ИНЕЕОБРАЗОВАНИЕ
Образование инея на поверхности теплообмена охлаждающих устройств различного типа существенно влияет на условия их работы: появляется дополнительное термическое сопротивление, возрастает общая поверхность теплообмена, ухудшаются аэродинамические характеристики и т. д.
При умеренно низких температурах в пределах от 0 до -40 °С иней, чаще всего, образуется вследствие осаждения водяных паров на этой поверхности. Процесс зарождения кристаллов, дальнейший их рост, образование колоний кристаллов, формирование нижнего и верхнего слоев инея подробно рассмотрены в [1].
Плотность инея изменяется следующим образом. В начальный период отложения инея плотность его снижается, так как в этот период кристаллы любой структуры растут в основном вверх. Затем после образования замкнутого фронта кристаллизации и приобретения инеем ячеистой структуры падение плотности замедляется. Дальнейшее инееобразование, связанное с формированием инея на нижележащем слое и диффузией водяных паров через иней к поверхности, приводит к некоторому возрастанию плотности инея и в дальнейшем к стабилизации ее примерно на одном уровне [2].
Хотя результаты экспериментов у ряда авторов не идентичны, следует отметить общие моменты. Плотность инея тем больше, чем больше скорость и влажность воздуха, а также чем выше его температура. С понижением температуры холодной поверхности плотность инея уменьшается.
Изменение коэффициента теплопроводности инея в процессе инееобразования условно можно разделить на три периода. Первый период - увеличение коэффициента теплопроводности в результате появления шероховатости инея и турбулизации потока, вызванное редким ростом кристаллов инея на холодной поверхности. Второй период - понижение теплопроводности инея за счет дальнейшего его роста, разветвления и уплотнения. Третий период характеризуется снижением коэффициента теплопроводности слоя инея до минимальной величины (вызванным уплотнением инея и снижением интенсивности движения воздуха в пространстве между кристаллами), а затем по мере его дальнейшего уплотнения - возрастанием коэффициента за счет диффузии влаги внутрь слоя. Отметим, что для первых двух периодов характерен большой разброс экспериментальных данных, обработанных в координатах λин=f (ρин). Влияние скорости воздушного потока на изменение λин также существенно.
Темп временного изменения коэффициента теплопроводности инея на ранних стадиях возрастает при увеличении скорости воздуха, плотности инея и повышении влажности.
При свободной и вынужденной конвекции для поверхностей различной конфигурации предложено уравнение
λин=7∙10-4ρин.
Данная зависимость справедлива для начальной стадии роста плотности инея (~ до 250 кг/м3). При дальнейшем уплотнении инея значения λин возрастают и для его определения предлагаются эмпирические и полуэмпирические зависимости, полученные при различных условиях инееобразования [1, 3, 4, 5]. С понижением температуры холодных поверхностей при прочих равных условиях темп роста значений коэффициента теплопроводности инея уменьшается.
Толщина слоя инея при температуре охлаждаемого воздуха ниже 0 °С первоначально изменяется во времени. Вначале происходит интенсивный рост слоя инея, температура его поверхности повышается до значения, близкого к точке росы. Затем рост слоя инея замедляется. Иней уплотняется вследствие диффузии влаги во внутренние слои. Толщина слоя инея и температура его поверхности изменяются мало. Временны'е интервалы этих периодов могут значительно колебаться в зависимости от условий инееобразования. Возрастание относительной влажности воздуха и понижение температуры холодной поверхности приводят к увеличению толщины слоя инея. Для определения изменения толщины слоя инея во времени существует ряд зависимостей [1, 4, 6, 10].
В ряде работ [1, 3, 6] исследовано влияние параметров воздуха на инееобразование различных по форме поверхностей. Влияние дополнительного термического сопротивления инея, его толщины, шероховатости, плотности и теплопроводности на значения коэффициента теплоотдачи от воздуха к поверхности инея учитывается приведенным коэффициентом теплоотдачи αпр. Характер изменения αпр во времени в воздушном потоке следующий: вначале наблюдается возрастание αпр в результате образования инея, который играет роль дополнительного оребрения, а затем уменьшение вследствие роста кристаллов, разветвления и образования замкнутых воздушных пор. В дальнейшем иней уплотняется набегающим потоком воздуха и в результате диффузии водяных паров внутри слоя плотность инея, и его теплопроводность возрастают, темп снижения коэффициента теплоотдачи уменьшается.
Увеличение массовой скорости воздуха приводит к сокращению времени, в течение которого αпр достигает максимальной величины и снижается до первоначального значения. Увеличение аэродинамического сопротивления воздухоохладителя - один из основных параметров при определении начального момента оттаивания аппарата [5, 7].
В заключение приведенного анализа отметим, что данная информация в литературе представлена в виде разрозненных теоретических и экспериментальных исследований. Работы в большинстве своем имеют прикладной характер, и количество их значительно превышает число исследований, представляющих интерес для теоретических обобщений. Попытка обобщения теоретических и экспериментальных исследований предпринята в [1], где использован метод последовательного анализа отдельных форм тепло- и массопереноса, основанный на полуэмпирических зависимостях.
Недостатком метода аналитического моделирования тепло- и массопереноса при осаждении инея на поверхность является то, что используемые при анализе аппроксимирующие зависимости находятся в состоянии, недостаточно точно отражающем динамику физического процесса. В частности, аналитические зависимости, полученные на основании результатов экспериментальных исследований, нуждаются в критической оценке вследствие сложности определения ошибки процесса измерения (например, температуры поверхности слоя инея и т. д.) и несовершенства теоретических предпосылок. Используют данные зависимости в основном для развития методик расчетов, применяемых к режимам временны'х зависимостей.
МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА В КАМЕРНОМ ОБОРУДОВАНИИ
Совершенствование конструкций камерного оборудования, работающих с интенсифицированным теплообменом и более высокими аэродинамическими показателями, а также устройств для удаления инея с их поверхности осуществляется в нескольких направлениях, основные из которых:
применение эффективного оребрения в конструкциях аппаратов;
использование орошающей жидкости при оттаивании; удаление инея воздушным потоком;
покрытие теплообменной поверхности гидрофобной пленкой;
применение псевдоожиженного слоя;
использование аппаратов с биметаллической поверхностью и применение приборов охлаждения с инееобразованием в электроконвективной среде (ЭКС).
Кроме того, совершенствуются процессы оттаивания аппаратов горячими парами хладагента.
Вопросы о применении пластинчато-ребристых конструкций с эффективным оребрением, а также об использовании оребрения в трубчато-ребристых конструкциях рассмотрены в [2, 8]. Отмечается, что высокие технологические характеристики аппаратов обусловлены главным образом интенсификацией теплоотдачи вследствие создания просечек в ребрах для разрыва и утончения пограничного слоя. Сложность изготовления пластинчато-ребристых аппаратов привела к использованию гофрированного просечного оребрения в трубчатых конструкциях. Общий недостаток описанных конструкций - снижение эффективности теплообмена при инееобразовании вследствие малого шага оребрения и наличия прорезей с небольшим просветом, что приводит к частому оттаиванию.
Удаление инея воздушным потоком. Для снижения интенсивности инееобразования на поверхности приборов охлаждения предложен ряд механических способов [11]. Однако в промышленности к настоящему времени они не нашли широкого применения вследствие низкой эффективности и ряда технических трудностей (трудоемкость изготовления устройств, необходимость создания разрежения и т. д.). Поэтому разработка альтернативных способов представляется весьма актуальной.
Использование орошающей жидкости при оттаивании. Оттаивание инея орошающей жидкостью (t = 25...3 °С) интенсифицирует процесс теплообмена. Применение данного способа для малых холодильных машин (установок) нецелесообразно. Недостаток этого способа - дополнительный энергорасход на возобновление процесса охлаждения, возрастание капитальных затрат на дополнительную разводку водяных трубопроводов и их теплоизоляцию [2].
Непрерывное оттаивание сублимацией (по системе Кройера). Отличительная особенность системы состоит в том, что охлаждающая поверхность воздухоохладителя разделена на две зоны - активную и неактивную. Принцип действия системы основан на чередовании активной и неактивной зон. Систему Кройера успешно применяют в бытовых холодильниках. Недостатком ее является то, что постоянно работает только половина охлаждающей поверхности и при создании крупных воздухоохладителей это вызовет повышение капитальных затрат.
Нанесение гидрофобного покрытия на теплообменную поверхность воздухоохладителя. Иней на теплообменной поверхности с гидрофобным покрытием образуется менее интенсивно. Объясняется это тем, что такая поверхность становится неполярной, в результате чего значительно снижаются силы межмолекулярного взаимодействия поверхностных атомов на границе иней-покрытие. Кроме того, гидрофобная пленка, например двухслойное кремнийорганическое покрытие, снижает механическое сцепление кристаллов инея с поверхностью. Отмечается повышение коэффициента теплопередачи в среднем на 30% по сравнению с коэффициентом теплопередачи серийного промышленного воздухоохладителя. Влияние термического сопротивления гидрофобного покрытия на стоимость полимерного материала, а также непродолжительный срок его службы сдерживают промышленное использование данного способа [2].
Применение псевдоожиженного слоя. Удаление инея осуществляется с помощью твердого гранулированного наполнителя, образующего в выходящем потоке воздуха псевдоожиженный слой. Наполнитель в виде мелких шариков, ударяясь о теплообменную поверхность, разрушает слой инея и измельчает его, затем последний выносится воздушным потоком вентилятора из аппарата. Отмечается увеличение плотности твердого потока [2, 9]. Однако следует отметить, что значительное гидравлическое сопротивление слоя снижает тепловую эффективность аппаратов.
Использование воздухоохладителей с биметаллической теплообменной поверхностью. В работах [2, 7] отмечается повышение коэффициента теплопередачи по сравнению со случаем использования спирально-навивных и насадных ребер труб. Повышенный коэффициент эффективности биметаллической поверхности обусловлен применением алюминиевого сплава при изготовлении ребер и наличием плотного контакта ребер с трубой. Сложность изготовления литой биметаллической поверхности (литье под давлением 10... 15 МПа) является сдерживающим фактором широкого применения воздухоохладителей данного типа.
Применение приборов охлаждения с инееобразованием в электроконвективной среде (ЭКС). Принцип работы их основан на росте нитевидных кристаллов по направлению силовых линий электрического поля. Эффективность данного метода характеризуется малой энергоемкостью, управляемостью процессом инееобразования и простотой конструктивного исполнения.
Список использованной литературы:
1. Напалков Г.Н. Тепломассоперенос в условиях инееобразования. - М.: Машиностроение. 1983. - 189 с.
2. Бабакин Б.С., Еркин М.А. Интенсификация работы приборов охлаждения при инееобразовании: Обзорн. информ. - М.: АгроНИИТЭИММП. 1987. - 28 с.
3. Кремерс К.Д., Мера В.К. Образование инея на вертикальных цилиндрах в условиях свободной конвекции // Теплопередача. - 1982. - №2. - С. 1-7.
4. Румянцев Ю.Д., Скоробогатов И.А. Повышение эффективности работы охлаждающих устройств при инееобразовании: Обзорн. информ. - М.: ЦНИИТЭИмясомолпром. 1985. - 32 с.
5. Gatchilov T.S., Ivanova V.S. Proceeding of meetings of commissions B 2, C 2, D 1 of IIR, Sofia, 1982, vol. 4, pp. 113-118, 119-125.
6. Герасимов Н.А., Румянцев Ю.Д., Сундиев Н.П. Влияние толщины слоя инея на эффективность работы воздухоохладителей // Холодильная техника. - 1981. - № 4. - С. 22-23.
7. Холодильные установки / Чумак И.Г., Чепуренко В.П., Ларьяновский С.Ю. и др. / Под ред. И.Г. Чумака. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Агропромиздат. 1991. - 495 с.
8. Бабакин Б.С. Электротехнология в холодильной промышленности. - М.: Агропромиздат. 1990. - 208 с.
9. Гришин Т.В., Чумак И.Г. Исследование воздухоохладителя с псевдоожиженным слоем в условиях инееобразования // Холодильная техника. - 1985. - № 9. - С. 47-49.
10. Koono K., Kuriyama M., Asano M., Haraea E. Heat Transfer from Circular Pipes under Corona Discharge. Heat Transfer-Sapanese Research. V. 4 - № 4. - P. 35-43. 1990.
11. Алямовский И.Г. Регулярный режим охлаждения. - Л.: ЛТИХП. 1983. - 10 с.
