Диссертация (Моделирование процессов теплообмена при намораживании водного льда на неизолированных элементах низкотемпературного оборудования), страница 12

Выводы по главе 21. Дано математическое описание процессов намораживания льда наплоской поверхности, а так же на внешней и внутренней поверхности трубы.2. Рассмотрен случай намораживания льда на плоской поверхности ивнешнейцилиндрическойповерхностисучетомзависимоститеплопроводности намораживаемого льда от температуры.3. Приведено сопоставление показателей динамики намораживания льда,получаемых при различных температурах (вплоть до криогенных), с учетом ибез учета температурной зависимости теплопроводности льда.4.Аналитическипоказаносущественноевлияниепеременноститеплофизических свойств льда на динамику его намораживания.5.

Проведено сопоставление полученных результатов решения подинамики намораживания льда с аналогичными показателями, полученными вработах других авторов.80ГЛАВА 3. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ СТЕНДОВ ИОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ ОПЫТНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.В рамках данного исследования, для изучения процессов теплообменапри намораживании водного льда, на кафедре «Техника низких температур им.П.Л. Капицы» Московского Политехнического Университета, были созданыэкспериментальные стенды, позволяющие моделировать различные условия,необходимые для роста слоя водного льда на различных рабочих поверхностях.3.1. Намораживание водного льда на поверхности плоской стенкеОписание экспериментального стендаСхема опытного стенда, для изучения динамики роста слоя водного льдана поверхности плоской стенке представлена на Рисунке 3.1.

Фотографиястенда приведена на Рисунке 3.2.Рисунок 3.1. Принципиальная схема опытного стенда, для изучения динамикироста слоя льда на плоской поверхности. 1–емкость для воды; 2–элементэмитирующий плоскую стенку; 3–система для крепления элемента; 4–низкотемпературный энергоноситель; 5–термопара для измерения температурыстенке; 6–термопары для измерения температуры в толще льда.81Рисунок 3.2. Внешний вид опытного стенда.Опытный стенд (Рисунок 3.1) состоит из емкости для воды 1,изготовленной из прозрачного органического стекла толщиной 10 мм, объемом230 л, элемента эмитирующего плоскую стенку 2, закрепленного внутриемкости 1 с помощью крепежных элементов 3. А так же датчики температур,для измерения температуры поверхности стенки 5 и для определения профилятемператур внутри слоя льда 6.Схема элемента моделирующего плоскую стенку, представлена наРисунке 3.3.

Устройство состоит из алюминиевого листа 1 толщиной 0,3 мм идиаметром 35 мм, с закрепленными на нем бортами 2, изготовленными изпенопласта. Алюминиевый лист 1 и пенопластовые борта 2 герметичносоединены между собой и образуют емкость, для низкотемпературногохладоносителя 6 объемом 3,5 л.82Рисунок 3.3. Схема элемента эмитирующего плоскую стенку. 1–алюминиевыйлист, эмитирующий плоскую стенку; 2–ограждение элемента; 3–мост длякрепления измерительных устройств на элементе; 4–штифт для креплениятермопары; 5–линейка с мерной шкалой; 6–низкотемпературныйхладоноситель; 7– отверстия для крепления датчиков температур.Мостом 3 служит для крепления средств измерения, таких как датчикитемператур и линейка 5.осуществляетсяспомощьюИзмерения температуры поверхности стенке,датчикатемператур,крепление,которогоосуществляется с помощью деревянного штифта 4, обладающего низкойтеплопроводностью.

Для получения опытных данных о распределениетемператур в слое льда применяются два датчика закрепленных в отверстиях 7на линейке 5, расположенных на расстояние 5 и 10 мм от поверхностиалюминиевого листа. Фотографии элемента, эмитирующего плоскую стенку,представлены на Рисунке 3.4. крепление средств измерение показано наРисунке 3.5.83абРисунок 3.4 Фотография элемента. а – вид снизу; б. –вид сверху.Рисунок 3.5. Фотография опытного элемента моделирующего плоскую стенкус закрепленными средствами измерения.84В качестве средств измерения использованы: линейка с мерной шкалой,обладающая низкой теплопроводностью, для визуального наблюдения задинамикойростакриоосадкаизводногольдаихромель-копелевыетермопарные датчики температур ДТПL011-0.5/1.5. Темопарные датчикиподключались к восьмиканальному цифровому приемнику преобразователютемператур ОВЕН УКТ38-Щ4 (Рисунок 3.6).Рисунок 3.6.

Восьмиканальный цифровой приемник преобразовательтемператур ОВЕН УКТ38-Щ4.Термоизмерительное оборудование, перед подключением к стенду былонастроено и проторированно в соответствии с руководством по эксплуатации[82].Методика проведения опытного исследованияПеред началом экспериментального исследования в бак с прозрачнымистенками заливалась пресная вода. Температура воды замерялась с помощьюдатчика температур, на протяжении всего эксперимента.До погружения в воду, опытный элемент захолаживали. Для этого вэлемент заливали низкотемпературный хладоноситель, представляющей собойсмесь 95% этилового спирта и твердой углекислоты Рисунок 3.7.85Рисунок 3.7.

Фотография опытного элемента, заправленного хладоносителем.В ходе экспериментального исследования, температура поверхностистенки поддерживалась постоянной, путем добавления в низкотемпературныйхладоносительтвердойуглекислоты.Температураповерхностистенкиопределялась по закрепленной на ней термопаре. Изменение температурыстенки во время опытного исследования не превышало 5 .Предварительное опытное исследование показало, что температура водыв баке практически не изменяется (изменения температуры воды за времяпроведенияопытанепревышала1 ),вследствиеэтогоосновнымиконтролируемыми параметрами являлись температура поверхности стенки итолщина слоя водного льда.Толщина слоя водного льда определяласьвизуально, с помощью, закрепленной на опытном элементе линейки.

Так же входеэкспериментальногоисследованияудалосьраспределению температур в слое водного льда.получитьданныепо86Послеокончаниянамороженным на немэкспериментаопытныйэлемент,вместесльдом извлекался из бака, и производилисьдополнительные замеры толщины льда Рисунок 3.8, 3.9.Рисунок 3.8. Фотография опытного элемента, с намороженным на ним воднымльдом.Рисунок 3.9. Фотография среза слоя водного льда на опытном элементе.87В рамках экспериментального исследования по намораживанию водногольда на поверхности плоской стенке было проведено две серии опытов дляследующих условий:Серия опытов №1– температура воды в баке tв=7,8 ;– температура поверхности стенки tс= – 48,5 ;– время проведения опыта τ=65 мин.Серия опытов №2– температура воды в баке tв= 9,7– температура поверхности стенки tс= – 39,4– время проведения опыта τ=55 мин.Сопоставление опытных данных по динамики роста слоя водного льда наплоской изотермической поверхности, погруженной в водную среду, срезультатами теоретического расчета, а также сравнение экспериментального итеоретического профиля температур в слое водного льда приведены в главе 4.3.2.

Намораживание водного льда на внутренней поверхности трубыОписание экспериментального стендаОпытный стенд для изучения динамики роста слоя водного льда внутритрубы, охлаждаемой снаружи потоком холодного воздуха, представлен наРисунках 3.10.Стенд представляет собой опытный элемент 1, имитирующий трубу,помещенный в холодильную камеру 2, в которой поддерживалась постоянная,отрицательная температура воздуха, а также электровентиляторный агрегат 3,для создания направленного потока воздуха с постоянной скоростью,обдувающего опытный элемент.88Рисунок 3.10. Схема опытного стенда для изучения динамики роста слояводного льда на внутренней поверхности трубы.1–элемент, имитирующийтрубу; 2 –холодильная камера; 3 – электровентиляторный агрегат.Схема опытного элемента с закрепленными на нем средствами измеренияпредставлена на Рисунок 3.11.89Рисунок 3.11.

Схема опытного элемента.1 – труба, запаянная с нижнегоконца, 2 – стойка, 3 – зажимы, 4 – крепежная полка, 5 – линейка, 6 –термопара, 7 – шпильки, 8 – USB камера.Опытный элемент состоит из алюминиевой трубы 1, герметичнозакрытой с нижней стороны, диаметром 50 мм и толщиной 1,5 мм. Труба 1крепится к металлической стойке 2 с помощью специальных зажимов 3. Дляопределения температуры поверхности стенки трубы, стенд оснащен хромелькопелевымтермопарнымдатчиком(ДТПL011-0.5/1.5.)температур6,подключенным к цифровому приемнику преобразователю температур ОВЕНУКТ38-Щ4. В верхней части трубы расположены средства измерения толщиныслоя водного льда, представляющие собой линейку 5 иUSB камеру 8позволяющую снимать показания с линейки 5 во время проведения опыта.Линейка 5 и USB камера 8 крепятся, с помощью шпилек 7, к специальнойкрепежной полки 4, Рисунок 3.12.90Рисунок 3.12.

Фотография приспособления для визуального наблюденияза ростом толщины слоя водного льда внутри трубы.Общий вид опытного стенда, для изучения динамики роста слоя водногольда на внутренней поверхности трубы, представлен на Рисунке 3.13.Рисунок 3.13. Фотография экспериментального стенда, для изучениядинамики роста слоя водного льда, внутри трубы.91Методика проведения опытного исследованияПередначаломэкспериментальногоисследованияпроизводилосьвключение холодильной камеры и охлаждение воды до около нулевойтемпературы. После выхода холодильной камеры на заданный режим, вопытный элемент, находящейся внутри камеры, заливалась охлажденная вода,и включался вентилятор.

Скорость потока воздуха у поверхности опытногоэлемента в ходе эксперимента не изменялась и замерялась с помощьюанемометра Aero Temp X-Line. В ходе проведения эксперимента измерялисьследующие параметры: время, температура поверхности стенки, толщина слояводного льда (Рисунок 3.14).абРисунок 3.14. Фотография слоя водного льда, сделанная с помощью USBкамеры во время проведения эксперимента а – 22 мин; б – 42 мин.После завершения эксперимента опытный элемент доставали изхолодильной камеры, и производили извлечение намороженного льда (Рисунок3.15), для этого опытный элемент обдувался потоком теплого воздуха.92Рисунок 3.15. Фотография трубчатого льда, извлеченного из ледоформы(опытного элемента).Извлеченныйизэлементатрубчатыйлед,разрезаливрайонерасположения измерительной шкалы линейки и производили дополнительные(контрольные) замеры внутреннего диаметра ледяной трубки.