждения, в значительной степени снижаются массогабаритные показатели.
Основные элементы, из которых состоит термопрессор (см. рис. 2.1.), представляют собой сопло -1, в котором горячий сильно перегретый газ (пар) ускоряется на входе в секцию испарения; секцию испарения - 2, в которой газ (пар) охлаждается, и основная часть жидкости испаряется, впрыскивающее устройство - 3, которое вводит тонкораспыленную жидкость в высокоскоростной поток газа (пара); диффузор - 4, где поток газа (па