Маринюк Б.Т. Аппараты холодильных машин

Подождите немного. Документ загружается.

q/A=h

mia

(г

те

-г

)

-p

)

(3.9)

где

h -

коэффициент

теплоотдачи от воздуха к инею; Г - темпера-

ра воздушного потока; к -

коэффициент

теплопроводности влаж-

ного

воздуха; Т

- температура на поверхности слоя инея;

min

олекулярная масса влажного воздуха; с

- теплоемкость влаж-

ного воздуха; Р - плотность влажного воздуха; Р^, Р

- парциаль-

ое

давление соответственно водяного пара в потоке воздуха и

на поверхности инея.

Использование уравнения (3.9) совместно с эмпирическим урав-

нением для определения

коэффициента

теплоотдачи в "сухом"

режиме позволило оценить тепловой поток при наступлении квази-

стационарного режима. Проведенное сопоставление показывает

хорошую сходимость теоретических значений теплопритока с экспе-

риментальными. Следует учесть, однако, что для приведения в

соответствие

теоретических и опытных данных

коэффициенты

теплоотдачи, получаемые из эмпирического уравнения, увеличены

1,4 раза.

Процесс

инееобразования в условиях естественной конвекции

окружающей среды подробно изучен в [66]. Экспериментальная

часть

исследований включала две серии опытов на тонкостенном

сферическом резервуаре из алюминия. В первой серии определены

скорость

образования и толщина слоя инея в

функции

времени. Во

второй серии опытов определялись скорость испарения жидкого

кислорода и скорость теплообмена при меняющихся условиях

окружающей среды.

Как следует из опытов, скорость образования массы инея изме-

нялась с течением времени неравномерно, максимум приходится на

неустановившийся период процесса. Квазистационарные условия

опытах наступали приблизительно через 2,5 ч, к этому времени

скорость

образования массы инея становилась постоянной.

[66] отмечается высокая

радиационная

доля суммарного тепло-

притока. В моменты времени, близкие к стационарным условиям,

радиационный теплоприток достигал 31%, что, по-видимому,

свя-

зано с наличием низкой температуры на поверхности слоя инея

вследствие

нестабильного его роста из-за разрушения и уноса частиц

конвекцией. Данные о температуре поверхности инея, полученные

аналитически, подтверждают сказанное.

Решение вопроса о влиянии инееобразования на работу тепло-

передающих поверхностей криогенного оборудования тесно связано

определением теплофизических

свойств

инея. Поэтому публикации

некоторых авторов целиком посвящены исследованию таких харак-

теристик инея, как теплопроводность и плотность. Так, в [67]

при-

водится

анализ факторов, влияющих на теплофизические

свойства

инея, образованного на горизонтальной плите, в условиях вынуж-

денной конвекции.

Результаты

[67], сопоставленные с данными других авторов,

показывают,

что термическая проводимость инея, образованного

при различной температуре поверхности намораживания, растет с

увеличением плотности. Для одной и той же плотности термическая

проводимость тем выше, чем выше температура слоя инея.

Влияние на

свойства

инея оказывает также вид конвективно-

го

движения среды. В одних и тех же условиях намораживания

иней, образованный при естественной конвекции, менее плотный,

чем иней, образованный при вынужденной конвекции потока среды.

Продолжением [67] служит исследование [68], в котором рас-

сматривается механизм стабилизации температуры поверхности

слоя

и плотности теплового потока. Проведено тщательное изуче-

ние теплофизических

свойств

инея, образуемого на короткой гори-

зонтальной плите в условиях вынужденного движения контроли-

руемой газообразной среды.

Результаты

подтвердили выводы, сделанные в [67], о зависимости

свойств

инея от числа RQ влажности и времени. Обнаруженные

зависимости

использованы для объяснения

эффекта

отрицательной

обратной связи, приводящей к стабилизации температуры поверх-

ности слоя и плотности теплового потока.

По мнению авторов [68], обратная

связь

представляет собой за-

висимость

скорости уплотнения инея от температуры поверхности

наружного слоя. С увеличением толщины слоя наблюдается

соот-

ветствующее

возрастание плотности и теплопроводности, поэтому в

результате образуется

иней

с постоянным тепловым сопротивле-

нием. Механизм уплотнения начинает действовать с наступлением

квазистационарного состояния, т.е.* с момента начала стабилизации

температуры поверхности слоя. Теоретические расчеты показали,

что существенное уплотнение слоя инея начинается при достижении

температуры поверхности слоя -

°С

и продолжается в квазистацио-

нарных условиях

весь

период намораживания.

На основании предложенной концепции разработана математи-

ческая модель роста и уплотнения слоя инея.

Свойства

инея, образованного на проницаемой поверхности

теплообмена, рассмотрены A.M. Сошинским [69]. В опытах с сетчатой

поверхностью

вымораживателей автору удалось проследить изме-

нение локальной теплопроводности в слое инея по толщине и в

зависимости

от времени. Полученные данные указывают на непре-

рывное увеличение теплопроводности в каждом сечении с течением

времени, на основании чего было сделано предположение о распре-

делении плотности по толщине слоя.

Опыты подтвердили также зависимость теплопроводности слоя

инея от плотности, которая выражается

формулой

А.

нс

0,297-

Ю-зр

(3.10)

дающей значения средних

коэффициентов

теплопроводности в 1,5-

раза больше, чем для инея, образованного на сплошных поверх-

ностях.

Согласно [69] высокие значения

коэффициентов

теплопро-

водности являются результатом направленной ориентации кристал-

лов

в слои инея при прохождении через него среды - носителя

водных

паров.

Исследования, рассмотренные выше, относятся к процессам

инееобразования на наружной открытой поверхности стенки. Ин-

терес

представляет также случай, когда слой инея образуется

на теплопередающей поверхности, вмонтированной в канал с опре-

деленным гидравлическим радиусом. В этом случае увеличение тол-

щины слоя инея со временем создает возрастающее гидравлическое

сопротивление потоку среды, вызывая особые условия для тепло-

и массообмена.

Исследование теплоотдачи и падения давления было проведено

опытном теплообменнике типа "труба в трубе" [70].

Воздух,

выходящий из внутренней трубы, охлаждался снаружи и возвращал-

ся

в кольцевой канал в качестве хладагента. В опытах с наморажи-

ванием массовая концентрация водяного пара в поступающем воздухе

составляла

приблизительно 0,16% при абсолютном давлении от 1,4

до 2,1

кгс/см

Измерение эффективного

коэффициента

теплоотдачи в зависи-

мости

от времени позволило выявить рост теплоотдачи в началь-

ный период. С увеличением толщины намороженного слоя интен-

сивность

теплоотдачи выравнивается, и когда из-за чрезмерного

перепада давлений становится невозможным поддерживать постоян-

ный расход газа в канале, интенсивность снижается. Характер

изменения

коэффициента

теплоотдачи в опытах объясняется влия-

нием шероховатости инея.

Для юверки и уточнения степени влияния шероховатости

поверхж.

тного слоя инея на теплоотдачу создан специальный стенд,

состоящий из прямоугольного алюминиевого канала, внутри которого

циркулирует жидкий азот.

Стенд позволял проводить визуальные наблюдения и фотосъемку

слоя

инея. Шероховатость наружной поверхности слоя инея оценива-

лась

сравнением ее с

фотографиями

определителя - стандартного от-

тавского

песка

[70]

с различным размером зерен. Полученные опытные

данные показали, что для тонкого слоя намороженного инея шеро-

ховатость

приблизительно соизмерима с толщиной слоя. С ростом

толщины слоя шероховатость уменьшается.

учетом наблюдений за развитием шероховатости слоя инея

и опытных данных по ее оценке дан теоретический анализ, основан-

ный на предположении, что шероховатость поверхности является

результатом нестабильности формы, вследствие чего происходит

ее

рост до тех пор, пока не будет достигнуто определенное установив-

шееся

значение. Приравнивая турбулентную теплопроводность

турбулентному переносу количества движения и используя соотно-

шение Кармана-Никурадзе-Нюннера для турбулентного потока

и шероховатых труб, авторы

[70]

получили формулу

ReR

*Tr

i;{

5ln

-)l(

i)>

(ЗЛ1)

где

А.

- теплопроводность материала трубы.

Из уравнения видно, что относительная установившаяся шеро-

ховатость

/r является

функцией

только

ReRr.

Применяя получен-

ное соотношение к выражениям Нюннера по теплоотдаче между

шероховатой поверхностью и турбулентным потоком, можно рассчи-

тать

коэффициенты

теплообмена для случая инееобразования.

Следует

отметить, что в предложенную методику расчета теплопро-

водность

намороженного слоя инея Kj и его плотность входят как

константы^ В действительности эти параметры меняются с течением

времени и зависимости от исходных параметров газового потока.

Этим и объясняется приближенное совпадение теории и эксперимента.

Данные по инееобразованию на внутренней поверхности трубы,

охлаждаемой жидкости азотом, содержатся также в [71]. Секционная

конструкция опытной поверхности позволила определить тепло-

вые

потоки по длине трубы, которые распределены неравномерно.

начале трубы тепловой поток снижается

быстрее,

чем в конце. Это

позволило предположить, что в период неустановившегося режима

наиболее интенсивное инееобразование происходит на начальном

участке

трубы.

Расчетом

безразмерного параметра теплопередачи е

и анализом

аэродинамического сопротивления трубчатого канала установлена

зависимость

плотности

инея

от числа Re Обнаружено резкое увели-

чение аэродинамического сопротивления канала при прохождении

через него потока газа из-за накопления снеговой шубы.

Из опубликованных исследований инееобразования при низких

температурах только в двух сообщается о таких температурных

условиях

на поверхности теплообмена, при которых происходит

частичная конденсация окружающей среды.

[72] описываются опыты по определению механизма намора-

живания

инея

из воздуха на плите, охлаждаемой

изнутри

жидким

водородом. Для поддержания необходимых параметров воздух,

омывающий пластину с внешней стороны, пропускался через конди-

ционер. Данные опытов показывают, что в отдельных случаях

наблюдалось одновременное образование твердых отложений и

жидкой пленки или только жидкой пленки, а также стекание жид-

кого

воздуха по твердым образованиям. При увеличении скорости

воздуха

при неизменной температуре начинает преобладать обра-

зование твердых отложений. Отмечается существенная особенность

процесса

в режимах пленочной конденсации воздуха - рост на

поверхности плиты теплового потока за счет резкого уменьшения

термического сопротивления теплоотдачи.

Более

подробно процесс инееобразования в условиях частичной

конденсации окружающей среды

(воздуха)

исследован в

[73].

качестве опытной поверхности использовался участок трубы,

помещенный в канал, продуваемый воздухом с заданными темпе-

ратурами

и влажностью, в качестве хладагентов - жидкие водород

и азот.

Так

же как в [72], во

всех

режимах можно было проследить

образование трех видов отложений: сухого инея, жидкой пленки

воздуха

и смеси твердых кристаллов льда с жидким воздухом.

Наиболее благоприятны для образования пленки жидкого воздуха

согласно

экспериментальным данным низкая скорость воздушного

потока и умеренная относительная влажность.

При вертикальном расположении опытного участка трубы гра-

ничными

условиями, при которых не образуются пленки жидкого

воздуха,

являются 20%-ная относительная влажность и скорость

воздуха

1,52 м/с, для горизонтального расположения граничные

условия становятся равными соответственно

15%

и 1,27 м/с.

табл. 3.2 приведены опытные данные о теплофизических свой-

ствах

инея, образованного на трубе при температуре жидкого

Таблица

3.2.

Опытные данные

по

теплофизическим свойствам инея

[73]

Толщина

слоя

инея,

мм

Плотность,

г/см

Коэффици-

ент теплопро-

водности,

Вт/(м

•

К)

j Толщина

слоя

инея,

мм

Плотность,

г/см

Коэффици-

ент теплопро-

водности,

Вт/(м

•

К)

22,2

0,247

0,173

22,2

0,204

0,199

20,6

9,218

0,244

22,2

0,245

0,220

14,3

0,216

0,305

17,4

0,357

0,185

22,2

0,222

0.248

20,6

0,238

0,160

водорода.

Сопоставление этих данных с аналогичными данными,

полученными на уровне температур жидкого азота, показывает

значительное превышение плотности и теплопроводности инея,

образованного при более низких (водородных) температурах по

сравнению с более высокими (азотными). Это объясняется, по-види-

мому,

тем, что

воздух,

заполняющий поры инея, расположенные

близко к поверхности намораживания, находится в сжиженном

состоянии.

Сердцевина же слоя уплотняется под действием внутрен-

ней

диффузии

паров воды, которая тем интенсивнее, чем больше

температурный градиент в слое инея.

3.2.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

И МАССОПЕРЕНОСА

СЛОЯХ ИНЕЕВОГО ОСАДКА

Проведенные исследования процесса тепло- и массообмена при

инееобразовании позволяют выделить некоторые особенности

процесса,

сделать выводы относительно современного состояния

вопроса

и сформулировать задачи исследований.

Одним из главных признаков процесса инееобразования следует

считать,

по-видимому, характер изменения плотности теплового

потока

коэффициентов

теплообмена во времени, который

соответ-

ствует

двум режимам теплопередачи, приходящимся на разные

моменты

времени развития процесса.

течение первого, нестационарного периода происходит значитель-

ное понижение плотности теплового потока и

коэффициентов

тепло-

обмена

с одновременным повышением температуры поверхности

слоя.

По мере приближения ко второму периоду темп изменения

этих

величин замедляется, и в условиях квазистационара практи-

чески

наступает стабилизация параметров тепло- и массообмена.

4(I

Условия

инееобразования при этом могут существенно сказы-

ваться

на соотношении длительности каждого из периодов,

остав-

ляя неизменным общий характер зависимости.

попытке объяснить [65, 68] это явление приходят к понятию

саморегулирования термического сопротивления слоя инея, механизм

которого

понимается по-разному и поэтому требует дальнейшего

уточнения.

Наряду с общими признаками процесса инееобразования сущест-

вуют

частные особенности, зависящие от конкретных условий тепло-

и массопереноса.

Так,

инееобразование при температурах поверхности наморажи-

вания выше -

40°С

отличается медленным ростом толщины слоя.

Получающаяся при этом структура обладает высокими прочностью

и плотностью, что в значительной степени определяет ее теплофизи-

ческие

свойства.

случае же криогенных температур процесс намораживания

инея сопровождается рядом специфических особенностей, характер-

ных

только для этого уровня температур.

первую очередь следует отметить образование туманообразной

пелены [54, 74].

Причина

этого явления выяснена не полностью. По

мнению одних исследователей, ее происхождение связано с образо-

ванием мелких кристалликов льда в

диффузионном

пограничном слое

воздуха,

другие не исключают механического разрушения образо-

вавшейся

структуры и уноса ее конвективными потоками. Как в

том,

так и в другом случае влияние этого явления на процесс несом-

ненно.

Некоторые авторы [63, 66] рассматривают явление образования

тумана в

диффузионном

пограничном слое как одно из главных

препятствий в выяснении справедливости аналогии тепло- и

массо-

переноса

в условиях естественной конвекции воздуха при инееобра-

зовании.

Не менее важной особенностью процесса тепло- и массообмена при

инееобразовании на уровне криогенных температур является низкая

механическая

прочность инея, которая вытекает из специфических

свойств

его структуры. На непрочность криогенного инея указывали

многие исследователи [54, 63, 14]. Механическое разрушение и унос

частиц инея приводят к тому, что данные различных авторов по его

теплофизическим свойствам имеют значительные расхождения.

Как

показано выше, основная

информация

по вопросу тепло-

и массобмена в условиях образования инея относится к случаю

вынужденного

движения среды. Несмотря на экспериментальный

характер работ данные различных авторов показывают удовлет-

ворительную сходимость. Гораздо менее исследованным остается

теплообмен при инеевыпадении в условиях естественной конвекции

среды.

Небольшое число

публикаций

не раскрывает сложной

физи-

ческой

природы

процесса, а ограниченное количество данных не

позволяет

провести их широкое сопоставление.

Поэтому

основной целью экспериментального исследования было

следующее:

экспериментально исследовать процесс передачи теплоты от

влажного

воздуха к охлаждаемой поверхности стенки, выявить

факторы,

влияющие на интенсивность теплопередачи;

получить данные по теплофизическим свойствам инея, образо-

ванного в широком диапазоне низких температур на теплопередающей

поверхности стенки, провести их систематизацию и обобщение для

создания банка данных по криогенному осадку из водяного инея;

на основании выполненных исследований получить достаточно

точные для инженерных расчетов зависимости для теплового рас-

чета

промышленных криогенных газификаторов и других элемен-

тов

криогенного и холодильного оборудования, поверхности которого

условиях эксплуатации подвержены инеевыпадению.

Схема

экспериментального стенда представлена на рис. 3.1.

Основными элементами стенда являются климатическая камера

с опытным элементом 2, холодильная установка

10,

система обогрева

рабочего объема 7, парогенераторная система 4, вакуумно-циркуля-

ционный

контур, резервуар для

хранения

хладагента 3, а также пульт

управления и наблюдения 8.

Опытный элемент / в сборе с резервуаром 3 помещался в

рабочий

объем

климатической камеры вместимостью 1 м

. Рабочий объем

отделен от межстенного пространства металлическими перегород-

ками толщиной 5 мм. Заданные условия внутри климатической

камеры создаются с помощью электрических нагревателей и

холо-

дильной машины. Холодильная машина оснащена четырьмя поршне-

выми компрессорами, работающими на замкнутый

циркуляционный

цикл

с использованием фреона-22. Снятие полезной тепловой нагрузки

во

внутреннем объеме камеры производится на испарителе-воздухо-

охладителе с наклонными трубами 9.

Обогрев

рабочего объема климатической камеры осуществляется

двухсекционным

калорифером

с открытой спиралью 7. Электри-

ческая

схема

питания

калорифера

обеспечивает плавное регулиро-

вание нагрузки через трансформатор. Равномерный обогрев рабо-

чего

объема климатической камеры достигается специальным

Рис.

3.1.

Схема

экспериментального стенда по исследованию тепломассообмена при

инееобразовании

расположением

калорифера

и испарителя, а также установкой

лопастного вентилятора в межстенном пространстве камеры.

Средства

автоматики и контрольно-измерительные приборы,

которыми оснащен стенд, позволяют поддерживать температуру

среды рабочего объема с точностью

+0,3°С.

Для получения необходимой влажности среды в пространство

рабочего объема подводится пар из специально сконструированной

системы,

включающей нагреватель мощностью 100 Вт, мерный бак

для воды вместимостью 1,5 л и парораспределитель с экраном.

Контроль влажности воздуха осуществляли с помощью психроме-

трических датчиков 5.

опытах по "сухой" теплоотдаче использовалась вакуумно-

циркуляционная

система, позволяющая в течение короткого про-

межутка

времени получить в рабочем объеме среду с малым влаго-

содержанием.

Охлаждение поверхности опытного элемента до требуемой тем-

пературы производится с помощью холодильных агентов, хранение

которых

осуществляется в резервуаре вместимостью 10 л. Испаря-

ющийся хладагент подогревается в водяном теплообменнике 12 и

пропускается через счетчик

для измерения расхода.

Герметичность

рабочего объема обеспечивается одностворчатой

дверью

с тепловой изоляцией. Визуальные наблюдения за процессом

ведутся

с использованием зрительной трубы катетометра КМ-8,

размещенного перед остеклением двери. Для снятия

профилей

температур в слое инея используется термопарная рамка 2.

Исследование проводилось на опытном элементе, представляющем

собой

металлический

цилиндр

/ высотой / =100 мм и диаметром

мм (рис. 3.2). Размеры опытного элемента выбраны исходя из ре-

комендуемого отношения линейного размера рабочего объема кли-

матической камеры и характерного размера вертикального

цилиндра

для условий естественной конвекции.

Цилиндрическая

форма

опытного элемента позволяет минимизиро-

ровать воздействие теплопритоков по мостам.

Контроль за положением уровня хладагента во внутренней полости

опытного элемента производится с помощью поплавкового

инди-

катора уровня, представляющего собой вертикальную трубку 2 диа-

метром 41 мм, внутрь которой погружен пенопластовый поплавок

со стержнем 4 из природного бамбука.

Нижний

конец трубки

снабжен каплеотбойником 5, верхняя часть оканчивается резьбо-

вой крышкой 6 со штуцером для отвода паров кипящего холодильного

агента. В качестве направляющей поплавка служит стеклянная

трубка с наружным диаметром

<j>

5 мм, присоединяемая к резьбовой

крышке через малотеплопроводную фторопластовую оболочку 7.

целью уменьшения теплопритоков по мостам наружная поверх-

ность

трубки индикатора уровня заключена в змеевиковый тепло-

обменник 8, внутри которого пропускается жидкий холодильный

агент. В качестве изоляции используется комбинация стекловаты 9

и пенопластовых колец 10.

Испытания опытного элемента на теплоприток показали, что

на самом низком температурном уровне паразитные теплопритоки

не превышают

суммарного теплопритока.

Крепление опытного элемента к горловине резервуара осущест-

влялось

на резьбовом соединении через разрезную пенопластовую

вставку.