Диссертация (1025572), страница 11
Текст из файла (страница 11)
В этом случае нагрузка складывается из трехсоставляющих: теплоты охлаждения воды от начальной температуры до76температуры кристаллизации Qводы, теплоты фазового перехода Qкр, теплотыохлаждения льда до заданной температуры поверхности Qльда.=воды+кр+(4.1)льдаВсе значения теплофизических параметров, необходимые при расчете,определялись по справочникам для чистой воды – льда. Тепловая нагрузка приразличных условиях формирования образцов составляла до 4 МДж. В связи сэтим было принято решение о комплектации экспериментальной установкикомпрессорно-конденсаторным агрегатом холодопроизводительностью 500 Втпри температуре кипения хладагента минус 15 ºC.
Температура кипенияхладагента изменяется в диапазоне от минус 5 до минус 20 ºСОригинальный испаритель –охлаждаемаяалюминиеваяплитасрасположенной внутри трубной системой (Рисунок 4.2). Габаритные размерыплиты 300 × 230 × 25 мм. Гидравлический контур испарителя медный:прямолинейные участки выполнены из труб диаметром 8 мм и длиной 260 мм,калачи – из труб диаметром 6 мм. Все соединения паяные. Свободный объеммежду поверхностью змеевика и плитой заполнен алюминиевыми пруткамидиаметром 8 мм и теплопроводящей пастой КПТ-8.а)б)Рисунок 4.2.
Испаритель: трубная система (а), внутренняя компоновка (б)Образцы льда намораживаются в камере объемом 6,25 дм3, имеющийгабариты 250×200×100 мм, изолированной от окружающей среды. Размерыохлаждаемой камеры позволяют одновременно намораживать четыре образца сгабаритами основания каждого 100 × 100 мм. Крышка камеры съемная,77выполнена из термоизоляционного материала.
Формы для намораживания льдавыполнены из химически инертного прозрачного органического стекла соснованием из теплопроводящего алюминиевого деформируемого сплава Д16(дюраль). Высота форм составляла 70 мм, в зависимости от условий проведенияэксперимента в формы устанавливались дополнительные перегородки. Дляулучшения условий теплопередачи между основанием форм для наморозкиобразцов и охлаждаемой алюминиевой плитой испарителя использованкерамико-полимерный теплопроводящий диэлектрический материал КПТД-2М.Теплопроводящая эластичная прокладка изготовлена на основе микропорошковнитридной керамики.
Обладая высокой теплопроводностью, данное изделиезаполняетнеровностинамораживаниясопротивлениеимикрорельефаиспарителем,теплопередаче.междуоснованиемсущественноМатериалформснижаяустойчивкдлятермическоемеханическимповреждениям, не токсичен, не выделяет вредных веществ. Данное покрытиелегко деформируется при сжатии и имеет двухсторонний липкий слой, чтоупрощаетпозиционированиехарактеристикиприменяемогоформвохлаждаемойтеплопроводящегокамере.ОсновныематериалаКПТД-2Мпредставлены в Таблице 9.Таблица 9.Основные характеристики теплопроводящего материалаТолщина, мм0,29Плотность, г/см31,98Рабочая температура, °СТеплопроводность, Вт/м∙Кот минус 60 до плюс 1801,44Изменение температурного режима намораживания образцов льдапроисходит за счет изменения контрольного значения температуры, для чегонеобходимо перенастроить прибор автоматического регулирования на нужнуютемпературу.
Температуры поверхности и тепло-влажностные параметры вкамере контролировались показаниями контактного термометра Testo и78влагомера Testo 610. Конструкция установки позволила при проведенииэкспериментов наблюдать и фиксировать рост кристаллов льда с помощьюспециализированной аппаратуры: цифровой фото- и видеокамеры, а так жецифрового оптического микроскопа Andonstar.Перед проведением экспериментов с помощью тепловизора Fluke Ti300были получены тепловые изображения испарителя, которые показали, чтоперепад температур по его рабочей поверхности составляет не более 2 ºC.Изображение представлено на Рисунке 3.3, маркерами проставлены значениятемпературы. С помощью специализированного программного обеспечениябыли получены профили температур в 3D – Рисунок 4.4.а)б)Рисунок 4.3.
Термограмма испарителя: общий вид (а), распределениетемпературы по площади (б)Рисунок 4.4. Распределение температур по поверхности испарителя794.1.2. Определение макроструктуры льдаСильно переохлажденная чистая вода является примером системы,далекой от термодинамического равновесия, способной к образованиюдендритов различной формы и размеров (иней и снежинки) [61]. Природаявления переохлаждения жидкости до сих пор изучена недостаточно [62].
Придостижении температуры ниже температуры кристаллизации на величинупереохлаждения жидкость находится в метастабильном состоянии. Далеескачкообразнопроисходитповышениетемпературыдотемпературыкристаллизации, сопровождающееся появлением первых кристаллов льда. Натемпературу и продолжительность переохлаждения, а следовательно и наформу кристаллов, возможно влиять изменением режима охлаждения, а также спомощью дополнительного введения различного рода примесей (затравоккристаллизации).На разработанной установке первоначально был проведен эксперимент,позволившийсравнитьвеличинупереохлажденияжидкостиприкристаллизации для чистой воды и для водных растворов модификаторов вовсем диапазоне концентраций, используемых в ледовых технологиях.
Объектомисследования служили чистая вода, раствор модификаторов в штатнойконцентрации 7 ppm – оптимальная концентрация при намораживании массивальда для хоккея с шайбой, а также растворы с концентрациями 70 и 140 ppm(максимальное значение вносимых в лед концентрации модификаторов).Переохлаждение всех жидкостей проводилось в условиях одномерноготеплоотвода,путемихвыставлениянаповерхностьиспарителяпритемпературах хладагента, соответствующих различным режимам работысистемы хладоснабжения ледовой арены: минус 5, минус 10 и минус 15 ºC.Образцы замораживались в формах с одинаковым поперечным сечением, объемжидкости и начальная температура идентичны. В процессе проводиласьвидеосъемка для определения времени, прошедшего с момента началаохлаждения до кристаллизации, а также получения изображения структуры80образующегося льда.
При всех рассмотренных режимах охлаждения и во всёмдиапазоне концентраций модификаторов кристаллизация жидкостной плёнкиидётсобразованиемплоскогофронта,наповерхностинаблюдаетсяхарактерная сетчатая структура. Изображения поверхности образцов льдапредставлены на Рисунке 4.5. Таким образом, не происходит качественногоизменения структуры льда, меняются лишь размеры зерен и четкостьмежкристаллических границ.а)б)в)Рисунок 4.5.
Горизонтальный срез модифицированного льда: 7 ppm (a),70 ppm (б), 140 ppm (в). Увеличено в 10 разНа Рисунке 4.6 представлены изображения поверхности ледового массивапри кристаллизации слоя дистиллированной воды с образованием дендритнойструктуры. Размер и форма дендритов зависит от величины переохлаждения.Дендриты могут образовывать некую выпуклую пространственную область. Удендритного кристалла может быть центр, из которого начался рост, ветвиориентированы произвольным образом, достаточно тонкие и имеющиепостоянную толщину.а)б)Рисунок 4.6.
Образование дендритных кристаллов81Эксперименты показали, что при идентичной скорости охлаждениякристаллизация водных растворов модификаторов происходит быстрее, чемчистой воды. Кристаллизация раствора с модификаторами происходит применьшем переохлаждении (от 2 до 4 ºС), чем для чистой воды (до 10 ºС), из-заприсутствиянерастворимыхпримесей,искусственновводимыхсмодификаторами, являющимися дополнительными центрами кристаллизации.По технологии намораживание массива льда на ледовой арене проводитсяпо схеме чередующихся слоёв [9-19]: «слой дистиллированной воды» – «слой смодификаторами».Подобныеледовыемассивыобладаютнаилучшимипрочностными и скоростными свойствами. Температура заливаемой воды припроведении заливок составляет не менее плюс 60 ○С.
При разливе каждогонового слоя жидкости происходит подплавление нижнего слоя и смешениесоставов разливаемой воды и расплава нижнего слоя, в результате чегообразуется некоторая промежуточная концентрация. Таким образом, в процессенамораживаниямассивальдаконцентрациявкаждомновомслоеобразовавшегося льда отличается от вносимой в воду, и нельзя выделитьотдельно слои чистого льда и с модификаторами. Поэтому в рамкахпроводимого исследования был проведен эксперимент, позволивший наосновании показаний линейки температурных датчиков построить кривыеохлаждения и определить величину переохлаждения жидкости для каждогонового слоя.
На боковой поверхности формы для намораживания былизакреплены 10 погружных термометров сопротивления Pt100, диаметром1,5 мм, расположенных в шахматном порядке по вертикали послойноформируемого образца льда с шагом 1,5 мм. Для измерения температурыиспользовался микропроцессорный многоканальный цифровой термометр ТЦМ1520-02-ТС21 (Рисунок 4.7). Диапазон измерения температуры от минус 50 доплюс 400 ○С, погрешность измерения ± 0,05 ○С. Данные сохранялись вархивной памяти измерительного блока и далее передавались для обработки накомпьютер.
Регистрация температуры осуществлялась с периодом 0,33 с.82а)б)Рисунок 4.7. Форма для намораживания (а), микропроцессорныймногоканальный цифровой термометр (б)Намораживалсямассивмодифицированногольдасштатнойконцентрацией 7 ppm вносимых соединений. Это штатная концентрация длянамораживания массива льда повышенной прочности (для хоккея и фигурногокатания). Температура хладоносителя поддерживалась минус 12 ○С. Каждыйновый заливаемый слой воды полностью закрывал термометр сопротивления.В результате обработки данных эксперимента были получены кривыеохлаждения и последующего замерзания для различных слоев: чистой воды ирастворамодифицирующейсмеси.Кривыеохлаждениядлямодифицированного и чистого слоёв представлены, соответственно, наРисунках4.8и4.9.Дляидентификациипроцессакристаллизациииспользовались производные первого порядка кривых охлаждения: посформированному массиву данных изменения температуры по времени быливычислены производные первого порядка.
Далее определен участок сминимальным значением производной, точность устанавливалась до 2-го знакапосле запятой.83025050075010001250150017502000225010Температура, С8Процесс фазового перехода6420-2-4Время, сРисунок 4.8.Модифицированный слой02004006008001000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800Температура, С1086Процесс фазового перехода420-2-4Время,сРисунок 4.9.Чистый слойДанныесоблюдениипоказали,технологиичтовеличинанамораживанияпереохлажденияжидкостимодифицированногопримассивасоставляет не более 4 ºС.
При формировании ледового массива с введениеммодифицирующих составов при всех режимах работы системы хладоснабженияледовой арены кристаллизация жидкостной плёнки идёт с образованиемплоского фронта. При этом на поверхности льда наблюдается характернаясетчатаямакроструктура.Это подтверждают изображенияповерхностимодифицированных ледовых массивов, намороженных послойно согласнотехнологии (Рисунок 4.10).8420 мм2 мма)б)Рисунок 4.10. Поверхность модифицированного льдаПослойноенамораживаниеобразцовмодифицированногольдавспециальных формах с прозрачными стенками позволило определить меняетсялимакроструктуральдапомеренамораживанияобразца.Хорошоотполированное основание форм для намораживания позволило без проблемотделить образец льда и увидеть аналогичный сетчатый рисунок и в основании(Рисунок 4.11). Все изображения горизонтальных срезов льда были полученыс помощью лабораторного оптического микроскопа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
