Диссертация (Моделирование процесса замораживания при создании различных форм хладоемкой массы водного льда с использованием низкотемпературного потенциала окружающей среды), страница 8

– впитывание воды должна быть не менее 95%;

– сухого материала не более 5%;

– материал допускает возможность принятия сферической формы;

– материал должен удерживать воду;

– многократные циклы использования;

– коэффициент теплопроводности льда не должен отклоняться от стандартного значения, = 2,3 Вт/(м·К).

Был выбран гидрофильный материал, способный к поглощению капельной влаги (медицинская влага), который был испытан и подошел по следующим пунктам:

1. Масса волокнистого материала в сухом виде не превышает 2.5 %, это было определено в серии опытов. Для этого взвешивался сухой материал и выполненная из него водонасыщенная сфера. Затем по формуле 3.5 определяли коэффициент впитываемости:

где – масса сухого материала, кг; – масса водонасыщенной насадки, кг; – коэффициент впитываемости.

Исходя из опытных данных, среднее значение коэффициента впитываемости было 2,3 %.

2. Волокнистый материал допускает изготовления любой формы, путем стягивания и уплотнения (Рисунок 3.4.).

Рисунок 3.4. Водонасыщенная сферическая насадка

3. Коэффициент теплопроводности водного льда при 0 не отклонялся от стандартного значения, = 2,3 Вт/(м·К), при присутствии волокнистого наполнителя.

Для этого необходимо было сравнить профили температур в слоях водного льда в водонасыщенной насадке со сферой из чистой воды. Был проведен следующий опыт.

Водонасыщенную насадку подвешивали на нетеплопроводной нити в холодильной камере и обдували холодным воздухом из воздухоохладителя. На насадке были установлены 2 термопары, первая внутри нее, вторая на поверхности сферы (Рисунок 3.5.). Затем через некоторое время замерялись температуры в этих точках, вынималась насадка и замерялась толщина промороженного слоя. Опыт повторялся с другой насадкой, такого же диаметра, но с другим временем нахождения ее в камере.

Рисунок 3.5. Схема размещения термопар в водонасыщенной насадке

Методика расчета:

Теоретические расчетные данные по построению профилей температур определялись по формулам 3.2, 3.3, 3.4.

где – внутренняя температура в сфере, К; – коэффициент теплоотдачи от воздуха к поверхности сферы, Вт/( ·К); R – радиус сферы, м; – температура окружающего воздуха, К; – коэффициент теплопроводности льда, Вт/(м·К); – координата фронта фазового превращения, м; – температура фазового перехода вода-лед, =273К; L – теплота фазового перехода воды в лед, L = 334 кДж/кг; – время замерзания данного слоя заморозки, с; – температура поверхности сферы, К; – плотность льда, =917 кг/ .

На Рисунке 3.6. представлена схема термического взаимодействия насадки с охлаждающей средой воздуха с указанными искомыми координатами.

Рисунок 3.6. Схема термического взаимодействия насадки с охлаждающей средой воздуха

Результаты сопоставления опытных и расчетных данных по построению профилей температур в слоях водного льда представлены на Рисунке 3.7.

Рисунок 3.7. Профили температур в слоях водного льда. Исходные данные:

d = 36мм; = 263 К; = 30 Вт/( ·К)

Как видно из графика отклонение экспериментальных данных от теоретических не превышает 4%.

Вывод: присутствие в сферической насадке волокнистого материала не влияет на развитие процесса замораживания воды и идеально имитирует водяную сферу.

3.2. Описание экспериментальной установки по замораживанию плоско-параллейного слоя

Для подтверждения адекватности математической модели – промораживание плоско-параллельного слоя, составленной в пункте 2.1, на кафедре «Техника низких температур» им. П.Л. Капицы Университета Машиностроения был изготовлен экспериментальный стенд (Рисунок 3.8.), позволяющая проводить исследования процесса по росту толщины намораживаемого слоя льда на поверхности водного бассейна в потоке холодного воздуха.

Рисунок 3.8. Экспериментальная установка: 1 – Компрессорно-конденсаторный агрегат; 2 – Воздухоохладитель; 3 – Бак с охлаждённой водой; 4 – Измерительная шкала; 5 – Термопары; 6 – Электронный термометр

Опыт проводился в холодильной камере сборного типа объемом 8 м³, оснащенной компрессорно-конденсаторным агрегатом (Рисунок 3.9.).

Рисунок 3.9. Холодильная камера с компрессорно-конденсаторным агрегатом

Намораживание ледяного покрова происходило в прямоугольной ёмкости из органического стекла (Рисунок 3.10.), габариты которой 650х420х420 мм (ВхДхШ), толщина стенок 5 мм. Коэффициент теплопроводности органического стекла = 0.2 Вт/(м·К). Объем емкости = 0.11 м³.

Рисунок 3.10. Емкость

Емкость с водой, предварительно охлажденную до +1 +3 , помещали в холодильную камеру с постоянной отрицательной температурой (–8 –10 ). Для мониторинга температуры воды в ёмкость помещались термопары. Толщина льда измерялась мерительной шкалой. После начала проведения опыта производили замеры толщины ледяного покрова каждые 20 минут в течении 3 6 часов. Затем проводили обработку данных, в которых принимали коэффициент теплоотдачи от воздуха к поверхности воды = 23 Вт/(м²·К), коэффициент теплоотдачи от воды ко льду = 70 Вт/(м²·К)

Экспериментальные данные приведены в Таблице №3.

Таблица №3

3.3. Описание эксперимента по оттаиванию водоледяной сферы

Для подтверждения адекватности математической модели, необходимо изучить процесс оттаивания сферического массива водного льда, составленной в пункте 2.3, на кафедре «Техника низких температур» им. П.Л. Капицы Университета Машиностроения был изготовлен экспериментальный стенд, схема которого представлена на Рисунке 3.11.

Рисунок 3.11. Схема экспериментального стенда: 1 – емкость с теплой водой;
2 – капельница; 3 – держатель; 4 – шелковая нить; 5 – ледяная сфера; 6 – емкость с охлажденной водой

Стенд состоит из металлической подставки, подающего контейнера с водой емкостью 250 мл, принимающего контейнера емкостью 250 мл, крепежа для гранулы льда, капельницы для подачи воды с механизмом регулировки подачи.

В качестве разбрызгивающего устройства используется пластиковая трубка диаметром 2 мм. Теплая вода подается на сферу сверху в центр, что способствует равномерному омыванию сферы льда для его равномерного таяния. Регулирующим вентилем создается необходимый расход воды. Производятся замеры температуры воды в начале эксперимента и в конце, количество охлажденной воды, диаметр ледяного шара после эксперимента и время ведения эксперимента. Опыт повторялся с ледяной сферой такого же диаметра (d = 36 мм), но с другим временем ведения процесса. Затем проводили обработку данных.

На Рисунке 3.12. представлен общий вид стенда.

Рисунок 3.12. Общий вид стенда

Для создания сферической гранулы льда была использована пластиковая форма диаметром 36 мм (Рисунок 3.13.), которая заполнялась водой и помещалась в камеру с отрицательной температурой для замораживания воды. Далее форма удалялась и ледяной шар готовился к опытам.

Рисунок 3.13. Ледяной шар в пластиковой форме и процесс таяния

Температуру воды в начале и в конце эксперимента замеряли двухканальным цифровым приемником преобразователем температур ОВЕН 2ТРМ0, к которому подключены термопарные датчики температур (термопары).

3.4. Описание эксперимента по определению коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха к сфере

Для определения коэффициента теплоотдачи к сфере, на кафедре «Техника низких температур» им. П.Л. Капицы Университета Машиностроения был проведен эксперимент, на Рисунке 3.14. представлен стенд.

Рисунок 3.14. Экспериментальный стенд по определению теплоотдачи к сфере:
1 – компрессорно-конденсаторный агрегат; 2 – вентилятор; 3 – шелковая нить;
4 – металлическая сфера; 5 – охлаждаемая вода; 6 – термопара

Полый металлический шар (d = 40х2 мм) заполнялся водой и в центре сферы устанавливался датчик температуры. Композиция подвешивалась перед воздухоохладителем и затем шар обдувался холодным воздухом. Производились замеры температуры воздуха в камере и воды в шаре, скорости воздуха, изменения температуры воды с течением времени в шаре. Опыт повторялся многократно, что бы исключить погрешность.

Далее по уравнению (3.5) находили коэффициент теплоотдачи от воздуха к сфере:

где – масса воды в сфере, кг; – теплоемкость воды, = 4187 Дж/(кг·К); – начальная температура воды, К; – конечная температура воды, К; – время начальной температуры, с; – время конечной температуры, К; F – площадь сферы, ; – средняя температура воды, К; – температура воздуха, К; – коэффициент теплоотдачи от воздуха к сфере, Вт/( ·К)]; – толщина стенки шара, м; – коэффициент теплоотдачи от воды, Вт/( ·К)], – коэффициент теплопроводности материала шара, Вт/(м·К).

Расчетные данные определяли по уравнению (3.6):

где – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м·К); d – диаметр сферы, м; Nu – число Нуссельта.