Оценка энергетической эффективности установок разделения жидких сред методом вымораживания на основе анализа производства энтропии

Цель. Целью исследования является разработка методики оценки энергетической эффективности установок разделения жидких сред методом вымораживания объемного принципа действия на основе анализа производства энтропии. На основании разработанной методики дать оценку целесообразности применения ступени предварительного охлаждения исходного жидкого продукта в криоконцентраторах объемного принципа действия.

Метод. Исследование основано на методе энтропийного анализа термодинамических циклов холодильных установок. Произведен теоретический расчет по разработанной методики для криоконцентраторов, оснащенных ступенью предварительного охлаждения исходного жидкого продукта и без нее.

Результат. Показано, что наличие ступени предварительного охлаждения, которая основывается на безмашинном охлаждении исходного жидкого продукта за счет холода массы льда, получаемой в аппарате, является целесообразным и позволяет существенно сократить энергопотребление криоконцентратора. Представлены результаты расчета удельного показателя энергопотребления криоконцентратора, характеризующего затраты электроэнергии на производство одного литра концентрата в зависимости от наличия ступени предварительного охлаждения исходного жидкого продукта для хладагентов R404A, R410A, R507.

Вывод. Разработанная методика оценки энергетической эффективности установок разделения жидких сред методом вымораживания на основе анализа производства энтропии может быть полезна не только для проектирования устройств криоконцентрирования, но и другого оборудования объемного принципа действия, работающего в условиях ледообразования, например, ледогенераторов и холодоаккумуляторов.

1. Си Д. Применение технологии криоконцентрирования в процессах очистки воды // Оригинальные исследования. – 2024. – № 4 т. 14. – С. 65-69.

2. Бурдо О.Г., Терзиев С.Г., Мордынский В.П., Сиротюк И.В., Фатеева Я.А. Многофункциональное оборудование для низкотемпературного разделения пищевых растворов на основе эффекта "термического парадокса" // Проблемы региональной энергетики. – 2022. – № 1(53). – С. 42-58.

3. Булгаков, С.В., Садыкова А.В. Деминерализация засоленной оборотной воды нефтепереработки вымораживанием // Вода: химия и экология. – 2023. – № 6. – С. 36-40.

4. Plotnikov I.B., Korotkiy I.A., Neverov E.N., Korotkaya E.V., Plotnikova L.V. Modernization of the mechatronic water treatment module for processing plants of the agro-industrial complex // Eurasian Physical Technical Journal. –2023. – Vol. 20. – P. 99-110.

5. Патент № 2776583 C1 Российская Федерация, МПК G21F 9/06, B01D 9/04, C02F 1/22. Способ концентрирования неорганических жидких радиоактивных отходов: № 2021132237: заявл. 04.11.2021: опубл. 22.07.2022 / А.М. Скоробогатов.

6. Архаров, А.М. Основы криологии. Энтропийно-статистический анализ низкотемпературных систем. – М.: Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, 2014. 512 с.

7. Zdobnov M.I., Lavrov N.A., Shishov V.V. Entropy Analysis of Energy Losses in Heat-Exchanger and Mixing Sections of a Central Air Conditioner. Chemical and Petroleum Engineering. 2023;58:943-952.

8. Талызин М.С. Методы анализа энергоэффективности холодильных установок // Холодильная техника. – 2021. – № 1. – С. 23-30.

9. Архаров А.М., Шишов В.В. Энтропийно-статистический анализ распределения затрат энергии на компенсацию необратимости рабочих процессов систем кондиционирования // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Машиностроение. – 2013. – № 2(91). – С. 84-97.

10. Осипенко В.В., Лавров Н.А. Анализ потерь в фанкойлах с помощью энтропийно-статистического метода // Холодильная техника. – 2022. – № 1. – С. 5-12.

11. Кудров Ю.В. Энтропийно-статистический анализ эффективности циклов холодильных агрегатов бытовых холодильников // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. – 2022. – № 4. – С. 16-25.

12. Ugolnikova M.A., Chernyavskaya V.V. Dynamics of water ice formation during the operation of vessel cryoconcentrators // Chemical and Petroleum Engineering. – 2021. – Vol. 57 (7–8). – P. 561–566.

13. Патент № 2805851 C1 Российская Федерация, МПКB01D 9/04, A23C17/00. Способ криоконцентрирования молочной сыворотки: № 2023105985: заяв.15.03.2023: оп. 24.10.23/В.А.Ермолаев, Д.Е.Федоров.

14. Патент № 2805848 C1 Российская Федерация, МПК A23L2/02. Способ криоконцентрирования грейпфрутового сока: № 2023105966: заявл.15.03.2023: опубл. 24.10.2023/В.А. Ермолаев, Д.Е. Федоров.

15. Патент № 2818334 C1 Российская Федерация, МПКA23L 2/02, A23L 2/08. Способ криоконцентрирования вишневого сока: №2023132221: заявл.07.12.2023: опубл.02.05.2024/В.А.Ермолаев, Д.Е.Федоров.

16. Патент № 2803875 C1 Российская Федерация, МПКB01D 9/04. Способ криоконцентрирования плазмы крови убойных животных: № 2023105972: заявл. 15.03.2023: опубл. 21.09.2023/В.А. Ермолаев, Д.Е. Федоров.

17. Патент № 2805850 C1 Российская Федерация, МПК B01D 9/04, A23C 17/00. Способ криоконцентрирования пахты: № 2023105970: заявл. 15.03.2023: опубл. 24.10.2023 / В.А. Ермолаев, Д.Е. Федоров.

18. Ястребов А.Л. Инженерные коммуникации на вечномёрзлых грунтах. –Л.: Стройиздат, 1972 г. 175 с.

19. Угольникова М.А. Моделирование процессов теплообмена при наморживании водного льда на неизолированных элементах низкотемпературного оборудования: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва. 2017. – 140 с.

20. Калнинь И.М., Фадеков К.Н. Термодинамические циклы холодильных машин и тепловых насосов: расчет, оценка эффективности: учебное пособие. – М.: МГУИЭ, 2006. 91 с.

21. Талызин, М.С. Разработка методики определения потерь в холодильных установках энтропийно-статистическим методом и ее применение для предприятий пищевой промышленности: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва. 2018. – 141 с.