Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Экспериментальное исследование процесса замерзания капель воды
Одни из первых опытов по исследованию процесса замерзания капельной воды представлены [41]. В ходе опыта с высокой башни при температуре окружающего воздуха «минус» 38 – «минус» 45 сбрасывали капли воды различного диаметра. Исследователями было установлено, что при низкой температуре воды и воздуха капли малого размера полностью промораживались до падения на землю, крупные замораживались лишь на часть радиуса. В дальнейшем экспериментальное исследование с каплями воды проводились по большей части для изучения скорости испарения и механизма ледообразования из переохлажденной жидкости [25, 42]. Опыты показали, что температура кристаллизации капель воды зависит от ряда факторов: скорости охлаждения, размера капель присутствия инородных частиц и других.
Замерзание воды происходит путем образования в ней центров кристаллизации, появление которых связано либо с наличием примесей, либо со спонтанным процессом образования льда в воде. При этом вероятность образования центров кристаллизации тем больше, чем больше масса воды. По этой причине малое количество воды легче переохладить. Для проведения опытов по переохлаждению воды, ее необходимо очистить от примесей. В своей работе Б.П. Вейнберг [42] отмечал, что в некоторых случаях переохлаждение можно достичь на открытом воздухе с обыкновенной водой, но такое переохлаждение носит случайный характер. Исследования показали, что в случае медленного охлаждения капель воды, ледяные зародыши появляются внутри сферы, а в случае быстрого охлаждения на ее поверхности [43].
В работе [44] проведены эксперименты по замораживанию капель воды холодным воздухом. Капли (d = 1.5 – 4 мм) с околонулевой температурой подвешивались на нити малой толщины. С каплями маленького диаметра сложно было оперировать, так же повышалась погрешность измерений, а большие капли до конца не замерзали, так как улетали с потоком воздуха. После определенного времени, каплю разрезали, фотографировали ее и под микроскопом замеряли диаметр и толщину промороженной части. Начиная с минус 12 процесс кристаллизации проявлялся в течение 1 – 2 с. При малой скорости обдува ледяная оболочка образовывалась в течение 3 – 4 секунд. При малых коэффициентах теплоотдачи, капля охлаждается медленно, что не позволяет снять переохлаждения. При температурах ниже минус 10, переохлаждение мало влияет на тепло-массообмен. К недостаткам этого метода можно отнести ограниченность диаметра капли, теплоприток от нити, эксперименты проводились одиночно, при разрезе и фотоснимке присутствовала погрешность.
Одним из методов замораживания капель является «подвешивание» ее в потоке холодного воздуха, что можно организовать лишь в аэродинамических трубах, где поток газа движется только в вертикальном направлении, без турбулентности. Ряд таких аппаратов описан в литературе [68, 69, 70, 71, 72, 73].
В работе [68] выполнен подробный анализ устройств, в которых осуществляется свободное подвешивание капель жидкости в потоке воздуха. Так же учитываются отдельные элементы установок, влияющие на характеристики воздушного потока.
Поведение взвешенных капель воды в аэродинамической трубе рассматривалось Вудвордом и Стоу [74]. Длительные наблюдения показали, что взвешенная капля не находится в состоянии покоя, а совершает колебательное движение по оси потока.
В работе [45] была спроектирована частично замкнутая аэродинамическая труба, в которой проводились опыты по замораживанию капли в подвешенном состоянии. К недостатком этой методики эксперимента можно отнести использование капель малых диаметров и большие погрешности при замерах толщины промороженного слоя. Так же в работе не была представлена фотография установки.