Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. Задачи исследования
1.1 Гидрогазодинамические особенности процессов теплообмена между частицами воды и потоком влажного ненасыщенного воздуха. 11
1.2 Особенности теплообмена между частицами воды и потоком воздуха при отсутствии электрического поля . 20
1.3. Особенности теплообмена между частицами воды и потоком воздуха при наличии электрического поля. 30
1.4 Влияние структурных особенностей воды на процессы теплообмена между частицами воды и потоком воздуха при наличии электрического поля.
1.4.1 Общие особенности строения молекулы воды 46
1.4.2 Водяной пар, свойства и характеристики 48
1.4.3 Свойства и формы кристаллической фазы воды (льда) 49
1.4.4 Особенности жидкой фазы воды 54
Глава 2. Физическая картина процессов тепломассообмена между частицами воды и потоком воздуха при развитой поверхности контакта сред ..
2.1 Испарение капли воды в потоке влажного ненасыщенного воздуха 62
2.2 Плавление градины в потоке влажного ненасыщенного воздуха 69
Глава 3. Теоретические предпосылки и математическая постановка задачи
3.1 Математическое описание процессов тепломассопереноса между частицей воды и потоком влажного ненасыщенного воздуха. 72
3.2 Использование методов теории подобия для получения практических расчетных зависимостей описывающих процессы тепломассопереноса между частицей воды и потоком воздуха. 78
Глава 4. Экспериментальное исследование процессов тепломассообмена между частицами воды и потоком влажного ненасыщенного воздуха в электрическом поле .
4.1 Экспериментальный стенд 83
4.2 Результаты экспериментального исследования испарения подвешенных капель воды в потоке влажного ненасыщенного воздуха . 85
4.3 Результаты экспериментального исследования процесса таяния градин в ненасыщенном влажном воздухе 89
Глава 5. Обработка результатов экспериментального исследования процессов тепломассообмена между частицами воды и потоком влажного ненасыщенного воздуха при наличии и отсутствии электрического поля .
5:1. Обработка результатов экспериментального исследования процессов тепломассопереноса между испаряющейся каплей воды и потоком влажного ненасыщенного воздуха при отсутствии электрического поля 93
5.2 Обработка результатов экспериментального исследования процессов тепломассопереноса между испаряющейся каплей и потоком влажного ненасыщенного воздуха при наличии электрического поля 97
5.3 Обработка результатов экспериментального исследования процессов тепломассопереноса между плавящейся градиной и потоком влажного ненасыщенного воздуха при отсутствии электрического поля 102
5.4 Обработка результатов экспериментального исследования процессов тепломассопереноса между плавящейся градиной и потоком влажного ненасыщенного воздуха при наличии электрического поля 107
Выводы и заключение 111
Литература 113
Приложения 121
- Особенности теплообмена между частицами воды и потоком воздуха при отсутствии электрического поля
- Испарение капли воды в потоке влажного ненасыщенного воздуха
- Использование методов теории подобия для получения практических расчетных зависимостей описывающих процессы тепломассопереноса между частицей воды и потоком воздуха.
- Результаты экспериментального исследования испарения подвешенных капель воды в потоке влажного ненасыщенного воздуха
Введение к работе
Процессы охлаждения или нагревания капель жидкости, находящихся в газовом потоке, широко распространены как в природных условиях, так и в технических сооружениях. В.ряде случаев процесс охлаждения завершается образованием твердой фазы и последующим охлаждением твердой частицы. В ряде других случаев твердая частица нагревается до температуры: плавления, а затем плавится с дальнейшим нагревом образовавшейся жидкости.
Подобные процессы имеют место в теплообменных аппаратах с непосредственным контактом сред, в установках по приготовлению льда или снега с заданными размерами получаемых твердых частиц, в ряде других, технических устройств. Также, процессы охлаждения и затвердевания капель воды имеют широкое распространение в атмосферных условиях, при градообразовании.
Особый интерес вызывают процессы охлаждения или нагревания
частиц воды в потоке газа, протекающие при наличии электрических полей.
Опубликованные на сегодняшний день исследования подобных процессов,,
включая данную работу, отчетливо показывают, что наличие электрических
полей приводит к изменению интенсивности процессов тепломассообмена
между частицами воды и газовой средой. Кроме того, характер процессов
% тепломассообмена, в которых участвует вода, несколько отличается от
характера процессов с участием других веществ.
Изучению тепломассообмена между водой и влажным ненасыщенным воздухом посвящено довольно большое количество исследований, однако, процессы, протекающие при наличии электрических полей при развитой поверхности раздела сред, до недавнего времени оставались сравнительно
слабо изученными. Не были выяснены, в частности, вопросы влияния свойств воды на процессы тепломассопереноса между водой и воздухом; не
8 до конца было исследовано влияние электрических полей на параметры процессов тепломассопереноса при фазовых переходах. Также, в литературе до появления данной работы отсутствовали зависимости, связывающие параметры процессов тепломассообмена и параметров электрического поля.
Результаты исследований, приведенные в данной работе, помогут в выработке рекомендаций по интенсификации теплообмена в теплообменных аппаратах контактного типа, а также могут быть использованы при изучении процессов градообразования в атмосфере. Кроме того, выяснение характера влияния свойств воды на параметры процессов теплообмена внесет свою лепту в изучение специфических свойств воды, обусловленных рядом особенностей ее строения.
Предмет исследования. Предметом исследования в данной работе являются: процессы тепломассообмена между плавящейся градиной и потоком влажного ненасыщенного воздуха с температурой выше температуры плавления льда; процессы тепломассообмена между испаряющейся каплей дистиллированной воды и потоком влажного ненасыщенного воздуха с температурой выше температуры плавления льда. Рассматриваются процессы в присутствии постоянного электрического поля и отсутствии такового. Для сравнения рассматриваются экспериментальные данные по процессам переноса, происходящим между частицами глицерина и этиленгликоля и потоком влажного ненасыщенного воздуха.
Цели работы и задачи исследования. Целями работы являются: описание физической картины плавления градины и испарения капли дистиллированной воды в потоке влажного ненасыщенного воздуха при температуре выше температуры плавления льда; получение расчетных зависимостей, связывающих параметры процессов теплообмена с параметрами постоянного электрического поля.
Для достижения этих целей поставлены следующие задачи: проанализировать имеющиеся в литературе данные по изучаемым
процессам;
определить основные факторы, влияющие на исследуемые процессы;
провести сравнительный анализ явлений, наблюдаемых при витании капли воды в потоке воздуха и витании в потоке воздуха капель глицерина и этиленгликоля;
сформулировать математическую модель, описывающую процессы испарения капли воды и плавления градины в потоке воздуха;
" установить общий вид расчетных зависимостей, связывающих параметры процессов теплообмена и параметров электрического поля;
обобщить располагаемые экспериментальные: данные и получить
конкретные расчетные зависимости для изучаемых процессов.
Методы исследования. При решении поставленных в работе задач
использовано математическое описание процессов тепломассопереноса в виде системы дифференциальных уравнений; также использованы методы теории подобия; математическая обработка экспериментальных данных проводилась с помощью ПК.
Научная новизна. К наиболее существенным научным результатам работы можно отнести следующее:
обобщены экспериментальные данные по процессам теплообмена при испарении капли и плавлении градины в потоке влажного ненасыщенного воздуха;
на основе экспериментального исследования и аппроксимации опытных данных получен ряд уравнений подобия для определения коэффициента теплоотдачи при наличии электрических полей;
" дано объяснение характера наблюдаемых процессов, связывающее их характер со специфическими особенностями воды, обусловленными молекулярным строением.
Практическая ценность. Полученные зависимости, позволяющие определить коэффициенты тепло- и массоотдачи от капель и градин в потоке воздуха, можно использовать при изучении атмосферных осадков, в том числе, при изучении градообразования. Также описанная физическая модель
10 процессов может быть использована при конструировании теплообменных аппаратов различного назначения, установок кондиционирования воздуха и технических устройств, в которых процессы тепломассообмена сопровождаются фазовыми переходами. Результаты работы были использованы в ООО НПП «Крион» при выполнении опытно-конструкторской работы по усовершенствованию контактных теплообменных аппаратов системы криостатирования криотерапевтических комплексов «КАЭКТ-01 КРИОН».
Апробация работы. Основные результаты данной работы были доложены на 30-й научно-практической конференции по итогам НИР за 2003 г. профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сотрудников СПбГУНиПТ (СПб, 2004 г.); на 31-й научно-практической конференции по итогам НИР за 2004 г. профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сотрудников СПбГУНиПТ (СПб, 2005 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и 2 приложений, содержит 120 страниц машинописного текста, 21 рисунок, 9 таблиц и список использованной литературы из 101 наименования
Особенности теплообмена между частицами воды и потоком воздуха при отсутствии электрического поля
Процессы охлаждения или нагревания капель жидкости, находящихся в газовом потоке, широко распространены как в природных условиях, так и в технических сооружениях. В.ряде случаев процесс охлаждения завершается образованием твердой фазы и последующим охлаждением твердой частицы. В ряде других случаев твердая частица нагревается до температуры: плавления, а затем плавится с дальнейшим нагревом образовавшейся жидкости.
Подобные процессы имеют место в теплообменных аппаратах с непосредственным контактом сред, в установках по приготовлению льда или снега с заданными размерами получаемых твердых частиц, в ряде других, технических устройств. Также, процессы охлаждения и затвердевания капель воды имеют широкое распространение в атмосферных условиях, при градообразовании.
Особый интерес вызывают процессы охлаждения или нагревания частиц воды в потоке газа, протекающие при наличии электрических полей. Опубликованные на сегодняшний день исследования подобных процессов,, включая данную работу, отчетливо показывают, что наличие электрических полей приводит к изменению интенсивности процессов тепломассообмена между частицами воды и газовой средой. Кроме того, характер процессов % тепломассообмена, в которых участвует вода, несколько отличается от характера процессов с участием других веществ. Изучению тепломассообмена между водой и влажным ненасыщенным воздухом посвящено довольно большое количество исследований, однако, процессы, протекающие при наличии электрических полей при развитой поверхности раздела сред, до недавнего времени оставались сравнительно слабо изученными. Не были выяснены, в частности, вопросы влияния свойств воды на процессы тепломассопереноса между водой и воздухом; не до конца было исследовано влияние электрических полей на параметры процессов тепломассопереноса при фазовых переходах. Также, в литературе до появления данной работы отсутствовали зависимости, связывающие параметры процессов тепломассообмена и параметров электрического поля.
Результаты исследований, приведенные в данной работе, помогут в выработке рекомендаций по интенсификации теплообмена в теплообменных аппаратах контактного типа, а также могут быть использованы при изучении процессов градообразования в атмосфере. Кроме того, выяснение характера влияния свойств воды на параметры процессов теплообмена внесет свою лепту в изучение специфических свойств воды, обусловленных рядом особенностей ее строения.
Предмет исследования. Предметом исследования в данной работе являются: процессы тепломассообмена между плавящейся градиной и потоком влажного ненасыщенного воздуха с температурой выше температуры плавления льда; процессы тепломассообмена между испаряющейся каплей дистиллированной воды и потоком влажного ненасыщенного воздуха с температурой выше температуры плавления льда. Рассматриваются процессы в присутствии постоянного электрического поля и отсутствии такового. Для сравнения рассматриваются экспериментальные данные по процессам переноса, происходящим между частицами глицерина и этиленгликоля и потоком влажного ненасыщенного воздуха.
Цели работы и задачи исследования. Целями работы являются: описание физической картины плавления градины и испарения капли дистиллированной воды в потоке влажного ненасыщенного воздуха при температуре выше температуры плавления льда; получение расчетных зависимостей, связывающих параметры процессов теплообмена с параметрами постоянного электрического поля.
Для достижения этих целей поставлены следующие задачи: проанализировать имеющиеся в литературе данные по изучаемым процессам; ? определить основные факторы, влияющие на исследуемые процессы; ? провести сравнительный анализ явлений, наблюдаемых при витании капли воды в потоке воздуха и витании в потоке воздуха капель глицерина и этиленгликоля; ? сформулировать математическую модель, описывающую процессы испарения капли воды и плавления градины в потоке воздуха; " установить общий вид расчетных зависимостей, связывающих параметры процессов теплообмена и параметров электрического поля; обобщить располагаемые экспериментальные: данные и получить конкретные расчетные зависимости для изучаемых процессов. Методы исследования. При решении поставленных в работе задач использовано математическое описание процессов тепломассопереноса в виде системы дифференциальных уравнений; также использованы методы теории подобия; математическая обработка экспериментальных данных проводилась с помощью ПК. Научная новизна. К наиболее существенным научным результатам работы можно отнести следующее: ? обобщены экспериментальные данные по процессам теплообмена при испарении капли и плавлении градины в потоке влажного ненасыщенного воздуха; ? на основе экспериментального исследования и аппроксимации опытных данных получен ряд уравнений подобия для определения коэффициента теплоотдачи при наличии электрических полей; " дано объяснение характера наблюдаемых процессов, связывающее их характер со специфическими особенностями воды, обусловленными молекулярным строением.
Испарение капли воды в потоке влажного ненасыщенного воздуха
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что процессы теплообмена между жидкой каплей и потоком влажного ненасыщенного воздуха при отсутствии электрического поля изучены на сегодняшний день достаточно подробно, однако - теоретическое исследование этих процессов затруднено наличием теплопереноса внутри капли массопереноса между каплей и воздухом. В литературе на данный момент недостаточно полно раскрыта тема связи влияния строения вещества на параметры процессов теплообмена; необходимо дополнительно исследовать связь молекулярной и надмолекулярной структуры жидкостей с параметрами процессов переноса, а также роль поверхностных явлений на теплообмен при развитой поверхности раздела сред.
Из рассмотрения указанных выше работ можно выделить следующие положения, которые следует использовать при рассмотрении процессов теплообмена между частицей воды и потоком влажного ненасыщенного воздуха: наиболее приближенной к реальности является модель с частичным перемешиванием жидкости внутри капли, точное математическое описание которой очень сложно; в расчетах следует использовать т.н. эффективные значения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности, которые могут отличаться от теоретических значений на порядок.
В значительной части работ, посвященных исследованию влияния электрического поля на процессы тепломассообмена между водой и воздухом, рассматриваются процессы пленочной конденсации, либо кипения. К настоящему моменту эти процессы уже сравнительно хорошо изучены, однако единой теории, описывающей механизмы влияния электрического поля на тепломассоперенос между водой и воздухом, особенно при наличии фазовых переходов, еще не сложилось.
Для данной работы наибольший интерес представляет наличие влияния электрического поля на процессы теплообмена при фазовых переходах, а также характер изменений при наличии такого влияния. В работе И.Н.Карповича, Н.В.Чураева и М.С.Панченко [23] исследовался процесс испарения дистиллированной воды. Приведены результаты исследований кинетики испарения жидкости из капилляров в межэлектродном пространстве в условиях коронного разряда. Испарение шло в объём термостатируемой камеры, в которой с помощью насыщенного раствора соли поддерживалась постоянная относительная влажность воздуха ф. Скорость испарения определялась по смещению мениска жидкости х, которое фиксировалось катетометром КМ-6.- Поле коронного разряда создавалось системой электродов игла-плоскость. При этом наблюдения велись одновременно за двумя капиллярами одинаковых радиусов. Заполненный жидкостью и запаянный капилляр, исследуемый в поле, находился, на одной -вертикальной оси с электродом-иглой. Контрольный капилляр крепился вне поля в одной вертикальной плоскости с исследуемым.
В результате исследований было установлено, что в подобных условиях скорость испарения жидкости увеличивается в 1,5-2 раза. Авторы объясняют полученные результаты воздействием электрического поля на поверхность испаряемой жидкости, появлением дополнительных термодинамических сил массопереноса и поляризованных эффектов.
В работе Л.А.Бабени, АХ.Головейко и В.И.Новиковой, [1] описывается исследование испарения из тонких стеклянных трубок воды при возбуждении слаботочного (до 140 мкА) и высоковольтного (до 6 кВ) коронного разряда над поверхностью жидкости. Испарение жидкости производилось из стеклянных трубок с внутренним диаметром d=l,6; 2,3 и 2,5 мм. Электрическое поле создавалось непосредственно у поверхности мениска жидкости с помощью системы электродов острие-кольцо, причем сама жидкость находилась вне межэлектродного пространства. Система электродов находилась в камере с постоянными относительной влажностью и температурой; Напряженность неоднородного электрического поля и степень его неоднородности оценивались теоретически.
В этом случае, испаряющаяся жидкость находится уже вне межэлектродного пространства. Наблюдалась заметное увеличение скорости процесса испарения. Исследователи объясняют интенсификацию воздействием на поверхность фазового перехода направленных газодинамических потоков, формируемых в приэлектродных областях; эти потоки связаны с самим разрядом и вовлечением паров в разрядные процессы.
В работе Л.А.Бабени, А.Г.Головейко и В.ИНовиковой [2] описываются наблюдения за процессом испарения полярных и неполярных жидкостей в: неоднородном электрическом поле, при этом в экспериментах исключались условия возникновения электрического разряда.
Испарение жидкости производилось из стеклянных трубок с внутренним диаметром 1,6 и 2,5 мм. Электрическое поле создавалось непосредственно у поверхности мениска жидкости с помощью системы электродов острие-кольцо. При этом острие располагалось вблизи мениска внутри трубки, а кольцо - снаружи трубки, несколько ниже уровня жидкости. Такое расположение электродов при подаче на них высокого напряжения обеспечивало создание сильного неоднородного поля и практически исключало разрядные условия. В электрическую цепь последовательно включались сопротивление и микроамперметр таким образом, что через них проходил полный ток с учетом его разветвления от острия на кольцо и от острия на землю. Кроме того, электрический импульс на сопротивлении регистрировался запоминающим осциллографом. Система электродов находилась в камере с относительной влажностью ф и температурой Z const. Все эксперименты проводились при атмосферном давлении. Контроль над скоростью испарения осуществлялся с помощью оптической системы путем постоянного слежения за углублением мениска жидкости в трубке.
Напряженность неоднородного электрического поля и степень его неоднородности оценивались теоретически. Создаваемое в установке поле моделировалось суперпозицией полей заряженного кольца и сферического заряда, расположенного на оси кольца. Оценки показали, что напряженность поля изменялась от 10 В/м возле острия до 10 В/м вблизи кольца; степень неоднородности, оцениваемая градиентом напряженности, была весьма высокой - от 10 до 10 В/м.
На основании полученных результатов. сделаны следующие выводы: неоднородное электрическое поле (104-107 В/м) оказывает незначительное влияние на испарение, несколько понижая скорость испарения. Главная причина, по мнению авторов работы, - ориентирующее действие неоднородного электрического поля на поверхностный слой жидкости.
Использование методов теории подобия для получения практических расчетных зависимостей описывающих процессы тепломассопереноса между частицей воды и потоком воздуха.
С целью установления характера влияния электрического поля на процессы тепломассообмена на кафедре ТОТХТ Санкт-Петербургской государственной академии холода и пищевых технологий (ныне это Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий) было проведены экспериментальные исследования процессов между испаряющейся каплей воды и потоком влажного ненасыщенного воздуха, в котором эта капля подвешивалась, а также были исследованы процессы между плавящейся градиной и потоком влажногоненасыщенного воздуха. Целью экспериментов было поставлено получение зависимостей температуры испаряющейся капли от времени и массы частицы, совершающей фазовый переход, от времени.
Экспериментальный стенд (рис. 4.1) представлял собой сооружение, включавшее в себя два контура, по одному из которых движется воздух, а по второму - холодильный агент. В воздушном контуре воздух вентилятором 5 подавался в камеру стабилизации 6, проходил воздухоохладитель 8, электроподогреватель 9 и направлялся в насадку 10, а затем в сетчатые металлические пластины 1, после чего поступал в исследуемую ячейку, где находилась исследуемая частица. Оттуда воздух через всасывающий патрубок 3 направлялся по воздуховоду 4 на вентилятор. Работа второго контура обеспечивалась холодильной машиной 7. В состав стенда входил пульт управления и регулирования параметров воздушного потока и электрических цепей 11 и пульт измерения 12. Электрический заряд вводили специальным устройством 2.
Проводились исследования испаряющихся, капель воды (как при наличии, так и в отсутствие электрического поля) и таяния градины (так же, при наличии и отсутствии электрического поля). В первой серии опытов измерялась скорость воздушного потока, температура воздуха и капли, начальный и конечный вес капли. Во второй серии опытов измерялись: скорость воздушного потока, температура воздуха, вес градины.
В разработке экспериментальной установки и проведении опытов активное участие принимали И. И; Пилип и И. К. Савин.
Температура измерялась комплексом, включающим в себя вольтметр Ф4834, коммутатор Ф4840, таймер Ф4842, транскриптор Ф4843, цифропечать МПУ 16-3. Для определения скорости воздуха использовался цифровой вольтметр Ф294-2. В ходе исследования проводились опыты по испарению подвешенных во влажном ненасыщенном воздухе капель жидкости и таянию градины в потоке влажного ненасыщенного воздуха. Эксперименты состояли из 4 серий опытов. В первой и второй сериях исследовался процесс испарения, в третьей и четвертой - процесс таяния. Описание результатов экспериментальных исследований приведено в [52]. В первой серии исследовался процесс испарения капли при отсутствии электрического поля. Результаты первой серии опытов, состоящей из 3 экспериментов, приведены в табл. 1 (приложение 1). Скорость воздуха в экспериментах ve=9,2 м/с; температура воздуха Гв=21,75 С. Масса капли в ходе эксперимента изменялась от 0,05 до 0,03 мг. Во второй серии опытов, состоящей из 9 экспериментов, исследовался процесс испарения капли при наличии постоянного электрического поля. Параметры сред в экспериментах второй серии приводятся в таблице 2 (приложение 1). Результаты второй серии опытов приводятся в табл. 3-5 (приложение 1). В ходе выполнения первых трех опытов второй серии масса капли изменялась от 0,05 до 0,01 мг. Результаты замеров массы капли в ходе 4-9 опытов серии приведены в табл. 6-7 (приложение 1) и рис. 4.3. В результате обработки полученных экспериментальных данных было обнаружено, что изменение массы капли по времени при наличии постоянного электрического поля (напряженность поля составляет 135,38 кВ/м) можно достаточно точно описать следующей зависимостью: Средний процент отклонений от опытных данных составляет 9,6%,. максимальное отклонение составляет 16,5%. Изменение массы капли по времени при наличии постоянного, электрического поля (напряженность поля составляет 69,23 кВ/м) достаточно точно описывается уравнением. Средний процент отклонений от опытных данных составляет 2,8%, максимальное отклонение составляет 5,9%.
При сопоставлении результатов, полученных для процессов в отсутствии электрического поля, и результатов, полученных для процессов в электрическом поле, выясняется, что в электрическом поле процесс испарения происходит интенсивнее. Значение коэффициента теплоотдачи при испарении капли воды в поле заметно выше, чем при испарении без электрического поля. Отношение коэффициента теплоотдачи при испарении капли в электрическом поле к коэффициенту теплоотдачи при испарении в отсутствие электрического поля Qfc/a составляло 3,52-2,65 для напряженности поля 197,44 кВ/м; 2,78-2,25 для напряженности поля 135,38 кВ/м; 1.31-1,25 для напряженности поля 69,23 кВ/м.
Проанализировав результаты опытов этих двух серий можно сделать следующие выводы: На графике зависимости -: температуры капли от времени в процессе испарения можно выделить две характерные области: в первые 30-35 секунд с начала процесса температура капли заметно падает, после этого наступает термическое равновесие, и температура капли практически не меняется. Наличие этих областей можно объяснить следующим образом: в начальный период времени поток теплоты от капли к воздуху, вызванный испарением с поверхности частицы, превышает тепловой поток от воздуха к частице, вызванный разностью температур; таким образом, температура капли понижается. По мере испарения разность температур между водой и воздухом увеличивается, к тому же уменьшается диаметр капли, а значит и площадь теплообменной поверхности. Указанные тепловые потоки уравновешивают друг друга, и система приходит в состояние теплового равновесия, температура воды не меняется:
Результаты экспериментального исследования испарения подвешенных капель воды в потоке влажного ненасыщенного воздуха
При помещении градины в поток влажного ненасыщенного воздуха с температурой выше температуры плавления сначала происходит плавление градины с образованием на поверхности частицы тонкой жидкостной пленки, а затем испарение образовавшейся жидкости. Наличие поля будет заметно влиять только на теплообмен на поверхности тающей градины, т.е. на границу раздела «вода-воздух». При этом, вероятно влияние на жидкостную пленку: под действием поля пленка жидкой воды будет утончаться на одних участках градины и утолщаться на других. Кроме того, как видно из экспериментов по испарению капель в поле, равновесная температура жидкости в электрическом поле повышается, причем, чем выше напряженность, тем выше равновесная температура воды.
Для нахождения вида критериального уравнения, описывающего процесс теплообмена между плавящейся градиной и потоком влажного ненасыщенного воздуха в присутствии электрического поля, была выбрана степенная зависимость: критерии, учитывающий соотношение между силами Е0є0є гидродинамического давления и. силами, обусловленными электрическим полем. Как и в предыдущем случае, показатель степени d при критерии Рейнольдса был выбран равным 0,5; по аналогии, значение показателя степени при критерии Фурье/было принято равным -0,25. Уравнение (5.4.1) можно представить в виде:
Коэффициент Ти показатель степени при критерии Е2 определялись обработкой экспериментальных данных методом наименьших квадратов с помощью ЭВМ. Блок-схема программы для расчета приведена на рис. 5.10. Текст программы расчета и полученные результаты приводятся в прил. 2. графике нанесены собственные результаты экспериментальных исследований; для сравнений на графике приведены результаты экспериментального исследования, приведенные в работе [39]. Как видно из графика, характер зависимости сохраняется в обеих работах; это позволяет говорить о хорошей воспроизводимости результатов экспериментов. В результате расчетов получено значение показателя степени g=-0,2, коэффициент Г=160. Таким образом, уравнение подобия, описывающее процесс теплообмена между плавящейся градиной и потоком влажного ненасыщенного воздуха, имеет вид: Nu=160Re0 5Fo0 25E2 0-2. (5.4:3) При обобщении экспериментальных данных уравнением (5.4.3) среднее отклонение составляет 19,1%, максимальное отклонение составляет 27,3%.. Уравнение (5.4.3) справедливо в следующем диапазоне изменения значений критериев подобия: 1. В результате анализа математического описания изучаемых процессов установлено, что в рассматриваемых процессах, протекающих в электрическом поле, величина критерия Нуссельта зависит от значений критериев Рейнольдса, Фурье и критерия, учитывающего соотношение между силами гидродинамического давления и силами, обусловленными электрическим полем. 2. Приведена физическая картина исследованных процессов с учетом влияния на них постоянного электрического поля. Из нее следует, что интенсифицирующее влияние электрического поля сильнее проявляется при испарении, нежели при плавлении градин. Это объясняется тем, что электрическое поле воздействует, в основном, на жидкую фазу, роль которой в процессах плавлении градины меньше, чем в процессах испарения. 3. Проведено обобщение результатов экспериментального исследования процессов тепломассообмена при испарении капель дистиллированной воды и плавлении градин в потоке влажного ненасыщенного воздуха. Эксперименты проводились как в отсутствие, так и при наличии постоянного электрического поля различной напряженности. Из полученных данных видно, что в электрическом поле средняя скорость испарения капли выше, чем в отсутствие поля; средняя скорость плавления градины в электрическом поле выше, чем в отсутствие поля; увеличение значения скоростей испарения и плавления тем больше, чем выше значение напряженности поля. 4. Экспериментальные данные убедительно демонстрируют интенсифицирующее влияние электрического поля на процессы, сопровождающиеся фазовыми переходами. Очевидна связь значения коэффициента теплоотдачи и значения напряженности поля. Получены критериальные зависимости, описывающие процессы, как при наличии, так и в отсутствие электрического поля. Критериальные уравнения, описывающие зависимость параметров процессов переноса от параметров электрического поля, в литературе описаны впервые. Из них видно, что при испарении капли дистиллированной воды в электрическом поле значение коэффициента теплоотдачи пропорционально значению напряженности поля в степени 0,94; при плавлении градины в электрическом поле значение коэффициента теплоотдачи пропорционально значению напряженности поля в степени 0,4. Увеличение значения коэффициента теплоотдачи в электрическом поле в исследованном диапазоне параметров составляет: для процесса испарения капли - 25-252% (в зависимости от безразмерного времени и величины напряженности поля); для процесса плавления градины - 7-41% (так же, в зависимости от безразмерного времени и величины напряженности поля).
По экспериментальным данным установлено, что в электрическом поле установившаяся в ходе процесса температура испаряющейся капли выше, чем в процессе, протекающем без поля. Это объясняется тем, что часть энергии электрического поля преобразуется в тепловую энергию: одновременно повышается стабилизированная температура частицы и увеличивается скорость испарения. Увеличение скорости плавления градины в электрическом поле также объясняется преобразованием энергии поля в теплоту.
