Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы по проблеме нестационарных теплогидравлических процессов в зернистом слое .15
1.1. Современное состояние исследований по вскипанию недогретых жидкостей при нестационарном набросе мощности .16
1.2. Влияние конвекции на теплообмен в замкнутых объемах, каналах сложной геометрии .39
1.3. Моделирование процессов нестационарного вскипания жидкостей .45
1.4. Выводы по обзору литературы и постановка задач исследования 47
ГЛАВА 2. Экспериментальное исследование конвективных течений в неподвижном пристенном зернистом слое 50
2.1 Экспериментальный измерительный комплекс. 51
2.1.1. Описание экспериментального комплекса и методика проведения исследований .51
2.1.2. Экспериментальный рабочий участок 55
2.1.3. Выбор материала элементов зернистого слоя и рабочего вещества
2.2. Градиентный датчик теплового потока .58
2.3. Метрологическая достоверность градиентной теплометрии 60
2.4. Методика проведения экспериментальных исследований
2.4.1. Основные этапы исследований 65
2.4.2. Методика измерения полей температур .67
2.5. Некоторые результаты экспериментального исследования 69
2 2.5.1. Конвекция в объеме жидкости без частиц 70
2.5.2. Конвекция в жидкости со сферическими частицами 75
2.5.3. Иммерсионная жидкость 81
2.6.Выводы к главе 2 88
ГЛАВА 3. Исследование микроконвективных течений в неподвижном пристенном зернистом слое 90
3.1. Физическая постановка задачи .90
3.2. Конвективные течения в пристенном зернистом слое жидкости с цилиндрическими частицами 93
3.3. Влияние недогрева жидкости на возникновение микроконвекции 102
3.4. Влияние материала частиц на образование паровой фазы .105
3.5. Измерение тепловых потоков в процессе нестационарного прогрева пристенного зернистого слоя жидкости 107
3.6. Выводы к главе 3 110
ГЛАВА 4. Математическое моделирование свободной конвекции. анализ результатов расчетов и сопоставление с экспериментальными данными 111
4.1. Физическое моделирование нестационарного теплообмена в ячейке пристенного зернистого слоя .111
4.2. Математическая постановка задачи .113
4.3. Анализ влияния теплофизических свойств зернистого слоя на теплообмен в пристенной области 118
4.4. Результаты моделирования свободной конвекции в ячейке пристенного зернистого слоя жидкости .120
Заключение .130
Выводы 131
Список литературы
- Влияние конвекции на теплообмен в замкнутых объемах, каналах сложной геометрии
- Выбор материала элементов зернистого слоя и рабочего вещества
- Влияние недогрева жидкости на возникновение микроконвекции
- Анализ влияния теплофизических свойств зернистого слоя на теплообмен в пристенной области
Введение к работе
Актуальность работы. Зернистые среды, обладающие развитой межфазной
поверхностью контакта, применяются в различных аппаратах энергетики, нефте-
и газодобыче, микрореакторах химической и биотехнологической
промышленности. Примером использования зернистых сред являются аппараты
промышленной фильтрации, каталитические реакторы, промышленные установки
в нефтяной технике, а также различные насадочные колонны, заполненные
измельченным твердым материалом или частицами специальной формы.
Применительно к ядерной энергетике, прорабатываются варианты
конструктивных решений и схем использования шаровых микротвэлов в
водоохлаждаемых реакторах, в том числе реакторах прямоточного типа.
Режимы работы энергетических аппаратов с зернистым слоем могут
сопровождаться нестационарными теплогидравлическими процессами,
возникновением различного рода волн давления, пульсациями и акустическими эффектами. Аналогичные явления анализируются, например, в случае возможных аварийных ситуаций на АЭС, которые сопровождаются увеличением мощности активной зоны, повышением давления в реакторе и т.д., что не допустимо. Глубокое и полное понимание таких теплогидравлических процессов в неподвижных зернистых средах определяет безопасную и устойчивую работу теплотехнического оборудования.
Исследование закономерностей фазовых превращений, гидродинамики и тепломассопереноса при импульсном тепловыделении в зернистых средах относится к числу сложных и актуальных проблем теплофизики. Одной из таких задач при использовании технологического оборудования с зернистым слоем, является недостаточная изученность физики таких нестационарных процессов.
В частности, изучение вскипания недогретой жидкости при импульсном тепловыделении в стенке в присутствии неподвижного пристенного зернистого слоя, а также анализ влияния различных факторов на протекающие при этом теплогидравлические процессы являются важными научными и прикладными задачами. В таких условиях одним из важных факторов является необходимость учета свободной конвекции в процессе прогрева пристенного слоя жидкости, включая условия образования первых паровых пузырьков. При определенных соотношениях скорости разогрева поверхности, размерах частиц и материала засыпки конвекция может существенно влиять как на общую динамику теплообмена, так и на условия парообразования в частности.
Таким образом, выше сказанное подтверждает актуальность проведения исследований процессов гидродинамики и теплообмена при фазовых превращениях в пристенном зернистом слое в условиях импульсного тепловыделения в стенке.
Цель работы
Экспериментальное исследование закономерностей возникновения
конвективных течений и их влияния на условия образования паровой фазы при нестационарном нагреве жидкости в неподвижном пристенном зернистом слое.
Основные задачи исследования
-
Разработка и создание экспериментальных установок для изучения конвективных течений в пристенном неподвижном зернистом слое жидкости;
-
Изучение и реализация оптических и томографических методов для исследования микроструктуры потоков в зернистом слое;
3. Проведение экспериментального исследования возникновения конвекции в
ячейке сложной геометрической формы, образованной из частиц зернистого слоя,
в зависимости от их геометрии, теплофизических свойств частиц и жидкостей,
начального недогрева и мощности тепловыделения в нагревателе;
4. На основе полученных экспериментальных данных развить имеющийся
программный комплекс, позволяющий моделировать нестационарные
теплогидравлические процессы при вскипании недогретых жидкостей в
пристенном зернистом слое.
Научная новизна диссертации
-
Создан уникальный измерительный комплекс, включающий голографическую интерферометрию и оптическую иммерсионную томографию, позволяющий в режиме реального времени фиксировать распределение поля температур как в жидкости, так и в элементах зернистого слоя.
-
Впервые получены экспериментальные данные по возникновению и динамике развития свободной микроконвекции в жидкостях в пристенном неподвижном зернистом слое. Изучено влияние геометрии частиц, их теплофизических свойств, а также свойств жидкостей на этот процесс. Определены характерные времена возникновения микроконвекции в зависимости от мощности тепловыделения в нагревателе. Установлено, что закономерности возникновения микроконвекции существенно влияют на условия зарождения парового пузыря.
-
Впервые получены экспериментальные данные значений тепловых потоков начала возникновения микроконвекции с использованием теплового градиентного датчика.
-
На основе экспериментальных данных модернизирован программный комплекс, позволяющий проводить моделирование нестационарных теплогидравлических процессов при вскипании недогретых жидкостей с учетом конвективного механизма переноса теплоты при наличии частиц неподвижного зернистого слоя с различными теплофизическими свойствами.
Практическая значимость работы
-
Разработан и создан экспериментальный измерительный комплекс для изучения свободно-конвективных течений в жидкости в присутствии неподвижного пристенного зернистого слоя. Создан оригинальный рабочий участок, включающий градиентный датчик теплового потока.
-
Практическая ценность полученных экспериментальных данных возникновения режима конвективного теплообмена и определения условий зарождения паровой фазы в ячейке сложной геометрической формы состоит в развитии программного комплекса, позволяющего проводить расчеты нестационарных теплогидравлических процессов при вскипании теплоносителей в установках и аппаратах с пристенным неподвижным зернистым слоем (химические и микрокаталитические реакторы).
3. На основе разработанного измерительного комплекса создан учебно-
лабораторный стенд для изучения теплогидравлических процессов (в том числе и
процессов массопереноса) в многофазных средах применительно к аппаратам
энергетики, нефтехимии, микрокаталитическим и ядерным реакторам
микротвэльного типа по курсам «Теплопередача», «Теплофизика» и
«Теоретические основы теплотехники».
Методы исследования и достоверность полученных результатов
Достоверность полученных результатов обеспечивалась комплексным
применением современных теплометрических, оптических, а также
регистрирующих методик, основанных на скоростной видеофиксации изучаемых процессов. Надежность опытных данных подтверждается воспроизводимостью результатов, постановками специальных тестовых экспериментов, оценками величин ошибок измерений, детальной проработкой методических вопросов, связанных с применением градиентного датчика теплового потока в условиях проводимых экспериментов, а также численными расчетами. Основные результаты расчетов подтверждаются целенаправленными экспериментальными исследованиями.
Положения, выносимые на защиту
-
Разработка экспериментальных методик и измерительного комплекса для исследования конвективных течений в задаче вскипания теплоносителя при импульсном тепловыделении в стенке в присутствии пристенного зернистого слоя жидкости.
-
Результаты экспериментальных исследований регистрации и измерения полей температур как в жидкости, так и в частицах различной конфигурации, моделирующих неподвижный пристенный зернистый слой.
-
Результаты экспериментальных исследований возникновения конвективных течений в ячейке сложной геометрии в зависимости от влияния теплофизических свойств жидкостей, частиц зернистого слоя, начального недогрева жидкостей, а также мощности тепловыделения в нагревателе.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния особенностей возникновения микроконвекции на условия зарождения парового пузыря.
-
Результаты численного расчета полей температур и плотности теплового потока в задаче вскипания недогретой жидкости при нестационарном нагреве пристенного зернистого слоя жидкости.
Личный вклад автора состоит в разработке и создании экспериментальных стендов, выполнении тестовых опытов и основной программы экспериментов по изучению возникновения и развития свободной конвекции в модельной ячейке неподвижного пристенного зернистого слоя, визуализации микроконвективных течений и распределения полей температур как в жидкости, так и в элементах зернистого слоя. Автор принимал непосредственное участие в обработке опытных данных, в обсуждении и проведении анализа результатов экспериментов, в разработке рекомендаций для развития имеющейся математической модели и проведении численных расчетов, написании статей и выступлении на конференциях. Часть опытов и расчетов выполнены совместно с членами исследовательской группы на кафедре «Термодинамика и неравновесные процессы переноса» ФГБОУ ВО «МПУ», а также со специалистами других
подразделений университета и организаций, чье участие отмечено в тексте диссертации.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 2-ой Междунар. конф. с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур» (МГУИЭ, г. Москва, 2011г.); XIX Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (г. Орехово-Зуево, 2013г.); 26-ой Междунар. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях» (г.Н.Новгород, 2013г.); 11-ой Междунар.конф. «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (г. Алушта, Крым, 2013г.); 27-ой Междунар. науч.конф.«Математические методы в технике и технологиях» (г. Тамбов, 2014г.); 15-ой Междунар.конф. по теплообмену (г.Киото, Япония, 2014г.); 6- ой Росс.нац.конф. по теплообмену (МЭИ, г.Москва, 2014г.); XX Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (г. Звенигород, 2015 г.); Четвертой Всеросс. студ. научно-технической конф.«Интенсификация тепломассообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (г.Казань, 2015г.); 29-ой Междунар. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях» (г. Саратов, 2016г.); XV Минском междунар. форуме по тепломассообмену (г. Минск, Беларусь, 2016г.).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 18 научных работ, из них 4 статьи
в рецензируемых журналах из списка ВАК, в том числе 3 в журналах,
цитируемых в международных базах данных Web of Science и Scopus, а также 14 в
других научно-технических журналах, сборниках трудов и тезисах
международных и российских конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 59 иллюстраций и 5 таблиц. Список литературы состоит из 183 наименований.
Влияние конвекции на теплообмен в замкнутых объемах, каналах сложной геометрии
Одним из вариантов повышения эффективности и компактности теплообменных аппаратов является интенсификация процесса теплообмена. Наиболее эффективным способом отвода тепла в энергонапряженных элементах различных теплообменников являются режимы, в которых реализуются процессы испарения и кипения.
В настоящее время в литературе накоплено значительное число работ, посвященных изучению путей и способов повышения интенсификации этих процессов. Классические работы, посвященные основным принципам механики двухфазных сред и процессам парообразования, представлены в известных монографиях [1-7]. Однако, несмотря на обширную библиографию начиная с 40-х годов прошлого века, многие физические аспекты этого сложного процесса, особенно в нестационарных условиях, требуют новых исследований.
В работе [8] представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований интенсификации тепло- и массообмена в одно- и двухфазных средах, сепарации гетерогенных систем, которые направлены на повышение безопасности и эффективности энергетических установок, разработку математических моделей процессов и инженерных методов их расчета. Продолжением этих исследований является работа [9], в которой рассмотрены экспериментальные результаты по интенсификации тепло- и массообмена на макро-, микро- и наномасштабах в одно и двухфазных средах, показано влияние поверхности рельефа на теплообмен при кипении на сфере, а также представлены данные по влиянию закрученной ленты на критическую тепловую нагрузку.
Большой вклад в понимание физических механизмов вихревой интенсификации теплообмена на поверхностях с организованными лунками и впадинами различной геометрии внесли авторы [10-14]. В работах показано, что по сравнению с периодическими поверхностными выступами использование таких поверхностей сопровождается турбулентным конвективным теплообменом и приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи при низких гидравлических потерях. В [15-17] приведен цикл экспериментальных работ по вихревой динамике и теплообмену на луночных рельефах, выполнено сравнение лунок и траншей, показано, что овальные лунки гораздо предпочтительнее сферических аналогов.
Одними из последних, являются экспериментальные работы [18-20], в которых исследованы механизмы быстропротекающих процессов при кипении воды, недогретой до температуры насыщения. Здесь показано влияние режимных параметров (плотности теплового потока и недогрева до температуры насыщения) на характеристики образующейся паровоздушно-водяной смеси. В [21,22] уделено внимание микропузырьковому кипению, реализуемому при высоких тепловых потоках в условиях вынужденного течения недогретой жидкости. Показано, что наблюдавшаяся эмиссия микропузырьков обусловлена воздушными пузырями, поступившими в паровой пузырь с испаряющейся водой и сохранившимися после конденсации парового пузыря.
Экспериментальные исследования [23-26] внесли понимание об особенностях кипения и развития кризисных явлений в стекающих пленках недогретой жидкости при нестационарном тепловыделении. Авторами выявлены различные режимы развития кризисных явлений в стекающих пленках, построены кривые зависимости кипения. Обнаружено, что при росте и конденсации паровых пузырей на свободной поверхности пленки жидкости возникают концентрические волны, которые могут приводить к увеличению интенсивности теплообмена в переходных режимах, а частота зародышеобразования при кипении в пленке жидкости существенным образом зависит от плотности теплового потока и не зависит от степени недогрева жидкости. Важнейшим выводом проведенных исследований является то, что развитие кризисных явлений в режимах неразвитого пузырькового кипения в стекающих пленках определяется закономерностями возникновения сухих пятен, характерных для режимов распада остаточного слоя интенсивно испаряющейся волновой пленки жидкости. Продолжением работ этих авторов является исследование динамики распространения самоподдерживающихся фронтов испарения в различных жидкостях, широко используемых в различном теплообменном оборудовании, которые имеют место в переходных процессах и кризисных явлениях при нестационарном тепловыделении [27, 28]. Получены данные по скорости распространения, структуре и другим локальным характеристикам развития самоподдерживающихся фронтов испарения при различных температурных напорах.
Важные фундаментальные и прикладные исследования были выполнены как отечественными [29-33], так и зарубежными авторами [34-36] для режимов кипения жидкости, движущейся в мини и микроканалах теплообменного оборудования. Экспериментально изучены закономерности образования метастабильных состояний и их распада при импульсном нагреве жидкости, динамика фазового взрыва, режимы течения и теплоотдача при кипении в микроканалах [29-32]. Установленные в работах закономерности пузырькового распада при различных временах перевода жидкости в метастабильное состояние и изучение фазовых превращений во взрывающихся проводниках позволили выработать общий подход к описанию явлений с различными характерными временами перевода в метастабильное состояние. Приложением этих исследований является создание интегральных однокристальных микросхем, микроэлектронно-механических систем (МЭМС), основанных на неравновесных процессах в метастабильной жидкости, в том числе на управляемом распаде жидкости [37-39].
Выбор материала элементов зернистого слоя и рабочего вещества
В качестве модели зернистого слоя в экспериментах использовались элементы засыпки с разными теплофизическими свойствами сферической и цилиндрической формы диаметром d = 5мм. Длина цилиндрических частиц составляла / = 5мм. В качестве материала были выбраны стеклянные (марки К8), стальные (марки ШХ15) и пластиковые ПНД (полиэтилен низкого давления, марки 273-83) частицы. Теплофизические свойства материалов частиц приведены ниже в таблице 2.1.
Полиэтиленнизкого давления(ПНД) марки273-83 950 1780 0,44 2,600610-7 В качестве рабочих жидкостей использовались: дистиллированная вода деаэрированная предварительным кипячением, изопропиловый спирт (Химический Чистый), хлористый метилен (Химический Чистый) и иммерсионная жидкость. Отметим, что применяемая в данном исследовании иммерсия является не стандартной жидкостью и требует отдельного исследования ее свойств, которые будут приведены далее.
Исследование конвективных течений в ячейке нестандартной геометрической формы, образованной элементами зернистого слоя и нижней стенкой кюветы представляет сложную теплофизическую задачу. Поскольку в эксперименте тепловыделение идет по всему объему нагревателя qv (Вт/м3), а также присутствуют тепловые потери в проводах и в местах соединения их с нагревателем, возникает необходимость учета величины плотности поверхностного теплового потока qw (Вт/м2), выделяемого непосредственно на разогрев исследуемой области. Применение в таких условиях стандартных датчиков температуры или дифференциальных термопар, основанных лишь на измерении перепада температур, является не достаточно информативным и обладает низким быстродействием.
Особенностью теплометрических измерений в данной работе являлось использование градиентного датчика теплового потока (ГДТП), протестированного на кафедре «Теплофизика, реакторы и котельные установки» Санкт-Петербургского Политехнического Университета Петра Великого. Градиентный датчик представляет собой гетерогенный анизотропный термоэлемент, изготовленный из слоистой композиции металлов: никеля и стали марки 12Х18Н9Т. Вследствие анизотропии тепло-электропроводности и коэффициентов термоЭДС в сечениях датчика, — расположенных нормально вектору внешнего теплового потока q , возникает поперечная разность температур и генерируется пропорциональная этой разности термоЭДС (рис.2.6). —» Возникающий в ГДТП сигнал Е линейно связан с плотностью теплового потока, площадью датчика и его чувствительностью: - 58 E=S0-A-q, мВ, где S0 - вольт-ваттная чувствительность ГДТП, мВ/Вт; А - площадь датчика, м2; q - плотность теплового потока, Вт/м2. Откуда
Полярность сигнала зависит от направления теплового потока. Основные характеристики датчика, приведенные в таблице 2.2, получены и апробированы в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого [178].
Размеры ГДТП толщиной 0.04 мм соответствовали размерам нагревателя и обогреваемой нижней стенки кюветы – 510 мм. С двух сторон к датчику методом контактной сварки присоединены две пары электрических проводников из хромелевой и алюмелевой проволоки (рис.2.7). Одним из преимуществ датчика является способность его работы в двух режимах одновременно. При измерении сигнала между однородными проводниками (Хромель-Хромель / Алюмель-Алюмель) датчик работал в режиме ГДТП и выдавал значение плотности теплового потока. При схеме подключения Хромель-Алюмель датчик работал в режиме термопары и позволял фиксировать изменение температуры.
В экспериментах измерение и запись сигнала ГГДТП производились с помощью цифрового мультиметра Fluke 287, с разрешением записи сигнала 0,001 мВ (погрешность измерения 0,05%).
В основу расчётов заложены «Рекомендации по межгосударственной стандартизации РМГ 43-2001. Государственная система обеспечения единства измерений», согласно которым суммарная стандартная неопределенность есть стандартная неопределенность результата измерений, полученного через значения других величин, равная положительному квадратному корню суммы членов, причем члены являются дисперсиями или ковариациями этих других величин, взвешенными в соответствии с тем, как результат измерений изменяется при изменении этих величин.
Влияние недогрева жидкости на возникновение микроконвекции
В данном разделе представлены результаты экспериментов по измерению полей температур как в жидкостях (без частиц), так и с элементами засыпки, моделирующими зернистый слой. В качестве рабочих жидкостей использовались: вода, изопропиловый спирт, иммерсионная жидкость и хлористый метилен. В качестве модели зернистого слоя применялись сферические частицы с разными теплофизическими свойствами. В условиях варьирования теплофизических свойств жидкости, частиц зернистого слоя, а также величины подводимого теплового потока экспериментально изучен процесс возникновения свободной конвекции как вблизи обогреваемой стенки, так и во всем объеме кюветы, представлены зависимости влияния формы засыпки на время и характер формирования конвекции.
На основе разработанного измерительного комплекса и реализованных оптических методов голографической интерферометрии проведено экспериментальное исследование возникновения и развития конвективных течений в процессе нестационарного кондуктивного нагрева стенки. В качестве отработки оптических методик по измерению полей температур в оптически прозрачных средах в первую очередь были проведены опыты с чистыми жидкостями – без частиц. Опыты проводились при атмосферном давлении. Режим тепловой нагрузки N, устанавливаемый на источнике тока, варьировался от 4 до 30Вт. Температура окружающей среды поддерживалась постоянной и соответствовала начальной температуре исследуемой жидкости Токр = Тнач = 20С. На рис.2.9 представлены экспериментальные результаты по возникновению и динамике развития конвективных течений в кювете с рабочими жидкостями, с установленной тепловой нагрузкой N=30Вт. Приведенные видеокадры характеризуют время возникновения свободной конвекции в кювете с разными жидкостями. Как видно на рисунке в случае опытов с водой (рис.2.9 (а)) через 2,5с с момента начала нагрева наблюдается режим классической нестационарной теплопроводности – изотермы параллельные поверхности нагрева. В то же время в случае изопропилового спирта (рис.2.9 (д)) через 2,5с наблюдается деформация полей температур. В этот момент начинает развиваться нестационарная свободная конвекция. Для сравнения, конвекция в воде (рис. 2.9 (б)) возникает лишь через 3,5с от начала нагрева. Среди используемых жидкостей максимальное значение времени, при котором происходит деформация параллельных температурных полей, и конвекция достигает поверхности раздела фаз жидкость-газ, принадлежит воде.
Времена возникновения и развития естественной конвекции для различных жидкостей при 7V=30Вт При прочих равных условиях проведения эксперимента определяющими параметрами начала возникновения конвекции в однородной чистой жидкости, являются ее теплофизические свойства. В таблице 2.4 представлены характеристика и значения основных свойств используемых жидкостей, а также приведены значения критерия Прандтля и коэффициента температуропроводности, отражающие инерционные свойства жидкостей при нестационарном нагреве.
Применяемый в данном исследовании метод голографической интерферометрии, обладающий высокой чувствительностью, позволял фиксировать локальные области возникновения свободной конвекции. Вследствие подвода теплоты в нижней части кюветы в местах достаточного перегрева жидкости образовывался, так называемый, тепловой термик («тепловое пятно»). Так, например, во всех жидкостях, кроме хлористого метилена, «тепловые пятна» принимают вид классической симметричной формы и сохраняют его до момента достижения границы раздела фаз газ-жидкость. В случае, например, хлористого метилена (рис. 2.9 (м)) термик развивается по всему объему жидкости несимметрично. Такая деформация теплового пятна в метилене оказывает влияние на активное развитие свободной конвекции по всему занимаемому объему кюветы, что в свою очередь способствует эффективному теплообмену. Влияние тепловой нагрузки на время начала возникновения свободной конвекции для различных жидкостей Для сравнения с рис.2.9 на рис. 2.10 представлены видеокадры, характеризующие влияние тепловой нагрузки на время начала возникновения конвективных течений. Здесь серии видеокадров представлены в одинаковые моменты времени, характерные для каждой жидкости, но при разных мощностях тепловыделения. Так, при нагрузке до 10Вт во всех жидкостях наблюдался режим нестационарной теплопроводности. Однако нетрудно заметить, что начиная с 15Вт в изопропиловом спирте и хлористом метилене начинают формироваться тепловые «пятна», режим теплопроводности сменяется конвекцией.
В результате анализа полученных данных были определены характерные времена возникновения свободной конвекции в кювете с используемыми жидкостями. Впоследствии обработки экспериментальных данных получены зависимости критерия Фурье (Fo) от мощности тепловой нагрузки, устанавливаемой на источнике тока (рис. 2.11). Значения безразмерного параметра удалось получить только для жидкостей без частиц, поскольку в этом случае исключается влияние теплофизических свойств частиц и их геометрии на условия возникновения конвекции.
Анализ влияния теплофизических свойств зернистого слоя на теплообмен в пристенной области
На базе разработанного измерительного комплекса были получены видеокадры, отражающие количественные данные по визуализации полей температур и развитие свободной микроконвекции в ячейке пристенного зернистого слоя с цилиндрическими элементами засыпки. В программу исследований процесса возникновения микроконвекции в качестве рабочей среды были выбраны следующие жидкости: вода, изопропиловый спирт и хлористый метилен. В качестве элементов зернистого слоя применялись стальные, стеклянные и пластиковые цилиндры. Диаметр частиц совпадал с диаметром сферических элементов (d=5мм), длина образующей цилиндров составляла l=5мм. Опыты проводились при атмосферном давлении и начальной температуре жидкостей Тнач = 20С. Режим тепловой нагрузки N, устанавливаемый на источнике тока, варьировался от 4 до 30Вт. Температура окружающей среды поддерживалась постоянной и соответствовала начальной температуре исследуемой жидкости Токр = Тнач = 20С.
В результате экспериментальных исследований были обнаружены три наиболее характерных случая. Первый случай – с пластиковыми частицами, обладающими меньшим коэффициентом температуропроводности по отношению к воде. Как видно на рис. 3.4 (а) вблизи поверхности контакта цилиндров с низкими теплопроводными свойствами, наблюдался так называемый «температурный затвор» - то есть увеличение температуры под элементами засыпки. В случае стальных частиц (рис. 3.4 (б)), имеющих значительно больший коэффициент температуропроводности, чем у воды, был отмечен «температурный провал» – изотермы, прогибающиеся под стальные цилиндры. В случае использования стеклянных частиц (рис. 3.4 (в)), имеющих сопоставимые значения коэффициентов температуропроводности с иммерсионной жидкостью, был зафиксирован режим классической нестационарной теплопроводности как в однородной среде, не приводящий к искажению полей температур. Здесь использование голографической интерферометрии в сочетании с методом иммерсионной томографии позволило зафиксировать поле температур как в жидкости, так и в материале частицы, например, показанных для случая со сферическим элементом засыпки в иммерсионной жидкости (рис. 3.4 (в)). Здесь же
Влияние теплофизических свойств частиц на возникновение микроконвекции в воде – (а), (б) и в иммерсионной жидкости – (в) Таким образом, теплофизические свойства материалов частиц будут значительно влиять на процесс возникновения микроконвекции в пристенной ячейке зернистого слоя. Полученные детальные сведения количественного распределения температур и их профилей дают ценную информацию для построения математической модели теплообмена в пристенном зернистом слое.
На рис. 3.5 показаны результаты экспериментов скоростной видеосъемки моментов начала возникновения микроконвекции в ячейке в зависимости от теплофизических свойств частиц. Так, в случае стальных частиц, помещенных в воду (рис. 3.5(а)), время начала образования микроконвекции возрастает на 20%, по сравнению с пластиковыми частицами (рис. 3.5(ж)). В случае сравнения влияния материалов частиц в - изопропиловом спирте (рис.3.5, кадры (б), (д), (з)), характерные времена образования микроконвекции отличаются не значительно.
Влияние свойств жидкостей на время возникновения микроконвекции в ячейке с разными частицами показано на рис. 3.6. Характерным моментом времени, относительно которого сравнивается влияние теплофизических свойств выбранных жидкостей, является минимальное время возникновения микроконвекции. Опыты показали, что микроконвекция образуется раньше в случае пластиковых частиц и хлористого метилена через 3,28с от начала нагрева (рис.3.6(и)). При сопоставлении видеокадров (а) – (и) (рис. 3.6) видно, что через 3,28с. как в воде, так и в спирте наблюдается режим классической нестационарной теплопроводности – изотермы параллельные поверхности нагрева.
На рис. 3.7 представлены серии видеокадров, характеризующих влияние частиц с разными теплофизическими свойствами на время начала возникновения микроконвекции по сравнению с их отсутствием. Как видно на рисунке, нестационарный режим прогрева пристенного зернистого слоя, при комбинации различных материалов частиц и жидкостей с разными теплофизическими свойствами, неоднозначно влияет на время возникновения микроконвекции в исследуемой ячейке. Например, в опытах со стеклянными цилиндрами в спирте и со стальными частицами в хлористом метилене время возникновения микроконвекции в 1,5 раза больше, по сравнению с жидкостью без частиц, а в случае стеклянных частиц, помещенных в воду – в 2 раза. Следует отметить, что оптические искажения, наблюдаемые в пристенной области, непосредственно примыкающей к частицам, связаны с большими градиентами температур, которые приводят к эффекту “рассеивающей линзы”. Возникающие такого рода оптические неоднородности в общем случае влияют на точность определения режима