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.
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.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
