Результаты экспериментального исследования тепломассообменных процессов при использовании естественного холода Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Результаты экспериментального исследования тепломассообменных процессов при использовании естественного холода

А.П. Козловцев, к.т.н, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ

Программы экспериментальных исследований тепломассообменных процессов в системе «атмосфера — инженерное сооружение — водная среда» при использовании естественного холода в сельском хозяйстве по оценке интенсивности намораживания ледяной массы и по выбору охладителей молока включали производственные и лабораторные эксперименты.

Материал и методы исследования. Лабораторный эксперимент состоял из нескольких циклов опытов, проведённых на базе молочнотоварных ферм в хозяйствах Оренбургской области, в лаборатории машинного доения Оренбургского ГАУ.

Первый цикл опытов был направлен на исследование температурных режимов работы термосифонов с использованием тепловизора. Затем изучали теплообменные процессы в простейших фляжных охладителях (второй цикл). Определяли влияние температуры окружающего конденсатор воздуха и скорости воздушного потока на суточную холодопроизводительность термосифона (третий цикл), определяли интенсивность увеличения поверхностного слоя льда в бассейне и скорость подплавления льда в льдоаккумуляторе в процессе эксплуатации (четвёртый цикл).

По результатам проведённых теоретических исследований были определены основные параметры, влияющие на холодопроизводительность термосифона, влияния температуры и скорости ветра на скорость намораживания поверхностного слоя при послойном намораживании. Задачами исследования предусматривалось определить динамику намораживания льда в льдохранилище (холодопроизводительность) и конструктивно-технические параметры льдохранилища.

Некоторые величины, которые определяли аналитически, были получены с оговоренными допущениями, так как их точное определение затруднительно ввиду малой изученности процесса наморозки льда на поверхности и вокруг термосифона [1—3].

Для теоретических исследований потребовались данные о влиянии температуры окружающего воздуха и скорости воздушного потока на процесс промерзания воды. Для этого за основу взята методика определения радиуса промерзания грунта вокруг термосифона и на поверхности воды [3].

На заключительном этапе проводили производственные эксперименты, целью которых было подтверждение и уточнение результатов теоретических исследований и данных, полученных в ходе лабораторных исследований термосифона

для замораживания воды и послойного намораживания [3—5].

Экспериментальное исследование предусматривало применение нескольких методик: тепло-визионного исследования температурных режимов работы термосифона; определения расчёта тепло-обменных процессов во фляжном охладителе; определения влияния температуры воздуха вокруг конденсатора термосифона на холодопроизводи-тельность; определения влияния скорости воздушного потока на холодопроизводительность термосифона; определения распределения температур в толще льда, интенсивности его роста и толщины.

Результаты исследования. В результате первого цикла экспериментов была выявлена перспективность тепловизионного способа. В процессе эксперимента разработана методика его проведения термографом при работе с термосифонами (особый температурный режим, настройка прибора) и установлены особенности работы.

Рис. 1 - Термограмма процесса намораживания льда

у=а+Ь/жл2

^2=0.94063637 РР Д4 ГЛ2=0.92367534 РЙБ1с1Егг=0.16625639 Рг1а1=126.76266 а=-5.1869328 Ь=142.88225 йапк 117 Еяп 20 -2 51-ТТТИ-Г-2 5

Рис. 2 - Зависимость изменения температуры испарительной части термосифона, находящегося в лаборатории с положительными температурами, от температуры конденсатора

-Zl=f(TTl)._ Z2=f(TT2) Z3f=(TT3)

i

i \ \ i

^ \\ \ i

1 \ \

i w i N

1....... [-i \ ----- \ ...... N

- \k

.......!\Л>

: : .......i...... \ "s >

i i -

i i....... ....... .......i...... ...... ...... ...... ....... ...... ...... ......

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220

t, время (мин,)

Рис. 3 - Зависимость длительности охлаждения каждого из трёх продуктов до данной температуры

y=a+b/x

гл2=0.97913936 DF Adj ^2=0.96870904 FitStdErr=0.021083898 Fstat=234.6858 a=0.59719379 b=4.0454872 Rank 173 Eqn 17

\

Y\\

Рис. 4 - Графическое представление Q =f(ta)

y=a+bx+c/x

("2=0.99092364 DF Adj ("2=0.98184729 FitStdE[T=0.00045118702 Fstat=218.35271 a=0.30761669 b=0.0016371674 c=-0.0033970256 Rank 62 Eqn 1016

Рис. 5 - Графическое представление Q =f(va)

Тепловизионная карта представлена на рисунке 1. Термограмма показывает достаточно равномерное распределение температуры по испарительной части. По результатам опытных значений параметров построены графические зависимости изменения температуры испарительной части термосифона, находящегося в лаборатории с положительными температурами, от температуры конденсатора, напрямую связанной с температурой окружающей среды (рис. 2).

Графическое представление показывает, что зависимость между истинной величиной отклика и факторами носит нелинейный характер. Поэтому возможно использование нелинейной регрессионной модели второго порядка. Уравнение, описывающее графическое представление зависимости отклика от факторов на рисунке 2, имеет вид:

У = а + Ъ / х2, (1)

где а, Ь — свободный член и коэффициент уравнения регрессии; Х — факторы.

Уравнение линейной регрессии, описывающее взаимосвязь холодопроизводительности термо-

сифона и температуры окружающего воздуха, имеет вид:

У = -5,1869328 +142,88225/X2, (2)

где У — температура испарительной части термосифона, °С;

Х — температура конденсатора термосифона, °С.

Второй цикл экспериментов показал, что температура охлаждаемых продуктов во фляжном охладителе снижается по экспоненте с различными показателями степени, стремясь либо к значению равновесной температуры либо к температуре среды с постоянным значением температуры. В то же время температура ограниченной охлаждающей среды (хладоноситель) повышается по экспоненте, также приближается к значению равновесной температуры.

Все рассмотренные методики охлаждения жид-котекучих продуктов основаны на теплопередаче от охлаждаемого продукта к хладоносителю за счёт теплопроводности.

Наглядное представление характера изменения температуры охлаждаемого продукта и хладоносите-ля даёт графическое изображение процесса (рис. 3).

0.4

0.35

0.31

0.2

у=(а+сх)/(1+Ьх)

Рис. 6 - Зависимость толщины льда от времени:

-------экспериментальные данные;

-расчётные данные

В третьем цикле испытаний в процессе практических исследований выявили показатель, определяющий влияние температуры окружающего воздуха и скорости ветрового потока на холодо-производительность термосифона.

Замеры температуры воздуха вокруг конденсатора термосифона, температуры воздуха в помещении, температуры воды в льдохранилище и толщины ледяного слоя проводились не реже одного раза в сутки. В качестве оборудования для определения холодопроизводительности термосифона нами был смонтирован опытный образец устройства.

По результатам опытных значений параметров построены графические зависимости изменения холодопроизводительности термосифона 0 от изменения температур 1а (рис. 4).

Графическое представление показывает, что зависимость между истинной величиной отклика и фактором является линейной, поэтому воспользуемся линейной регрессионной моделью первого порядка, имеющей вид:

У = а + Ь / х,

(3)

конденсатор термосифона направляли воздушный поток, создаваемый вентилятором. Для повышения точности проводимого эксперимента воздушный поток необходимо было направить по раструбу. Скорость воздушного потока изменялась с помощью частотного преобразователя от 0,7 до 5 м/с и измерялась цифровым анемометром GM-8901. Температура воздуха вокруг конденсатора при этом не изменялась (-15°С).

Снятие параметров работы термосифона проводили при каждом установившемся режиме (скорость, температура) не ранее чем через 30 мин. с момента начала эксперимента. По окончании эксперимента вентилятор отключали и полученные экспериментальные данные заносили в таблицу. По результатам опытных значений параметров построены графические зависимости изменения холодопроизводительности термосифона 0 от изменения скорости воздушного потока (рис. 5).

По графику видно, что зависимость между истинной величиной отклика и фактором является линейной, поэтому воспользуемся линейной регрессионной моделью первого порядка, имеющей вид:

У = а + Ьх + с / х,

(5)

где а, Ь, с — свободный члены и коэффициент уравнения регрессии; Х — факторы.

Уравнение линейной регрессии, описывающее взаимосвязь холодопроизводительности термосифона и скорости воздушного потока, примет вид:

(6)

где Ь, Ь — свободный член и коэффициент уравнения регрессии; Х — факторы.

Уравнение линейной регрессии, описывающее взаимосвязь холодопроизводительности термосифона и температуры окружающего воздуха, имеет вид:

У = 0,59719379 + 4,0454872/X, (4)

где У — холодопроизводительность термосифона, кВт;

Х — температура окружающего воздуха, °С.

Результаты изучения влияния температуры воздуха вокруг конденсатора позволили выявить, что средняя холодопроизводительность термосифона за исследуемый период составит 0,344 кВт, что соответствует 29684,571 кДж/сут, средний суточный прирост массы льда при этом составит 88,876 кг.

Значимым моментом в процессе образования льда является наряду с температурой скорость воздушного потока. В процессе исследования на

У = 0,30761669 + 0,0016371674х + 0,0033970256/х, где У — холодопроизводительность термосифона, кВт;

Х — температура окружающего воздуха, °С.

При проведении экспериментального исследования было выяснено: увеличение скорости воздушного потока, направляемого на конденсатор термосифона, приводит к повышению холодопроизводительности термосифона. Основным показателем качественной работы устройств аккумулирования холода является условие послойного намораживания льда в льдоаккумуляторах в зимний период. Важный параметр, необходимый для функционирования льдоаккумуляторов, это рассчитанный объём льда для круглогодичного охлаждения молока, который зависит от интенсивности его намораживания. В связи с этим разработана методика определения распределения температур в толще льда, интенсивности его роста и толщины.

При проведении предварительных испытаний было выявлено, что распределение температуры в толще льда и толщина исследуемого слоя в начальный период существенно изменяются в течение короткого времени. Температура воды в бассейне практически не изменяется. В связи с этим в первую очередь записывали параметры

25

50

75

Ю0

распределение температуры в толще льда и толщина исследуемого слоя и затем регистрировали изменение температуры воды.

По результатам данных, полученных в ходе проведения эксперимента и изучения расчётных параметров, построены графики зависимости толщины льда от времени (рис. 6).

Уравнение регрессии, описывающее взаимосвязь толщины льда и времени намораживания, имело вид:

Г = (0,34055712 + 0,35466641х)/ (1 + 0,064692636х).

При проведении производственных испытаний были окончательно установлены значения эксплуатационных параметров, влияющих на холодопроизводительность устройств [6]. Исследование проводили в хозяйствах ООО «Ключевское» По-номарёвского района, ООО «Пилюгинский АПК» Бугурусланского района и ООО «А7 ОГРО» ОП «Благодарное» Ташлинского района.

Выводы. В процессе исследования эффективность работы льдоаккумуляторов с термосифонами

и льдоаккумуляторов послойного намораживания продолжительность охлаждения молока сравнивали с эффективностью работы холодильных машин, использующихся в хозяйствах. Результаты исследования тепломассообменных процессов при функционировании предложенных систем охлаждения позволили сделать заключение о стабильности протекающих процессов и возможности использования льдогенераторов в условиях пищевых перерабатывающих предприятиях.

Литература

1. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика: учебное пособие для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. школа, 2000. 479 с.

2. Морозов Н.М. Программа и методика проведения исследований по разработке систем машин для комплексной механизации животноводства. М.: ИК «Родник», 1999. 228 с.

3. Козловцев А.П., Квашенников В.И., Шахов В.А. Охлаждение молока на молочных фермах: монография. Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2016. 190 с.

4. Мельников C.B., Алешкин В. Р., Рощин П. M. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. Л.: Колос, 1972. 200 с.

5. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в науке и технике. М.: Мир, 1980. 610 с.

6. Коровин Г.С. Разработка и обоснование водооборотного льдоаккумулятора для молочнотоварных ферм: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Оренбург, 2015. 19 с.