авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 |
-- [ Страница 1 ] --

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Посвящается 100-летию со дня рождения

профессора Лебедева Ивана Кирилловича

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ Сборник научных трудов II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием 06 – 08 октября 2011 г.

Томск 2011 УДК 621.1(063) ББК 31.3л0 Т34 Теплофизические основы энергетических технологий:

сборник научных трудов II Всероссийской научно-практической Т34 конференции / под ред. Г.В. Кузнецова, А.С. Заворина, К.В. Бувакова;

Томский политехнический университет. – Томск:

Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 358 с.

ISBN 978-5-98298-959- Сборник содержит теоретические и практические работы, отражает ас пекты консолидации возможностей и усилий научно-инженерного сообщества на инновационном направлении в решении теплофизических проблем техно логий энергетического производства. Особое внимание уделено вопросам энергосбережения и эффективности технологий сжигания органического топ лива, надежности и безопасности технологических систем теплоэнергетики.

Рассмотрены вопросы технологии мониторинга взаимодействия объектов теп лоэнергетики с окружающей средой, технологии переработки и утилизации техногенных отходов, а также энергосберегающие технологии транспортиров ки, распределения и потребления тепловой энергии.

Предназначен для научных работников, аспирантов и специалистов, ра ботающих в области энергетики, а также для студентов вузов теплоэнергети ческого профиля.

УДК 621.1(063) ББК 31.3л Редакционная коллегия Г.В. Кузнецов, доктор физико-математических наук, профессор ТПУ;

А.С. Заворин, доктор технических наук, профессор ТПУ;

В.В. Литвак, доктор технических наук, профессор ТПУ;

В.С. Логинов, доктор физико-математических наук, профессор ТПУ;

П.Г. Яковенко, доктор технических наук, профессор ТПУ;

К.В. Буваков, кандидат технических наук, доцент ТПУ.

Конференция организована и проведена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований № 11-08-06045-г © ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, ISBN 978-5-98298-959- УДК 621.182.002 (571.16) (092) ОСНОВАТЕЛЬ ТОМСКОЙ НАУЧНО-ПЕДАГОГИЧЕСКОЙ ШКОЛЫ КОТЛОСТРОЕНИЯ Заворин А.С., д.т.н.



Томский политехнический университет, г. Томск E-mail: zavorin@tpu.ru Развитие теплоэнергетического образования в Томском политехни ческом институте во второй половине двадцатого века и становление в Томске и в Сибири в целом научно-педагогической школы по котло строению связаны с именем профессора Ивана Кирилловича Лебедева, 100 лет со дня рождения которого исполнится 8 октября 2011 года. Ре зультаты его деятельности в этих направлениях не утратили актуально сти до сих пор и востребованы в современных условиях реформирова ния высшей школы.

Жизнь И.К. Лебедева охвати ла почти все эпохальные для Рос сии события двадцатого века. Ро дился 8 октября 1911 г. в Пензен ской губернии в крестьянской се мье. После гибели отца на фронте, в самом начале первой мировой войны, был взят на воспитание в семью дяди. В 1928 г. с мечтой стать инженером-энергетиком по ступил на работу учеником элек трика на шахте в г. Новошахтин ске Ростовской области и получил возможность обучаться на рабфа ке – так именовались курсы по подготовке представителей рабо чего класса к учебе в вузах и тех никумах. Успешное окончание И.К. Лебедев рабфака позволило не только по ступать в институт без вступительных экзаменов, но и выбирать вуз.

Предпочтение было отдано старейшему техническому учебному заве дению Сибири. Так в 1931 г. И.К. Лебедев стал студентом первого курса Сибирского механического института, который был выделен наряду с другими из Томского технологического института в ходе проходившего тогда разукрупнения многопрофильных учебных заведений. Вскоре на чался обратный процесс преобразования системы высшего образования, и путем слияния мелких вузов образовался Томский индустриальный институт, который И.К. Лебедев и закончил в 1936 г. по кафедре про фессора И.Н. Бутакова с дипломом инженера-теплотехника по специ альности «Производство, распределение и промышленное использова ние тепловой энергии».

Самостоятельная деятельность для И.К. Лебедева началась в Ново кузнецке в должности инженера ТЭЦ Кузнецкого металлургического комбината. Ранее здесь проходила студенческая производственная практика, и с тех пор комбинат привлекал своими масштабами индуст риального гиганта и размахом созидания нового металлургического центра страны. Молодой специалист с энтузиазмом включился в работу, с большим желанием перенимая опыт старших коллег и участвуя в ре шении разнообразных и сложных производственных задач. В после дующем, уже на преподавательском поприще, Иван Кириллович часто обращался к этому периоду, приводя многочисленный примеры практи ческих ситуаций в своих лекциях, что делало их очень убедительными и запоминающимися.

Спустя всего год после начала работы на КМК И.К. Лебедев, буду чи еще молодым специалистом, получил назначение на должность глав ного инженера коммунального управления. Насколько значительной была эта оценка его деловой активности и знаний, понятно из того, что Кузнецкий металлургический комбинат был тогда градообразующим предприятием стремительно развивающегося Новокузнецка.





Два года службы в Красной Армии, проходившей на Дальнем Вос токе, добавили новые грани приобретенного опыта: участие тамна должности младшего командира в сооружении оборонительных объек тов дало практически профессиональные познания строителя.

После возвращения на КМК в 1940 г. И.К. Лебедев был назначен на должность заместителя начальника котельного цеха ТЭЦ комбината и оставался на этом посту до 1944 г. По воспоминаниям Ивана Кирилло вича, это были годы неимоверно напряженного, поистине фронтового труда, когда для обеспечения военных заданий по выпуску металла энергетики порой сутками и неделями оставались на рабочих местах.В 1944 г. И.К. Лебедева по личному распоряжению министра черной ме таллургии И.Ф. Тевосяна переводят начальником котельного цеха на ТЭЦ Новотагильского металлургического комбината, а в 1947 г. по ре шению Свердловского обкома КПСС назначают начальником котельно го цеха Богословского алюминиевого завода.

В 1948 г. началась научно-педагогическая деятельность Ивана Ки рилловича: поступив в аспирантуру к профессору И.Н. Бутакову по его приглашению, он, как оказалось, окончательно связал свою жизнь с Томском и родным институтом. Здесь уместно отметить, что Иннокен тий Николаевич Бутаков, который сам прошел богатую производствен ную школу до того как стать преподавателем, первым оценил высокую профессиональную квалификацию и организаторские способности сво его ученика. Являясь в то время заместителем ректора (проректором) по учебному и научному управлению, он вскоре рекомендовал И.К. Лебедева ректору А.А. Воробьеву как потенциального лидера в де ле подготовки и осуществления актуальной тогда для развития поли технического института задачи создания самостоятельного направления научной и образовательной деятельности на стыке теплофизики, энерге тического машиностроения и теплотехники.

В 1951 г. И.К. Лебедев защитил кандидатскую диссертацию на те му «Борьба с золовым износом водяных экономайзеров и дымососов ко тельных установок при сжигании высокозольных топлив». Проведенное исследование, отличавшееся большой практической значимостью, было в русле систематических исследований теплотехнических свойств энер гетического топлива, проводившихся школой профессора И.Н. Бутако ва, и вместе с тем дало начало новому направлению – исследованию влияния минеральной части топлив на условия работы котельных агрегатов.

Заняв по конкурсу должность доцента кафедры теплосиловых ус тановок, И.К. Лебедев стал совместно с доцентом В.Н. Смиренским ку рировать деятельность кафедры по котельным установкам. Одновре менно с этим он с 1952 г. становится деканом энергетического факуль тета, сменив на этом посту профессора В.Т. Юринского.

В этот период И.К. Лебедев проявил себя как талантливый и целе устремленный организатор высшего профессионального образования.

В 1952 г. по его инициативе и при безоговорочной поддержке рек тора А.А. Воробьева открыт прием по специальности «Котлостроение».

Однако уже в 1955 г. пришлось отстаивать его перед вышестоящими инстанциями, так как там преобладала точка зрения, что подготовку специалистов по энергетическому машиностроению, к которому отно силась специальность, надлежит вести в индустриальных центрах, где действуют крупные производственные мощности соответствующего профиля. Иван Кириллович не отступил перед авторитетными реше ниями, он аргументировал тем, что главенствующую роль играет нали чие высококвалифицированных кадров для фундаментальной, общеин женерной и специальной подготовки, а отсутствие привязки к конкрет ной производственной базе дает выгодные предпосылки готовить уни версальных специалистов, ориентированных на проблематику всей от расли, а не замкнутых на специфику конкретного предприятия. В стремлении закрепить в Сибири подготовку инженеров для энергома шиностроения он обратился за поддержкой на котлостроительные заво ды, которые инициировали пересмотр планов потребности в специали стах Министерством тяжелого машиностроения СССР и направление их в Госплан и Министерство высшего и среднего специального образова ния. Полагая, что на нужное решение уйдет слишком много времени, И.К. Лебедев обратился с личным письмом к Первому секретарю Цен трального комитета КПСС Н.С. Хрущеву [1]. В итоге плановый прием на специальность был не только сохранен, но даже увеличен в два раза.

Спустя более полувека, можно констатировать, что жизнь полностью подтвердила позицию И.К. Лебедева феноменальным результатом: к 2000 году конструкторские подразделения всех котлостроительных фирм страны возглавляли главные конструкторы, являющиеся выпуск никами профилирующей кафедры, которую он создавал.

Стратегия развития Томского политехнического института в 50-е годы была направлена на активное наращивание контингента студентов и расширение спектра специальностей подготовки инженеров по новым и перспективным направлениям. Эта линия развития требовала соответ ствующей реорганизации структуры подразделений. По поручению рек тора деканом энергетического факультета И.К. Лебедевым был подго товлен проект структуры новых факультетов на базе энергетического и перспективный план их развития, который в дальнейшем практически полностью был реализован. По сути дела, современная структура на правлений подготовки специалистов, сосредоточенных ныне в Энерге тическом институте ТПУ, исходит из этого плана А.А. Воробьева – И.К. Лебедева.

В 1956 г. И.К. Лебедев подготовил и осуществил разделение энер гетического факультета и стал первым деканом теплоэнергетического факультета, оставаясь на этом посту до 1959 г. О том, каким он был де каном, одновременно масштабно целеустремленным на перспективу и дотошно внимательным в ситуациях со студентами, известно немало из воспоминаний выпускников и коллег. О значении его личности как де кана немало говорит, например, тот факт, что два, пожалуй, наиболее выдающихся из выпускников-энергетиков тех лет, являющиеся ныне действительными членами Российской Академии наук – лауреаты пре мии «Глобальная энергия» академик Геннадий Андреевич Месяц и ака демик Владимир ЕлиферьевичНакоряков – оба в своих официальных интервью назвали Ивана Кирилловича Лебедева среди тех, кто оказал наибольшее влияние на их судьбу и на путь в науку.

За время своего пребывания в должности декана теплоэнергетиче ского факультета, а до того энергетического факультета, И.К. Лебедев организовал и возглавил работу по открытию специальностей «Котло строение» (1952 г.), «Промышленная теплоэнергетика» (1955 г.), «Ав томатизация теплоэнергетических процессов» (1959 г.), «Атомные элек трические станции» (1959 г.) и кафедр «Парогенераторостроение и па рогенераторные установки» (1958 г.), «Промышленная теплоэнергети ка» (1959 г.), «Автоматизация теплоэнергетических процессов»

(1959 г.) [2].Он вникал буквально во все вопросы методического обес печения учебного процесса, подготовки кадров преподавателей и созда ния материальной базы.

Особенно показателен принцип егопонимания ответственности и роли руководителя на примере организации подготовки по специально сти «Атомные электрические станции».

Принимая во внимание, что в подготовке этих инженеров определяющее значение имеет теплотехни ческий базис образования, ректорат не смог опираться на возможности физико-технического факультета. После консультаций с авторитетными специалистами (в частности, для изучения возможностей на месте, в ТПИ была командирована профессор МЭИ Т.Х. Маргулова) декану ТЭФ И.К. Лебедеву было предложено разработать решение вопроса на базе теплоэнергетического факультета. В итоге подготовка по специ альности «Атомные электрические станции» была им организована пригод назад созданной и на деле близкой по профилю кафедре «Паро генераторостроение и парогенераторные установки», которой он сам и заведовал. Понятно, что это решение существенно осложняло работу кафедры и прежде всего заведующего кафедрой, однако не смогло по влиять на системный и последовательный характер проводимых им ме роприятий. Практически одновременно с приемом на первый курс сту дентов, начались предметные стажировки преподавателей в Москов ском энергетическом институте, на первой АЭС в г. Обнинске, ежегод но из лучших выпускников проходил отбор для направления в целевую аспирантуру на профильные кафедры московских вузов. Многое в учебном процессе переносилось из проверенного опыта подготовки по специальностям «Тепловые электрические станции» и «Котлостроение».

Результат не заставил себя ждать: уже ко времени первого выпуска инженеров по атомным станциям (1964 г.) во всех деталях работала сис тема их воспроизводства, которая в последующие годы только проходи ла дальнейшую огранку. Кафедра парогенераторостроения и парогене раторных установок профилировала подготовку по атомным электро станциям вплоть до 1971 г., затем она была передана на образованную тогда кафедру «Теплофизика и атомная энергетика».

Отдаленные во времени результаты образовательной деятельности дают наиболее объективную её оценку. В этом отношении интересен такой факт: в середине восьмидесятых годов, т. е. через 20 лет после первого выпуска кафедрой И.К. Лебедева инженеров для атомной энер гетики, из 18-ти АЭС, задействованных в энергетике, на 12-ти в числе первых руководителей (директор или главный инженер, либо сразу оба) были выпускники Томского политехнического института, а из них на 9 ти АЭС выпускники теплоэнергетического факультета.

Завершив работу в должности декана в 1959 г., И.К. Лебедев оста вался бессменным заведующим кафедрой до 1988 г. Он придавал боль шое значение постановке учебного процесса, считая курсовое проекти рование центральным звеном развития инженерных навыков, настойчи во внедрял аудиторную форму самостоятельной работы студентов, ак тивно настраивал отношение преподавателей к этому в соответствии со своей позицией. Большое значение и воздействие как на студентов, так и на преподавателей, имел его личный пример трудоспособности и от ношения к делу.

Достаточно ёмкой иллюстрацией к этому является то, что несколь ко лет после открытия кафедры он сам, без помощников, вёл курсовое проектирование по основной профилирующей дисциплине и один руко водил дипломными проектами всех дипломников специальности «Кот лостроение». Такую самоотдачу Иван Кириллович считал необходимым условием своего профессионального роста: не раз он говорил о том, что становление его как педагога высшей школы и заведующего кафедрой проходило в процессе работы и вместе с первыми группами студентов котлостроителей.

В начале шестидесятых годов, когда завершилось формирование контингента студентов и преподавателей на теплоэнергетическом фа культете, обозначились масштабы учебной и научной работы, которые превзошли возможности имевшихся площадей. Политехническому ин ституту вновь пригодились организаторский талант и инженерный опыт И.К. Лебедева. К тому времени институтская электростанция, располо женная в четвертом корпусе, утратила уже свое значение для обеспече ния электроэнергией и оставалась только источником теплоснабжения для группы корпусов, включая главный. И.К. Лебедев обосновал необ ходимость реконструкции 4-го корпуса. После принятия положительно го решения во всех инстанциях института и города он лично на общест венных началах возглавил разработку проекта реконструкции, а затем и строительство. А до того требовалось перевести пять корпусов институ та на централизованное теплоснабжение от ГРЭС-2. И.К. Лебедев стал общественным прорабом и техническим руководителем форсированно го строительства теплотрассы вдоль улицы Усова. Были привлечены со всех факультетов студенты-добровольцы, которые в зимнее время круг лосуточно, смена за сменой, отогревая кострами замерзшую землю, вы рыли траншею для прокладки трубопроводов теплотрассы. Силами сту дентов велись и строительные работы на корпусе, которые, как и по ставку материалов, И.К. Лебедев каждодневно контролировал. В 1966 г.

было сдано в эксплуатацию западное крыло корпуса, а в 1970 г. вошла в строй фасадная часть.

Хотя И.К. Лебедев приступил к научно-педагогической деятельно сти уже в зреломвозрасте, он, несмотря на выпавшую ему большую за нятость организационными делами, сумел внести заметный вклад в нау ку. Практически с самого начала освоения для энергетики крупнейшего в мире Канско-Ачинского буроугольного бассейна он вместе с коллек тивом кафедры занялся научно-техническимипроблемами этого направ ления, актуального для развития Сибири и всей страны. Вскоре были получены результаты, которые привлекли внимание ведущих отрасле вых институтов, инициировали финансирование исследований кафедры и включение их в государственные координационные планы. Всё это позволило привлекать средства для расширения экспериментальной ба зы, что, в свою очередь, создавало условия для расширения спектра и объема научных исследований, развития на этой основе кадрового со става. Уже к концу шестидесятых годов коллектив кафедры был при знан одной из ведущих научных школ страны в области технологии и техники энергетического использования низкосортных топлив. Свиде тельством тому стало приглашение И.К. Лебедева с научным докладом на VIII Конгресс Мировой энергетической конференции (1968 г.) [3].

В 1971 г. И.К. Лебедевым была защищена докторская диссертация на тему «Особенности сжигания углей Канско-Ачинского бассейна в топках энергетических котельных агрегатов большой паропроизводи тельности». Его рекомендации использованы отечественными котло строительными заводами при разработке ряда конструкций парогенера торов. По тематике научного направления им подготовлено 20 кандида товнаук, многие из которых впоследствии защитили докторские диссер тации.

В соавторстве с учениками И.К. Лебедевым опубликовано более 150 трудов, он подготовил несколько учебных пособий, среди которых выделяется изданное в «Энергоатомиздате» с грифом Министерства высшего и среднего образования СССР пособие «Гидродинамика паро вых котлов», которое до сих пор является основным учебным изданием по дисциплине «Гидродинамика энергоустановок» для студентов на правления «Энергетическое машиностроение».

И.К. Лебедев оставался бессменным заведующим кафедрой паро генераторостроения и парогенераторных установок до 1988 г.Он кури ровал подготовку научных кадров, консультировал ученых и специали стов предприятий Барнаула, Бийска, Иркутска, Красноярска, Новокуз нецка, Новосибирска, Омска, Прокопьевска, Читы, содействовал ста новлению учебно-методической базы для подготовки котлостроителей в Алтайском политехническом институте.

За высокие производственные достижения и результативную науч но-педагогическую деятельность И.К. Лебедев был награжден тремя орденами «Знак Почета» (1945, 1961, 1981 гг.), четырьмя медалями, По четной грамотой Верховного Совета РСФСР, почетными знаками «От личник энергетики» и «Отличник черной металлургии»,дипломом поче та ВДНХ СССР. В 1982 г. ему было присвоено почетное звание «Заслу женный деятель науки и техники РСФСР», в 1993 он был избран чле ном-корреспондентом Сибирского отделения Международной Акаде мии наук высшей школы.

До последних дней жизни Иван Кириллович оставался действую щим преподавателем. В знак признания заслуг профессора перед Том ским политехническим университетом по решению Ученого совета на учебном корпусе № 4 установлена мемориальная доска.

Список литературы:

1. Заворин А.С., Беляев С.А. Томская школа котло- и реакторостроения. – Томск:

Изд-во «S-press», 2008. – 192 с.

2. Беляев Л.А., Беляев С.А., Заворин А.С. Итоги и традиции теплоэнергетического образования в ТПУ: 120 лет со дня рождения И.Н. Бутакова и 90 лет со дня рож дения И.К. Лебедева // Известия Томского политехнического университета. – Т. 305. – Вып. 2. – 2002. – С. 7–14.

3. Заворин А.С., Загромов Ю.А., Беляев Л.А. Развитие энергоэффективных техно логий в теплоэнергетике // Известия Томского политехнического университета. – Т. 303. – Вып. 2. – 2003. – С. 78–84.

УДК 536.46 : 533.6 : 621. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭНЕРГО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРЕНИЯ ВОДОРОДА В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Ассад М.С., д.т.н., Пенязьков О.Г., д.ф-м.н.

Института тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова Национальной Академии наук Беларуси, г. Минск, Беларусь E-mail: assad@hmti.ac.by Водород, исследование его сжигания и применение – одна из наи более активно развиваемых областей современной теплофизики. Инте рес к водороду, как моторное топливо, обусловлен его высокими энер го-экологическими показателями и уникальными кинетическими харак теристиками, которые существенно отличают его от традиционных топлив.

Использование водорода в тепловых двигателях, в частности – дви гателях внутреннего сгорания, приводит к существенным изменениям параметров рабочего процесса и влияния энергоустановки на окружаю щую среду. Для выявления характера и величин этих изменений в лабо ратории физико-химической гидродинамики ИТМО НАН Беларуси вы полнен цикл экспериментов на автоматизированном стенде, описанном в [1], ядром которого является двигатель HONDA – D15B6. В ходе ра боты снимались теплофизические, топливно-энергетические и экологи ческие характеристики двигателя в зависимости от содержания водорода в смеси. Контролировались следующие параметры: давление и интен сивность излучения пламени в камере сгорании, объем поступающего в двигатель воздуха, объемное и массовое содержание водорода и синтез газа в смеси, расход бензина, мощность и крутящий момент двигателя, количественный состав (CO, CO2, O2, CHx и NO) и температура продук тов сгорания, частота вращения коленчатого вала, коэффициент избыт ка окислителя и другие (в общей сложности 27 параметров). Методика проведения эксперимента описана в [2, 3]. Суть эксперимента заключа лась в выходе на заданный режим работы на основном топливе (бензи не) и последующее увеличение подачи водорода от 0 до 20 % от объема поступающего в двигатель воздуха.

Установлено, что с добавлением водорода в бензино-воздушную смесь термодинамические параметры (давление и температура) в ци линдре двигателя становятся выше, а уровень некоторых токсичных компонентов в продуктах сгорания и расход топлива – существенно ниже.

Обогащение бензина водородом в количестве 20 % от объема по ступающего в двигатель воздуха приводит к некоторому увеличению осредненного максимального давления (по 70 циклам) примерно на 8 % при частоте вращения коленчатого вала n = 1000 мин –1 и на 11 % при n = 3000 мин –1 по сравнению с работой на чистом бензине, что объяс няется высокой скоростью горения водорода, которая, по нашим дан ным [4, 5], почти на порядок выше, чем у бензина.

Зависимости, характеризующие содержание СО, CO2, O2, CHx и NO в продуктах сгорания исследуемого двигателя, который работал на бен зине с добавками водорода 0–8 % от объема поступающего в двигатель воздуха, представлены на рисунках 1 и 2. Там же даны зависимости из менения удельного расхода топлива Gb = f(H2), мощности двигателя Ne = f(H2), частоты вращения коленчатого вала n = f(H2) и коэффициента избытка окислителя = f(H2).

Gb, г/мин 600 55 [NO], ppm [CO], % Ne, кВт 1. 500 50 1. 400 45 1. [CO] 300 40 [NO] 1. Gb Ne 200 1.1 35 0 2 4 6 8 % Рис. 1. Зависимость эмиссии CO и NO, а также динамики изменения расхода бензина Gb и мощности двигателя Ne от размера добавки H2 к воздуху 2900 1.0 15 0.70 [CHx], ppm [CO2], % [O2], % -1 n, мин 0.9 0.65 2 0.8 0.60 0.7 13 0.55 0.6 0.50 2500 0.5 0.45 2400 0.4 11 0.40 0 2 4 6 8 % [CO2] [CHx] [O2] n Рис. 2. Зависимости эмиссии CHx, O2 и CO2, а также изменения коэффициента избытка окислителя и частоты вращения коленчатого вала n от размера добавки Н2 к воздуху С увеличением доли H2 в топливно-воздушной смеси, т. е. по мере уменьшения отношения С/Н в элементном составе топлива, содержание CO и CHx существенно падает и при 8 %-й добавке водорода концен трации этих компонентов ниже на 17 и 27 % соответственно, чем при работе двигателя на бензине (кривая 1 рис. 1 и кривая 2 рис. 2). Однако наличие водорода в смеси ведет к возрастанию содержания NO в про дуктах сгорания (кривая 2 рис. 1). Например, при 8 %-й добавке H2 зна чение концентрации NO достигает 585 ppm, что в 2,15 раза выше, чем при работе на бензине.

Интерес представляет анализ влияния водорода на топливно энергетические показатели двигателя. При питании двигателя бензином с добавкой водорода до 12 % по объему поступающего в двигатель воз духа и коэффициенте избытка воздуха 1 мощность практически со храняется на уровне мощности базового двигателя (отклонение в преде лах 4 %). Дальнейшее обогащение H2 до 20 % приводит к снижению мощности до 9 %. При этом существенно возрастает топливная эконо мичность. Так, при добавлении 6 %, 12 % и 20 % H2 расход бензина снижается примерно на 25 %, 43 % и 70 % соответственно. Объясняется это кинетикой и высокой скоростью горения водорода, которые поло жительно влияют на процесс горения всей смеси и способствуют уменьшению тепловых потерь через стенки цилиндра.

Используя методы математического планирования, описанные в [6], получены адекватные уравнения регрессии второго порядка, по зволяющие достаточно точно оценить состав продуктов сгорания двига теля в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, коэффици ента избытка окислителя и размера добавки водорода в смеси.

Для установления динамики процентного прироста выброса (по вышения или понижения), соответствующего изменению доли водорода на 1 % вычислена эластичность концентрации продуктов сгорания как предел отношения относительного приращения концентрации i-го ком понента ri к относительному приращению доли водорода в смеси, ко гда приращение аргумента стремится к нулю (если производная иссле дуемой функции существует):

ri r dy ) lim i.

Е (ri ) lim ( :

ri 0 ri d ri Таким образом, определены термодинамические характеристики горения внутри цилиндра, установлены особенности протекания рабо чего процесса при использовании водородсодержащих топлив и изучено их влияние на мощность, топливную экономичность и состав продуктов сгорания (CO, CO2, CHx, O2 и NO) двигателя с распределенным впры ском при работе на разных скоростных и нагрузочных режимах.

Список литературы:

1. Ассад М.С., Пенязьков О.Г. Особенности работы двигателя внутреннего сгора ния на водородсодержащих топливах // ИФЖ. – 2010. – Т. 83. – № 4. – С. 814–820.

2. Ассад М.С., Пенязьков О.Г. Продукты сгорания жидких и газообразных топлив.

Образование, расчет, эксперимент: Монография. – Минск: Беларус. навука, 2010. – 305 с.

3. Ассад М.С., Пенязьков О.Г. Методика измерения состава продуктов сгорания водородсодержащих топлив в двигателе внутреннего сгорания // Тепло- и массо перенос – 2008. – Минск: ИТМО им. А.В. Лыкова НАН Беларуси, 2009. – С. 76–81.

4. Ассад М.С., Лещевич В.В., Миронов В.Н., Пенязьков О.Г., Севрук К.Л. Горение модифицированных топлив в модели камеры сгорания ДВС // Тепло- и массопе ренос – 2005. – Минск: ИТМО им. А.В. Лыкова НАН Беларуси, 2005. – С. 100–105.

5. Ассад М.С., Лещевич В.В., Миронов В.Н., Пенязьков О.Г., Севрук К.Л., Ски лондь А.В. Горение водородсодержащих смесей в модели камеры сгорания ДВС // ИФЖ. – 2009. – Т. 82. – № 6. – С. 1031–1045.

6. Ассад М.С. Оценка влияния добавок водорода на экологические показатели ДВС методами математического планирования // Весцi НАН Беларусі. Сер. фіз.-тэхн.

навук. – 2010. – № 3. – С. 84–89.

УДК 536. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЗАЖИГАНИИ ТОНКИХ ПЛЕНОК ЖИДКИХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВЕЩЕСТВ ИСТОЧНИКАМИ НАГРЕВА С ОГРАНИЧЕННЫМ ТЕПЛОСОДЕРЖАНИЕМ Стрижак П.А., к.ф.-м.н.

Томский политехнический университет, г. Томск E-mail: pavelspa@tpu.ru Результаты экспериментальных исследований [1, 2] условий зажи гания типичных жидких топлив (бензин, керосин, дизельное топливо, мазут) показали достаточно значимые отличия механизмов зажигания.

Установлена многофакторность процессов тепломассопереноса при воздействии на горючие жидкости типичных источников ограниченной энергоемкости – нагретых до высоких температур частиц металлов и неметаллов. Разработаны плоская [3] и пространственная [4] модели процессов зажигания жидкостей одиночными частицами. Но и пло ская [3], и особенно пространственная [4] модели являются слишком сложными. Для их реализации необходимы большие вычислительные ресурсы. По этим причинам представляется целесообразным разработка упрощенных моделей и методов численного расчета условий зажигания горючих и легковоспламеняющихся жидкостей.

На рисунке 1 показана схема области решения задачи зажигания пленки бензина разогретой до высоких температур углеродистой части цей в рамках одномерной модели тепломассопереноса.

Предполагалось, что в начальный момент времени разогретая час тица находится на поверхности жидкого вещества. Считалось, что ис точник нагрева не погружается в вещество, а на границе «частица – жидкость» обеспечивается идеальный контакт. За счет энергии частицы жидкость разогревается. Интенсифицируется испарение вещества.

Вследствие этого возрастает концентрация паров горючего в газовой фазе. За счет теплообмена частицы с парогазовой смесью последняя ра зогревается. При достижении критических температур и концентраций паров горючего смесь воспламеняется.

В качестве условий воспла менения принимались следую l l щие [5]:

1. Тепло, выделяемое в ре зультате реакции окисления паров горючего в воздухе, больше тепла, y y передаваемого от источника жид y1 y кости и смеси.

2. Температура смеси пре вышает температуру источника энергии.

Задача решалась в два этапа.

На первом этапе (рис. 1, а) мате а) б) матическая постановка включала Рис. 1. Схема области решения следующую систему уравнений:

задачи на первом (a) и втором уравнение энергии для па этапе (б): 1 – парогазовая смесь, рогазовой смеси (y2 y l):

2 – частица, 3 – жидкость 2T T 1 2 QоWо ;

C t y (1) уравнение диффузии паров горючего в воздухе (y2 y l):

2C W Cг D1 2г о ;

(2) t y уравнение баланса парогазовой смеси (y2 y l):

Сг Сo 1 ;

(3) уравнение теплопроводности для частицы (y1 y y2):

2T T 2 2 ;

(4) C t y уравнение теплопроводности для пленки жидкости (0 y y1):

2T T 3 2. (5) C t y Здесь C – удельная теплоёмкость, Дж/(кг·К);

Cг – концентрация паров жидкого горючего вещества (0 Cг 1);

Co – концентрация окислителя;

D – коэффициент диффузии паров жидкого конденсированного вещест ва в воздухе, м2/c;

Qo – тепловой эффект реакции окисления паров го рючего в воздухе, МДж/кг;

T – температура, К;

T0 – начальная темпера тура воздуха и жидкости, К;

t – время, с;

Wo – массовая скорость окис ления паров горючего в воздухе, кг/(м3·с);

x, y – координаты декартовой системы координат;

– коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

– плотность, кг/м3;

индексы «1», «2», «3» соответствуют смеси паров го рючего с окислителем, частице, жидкости.

На втором этапе (рис. 1, б) для парогазовой смеси при y2 y l уравнения энергии, диффузии и баланса записывались аналогично (1)–(3).

Уравнение теплопроводности для жидкости (0 y y1) имело вид (5).

Уравнение энергии для смеси паров горючего с воздухом при y1 y y записывалось с учетом перетока тепла по координате x:

2T T1 (T2 T1 ) 1 21 QоWо, (6) C t d y где T2 – температура поверхности частицы на участке y1 y y 2, вычис ленная на первом этапе решения задачи, К;

– коэффициент теплоотда чи, Вт/(м2К);

d – характерный поперечный размер, м.

Начальные и граничные условия, а также методы и алгоритмы ре шения аналогичны приведенным в [3, 4].

Численные исследования выполнены при следующих значениях параметров: начальные температуры частицы Tч = 950–1200 К, жидко сти и воздуха T0 = 300 К;

тепловой эффект Qо = 45 МДж/кг, энергия ак тивации Е = 130 кДж/моль и предэкпонент k0 = 7·106 c–1 реакции окис ления;

тепловой эффект испарения жидкости Qи = 29,4 кДж/кг;

харак терные размеры частицы lч = 2 мм, пленки жидкости lж = 10 мм и облас ти решения l = 20 мм.

Анализ результатов численного моделирования с использованием подходов [3, 4] показал, что с достаточно высокой степенью достовер ности могут быть рассчитаны плотность и скорости движения паров го рючего вдоль боковых граней частицы. Для условий обтекания пласти ны газовым потоком коэффициент теплоотдачи может быть рассчитан с использованием полуэмпирического выражения [6]:

Nu 0,021Re0,8 Pr 0,43. (7) Значения для рассматриваемых режимов зажигания жидкостей в зависимости от теплосодержания источника нагрева составляют 3 20 Вт/(м2К) и могут быть рассчитаны по результатам решения задач [3, 4].

Характерный поперечный размер d можно принять в соответствии с основными положениями [7] равным толщине слоя парогазовой смеси, прогретой до температуры, превышающей начальную температуру воз духа. В рассматриваемом случае d составляет 0,1–0,5 мм [3, 4].

На рисунке 2 приведены результаты сопоставления характеристик зажигания при применении плоской и упрощенной одномерной диффу зионной моделей. Отклонения времен задержки зажигания при варьи ровании температуры источника в достаточно широком диапазоне (950 Tч 1200 К) не превышают 3 % при = 8,7 Вт/(м2К) и d = 0,3 мм.

Это позволяет сделать вывод о том, что упрощенную модель тепломас сопереноса можно применять для определения характеристик зажига ния жидкостей при известных по результатам предварительных числен ных исследований с использованием моделей [3] или [4] значениях и d.

Рис. 2. Зависимость времени задержки зажигания от начальной температуры частицы:

1 – упрощенная модель, 2 – плоская модель Следует отметить, что использование предложенного в данной ра боте подхода к анализу условий зажигания жидкостей, с одной стороны, предполагает применение аппарата достаточно сложной общей тео рии [3, 4]. С другой стороны, математические модели [3, 4] используют ся для определения параметров и d в очень ограниченном объеме, но, в то же время, достаточном для выхода на широкий спектр практически важных задач.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации (МК-330.2010.8).

Список литературы:

1. Кузнецов Г.В., Захаревич А.В., Максимов В.И. Зажигание дизельного топлива одиночной «горячей» металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. – 2008. – № 4. – С. 28–30.

2. Кузнецов Г.В., Захаревич А.В., Максимов В.И. О механизме зажигания бензина одиночной нагретой до высоких температур металлической частицей // Пожа ровзрывобезопасность. – 2008 – № 5. – С. 39–42.

3. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Нагретые до высоких температур частицы металла, как источники локальных возгораний жидких веществ // Пожарная безопасность.

– 2008. – № 4. – С. 72–76.

4. Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. 3D Problem of heat and mass transfer at the ignition of a combustible liquid by a heated metal particle // Journal of Engineering Thermophys ics. – 2009. – № 1. – P. 72–79.

5. Vilyunov V.N., Zarko V.E. Ignition of Solids. – Amsterdam: Elsevier Science Pub lishers, 1989. – 442 p.

6. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. – М.: Атомиздат, 1979. – 416 с.

7. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. – М.: Наука, 1987. – 490 с.

УДК 536. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ Шмельков Ю.Б., Самуйлов Е.В., д.т.н.

Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского, г. Москва E-mail: yurezsml@mail.ru При решении ряда научных и технических проблем значительную роль играют высокотемпературные процессы с физико-химическими превращениями. Экспериментальные способы исследования подобных явлений, как правило, дорогие и потому большое значение приобретает численный эксперимент, позволяющий анализировать процессы и де лать выводы о поведении исследуемых систем на основании модельных представлений. Подобные расчёты находят применение при оценке па раметров различных устройств, таких как камеры сгорания воздушно реактивных и ракетных двигателей, топки ТЭС, ТЭЦ, газовые горелки и т. д. В сложных смесях важную роль играют протекающие в процессе горения химические реакции, поэтому их необходимо учитывать при решении задач, связанных с определением состава и свойств такой системы.

Расчет состава и термодинамических свойств твердых топлив про водился при помощи программы ТЕТРАН, разработанной в ЭНИНе им. Г.М. Кржижановского, которая была в процессе работы неодно кратно модернизирована. В данной работе представлена методика и ал горитм расчёта теплофизических свойств продуктов сгорания топлив, использующиеся в программе ТЕТРАН, а так же сравнение результатов расчета, проведенного при помощи данной программы, с известными авторам экспериментальными и теоретическими данными. Использо вавшаяся методика расчета состава и термодинамических свойств под робно описана в работе [1].

Выражение для коэффициента динамической вязкости многоком понентной смеси может быть записано в виде [2]:

1H xi 5T 2 ij Hij.

1. xj Здесь:

1 1 1 5 * M l H ii xi2 M ii 2 Qii Aii 2 xi xl M il 2 M i M l *, при i j Qil Ail 3 Mi l i 2 Q 5 A*, при i j H ij 2 xi x j M ij 2 M i M j ij 3 ij 2,2* MiM j ij 2 1,1*, *,.

M ij Qij ij ij Aij 1,1* Mi M j ij Здесь M i – молекулярный вес частицы i, xi – мольная доля частицы, l, s – приве, – радиус действия сил взаимодействия частиц i и j, ij ij денные интегралы столкновений, Q, – эффективное сечение взаи ij модействия.

Если среднее время между столкновениями, сопровождающимися обменом энергией между внутренними и поступательными степенями свободы молекул и среднее время между столкновениями, сопровож дающимися химическими реакциями, достаточно малы, так что газ на ходится в состоянии локального термического равновесия, то коэффи циент теплопроводности смеси многоатомных газов можно представить в виде суммы:, где H – поступательная теплопровод H R int ность тяжёлых компонентов, int, R – определяются диффузионным переносом энергии внутренних степеней свободы и тепла химических реакций.

1 Lij xi yi [2], H 0.7392T 2 Lij xj Lij xi 1 1 1 0.7392T 2 [3], 2C int 0.05914T i,int xiii Lij xjyj i aij H i 3 R 7.96910 6 T 2 [4].

aij H j Здесь:

1 55 3 5 Ci, rot C j, rot, при i j, * * Lij 2 xi x j M ij 2 M i M j Qij 3Bij 4 Aij 1 4 3 z zij ij 10 Ci, rot 1 2 L 4 x 2M 2Q A* 1 2 xi xl M i M l M Qil il ii i ii ii ii 3 z ii l i, при i j, 5 Ci, rot Cl, rot 15 25 * M i2 3Bil M l2 4 M i M l Ail * 3 zil zil 2 4 1 kj lj N 1 N M kl2Qkl xk xl ki li, aij x x k xl k xl k 1 l k 1 1 2 0.27 0.44 0.9, z z 1 2 1 2 2 1 2 1 2 – ij 1 * * * 2 3 ij ij zij 4 T 2 T zij zij T число столкновений частиц сорта i с частицами сорта j, приводящее к установлению вращательного равновесия в частицах сорта j, Z ij = Z ij при T.

T yi xl li T *,, Eij – параметр потенциала взаимодействия час l ll Eij N тиц i и j, H i ki H k – тепловой эффект i реакции, ki – стехиомет k рический коэффициент k компоненты в i реакции.

1 1 * xm M im Qim M i M i M m Ci, rot Aim 1im, при l i, ii zim 5 m * 1 Ali li xi M 2Qli M l M i M l, при l i, Cl, rot li zli * C 1 1 12 l, rot M l Alm.

ll xm M lm Qlm lm lm z 5 C l,int M m m lm Ниже приведены результаты расчетов, произведенных по данной методике для азота, кислорода воздуха, а также сравнение этих резуль татов с экспериментальными данными. В качестве экспериментальных данных для азота и кислорода использовались данные NIST и результа ты, приведенные в работе [5]. Данные по теплопроводности и динами ческой вязкости воздуха были взяты из книги [6]. Максимальное отли чие результатов расчета от экспериментальных данных составило 8 % для вязкости и 10 % для теплопроводности.

Работа выполнена при поддержке РФФИ грант № 10-08-00468.

Рис. 1. Динамическая вязкость N2 Рис. 2. Теплопроводность N Рис. 3. Динамическая вязкость O2 Рис. 4. Теплопроводность O Рис. 5. Динамическая вязкость воздуха Рис. 6. Теплопроводность воздуха Список литературы:

1. Шмельков Ю.Б., Самуйлов Е.В. Моделирование теплофизических свойств газо вой фазы продуктов сгорания твердых топлив // Тепловые процессы в технике. – 2011. – № 7. – C. 325–332.

2. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей.

– М.: ИЛ, 1961. – 929 с.

3. Uribe F.J., Mason E.A., Kestin J. A correlation scheme for the thermal conductivity of polyatomic gases at low density // Physica A. – 1989. – Vol. 156. – P. 467–491.

4. Brokaw R.S. Thermal conductivity of gas mixtures in chemical equilibrium II // The J.

of Chem. Phys. – 1960. – Vol. 32. – № 4. – P. 1005–1006.

5. Варгафтик Н.Б Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. – М.: Наука, 1972. – 720 с.

6. Вассерман А.А., Казавчинский Я.З., Рабинович В.А. Теплофизические свойства воздуха и его компонентов. – М.: Наука, 1966. – 375 с.

УДК 519. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИКО ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВУЛКАНИЗАЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ Красильникова В.О., Иванова Е.В.

Томский политехнический университет, г. Томск Е-mail: KrasoVik@sibmail.com Вулканизация является одним из основных этапов процесса ка бельного производства [1]. В этом процессе осуществляется химическое связывание макромолекул каучука и формирование пространственных структур, занимает особое место в проблеме создания резин.

Для получения изделий с оптимальными технологическими пара метрами, удовлетворяющие самым различным требованиям, следует в каждом отдельном случае выбирать наиболее целесообразные сочета ния вулканизирующих агентов и оптимальные условия вулканизации, причем следует учитывать и энергоэффективность технологического процесса [2].

Для изделий больших размеров (6 мм и более миллиметров) часто трудно установить правильные температуру и время вулканизации. Так как все изоляционные материалы обладают низкими коэффициентами теплопроводности, то процесс прогрева до полного завершения вулка низации длится от 6 минут и более в зависимости от физических свойств технологического процесса.

Если рассматривать процесс вулканизации как зависимость модуля резиновой смеси от времени, то можно установить разные стадии пред ставленные на рисунке 1.

Целью данной работы является численный анализ изменения тем пературных полей изделий при учете их реальной конфигурации и теп лообмена излучением.

Область решения рассматриваемой задачи представляет собой двухслойный кабель.

При постановке задачи принимается, что:

кабель имеет правильную цилиндрическую форму и неограни чен по длине;

контакт между жилой и слоем изоляционного материала идеален;

коэффициенты теплопроводности металла (меди) и резины не зависят от температуры;

тепловой эффект вулканизации незначителен;

энергия активации процесса полимеризации не изменяется при изменении температуры.

Рис. 1. Стадии вулканизации:

I – начало вулканизации, II – недовулканизация, III – оптимум, IV – перевулканиза ция;

1 – смесь с быстрым началом вулканизации, 2 – смесь с замедленным началом вулканизации, 3 – смесь с увеличивающимся модулем, 4 – смесь с реверсией При непрерывной вулканизации горячим воздухом изделия про пускаются через нагретые камеры;

при этом скорость их пропускания и скорость вулканизации смесей выбираются в соответствии с длиной ка меры. Такой процесс ограничен низкой скоростью продвижения изде лия через камеры, обусловленный плохой теплопередачей.

Процессы тепломассопереноса с химическим реагированием в рас сматриваемой системе (рис. 2) при 0 t tp описывает следующая сис тема нестационарных дифференциальных уравнений:

уравнение теплопроводности для жилы кабеля (0 r R1, 0 z Z1):

2T 1 T1 2T T 1 21 ;

1C1 r r z t r уравнение энергии для изоляционной оболочки кабеля (R1 r R2, 0 z Z1):

2T 1 T2 2T2 E T2 d 2 d 2 ;

;

2 22 (1 2 )k2 exp 2 C2 q2 r r z t r dt dt R tT уравнение Пуассона для воздуха (R2 r R3, 0 z Z1):

2 1 r ;

2 r r r z Риc. 2. Схема области решения задачи при 0 t tp:

1 – жила кабеля, 2 – оболочка кабеля, 3 – горячий воздух Начальные (t = 0) условия:

T = T 0 при 0 r R2, 0 z Z1;

T = T v, = = 0 при R2 r R3, 0 z Z1;

= 0 при R1 r R2, 0 z Z 1.

Граничные условия при 0 t tp:

T 0 при z = 0, 0 r R3;

z = L, 0 r R3;

z 1 при z = 0, R2 r R3;

, v u r z r r 0 при z = L, 0 r R3;

0, z z T 0 при r = 0, 0 z Z1;

r = R3, 0 z Z 1;

r T T 1 1 2 2, T1 T2 при r = R 1, 0 z Z 1;

r r T T2 при r = R2, 0 z Z1;

, T2 T3, u, v 2 r z r r r r 0, T Tv при r = R3, 0 z Z1.

0, r r Здесь – плотность, кг/м3;

C – теплоемкость, Дж/(кгК);

T – температу ра, К;

t – время, с;

– коэффициент теплопроводности, Вт/(мК);

r, z – координаты цилиндрической системы;

q – теплота химической реакции полимеризации, Дж/кг;

– степень полимеризации;

k0 – предэкспонент химической реакции, с-1;

Е – энергия активации химической реакции, Дж/моль;

Rt – универсальная газовая постоянная, Дж/(мольК);

– функция тока, м3/с;

– вектор вихря скорости, с-1;

u, v – компоненты скорости воздушных потоков в камере, м/с;

– кинематическая вяз кость, м2/с;

g – ускорение свободного падения, м2/с;

– коэффициент термического расширения, К;

T 0 – начальная температура жилы и обо лочки кабеля, К;

Tv – начальная температура воздуха в камере, К;

ин дексы «1», «2», «3» соответствуют жиле, оболочке кабеля, горячему воздуху [3].

На рисунке 3 представлены распределения степени полимеризации по толщине (R1rR2) оболочки кабеля в разные моменты времени.

Видно, что степень полимеризации увеличивается по толщине обо лочки от центра к краю изделия.

Рис. 3. Распределение степени полимеризации по толщине оболочки кабеля в разные моменты времени:

1 – t=50 c, 2 – t=100 c, 3 – t=200 c, 4 – t=300 c, 5 – t=tp При малых временах зависимость (r) имеет экспоненциальный вид (кривая 1) с максимумом на границе с горячим воздухом (r = R 2).

Это можно объяснить тем, что оболочка не успевает прогреться до тем ператур, при которых полимеризация завершается по всему слою (R1 r R 2). С ростом времени зависимость (r) становится практиче ски линейной (кривые 2, 3, 4). Оболочка прогревается по толщине и от клонения между (R1) и п 1 при R1rR2).

Повышение температуры с целью увеличения скорости вулканиза ции в большинстве случаев невозможно, поскольку кислород оказывает отрицательное влияние на вулканизаты, или вулканизация вообще не происходит. Поэтому вулканизация применяется только для смесей с высоким содержанием ускорителей.

Полученные результаты теоретического исследования и представ ленную модель тепломассопереноса с химическим реагированием мож но использовать для численного анализа энергоэффективности процес сов вулканизации типичных кабельных изделий на производствах.

Список литературы:

1. Лукомская А.И., Баденков П.Ф., Кеперша Л.М. Тепловые основы вулканизации резиновых изделий. – М.: Химия, 1972. – 359 с.

2. Гофманн В. Вулканизация и вулканизующие агенты. – М.: Химия, 1968. – 464 с.

3. Тепломассообмен: Справочник / Под ред. А.В. Лыкова. – М.: Энергия, 1978. – 479 с.

УДК 536. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИМПАКТНОЙ СТРУИ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ПРЕГРАДЫ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ Маслов Е.А.1, к.ф.-м.н., Жарова И.К.2, д.ф.-м.н., Кузнецов Г.В.1, д.ф.-м.н., Терехов В.И.3, д.т.н.

Томский политехнический университет, г. Томск, Томский государственный университет, г. Томск, Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск E-mail: maslov_eugene@mail.ru В настоящей работе представлены результаты экспериментального и численного исследования процесса взаимодействия импактной струи с криволинейной и плоской поверхностью подложки. Комплексный под ход к изучению структуры позволяет производить выбор наиболее оп тимальных расчетных методик и моделей турбулентности.

Для описания газодинамики и тепломассопереноса в газовой фазе использован эйлеров подход – система уравнений Навье-Стокса для сжимаемого вязкого газа. Численное решение системы уравнений На вье-Стокса реализовано методом контрольных объемов [1, 2]. Диффе ренциальные уравнения аппроксимировались неявной пятиточечной схемой. Для анализа сеточных параметров, методов и алгоритмов чис ленного решения использовалась различная аппроксимация конвектив ных членов, а также различные методы корректировки поля скорости и давления при решении уравнения Пуассона. При аппроксимация кон вективных членов использовалась противопоточная схема [1, 2], линей ный профиль – процедура SOU [2], квадратичный профиль – процедура QUICK [2]. Для расчета поля течения использовались процедуры SIMPLE, SIMPLER, PISO [2]. Диффузионные члены аппроксимирова лись центральной схемой второго порядка.

При решении задачи были получены рекомендации по выбору ко личества сеточных узлов и параметров сгущения сетки в зависимости от выбора процедур аппроксимации конвективных членов и метода реше ния уравнения Пуассона. Критерием оптимального выбора сеточных параметров в комплексе с используемыми наборами процедур различ ной аппроксимации конвективных членов и процедурами решения уравнения Пуассона являлось совпадение экспериментальных результа тов [3, 4] с полученными численными результатами решения задачи взаимодействия импактной холодной струи с криволинейной и плоской поверхностью.

Эксперименты были проведены на установке, схематично изобра женной на рисунке 1. Осесимметричная воздушная струя комнатной температуры вытекает из сопла диаметром dс = 8,9 мм. Скорость газа в выходном сечении сопла Uс изменяется в пределах от 20 до 45 м/с;

со ответствующее значение числа Рейнольдса Re = Uсdc / = (1228)103.

Рис. 1. Схема экспериментальной Рис. 2. Преграды с различной формой установки: поверхности:

1 – воздушная магистраль, 2 – регу- а) плоская поверхность, б) поверхность с лирующий вентиль, 3 – профилиро- полусферической лункой с острой кромкой, ванное сопло, 4 – преграда, в) поверхность с полусферической лункой со 5 – станина скругленной кромкой На рисунке 3 представлены экспериментальные результаты по рас пределению коэффициента давления на поверхности преграды различ ной формы: плоская поверхность, полусферическая лунка с острой и скругленной кромкой при различном L = (210)·dc, мм – расстоянии от среза сопла до преграды.

Видно, что величина максимума давления в точке торможения от личается в зависимости от формы преграды и для плоской поверхности он превышает значение в полусферической каверне. Кроме того, на плоскости профиль Cpi = 2·(Pi – Pаtm) / (с·Uc2 ) занимает меньшее про странство в радиальном направлении, а для полусферы с острыми кром ками наблюдаются отрыв потока на ее периферии.

а) б) Рис. 3. Распределение коэффициента давления на поверхности преград различной формы:

а) L / dc = 2, б) L / dc = На рисунке 4 представлено сравнение результатов расчетов с ре зультатами экспериментов при следующих значениях режимных пара метров: K = 2, Re = (12–28) 103.

а) б) Рис. 4. Сравнение результатов расчетов с результатами экспериментов:

а) поверхность с полусферической лункой с острой кромкой, б) поверхность с полусферической лункой со скругленной кромкой При сравнении полученных теоретические и экспериментальных результатов, по существу можно сделать следующие выводы:

1. При использовании аппроксимации конвективных членов уравнений (1), (2) более высокого порядка (QUICK) расчет значений u, v, P в точке торможения является более точным для преград с любой формой поверхности. Основной недостаток схемы – получение неточ ных (завышенных) значений u, v, P для отрывных течений, в особенно сти в окрестности лунки с острой кромкой. Использование процедуры предпочтительно для гладких течений.

2. Использование схемы против потока (UDS) и алгоритма SIMPLE дает удовлетворительное соответствие экспериментальных и численных результатов. При этом значения u, v, P в точке торможения несколько занижены. С удовлетворительной точностью схемы описы вают течение в окрестности лунки с острой кромкой.

3. Использование алгоритма PISO существенно сокращает коли чество итераций при согласовании поля скорости и давления при ис пользовании сеток с большим количеством узлов.

4. Алгоритм SIMPLE эффективен для расчетов на сетках с не большими разрешениями.

Список литературы:

1. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидко сти. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 152 с.

2. Versteeg H.K., Malalasekera W. An introduction to computational fluid dynamics The finite volume method. – Longman Scientific&Technical, 1995. – P. 258.

3. Терехов В.И., Барсанов В.Л., Калинина С.В., Мшвидобадзе Ю.М. Эксперимен тальной исследование структуры течения и теплоотдачи при струйном обтека нии преграды в форме сферической каверны // ИФЖ. – 2006. – Т. 49. – № 6. – С. 29–37.

4. Terekhov V.I., Pakhomov M.A., Sharov K.A., Shishkin N.E. The thermal efficiency of near-wall gas-droplets screens. II. Experimental study and comparison with numerical results, Int. J. Heat Mass Transfer. – 2005. – V. 48. – Р. 1760–1771.

УДК 536. КОНЕЧНО-РАЗНОСТНАЯ СХЕМА РАСЧЕТА СТАЦИОНАРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВДОЛЬ СОСТАВНОГО РЕБРА ПОСТОЯННОГО СЕЧЕНИЯ Видин Ю.В., к.т.н, Казаков Р.В.

Сибирский федеральный университет, г. Красноярск E-mail: roman.kazakov@list.ru Для повышения тепловой эффективности ребристых поверхностей и оптимизации их геометрических и массовых характеристик в высоко форсированных установках целесообразно вместо однородных ребер использовать комбинированные [1].

В случае стационарного режима переноса тепла вдоль стержня по стоянного сечения, выполненного из двух разнородных материалов, один из которых имеет значительно более высокий коэффициент тепло проводности, можно представить исследуемый процесс в виде следую щей математической модели:

d M 121 0, 0 X X*, (1) dX d 22 X * X 1, M 22 0, (2) dX 1 1 при x 0, (3) 1 2 при X X *, (4) d1 d при X X * (5) K dX dX d 0 при x 1, (6) dX l где X * 1 ;

K.

l Задача (1)–(6) записана в безразмерной форме, что позволило со кратить число ее параметров.

Применяя известные математические подходы [2], можно выразить дифференциальные уравнения (1) и (2) через конечно-разностные соот ношения:

1,n1 21, n 1, n1 M 12 X 121,n 0, (7) 22, n 2,n 1 M 2 X 2 2, n 0.

(8) 2 2, n Здесь X1 и X 2 – шаги по координате X соответственно для первой и второй частей ребра. В пределах первого отрезка порядковый номер n X* * *, а на втором участке n* n N, меняется в интервале 0 n n, n X 1 X *.

N n* X Из условия (3) следует, что 1,0 1. (9) На основе граничного условия четвертого рода, которое выражает ся совместно уравнениями (4) и (5), удается составить зависимость для нахождения температуры на стыке между слоями. Эта формула получа ется в следующем виде:

X 1,n* 1 K * X 2 2,n. (10) 1,n n* 2,n n * X 1 K X Вычисление температуры на торце ребра ( X 1 ) проводится на ос нове граничного условия (6).

Используя это соотношение, получим выражения для температуры в точке N:

22, N. (11) 2, N 2 M 22 X Численный метод решения задачи (1)–(6) на базе приведенных за висимостей (7)–(11) с инженерной точки зрения является более про стым, чем способ, основанный на применении строгих сложных анали тических зависимостей [1]. При этом целесообразно использовать метод релаксации [3–5].

Рассмотренная численная схема может быть разработана для ком бинированных радиальных ребристых стенок, а также для конструкций, изготовленных из большого числа материалов.

Список литературы:

1. Видин Ю.В., Казаков Р.В. Теплопроводность составного ребра // Вестник Воро нежского государственного университета. – 2011. – Т. 7. – № 7. – С. 32–34.

2. Видин Ю.В. Инженерные методы расчета процессов тепломассопереноса. – Красноярск: КПИ, 1974. – 144 с.

3. Шнейдер П. Инженерные проблемы теплопроводности. – М.: Издательство ино странной литературы, 1960. – 479 с.

4. Бойков Г.П., Видин Ю.В., Журавлев В.М., Колосов В.В. Основы тепломассооб мена. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2000. – 272 с.

5. Видин Ю.В, Журавлев В.М., Колосов В.В. Теоретические основы теплотехники.

Тепломассообмен. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. – 344 с.

УДК 536. НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ПРОЦЕСС РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТЕПЛА В КОМБИНИРОВАННОМ РЕБРЕ ПРЯМОУГОЛЬНОГО ТИПА Видин Ю.В., к.т.н., Казаков Р.В.

Сибирский федеральный университет, г. Красноярск E-mail: roman.kazakov@list.ru Стационарные процессы теплопроводности ребристых поверхно стей теплообмена являются частными случаями нестационарных задач.

Однако на практике в ходе пуска или остановки теплообменных аппара тов происходят динамичные неустоявшиеся явления. В математическом отношении нестационарные задачи являются значительно более слож ными, нежели стационарные [1].

Особенно данное свойство таких задач заметно обнаруживается, если теплопередающий элемент системы (ребро) состоит из ряда разно родных материалов. Однако в некоторых случаях эти затруднения могут быть достаточно эффективно преодолены.

Покажем предлагаемый подход на примере расчета нестационарно го температурного поля неоднородного ребра постоянного поперечного сечения, первая часть которого выполнена из существенно более тепло проводного материала, чем вторая.

Такая конструкция позволяет существенно повысить теплопровод ность развитой поверхности [2–4].

Математическая постановка рассматриваемой задачи имеет вид:

2 i ai 2i mi2i, x 1 0 t0 t Г, при x=0, 0;

1 2 при x=l1;

1 2 d при x=l1;

x 1 dx d 0 при x=l;

dx 1 2 0 при =0.

Здесь избыточная температура на поверхности ребра:

1 ( x, ) t0 t1 ( x, ), 2 ( x, ) t0 t2 ( x, ), P где x и – пространственная координата ребра и время;

m1, 1 f P, – параметры первого и второго участков ребра;


– коэф m 2 f м Вт фициент теплоотдачи на поверхности ребра, ;

1, 2 – коэффициен м2 К ты теплопроводности материалов первого и второго отрезков ребра со Вт ;

P, f – периметр и площадь поперечного сечения реб ответственно, мК ра соответственно, м, м2;

t0, tГ – температура основания ребра (0) и га зовой средой, с которой взаимодействует исследуемая развитая поверх ность теплообмена;

l1, l2 – протяженность по оси x первой и второй час ти стержня, м;

l l1 l2 – общая длина ребра.

С математической точки зрения целесообразно решение постав ленной задачи представить в виде суммы стационарной и нестационар ной составляющих:

i ( x, ) ui ( x) wi ( x, ), i 1, 2.

Здесь u1 и u2 являются решениями следующей системы уравнений:

d 2ui mi2ui 0 ;

(1) dx u1 0 при x=0;

(2) u1 u2 при x=l1;

(3) du1 2 du при x=l1;

(4) dx 1 dx du 0 при x=l. (5) dx Эффективный приближенный аналитический метод интегрирова ния системы (1)–(5) при условии 1 2 предложен в работе [2], т. е.

расчет стационарных температурных полей u1 и u2 является достаточно простым.

Нестационарные компоненты температурного поля w1 и w2 должны удовлетворять системе уравнений:

2w wi ai 2 i mi2 wi, (6) x w1=0 при x=0, 0;

(7) w1= w2 при x=l 1;

(8) w1 2 w при x=l1;

(9) x 1 x w 0 при x=l;

( x w1 ( x, 0) u1 ( x ) при =0, 0 x l1 ;

(11) w2 ( x, 0) u2 ( x) при =0, l1 x l. (12) Преобразуем систему (6)–(12) с помощью новых переменных:

1 w1e m a, (13) 2 w2e m a. (14) Подставляя (13) и (14) в (6)–(12) получим:

i ai 2i, (15) x 1 0 при x=0, 0;

(16) ( m2 a 2 m1 a1 ) при x=l1;

(17) 1 2e 1 2 ( m a m a ) 2 при x=l;

(18) e 22 x 1 x 0 при x=l;

(19) x 1 ( x, 0) u1 ( x) при =0, 0 x l1 ;

(20) 2 ( x, 0) u2 ( x) при =0, l1 x l.

(21) Принимая во внимание, что для исследуемой конструкции имеет место сильное неравенство 1 2, допустимо принять |x l 0. Тогда x задачу (15)–(21) удается разделить на две самостоятельные более про стые задачи. Первая, из которых запишется:

a1 2, (22) x 1 (0, ) 0 ;

(23) 1 (l1, ) 0;

(24) x 1 ( x, 0) u1 ( x). (25) Данная система уравнений равноценна задаче нестационарной теп лопроводности неограниченной пластины при нулевых граничных ус ловиях и неравномерном распределении температуры в начальный мо мент времени. Аналитическое решение системы (22)–(25) известно и приводится, в частности, в монографии А.В. Лыкова [3].

Используя функцию температуры 1 (l1, ) из этого решения, можно составить систему уравнений для нахождения 2 путем её подстановки в оставшуюся часть задачи (15)–(21):

a2 22 ;

(26) x 2 2 (l1, ) 1 (l1, )e ( m1 a1 m2 a1 ) ;

(27) 2 (l, ) 0;

(28) x 2 ( x, 0) u2 ( x). (29) Задача (26)–(29) также может рассматриваться как процесс неста ционарной теплопроводности плоского тела при соответствующих гра ничных и начальном условиях. Математическое решение такой системы тоже приводится в [3].

Список литературы:

1. Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена. – М.: Энергия, 1977. – 461 с.

2. Видин Ю.В., Бойков Г.П., Колосов В.В., Ромащенко А.С. Краткий справочник по тепломассообмену. – Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2007. – 169 с.

3. Лыков А.В. Теория теплопроводности. – М.: Высшая школа, 1967. – 600 с.

УДК 536. НЕСТАЦИОНАРНЫЙ РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В ГАЗОПРОНИЦАЕМОМ МАТЕРИАЛЕ C ИСТОЧНИКАМИ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ Бурка А.Л., к.т.н., Емельянов А.А., к.т.н., Синицын В.А., к.т.н.

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск E-mail: emelyan@itp.nsc.ru В настоящей работе предлагается расчетно-экспериментальное ис следование механизма накопления тепловой энергии с высокой удель ной плотностью в объеме газопроницаемого материала. Особый интерес представляют системы частиц двуокиси ванадия. Известно, что несте хиометрические оксиды VO2-x состоят из большого ряда различных структур, называемых фазы с переменной валентностью. В этих струк турах решеточный кислород слабо связан и может быть хемодесорбиро ван при довольно низких температурах, что приводит к изменению кри сталлической решетки оксида. Структурные изменения с образованием новых капилляров, внутренних границ раздела фаз и новых фаз пере менной валентности в частицах могут быть достигнуты с помощью ме ханической активации материала.

Представляет интерес исследование влияния механоактивации двуокиси ванадия в воздушной среде на важнейшую термодинамиче скую характеристику – эффективную теплоемкость материала. Она от ражает три способа накопления тепла в материале за счет решеточной теплоемкости, поглощения тепла при хемосорбции кислорода в порах и перестройки кристаллической структуры вещества. Исследование про цесса накопления тепла с одновременным измерением веса образцов выполнены в атмосфере аргона на дифференциальном сканирующем калориметре фирмы «Netzsch».

С целью изменения количества фаз переменной валентности и ад сорбированного слабосвязанного кислорода порошок двуокиси ванадия производства фирмы «Aldrich», выдержанный на воздухе при комнат ной температуре в течение десяти месяцев, подвергался обработке на планетарно-центробежной мельнице в воздушной среде. Удельная по верхность частиц двуокиси ванадия была измерена методом тепловой десорбции аргона. Рентгенофазовый анализ образцов произведен на приборе «Дрон-4» [1].

На рисунке 1 представлены результаты измерений эффективной теплоемкости образцов с различными значениями энергии активации.

Из рисунка видно, что с увеличением энергии активации происходит смещение максимума эффективной теплоемкости в область более высо ких температур с одновременным существенным ростом его абсолют ной величины.

Рис. 1. Эффективная теплоемкость двуокиси ванадия при различных значениях плотности энергии активации. Образец 1 (Aldrich) выдерживался на воздухе, остальные образцы находились без выдержки в атмосфере аргона В работе проводится исследование процесса переноса тепла и массы в пористом материале в условиях, когда теплообмен излучением является сопоставимым с теплопроводностью в твердом веществе и конвекцией газа в порах. Плоский слой газопроницаемого полупрозрач ного материала из двуокиси ванадия нагревается излучением от внеш них серых источников. Происходит теплообмен с окружающей средой излучением и конвекцией. В условиях нагрева или охлаждения твердый материал испытывает фазовый переход второго рода «металл диэлектрик», происходит хемосорбция кислорода и перестройка кри сталлической структуры. Эти процессы сопровождаются отводом или подводом тепла в материале, что приводит к появлению объемных ис точников или стоков массы и тепла в слое. При моделировании радиа ционного переноса в газопроницаемом материале учитываются процес сы поглощения, испускания и рассеяния теплового излучения. Оптиче ские свойства материала не зависят длины волны. Теплоемкость мате риала зависит от температуры. Решение задачи проводится в приближе нии сплошной среды с эффективными теплофизическими и оптически ми свойствами.

Уравнение энергии с граничными условиями записываются в виде:

2 1 ( ) W(), 0 1, 0;

(1) 2 (2) (,0) 0 ( ) ;

N1 W1, 0 ;

(3) N 2 W2, 1, (4) 1 L E 4 *, W1 1S ( 1 ) N11, где W ( ) T* * W2 2 S (2 4 ) N 22, ( ) Lgc g /(1 P ), (, ) T / T*, x / L, t / c p L2, S T*3 L /.

Удельный расход газа g находится из уравнения с граничным условием dg LmV ( ), g (0) 0.

P d Дивергенция интегральной плотности радиационного потока E / в уравнении (1) определяется из решения системы интегродиффе ренцальных уравнений переноса энергии излучения [2].

С помощью функции Грина G (, z ), которая является решением однородной краевой задачи:

2G G ( ) 2 ( ( )) 0;

G N1G 0, 0;

G N 2G 0, 1, начально-краевая задача (1)(4) сводится к нелинейному интегральному уравнению относительно безразмерной температуры, которое записыва ется в виде:

(, ) G (,0)W1 ( ) G (,1)W2 ( ) W ( z, )G (, z )dz.

Это уравнение на каждом временном шаге решается итерационным методом Ньютона-Канторовича [3].

Расчеты проводились при следующих значениях параметров, соот 1 2 1, Р = 0,8, ветствующих условиям эксперимента:

1 2 5 Вт /м 2, T1* T2* 333 K, T* = 1000 K, L = 0,1 м, 1 м1, E 4.4 Вт/мК, g 0.026 Вт/мК, c g 1005Дж/кгК, 4339 кг/м3.

Результаты расчета, представленные на рисунке 2, позволяют вы яснить влияние температуры внешнего источника на формирование температурного поля в процессе нагрева материала. Температура источ ника, облучающего границу 0, принимала значения Т1 = (127, 227) °С, а температура источника, облучающего границу 1, Т2 = 127 °С. Результаты расчета относятся к фиксированному моменту времени t =720 с от начала нагрева. Видно возрастание температурного уровня всех образцов с увеличением температуры источника, что объ ясняется ростом потока падающего излучения. При этом наблюдается большое расслоение температурных кривых по величине активации ма териала.

Рис. 2. Влияние температуры внешнего источника излучения на темпера турное распределение в материале (нумерация кривых соответствует нуме рации образцов на врезке в рис. 1) Видно, что аккумулирующий эффект в материале проявляется наи более сильно при температурах, соответствующих высоким значениям эффективной теплоемкости.

В температурном интервале 50–140 °С экспериментально исследо вано калориметрическим методом влияние активации двуокиси ванадия в воздушной среде на важнейшую термодинамическую характеристи ку – эффективную теплоемкость материала. Показано, что с увеличени ем энергии активации происходит смещение максимума эффективной теплоемкости в область более высоких температур с одновременным существенным ростом его абсолютной величины. Расчеты показали, что аккумулирующий эффект в материале проявляется наиболее сильно при температурах, соответствующих высоким значениям эффективной теп лоемкости.

Работа проводилась при поддержке Российского фонда фундамен тальных исследований по проекту 06-08-00361-а.

Обозначения:

cр эффективная теплоемкость материала, Дж/(кгK);

cg теплоемкость газа, Дж/(кгK);

Е плотность потока излучения, Вт/м2;

L толщина слоя, м;

mV массовая скорость газовыделения в порах, кг/(м3с);

Р пористость;

Т температура, К;

T1*, T2* температуры внешних источни ков излучения, K;

t время, с;

х координата в перпендикулярном на правлении, м;

1, 2 коэффициенты теплоотдачи на поверхностях слоя, Вт/(м2 K);

объемный коэффициент поглощения, 1/м;

1, степени черноты поверхностей слоя;

коэффициент эффективной те плопроводности материала, Вт/(мK);

g коэффициент теплопроводно сти газа, Вт/(мK);

E коэффициент теплопроводности твердого карка са, Вт/(мK);

плотность материала, кг/м3.

Список литературы:

1. Емельянов А.А., Полубояров В.А., Бурка А.Л., Коротаева З.А., Великанов Е.В., Лапин А.Е., Бан Бонг-Чан. Теплообмен при фазовом переходе и адсорбции десорбции кислорода в дисперсном материале // Промышленная теплотехника. – 2006. – Т. 28. – № 1. – С. 22–30.

2. Оцисик М.Н. Сложный теплообмен. – M.: Мир, 1976. – 616 с.

3. Канторович Л.В. О методе Ньютона // Труды Математического института АН СССР. – 1949. – Т. 28.

УДК 536. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ПОЛУПРОЗРАЧНОМ КОМПОЗИТЕ С МИКРОСФЕРИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ Бурка А.Л., к.т.н., Емельянов А.А., к.т.н.

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск E-mail: alemelyanov@gmail.com Полупрозрачные композиты относятся к числу перспективных со временных материалов. Особую значимость эти материалы приобрета ют в изделиях, где важную роль играет перенос энергии за счет тепло проводности и излучения. Для расчета температурных полей в таком материале необходимо иметь данные по коэффициентам поглощения и рассеяния с учетом взаимодействия между частицами в композите.

Композитный материал является эффективной теплозащитой только при высокой объемной концентрации микросфер, вследствие чего не выполняется условие независимости рассеивающих и поглощающих из лучение частиц. Поэтому использование классической теории Ми [1] в этом случае может привести к значительным ошибкам при расчете ра диационных характеристик композитного материала и температурных полей в нем. Для определения ослабляющих и рассеивающих характе ристик композитного материала при наличии взаимодействий между частицами могут быть использованы приближенные решения [2]. В предлагаемой работе учет влияния взаимодействия между микросфера ми на коэффициенты ослабления и рассеяния в композитном материале осуществляется применением эффективных оптических свойств полу ченных на основании приближения Максвелл-Гарнетта. Радиационно кондуктивный теплообмен в рассматриваемом материале описывается уравнением энергии с граничными условиями в безразмерном виде:

L E, 0 1, 0 ;

(1) ( ) gT* N1 ( 1 ) 1St ( 4 1 4 ), 0 ;

(2) N 2 ( 2 ) 2 St ( 4 4 ), 1 ;

(3) (,0)=0 () ;

(4) T3 L L L T x t ;

;

;

2, * T1* / T*, * T2* / T* ;

N1 1, N 2 2.

St 1 T* L cL Дивергенция плотности радиационного потока dE / d, которая на ходится в уравнении (1), определяется из решения системы интегро дифференциальных уравнений для переноса энергии излучения относи тельно интенсивностей I (,), I (,) [3]. С помощью функции Грина [3] начально-краевая задача (1)(4) о совместном переносе тепла теплопро водностью и радиацией в полупрозрачном материале сводится к нели нейному интегральному уравнению относительно безразмерной темпе ратуры (,), которое имеет вид (,) G (, 0)W1 () G (,1)W2 () W ( z, )G (, z )dz ;

(5) L E, W1 () 1St ( 4 1 4 ) N11, W ( z, ) T* z W2 () 2 St (4 4 ) N2 2, 1/ 1,2 = (1/ 1/ *1,2 1).

Эффективные значения плотности и коэффициента теплопроводно сти композита определялись [4]. Интегральное уравнение (5) на каждом временном шаге решается итерационным методом Ньютона Канторовича [5]. Расчеты нестационарных температурных полей в слое композита проводились с учетом переноса тепла в материале за счет те плопроводности и излучения. Были выбраны следующие значения па раметров: * = 1, 1 2 5 Вт/м2К, T* = 1000K, L = 0,1 м,, получены 1, с учетом фактора заполнения, = +, g = 0,196 Вт/мК, E = 0,343 Вт/мК, 0 () 0.333, c1 = 783Дж/кгК, c2 = 1465Дж/кгК, 3 1 = 118 кг/м, 2 = 2200 кг/м, температуры источников внешнего излу чения: T1* 500 0 C, T2* 300 0 C.

На рисунке 1 представлены температурные поля в композитах в от сутствии взаимодействия между сферами (N = 2,5· 10 6 м 3 ). Из рисунка видно, что величина внешнего диаметра микросферы заметно влияет на температурное распределение. В композите с малыми микросферами (кривые 2) практически отсутствует температурный перепад между го рячей ( 0 ) и холодной ( 1 ) границами слоя, а в композите с боль шими микросферами (кривые 1) температурный перепад заметен и рас тет в процессе нагрева. В этом случае рассматриваются образцы с оди наковыми факторами заполнения, поэтому их эффективные теплопро водности практически совпадают, а различие в поведении температур ных профилей будет определяться в основном радиационным перено сом тепла. Рассеяние излучения в композите с малыми частицами при водит к меньшему перепаду температур на границах слоя. На рисунке представлены температурные кривые для композитов с факторами за полнения, при которых расстояние между микросферами становится соизмеримым с расстоянием начала их взаимодействия (расстояние ме жду микросферами в этом случае составляет 3d). Из рисунка 2 видно, что при нагреве композитов с микросферами d = 3,5 мкм наблюдается начало расслоения температурных кривых для 0,0056, 0,00056 и тем заметнее, чем выше температура.

Выводы. С помощью предложенной математической модели ис следовано влияние факторов заполнения и параметров микросфер на формирование температурного поля в полупрозрачном композитном материале из полиметилметакрилата и кварцевых микросфер. Выясне но, что при уменьшении внешнего диаметра микросфер происходит снижение температурного перепада на холодной и горячей границах.

При увеличении фактора заполнения в композите происходит усиление процесса нагрева.

Рис. 1. Температурное распределение в композитах, содержащих полые не взаимодействующие микросферы:

T °С;

= 5,6 10 8 ;

1 – d = 3,5;

2 – d = 35 мкм;

q = 0,9;

– – – – t = 5 мин;

– t = 10 мин;

– t = 15 мин Рис. 2. Температурное распределение в композитах, содержащих полые взаимодействующие микросферы:

T °С;

d = 3,5;

q = 0,9;

1, 2, 3 – t = 5, 10, 15 мин;

– 0,0056 ;

– 0, Обозначения:

c, c1, c2 – эффективная теплоемкость композита, кварца, полиметилме такрилата, Дж/(кг·К);

Е – плотность потока излучения, Вт/м2;

Ib – функция Планка абсолютно черного тела при температуре T, Вт/(м3стер);

L – толщина слоя, м;

T* – характерная температура, К;

R – радиус сферической частицы, м;

qR – радиус ядра сферической части цы;

T1*, T2* – температуры внешних источников излучения, К;

1, 2 – ко эффициенты теплоотдачи на граничных поверхностях слоя, Вт/(м2K);

– объемная концентрация частиц (фактор заполнения);

– объемный коэффициент поглощения композита, 1/м;

– объемный коэффициент рассеяния композита, 1/м;

– степень черноты слоя композита;

1*, 2 – степени черноты внешних источников излучения;

1, 2 – приведенные степени черноты границ слоя композита.

Список литературы:

1. Дейерменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими поли дисперсными частицами. – М.: Мир, 1971. – 300 с.

2. Петров Ю.И. Физика малых чтиц. – М.: Наука, 1982. – 360 с.

3. Бурка А.Л., Емельянов А.А. Влияние взаимодействия микросфер на формирова ние температурных полей в полупрозрачном материале // Промышленная тепло техника. – 2011. – Т. 33. – № 1. – С. 24–30.

4. Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. – М.: Энергия, 1976. – 392 с.

5. Канторович Л.В. О методе Ньютона // Труды Математического института АН СССР. – 1949. – Т. 28. – С. 135–139.

УДК 536.2. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА, РЕАЛИЗУЮЩАЯ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКСА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ Рогов И.В., к.т.н., Кацуба Д.С., Полунина Н.Ю., Полунин Е.П.

Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов E-mail: teplotehnika@nnn.tstu.ru Информация о теплофизических свойствах (ТФС) теплоизоляцион ных материалов является важной в таких отраслях как строительство и энергетика.

К теплоизоляционным материалам относятся материалы и изделия, предназначенные для тепловой изоляции ограждающих конструкций зданий и сооружений, технологического оборудования и трубопроводов.

На практике для определения ТФС применяют различные приборы и средства измерения. Наиболее перспективными являются измеритель ные системы, которые обеспечивают автоматический сбор и обработку измерительной информации об исследуемом материале [1].

Разрабатываемая измерительная система предназначена для опре деления комплекса ТФС: теплопроводности (), температуропроводно сти (а) и теплоемкости (с).

Схема измерительной системы представлена на рисунке 1.

ПК ДВ АЦП ЦАП а ~220 б Рис. 1. Схема измерительной системы теплофизического эксперимента:

1 – теплоизмерительная ячейка, 2 – термостат, 3 – циркуляционный насос, 4 – электродвигатель, 5 – блок реле, 6 – блок управления, 7 – персональный компьютер, 8 – блок холодных спаев термопар Управление и регистрация измерительной информации осуществ ляется с помощью персонального компьютера (ПК) 7, оснащенного многофункциональной платой сбора данных.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 |
 

Похожие работы:





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.