Тема: МЕТОД ИМПУЛЬСНОГО НАГРЕВА ПРОВОЛОЧНОГО ЗОНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕПЛООТДАЧИ К ПРЕДЕЛЬНЫМ УГЛЕВОДОРОДАМ С ПРИМЕСЬЮ ВОДЫ
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
📋 Содержание
ГЛАВА 1. УГЛЕВОДОРОДНЫЕ ЖИДКОСТИ С ДОБАВКАМИ ВОДЫ И
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ 11
1.1. ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ВОДЫ НА СВОЙСТВА УГЛЕВОДОРОДНЫХ ЖИДКОСТЕЙ 11
1.2 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ ПРИ
НЕСТАЦИОНАРНОМ НАГРЕВЕ С ПОМОЩЬЮ ПРОВОЛОЧНОГО ЗОНДА 17
1.2.1 Одноимпульсный нагрев 19
1.2.2 Метод «температурного плато» 21
1.2.3 Устройство термостабилизации 22
1.2.4 Двухимпульсный нагрев 26
ВЫВОДЫ ПО ОБЗОРУ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЯЕМОГО ИМПУЛЬСНОГО НАГРЕВА 32
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 32
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА КОМПЕНСАЦИОННОГО НАГРЕВА 34
2.1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ОПЫТЫ С ИМПУЛЬСНЫМ НАГРЕВОМ ЗОНДА 34
2.2. КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МЕТОД 41
2.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРЕВА ПРОВОЛОЧНОГО ЗОНДА ПО ДВУХИМПУЛЬСНОЙ
МЕТОДИКЕ 47
2.4. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЕНСАЦИОННОЙ МЕТОДИКИ 56
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 58
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА 60
3.1. ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 60
3.2. УСТРОЙСТВО ПРОГРАММИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ НАГРЕВА ЗОНДА 61
3.2.1. Блок обработки и передачи информации 63
3.2.2. Блок управляемого генератора тока 64
3.2.3. Настраиваемый измерительный блок 65
3.2.4. Измерительная ячейка и зонд 65
3.3. КАМЕРА ДАВЛЕНИЯ 67
3.4. РАЗРАБОТАННОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ 68
3.5. АЛГОРИТМ РАБОТЫ ПРОГРАММЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОМ 75
3.6. ОЦЕНКА НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЙ 78
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 87
4.1. ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ 87
4.2. РАСЧЕТ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 88
4.3. КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МЕТОД 92
4.4. ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ 98
4.5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 105
ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ 108
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 111
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 114
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 116
ПРИЛОЖЕНИЕ А 127
📖 Введение
Актуальность работы. Вода, как распространенный компонент нашей природы, может смешиваться, частично или полностью, с углеводородными жидкостями - рабочими телами различных аппаратов и установок. Работа технологических агрегатов практически всегда сопровождается нестационарными режимами локального нагрева, которые могут приводить к перегреву технологических жидкостей, их расслоению, в случае двух- (и более) компонентных систем и вскипанию [4, 5]. 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 эффектами и явлениями [6]. Речь идет, в первую очередь, о высокоэнергетическом воздействии на жидкости при сгорании топлив, смазки узлов трения, электрических разрядах [7]. Добавки воды могут оказывать как отрицательное, так и положительное влияние на ход технологических процессов. Данное обстоятельство обуславливает необходимость постоянного контроля влагосодержания и учета вносимого им возмущения [8]. Массовое применение углеводородных жидкостей в составе топлив и масел широкого назначения определяет актуальность исследования их свойств в обводненном состоянии и разработки новых методов и приборов производственной влагометрии.
Предметом данной работы стала разработка метода и прибора нестационарных теплофизических измерений для изучения явления повышения интенсивности теплопереноса импульсно нагреваемыми жидкими углеводородами, сопровождающего появлении в них малых добавок влаги, в том числе, на уровне следов [8,9]. Данное явление проявляет себя в области перегрева относительно температуры равновесия жидкость-пар при заданном давлении. Нестационарный характер теплообменных процессов при импульсном нагреве проволочного зонда в веществе потребовал разработки нового подхода к выполнению измерений, актуального для исследований диэлектрических жидкостей с примесями, в первую очередь, частично смешиваемых жидких сред.
Степень разработанности темы. Разработка нестационарных методов измерения теплофизических свойств веществ и материалов стимулировалась развитием промышленности, атомной и ракетно-космической техники. В нашей стране большой вклад внесли А.В. Лыков, А.Г. Шашков, Г.М. Кондратьев, Г.Н. Дульнев, Е.С. Платунов, О.А. Краев, Л.П. Филиппов, В.Е. Зиновьев и другие ученые. Основы динамических методов измерения разработаны сотрудниками лаборатории тепловых приборов и измерений (ИТМО) под руководством Г.М. Кондратьева, Е.С. Платунова и Г.Н. Дульнева [10]. Развитие динамических и нестационарных методов продолжают В.В. Курепин, С.Е. Буравой, И.В. Баранов, С.В. Пономарев, С.В. Мищенко, А.Г. Дивин, А.Д. Ивлиев, В.И. Горбатов, П.С. Попель и другие исследователи. Методы исследования и измерения теплоотдачи с поверхности нагретой проволоки к жидким средам достаточно разработаны применительно к задачам стационарного теплообмена и термоанемометрии в потоках жидкостей и газов. Развитие исследований при импульсном нагреве проволоки стимулировало разработку новых методов и устройств для задания режима нагрева и проведения быстрых температурных измерений. Широкое применение для измерения теплопроводности жидкостей получил метод импульсов постоянной мощности (Т11А-1ес11пк]ие в англоязычной литературе) с малым перепадом температур [11]. С целью изучения свойств жидкостей при интенсивном импульсном нагреве с большими перепадами температур в ИПХФ РАН и ИТФ УрО РАН разработаны методы быстрой стабилизации температуры и двухимпульсного нагрева проволочного зонда. В импульсных экспериментах с выходом в область перегретых состояний жидкости обнаружена высокая чувствительность метода двухимпульсного нагрева проволочного зонда к содержанию малых примесей воды в маслах [8, 9, 12, 13].
Цель работы состояла в разработке метода и прибора для контролируемого импульсного нагрева проволочного зонда, и сравнительной оценки интенсивности теплоотдачи с поверхности зонда к углеводородным жидкостям в условиях кратковременного мощного тепловыделения.
Задачи работы:
1. Разработка нового метода оценки теплоотдачи с поверхности импульсно нагреваемого зонда к исследуемой среде 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 физического эксперимента.
4. Экспериментальное исследование особенностей теплоотдачи с поверхности импульсно нагреваемого зонда к образцам жидких углеводородов с малыми добавками воды.
Научная новизна:
Разработан новый сравнительный метод измерения температурной зависимости теплоотдачи импульсно нагреваемого зонда к диэлектрическим жидкостям с примесями, апробированный на образцах углеводородных жидкостей с примесью воды.
Разработаны и созданы новые приборы и устройства для проведения исследований теплоотдачи с поверхности 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.
Впервые получены количественные результаты сравнительного экспериментального исследования явления непропорционального увеличения теплоотдачи с поверхности импульсно нагреваемого зонда к образцам жидких углеводородов с малыми добавками воды.
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 всех необходимых расчетов, разработке математических моделей, обобщении результатов экспериментальных и численных исследований.
Достоверность результатов подтверждается применением апробированных методов теплофизических измерений, применением фундаментальных термодинамических законов, учетом опыта 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
Основное содержание диссертации опубликовано в 33 работах, из них 8 статей в рецензируемых журналах [12-19] и 1 патент на изобретение [20].
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.
Благодарности
Автор выражает благодарность: д.ф.-м.н. П.В. Скрипову за постоянное внимание к работе; своему научному руководителю - к.ф.-м.н. А.А. Старостину за конструктивную критику и содействие в работе над диссертацией; А.Н. Котову за помощь в разработке электронных узлов устройства нагрева; к.т.н. В.В. Шангину и к.ф.-м.н. Д.В. Волосникову за участие в обсуждении результатов.
✅ Заключение
1. Разработан и апробирован метод относительных измерений 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 образцах исследуемых жидкостей с различной примесью воды. Задание необходимых температурно-временных условий обеспечивается за счет тонкой настройки тока нагрева зонда и повышенной чувствительности канала измерений. Получаемое отношение мало меняется от времени и может служить относительной характеристикой изменения интенсивности нестационарного теплообмена в образцах с близкими теплофизическими свойствами, но различными по содержанию примесей.
2. Для исследования влияния добавок воды в образцах углеводородных жидкостей была создана экспериментальная установка с двухимпульсным нагревом проволочного зонда, погруженного в исследуемую жидкость в ячейке камеры с регулируемым давлением. Возможности вновь разработанной установки позволили подбирать режимы нагрева для обеспечения измерения относительного коэффициента теплоотдачи зонда к исследуемой жидкости в близких температурно-временных условиях нагрева зонда. Установка позволяет нагревать проволочный зонд и удерживать температуру зонда вблизи заданного значения в течение нескольких миллисекунд в диапазоне температур от 100 до 400 оС с шагом по температуре в 0,5 градуса в диапазоне давлений до 5 МПа.
3. Разработаны и созданы средства автоматизации физического эксперимента для исследования теплоотдачи с поверхности импульсно- нагреваемого зонда к различным средам. Создано программное обеспечение для автоматизации задания режимов периодического нагрева зонда в исследуемой среде и измерения его температуры во времени с повышенной чувствительностью. На основе получаемых массивов данных об изменении мощности нагрева в близких температурно-временных условиях нагрева зонда определяется температурная зависимость относительного коэффициента теплоотдачи в образцах углеводородных жидкостей. Выполнено структурированное сохранение результатов эксперимента и первичная обработка данных для сравнительного анализа.
4. С помощью вновь разработанной экспериментальной техники впервые дана количественная оценка явлению интенсификации нестационарного теплообмена в системе проволочный зонд - углеводородная жидкость с добавками воды при приближении температуры зонда к значению температуры вскипания жидкости. В качестве исследуемых образцов были взяты предельные углеводороды: н-гексан, н-декан и н-гексадекан. Температура кипения основного вещества при атмосферном давлении была ниже, выше и значительно выше значения температуры кипения воды. Было обнаружено, что незначительное увеличение влаги (до 0,004%) инициирует в заданных условиях нагрева и атмосферном давлении значительное увеличение теплового потока (до 10%) с поверхности зонда в изученных образцах углеводородных жидкостей. Этот эффект проявляется за несколько десятков градусов до значения температуры спонтанного вскипания основного вещества. Явление увеличения теплообмена перед вскипанием не наблюдается в чистых образцах углеводородов. Приложение внешнего давления (0,2-0,6 МПа) нивелирует влияние влаги и делает неразличимыми осушенный и обводненный образцы.
5. Показана применимость разработанного метода для влагометрии промышленных масел. Разработаны алгоритмы и прикладная программа для влагомера промышленных масел ВТИ-118 (совместно с НВФ "ЭкспрессТермоКонтроль"). Прибор прошел метрологические испытания и включен в государственный реестр средств измерений РФ (№75066-19).



