Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

3.1.1. Обоснование выбора гидрофильного материала для имитации сферического шара воды

По проведенному литературному обзору в первой главе, в частности экспериментов по замораживанию капель воды, можно сделать вывод:
– что опыты проводились на единичных каплях, размера от 0.1 – 2 мм;
– форма тел описанных в математических моделях – сфера. В реальных условиях форма капли может отклоняться от сферы;
– большие погрешности при замерах толщины промороженного слоя, так как капли были маленького размера и при вынимании их, разрезе, фотографировании влияли теплопритоки.
Исходя из этого, была поставлена задача имитации сферы воды, для этого необходим был материал, обладающий следующими свойствами:
– впитывание воды должна быть не менее 95%;
– сухого материала не более 5%;
– материал допускает возможность принятия сферической формы;
– материал должен удерживать воду;
– многократные циклы использования;
– коэффициент теплопроводности льда не должен отклоняться от стандартного значения, = 2,3 Вт/(м·К).
Был выбран гидрофильный материал, способный к поглощению капельной влаги (медицинская влага), который был испытан и подошел по следующим пунктам:
1. Масса волокнистого материала в сухом виде не превышает 2.5 %, это было определено в серии опытов. Для этого взвешивался сухой материал и выполненная из него водонасыщенная сфера. Затем по формуле 3.5 определяли коэффициент впитываемости:

(3.1)

где – масса сухого материала, кг; – масса водонасыщенной насадки, кг; – коэффициент впитываемости.
Исходя из опытных данных, среднее значение коэффициента впитываемости было 2,3 %.
2. Волокнистый материал допускает изготовления любой формы, путем стягивания и уплотнения (Рисунок 3.4.).

Рисунок 3.4. Водонасыщенная сферическая насадка
3. Коэффициент теплопроводности водного льда при 0 не отклонялся от стандартного значения, = 2,3 Вт/(м·К), при присутствии волокнистого наполнителя.
Для этого необходимо было сравнить профили температур в слоях водного льда в водонасыщенной насадке со сферой из чистой воды. Был проведен следующий опыт.
Водонасыщенную насадку подвешивали на нетеплопроводной нити в холодильной камере и обдували холодным воздухом из воздухоохладителя. На насадке были установлены 2 термопары, первая внутри нее, вторая на поверхности сферы (Рисунок 3.5.). Затем через некоторое время замерялись температуры в этих точках, вынималась насадка и замерялась толщина промороженного слоя. Опыт повторялся с другой насадкой, такого же диаметра, но с другим временем нахождения ее в камере.

Рисунок 3.5. Схема размещения термопар в водонасыщенной насадке
Методика расчета:
Теоретические расчетные данные по построению профилей температур определялись по формулам 3.2, 3.3, 3.4.

	(3.2)
	(3.3)
	(3.4)

где – внутренняя температура в сфере, К; – коэффициент теплоотдачи от воздуха к поверхности сферы, Вт/(·К); R – радиус сферы, м; – температура окружающего воздуха, К; – коэффициент теплопроводности льда, Вт/(м·К); – координата фронта фазового превращения, м; – температура фазового перехода вода-лед, =273К; L – теплота фазового перехода воды в лед, L = 334 кДж/кг; – время замерзания данного слоя заморозки, с; – температура поверхности сферы, К; – плотность льда, =917 кг/.
На Рисунке 3.6. представлена схема термического взаимодействия насадки с охлаждающей средой воздуха с указанными искомыми координатами.

Рисунок 3.6. Схема термического взаимодействия насадки с охлаждающей средой воздуха
Результаты сопоставления опытных и расчетных данных по построению профилей температур в слоях водного льда представлены на Рисунке 3.7.
Рисунок 3.7. Профили температур в слоях водного льда. Исходные данные:
d = 36мм; = 263 К; = 30 Вт/(·К)
Как видно из графика отклонение экспериментальных данных от теоретических не превышает 4%.
Вывод: присутствие в сферической насадке волокнистого материала не влияет на развитие процесса замораживания воды и идеально имитирует водяную сферу.