Вакуумно барботажный метод охлаждения жидкостей

Холодильные технологии / Оптимальные решения
УДК621.57
Вакуумнобарботажный метод охлаждения
жидкостей
Др техн. наук Б.Т. МАРИНЮК ,
М.Д. РОБАБПУРДЕРАКШАН
Московский государственный университет
инженерной экологии (МГУИЭ), тел.: 8 (499) 2671046
Рассмотрены физические основы и особенности
процесса барботажа атмосферного воздуха в воду.
Предложено использовать для охлаждения воды со
вместно вакуумное и барботажное охлаждение.
Приведены схема испытательного стенда для ис
следования этого процесса и результаты опытов по
охлаждению 20 л воды от 30 до 5 оС при вакуумном
охлаждении с барботажем и без него. Показано, что
барботаж атмосферного воздуха в воду интенси
фицирует процесс охлаждения.
Вакуумнобарботажный способ охлаждения жид
кости дает возможность получения холодной воды
с нулевой температурой.
Ключевые слова: вакуумное охлаждение, барбо
таж атмосферного воздуха в воду; вакуумнобар
ботажный метод охлаждения жидкости, получе
ние воды с нулевой температурой.
VACUUMBUBBLING METHOD OF LIQUIDS
COOLING
Doctor of Science B.T.Marinyuk ,
M.D. RobabpurDerakshan
Moscow State University of Engineering Ecology
(MSUEE)
Physical bases and particularities of the process of the
bubbling of free air into water are examined. It is offered
to use vacuum and bubbling cooling together to cool water.
The scheme of the test bench to investigate this process
and the results of the tests on cooling 20l of water from 30
to 50C at vacuum cooling with bubbling as well as without
it are cited. It is shown that bubbling of free air into water
intensifies the cooling process.
The vacuumbubbling method of liquid cooling gives
the possibility to obtain cold water at zero temperature.
Key words: vacuum cooling, bubbling of free air into
water, vacuumbubbling method of liquid cooling, zero
temperature water obtaining.
42
Барботаж газа в жидкость известен в холодиль
ной технике, например, как способ сбива пере
грева горячих паров, подаваемых из первой сту
пени компрессора в промежуточный сосуд двух
ступенчатой аммиачной установки или как ме
тод интенсификации теплоотдачи от воды при
таянии водного льда в аккумуляторах холода.
Имеются сведения и о применении этого про
цесса в химической технологии [1].
Особенностью процесса барботажа воздуха в
слой воды является улучшение тепло и массо
обмена между газовой и жидкостной фазами. Во
многом это объясняется сильным развитием по
верхности тепло и массообмена изза высокой
дисперсности пузырей, подаваемых в жидкость.
Кроме того, практически отсутствует термосоп
ротивление между жидкостью и газом. Не сле
дует сбрасывать со счета и высокую скорость
подъема пузыря в слое жидкости, и фактор тур
булизации жидкости в ванне. Другой и очень
важной особенностью процесса барботажа явля
ется возникающий при этом эффект охлаждения,
физически связанный с испарением воды в пу
зырь. Очевидно, что интенсивность охлаждения
увеличивается с понижением давления паровоз
душной среды над зеркалом жидкости и с возра
станием расхода подаваемого воздуха. Исходя из
этих представлений, было получено уравнение,
определяющее время охлаждения воды в задан
ном диапазоне температур ΔT в зависимости от
расхода воздуха и давления газа над зеркалом
воды:
где Gw – начальная масса воды, кг;
ρв – плотность воздуха при нормальных усло
виях, кг/м3;
сpw – теплоемкость воды, Дж/(кг·К);
R – универсальная газовая постоянная, R =
= 8314 Дж/(моль·К);
№ 6/2012
Рис. 1. Схема экспериментальной установки:
1 – испаритель; 2 – барботажное устройство;
3 – основной вакуумный насос; 4 – конденсатор;
5 – вспомогательный вакуумный насос; 6 – вакуумметр;
7 – вакуумный запорный вентиль
rw – теплота испарения воды, rw = 2500 кДж/кг;
μН О– молекулярная масса водяного пара, μH O =
2
2
= 18 кг/моль;
Gв – расход барботируемого в жидкость возду
ха, м3/с;
– среднее давление парогазовой смеси над
зеркалом воды, Па;
Tн, Тк – начальная и конечная температуры
воды, К.
Понижение давления над зеркалом жидкости
достигается вакуумированием, которое вызывает
охлаждение жидкости за счет ее испарения (ва
куумное охлаждение). Соединение процессов ваку
умного и барботажного охлаждения может приве
сти к ускорению процесса охлаждения.
При вакуумном охлаждении порций воды, на
ходящейся в герметичной полости испарителя,
барботаж воздуха из атмосферы возможен при ус
ловии, что скорость откачки вакуумноконденса
торного агрегата sэф будет больше, чем расход бар
ботируемого воздуха Vв, т.е. sэф > Vв [2, 3].
Эффект совместного воздействия вакуумного и
барботажного процессов при охлаждении воды
исследовали на экспериментальной установке,
схема которой представлена на рис. 1.
Главными элементами установки являются:
основной роторный вакуумный насос 3 со ско
ростью откачки sэф = 50 л/с; вспомогательный ва
куумный насос 5 с масляным уплотнением; ко
жухозмеевиковый конденсатор 4; испаритель 1
царговой конструкции из стекла. В нижней ча
сти испарителя расположено барботажное уст
ройство 2, через которое осуществлялся подвод
воздуха с комнатной температурой (через вен
тильнатекатель).
Установка снабжена вакуумметрами 6 пружин
ного типа, которые расположены на выхлопе ос
новного вакуумного насоса 3 и на крышке испа
рителя 1.
№ 6/2012
Рис. 2. Зависимость температуры охлаждаемой воды tв
от времени t:
1 – при вакуумной откачке; 2 – при совместном
воздействии вакуумной откачки и подачи атмосферного
воздуха
На рис. 2 представлены результаты опытов по
охлаждению 20 л воды от начальной температу
ры +30 оС до конечной +5 оС при совместном
воздействии вакуумной откачки и барботажа воз
духа.
Как следует из рис. 2, барботаж воздуха в воду
интенсифицирует процесс ее охлаждения. Сте
пень интенсификации увеличивается с ростом
объема вдуваемого из атмосферы воздуха Vв и сни
жением среднего давления в паровом простран
стве над зеркалом воды. Последнее зависит от со
отношения скорости откачки вакуумного насос
компрессора, объема подаваемого газа и темпе
ратурного уровня начала барботажа.
Барботаж воздуха открывает уникальную воз
можность получения воды с нулевой температу
рой (подчеркнем, не с околонулевой, а с темпе
ратурой воды, равной 0 оС!).
Такая вода может обеспечить охлаждение мо
лока до +5 оС в пластинчатых теплообменниках.
Кроме того, она представляет интерес для птице
фабрик (при выращивании молодняка) и для дру
гих отраслей пищевой промышленности, а также
фармакологии.
При этом используемые для охлаждения воз
дух и вода – это абсолютно совместимые с окру
жающей средой вещества, которые не разруша
ют озоновый слой и не отепляют окружающую
среду.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
1. Васильев А.С., Павлов В.П., Плановский А.Н. Мас
соотдача в газовых струях, истекающих в жидкость
// ТОХТ. 1968. Т. 2. № 5.
2. Маринюк Б.Т. Теплообменные аппараты ТНТ. –
М.: Энергоатомиздат, 2009.
3. Пат. № 2178128с2 РФ. Способ охлаждения жид
костей. Мариниюк Б.Т. БИ. 2011. № 100102.
43