Введение к работе
Актуальность проблемы.
В энергетике, радиоэлектронике, лазерной и рентгеновской технике альной является проблема создания компактных и эффективных опередающих устройств. Среди способов обеспечения тепловых режимов рительно-конденсационные системы занимают особое место, поскольку оляют не только передавать значительные тепловые потоки, но также іествлять управление ими.
Различие в интенсивности теплоотдачи в зонах конденсации и испарения
систем требует увеличения габаритов зоны конденсации этих устройств, интенсивность теплоотдачи оказывается ниже, чем в зоне испарения, іенно ощутимо проявляется ограниченность теплоотдачи в случае льзования органического теплоносителя, что делает проблематичным :ние задачи компактности устройства в целом.
Изучение успехов в области теплообмена с фазовыми превращениями, игнутых за последние 30 лет, свидетельствует, что за эти годы в данной ста сложилось новое направление, именуемое интенсификацией оотдачи.
Показано, что рядом несложных технических приемов каждый из :тных методов позволяет добиться увеличения плотности теплового ка, например, в процессе конденсации, где ее значение оказывается ниже, в процессе испарения. При этом рекордно высокой интенсификации есса конденсации можно добиться, используя электрические поля, которые эляют увеличивать интенсивность теплоотдачи в десять и более раз.
Анализ известных закономерностей эффекта интенсификации швает, что все они в настоящее время не могут быть охвачены в рамках именных представлений теории конденсации. Это обстоятельство привело юявлению работ, связывающих обнаруживаемые эффекты со ифическими особенностями электрического поля. Однако установленные
закономерности явно указывают на проявление дополнительного механизм; конденсации, капиллярной природы.
В настоящей работе предпринята попытка установить общносп механизмов воздействия потенциальных полей на состояние двухфазноі системы и на процесс конденсации на примере электрических полей и полеі вандерваальсовых сил, возникающих в зонах контакта границ раздела жидкосп и твердого тела именуемого в дальнейшем капиллярным деформатором.
Анализ эффекта интенсификации, порождаемого воздействием внешней электрического поля, указывает, что в основе рекордно высокого значенш величины интенсификации заложено проявление новых физически) механизмов, не учитываемых в рамках традиционной нуссельтовской моделі конденсации. В частности, более общее представление о механизме фазовоп перехода в двухфазной системе дает направление предложенное Сычевым В.В и получившее наименование объемно-поверхностного механизма позволяющего не только учитывать калорические эффекты, связанные с образованием новой фазы, но также учитывать тепловые эффекты, связанные ( увеличением площади границы раздела, наблюдаемое при воздействие внешних потенциальных полей на двухфазную систему.
В рамках объемно-поверхностного механизма фазового переход; допускается возможность сосуществования фаз при различных давлениях однако до настоящего времени, только лапласовское давление и упругш свойства границы раздела рассмотрены в теории как единственный факто{ обеспечивающий механическое равновесие границы раздела.
По крайней мере, два дополнительных фактора, обеспечивающие механическое равновесие границы раздела, на которые указывал Сычев В.В., внутренние давления и внешние поля до настоящего времени так и не бьин проанализированы достаточно полно.
Поэтому разработка теоретического подхода, позволяющего учитьіваті капиллярные эффекты в двухфазной системе на базе объемно-поверхностногс
цставления о механизме фазового перехода представляют собой сальную проблему.
Целью работы является исследование закономерностей механизма гнсификации теплоотдачи в процессе конденсации, обусловленной ормацией границы раздела в присутствии внешнего потенциального поля; гение аналогии эффекта интенсификации в процессе конденсации; іедование эффекта капиллярного смещения фазового равновесия и )аботка основ теории процессов теплопереноса в процессе конденсации в сутствии внешнего потенциального поля.
Методы исследований. Для решения проблемы, определяемой целями гоящей работы, был разработан комплексный подход, основанный на эльзовании соответствующих экспериментальных и теоретических методик, юретическом плане использован разработанный Сычевым В.В. и Русановым . метод анализа состояния термодинамического равновесия двухфазной емы с объемно-поверхностным механизмом фазового перехода. Известный <од был дополнен анализом вклада внутреннего давления модельной и іьной двухфазной системы, на основе которой была разработана инальная экспериментальная методика измерения капиллярной авляющей теплоты фазового перехода.
бласти теоретических исследований, была усовершенствованна методика іиза деформации границы раздела, предложенная Ландау Л.Д., ленительно к конечному значению величины деформации. С помощью іенного уравнения была проанализирована величина теплоты фазового хода двухфазной системы, граница раздела которой подвержена влиянию инего потенциального поля. Полученные соотношения были проверены ериментально и достигнуто хорошее соответствие.
В экспериментальном плане разработана и использована методика овизионного термографирования границы раздела двухфазной системы в іессе деформации во внешнем потенциальном поле. Результаты измерений 'Ставлены с результатами расчета эффекта смещения фазового равновесия и
экспериментально измеренных на капиллярных ячейках. Предложена и использована методика определения количества образовавшегося конденсата в процессе конденсации в двухфазной системе жидкость-пар во внешнем электрическом поле.
Разработана методика моделирования эффекта влияния капельных потоков на интенсивность теплоотдачи в процессе конденсации при воздействии внешнего электрического доля.
Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается оценкой величины ошибок измерений, подбором соответствующего приборного и измерительного оборудования, применением методик измерений, обеспечивающих заданную точность, сравнением результатов измерений с экспериментальными и теоретическими данными других авторов, постановкой специальных тарировочных и калибровочных экспериментов. Достоверность теоретических выводов подтверждена также анализом асимптотических случаев, дающих результаты, известные в классической теории.
Реализация экспериментальных и теоретических методик, применяемых в настоящей работе, стала возможной благодаря известным достижениям в области радиационной пирометрии, компьютерного моделирования капиллярных процессов в двухфазных системах и прикладных разделов теории электрических полей.
На защиту выносят:
-
Обоснование выбора методики измерения калорического вклада капельных потоков в процессе конденсации в присутствии электрического поля;
-
Результаты исследования и теорегичебские обобщения по определению изменения расхода конденсированной фазы в результате интенсифицирующего воздействия со стороны внешнего потенциального поля;
Результаты определения капиллярной составляющей теплового потока в
двухфазной системе в процессе конденсации во внешнем потенциальном
поле;
Методика и результаты тепловизионного термографирования границы
раздела деформации во внешнем потенциальном поле;
Вариационная форма уравнения деформации границы раздела и ее термо-
и гидродинамические следствия.
Научная новизна работы определяется следующими результатами, ученными впервые:
Тредложена новая трактовка явления интенсификации теплоотдачи при :онденсации в присутствии внешнего потенциального поля, основанная на іредставлениях об объемно-поверхностном механизме фазового перехода в (вухфазной системе;
Ьучены особенности эффекта капиллярного смещения фазового равновесия і двухфазной системе жидкость-пар в присутствии потенциального поля; ^становлено и исследовано свойство капиллярной аналогии в двухфазных истемах при внешних силовых воздействиях на границу раздела; іьгявлена роль внешнего потенциального поля в определении формы и стойчивости границы раздела в двухфазной системе с объемно-юверхностными фазовыми переходами;
'азработана и апробирована тепловизионная методика измерения емпература границы раздела в процессе ее деформации, в присутствии нешнего потенциального поля;
'азработана и апробирована методика определения капиллярной оставляющей плотности теплового потока в процессе конденсации во иешнем потенциальном поле;
[зучена взаимосвязь между калорическими и термическими арактеристиками процесса формирования границы раздела в отенциальном поле, разработаны методики расчета этих характеристик;
- Получено уравнение деформации границы раздела, устанавливающее взаимосвязь термических и калорических характеристик границы раздела от ее положения в пространстве эквипотенциальных поверхностей. Практическая ценность. Результаты проведенного исследования являють основой для разработки практических методик расчета, конструирования і выбора режима работы ЭГД-испарителыю-конденсационных систем термостатов, тепловых аккумуляторов и тепловых насосов. Предложенные технические решения и конструкции защищены 22 авторским* свидетельствами и 1 патентом РФ. Результаты работы использованы в научно-исследовательской практике Института прикладной физики АН РМ, в курс< лекций Норильского индустриального института.
Апробация. Основные результаты работы были доложены и обсуждень на Всесоюзной конференции «Теплофизика и гидрогазодинамика процессої кипения и конденсации» (Рига, 1988), V и VI Всесоюзном совещании пс электрической обработке материалов (Кишинев 1985, 1990), XIV Всесоюзної конференции «Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем» (Одесса 1986), научно-теоретической конференции «Некоторые актуальные проблемь создания и эксплуатации турбинного оборудования» (Свердловск, 1986) выездном заседании подсекции «Тепловые трубы» секции Научного Совета А СССР по проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика» (Одесса, 1987) Республиканских конференциях «Молодежь, наука, производство» (Кишинев, 1985, 1987, 1988), II Всесоюзном семинаре - совещании п< электрогидродинамике жидких диэлектриков (Ленинград, 1991), II национальной конференции по термотехнике (Клужна-Пока, 1995), Международном конгрессе «Material Science Engineering» (Яссы, 1994), Национальная Российская конференция по теплообмену (Красногорск, 1994) на расширенном заседании кафедры «Теоретической электротехники і электроснабжения» Норильского индустриального института (1997), и; кафедре Теплогазоснабжения Томского государственного строительной университета (1998), на научных семинарах Отдела термодинамики веществ і
влучений и Отдела физической гидродинамики Института теплофизики СО 'АН (1998, 1999).
По материалам диссертации опубликована 51 печатная работа, в том [исле 22 авторских свидетельства, одна монография и два учебно-іетодических пособия.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, аключения и списка литературы. Общий объем работы 320 стр., в том числе 76 іисунков, и список литературы - 142 наименования.