Маринюк Б.Т. Аппараты холодильных машин

Подождите немного. Документ загружается.

r.uju.

bind

жадного

хладагента

Рис.

3.2. Опытный элемент для намораживания инея

Подача жидкого холодильного агента в полость опытного элемента

производилась по

схеме,

представленной на рис. 3.3. Избыточное

давление в системе наддува создавалось газообразным азотом,

который перед поступлением в резервуар / из баллона проходил

теплообменник-охладитель 2. Внутренний канал трубки 3 исполь-

зовался

для заполнения полости опытного элемента холодильным

агентом, наружный кольцевом канал трубки 4 являемся охранным

и служит для защиты центральной трубки от возможных теплопри-

токов

газа наддува.

Коэффициенты

тепло- и массообмена находятся [45] по потокам

теплоты и массы вещества. Методика определения этих величин,

Пыхи//

IIU/JUS

хилиНильмиги

агента

Рис.

3.3.

Схема

наддува

хладагента

основанная на снятии кривых распределения температуры и парциаль-

ных

давлений вблизи теплопередающей поверхности, не могла

быть

использована, так как предполагается

наличие

стабильной

границы

раздела между окружающей средой и теплопередающей

поверхностью.

В то же время, как показали результаты визуальных

наблюдений, проведенных в предварительных опытах по инееобра-

зованию,

граница

раздела иней-окружающая среда имеет значитель-

ную шероховатость.

Для квазистационарного режима тепло- и массопередачи тепловой

поток от влажного воздуха к металлической поверхности опытного

элемента определяется составляющей конвективной теплоты Q

передаваемой инею за счет разности температур на его поверхности и в

воздухе,

теплоты фазового перехода за счет конденсации и замер-

зания паров воды Q

радиационной

составляющей

рад

и теплопри-

тока

по изоляции Q

Суммарный тепловой поток находится по количеству испаряюще-

гося

хладагента:

(/>

В) (273

20)

= Y

t PH

(3.13)

760 (273 +

где

- объем газа, отсчитанный газовым счетчиком при темпера-

туре t и давлении Р, м

/с; Р - давление газа, проходящего через

счетчики, по ртутному манометру, мм рт.ст.; В - барометрическое

давление, мм рт.ст.; р

- плотность воздуха при нормальных усло-

виях,

кг/м

; L - теплота парообразования холодильного агента,

Дж/кг.

Составляющая

суммарного теплопритока за счет конденсации

и замерзания влаги определяется по формуле

= M„L,

(3.14)

где

- масса образовавшегося инея, определяемая методом

взвешивания в конце опыта; I - теплота фазового перехода паров

воды

в лед

2830

Дж/кг).

Радиационный теплоприток

?Р.Д

=£С

100

F, (3.15)

где

е - степень черноты инея, по данным

[66]

е =

0,92;

С - постоян-

ная излучения для абсолютно черного тела; Г

ет

, Т

п и

- абсолютная

температура стенок рабочего объема климатической камеры и

Поверхности инея, К; F - наружная поверхность слоя инея, воспри-

нимающая тепловое излучение, м

Поскольку

истинную поверхность слоя инея определить невоз-

можно,

а его наружная граница перемещается с течением времени,

при выборе поверхности, воспринимающей тепловое излучение,

принята наружная поверхность слоя, получаемого на конец опыта,

т.е.

в момент наибольшего уплотнения. Такой выбор представляется

наиболее обоснованным при ведении эксперимента на

цилиндри-

ческой поверхности, так как позволяет свести ошибку от неточности

выбора поверхности тепло- и массообмена к минимуму.

Предварительные опыты по намораживанию инея на металли-

ческую

поверхность показали, что в начальной стадии процесса

шероховатость

слоя сравнима с его толщиной, поэтому истинная

поверхность

больше наружной геометрической поверхности. С те-

чением времени шероховатость наружного слоя уменьшается и

истинная поверхность приближается к геометрической, достигая

наибольшего совпадения к концу опыта.

Из баланса тепловых потоков находим составляющую конвек-

тивной теплоты Q

=Qr-Qc-Q

n-Q„

Коэффициент

"сухой" теплоотдачи со стороны воздуха и поверх-

ности инея

а=

(3.16)

('в

'п.и)

где

^ - температура воздушной среды гигроскопической камеры

по сухому термометру, °С; ^ - температура наружной поверхности

инея, °С; F - площадь наружной поверхности инеевого слоя, м

Коэффициенты

массообмена о определяются на основании данных

по

массе

намороженного инея м к моменту времени по формуле

(3.17)

где

, К

- влагосодержание воздушной среды в объеме гигро'

скопической камеры и на поверхности инея, кг/кг.

Опытные данные по теплопритокам к поверхности инея и распре

деление температур внутри слоя, полученное на момент времени

т,

являются исходными для расчета локальных и средних значений

теплопроводности инея.

Pi ~ брад ~ Оиз

ЭХ/Х

где

dt/dX - элементарное изменение температуры на элементар-

ном участке толщины слоя с координатой х, находится путем гра-

фического

дифференцирования

кривой распределения температуры

слое инея.

Средний по температуре

коэффициент

теплопроводности инея

рассчитывался

по формуле

(3.19)

где

At - температурный перепад в слое инея на момент времени

т;

- температура у теплопередающей поверхности стенки и

на поверхности слоя инея.

Средний по толщине эффективный

коэффициент

теплопровод-

ности инея определяется по формуле

Где

^СТ

~ диаметр наружной поверхности инея и металличес-

кой

стенки; t

n и

, f

- температура поверхности инея и металличес-

кой

стенки.

Анализ ошибок, возникающих при проведении эксперимента и

~а

стадии обработки опытных данных, показал, что погрешность

составляет:

по плотности теплового потока -5%, по коэффициентам

теплопроводности инея

-9,1%,

по коэффициентам массообмена - 8%,

по коэффициентам теплоотдачи - 7%.

3.3.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕНА

ПРИ

ИНЕЕОБРАЗОВАНИИ

Массоперенос

условиях инееобразования

на

охлаждаемой поверхности

стенки

Теплообмен

влажности воздуха с охлаждаемой стенкой сопровож-

дается

накапливанием на стенке массы инея. Экспериментальные

значения массы инея, полученные для различных условий окружа-

ющей среды и температур металлической поверхности наморажива-

ния, представлены на рис. 3.4. Из графиков видно, что для имевших

место

режимов масса образующегося инея изменялась во времени

по линейному закону. Поэтому для каждого момента времени т

мас-

са

инея вычислялась по формуле

(еЕ-Е

ад-<2иэ)

1п

и.СР

(3.20)

ИП.И-'СТ)

2Л

(3.21)

Здесь

- масса инея в конце опыта, кг; т

опыта, ч; г - время с начала опыта, ч.

продолжительность

«r/V*

l°-

кД*/(кг-К)

i z j h 5 v,4 t г л i,

Рис.

3.4. Зависимость

массы

намораживаемого инея от времени при различных условиях

инееобразования

Рис.

3.5. Экспериментальная проверка аналогии между тепло- и массообменом при

инееобразовани.!

Основными факторами, влияющими на темп роста массы инея

условиях естественной конвекции воздуха, являются влагосо-

держание объема и температура теплопередающей поверхности

стенки. При температурах на теплопередающей поверхности

-50°С

и ниже существенное значение может оказывать также темп

захо-

лаживания металлической стенки. Рассматривая эти

факторы

отдельности, можно сказать, что для одинаковых температур на

теплопередающей поверхности стенки большим значением влаго-

содержания соответствуют и большие темпы образования намора-

живаемого инея (прямые 3, 4, 5). В области малых значений (пря-

мая /) влагосодержания (меньше 10 г/м

) и криогенных температур

теплопередающей поверхности стенки образование стабильного

слоя инея не наблюдалось из-за отслаивания и уноса частиц выпав-

шего инея.

Влияние температуры на теплопередающей поверхности стенки

на темп образования массы инея прослеживается из опытов (пря-

мые 2 и 3), проведенных при одинаковых показателях влагосо-

держания.

Как следует из графиков, большие темпы намораживания имеют

место

при более низких температурах на металлической поверх-

ности.

Для экспериментальной проверки аналогии между тепло- и

массообменом в условиях естественной конвекции воздуха и инее-

образования опытные данные по

коэффициентам

массообмена сопо-

ставлены

коэффициентами

"сухой" теплоотдачи (рис.

3.5).

Как видно из рис. 3.5, отношение а/о из опытов превышает из-

вестный показатель этого параметра из соотношения Льюиса в 1,4-

1,8 раза. Отсюда опытные

коэффициенты

массообмена значитель-

но ниже расчетных, полученных на основании аналогии между

тепло-

и массообменом по формуле

I _

—

C*(Gr

Sc)

(3.22)

где

коэффициент

массоотдачи, м/с; D -

коэффициент

диффузии

паров воды в воздух,

м-

/с;

С*

п -

коэффициенты,

зависящие от

произведения

GrSc.

Как показал анализ, нарушение аналогии между тепло- и

массо-

обменом вызвано дефицитом массы, притекающей к теплопередаю-

щей поверхности стенки, из-за частичного уноса ее конвективными

токами воздуха.

Аналогичный результат обнаружен другими исследователями

[63],

[66], изучавшими инееобразование при естественной конвек-

ции воздуха. В связи с этим принятое обобщение опытных данных

по массопереносу на основе решения уравнения

(3.22)

является

неприемлемым, так как

коэффициенты

массобмена, полученные

таким образом, превышают действительные в

1,35-1,8

раза.

Кроме того, использование уравнения

(3.22)

для нахождения

коэффициентов

массообмена требует знания температуры поверх-

ности инея, которая в расчетной практике часто остается неизвест-

ной.

учетом сказанного выше обобщение данных по массопереносу

производится полуэмпирической формулой, связывающей основные

параметры, влияющие на массоперенос. Как показали результаты

экспериментов, такими параметрами являются температура тепло-

передающей поверхности стенки Г и абсолютное влагосодержание

воздуха

К. Задание указанных параметров достаточно точно опре-

деляет условия массообмена в интервале относительных влажностей

20%

< ф <

100%.

При этом структура приближенной формулы получа-

ется

из выражения для массового потока водяного пара j

= о (К

пи

если принять, что влагосодержание воздуха на поверхности

инея К

= 0, а

коэффициент

массообмена h

р = о соответствует

эмпирическому выражению с температурой теплопередающей

поверхности стенки Г

ст

в качестве параметра, т.е.

m=KT

итоге

связь

между скоростью образования инея m и параметрами

процесса выражается формулой

[15,25

0,0625

(273

Г)]

К.

(3.23)

При аппроксимации экспериментальных данных формулой

(3.23)

разброс опытных точек не превышает 8%.

Теплофизические характеристики инеевого слоя

Толщина

слоя инея и его плотность. Опыты по инееобразованию

позволили сделать вывод об особенностях

формирования

инея

при различных условиях в окружающей среде и на металлической

поверхности намораживания, а также выделить общие тенденции

процесса. Многочисленные визуальные наблюдения, проведенные

помощью телескопического устройства катетометра КМ-8, показали,

что соответственно периодам неустановившегося и квазистационар-

ного теплообмена в процессе

формирования

слоя инея также разли-

чаются два этапа. В начале процесса образуется тонкий слой снегооб-

разного осадка - изморози, представляющей собой довольно прочную

и плотную кристаллическую основу.

Образующаяся в течение первого этапа на металлической поверх-

ности изморозь является той основой, на которой происходит

фор-

мирование и рост

фактурной

части инеевого осадка, т.е. той части,

которая составляет большую долю термического сопротивления

слоя.

Рост и развитие

фактурной

части инеевого осадка определяется

метеорологическими условиями окружающей среды и температурой

теплопередающей поверхности стенки. При температуре на теплопере-

дающей поверхности ниже 200 К существенное значение имеет

также темп охлаждения металлической стенки.

Сопоставление снимков, сделанных в различные моменты вре-

мени, позволяет обнаружить некоторые особенности в формирова-

нии слоя инея. В начале опыта заметен быстрый рост слоя -

иней

рыхлый с характерной шероховатостью. В дальнейшем становятся

заметными признаки уплотнения инея, граница раздела приобретает

более четкие очертания из-за уменьшения шероховатости на по-

верхности.

Указанные наблюдения подтверждаются экспериментальными

данными по росту толщины и плотности слоя инея, приведенными

на рис. 3.6 и 3.7. Как видно из графиков, толщина слоя инея и его

ff.nn

Рис.

3.6. Зависимость толщины слоя инея от времени при различных условиях инееоб-

разования:

i-f

26°C;

64%; Г

СТ

-93К;

2-f

26*C; ф

64%;

С1

= 163К;

3-t

i2°C;

75,4%;Г

С1

= 186К;

4-г

26°С; ф

64%; Г

СТ

-233

К;

26°С;

<р

41,2%;

Т„ =

233

К;

- г

18,5

С;

100%;

Т„ »

259

Рис.

3.7. Зависимость средней плотности инея от времени при различных условиях

инееобразования:

J-f

26°C;

64%; Г

СТ

-98К;

= 26 °С; ф =

64%;

Т„

163

К;

3-г

-32°С; ф

54%; Г

СТ

= 93К;

4-г

26°С;

64%; Г

СТ

233

К;

5-г

32°С; ф

76%;

= 93К;

«-f

38°C;

ф -

71%; Г

С1

«163К

плотность могут различаться соответственно более чем в 2,5 и 2 раза

зависимости от условий инееобразования. При общей

тенденции

роста толщины и плотности

инея

со временем в условиях конкрет-

ного опыта между

ними

существует противоположная зависимость,

т.е.

чем больше толщина слоя инея, тем меньше его плотность

и наоборот.

Сравнение результатов опытов, проведенных при одинаковых

метеорологических условиях в окружающей среде, но при различных

температурах металлической поверхности намораживания, по-

казало,

что более низкая температура металлической поверхности

способствует

образования слоя большей толщины и меньшей плот-

ности (кривые 1,2 к 4). Наоборот, для более высокой температуры

металлической поверхности намораживания характерно образо-

вание слоев меньшей толщины и большей плотности (кривые 5,6).

Опыты по инееобразованию, проведенные на уровне криогенных

или близких к ним температур и при различных влагосодержаниях

среды,

выявили более высокие темпы уплотнения слоя при боль-

ших значениях влагосодержания.

случае низких влагосодержании и криогенных температур

на металлической поверхности намораживания получающийся

иней

отличается низкой плотностью и прочностью, что приводит к частым

разрушениям слоя. Глубина

разрушения

при этом достигает плот-

ной основы изморози, а поверхность осыпания в некоторых случаях

доходит до 90% полезной площади тепло- и массообмена. Следует

отметить,

что при фиксированных условиях инееобразования

разрушение слоя происходило

примерно

в одно и то же время после

начала опыта. Так, для условий опыта <

12*С

8 г/кг и г_ = 100 "С

слой

инея

разрушался спустя 1 ч 40 мин -2ч после его начала.

Опыты по инееобразованию, проведенные при разных влагосодер-

жаниях воздушной среды и неизменных температурах на тепло-

передающей поверхности стенки и в окружающем

воздухе,

показали,

что в интервале относительных влажностей, характерных для

климатических зон умеренного и жаркого пояса (0,45 <

<р

100),

точностью

расчетов до 15% влиянием влагосодержания воздуха на

толщину слоя

инея

можно пренебречь. Учитывал оказанное выше,

связь

между толщиной слоя б, текущим временем т и температурой на

теплопередающей поверхности стенки г

ст

можно записать в виде

N(273-

Т)

где

с, т- эмпирические

коэффициенты.

Представление экспериментальных данных по изменению тол-

щины

слоя

инея

в логарифмических координатах и обработка их

помощью метода наименьших квадратов позволили получить

формулу

= 1,6

(273

Г)

320

306

(3.24)

при

45%

< ф <

100%.