Среди тенденций дальнейшего прогресса современной холодильной техники заметная роль принадлежит уменьшению энергозатрат при получении искусственного холода и снижению потерь при его потреблении.
Для аппаратов холодильных систем характерно сравнительно медленное протекание процессов теплообмена. Основные направления решения этой проблемы - разработка методов и средств, интенсифицирующих теплообменные процессы, как на стадии производства искусственного холода, так и на стадии его потребления. Одним из таких наиболее эффективных направлений является совместное применение холода и электротехнологии.
Как показала практика, применение электротехнологии в холодильной промышленности позволяет осуществлять экологически чистые технологические процессы, снижая энергоемкость холодильного оборудования, повышает эффективность теплообменных аппаратов холодильных систем и т.д.
Ниже рассматриваются процессы инееобразования и теплообмена приборов охлаждения и конденсаторов воздушного охлаждения.
Исследование процесса инееобразования выполнены на модельных установках, а также воздухоохладителях малых и промышленных холодильных системах в которых в качестве генерирующего (высоковольтного) электрода применялись проволочные и игольчатые экраны, а заземлённым электродом являлась рабочая поверхность прибора охлаждения.
Для системы "генерирующий электрод - плоскость" характерно появление инея на проволочных элементах генерирующего электрода, переходящего затем в нитевидную рыхлую форму. Причиной появления инея являются точечные очаги разряда, служащие центрами кристаллизации. Затем происходит появление инея на торцовых поверхностях плоскости в виде игл, а в дальнейшем и на всей плоскости в виде точечных очагов кристаллизации, в последствии срастающихся в виде нитей дендритной формы по направлению вдоль силовых линий поля.
По мере роста веточек нитевидных кристаллов инея до 4... 10 мм возрастает средняя напряжённость электрического поля на вершине нити, происходит "отстреливание", а на оставшихся основаниях вновь начинается направленное развитие кристаллов (рис. 1).
Процесс конденсации капель на поверхности приборов охлаждения осуществляется с образованием перемычек с соседними заряженными каплями, их слиянием и поверхностным замерзанием с одновременным деформированием за счёт появления в жидкости в ядре капли под ледяной оболочкой пузырьков воздуха, образующийся в следствие различной растворимости воздуха в воде и во льду.
При кристаллизации капли давление внутри неё возрастает за счет увеличения объемов твёрдой фазы и испарения переохлаждённой жидкой плёнки. Затем происходит "взрыв", разрушающий каплю, а на образующихся выпуклостях и заострениях в связи с усилением электрического ноля происходит осаждение капель конденсата из влажного воздуха По мере роста нитевидною кристалла вдоль силовых линий поля в результате дипольной поляризации на противоположных его сторонах происходит накопление и разделение свободных зарядов разноименной полярности.
Рис. 1. Инееобразование
на оребренной теплообменной поверхности (а)
и генерирующем электроде (б).
Скопление зарядов на стороне нитевидного кристалла, соприкасающегося с теплообменной поверхностью через неравномерный тонкий диэлектрический слой льда, вызывает силу зеркального отображения, которая совместно с силами адгезии удерживает нитевидный кристалл на поверхности теплообмена. Первоначально образованный диэлектрический слой льда на теплообменной поверхности до определённого момента сдерживает стекание зарядов. Затем по мере накопления зарядов происходит усиление средней напряжённости поля в диэлектрическом слое льда, способствующее началу прохождения тока и соответственно нейтрализации (стеканию) части зарядов на теплообменную поверхность. Нитевидный кристалл приобретает избыточный заряд, находящийся на противоположной его стороне, что приводит к отрыву его от теплообменной поверхности и движению в сторону генерирующего электрода со значительной скоростью. В зависимости от напряженности электрического поля происходит полный отрыв нитевидного кристалла от диэлектрического слоя льда или частичный в том месте, где его толщина минимальна, что наиболее часто наблюдается.
Результаты исследований нестационарного процесса инееобразования воздухоохладителей при переменной влажности паро-воздушной среды (Φ ~ 73...98%; Т = 273...271 К) условиях электроконвекции позволили выявить:
- интенсивное снижение силы тока в начальный момент вызванное снижением подвижности ионов и значительной электропроводимостью капель
конденсата с переходом в последующий момент возрастанием силы тока. Это объясняется уменьшением межэлектродного расстояния из-за нарастающего слоя инея на торцевых поверхностях ребер аппаратов. Кроме того, дополнительной причиной повышения силы тока является снижение скорости воздуха, поступающего к воздухоохладителям, вызванное увеличением аэродинамического сопротивления аппаратов из-за инееобразования в межреберном пространстве.
- темп роста аэродинамического сопротивления в условиях электроконвекции за цикл работы воздухоохладителей снижается в 1,4 - 2,5 раза;
- увеличение напряжённости поля приводит к снижению аэродинамического сопротивления в 1,2...2,0 раза.
Анализ работы приборов охлаждения в электроконвективной среде, позволил установить следующие закономерности инееобразования на их поверхности в зависимости от относительной влажности воздуха и температуры среды:
- плотность на первых рядах теплообменника возрастает в 1,1 ...1,6 раза в зависимости от относительной влажности воздуха;
- плотность теплового потока в электроконвективной среде при Т - 271-273 К на 9.. .30 % выше, чем в ее отсутствии;
- продолжительность достижения максимального теплового потока с увеличением относительной влажности воздуха уменьшается; темп снижения теплового потока к концу цикла значительно выше при максимальной
относительной влажности воздуха;
- понижение температуры воздуха приводит к возрастанию плотности теплового потока.
- коэффициент теплоотдачи, возрастает в 1,13... 1,7 раза в зависимости от напряжённости поля и относительной влажности воздуха.
Разработаны приборы охлаждения с продольным оребрением труб, позволяющие значительно снизить энергозатраты (в 3...4 раза) на оттаивание за счёт сокращения продолжительности удаления льда с поверхности (в 8...10 раз) и увеличить наружный теплообмен на 27.. .37%.
Рис.2. Инееобразование на поверхности оребренной батареи
в отсутствие электрического поля (а) и при его наличии (б).
Исследование процесса охлаждения воздушных конденсаторов в электроконвективной среде.
Экспериментальное исследование скорости воздушного потока показывает, что с увеличением подаваемого напряжения скорость воздушного потока возрастает до 2,5.. .3,5 м/с.
Использование электроконвекции позволяет снизить температуру теплообменной поверхности на 4.. .7 °С.
Критериальное уравнение теплообмена при естественном охлаждении конденсатора на интервале 88400 < Gr · Pr < 126100 имеет вид:
Nu = 0,095 · (Or -Pr)0,651
Критериальное уравнение теплообмена при охлаждении конденсатора с использованием электроконвекции на интервале 3870 < Re < 4170 имеет вид:
Nu = 1,98 · 10-12 · Re3,61
Рис. 3. Изменение температуры теплообменной поверхности конденсатора
при различных способах охлаждения (температура окружающей среды +23 °С):
1 - естественная конвекция; 2 - электроконвекция.
Установлены зависимости изменения коэффициента рабочего времени от температуры окружающей среды для различных способов охлаждения теплообменной поверхности конденсатора. Коэффициент рабочего времени при различных способах охлаждения конденсатора в зависимости от температуры окружающей среды может быть определен по следующим формулам:
b = 0,0009 ·tос2 + 0,0131· tос2-0,0876 - естественная конвекция;
b = 0,0005 ·tос2 + 0,0164 · tос2 -0,0944 - электроконвекция.
Использование электроконвекции в качестве интенсифицирующего воздействия на теплообмен конденсатора бытового холодильника позволяет снизить коэффициент рабочего времени холодильной машины в диапазоне температур окружающей среды+18°С...+28 °С на 13.3...20 % соответственно.
В результате исследования энергетических показателей работы малой холодильной машины установлено, что использование ЭГД-устройства в качестве побудителя расхода воздуха для охлаждения теплообменной поверхности конденсатора позволяет снизить энергопотребление холодильной машины на 7,6... 12,5% с учетом энергозатрат на создание интенсифицирующего воздействия. С увеличением температуры окружающей среды возрастает и эффективность ЭГД-устройства (рис. 4).
Рис. 4. Годовое потребление электроэнергии бытового холодильника
при различных температурах окружающей среды и
способах охлаждения поверхности конденсатора.
