Маринюк Б.Т. Аппараты холодильных машин

Подождите немного. Документ загружается.

сопереноса.

Такое влияние идет [45] в основном по трем направле-

ниям:

создание дополнительного термического сопротивления переносу

теплоты образующимся сдоем инея;

изменения механизма процесса теплопереноса за счет участия в

энергетическом обмене

массового

потока водяных паров, кристал-

лизующихся в виде инея;

изменение состояния наружной поверхности теплообмена и

физических

свойств

инея.

Комплексное аналитическое решение задачи составляет в на-

стоящее

время существенные трудности, поэтому большая часть

исследований носит экспериментальный характер, а обобщения имеют

вид эмпирических зависимостей, область использования которых

часто

ограничена условиями проведения опытов.

Образование инея на поверхности холодильного оборудования

отрицательно сказывается на его работе, например в воздухоохла-

дителях возрастает сопротивление потоку воздуха. Периодически,

по мере забивания инеевым осадком межреберного пространства,

требуется отогрев оборудования, на что затрачивается энергия.

Поэтому

в технике низких температур важным остается вопрос

увеличения длительности эксплуатации оборудования без отогрева.

Тепло-и массообмен

при

инееобразовании

в условиях работы холодильного оборудования

Исследование условий инееобразования и его влияния на тепло-

передающие

свойства

поверхностей холодильного оборудования

стало

одной из практически важных задач техники низких темпе-

ратур. Шропп [46] описал картину образования слоя инея и получил

данные о зависимости

коэффициента

теплопроводности инея от его

плотности, им же было показано, что теплопроводность слоя инея

непрерывно увеличивается с течением времени, а плотность слоя

неравномерна по глубине.

Опыты на горизонтальной цилиндрической поверхности про-

водились авторами [47], процесс образования инея изучался в ус-

ловиях

вынужденного движения среды вдоль поверхности тепло-

обмена.

Основная серия опытов включала эксперименты на трубе диа-

метром 56 мм и длиной ИЗО мм, дополнительная серия состояла из

четырех

экспериментов на коротком цилиндре, изготовленном из

высокотеплопроводного металла. Теплоприток к наружной поверх-

ности опытного элемента определялся по подогреву хладагента,

циркулирующего в системе (для трубы), и по градиенту температур в

теплопроводящем стержне (для цилиндра).

Эффективные

коэффициенты

теплообмена, полученные по энталь-

пийной

методике обработки данных, сопоставлялись с теоретическими

значениями. Сопоставлением установлено значительное отклонение

теоретических данных от опытных, что, по мнению авторов, могло

быть

вызвано заниженными

коэффициентами

массообмена, получен-

ными на основании

принятой

аналогии Льюиса.

Анализ термического сопротивления слоя инея, проведенный

на основе сопоставления его теоретических и опытных значений,

позволил выявить резкое изменение

коэффициентов

теплопровод-

ности слоя инея в начальный период его образования, но объяснение

этого

явления

отсутствует.

Инееобразование в условиях эксплуатации гладкотрубного

аммиачного воздухоохладителя исследовалось в [48]. Расположение

труб в пучке - шахматное с шагом по вертикали 159 мм и по гори-

зонтали 97 мм. Количество переданной теплоты определялось по

расходу

и разности энтальпий воздуха в начале и в конце канала.

Опыты проводились при температуре от 10 до 0"С и числах Re =

27000+9300.

Квазистационарный режим в опытах наступал спустя

4-5

ч после начала работы. К этому времени

коэффициенты

теплооб-

мена имели постоянное значение несмотря на дальнейший рост

слоя

инея. Значительное место в работе уделялось теплофизичес-

ким свойствам инея, при этом в качестве обобщающей зависимости

теплопроводнсоти слоя от плотности получено уравнение

и.

= 1,5 (

Рср

• Ю-

0,035)

- 0,01, (3.1)

где

рд, - средняя плоскость инея; к - средняя теплопроводность

инея.

Уравнение (3.1) хорошо согласуется с опытными данными при

значениях плотности слоя ^ 250 кг/м

. При значениях плотности

р > 300 кг/м

расчетная теплопроводность выше значений, приведен-

ных

в справочной литературе.

Данные о влиянии инея на эксплуатационные показатели

холо-

дильного обрудования приводятся в [49]. В результате испытаний

стандартного торгового холодильного оборудования установлена

зависимость

коэффициента

рабочего времени агрегата и суточного

расхода

электроэнергии от толщины снеговой шубы. При толщине слоя

инея 3-4 мм расход электроэнергии увеличивался на

50-60%;

коэффициент

рабочего времени машины возрастал при этом еще

больше,

так как дополнительное термическое сопротивление слоя

приводит к уменьшению теплопритока к хладагенту,

соответствую-

щему

понижению его давления кипения и повышению мощности,

потребляемой агрегатом. Образование слоя

инея

толщиной 7-10 мм

приводило к перерасходу потребляемой энергии на

300-400%.

Условиями,

влияющими на скорость роста слоя инея, по мнению

автора,

являются влагосодержание среды, где размещено оборудова-

ние, а также частота и длительность сообщения рабочего объема

камеры с окружающей средой.

Изучению теплопередачи и гидравлического сопротивления

змеевиково-ребристых

и воздухоохладителей посвящена работа [50],

и опыты по намораживанию

инея

проводились на двух типах охлади-

дителей, которые различались шагом расположения ребер. Состоя-

ние воздуха

на.

входе

одинаково для всей серии опытов: температура

0'С,

относительная влажность

72%.

Данные по теплообмену представ-

лены в виде зависимости

коэффициента

теплопередачи от массы

намораживаемого инея. Так же как и в [47], замечено некоторое

увеличение

коэффициентов

теплообмена в начальный период

инееобразования и их снижение в дальнейшем.

Увеличение

коэффициентов

теплообмена в начальный период

ясняется

развитием теплопередающей поверхности, а уменьше-

ние - изолирующим

эффектом

слоя инея.

»Автор

[50] отмечает, что образование слоя

инея

на поверхности

ллообмена приводит к значительному перерасходу энергии в

^холодильной установке. Проведенное исследование показало, что в

|^НЬювиях

интенсивного образования

инея

предпочтителен больший

L^Lvr

оребрения.

Большой круг вопросов, связанных с тепло- и массообменом при

инееобразовании, изучался в [51]. В качестве опытной поверхности

для намораживания

инея

использовалась плоская плита

150x300x5

мм. Температура окружающей среды в опытах задавалась

от

0 до

10*С,

относительная влажность

50-80%.

Опыты по определению

интенсивности намораживания

инея

функции

времени показали, что

^интенсивность намораживания тем больше, чем выше скорость потока

Щрздуха

и ниже температура плиты. Из факторов окружающей среды,

влияющих на свойства инея, исследователи выделили температуру

плиты и скорость потока воздуха. Условия инееобразования, при

рых

скорости воздушного потока невелики, а температура плиты

я,

приводят к образованию слоя

инея

малой плотности и на-

рот.

UBV\>

Данные об

эффективной

теплопроводности инея в зависимости от

плотности удовлетворительно обобщаются эмпирическим уравнением,

полученным

[52]

исследователями

NASA:

0,0249

10~

(

3>2

)

где

р - плотность инея.

Авторы [51], изучая характеристики теплоотдачи со стороны

поверхности, покрытой инеем, установили, что

иней

увеличивает

коэффициент

теплоотдачи поверхности почти в 2 раза.

Коэффициент

теплопередачи при этом может иметь различные значения в зависи-

мости

от толщины слоя. Проверка аналогии тепло- и массообмена,

проведенная в данной работе, показала ее наличие во

всем

диапазоне

параметров, определяющих условия проведения опытов.

Аналогичный результат получен при исследовании инееобразова-

ния на пластине

400x250x10

мм, установленной в рабочем отсеке

замкнутой аэродинамической трубы

[53].

Опыты по намораживанию проводились в условиях, характерных

для работы испарителей-охладителей холодильных установок.

Температура набегающего воздушного потока изменялась от +12 до

2°С,

относительная влажность поддерживалась в интервале

65-8%,

скорость

воздушного потока составляла

2,8-6,7

м/с. Эксперимен-

тально установлено, что во

всем

диапазоне режимных параметров

масса

образующегося инея увеличивалась прямо пропорционально

продолжительности опытов. Интенсивность намораживания инея при

этом

была тем выше, чем выше влагосодержание и скорость воздуха.

Коэффициенты

теплоотдачи к поверхности инея имели максимальное,

значение в начале опыта, а затем плавно уменьшались до постоянных

значений, составляющих

50-70%

максимального. Данные по теплоот-

даче обобщены уравнением

Nu =

0,038Re°-

(ЗД

которое дает значения

коэффициентов

теплоотдачи для пластины!

покрытой инеем, на

20-25%

выше, чем для чистой металлической

поверхности.

Полученное увеличение

коэффициентов

теплоотдачи автор [53}

относит на счет влияния шероховатости и неровностей поверхности

слоя

инея. Значительное место в работе уделяется теплофизичес-

ким свойствам инея. Опытным путем получены данные о распреде-

лении

локальной теплопроводности по толщине слоя и выявлена

сложная зависимость последней от времени. Сложный характер

изменения локальной температуропроводности по толщине слоя

затруднил оценку

влияния

параметров процесса на эту величину,

поэтому для облегчения анализа было введено понятие среднего

эффективного

значения

коэффициента

теплопроводности, который,

как оказалось, зависит от влажности, скорости потока и температур-

ного режима образования инея, увеличиваясь с возрастанием

всех

трех

параметров. Важным результатом является экспериментальное

доказательство

того,

что теплопроводность

инея

не может быть

однозначно выражена в

функции

его плотности.

Теплоотдача

в условиях естественной конвекции окружающей

среды подробно изучалась в [54]. В опытах использовалась алюми-

ниевая плита

460x610x12,5

мм, которая вертикально устанавливалась

внутри камеры кубической

формы

длиной

ребра 1,52 м. Самая

низкая температура, при которой изучалось выпадение

инея

на плите,

достигала

-73°С.

Температура среды, омывающей пластину, поддер-

живалась

от - 7,8 до

+5,6

"С

и относительная влажность - от 35 до 100%.

Квазистационарное состояние в опытах наступало через

100-120

мин

после

начала опыта.

Высокая

интенсивность теплообмена в начале

опыта объясняется развитием поверхности наружного слоя инея. По

мере роста слоя и уменьшения его шероховатости снижается интен-

сивность

теплообмена и стабилизируется тепловой поток.

Экспериментальные данные по теплообмену обобщаются урав-

нением

^Nu -

0,1905

(Gr

Pr)°.

(3.4)

Анализом процесса тепло- и массообмена в условиях естественной

конвекции установлено, что определяющим

фактором

при инееобразо-

вании

является теплопередача. При температуре поверхности стенки

-50-*--70

"С

отмечалось образование тумана в начальный период, а

также

отслаивание и унос частиц

инея

конвективными токами среды.

Среди исследований по изучению инееобразования в условиях

естественной

конвекции значительный интерес представляет

иссле-

дование процесса инееобразования на тонкой медной пластине

204x78x9,5

мм, установленной вертикально в замкнутой камере [55].

Опытная поверхность захолаживалась электронными охлаждающими

батареями, расположенными в два вертикальных ряда (по четыре в

каждом ряду). Условия проведения опытов и их результаты даны в

табл. 3.1.

На основании проведенных опытов выявлена возможность исполь-

зования в качестве движущей силы процесса разности энтальпий

воздуха

вдали от поверхности намораживания и у поверхности.

Расчетами

коэффициентов

теплоотдачи по

принятой

методике установ-

Таблица

3.1.

Условия проведения

ЭКСПЕРИМЕНТОВ

[SS]

Температура Относительная Абсолютная Энтальпия Температура

ох-

воздуха,

°С

влажность,

воздуха,

ккал/кг лаждаеыой

повврх-

кг/кг

ности,

"С

24,6

«9

0,01329

14 -3,75

21,6

0,00859

10,4 -6.5

19,6

0,00695

8,91 -5

лено, что образование инея на вертикальной пластине в условиях

естественной конвекции среды не приводит к существенной интен-

сификации теплоотдачи.

Для определения коэффициентов теплоотдачи предложена формула

[55],

дающая удовлетворительное совпадение с результатами опытов

Nu =

0,56(GrPr)°.

(3J|

Очевидный недостаток исследования [55] - узкий диапазон режим-

ных параметров, что ограничивает возможность применения пред-

ложенных обобщений.

При проектировании и эксплуатации низкотемпературного

обо-

рудования, подверженного инееобразованию, часто требуется

оценивать толщину слоя инея и заданный момент времени [56].

На

основе упрощенной модели роста кристаллов льда получено

уравнение роста толщины слоя инея. Для уточнения эмпирических!

коэффициентов, входящих в уравнение, проведено эксперименталь-у

ное исследование на трубе наружным диаметром 47,5 мм. Температура

поверхности трубы задавалась в пределах от -30 до -5*С. Темпера-

тура

потока воздуха - от 5 до

15"С,

скорость - от 1,2 до

м/с.

Изменения показали, что толщина слоя инея не зависит от числа

и разности парциальных давлений водяного пара над поверх-

ностью

инея и потока воздуха - факторов, оказывающих решающее

влияние на массоперенос. В связи с этим предполагается, что

нараста-

ние инея подчиняется закономерностям роста кристаллов льда, когда

существенное значение имеют

коэффициенты

перенасыщения и

теплота сублимации, выделяемая при

присоединении

молекулы к

решетке кристалла. С учетом этих факторов результирующее уравне-

ние имеет вид

1/2

-*(t

-t

0,465

Воздух,

насыщенный влагой, при темпера- Разница энтальпий Разница абсолютной

туре охлаждаемой поверхности влажности

Энтальпия,

ккал/кг Абсолютная влажность,

кг/кг

-1,55

0,00286

15,6

0,01043

-1,83

0,00232

12,2

0,00627

-1,47

0,00260

10,4

0,00435

где

- толщина слоя инея; k

коэффициент

теплопроводности

льда; т - время; tp, t

- температура поверхности инея и стенки

соответственно;

- температура плавления льда; t - температура

потока воздуха; Ah

- скрытая теплота конденсации и замерзания

паров воды;

- плотность льда.

Предложенное уравнение (3.6) обобщает случаи образования инея

на трубах и цилиндрах при температуре стенки до

-30-5—

"С,

когда

коэффициент

теплопроводности льда практически не зависит от

температуры.

Теоретическое

решение задачи теплообмена при инееобразова-

нии дано в [57]. Математическая модель представляет собой

систе-

му

дифференциальных

уравнений, описывающих рост толщины и

плотности слоя инея в зависимости от времени. Основное допуще-

ние модели - постоянство плотности слоя инея по толщине. Числен-

ное интегрирование системы уравнений возможно с использованием

зависимости

температуры поверхности инея от физических пара-

метров процесса. Задача решена на ЭВМ по итерационной программе.

Результаты

расчета [58] удовлетворительно совпадают с опытными

"данными других исследователей.

Диффузионная

модель процесса

тепло-

и массообмена использовалась для расчета толщины слоя

инея при изменяющихся влажности и скорости воздуха.

Для определения влияния изменяющихся условий среды на

рост

толщины слоя инея были проведены эксперименты на моде-

ли, представляющей собой квадратную пластину со стороной 152 мм,

помещенную в прямоугольный канал аэродинамической трубы. В

результате опытов установлено, что с изменением влажности

воз-

духа

максимальное расхождение теоретических и опытных значений

не превышает 30%. Менее удачными являются обобщения по влия

нию скорости воздуха на рост толщины слоя инея.

Большой круг вопросов, связанных с явлением инееобразова-

ния, содержится в материалах, представленных на XV Международ-

ном конгрессе по холоду

[59- 62].

Наибольший интерес представляют исследования по изучению

инееобразования на ребристой поверхности воздухоохладителей

фреоновых холодильных машин

[59-60].

Объектами эксперимен-

тов

служили три воздухоохладителя, выполненные из медных тру-

бок диаметром 16 мм, с ребрами из алюминия, межреберное рас-

стояние 7,5; 10 и 15 мм соответственно, расстояние между трубками

50x50

мм. Испытания проводили при изменении массовой скорости

воздуха

wp от 2 до 10 кг/(м

•

с) и относительной влажности <р от

до

88%.

Температура воздуха на входе

(273 ±3)

К, а температурный

напор Дг =

(7-^8)

К. Толщина слоя инея 6

ИН

определялась

фотографи-

рованием, масса инея находилась как по балансу со стороны

воз-

духа,

так и взвешиванием конденсата.

Визуальным

наблюдением установлено, что образование инея

первоначально начиналось на трубе и прилежащих к ней участках

ребер и затем вдоль ребер к вершине. Неравномерность в

формиро-

вании слоя наблюдалась в первые 15-20 мин работы. После этого

уменьшением градиента температур по ребру толщина слоя стано-

вилась

примерно одинаковой. Отмечались также изменения в шеро-

ховатости

слоя: в начальный период она была более высокой. С

течением времени шероховатость слоя инея существенно уменьша-

лась,

оставаясь больше на ребрах, чем на трубах. Отсюда исследова-

тели заключили, что шероховатость слоя инея зависит в основном

от

условий его формирования: чем больше массовый расход воздуха

и его влажность, тем выше шероховатость слоя инея. Данные по

росту

толщины слоя обобщены экспоненциальной зависимостью

где

т - время, ч; /

- предел, к которому стремится толщина слоя

инея, /

= а

0,051

wp; / -

коэффициент,

выражающий скорость

изменения толщины слоя инея во времени, / = а

+ 0,163wp.

Зависимость

коэффициентов

и о

от относительной влажности

воздуха

приводится ниже:

Ф,% 70 80 90

мм 1,825 2,23 3,1

ч 4,915 4,26 3,19

Интенсивность образования слоя инея на оребренной поверхности

пропорциональна времени, что согласуется с данными

[53].

Основные

факторы, влияющие на интенсивность образования инея, -

массо-

вая скорость воздуха и относительная влажность. Исследователи

выявили различную плотность инея на трубах и ребрах. В связи с этим

плотность рассчитывалась по методу среднего арифметического.

Показано, что плотность слоя инея увеличивалась с возрастанием

массовой

скорости воздуха и его относительной влажности, достигая

250

кг/м

Тепло-и массообмен

при

инееобразовании

в условиях работы криогенного оборудования

Большинство исследований по инееобразованию при криоген-

ных

температурах выполнено на моделях простой геометрической

формы, таких как цилиндр, шар, плита, в условиях, характерных

для эксплуатации оборудования летом в географических зонах с

умеренным климатом.

[63] изучена теплоотдача при свободной и вынужденной кон-

векции к вертикальным цилиндрическим сосудам наружным диа-

метром 441 мм и высотой 670 мм. В качестве хладагента использо-

вали жидкий кислород, наполнение осуществлялось из танка ем-

костью

2270

л. В процессе эксперимента замерялись плотность инея,

высота

уровня жидкости в

сосудах,

масса

жидкости, а также коли-

чество

отводимого пара. Данные о теплопритоке показывают, что в

начальный момент теплоприток максимален, а с течением времени

снижается

до некоторой постоянной величины, зависящей от

усло-

вий опыта. При одной и той же температуре окружающей среды

большие тепловые потоки соответствуют меньшей влажности. Ви-

зуальные наблюдения за формированием слоя инея на стенке выявили

его

сложное строение, состоящее из плотного и ровного основания,

на котором располагается менее плотная и крайне шероховатая

структура с низкой механической прочностью. При достижении

общей толщины слоя инея около 4 мм происходит осыпание рыхлой

поверхности на значительную глубину, после чего толщина слоя

начинает расти вновь. Теплопроводность слоя инея предлагается

определять по формуле

0,7

А.

= 1,Ы0-з pl^L ,

где

ст

- температура поверхности намораживания; Г

п и

- температура

поверхности слоя инея.

Формулу (3.8) можно использовать только для предварительное

оценки теплопроводности слоя инея, так как

формула

не учитывает

многих факторов, влияющих на эту величину.

При исследовании процесса инееобразования в условиях вынуж

денной конвекции на тех же поверхностях установлено, что в отли-

чие от естественной конвекции среды влагосодержание воздуха

не влияет на суммарный тепловой поток к стенке. Этот вывод проти-

воречит данным, полученным в [64] при изучении тепло- и массооб

мена при инееобразовании на поверхности

цилиндра

диаметром

50,8

мм и

длиной

152

мм.

Опыты проводились в условиях вынужденного движения воздуха

по каналу со скоростью от 2,23 до 26,8 м/с, температура потока за

давалась

от 4,4 до 37,8 °С, максимальное влагосодержание воз

духа

не превышало

46,5

г/кг.

Анализ представленных в экспериментальном материале данных

показывает,

что в условиях опытов основными параметрами, вли-

яющими на тепловой поток, являются влагосодержание, темпера

тура и скорость движения потока воздуха. Влияние этих параметрон

проявляется различно в зависимости от конкретного их сочетания

значений

каждого из них.

Так,

например, при температуре окружающей среды

4,5

°С

ско-

рости воздуха около 2,5 м/с большие тепловые потоки будут соот

ветствовать

большей влажности. При скорости 10 м/с и выше зависи

мость

теплового потока от внешних условий становится противо

положной. Это объясняется тем, что слой инея, образованный при

низком влагосодержании, обладает худшим сцеплением с поверх-

ностью,

чем слой, образованный при более высоком влагосодержании.

результате

иней

осыпается и уносится потоком, что ведет к воз

растению теплопритока. В случаях высоких влагосодержания и

температуры термическое сопротивление образующегося

инея

меньше

и структура более прочная. Для некоторых режимов тепло- и массе

обмена характерно чередование слоев сухого

инея

с ледяной коркой,

образуемой за счет впитывания влаги слоем инея.

При рассмотрении

влияния

каждого из параметров на тепловой

поток установлено, что изменение любого из них приводит к соот-

ветствующему

изменению теплового потока в ту же сторону.

Теоретический анализ экспериментального материала [64] выпол-

нен в [65]. В основу анализа положено выражение, связывающее

коэффициенты

тепло- и массопереноса и известное под названием

соотношение Льюиса. Уравнение для подсчета теплопритока,

выве-

денное на основе этого соотношения, имеет вид