Диссертация (1025572), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Рекристаллизацией (или изменениемразмера и формы кристаллов во времени) называется процесс образования ироста одних кристаллических зерен за счет соседних. Криопротекторы влияютне только на размер образующегося кристалла льда, но и снижают скорость ихукрупнения. Подтверждающие это экспериментальные данные представлены встатье [29] – Рисунок 1.9. Увеличение поверхностной активности вводимыхсоединений существеннее снижает скорость укрупнения кристаллов льда(до 24 раз).Подобныеисследованиявлияниякриопротекторовнарекристаллизационный рост представлены в статье 2013 года канадскихавторов[30].НаРисунке1.10представленокриомикроскопическоеизображение структуры льда без и с криопротектором.
Данные веществапозволяют поддерживать малый размер кристаллов льда.Скорость укрупнениякристаллов льда, мк/мин2965,345431,8521,7210,450,340поверхностная активность 0,1 %-го раствораРисунок 1.9. Влияние свойств растворов на скорость укрупнения кристалловльда [29]а)б)Рисунок 1.10. Структура льда без криопротектора (а) и c ним (б) [30]Современныеработывобластикриобиологиихарактеризуютсякомплексным подходом в изучении процесса кристаллизации.
Например, встатье 2003 года [31] американские ученые рассматривают изменениеструктуры льда и его теплофизических характеристик в процессе вторичной(эвтектической)кристаллизацииЭкспериментальныеданныевсреде(Рисунок 1.11),скриопротекторомполученные[9].методомдифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), наглядно показывают,что при охлаждении первоначально наблюдается кристаллизация льда (пик А).В результате образуются кристаллы чистого льда (обозначение I), в30межкристаллическом пространстве которого находятся жидкая фаза вводимыхсоединений (обозначение U). При достижении температуры минус 36 °Снаблюдается пик B, характеризующий процесс эвтектической кристаллизации.При данной температуре существовавшая ранее жидкая фаза криопротекторакристаллизуется. В подтверждении этого представлены микроскопическиеизображения структуры после кристаллизации льда (Рисунок 1.11) и послеэвтектической кристаллизации (Рисунок 1.11).
В процессе обратного нагреваобразца также наблюдается два характерных излома кривой ДСК. Пики С и Dхарактеризуют соответственно процессы плавления эвтектики и процессплавления льда (Рисунок 1.11).Удельный тепловой поток мВт/мгплавлениеС - плавлениеэвтектикинагревб)охлаждениеВ - эвтектическаякристаллизациякристаллизацияа)в)Рисунок 1.11. Экспериментальные кривые: кривая сигнала ДСК (а),микроскопические изображения структуры льда после кристаллизации льдапик А (б) и после эвтектической кристаллизации пик B (в) [31]Важным для проводимого исследования фактом, представленным встатье, является упоминание о разных значениях величины переохлажденияраствора при кристаллизации в случае различной организации теплоотвода от31образца. При объемном охлаждении экспериментального образца в камерекриомикроскопа или калориметра наблюдается переохлаждение, в то время какпри направленном теплоотводе от охлаждаемой границы фазовый переходпроисходит при температуре, соответствующей равновесному значению.Несмотря на разнообразие научно-технических публикаций отечественной изарубежной научных школ по криобиологии, публикации не содержатэкспериментальных данных о линейных размерах кристаллов образующегосяльда.
Основным критерием оценки при проведении исследований служитвыживаемость клеток. Существенным недостатком этого направления являетсяотсутствие до сих пор единой общепризнанной теории действия криозащитныхвеществ.1.2.2. Образование льда на охлаждаемых поверхностях в техникеИскусственное охлаждение широко применяется в различных областяххозяйственной деятельности человека. Для ряда задач достаточным являетсярассмотрение только процесса теплообмена при кристаллизации, как прирасчететолщинынамороженногольданарабочихповерхностяхльдогенераторов.
А расчет оборудования для очистки воды или расчетинееобразования, например, требуют уже учета тепло и массообменныхпроцессов. Рассмотрим подробнее особенности исследования намораживанияльда в описанных областях.Влитературеширокопредставленоаналитическоеописаниенамораживания льда в различных типах льдогенераторов [32-34].
Припроектировании подобных аппаратов необходима математическая модельпроцесса нарастания льда на теплопередающей поверхности стенки. С еепомощьюопределяюттолщинунамороженногослояльдаивремянамораживания при различных условиях теплообмена на границе стенкахладагент. Схема распределения температур при формировании льда вльдогенераторе представлена на Рисунке 1.12.32Рисунок 1.12. Схема распределения температур в льдогенераторе [32]Необходимые расчетные зависимости получаются при решении системыуравнений, включающей:– дифференциальные уравнения нестационарной теплопроводностиФурье==∙, − ≤∙,0 ≤< 0,(1.6)(1.7)<– условия сопряжения на границе раздела фаз( = 0) = ( = 0) = ( ),( = 0) =∙( = 0)(1.8)(1.9)– различные граничные условия (например, третьего рода)=( =− )=ввв(п−−кр+), где,п=(− , )где c, c1 – удельная теплоемкость льда и стенки испарителя, Дж/(кг∙К);ρ, ρ1 – плотность льда и стенки испарителя, кг/м3;t, t1 – температура льда и стенки испарителя, К;τ – время, с;λ, λ1 – коэффициент теплопроводности льда и стенки, Вт/(м∙К);R – толщина стенки испарителя, м;(1.10)(1.11)33ξ – толщина льда, м;T – температура на границе стенка-лёд, К;αв, α0 – коэффициент теплоотдачи от воды к поверхности льда и от стенки кхладагенту, Вт/(м2∙К);tв, tкр, tп , tо – температуры замораживаемой воды, криоскопическая, на границестенка-хладагент, кипения, К;r – удельная теплота льдообразования, Дж/кг;N–коэффициент,учитывающийстепеньинтенсификациипроцессальдообразования в аппаратах непрерывного действия.При постановке задачи для упрощения решения вводятся различныедопущения:прямолинейностьметаллическойусреднениестенкекакпрофилейвусловияхтеплофизическихсвойств,температурывостационарногопренебрегаютльдуивраспределения,термическимсопротивлением стенки.
Допущения в разной мере загрубляют математическуюмодель, что требует обязательного сопоставления теоретических и опытныхданных. Обзор работ по данному направлению показал, что применениеприближенных аналитических методов обоснованно при выделении теплотыфазового перехода на четко выраженной границе раздела фаз.Образованиеинеянаохлаждаемойповерхноститеплообменногооборудования является более сложным явлением, чем нарастание льда вльдогенераторе. Общее физическое описание процесса инееобразованиепредставленовработеБ.Т.Маринюка[34].Приинееобразованиикристаллизация идет в несколько стадий: первоначально образуются дендриты,а далее происходит массовая кристаллизация с механизмом роста «кристалл покристаллу».
Таким образом, в процессе образования инея происходитизменение кристаллической структуры – перекристаллизации. Большая частькристаллов ориентируется вдоль направления теплового потока. При этомпроисходит перераспределение потока поступающей из воздуха влаги нетолько на поверхности раздела фаз криоосадок – воздух, но и наблюдаетсядиффузия вовнутрь слоя криоосадка. На скорость роста и образующуюся34кристаллическую структуру влияют конвективные потоки. Как отмечает автор,процесс перекристаллизация идет до тех пор, пока в слое криоосадканаблюдается градиент температуры.представляетсущественныеТеоретически учесть это влияниетрудности.Поэтомупроводятсяэкспериментальные исследования, на основе обобщения результатов которыхполучают необходимые эмпирические зависимости.
Однако диапазон ихприменения часто ограничен условиями проведения эксперимента, что являетсясущественнымнедостаткомподобногоподхода.Исследованиятепломассообмена при инееобразовании представлены в работах [35-39].В статье [40] представлены аналитические зависимости для расчетавремени образования инея и его плотности как функции толщины инеевогослоя.ПомимотеплопроводностидифференциальныхФурье,условийуравненийсопряженияинестационарнойграничныхусловийзаписываются условия массообмена.
Схема инееобразования представлена наРисунке 1.13.Рисунок 1.13. Схема инееобразования: 0 – область охлаждаемого влажноговоздуха, 1 – слой инея, 2 – плоская стенка, 3 – область хладагента [40]Условия массообмена учитывают:– часть влаги, поступающей из области 0 к поверхности 1, проникаетвнутрь инея, увеличивая его плотность(1.12)35– остальная часть влаги превращается в иней, увеличивая толщину(1.13)где τ – время, с;ξ – толщина слоя инея (меняется со временем), м;D(1–ρ1/ρ) – коэффициент диффузии паров в инее как пористой среде,зависящий от плотности инея, м2/с;R – газовая постоянная влажного воздуха, Дж/(кг∙К);ρ1 – средняя по слою плотность инея (меняется со временем),кг/м3;ρ – плотность льда, кг/м3;pʹʹ, p – парциальные давления пара на поверхности инея и в областиохлаждаемого влажного воздуха;β–коэффициентмассоотдачивлаги,приведенныйкпарциальномудавлению, с/м;ϰ1 – плотность структуры инея;T1 – температура инея, ºС.Для расчета в качестве исходных значений вводятся не толькотеплофизические свойства и температуры, но и коэффициент диффузии, икоэффициент массоотдачи.
В более поздней работе [41] предлагается неучитывать в рамках инженерных расчетов диффузионные эффекты. Какотмечаютавторы,дажеподобныедопущенияприводятксложнымпараметрическим зависимостям для количественного описания процессаинееобразования.Иэтоприусловии,чтотемпературно-влажностныехарактеристики воздуха хорошо изучены.Послойная технология формирования льда на реальной ледовой аренеопределяет большую близость решаемой задачи либо к формированию льда натеплопередающейповерхностивльдогенераторах,либокпроцессуинееобразования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
