Помощь студентам в учебе
МЕТОД ИМПУЛЬСНОГО НАГРЕВА ПРОВОЛОЧНОГО ЗОНДА ДЛЯИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕПЛООТДАЧИ К ПРЕДЕЛЬНЫМ УГЛЕВОДОРОДАМ С ПРИМЕСЬЮ ВОДЫ
|
Актуальность работы. Вода, как вездесущий компонент нашей природы, может присутствовать в углеводородных рабочих телах различных аппаратов и установок. Работа технологических агрегатов нередко сопровождается нестационарными режимами локального тепловыделения, которые могут приводить к перегреву технологических жидкостей, их расслоению и вскипанию. Сложность протекающих процессов затрудняет их теоретическое описание и стимулирует экспериментальные исследования, направленные на разработку новых принципов и методов нестационарных теплофизических измерений. Возрастающий интерес к изучению свойств углеводородных жидкостей с примесью воды связан с необычными и малоизученными явлениями, протекающими в условиях высокоэнергетического импульсного воздействия на них при сгорании топлив, смазки высокоскоростных узлов трения, электрических разрядах. Добавки воды могут оказывать как отрицательное, так и положительное влияние на ход технологических процессов, что обуславливает необходимость их контроля. Массовое применение углеводородных жидкостей в составе топлив и масел широкого назначения определяет актуальность исследований их теплофизических свойств в экстремальных состояниях и разработки соответствующих методов и приборов.
Предметом данной работы стала разработка метода и прибора нестационарных теплофизических измерений для изучения явления повышения интенсивности теплопереноса обводненными жидкими углеводородами при импульсном нагреве проволочного зонда. Данное явление проявляет себя в области перегрева относительно температуры равновесия жидкость-пар при заданном давлении. Объектами изучения, исходя из практической значимости и наличия данных по теплофизическим свойствам, выбраны предельные углеводороды с различной длиной молекулярной цепи, а именно, н-гексан, н- декан и н-гексадекан. Постановка задачи исследования потребовала разработки автоматизированного прибора для управляемого импульсного воздействия на тонкий проволочный зонд, который является как нагревателем, так и термометром сопротивления. Нестационарный характер теплообменных процессов при импульсном нагреве проволочного зонда потребовал разработки нового подхода к выполнению измерений, актуального для исследований и других диэлектрических жидкостей с примесями.
Работа поддержана Российским научным фондом, проект № 19-19-00115.
Цель работы состояла в разработке метода и автоматизированного прибора для контролируемого импульсного нагрева проволочного зонда и сравнительной оценки интенсивности теплоотдачи с поверхности зонда к углеводородным жидкостям с примесями в условиях кратковременного мощного тепловыделения.
Задачи работы:
1. Разработка нового метода оценки теплоотдачи с поверхности импульсно нагреваемого зонда в исследуемую среду и моделирование процессов теплообмена в системе зонд - диэлектрическая среда.
2. Создание новых приборов и устройств для проведения исследований теплоотдачи с поверхности импульсно нагреваемого зонда к образцам жидких углеводородов
3. Разработка средств автоматизации импульсного эксперимента.
4. Экспериментальное исследование особенностей теплоотдачи с поверхности импульсно нагреваемого зонда в образцах жидких углеводородов с малыми добавками воды, включая кратковременно перегретые состояния жидкости.
Научная новизна
Разработан метод относительных измерений температурной зависимости теплоотдачи импульсно нагреваемого зонда к диэлектрическим жидкостям с примесями, апробированный на образцах углеводородных жидкостей с примесью воды.
Разработаны и созданы приборы и устройства для проведения исследований теплоотдачи импульсно нагреваемого зонда к образцам жидких углеводородов с малыми добавками воды при температурах до 400оС и давлениях до 5 МПа.
Разработаны и созданы средства автоматизации физического эксперимента для исследования теплоотдачи с поверхности импульсно нагреваемого зонда в различных средах.
Впервые получены количественные результаты экспериментального исследования явления непропорционального увеличения теплоотдачи импульсно нагреваемого зонда к образцам жидких углеводородов с малыми добавками воды с выходом в кратковременно перегретые состояния жидкости.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке нестационарного метода определения относительного коэффициента теплоотдачи импульсно нагреваемого проволочного зонда к диэлектрическим жидкостям с примесями, позволяющего проводить измерения в широкой области стабильных и перегретых состояний жидкости.
Практическая значимость работы обусловлена широким применением исследованных углеводородов в составе технологических жидкостей и в технологических процессах с мощным тепловыделением. Развиваемый подход, основанный на оценке влияния малых добавок воды на тепловые процессы в перегретых углеводородных жидкостях, может служить инструментом оценки качества технологических жидкостей в широком диапазоне температур и давлений. Разработанные метод и прибор применены для сопоставления коэффициента теплоотдачи зонда в образцах промышленных масел и оценки их относительного влагосодержания по заранее выполненной калибровке.
Положения, выносимые на защиту:
1. Разработанный метод двухимпульсного нагрева проволочного зонда с подстройкой значения тока второго импульса позволяет проводить измерения среднего относительного коэффициента теплоотдачи (СОКТ) зонда с линейно-термозависимым сопротивлением к образцам диэлектрической жидкости с малыми примесями в близких температурно-временных условиях (ТВУ) нагрева зонда.
2. Разработанная и созданная экспериментальная установка обеспечивает проведение измерений температурных и барических зависимостей СОКТ зонда к образцам углеводородных жидкостей с примесью воды при температурах нагрева зонда до 400 оС и давлениях до 5 МПа.
3. Разработанные и созданные средства автоматизации физического эксперимента позволяют проводить исследования температурной зависимости СОКТ проволочного зонда к образцам углеводородных жидкостей с примесью воды в близких ТВУ двухимпульсного нагрева.
4. С помощью разработанной аппаратуры и приборов проведено экспериментальное исследование и дана количественная оценка эффекта непропорционального увеличения СОКТ зонда к образцам углеводородных жидкостей с примесью воды вблизи температуры вскипания жидкости и его уменьшения при увеличении давления.
Личный вклад автора заключается в разработке метода измерений, проведении экспериментальных исследований, выполнении необходимых расчетов, разработке математических моделей, обобщении результатов экспериментальных и численных исследований.
Достоверность результатов подтверждается применением апробированных методов теплофизических измерений, применением фундаментальных термодинамических законов, опытом работы с перегретыми жидкостями, соответствием результатов численного моделирования результатам экспериментов, выполнением численного моделирования на сертифицированном пакете программ Elcut.
Апробация работы:
Результаты работы докладывались на 23 конференциях, среди которых: 7th Rostocker International Conference: THERMAM2018, Rostock, Germany (Германия, Росток, 2018); 9th Rostocker International Conference: THERMAM2020, Rostock, Germany (Германия, Росток, 2020); MEASUREMENT 2019, Proceedings of the 12th International Conference (Словакия, Смоленице, 2019); SibTest - 2019 Екатеринбург; V Российская Конференция «Метастабильные состояния и флуктуационные явления», посвященная 90-летию со дня рождения академика В.П. Скрипова, Екатеринбург, 2017; Фазовые превращения в углеводородных флюидах: теория и эксперимент, Москва, 2016; Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ, Москва, 2018; XIV Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ, Казань, 2014; V Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ», Санкт-Петербург, 2019 и др.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 33 научных труда, в том числе 8 статей в рецензируемых научных журналах [1-8] из списка ВАК РФ, из которых 5 проиндексированы в базе Scopus и Web of Science, и 1 патент РФ [9] на полезную модель.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, списка сокращений, списка использованных источников из 92 наименований. Работа изложена на 129 страницах, содержит 86 рисунков.
Предметом данной работы стала разработка метода и прибора нестационарных теплофизических измерений для изучения явления повышения интенсивности теплопереноса обводненными жидкими углеводородами при импульсном нагреве проволочного зонда. Данное явление проявляет себя в области перегрева относительно температуры равновесия жидкость-пар при заданном давлении. Объектами изучения, исходя из практической значимости и наличия данных по теплофизическим свойствам, выбраны предельные углеводороды с различной длиной молекулярной цепи, а именно, н-гексан, н- декан и н-гексадекан. Постановка задачи исследования потребовала разработки автоматизированного прибора для управляемого импульсного воздействия на тонкий проволочный зонд, который является как нагревателем, так и термометром сопротивления. Нестационарный характер теплообменных процессов при импульсном нагреве проволочного зонда потребовал разработки нового подхода к выполнению измерений, актуального для исследований и других диэлектрических жидкостей с примесями.
Работа поддержана Российским научным фондом, проект № 19-19-00115.
Цель работы состояла в разработке метода и автоматизированного прибора для контролируемого импульсного нагрева проволочного зонда и сравнительной оценки интенсивности теплоотдачи с поверхности зонда к углеводородным жидкостям с примесями в условиях кратковременного мощного тепловыделения.
Задачи работы:
1. Разработка нового метода оценки теплоотдачи с поверхности импульсно нагреваемого зонда в исследуемую среду и моделирование процессов теплообмена в системе зонд - диэлектрическая среда.
2. Создание новых приборов и устройств для проведения исследований теплоотдачи с поверхности импульсно нагреваемого зонда к образцам жидких углеводородов
3. Разработка средств автоматизации импульсного эксперимента.
4. Экспериментальное исследование особенностей теплоотдачи с поверхности импульсно нагреваемого зонда в образцах жидких углеводородов с малыми добавками воды, включая кратковременно перегретые состояния жидкости.
Научная новизна
Разработан метод относительных измерений температурной зависимости теплоотдачи импульсно нагреваемого зонда к диэлектрическим жидкостям с примесями, апробированный на образцах углеводородных жидкостей с примесью воды.
Разработаны и созданы приборы и устройства для проведения исследований теплоотдачи импульсно нагреваемого зонда к образцам жидких углеводородов с малыми добавками воды при температурах до 400оС и давлениях до 5 МПа.
Разработаны и созданы средства автоматизации физического эксперимента для исследования теплоотдачи с поверхности импульсно нагреваемого зонда в различных средах.
Впервые получены количественные результаты экспериментального исследования явления непропорционального увеличения теплоотдачи импульсно нагреваемого зонда к образцам жидких углеводородов с малыми добавками воды с выходом в кратковременно перегретые состояния жидкости.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке нестационарного метода определения относительного коэффициента теплоотдачи импульсно нагреваемого проволочного зонда к диэлектрическим жидкостям с примесями, позволяющего проводить измерения в широкой области стабильных и перегретых состояний жидкости.
Практическая значимость работы обусловлена широким применением исследованных углеводородов в составе технологических жидкостей и в технологических процессах с мощным тепловыделением. Развиваемый подход, основанный на оценке влияния малых добавок воды на тепловые процессы в перегретых углеводородных жидкостях, может служить инструментом оценки качества технологических жидкостей в широком диапазоне температур и давлений. Разработанные метод и прибор применены для сопоставления коэффициента теплоотдачи зонда в образцах промышленных масел и оценки их относительного влагосодержания по заранее выполненной калибровке.
Положения, выносимые на защиту:
1. Разработанный метод двухимпульсного нагрева проволочного зонда с подстройкой значения тока второго импульса позволяет проводить измерения среднего относительного коэффициента теплоотдачи (СОКТ) зонда с линейно-термозависимым сопротивлением к образцам диэлектрической жидкости с малыми примесями в близких температурно-временных условиях (ТВУ) нагрева зонда.
2. Разработанная и созданная экспериментальная установка обеспечивает проведение измерений температурных и барических зависимостей СОКТ зонда к образцам углеводородных жидкостей с примесью воды при температурах нагрева зонда до 400 оС и давлениях до 5 МПа.
3. Разработанные и созданные средства автоматизации физического эксперимента позволяют проводить исследования температурной зависимости СОКТ проволочного зонда к образцам углеводородных жидкостей с примесью воды в близких ТВУ двухимпульсного нагрева.
4. С помощью разработанной аппаратуры и приборов проведено экспериментальное исследование и дана количественная оценка эффекта непропорционального увеличения СОКТ зонда к образцам углеводородных жидкостей с примесью воды вблизи температуры вскипания жидкости и его уменьшения при увеличении давления.
Личный вклад автора заключается в разработке метода измерений, проведении экспериментальных исследований, выполнении необходимых расчетов, разработке математических моделей, обобщении результатов экспериментальных и численных исследований.
Достоверность результатов подтверждается применением апробированных методов теплофизических измерений, применением фундаментальных термодинамических законов, опытом работы с перегретыми жидкостями, соответствием результатов численного моделирования результатам экспериментов, выполнением численного моделирования на сертифицированном пакете программ Elcut.
Апробация работы:
Результаты работы докладывались на 23 конференциях, среди которых: 7th Rostocker International Conference: THERMAM2018, Rostock, Germany (Германия, Росток, 2018); 9th Rostocker International Conference: THERMAM2020, Rostock, Germany (Германия, Росток, 2020); MEASUREMENT 2019, Proceedings of the 12th International Conference (Словакия, Смоленице, 2019); SibTest - 2019 Екатеринбург; V Российская Конференция «Метастабильные состояния и флуктуационные явления», посвященная 90-летию со дня рождения академика В.П. Скрипова, Екатеринбург, 2017; Фазовые превращения в углеводородных флюидах: теория и эксперимент, Москва, 2016; Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ, Москва, 2018; XIV Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ, Казань, 2014; V Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ», Санкт-Петербург, 2019 и др.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 33 научных труда, в том числе 8 статей в рецензируемых научных журналах [1-8] из списка ВАК РФ, из которых 5 проиндексированы в базе Scopus и Web of Science, и 1 патент РФ [9] на полезную модель.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, списка сокращений, списка использованных источников из 92 наименований. Работа изложена на 129 страницах, содержит 86 рисунков.
В заключении сформулированы итоги исследования. Выяснено влияние параметров опыта - содержания влаги, давления и степени перегрева относительно линии равновесия жидкость-пар основной жидкости, на характерные черты процесса. Обнаружено два результата, которые трудно было предсказать заранее. Во-первых, это взаимосвязь порога проявления эффекта именно с температурой достижимого перегрева углеводорода, вне зависимости от температуры фазового перехода в воде. Во-вторых, это чрезвычайно сильная зависимость проявления эффекта от приведенного давления. Далее, перечислены основные результаты выполненного исследования:
1. Разработан и апробирован сравнительный метод измерения температурной зависимости теплоотдачи импульсно нагреваемого зонда к диэлектрическим жидкостям с примесями, апробированный на образцах углеводородных жидкостей с примесью воды. Особенность разработанной методики заключается в возможности создавать близкие условия нагрева проволочного зонда в различных образцах жидкостей с примесью воды.
2. Разработаны и созданы прибор и экспериментальная установка для проведения исследований особенностей теплоотдачи с поверхности импульсно- нагреваемого зонда к углеводородам с добавками воды при температурах зонда до 400оС и давлениях до 5 МПа.
3. Разработаны и созданы средства автоматизации физического эксперимента для исследования теплоотдачи с поверхности импульсно-нагреваемого зонда к различным средам. Разработано специализированное программное обеспечение для управления нагревом проволочного зонда и автоматизации высокоскоростных измерений в импульсных экспериментах.
4. С помощью вновь разработанных метода и прибора впервые дана количественная оценка явлению интенсификации теплообмена в системе проволочный зонд - углеводородная жидкость с добавками воды при приближении температуры зонда к температуре вскипания жидкости.
5. Показана применимость разработанного метода для влагометрии промышленных масел.
1. Разработан и апробирован сравнительный метод измерения температурной зависимости теплоотдачи импульсно нагреваемого зонда к диэлектрическим жидкостям с примесями, апробированный на образцах углеводородных жидкостей с примесью воды. Особенность разработанной методики заключается в возможности создавать близкие условия нагрева проволочного зонда в различных образцах жидкостей с примесью воды.
2. Разработаны и созданы прибор и экспериментальная установка для проведения исследований особенностей теплоотдачи с поверхности импульсно- нагреваемого зонда к углеводородам с добавками воды при температурах зонда до 400оС и давлениях до 5 МПа.
3. Разработаны и созданы средства автоматизации физического эксперимента для исследования теплоотдачи с поверхности импульсно-нагреваемого зонда к различным средам. Разработано специализированное программное обеспечение для управления нагревом проволочного зонда и автоматизации высокоскоростных измерений в импульсных экспериментах.
4. С помощью вновь разработанных метода и прибора впервые дана количественная оценка явлению интенсификации теплообмена в системе проволочный зонд - углеводородная жидкость с добавками воды при приближении температуры зонда к температуре вскипания жидкости.
5. Показана применимость разработанного метода для влагометрии промышленных масел.