Исследование камерного воздухоохладителя с учетом динамики образования инея на теплообменной поверхности аппарата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат наук Королев Игорь Антонович

• Королев Игорь Антонович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Королев Игорь Антонович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Обзор литературы, постановка задач исследования

1.1 Общие положения

1.2 Рост слоя инея на охлаждаемых поверхностях

1.2.1 Стадии роста слоя инея

1.2.2 Экспериментальные исследования роста слоя инея

1.2.3 Теплопроводность слоя инея

1.2.4 Плотность слоя инея

1.2.5 Факторы внешнего тепло- и массообмена в условиях инееобразования

1.2.6 Обзор существующих математических моделей роста слоя инея

1.3 Экспериментальные исследования работы воздухоохладителей в условиях образования инея на теплообменной поверхности

1.4 Обзор существующих математических моделей тепло- и массообмена в воздухоохладителях с учетом образования инея

1.5 Выводы по главе

Глава 2. Математическая модель роста слоя инея

2.1 Коэффициент теплопроводности инея

2.2 Математическая модель роста слоя инея на плоской поверхности

2.3 Математическая модель роста слоя инея на цилиндрической поверхности

2.4 Верификация математической модели роста слоя инея

Стр.

2.5 Анализ влияния температурно-влажностных условий на интенсивность роста слоя инея и тепловой поток через охлаждаемую поверхность

2.6 Выводы по главе

Глава 3. Экспериментальное исследование технических характеристик воздухоохладителя в условиях инееобразования

3.1 Описание экспериментального стенда

3.2 Методика проведения эксперимента

3.3 Методика обработки экспериментальных данных

3.4 Погрешность проведения эксперимента

3.5 Программа проведения экспериментов, результаты исследований

3.6 Выводы по главе

Глава 4. Методика расчета камерных воздухоохладителей с учетом динамики образования инея на теплообменной поверхности аппарата

4.1 Математическое моделирование процесса охлаждения влажного воздуха в камерном воздухоохладителе с учетом образования инея

4.2 Расчет коэффициента теплоотдачи и аэродинамического сопротивления со стороны воздуха

4.3 Расчет приведенного коэффициента теплоотдачи и общего коэффициента теплопередачи через поверхность воздухоохладителя

4.4 Расчет коэффициента теплоотдачи и гидравлического сопротивления со стороны холодильного агента

4.5 Расчет теплового потока, температур теплопередающих поверхностей и технических характеристик воздухоохладителя

4.6 Компьютерная программа расчета характеристик воздухоохладителя

4.7 Выводы по главе

Стр.

Глава 5. Анализ влияния температурно-влажностных условий на технические характеристики камерных воздухоохладителей с учетом динамики образования инея на теплообменной поверхности аппарата

5.1 Расчет технических характеристик камерного воздухоохладителя

при различных температурно-влажностных условиях

5.2 Сравнение результатов расчетов технических характеристик воздухоохладителя с экспериментальными данными в сухих условиях

5.3 Сравнение результатов расчетов технических характеристик воздухоохладителя с экспериментальными данными в условиях инееобразования на теплообменной поверхности аппарата

5.4 Сравнение результатов расчетов технических характеристик воздухоохладителей, работающих в условиях образования инея, с экспериментальными данными независимых исследователей

5.5 Пути совершенствования конструкции воздухоохладителей

5.6 Анализ влияния геометрических параметров воздухоохладителей

на их технические характеристики в условиях инееобразования

5.6.1 Анализ влияния длины канала в секции и массовой скорости хладагента на холодопроизводительность воздухоохладителя

5.6.2 Анализ влияния геометрической компоновки и расходно-напорных характеристик вентиляторов на технические характеристики воздухоохладителя в условиях инеевыпадения

5.7 Выводы по главе

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование камерного воздухоохладителя с учетом динамики образования инея на теплообменной поверхности аппарата»

Актуальность темы исследования.

В условиях нарастания экологических проблем энергосбережение и повышение эффективности промышленного оборудования определены одним из приоритетных направлений инновационного развития страны в рамках государственной программы «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» [20] и федерального закона №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» [26].

Доля потребления электроэнергии, приходящейся на холодильную, криогенную технику и кондиционирование воздуха, достигает 17 % в общемировом балансе энергопотребления [136]. В настоящее время холодильная обработка является одним из наиболее распространенных способов консервирования пищевой продукции, а доля электроэнергии, затрачиваемой на выработку холода, в ряде отраслей пищевой промышленности превышает 50 % [121,136,149].

Обеспечение установленных технологиями и стандартами температурно-влажностных режимов при холодильной обработке и хранении пищевых продуктов зависит от многих факторов. Применительно к холодильной технике на эффективность работы холодильных машин значительное влияние оказывает подбор теплообменных аппаратов, в том числе камерных воздухоохладителей. Они, как и многие другие элементы оборудования низкотемпературной техники, подвержены образованию инея на теплообменных поверхностях. Процесс инееобразования негативно сказывается на эффективности работы холодильных установок за счет создания инеем в воздухоохладителях дополнительного термического и аэродинамического сопротивлений. Это приводит к снижению теплового потока, росту температурных напоров в аппарате и градиентов температур в камере, увеличению мощности, затрачиваемой вентиляторами для перемещения воздуха, а также снижению дальности струи воздухоохладителя [111].

Необходимость периодического оттаивания инея с поверхности аппаратов приводит к дополнительным затратам электроэнергии, достигающим 25 % от потребляемой холодильными установками мощности [50,88,115]. Колебания температуры воздуха, связанные с необходимостью оттаивания инея в аппаратах и регулированием температуры методом «пуск-останов» холодильного компрессора, способствуют естественной убыли продуктов и потере их качества при хранении в холодильных камерах [101,158]. Полная реализация потенциала энергосбережения при холодильной обработке и хранении пищевых продуктов во многом зависит от правильности подбора и эксплуатации воздухоохладителей, работающих в условиях образования инея на теплообменных поверхностях. Степень разработанности темы исследования.

Расчет технических характеристик воздухоохладителей в условиях инееобразования осложнен нестационарностью процесса теплопередачи, а также большим числом факторов, определяющих теплофизические свойства инея, -плотность слоя рин может варьироваться в диапазоне от 30 до 450 кг/м , а теплопроводность Хин от 0,04 до 0,55 Вт/(мК) [27,30,46,141]. Значительный вклад в изучение процесса роста инея на теплообменных поверхностях и совершенствование конструкций аппаратов внесли: Маринюк Б.Т., Явнель Б.К., Напалков Г.Л., Мао У., Гатчилов Т.С., Сандерс С.Т., Хмаладзе О.Ш., Варивода В.А., Дитенбергер М.А., Ирагорри Ж., Сошинский А.М. и целый ряд других ученых. Многие из указанных исследований выполнены при положительных и околонулевых температурах воздуха, не характерных для холодильной техники [17,45,81]. Используемые в существующих методиках расчета воздухоохладителей эмпирические зависимости теплофизических свойств инея значительно ограничивают допустимые температурные диапазоны их применения, а моделирование роста слоя инея в виде диффузионного процесса приводит к нежелательному увеличению продолжительности расчетов (от пары часов до нескольких дней), не гарантируя при этом повышения их точности.

Актуальность данных исследований подтверждается также тем, что в настоящее время подбор камерных воздухоохладителей осуществляется на основе

их промышленных испытаний в «сухих» условиях по стандарту «BS ЕК 328:2014» [49]. Указанные испытания не позволяют сопоставить эффективность работы аппаратов в условиях инееобразования на теплообменной поверхности (динамика снижения коэффициента теплопередачи, холодопроизводительности и объемного расхода воздуха) и определить требуемую периодичность оттаивания инея. В этой связи наибольший практический интерес представляет разработка методики расчета камерных воздухоохладителей, учитывающей особенности роста слоя инея на теплообменных поверхностях, обеспечивающей возможности анализа технических характеристик и подбора аппаратов под конкретные режимы работы холодильных камер производства и хранения пищевых продуктов с целью снижения капитальных и энергетических затрат. Объект исследований: Камерные воздухоохладители. Предмет исследований:

Влияние динамики образования и распределения слоя инея по теплообменной поверхности аппарата на технические характеристики воздухоохладителей. Цель работы:

Разработка уточненной методики расчета камерных воздухоохладителей с учетом динамики образования инея на теплообменной поверхности аппарата при различных тепло-влажностных условиях их работы. Задачи исследования:

1. Разработать математическую модель роста слоя инея на охлаждаемой поверхности, обобщающую экспериментальные данные независимых исследований при вынужденной конвекции влажного воздуха с околонулевой и отрицательной температурой.

2. Создать экспериментальный стенд и исследовать влияние образования инея на технические характеристики камерного воздухоохладителя при температурах воздуха от минус 6 до минус 20°С, относительной влажности воздуха от 40 до 100% и различных расходно-напорных характеристиках вентилятора.

3. Разработать математическую модель процесса охлаждения влажного воздуха в камерном воздухоохладителе трубчатого типа с пластинчатым оребрением и компьютерную программу расчета его технических характеристик, учитывающие температурно-влажностные условия работы аппарата, неравномерный характер роста толщины слоя инея по глубине теплообменного ядра, а также расходно-напорные характеристики вентиляторов и зону перегрева холодильного агента (создание уточненной методики расчета воздухоохладителей).

4. Верифицировать математическую модель процесса охлаждения влажного воздуха и программу расчета технических характеристик воздухоохладителей сравнением с эмпирическими данными, полученными на разработанном экспериментальном стенде.

Практическая значимость:

1. Разработана компьютерная программа для расчета технических характеристик воздухоохладителей, работающих в условиях инееобразования, а также получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2019617452.

2. Разработанная методика расчета воздухоохладителей внедрена на производственном предприятии ООО «Терма» г. Фрязино и используется при выполнении конструкторских и поверочных расчетов теплообменников.

3. Предложена усовершенствованная конструкция воздухоохладителя, обеспечивающая снижение интенсивности образования инея. Патент на изобретение РФ № 2691895.

Научная новизна:

Разработана математическая модель роста слоя инея на охлаждаемых поверхностях, учитывающая влияние температуры слоя инея на его теплопроводность и верифицированная на экспериментальных данных независимых исследователей при температурах воздуха от плюс 10 до минус 20°С.

Получено новое эмпирическое соотношение для расчета теплопроводности инея с учетом значений локальной температуры слоя.

Получены новые экспериментальные данные по влиянию температуры и относительной влажности воздуха на динамику снижения эффективности теплообмена (коэффициент теплопередачи, температурный напор, объемный расход воздуха) в двухконтурном воздухоохладителе для морозильных камер.

Впервые разработана математическая модель процесса охлаждения влажного воздуха в камерном воздухоохладителе с непосредственным кипением холодильного агента (для наиболее распространенных рабочих веществ - R134a, R404a, R507, R717), обеспечивающая возможность прогнозирования технических характеристик аппарата в условиях инееобразования при различных температурно-влажностных условиях по заданным значениям температурного напора или объемной производительности холодильного компрессора. Методы исследований:

При решении поставленных в работе задач использовались общепринятые методы: разработки математических моделей и численного моделирования, проведения натурного эксперимента и обработки экспериментальных данных. Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель роста слоя инея на охлаждаемых поверхностях, обращенных в среду влажного воздуха.

2. Математическая модель процесса охлаждения влажного воздуха в низкотемпературном воздухоохладителе трубчатого типа с пластинчатым оребрением с учетом неравномерного образования инея на теплопередающих поверхностях, а также расходно-напорных характеристик вентиляторов и зоны перегрева холодильного агента.

3. Результаты экспериментальных исследований технических характеристик воздухоохладителя в условиях образования инея.

4. Верифицированная на основе проведенных экспериментов методика расчета низкотемпературных воздухоохладителей трубчатого типа с пластинчатым оребрением в широком диапазоне температурно-влажностных условий для наиболее распространенных холодильных агентов, учитывающая

неравномерный характер распределения инея по теплообменной поверхности аппарата и расходно-напорные характеристики вентиляторов.

Личный вклад соискателя:

Разработка и совершенствование математических моделей роста слоя инея и процесса охлаждения влажного воздуха в камерных воздухоохладителях, а также методики расчета технических характеристик воздухоохладителей, работающих в условиях инееобразования. Создание экспериментального стенда для испытаний промышленного низкотемпературного воздухоохладителя в широком диапазоне температурно-влажностных условий, проведение опытов и обработка экспериментальных данных. Сопоставление результатов расчетов по разработанным моделям с экспериментальными данными. Апробация работы:

Основные положения и результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на 10 конференциях:

• Научно-практическая конференция, посвященная столетию со дня рождения Л.А. Костандова (г. Москва, 2015 г.);

• Научно-практическая конференция «Школа молодых ученых имени профессора И.М. Калниня» («Мир Климата», Экспоцентр, г. Москва, 2016 г.; 2017 г.; 2018 г.; 2019 г.);

• XI международная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов отделения сельскохозяйственных наук РАН «Пищевые системы: теория, методология, практика» (г. Москва, 2017 г.);

• Международная научно-практическая конференция молодых ученых и аспирантов «Научное обеспечение инновационных технологий производства и хранения сельскохозяйственной и пищевой продукции» (г. Краснодар, 2018 г.; 2019 г.);

• Научно-практическая конференция с международным участием «Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» (г. Москва, 2018 г.; 2019 г.);

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 7 научных работ общим объемом 1,15 печатных листа, из них 3 в журналах из перечня, рекомендованного ВАК РФ, тезисы 4 докладов в сборниках трудов научно-практических конференций, а также получены патент на изобретение и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Структура и объем работы:

Диссертационная работа включает в себя: введение, пять глав, выводы, список литературы и приложение на 50 листах. Объем работы содержит 180 страниц основного текста, 61 рисунок, 13 таблиц и список литературы из 178 наименований.

Глава 1. Обзор литературы, постановка задач исследования

1.1 Общие положения

Наиболее активное изучение процессов тепло- и массообмена в условиях инееобразования началось с середины прошлого столетия в результате развития ракетно-космической отрасли (использование криопродуктов), холодильной техники, самолетостроения, метеорологии, гляциологии. При этом в качестве основных инженерных задач были и остаются расчет интенсивности роста толщины и массы слоя инея [16,19], его теплоизоляционных свойств [21,48,162] и прогнозирование возможных отказов оборудования [14, 39].

Проектирование теплообменного оборудования, работающего в условиях инееобразования, представляет собой комплексную задачу, в которой можно выделить следующие основные аспекты:

• прогнозирование изменения плотности теплового потока через охлаждаемую теплообменную поверхность q, Вт/м ;

о расчет коэффициента теплоотдачи со стороны холодильного агента

а0 или промежуточного теплоносителя а^, Вт/(м °С); о расчет коэффициентов теплоотдачи а в,

Вт/(м °С),

и массообмена

ав, кг/(м с), со стороны влажного воздуха; о расчет толщины инея дин, м, и удельной массы слоя шин, кг/м2, его термического сопротивления в зависимости от тепло-влажностных условий и продолжительности работы оборудования т, с;

• расчет объемного расхода охлаждаемого воздуха Ув, м /с, и аэродинамического сопротивления теплообменного ядра аппарата ЛРв, Па, с учетом инееобразования и расходно-напорной характеристики вентиляторов Ув = /(АРв);

• оптимизация геометрических параметров теплопередающей поверхности.

1.2 Рост слоя инея на охлаждаемых поверхностях 1.2.1 Стадии роста слоя инея

Иней представляет собой систему кристаллов льда и пор, образованную путем взаимодействия влажного воздуха с поверхностью, имеющей температуру ниже температуры точки замерзания воды и точки росы. Физические аспекты образования инея весьма сложны, что связано с изменением механизмов его формирования и структуры на различных стадиях развития процесса.

В процессе роста слоя инея может быть выделено несколько стадий, наступление и продолжительность которых, в первую очередь, зависят от температурно-влажностных условий воздушной среды и температуры поверхности [16,72,131]. Профессор У. Хаяши [72] один из первых выделил три стадии роста инея: «период роста кристаллов», «роста и уплотнения гомогенного слоя» и «застарелый иней», при росте которого наблюдается циклическое оплавление поверхности и последующее уплотнение просачиванием (Рисунок 1.1).

т = 0 т = то1 т = тгг2

нуклеация игольчатые кристалль ———тхг 1-1 3— I инер

'////////////¿/////////Уь '///////

т,с

Рис. 1.1. Схема основных стадий роста слоя инея на охлаждаемой поверхности

Периоду фазы роста кристаллов инея предшествует стадия нуклеации, протекание которой может идти двумя путями - конденсации водных капель в виде переохлажденной жидкости на поверхности с последующим замерзанием (при высокой относительной влажности фв и температуре воздуха Тв) или прямым образованием кристаллов льда путем десублимации [66,170]. В некоторых условиях возможно параллельное протекание обоих процессов. По данным [66,90,91,145,144,170] продолжительность образования и замерзания

переохлажденных капель на охлаждаемой поверхности в условиях, характерных для холодильной техники, не превышает 5 минут, а в среднем тг1=2 мин, что значительно меньше общей продолжительности работы холодильного оборудования до необходимости проведения оттаивания слоя инея с теплообменной поверхности.

На основе анализа энергии Гиббса и проведенных экспериментов в работе [129] показано, что гидрофобные покрытия требуют большего перенасыщения для начала процесса нуклеации, но увеличение угла смачивания охлаждаемой поверхности в больше 140° не оказывает влияния на минимально необходимую разницу температур поверхности и влажного воздуха (Тв - Тпов = 5 К) для начала процесса нуклеации в виде капель. Таким образом, микронеровности и угол смачивания поверхности оказывают влияние лишь на длительность нуклеации и размер замороженных капель [51,94,112,132,133].

После формирования ледяной основы начинается стадия роста игольчатых кристаллов, ориентированных по направлению теплового потока. Особенность стадии проявляется в развитии теплопередающей поверхности - кристаллы исполняют роль вторичного оребрения, что выражается в увеличенных значениях эффективной теплопроводности слоя инея [40,72]. Основная часть массового потока влаги на данной стадии расходуется на рост высоты кристаллов инея, при этом влажный воздух свободно проникает и проходит через игольчатую инеевую структуру и взаимодействует не только с инеем, но и с охлаждаемой поверхностью. В работах [137,138] профессором А.З. Захином была разработана модель роста ледяных кристаллов в виде цилиндров, окруженных влажным воздухом, а также проведен анализ теплопроводности слоя инея.

По данным [176] шероховатость поверхности инея Аин, мм, при росте отдельных кристаллов может достигать 1 мм и снижается при переходе к периоду «роста и уплотнения слоя инея». Несмотря на то, что рост инея подчиняется законам кристаллографии, а образование кристаллов имеет вероятностный характер, для большинства экспериментов различных исследователей отклонение результатов измерений толщины слоя инея в повторных опытах не превышало ±15%.

Локальные высокоточные измерения толщины инея [131] демонстрируют ступенчатый характер роста слоя инея в микромасштабе, связанный с ростом отдельных микрокристаллов инея. Авторы отмечают, что по мере роста меняется также и тип формирующихся ледяных кристаллов, что связано с изменением температурно-влажностных условий (Рисунок 1.2).

Рис. 1.2. Форма образующихся ледяных кристаллов инея, в зависимости от значений локальной температуры в слое

Среди образующихся форм могут быть выделены три основные формы кристаллов - пластины, призмы и дендриты. При смене температуры или влажности образуются кристаллы, соответствующие по форме новым условиями роста [19]. Целым рядом исследователей [19,72,98,141,167,176] на основе изучения структуры образующихся кристаллов инея установлено, что их форма зависит от температуры поверхности и в меньшей степени от влагосодержания среды.

После перехода к стадии «роста и уплотнения гомогенного слоя» различия величин толщины 5ин и теплофизических свойств слоя инея при различных углах смачивания охлаждаемой поверхности не превышают погрешности проведения экспериментов [148]. В работе [152] представлено соотношение, описывающее время перехода т^ от периода роста кристаллов к росту гомогенного слоя инея в зависимости от температурно-влажностных условий.

На стадии «роста и уплотнения» слой инея превращается в гомогенную пористую среду. Выпадение влаги на поверхностях игольчатых кристаллов приводит к замерзанию микрокапель и к формированию вторичных кристаллов, заполнению ими пустот и постепенному уплотнению слоя инея. При этом общий массовый поток влаги перераспределяется между потоком, идущим на уплотнение инея и потоком, идущим на рост толщины слоя.

Стадия уплотнения слоя инея представляет наибольший интерес для расчета и проектирования теплообменных аппаратов, поверхности которых подвержены образованию инея. При этом в качестве основных параметров необходимо выполнять расчет толщины слоя инея дин, температуры его поверхности тпи°°в, удельной массы тин и коэффициента теплопроводности слоя Лин, а также прогнозировать изменение величины плотности теплового потока д через охлаждаемую поверхность. На процесс роста инея оказывает влияние значительное число факторов: температура воздуха Тв и относительная влажность воздуха фв, коэффициент теплоотдачи от воздуха к поверхности слоя ав, а также температура охлаждаемой поверхности Тпов, на которой образуется иней. Кроме того, при работе холодильного оборудования зачастую наблюдается колебание величин указанных параметров.

1.2.2 Экспериментальные исследования роста слоя инея

Автором проведен анализ исследований, посвященных процессу образования инея, и выполнена их систематизация в соответствии с видом охлаждаемой поверхности, длительности т, а также температурно-влажностными условиями проведения опытов (Приложение, Таблица П.1). В существующей научной литературе по теплообмену в условиях инееобразования наиболее широко рассматриваются вопросы роста слоя инея на различных поверхностях, имеющих температуру не ниже минус 40 °С, что вполне оправданно для оборудования холодильной техники. Однако, в большинстве исследований эксперименты выполнены при температурах воздуха 1в больше 15 °С при продолжительности опытов т менее 3-5 часов, и лишь в немногочисленных работах получены экспериментальные данные и зависимости, описывающие рост слоя инея при околонулевых и отрицательных температурах воздуха 1в в условиях вынужденной конвекции [15,29,30,54,80,116,120,141].

В рамках исследований, проводимых в 70-е годы во ВНИХИ - филиал ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН» (ранее: Всесоюзный научно-исследовательский институт холодильной промышленности (ВНИХИ)), Явнелем Б.К. были получены экспериментальные данные по массе, коэффициенту теплопроводности и толщине слоя инея, образуемого на поверхности продольно обтекаемой пластины, круглом ребре и воздухоохладителе торгового холодильного оборудования [29-31]. Исследования Явнеля Б. К. отличаются высокой продолжительностью проведения опытов, которая достигала т = 48 часов, однако автором не было предпринято попыток теоретического обобщения полученных им экспериментальных данных.

На основе изучения формирования инея на плоской горизонтальной поверхности при околонулевых температурах воздуха в работе [80] установлено, что существует критическая температура влажного воздуха. При температурах воздуха ниже критической ее увеличение способствует повышению скорости роста слоя инея. При температурах воздуха выше критической дальнейшее ее увеличение приводит к оплавлению поверхности инея, при этом возможно даже снижение его толщины.

Отдельно необходимо отметить исследование [116], где представлены экспериментальные данные по изменению величин толщины дин и массы слоя инея тин во времени при температурах воздуха Тв, наиболее близких к режимам работы холодильного оборудования, а также получены безразмерные соотношения, обобщающие экспериментальные данные. Авторы отмечают, что теплофизические характеристики инея, образованного при отрицательных температурах, значительно отличаются от таковых, полученных при нормальных условиях = 20 °С). Шероховатость поверхности слоя инея Аин возрастает с увеличением относительной влажности воздуха и понижением температуры поверхности, на которой он образуется, затрудняя определение значений толщины 5ин и температуры поверхности слоя инея гпн°н".

В работах [109,174] авторами были получены безразмерные соотношения, описывающие рост толщины, плотности и температуры поверхности слоя инея с

погрешностью не более 10% в условиях вынужденной конвекции воздуха. Однако допустимые температурно-влажностные диапазоны применения указанных зависимостей весьма ограничены, а продолжительность экспериментов, выполненных авторами, не превышает т = 3 ч. В работе [143] представлено полуэмпирическое соотношение для расчета толщины слоя инея дин на цилиндре в зависимости от продолжительности роста т.

В работах [21,25,48,162] изучены возможности применения инея в качестве теплоизоляции труб, указаны необходимые температурно-влажностные условия формирования неразрушаемого слоя инея и предложена методика расчета его критической и нейтральной толщины. В качестве исходных параметров для расчета используются: температура, влажность, скорость воздуха, размер и температура наружной поверхности трубы.

Авторами исследования [120] получены эмпирические данные по росту толщины и массы слоя инея на коллекторе теплового насоса в виде трубчатого змеевика в естественных условиях при переменных колеблющихся параметрах окружающей среды (в том числе при капельных атмосферных осадках) с продолжительностью отдельных опытов т = 24 часа. Авторы отмечают, что для тепловых насосов переменные условия окружающей среды оказывают более значимое влияние на процесс теплопередачи, чем термическое сопротивление образующегося слоя инея.

Одной из особенностей инееобразования на внешней поверхности цилиндра является возможность неравномерного распределения значений толщины 5ин и

плотности слоя инея рин по контуру сечения. Уже при достижении скорости воздуха = 2 м/с наблюдается равномерное распределение толщины инея во всем диапазоне угловых секторов, при этом, независимо от скорости воздуха, на переднем секторе наблюдается приблизительно на 25% более плотный слоя инея [93]. В работах [35,106,107], посвященных исследованию оребренных труб, авторы также отмечают более интенсивное образование инея на лобовой зоне цилиндра. Профессор Сандерс С.Т. [141] связывает меньшую интенсивность роста толщины слоя инея при угле больше 80° от лобовой точки поперечно обтекаемого

цилиндра с зоной начала отрыва пограничного слоя и пониженными значениями локального коэффициента теплоотдачи. В дальнейшем распределение значений толщины слоя инея 5ин по контуру сечения цилиндра становится равномерным, что связано с ростом термического сопротивления слоя инея и снижением роли внешних коэффициентов тепло- и массообмена в процессе теплопередачи.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Королев Игорь Антонович, 2021 год

¿у* - //

иг

10

12

г, ч

Рис. 2.6. Зависимость толщины слоя инея 5ин от продолжительности роста т при = минус 2,5 °С; 1пов = минус 10,8 °С; =2,2 гр/кг; wв =4,6 м/с и = минус 1,9 °С; 1пов = минус 9,8 °С; =2,3 гр/кг; wв =7,0 м/с по экспериментальным данным Явнеля Б.К. [31]; по модели роста слоя инея автора; по модели Ченга С. Ш. [58]; по уравнению Ломакина В.Н. [15]

Рис. 2.7. Зависимость удельного теплового потока q от продолжительности роста слоя инея т при = минус 2,5 °С; 1пов = минус 10,8 °С; = 2,2 гр/кг; wв = 4,6 м/с и 1в = минус 1,9 °С; ^ = минус 9,8 °С; йв = 2,3 гр/кг; wв = 7,0 м/с по экспериментальным данным Явнеля Б.К. [31]; по модели роста слоя инея автора; по модели Ченга С. Ш. [58]

Результаты расчетов толщины слоя инея по методикам [58,143] приводят к систематическому завышению рассчитанных значений толщины слоя инея на 2730 % и соответствующему систематическому занижению результатов расчетов удельного теплового потока на 22 %.

Простая эмпирическая зависимость для расчета толщины слоя инея, предложенная Ломакинным В.Н. в работе [15], позволяет осуществить расчет толщины слоя инея для опытов Я3 и Я4 со средней погрешностью, не превышающей 7%. Однако, при сравнении результатов расчетов по ней с прочими экспериментальными данными по толщине слоя инея (Таблица 2) погрешности вычислений достигают 40-80% по причине выхода условий проведения опытов за допустимый температурно-влажностный диапазон ее применения.

С целью дополнительной проверки адекватности полученного автором приближенного решения задачи Фурье в виде соотношения (2.15) выполнен расчет температуры в слое инея и на его поверхности и проведено сравнение результатов вычислений с экспериментальными данными Явнеля Б.К. [31] (Я3, Таблица 2) для трех продолжительностей роста инея т = 8; 12 и 24 ч. Результаты расчетов распределения температуры представлены в Таблице 3 и на Рисунке 2.8.

Таблица 3.

Результаты расчета распределения температуры в слое инея по полученному

автором уравнению (2.18)

Продолжительность роста инея т = 8 ч Продолжительность роста инея т = 12 ч Продолжительность роста инея т = 24 ч

Координата х, мм Температура инея г ОС Координата х, мм Температура инея г ОС Координата х, мм Температура инея г ОС

0 -10,80 0 -10,80 0 -10,80

0,26 -10,46 0,34 -10,41 0,48 -10,35

0,52 -10,12 0,68 -10,03 0,96 -9,90

0,78 -9,79 1,02 -9,65 1,44 -9,46

1,05 -9,46 1,36 -9,27 1,92 -9,02

1,31 -9,13 1,69 -8,89 2,39 -8,58

1,58 -8,78 2,05 -8,50 2,90 -8,12

1 °с

-4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12

0 1 2 3 4 5 6

Расстояние от охлаждаемой стенкн. мм

Рис. 2.8. Распределение температуры ? в слое инея и у его поверхности в зависимости от расстояния от охлаждаемой поверхности х при: = минус 2,5 °С; 1пов = минус 10,8 °С; йв =2,2 гр/кг; =4,6 м/с для продолжительностей роста слоя т = 8; 12 и 24 часа: по экспериментальным данными Явнеля Б.К. [30] и расчет по полученному соискателем уравнению (2.18)

Отклонение результатов расчетов температуры в слое инея по полученному автором уравнению (2.18) от экспериментальных данных Явнеля Б.К. [31] не превышает погрешности измерений температуры & = ±0,2 °С. Функция распределения температуры в слое инея 1ин(х) представляет собой параболу (выпуклую вверх), что связано с уменьшением теплопроводности инея при понижении значений его локальной температуры.

На Рисунке 2.9 представлено сравнение результатов расчетов толщины слоя инея дин по разработанной соискателем модели роста слоя и зависимости Шнайдера Х. В. [143] с экспериментальными данными исследователя Ямакавы Н. [171] ЯМ1-ЯМ2 (Таблица 2).

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3

т, ч

Рис. 2.9. Зависимость толщины слоя инея дин от продолжительности роста т при ^ =11 °С; ^ов = минус 22 °С; =4,4 ^ 5,5 гр/кг; = 5 м/с по экспериментальным данным Ямакава Н. [171]; по модели роста слоя инея автора; по зависимости Шнайдера Х. В. [143] Анализ результатов расчетов и экспериментальных данных показал, что с понижением абсолютного влагосодержания воздуха на 20 % за т = 2,5 часа образуется иней с меньшей на 34 % толщиной слоя. При этом погрешность расчетов толщины слоя инея по предложенной соискателем модели не превышает Адин = 12%. Применение для расчета толщины инея зависимости Шнайдера Х.В. [143] приводит к завышенным значениям толщины слоя на Аёин = 22-30%. Результаты расчетов толщины инея по методикам, предложенным в исследованиях [15] и [58], демонстрируют погрешность расчетов толщины слоя инея Аёин более 70 % и не могут быть использованы в указанных температурно-влажностных условиях для расчета процессов инееобразования.

На Рисунках 2.10-2.13 показано сравнение результатов расчетов толщины слоя инея 8т, плотности теплового потока q по математической модели роста слоя инея на охлаждаемой цилиндрической поверхности (наружный диаметр d = 40 мм) и экспериментальных данных Сандерса С.Т. [141]. Температурно-влажностные условия проведения опытов (С1-С7, Таблица 2) наиболее близко соответствуют условиям работы воздухоохладителей в среднетемпературных холодильных камерах.

Рис. 2.10. Зависимость толщины слоя инея дин от продолжительности роста т при (С1-С3) ¿е=0 °С; ^ов= минус 15 °С; dв=2,6 гр/кг; wв= 3 - 10 м/с по экспериментальным данным Сандерса С.Т. [141]; по модели роста слоя инея автора; по зависимости Шнайдера Х. В. [143] Анализ результатов расчетов и экспериментальных данных С1-С3 (Таблица 2) показал, что уменьшение скорости воздуха wв на 7 м/с, при соответствующем снижении коэффициента теплоотдачи воздуха ав в два раза способствует уменьшению толщины образующегося слоя инея дин за время т = 15 ч менее, чем на 10% и снижению начальных значений теплового потока через охлаждаемую поверхность д на 40 %. Наиболее интенсивное снижение теплового потока д наблюдается в течение первых пяти часов роста слоя инея. Средняя погрешность расчета толщины слоя инея по модели автора для опытов С1-С7 (Таблица 2)

Сандерса С.Т. [141] не превышает 10,5 %, а средняя погрешность расчетов удельного теплового потока не превышает 7,8 %.

q, 1400 Вт/м2

12ÜÜ 1000 800 600 400 200 0

♦ Эксп. Сандерс С.Т. [141] 10 м/с А Эксп. Сандерс С.Т. [141] б м/с А Эксп. Сандерс С.Т. [141] 3 м/с 1 По модели зншра -

JL V V ж - t | | ► ♦ ♦ < ►

А А it—д—! А А 4 А t 1 i

10 15 т ч 20

Рис. 2.11. Зависимость удельного теплового потока q от продолжительности роста слоя инея т при (С1-С3) ¿в=0 °С; 1пов= минус 15 °С; йв=2,6 гр/кг; ^в= 3 ^ 10 м/с по экспериментальным данным Сандерса С.Т. [141]; по модели роста слоя инея автора.

5

ММ

♦

■

0 у А

♦ Эксп, Сандерс С.Т. [l41]t,= -l°C А Эксп. Сандерс С.Т. [141] t,- -6°С • Эксп. Сандерс С.Т. [141] 1,= -10°С ■ Эксп. Сандерс С.Т. [141] V -5°С 111 1 По модели автора ---По зав. Шнайдера Х.В. [143] -1-1-

' / лОд h/sT ! // Jy i

i/fjr '//ж

10

15

20

ч

Рис. 2.12. Зависимость толщины слоя инея дин от продолжительности роста т при (С4) tв= минус 1 °С; 1пов= минус 10 °С; ^в=2,8 гр/кг, ^в= 6 м/с; (С5) минус 6 °С; 1пов= минус 10 °С; ^в=2,1 гр/кг; ^в= 6 м/с; (С6) tв= минус 10 °С; 1пов= минус 20 °С; йв=1,4 гр/кг, ^в= 6 м/с; (С7) минус 5 °С; 1пов= минус 20 °С; ^в=1,4 гр/кг, ^в= 6 м/с по экспериментальным данным Сандерса С.Т. [141] и по модели роста слоя инея автора на цилиндрической поверхности

я, 1200 Вт/м2

1000

♦ Эксп. Сандерс С.Т. [141] 1,--1°С ▲ Эксп. Сандерс С.Т. [141] и -6°С

О Эксп. Сандерс С.Т. [141] ^ -10°С В Эксп. Сандерс С.Т. [141] -5°С По модели автора

800 ♦

600

400

200

0

0

5

10

15

20

Рис. 2.13. Зависимость удельного теплового потока q от продолжительности роста

слоя инея т при: (С4) минус 1 °С; 1пов= минус 10 °С; ^в=2,8 гр/кг, ^в= 6 м/с; (С5) ^=-6 °С; 1пов= минус 10 °С; dв=2,1 гр/кг; ^в= 6 м/с; (С6) 1в= минус 10 °С; 1пов= минус 20 °С; ^в=1,4 гр/кг, ^в= 6 м/с; (С7) минус 5 °С; 1пов= минус 20 °С; ^в=1,4 гр/кг, ^в= 6 м/с по экспериментальным данным Сандерса С.Т. [141] и по модели роста слоя инея автора на цилиндрической поверхности

Применение для расчета толщины инея зависимости Шнайдера Х.В. [143] при отрицательных температурах воздуха приводит к завышенным значениям толщины слоя на Аёин = 17-41%. Результаты расчетов толщины инея по методике, предложенной в исследовании [58], демонстрируют завышенные значения расчетов толщины слоя инея Аёин более 70 % и не могут быть использованы при отрицательных температурах воздуха по причине нереалистичного занижения плотности слоя (1.10).

На Рисунке 2.14 представлено сравнение результатов расчетов толщины слоя инея по математической модели соискателя и экспериментальных данных М1-М3 (Таблица 2) исследователя Мао Ю. [116]. Низкое абсолютное влагосодержание воздуха dв= 0,85 - 1,0 г/кг при отрицательных температурах воздуха минус 13 - минус 20 °С способствует замедлению роста толщины слоя инея в 4-5 раз по сравнению с околонулевыми температурами воздуха.

О 0,5 1 1,1 г ,, 2

Рис. 2.14. Зависимость толщины слоя инея 5ин от продолжительности роста т при (М1) гв= минус 13 °С; ^ов= минус 22 °С; 4Н,0 гр/кг, wв= 2,5 м/с; (М2) гв= минус 13 °С; ^ов= минус 22 °С; йв=1,0 гр/кг; ^в= 1,5 м/с; (М3) tв= минус 20 °С; ^ов= минус 23,7 °С; ^в=0,85 гр/кг, ^в= 2 м/с; по экспериментальным данным Мао Ю. [116] и по модели роста слоя инея автора Анализ результатов расчетов для условий проведения опытов М1-М3 (Таблица 2) подтверждает адекватность разработанной соискателем математической модели роста слоя инея. Погрешность расчетов толщины слоя инея не превышает в абсолютном значении А6ин=±0,1 мм, для продолжительности роста слоя инея т = 2 ч.

На Рисунках (2.15) и (2.16) представлено сравнение результатов расчетов по модели автора с экспериментальными данными Ванг В. [163]. На основе проведенного анализа установлено, что с увеличением абсолютного влагосодержания воздуха йв на 69 % толщина слоя инея дин, образующегося в течение т =1 ч больше в 1,6 раза (Рисунок 2.15). При этом погрешность расчетов толщины слоя инея для условий проведения опытов В1-В7 (Таблица 2) по модели соискателя не превышает в абсолютном значении Аёин =±0,2 мм.

Зин, 1,5

^ин, ММ

1,2

0,9

0,6

0,3

0,0

0

♦ Эксп. Ванг В. [163] ав=1,б г/кг ▲ Эксп. Ванг В. [163] с!в=2 г/кг Эксп. Ванг В. [163] а, 2.7 г/кг 'По модели автора А

А

А

А А ж- А

^^ А А ♦ ♦

/а ф д—

0,2

0,4

0,6

0,8

х, ч

1

Рис. 2.15. Зависимость толщины слоя инея 5ин от продолжительности роста т при (В1-В3) tв=0 °С; ^ов= минус 16 °С; ^=1,6 - 2,7 г/кг, 5 м/с; по экспериментальным данным Ванг В. [163] и по модели роста слоя инея автора

Рис. 2.16. Зависимость толщины слоя инея 5ин от продолжительности роста т при (В4,В5, В7) 4= минус 3 °С; ^= минус 16 °С; ^=1,2 - 1,9 г/кг, ^в= 5 м/с; по экспериментальным данным Ванг В. [163] и по модели роста слоя инея автора

Таким образом, несмотря на отсутствие общепринятой методики измерения толщины инея 5ин и высокую шероховатость слоя Аин в некоторых из опытов, расчетные данные по толщине инея и плотности теплового потока д по разработанной автором модели роста слоя инея адекватно описывают влияние температурно-влажностных факторов на процесс инееобразования. Погрешность расчетов толщины слоя инея и плотности теплового потока для подавляющего числа экспериментальных данных независимых исследователей не превышает 15%, что является достаточной для инженерных расчетов точностью. При этом в отличие от эмпирических зависимостей и моделей других исследователей представленная модель обеспечивает на 10-70 % меньшую погрешность расчетов при околонулевых и отрицательных температурах воздуха, т.е. в характерных для холодильной техники условиях.

2.5 Анализ влияния температурно-влажностных условий на интенсивность

роста слоя инея и тепловой поток через охлаждаемую поверхность

На основе разработанной и верифицированной соискателем модели роста слоя инея представляет интерес изучить влияние температурно-влажностных параметров на динамику роста толщины слоя инея. При этом в качестве параметра, характеризующего интенсивность роста толщины слоя инея, удобно воспользоваться элементом подстановки Ламе-Клапейрона [16] - фактором роста слоя инея, Р = 8ин /4т, м/с0'5, а для анализа изменения величины удельного теплового потока q - фактором интенсивности снижения теплового потока О, %/с:

О = д' / д т__6Ч-100%, (2.49)

I 2

где д'|т=6ч = 3д/От, Вт/(м с), - производная теплового потока по времени при

продолжительности роста слоя т = 6 ч.

Постановка задачи: В качестве базовых для расчета фактора роста толщины слоя инея 3 и фактора интенсивности снижения теплового потока О

при т = 6 ч принять характерные для воздухоохладителей холодильной камеры условия:

• температура воздуха 1в = минус 18 °С;

• влажность воздуха фв = 90 %;

2

коэффициент теплоотдачи воздуха ав = 46 Вт/(м °С); • температурный напор ((в-(пов) = 8 °С.

Выполнить варьирование каждого из тепло-влажностных параметров:

• 1в = плюс 2 * минус 33 °С;

• срв = 75 * 100 %;

2

• ав = 10 * 70 Вт/(м2°С);

• ^в-пов) = 5 * 17,5°С;

и исследовать влияние указанных параметров на фактор роста слоя инея 3 и интенсивность снижения теплового потока О. Результаты расчетов указанных величин представлены в Приложении, Таблица П.6 и для наглядности на Рисунках 2.17 - 2.22.

Рис. 2.17. Зависимость фактора интенсивности снижения теплового потока О от температуры воздуха 1в при температурном напоре (^-^д) = 5 - 17,5 °С

■35 -25 -15 -5 5

Рис. 2.18. Зависимость фактора роста толщины слоя инея в от температуры воздуха tв при температурном напоре (?в-?пов) = 5 ^ 17,5°С

Проведенные параметрические расчеты показывают (Рисунки 2.17-2.18), что при температурном напоре ((в-(пов) = 8 °С, характерном для работы воздухоохладителей, с понижением температуры воздуха 1в на 30 °С фактор снижения теплового потока О уменьшается на 40 %, а интенсивность роста толщины слоя инея в в 6 раз, пропорционально величине абсолютного влагосодержания воздуха йв. С увеличением температурного напора ((в-(пов) влияние температуры воздуха на фактор теплового потока О снижается. Так, при температурном напоре (1в-1пов) = 17,5 °С с понижением температуры воздуха 1в на 30 °С фактор теплового потока О уменьшается лишь на 13 %.

Чем больше величина температурного напора, тем меньше его увеличение оказывает влияние на интенсивность роста толщины слоя инея и снижение интенсивности теплового потока. Причиной этого является экспоненциальный характер зависимости абсолютного влагосодержания насыщенного воздуха от его температуры.

При постоянной температуре воздуха и температурного напора фактор роста толщины слоя в и фактор теплового потока О линейно пропорциональны относительной влажности воздуха (Рисунки 2.19-2.20).

Рис. 2.19. Зависимость фактора интенсивности снижения теплового потока О от температуры воздуха при различных значениях относительной

влажности воздуха фв = 75 4- 100 % р> _ *

мм/ч0-5

1,6 1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

-♦-фи= 75% —■— фв = 80% ^г.фв = 35% 100%

-35

-25

-15

1 °С

Рис. 2.20. Зависимость фактора роста толщины слоя инея в от температуры воздуха при различных значениях относительной влажности воздуха (рв = 75 4- 100 %

Рис. 2.21. Зависимость фактора интенсивности снижения теплового потока О от

температуры воздуха 1в при различных значениях коэффициента

2

теплоотдачи воздуха ав = 10 ^ 70 Вт/(м °С)

Рис. 2.22. Зависимость фактора роста толщины слоя инея в от температуры воздуха 1в при различных значениях коэффициента теплоотдачи воздуха ав = 10 ^ 70 Вт/(м2°С)

C увеличением коэффициента теплоотдачи воздуха ав его влияние на фактор роста толщины слоя ß и фактор теплового потока Q снижается (Рисунок 2.21-2.22). Так с увеличением коэффициента теплоотдачи ав от 10 до 22 Вт/(м2°С) образуется на 60 % более толстый слой инея, а интенсивность снижения теплового потока возрастает в 2 раза. Однако дальнейшее увеличение коэффициента теплоотдачи воздуха ав от 46 до 70 Вт/(м °C) приводит к формированию инея с толщиной слоя больше лишь на 7 %, а интенсивность снижения теплового потока возрастает на 20.

При высоких значениях коэффициента теплоотдачи роль основного термического сопротивления начинает выполнять формирующийся слой инея. И, хотя коэффициент массообмена увеличивается (пропорционально коэффициенту теплоотдачи в соответствии с аналогией тепло- и массообмена), росту потока массы противостоит повышение температуры поверхности слоя инея и снижение движущей силы процесса в пограничном слое - разницы абсолютного влагосодержания воздуха в объеме de и при температуре поверхности слоя dЦ".

2.6 Выводы по главе 2

Получена эмпирическая зависимость для расчета локальной теплопроводности инея с плотностью не более 350 кг/м в широком диапазоне температур охлаждаемой поверхности и окружающей среды в наиболее характерных для холодильной техники условиях. Предложенная зависимость выгодно отличается простотой и демонстрирует в среднем на 25-30% меньшую погрешность расчета коэффициента теплопроводности слоя по сравнению с существующими эмпирическими уравнениями других исследователей.

На основе приближенного решения уравнения Фурье в нестационарной форме разработана математическая модель роста слоя инея, учитывающая влияние температуры слоя на значения его теплопроводности и обобщающая

экспериментальные данные независимых исследователей при температурах воздуха от минус 20 до плюс 10°С. Получены аналитические зависимости для расчета температуры на поверхности и внутри слоя инея для плоской и цилиндрической охлаждаемых поверхностей. Разработан алгоритм расчета толщины слоя инея и удельной плотности теплового потока в зависимости от продолжительности протекания процесса.

С целью верификации разработанной соискателем математической модели выполнены расчеты роста толщины слоя инея и изменения теплового потока через охлаждаемую поверхность при околонулевых и отрицательных температурах воздуха. Результаты вычислений толщины слоя инея и теплового потока через охлаждаемую поверхность по разработанной автором модели согласуются с большинством экспериментальных данных различных исследователей с погрешностью, не превышающей 15%. При этом, в отличие от эмпирических зависимостей и математических моделей других исследователей, представленная соискателем модель роста слоя инея обеспечивает меньшую на 10-70 % погрешность расчетов толщины слоя инея и может быть рекомендована для использования в широком диапазоне температурно-влажностных условий, характерных для холодильной техники.

На основе разработанной математической модели роста слоя инея проведен анализ влияния температуры, относительной влажности и коэффициента теплоотдачи воздуха на интенсивность роста толщины слоя инея (фактор роста в) и интенсивность снижения удельного теплового потока (фактор О). Показано, что в условиях, характерных для работы тепловых насосов и холодильной техники, с понижением температуры воздуха на 30 °С интенсивность роста толщины слоя инея в снижается в 6 раз, а интенсивность снижения теплового потока О на 40%. При постоянной температуре воздуха его относительная влажность линейно пропорциональна интенсивности роста слоя инея и динамике снижения теплового потока. С увеличением коэффициента теплоотдачи воздуха ав выше 45 Вт/(м °С) его влияние на интенсивность роста толщины слоя инея многократно снижается.

Глава 3. Экспериментальное исследование технических характеристик

Для исследования особенностей формирования слоя инея на теплообменной поверхности камерных воздухоохладителей, а также разработки и верификации математической модели процесса охлаждения влажного воздуха на базе действующей во «ВНИХИ» - филиал ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН низкотемпературной холодильной камеры (температура воздуха до минус 45°С) был создан экспериментальный стенд (Рисунок 3.1), позволяющий моделировать различные температурно-влажностные условия работы промышленного низкотемпературного воздухоохладителя (поддержание постоянной температуры ?ВО от минус 5 до минус 20, °С, и относительной влажности воздуха рВО = 40 - 100, % на входе в аппарат).

Рис. 3.1. Общий вид экспериментального стенда для исследования технических характеристик воздухоохладителя в условиях инееобразования

воздухоохладителя в условиях инееобразования 3.1 Описание экспериментального стенда

Принципиальная схема разработанной экспериментальной установки, отражающая расположение основных элементов стенда и направление движения воздушных потоков, представлена на Рисунке 3.2.

Рис. 3.2. Принципиальная схема экспериментального стенда для исследования процессов тепломассообмена в воздухоохладителе, работающем при различных температурно-влажностных условиях инееобразования: 1 -низкотемпературная холодильная камера; 2 - двухконтурный промышленный воздухоохладитель; 3 - аэродинамические перегородки; 4 - ультразвуковой увлажнитель воздуха; 5 -электронагреватель; 6 - видеокамеры и смотровое стекло; 7 - съемное калиброванное сужение; 8 - воздуходувка Разработанный автором экспериментальный стенд (Рисунок 3.2) представляет собой холодильную камеру 1, оснащенную низкотемпературным двухконтурным промышленным воздухоохладителем «GUNTNER S-GHN 040.2N/П0-ENW50.E» с непосредственным кипением холодильного агента 2. Внутри холодильной камеры были установлены аэродинамические перегородки 3, обеспечивающие циркуляцию воздуха по замкнутому контуру. Технические характеристики основных элементов стенда представлены в Таблице 4.

Таблица 4.

Технические характеристики основных элементов стенда

Характеристика Значение

Хладагент: ГФУ R507а

Среднетемпературный компрессор: Bitzer 4ЕС-4^

Тип компрессора: Поршневой, полугерметичный

Частота вращения коленчатого вала п, об/мин 1450

Геометрическая объёмная производительность компрессора ¥комп, м3/ч 22,7

Марка воздухоохладителя GUNTNER S-GHN 040.2Ш10-Е^50.Е

Площадь теплопередающей поверхности контура 2 воздухоохладителя ЕвВО, м 33,9

Количество контуров пк, шт 2

Шаг оребрения 5р, мм 10

Толщина ребер зр, мм 0,5 (алюминий)

Шаг трубок по длине и высоте 51, 52, мм 50

Диаметр трубок й и толщина стенок з , мм ' ' хх./ тр тр ' 15х0,5 (Медь)

2 Фронтальная площадь теплообменного ядра , м 0,47

Число рядов по высоте и длине независимого контура п, шт (всего аппарата) 14x7 (14x14)

Ширина теплообменного ядра воздухоохладителя Ж ВО , м2 0,67 м

Потребление энергии в режиме оттаивания Кот, кВт 2,08

Количество вентиляторов, пвент 1

Характеристики вентилятора

Диаметр вентилятора Dвeнт, мм 1х400

Электрическая мощность Квент, кВт 1х0,23

С целью поддержания требуемой температуры воздуха tB0 на входе в воздухоохладитель (за счет создания регулируемого искусственного теплопритока) при безостановочной работе холодильного компрессора холодильная камера была оснащена электрическим нагревателем воздуха 5 (Рисунок 3.2) с максимальной мощностью 4 кВт. Управление его нагревательной мощностью осуществлялось при помощи разработанного автором ПИД ШИМ регулятора температуры воздуха на базе микроконтроллера ATMega328P и цифрового датчика температуры DS18B20. Подбор коэффициентов ПИД регулятора был выполнен эмпирическим путем в соответствии с методикой Тиреса - Любена [8].

При разработке стенда с целью поддержания необходимой относительной влажности воздуха на входе в воздухоохладитель фВО автором первоначально был использован способ увлажнения воздуха в камере перегретым паром. Ввиду малого объема холодильной камеры стенда указанный способ увлажнения не позволил добиться равномерного распределения влаги по всему потоку воздуха. Последующие испытания также подтверждают, что важную роль при проектировании и компоновке холодильных камер имеет обеспечение равномерного распределения потоков воздуха, иначе становится возможным локальное обмерзание воздухоохладителя, связанное с неравномерным распределением влаги в потоке воздуха на его входе.

В результате пробных опытов предпочтение было отдано дозированной подаче увлажненного воздуха с температурой te = 20 - 22 °С из внешнего объема в холодильную камеру при помощи воздуходувки 8 (Рисунок 3.2). Дополнительное увлажнение подаваемого воздуха осуществлялось непосредственно на входе в камеру двумя ультразвуковыми парогенераторами 4 с плавной ручной регулировкой и суммарной максимальной производительностью Оел = 2,5 кг/час. Подача теплого увлажненного воздуха в камеру осуществлялась непосредственно в центр струи воздушного потока сразу после

электронагревателя 5 (Рисунок 3.2), что способствовало лучшей гомогенизации влаги и равномерному ее распределению в объеме воздуха.

В результате совместной работы электронагревателя и устройства подачи влажного воздуха температуру и относительную влажность воздуха на входе в воздухоохладитель можно было поддерживать в диапазоне <ВО от 40 до 100 процентов с погрешностью до ±5%, а температуру от минус 5 до минус 20, °С, с погрешностью ±0,5°С.

Рис. 3.3. Общий вид размещения элементов контрольно-измерительной системы

для сбора экспериментальных данных

Для сбора экспериментальных данных по техническим характеристикам воздухоохладителя был использован измерительный комплекс (Рисунок 3.3), выполненный на базе двух модулей аналогового ввода ОВЕН МВ110 - 8А. Измерение температур воздуха , °С, и кипения холодильного агента , °С, а

также величины перегрева , °С, осуществлялось игольчатыми платиновыми

(РЙ00) термометрами сопротивления «ЭЛЕМЕР ТС-1288» с диаметром монтажной части 2 мм и постоянной времени т = 30 с. Подключение термометров сопротивления было выполнено по четырехпроводной схеме. Измерение относительной влажности воздуха выполнено при помощи трех

промышленных датчиков влажности <^ойошс НС2-1С102», а скорости

воздушного потока на входе в воздухоохладитель - двумя термоанемометрами «ЭКСИС ТТМ-2-04».

Аэродинамическое сопротивление аппарата измерялось дифференциальным микроманометром «МАШПРИБОР ММН 2400», для чего в холодильной камере были проложены шланги из поливинилхлорида, обеспечивающие забор воздуха непосредственно перед входом в воздухоохладитель, а также на выходе из теплообменного ядра аппарата до вентилятора. Измерение массы образованного на поверхности воздухоохладителя инея осуществлялось после его оттаивания на технических весах типа ВНЦ марки «ВТЦ10». Потребляемая холодильной установкой мощность измерялась при помощи счетчика электроэнергии «Меркурий 231-АМ01».

В одной из серий проведенных опытов дополнительно устанавливалось калиброванное сужение 7 (Рисунок 3.2), обеспечивающее иную напорную характеристику вентилятора воздухоохладителя. Для наблюдения за ростом слоя инея вместо поддона воздухоохладителя была установлена рама с двойным прозрачным стеклом 2. Дополнительно на раме и внутри воздухоохладителя были установлены светодиодные лампы и светодиодная лента малой мощности, обеспечивающие освещение во внутреннем объеме воздухоохладителя, и видеокамеры 6, позволяющие контролировать и измерять толщину слоя инея дин в различных точках по глубине воздухоохладителя. Общий вид воздухоохладителя снизу и системы сбора данных по толщине слоя инея представлен на Рисунке 3.4.

3.2 Методика проведения эксперимента

В рамках намеченных исследований автором проводились испытания воздухоохладителя как в сухих (температура точки росы воздуха ниже температуры кипения), так и в регулируемых влажных условиях.

Рис. 3.4. Внешний вид воздухоохладителя снизу и некоторые элементы системы

сбора данных по толщине слоя инея Перед началом проведения каждого эксперимента осуществлялась просушка холодильной камеры и воздухоохладителя в течение не менее т = 24 ч. После запуска холодильной установки осуществлялся ее вывод на заданный температурный режим в условиях отсутствия подачи избыточной влаги и увлажненного теплого воздуха извне.

При приближении температуры воздуха на входе в воздухоохладитель хв° к необходимому значению осуществлялось включение электронагревателя, искусственно создающего достаточный теплоприток в холодильную камеру, с целью поддержания постоянной температуры воздуха в аппарат при безостановочной работе холодильного компрессора на всем протяжении опыта. В случае проведения опытов в регулируемых влажных условиях также включалась воздуходувка, обеспечивающая подачу теплого влажного воздуха из внешнего объема, и ультразвуковые увлажнители воздуха.

Особенностью исследуемого воздухоохладителя (Рисунок 3.4-3.5) является наличие в одном корпусе двух последовательно размещенных контуров для холодильного агента, обеспечивающих независимую работу двух холодильных установок - среднетемпературной (минус 10 - минус 25°С) с одноступенчатым полугерметичным компрессором В^ег 4EC-4.2Y и низкотемпературной (минус 25 - 40°С) с двухступенчатым полугерметичным компрессором В^ег S4T-5.2Y.

На всем протяжении эксперимента с помощью средств программного обеспечения <^КАОА» осуществлялась регистрация экспериментальных данных по температуре, скорости и влажности воздуха каждые Ат = 5 с. Фиксация электрической мощности Ы, кВт, потребляемой холодильной установкой, перепада давлений воздуха в теплообменном ядре воздухоохладителя АРвВ°, Па, а также цифровых изображений с видеокамер осуществлялась вручную с периодичностью записи Ат = 30^60 мин.

В некоторых из опытов осуществлялась перестановка термоанемометров в другое положение (Рисунок 3.5) с целью анализа распределения скорости воздуха по фронтальной площади аппарата (Рисунок 3.6).

Рис. 3.5. Расположение термоанемометров и соответствующих точек измерения скорости воздуха (две позиции)

м/с

2,25 2

1,75 1,5 1,25 1

40 60 80 100 120

ДРво, Па

Рис. 3.6. Зависимость измеряемой скорости воздуха на входе в воздухоохладитель we1 от аэродинамического сопротивления теплообменного ядра аппарата д РвВО при различных позициях расположения термоанемометров VI1, VI2 Анализ результатов измерений (Рисунок 3.6) подтверждает равномерное распределение профиля скоростей воздуха на входе в воздухоохладитель (место расположения точек измерения температуры и влажности воздуха соответствуют точкам измерения скорости). При этом максимальное расхождение скоростей

воздуха, фиксируемых термоанемометрами не превышало — 0,2 м/с.

В случае проведения исследований технических характеристик аппарата в сухих условиях, после выхода на режим осуществлялась выдержка установки в каждом из температурных режимов в течение не менее, чем Ат = 1,5 ч. При проведении экспериментов во влажных условиях опыты прекращались при достижении такого перепада давлений на вентиляторе, при котором начинался эффект «помпажа», связанный с ростом аэродинамического сопротивления воздухоохладителя из-за уменьшения инеем проходного сечения аппарата.

После отключения холодильной установки осуществлялось оттаивание инея с поверхности воздухоохладителя, сбор и измерение массы оттаявшей влаги.

3.3 Методика обработки экспериментальных данных

Пространственно-усредненные величины скорости, влажности и температуры воздуха на входе и выходе из воздухоохладителя рассчитывались на основе исходных экспериментальных данных (предварительно усредненных по двухминутным интервалам) по следующим формулам: Средняя скорость воздуха на входе в аппарат:

ВО (VI1 , VI2\ , 0 /о 1 \

= (+ ^в1 ) /2, (3.1)

где 1 и м^ 2 - скорость воздуха, фиксируемая термоанемометрами, установленными

на входе перед теплообменным ядром воздухоохладителя, м/с.

Температура воздуха на входе в аппарат:

во =

ВО =(С + ТГ)/2, (3.2)

где ТТ1 и Т^12 - температура воздуха, фиксируемая термометрами сопротивления,

установленными на входе перед теплообменным ядром воздухоохладителя, К. Относительная влажность воздуха на входе в аппарат:

ВО ( Ы11 Ы 2\ , , сх

<1 = (<1 + <1 ) /2, (3.3)

где <рЫ 1 и (р^2 - относительная влажность воздуха, фиксируемая датчиками влажности, установленными на входе перед теплообменным ядром воздухоохладителя, %. Температура воздуха на выходе из аппарата:

(ТТ1 + ТТ2) /2, (3.4)

грВО I грИ 1 гр Тв 2 = + Т

где Т^1 и тВ22 - температура воздуха, фиксируемая термометрами сопротивления, установленными на выходе, после теплообменного ядра воздухоохладителя, К. Влажность воздуха на выходе из аппарата:

ВО Ы11 /о СЧ

<2 =<2 , (3.5)

Ы11 1

где <2 - относительная влажность воздуха, фиксируемая датчиком влажности, установленным на выходе, после теплообменного ядра воздухоохладителя, %.

Температура кипения холодильного агента:

ТВО _ (тТ11 I ТТ12 Т0 _ \Т0 + Т0

)'

(3.6)

Т11

где Т0 и ТО

Т 2

- температура кипения холодильного агента, фиксируемая

тгВО ВО ^ВО

V _ж , ■г, .

в в1 фронт

термометрами сопротивления, установленными на поверхности трубок воздухоохладителя, которые термоизолированы снаружи, К. Объемный расход воздуха через воздухоохладитель:

(3.7)

Для всех проведенных экспериментов холодопроизводительность воздухоохладителя аВ°, Вт, рассчитывалась на основе объемного расхода воздуха и изменения его энтальпии следующим образом:

Qoво _ р. ■ V!0 {сР. ■ [т.Во —т™] + х-[С -4°]), (3.8)

где йВО и йввО - абсолютное влагосодержание воздуха, кг/кг, соответственно на входе и выходе из теплообменного ядра аппарата.

Объемная производительность холодильного компрессора Vкомп, м /ч:

_ ■

Q^

ВО

(3.9)

ди(ТоВО )• 3600с'

где - удельная объемная холодопроизводительность холодильного агента, Дж/м3, при соответствующей температуре кипения в воздухоохладителе. Масса инея, образовавшегося на поверхности воздухоохладителя:

С _)р,-гП<!Т — (3.10)

о 4 7

Среднелогарифмический температурный напор в каждый момент времени рассчитывался по соотношению:

ТВО — Т во

©, _ Т.2 _Те1 ч. (3.11)

1п

1п

С Т во — Т ^ '

Т .2 Т0 Т ВО — Т VТ.1 Т0 У

Коэффициент теплопередачи:

к _

а

ВО

г ■©

1 ВО

(3.12)

Толщина инея на элементах воздухоохладителя определялась путем обработки цифровых изображений, полученных при помощи видеокамер, установленных на прозрачном поддоне аппарата. Каждое из изображений имело исходное разрешение 640x480 пикселей (Рисунок 3.7).

Рис. 3.7. Общий вид теплообменной поверхности без инея в начале опыта и с инеем, а также пояснения к методике расчета толщины слоя инея методом масштабирования на основе характерных размеров и количества пикселей Путем сравнения первичной фотографии теплообменной поверхности (без инея) и последующих фотографий с инеем, образованным на теплообменной поверхности, толщина слоя инея дин рассчитывалась методом масштабирования на основе характерных размеров (расстояние между трубками и ребрами) по соответствующему числу пикселей:

5? «и

о = п

I,

хар

'пикс п хар пикс

(3.13)

Где ьха - характерный размер теплообменной поверхности, м;

КИс - число пикселей изображения, соответствующих по длине характерному размеру ьхр, шт;

г^ин

Ппикс - число пикселей изображения соответствующих толщине слоя инея, образованного на теплообменной поверхности, шт;

3.4 Погрешность проведения эксперимента

Предельная абсолютная погрешность измерения аэродинамического сопротивления теплообменного ядра дифференциальным микроманометром «МАШПРИБОР ММН 2400» по данным изготовителя АРвВО = ±2 Па.

Предельная абсолютная погрешность измерения электрической мощности, потребляемой холодильной установкой, счетчиком электроэнергии «Меркурий 231-АМ01» (класс точности а = 1 при номинальной мощности Ином = 3,3 кВт):

а 1

Ш_ — ■ кпм _ — -3,3 кВт_±0,033 кВт. (3 14) 100 ном 100 '

Предельная абсолютная погрешность измерения массы оттаявшего с поверхности воздухоохладителя инея на технических весах типа ВНЦ второго класса точности марки «ВТЦ10»:

АОв° Ов° кг _ ±0,2 кг. (3.15)

ин 100 ин 100 '

Холодопроизводительность установки в проведенных опытах являлась косвенно измеряемой величиной и рассчитывалась на основе результатов измерения температуры, влажности, скорости воздуха, размеров воздухоохладителя:

аВ° _р.■КВ° ■ {ср.■ [т? — ТВО]+х-[йВ° — ])_

(3.16)

(ггВО] ВО Т^ВО Гт^ВО гтВО! , т Г А ВО лВО~\\

= Ре {Те1 -Гфронт ■{СРе ' [Те1 — Те2 ] + Х- [йе1 — <2]}

Погрешность проведенных измерений холодопроизводительности имеет место в результате погрешности термометров сопротивления, датчиков влажности, термоанемометров, средств измерения размеров аппарата и аналогово-цифрового преобразователя ОВЕН.

При измерении габаритных размеров теплообменного ядра воздухоохладителя автором была использована линейка измерительная металлическая ГОСТ 427-75, с ценой деления 1 мм и пределом измерений 1000 мм. Приняв абсолютную величину погрешности измерения равной наименьшей

цене деления, относительная погрешность измерения ширины WВО, м, и высоты

HВО , м, теплообменного ядра аппарата может быть рассчитана как:

SWBO «SHВО = 1/700• 100 % = 0,2 %. (3.17)

В соответствии с данными производителя термометров сопротивления абсолютная погрешность определения температуры в результате неточности заводской калибровки составляет:

ДТТС = 0,1 °C + 0,0017 • (Т) = 0,1 °C + 0,0017 • (40°C) = ±0,17°C. (3.18)

Предельная приведенная погрешность преобразователя «ОВЕН МВ 110 -8а» по данным производителя составляет 7 = ±0,25%. Абсолютная погрешность определения температуры для вторичного преобразователя может быть рассчитана по следующему соотношению:

дтОВ = Т^— = 40°C ^±0,25% = 0,1 °C. (3.19)

ОВ 100% 100% v 7

Предельная абсолютная погрешность определения температуры:

ДТ ^ДТ7С 2 +ДТОВ 2 =,10,172 + 0,12 = ±0,2°C. (3.20)

В соответствии с данными производителя датчиков измерения влажности «Rotronic HC2-IC102» относительная погрешность измерения влажности в результате неточности заводской калибровки составляет ( =±0,8%. При

температуре воздуха ниже 0°С абсолютная ошибка в определении влагосодержания воздуха при tB = 0 °C и (в = 100 % составит:

о ±0 8 %

ДdD = _( • d=0°C) = -° • (3,86 гр / кг) = ±0,03 гр / кг. (3.21)

DI 100% в 100 % V 7

Предельная приведенная погрешность преобразователя ОВЕН МВ 110 - 8а по данным производителя составляет у = ± 0,25%. Абсолютная погрешность

определения влагосодержания воздуха для вторичного преобразователя может

быть рассчитана по следующему соотношению:

7 ±0,25 %

МОВ = dД—-— = 3,86 гр / кг--- 0,01 гр / кг. (3.22)

ОВ Д100% 100% v 7

Предельная абсолютная погрешность определения влагосодержания воздуха:

АЛ = <\мы2 + МОВ2 =>10,032 + 0,012 =±0,032 гр / кг. (3.23)

Проверка точности термометров сопротивления была осуществлена по реперной точке плавления дистиллированной воды, при этом отклонение измеряемых значений температуры не превышало Лt = ± 0,2 °С. Проверка точности датчиков влажности была выполнена помещением их в условия насыщенного воздуха с различной температурой, при этом погрешность измерения относительной влажности не превышала р = ± 0,8 % .

В соответствии с данными производителя термоанемометров абсолютная погрешность определения скорости воздуха составляет:

Awvq = 0,05 м/с + 0,05-^Д) = 0,05 м/с + 0,05-(3 м/с) = ± 0,2 м/с. (3.24)

Предельная приведенная погрешность преобразователя ОВЕН МВ 110 - 8а по данным производителя составляет - = ± 0,25%. Абсолютная погрешность определения скорости воздуха для вторичного преобразователя может быть рассчитана по следующему соотношению:

±0 25%

(3.25)

AwОВ = wд—-— = 3м/с- 025% = 0,075м/с.

ов д ■

100% 100% Предельная абсолютная погрешность определения скорости воздуха:

Ан. = ^А^2 + Ауов 2 0,22 + 0,00752 ®± 0,21 м / с. (3.26)

Таким образом, расчет абсолютной погрешности косвенного измерения холодопроизводительности воздухоохладителя аQ0ВО, кВт, может быть выполнен

по соотношению:

AQoВО =± Q,

ВО

( X (

V < у

АЯ

ВО \ 2

ВО

V Я У

( AWВО V

ЖВО V п у

í \ Т Л2 í хт\2 (

АГ„

Т

V 1 в2 у

АТ

Т

V 1 У

АЛ.

У Г

V Л 2 у

АЛ.

V Ле1 У

= ± 8 кВт •

Г 0,21 м / с ^

3 м / с

1 мм

2

V 700 мм у

1 мм

V 670 мм у

(3.27)

= ± 0,9 кВт.

Г 0,2 °С ^ Г 0,2 °С ^ Г0,032^ Г0,032

-20 °С

-16 °С

V 0,!

V 0,7

Относительная погрешность измерения холодопроизводительности:

\ПВО 0 9

0$О =-100% = — -100% «12% . (3.28)

<2о 8

Таким образом, приборная погрешность проведения опытов не превышает 12%, что является допустимым при проведении теплофизического эксперимента. Так, в соответствии со стандартом Е№28 для сертифицированных испытательных центров допустимая погрешность измерения холодопроизводительности установлена на уровне 10% для сухих условий.

3.5 Программа проведения экспериментов, результаты исследований

В соответствии с общепринятым производителями холодильного оборудования стандартом «В$ ЕК 328:2014» [49] испытания технических характеристик существующих воздухоохладителей проводятся в «сухих» условиях (Таблица 5, SC2-SC4). Данная методика испытаний выгодно отличается простотой, но не позволяет оценить эффективность работы аппаратов в условиях инееобразования и необходимую периодичность оттаивания инея. Это обуславливает необходимость проведения экспериментальных исследований работы аппаратов в широком диапазоне температурных и влажностных режимов для последующей разработки и всесторонней верификации универсальной математической модели для расчета параметров работы воздухоохладителя.

Перечень температурно-влажностных условий проведенных автором экспериментов по исследованию работы воздухоохладителя трубчатого типа с пластинчатым оребрением в условиях инееобразования, а также в сухих условиях представлен в Таблице 5. При проведении экспериментов в некоторых из опытов автором дополнительно устанавливалось калиброванное сужение, обеспечивающее иную расходно-напорную характеристику вентилятора воздухоохладителя (Рисунок 3.9).

Таблица 5.

Температурно-влажностные условия проведения экспериментов по исследованию

параметров работы воздухоохладителя

# Температура воздуха на а ВО входе tвl , С Температура кипения хладагента °С Температура воздуха на выходе tв2Ш, °С Влажность воздуха на входе фв1ВО,% Влажность воздуха на на выходе фв2ВО,% Калиброванное сужение

SC2 0 -8 - 0 (85) - -

SC3 -18 -25 - 0 (95) - -

SC4 -25 -31 - 0 (95) - -