Диссертация (1025572), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Зависимость удельной теплоемкости от температуры для чистойУдельная теплоемкость c p, кДж/(кг•К)воды и раствора кремнийорганическая эмульсия 1,8 %5Дистиллированная вода4,5Образец с фазовым переходом4Образец без фазового переходаАппроксимирующая функция3,532,521,510,50-30-20-100102030Температура, °СРисунок 3.8. Зависимость удельной теплоемкости от температуры для чистойводы и раствора ПТФЭ (8,8 %)68Численные значения удельной теплоемкости всех исследуемых образцовпредставлены в Приложении 1. Погрешность представленных значенийсоставляет не более 2 %. Полученные экспериментальные значения удельнойтеплоемкости всех исследуемых образцов в области отрицательных температурпредставлены на Рисунке 3.9.Рисунок 3.9. Удельная теплоемкость образцов в отрицательной областитемпературЗначениятеплоёмкостирастворовкремнийорганическогомасла(кривая 3) и эмульсии (кривая 4) достаточно близки к воде (кривая 1) во всёмисследованном интервале температур воды и льда, отклонения не превышают4 %.
Для модифицированной смеси (кривая 2) и раствора ПТФЭ (кривая 5)средние значения теплоемкости отличаются от льда в меньшую сторону от 4 до9 %. В области рабочих температур от 0 до минус 10 ºС значения отличаются навеличину, сопоставимую с величиной погрешности. Следовательно, введениемодификаторов не оказывает существенного влияния на теплоемкость льда.Для всех экспериментальных образцов растворов с помощью регрессионногоанализа были получены аппроксимирующие зависимости между температуройизначениемудельнойизобарнойтеплоемкости.Полученныеэкспериментальные данные показали высокую корреляцию при аппроксимацииих зависимости от температуры линейной функцией y = a·x+b во всемрассматриваемом диапазоне (Таблица 7).69Таблица 7.Аппроксимирующие функции для зависимости удельной теплоемкости оттемпературыНаименованиеДиапазонобразцатемператур °СКоэффициентКоэффициентыдетерминацииabR2от - 30 до 08,08E-032,1170,98от 0 до 21-7,34E-044,1640,92от - 30 до 01,19E-022,0570,98от 0 до 213,23E-033,7030,91от - 30 до 01,64E-022,2710,97от 0 до 211,85E-033,9950,92от - 30 до 01,24E-022,1510,99от 0 до 21-7,75E-054,0060,94Раствор ПТФЭот - 30 до 01,47E-022,1050,938,8 %от 0 до 211,82E-023,3500,90Чистая водаМодифицированная смесь 7 ppmМасло 1,8 %Эмульсия 1,8 %Теплоту фазового перехода исследуемого образца можно получить поэкспериментальной кривой зависимости сигнала ДСК от температуры.
Даннаявеличина пропорциональна площади пика, ограниченного экспериментальнойкривой с одной стороны и базовой линией с другой. Базовая линияопределяется путем калибровки прибора, т.е. моделируется при помощипрограммного обеспечения. В экспериментах базовая линия тангенциальноготипа. Проведено сопоставление пиков изменения удельной теплоемкости приплавлениирастворовсмесимодификатороввконцентрации7 ppm,кремнийорганического масла 1,8 %, кремнийорганической эмульсии 1,8 %,раствора ПТФЭ 8,8 % (красный цвет) с чистой водой (голубой цвет) попарно(соответственно Рисунки от 3.10 до3.13).Удельная теплоемкость c p , кДж/(кг•К)7060Дистиллированная водаОбразец с фазовым переходом50Образец без фазового переходаАппроксимирующая функция403020100-30-20-100102030Температура, °СРисунок 3.10.
Пики удельной теплоемкости при плавлении чистой водыУдельная теплоемкость c p, кДж/(кг•К)(голубая линия) и смеси модификаторов 7 ppm60Дистиллированная водаОбразец с фазовым переходом50Образец без фазового переходаАппроксимирующая функция403020100-30-20-100102030Температура, °СРисунок 3.11. Пики удельной теплоемкости при плавлении чистой воды ираствора кремнийорганического масла 1,8 %Удельная теплоемкость c p, кДж/(кг•К)7160Дистиллированная водаОбразец с фазовым переходом50Образец без фазового переходаАппроксимирующая функция403020100-30-20-100102030Температура, °СРисунок 3.12. Пики удельной теплоемкости при плавлении чистой водыУдельная теплоемкость c p, кДж/(кг•К)(голубая линия) и раствора кремнийорганическая эмульсия 1,8 %60Дистиллированная водаОбразец с фазовым переходом50Образец без фазового переходаАппроксимирующая функция403020100-30-20-100102030Температура, °СРисунок 3.13.
Пики удельной теплоемкости при плавлении чистой воды(голубая линия) и раствора ПТФЭ 8,8 %72Визуальная оценка экспериментальных кривых показывает, что всерастворы модификаторов имеют меньшую по сравнению с чистой водойудельную теплоту плавления при 0 °С, наибольшее различие наблюдается ураствора ПТФЭ 8,8 %. Вода во всех растворах модификаторов находится в двухсостояниях: свободном и связанном (связана с вводимыми макромолекуламимодификаторов). При криоскопической температуре только свободная водапереходит в твердую фазу. Уменьшение удельного количества теплоты,поглощаемого при 0 °С при плавлении для модифицированного льда посравнению с чистым льдом связано с уменьшением количества свободнойводы.
Рассчитанные численные значения для всех исследуемых образцовпредставлены в Таблице 8.Таблица 8.Изменения энтальпии при плавленииНаименование образцаУдельное количество теплоты, Дж/гЧистая вода334,0Смесь 7 ppm280,4 (меньше на 16 %)Масло 1,8 %300,6 (меньше на 10 %)Эмульсия 1,8 %311,6 (меньше на 7 %)Раствор ПТФЭ 8,8 %253,8 (меньше на 24 %)Теплота фазового перехода раствора модификаторов концентрации 7 ppmменьше аналогичного параметра для чистой воды на 16 %, т.е.
ледовоепокрытие, полученное с использованием смеси модификаторов в указаннойконцентрации, приводит к некоторому снижению количества теплоты,отводимой при осуществлении фазового перехода вода – лед. Теплота фазовогоперехода каждого отдельного элемента экспериментальной смеси такжеменьше аналогичного параметра для чистой воды. Это характеризует общуютенденцию теплофизических свойств исследуемых веществ и подтверждаеттенденцию к снижению тепловой нагрузки на холодильную машину при любом73возможном долевом соотношении веществ в смеси и их распределении потолщине массива.При сравнении теплопроводности чистого льда и модифицированногообразцы охлаждались в идентичных условиях, с помощью термометровсопротивления и тепловизионной съемки снимались профили температур вразныемоменты времени.Совпадениеэкспериментальных данных пораспределению температур на поверхности чистого льда и модифицированногопоказало, что их коэффициенты теплопроводности практически совпадают(Рисунок 3.14).Рисунок 3.14.
Одновременное охлаждение образцовВ результате всего комплекса экспериментальных исследований впервыебыли численно получены реальные значения теплофизических характеристикмодифицированного ледового массива. Анализ кривых изменения фазовогосостояния исследуемых образцов показал, что во всём рабочем интервалетемпературледовогополявсегруппывводимыхмодификаторовнепретерпевают фазовых превращений, что приводит к снижению тепловойнагрузки на холодильные машины.74ГЛАВА4.Определениемакроструктурыипервоначальногораспределения ледовых модификаторов по глубине массива4.1.
Определение макроструктуры льда, модифицированного различнымиполимерными соединениямиБез определения основных закономерностей переноса модификаторовпри эксплуатации и инструментов воздействия на него невозможно обеспечитьснижение энергетических затрат на поддержание модифицированного ледовогомассива меньшей толщины. По аналогии с гляциологией первый этап –определение макроструктуры модифицированного льда. Проведенный анализлитературы позволил выделить факторы, определяющие образующуюсяструктурульда:направлениетеплоотвода,скоростькристаллизации,химический состав исходного водного раствора, конвективные потоки вжидкости.
Для корректного проведения экспериментальных исследованийнеобходимо воспроизвести все перечисленные условия аналогично условиямформирования льда на реальных ледовых аренах. В проводимом исследованиирассматривалисьпроцессыполногозатвердеванияводныхрастворовмодификаторов. Отвод теплоты кристаллизации от образцов одномерный кхладагенту. При практически бесконечных размерах ледовой поверхности всравнении с толщиной кристаллизующегося слоя и высоких скоростяхкристаллизации конвективным движением внутри разливаемого слоя жидкостипренебрегаем.
Промежуточного удаления твердой фазы с поверхности льда впроцессе намораживания ледового массива не происходит.4.1.1. Разработка экспериментальной установкиДля воспроизведения условий намораживания ледового массива нареальном спортивном объекте была спроектирована и изготовлена мобильная75экспериментальная установка.
Установка (Рисунок 4.1) состоит из двухосновных частей: стандартного компрессорно-конденсаторного агрегата иоригинального испарителя, представляющего собой алюминиевую плиту,охлаждаемую припаянным снизу медным змеевиком. Конструктивно всеэлементы установки объединены в едином корпусе.а)б)Рисунок 4.1. Установка: упрощенная схема (а), общий вид (б)Дляподборахолодильноймашиныпономинальнойхолодопроизводительности и температуре кипения хладагента в испарителеразработано следующее техническое задание:– количество одновременно намораживаемых образцов от 1 до 6 шт.;– линейные размеры одного образца льда 100 мм;– толщина единичного разливаемого слоя воды от 0,5 до 50 мм;– общая средняя толщина образца льда 50 мм;– общее максимальное время намораживания 6 ч;– температура заливаемой воды до плюс 90 ºC;– температура поверхности образца льда толщиной 50 мм минус 7 ºC.Тепловая нагрузка на холодильную машину рассчитывалась из условия,что в охлаждаемой камере единственным источником тепла являютсянамораживаемые образцы льда.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
