Девятая Международная Научно–Техническая Конференция Студентов и Аспирантов
«Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика»

Москва, Московский Энергетический Институт, 4 — 5 марта 2003 г.

Тезисы докладов: Том 3, Секция 34 — «ТЕПЛОФИЗИКА»

Бессчётнов Иван Александрович, студ. каф ИТФ; Устинов Виктор Александрович, студ. каф. ИТФ; А.С. Карцев, Р.В. Агапов, аспиранты каф. ТОТ;
рук-ли: Ю.А. Кузма-Кичта, д.т.н., проф. (каф. ИТФ МЭИ); А.С. Седлов, д.т.н., проф. (каф. ТОТ МЭИ)

ИССЛЕДОВАНИЕ КИПЕНИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

Работа посвящена экспериментальному исследованию кипения водных растворов. Исследование проводилось при кипении в большом объеме на горизонтальной трубке 03 х 0,5 мм при атмосферном давлении. В экспе-риментах использовались водные растворы. Концентрация компонентов изменялась в диапазоне для Na2SO4 от 4 до 10 г/л, для NaOH от 0,4 до 6 г/л. Диапазон температурных напоров в опытах составлял ДГ= 5...20 К.

Для исследования процесса кипения использовалась лазерная методика [1], и, кроме того, процесс фиксировался на VHS-камеру, Полученная в опытах информация оцифрована и обработана на компьютере с использованием пакета графических программ. По распределениям отрывных диаметров (d0) находились наиболее вероятные величины, и устанавливались зависимости d0 температурного напора (рисунок). Как установлено, отрывные диаметры при кипении исследованных растворов больше, чем у воды.

Получены опытные данные по теплоотдаче для двухкомпонентного раствора (Вода + Na2SO4) и трехкомпонентного раствора (Вода + Na2SO4 + + NaOH). Обнаружено, что коэффициент теплоотдачи для двухкомпонент-ных растворов выше, чем для чистой воды, и увеличение концентрации приводит к росту теплоотдачи. Добавление NaOH приводит к ухудшению теплообмена.

Помимо указанных растворов исследовалось кипение реальных концентратов испарителей Саранской ТЭЦ-2 и модельных растворов, построенных по данным анализа состава концентратов. Формировались трех- и четырех-компонентные модельные растворы (Na2SO4 + NaOH + вода и NaCI+Na2SO4+NaOH+вода). Целью экспериментов было изучение возможности моделирования теплоотдачи при кипении реальных концентратов испарителей водным раствором из ограниченного числа компонентов.

Литература:

1. Кузма-Кичта Ю.А., Бакунин В.Г., Шлапко O.K. Исследование характеристик пузырькового кипения с помощью лазерной диагностики // Кипение и конденсация: Международный сборник научных трудов. Рига: Рижский технический университет, 1997. С. 69-80.

Добровольский Алексей Константинович, Круг Александр Федорович, студенты;
рук-ли Ю.А. Кузма-Кичта, д.т.н., проф.; А.С. Комендантов, д.т.н., проф.; Н.Г. Батов, препод. (МЭИ)

ДИАГНОСТИКА РЕЖИМОВ ТЕПЛОСЪЕМА В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ КАНАЛЕ С ОДНОСТОРОННИМ НАГРЕВОМ

При внешнем одностороннем интенсивном нагреве горизонтального канала на поверхности охлаждения возможно существование различных режимов теплосъема, однако методика их диагностики практически не разработана.

Предлагаемая методика диагностики режимов теплосъема на поверхности охлаждения горизонтального канала при одностороннем нагреве включает измерение температуры стенки канала, пульсаций температуры стенки и давления в контуре и решение обратной задачи теплопроводности (ОЗТ) с использованием экспериментальных данных. На поверхности охлаждения задано граничное условие 3 рода, при этом коэффициент теплоотдачи меняется по периметру. В процессе решения ОЗТ полученное температурное поле сравнивалось с данными измерений.

Проведен расчет ОЗТ и проанализированы результаты решения. Анализ решения ОЗТ, данных по пульсациям температуры стенки и давления, расчетных температур, соответствующих началу кипения ТНК[l], критическим тепловым нагрузкам, ТКР1 [2] и ТКР2 [3] позволил провести диагностику режимов теплосъема.

Результаты решения ОЗТ представлены на рисунке в виде распределения температуры стенки по сечению канала при давлении 0,54 МПа, массовой скорости 436 кг/м2с, средней температуре воды в измеряемом сечении Тж = 84,8 °С.

На поверхности охлаждения для рассмотренных условий обнаружены три режима теплосъема: пленочное (1), переходное (2), пузырьковое (3). При увеличении подводимой тепловой нагрузки режим пленочного кипения распространяется по периметру поверхности охлаждения, может охватить большую его часть и тогда возникнет реальная опасность разрушения канала.

Литература:

1. Ю.А. Кузма-Кичта. Методы интенсификации теплообмена: Учеб. пособие. М.: Издательство МЭИ, 2001.
2. Richter D. Schroeder, Bartsch G. Analytical Calculation of DNB-superheating by a Postulated Thermomechanical Effect of Nucleate Boiling // Int. J. Multiphase flow. 1994. Vol. 20. P. 1143-1167.
3. Звонарев Ю.А., Комендантов А.С., Кузма-Кичта Ю.А. Исследование температуры прекращения пленочного кипения // Теплофизика высоких температур. 1984. Т. 22. №6. С. 1221-1223.

Лазарев Дмитрий Олегович, студ.;
рук. Г.Г. Яньков, к.т.н., доц. (МЭИ (ТУ))

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА В МЕТАЛЛОГИДРИДНЫХ АККУМУЛЯТОРАХ ВОДОРОДА

В работе проведен расчет металлогидридного аккумулятора водорода, создаваемого в ИВТ РАН и предназначенного для использования в системе очистки водорода от примесей. Расчет проводился с использованием системы ANES-90. Интерес представляет влияние на динамические характеристики сорбции (зависимость количества поглощенного водорода от времени и др.) различных параметров математической модели, определение фактора, лимитирующего процесс сорбции в условиях работы аккумулятора.

Моделировались непрерывная зарядка водородного аккумулятора и зарядка с продувкой, когда в модуль подается газовая смесь, обогащенная водородом. Расчетная схема и математическая модель, построенные в [1], были взяты за основу и дополнены новыми модельными соотношениями для скорости реакции абсорбции [2], коэффициента проницаемости [3] и коэффициента теплоотдачи. Методика, предложенная в [4] и развитая в [1], позволяет определить коэффициент эффективной теплопроводности металлогидридной засыпки, когда в порах засыпки находится чистый водород. Так как в реальный модуль подается газовая смесь, состав которой сильно меняется в процессе абсорбции водорода, методика расчета коэффициента эффективной теплопроводности была соответствующим образом модифицирована [5]. Расчеты, проведенные с целью выявления влияния коэффициента теплопроводности на динамику процесса абсорбции, показали, что в условиях работы рассматриваемого металлогидридного модуля именно перенос тепла по засыпке является основным лимитирующим фактором и оказывает наиболее существенное влияние на поглощательную характеристику водородного аккумулятора.

Литература:

1. Экспериментальное и теоретическое исследование тепловых процессов в металлогидридных пористых средах и создание экспериментальной системы хранения и очистки водорода для водородных систем преобразования и аккумулирования энергии // Отчет о научно-исследовательской работе. М.: ИТФ МЭИ, 2001.
2. Inomata A., Aoki H., Miura T. Measurement and modeling of hydriding and dehydriding kinetics. Journal of Alloys and Compounds. 1998. Vol. 278. P. 103-109.
3. Полнев В.М., Майоров В.А., Васильев Л.Л. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1988.
4. Sun D., Deng S. A theoretical model predicting the effective thermal conductivity in powered metal hydride beds // Int. J. of Hydrogen Energy. 1990. Vol. 15. P. 331-336.
5. Численное моделирование процессов тепломассообмена в металлогидридных аккумуляторах водорода / В.И. Артемов, Г.Г. Яньков, Д.О. Лазарев, В.И. Борзенко, Д.В. Дуников, С.П. Малышенко // Тр. III Росс. нац. конф. по теплообмену. Т. 5. Двухфазные течения. Дисперсные среды. Пористые среды. М.: Издательство МЭИ, 2002. С. 157-164.

Лиходеев Дмитрий Владимирович, студ.;
рук. В.И. Борзенко, с.н.с. (МЭИ (ТУ))

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В МЕТАЛЛОГИДРИДНЫХ ПОРИСТЫХ СРЕДАХ

Объектом исследования являются гидридообразующие интерметаллические сплавы, обладающие способностью избирательно поглощать водород, что позволяет использовать их для создания систем аккумулирования и очистки водорода [1...3]. Создание высокоэффективных металлогидридных устройств требует понимания специфики процессов тепломассообмена в пористых засыпках. Целью работы является экспериментальное исследование процессов те-пломассопереноса в пористых металлогидридных средах, проверка имеющихся математических моделей [4, 5] и разработка экспериментальной системы аккумулирования и очистки водорода. Автором предложена и реализована схема системы диагностики и проведены первые эксперименты по определению локальных температур пористой засыпки и динамики поглощения водорода из газовой смеси.

Литература:

1. Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику. М: Энергоатомиздат, 1984.
2. Малышенко С.П., Назарова О.В. Аккумулирование водорода. Атомно-водородная энергетика и технология. М.: Энергоатомиздат, 1988. Вып. 8.
3. Водород в металлах // Прикладные аспекты / Под ред. Г. Алефельца иИ. Фелькля. М.: Мир, 1981. Т. 2.
4. Численное моделирование процессов тепломассообмена в металлогидридных аккумуляторах водорода / В.И. Артемов, Г.Г. Яньков, Д.О. Лазарев, В.И. Борзенко, Д.О. Дуников, С.П. Малышенко // Третья Росс. конф. по тепломассообмену, М.: Издательство МЭИ, 2002. Т. 5. С. 157-164.
5. Modelling of Thermophysical Processes in Me-H Cleaning Systems / S.P.Malyshenko, V.I. Borzenko, D.O. Dunikov, O.V. Nazarova, G.G. Yankov, V.I. Artemov, J.S. Sung // Hydrogen Energy Progress XIII. . Ed. Z.Q. Mao. T.N. Veziroglu. Beijing. 2000. Vol. 2. P. 1323-1328.

Петровичев Анатолий Анатольевич, студ. (МЭИ (ТУ));
рук. А.А. Еронин, м.н.с. (ИВТ РАН)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ КИПЕНИИ ЖИДКОГО АЗОТА

Большой интерес к методам, позволяющим управлять тепловыми процессами при теплообмене, существовал всегда. Одним из основных методов такого активного воздействия является приложение к области теплообмена внешнего электрического поля. Несмотря на то, что влияние внешнего электрического поля на кипение исследуется достаточно давно [1, 2], в данной области существует еще очень много неясных моментов.

В работе были проведены исследования, направленные на изучение влияния электростатического поля на тепловые процессы при кипении диэлектрической жидкости, а именно жидкого азота. Исследования проводились на горизонтальных гладких образцах, горизонтальных гладких образцах с микроштырьком и гладких изогнутых образцах.

Получены следующие результаты:
1. Показано отсутствие существенного влияния электрического поля на параметры закипания азота для гладких горизонтальных образцов.
2. Найдено, что для гладкой поверхности с микроштырьком приложение электростатического поля приводит к смещению параметров закипания и прекращения кипения в области микроштырька. Также найдено существенное увеличение теплоотдачи в области микроштырька в присутствии электрического поля.
3. Для гладкого изогнутого образца показано, что в области существенной неоднородности электрического поля параметры начала и прекращения кипения смещаются.

Литература:

1. Jones T.B. Electrohydrodynamicaly enhanced heat transfer in liquids // J. Adv. In Heat Trans. 1978. Vol. 14. P. 107-148.
2. Parmar D.S., Jalaluddin A.K. Nucleation in superheated liquids due to electric fields // J. Phys. D: Appl. Phys. 1973. Vol. 6. P. 1287-1294.

Петухов Алексей Вячеславович, студ. (МЭИ(ТУ));
рук. Д.О. Дуников (ИВТ РАН)

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДВУХФАЗНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ

Работа посвящена исследованию стационарной фильтрации газа в смоченной жидкостью пористой среде конечных размеров. Предметом исследования является определение порогов протекания и зависимости гидравлического сопротивления от приложенного давления для пористых сред конечных размеров. Рассмотрение этих задач связанно с проблемой кипения на пористых поверхностях и другими приложениями, где ширина фронта вытеснения сопоставима с размерами пористой среды.

Исследование поводилось экспериментально и методами компьютерного моделирования. Экспериментальная установка позволяет проводить измерения расхода фильтруемого газа от приложенной к пористому образцу разности давления. Это позволило построить скейлинговые соотношения и определить пороги протекания.

Для исследования эффектов внутреннего пространства поровой среды на процессы фильтрации, была разработана программа, позволяющая моделировать засыпки сфер, со свойствами идентичными реальным пористым образцам. Для анализа полученных засыпок был использован метод многогранников Вороного-Делоне, который позволяет получать основные топологические характеристики пористой среды: распределение пор по размерам, распределение по радиусам горл.

Пресняков Дмитрий Викторович, асп.;
рук. А.В. Костановский, д.т.н., зав.лаб. (ИТЭС ОИВТ РАН)

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ ТУГОПЛАВКИХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ «БЕСКОНЕЧНО ТОНКОЙ ПЛАСТИНЫ» (НА ПРИМЕРЕ МОЛИБДЕНА)

Приводится описание метода «бесконечно тонкой пластины» (БТП) [1] для определения температуры фазового перехода твердое тело-жидкость высокотемпературных материалов. Предлагаемый новый метод использует лазерный нагрев образцов в виде фольги и позволяет с высокой точностью зафиксировать параметры плавления вещества. К достоинствам этого метода следует отнести простоту и экономичность, касающиеся как изготовления образцов, так и проведения экспериментов. Работоспособность метода БТП была оценена на образцах из тантала и вольфрама.

В работе приведены результаты тестовых опытов на ранее хорошо изученном материале (молибден). В качестве исследуемого вещества молибден был выбран не случайно, поскольку он входит в разряд наиболее тугоплавких (ТПЛ ~ 2900 К) эталонных материалов [2]. Как известно, измерение свойств хорошо изученного материала, позволяет провести сравнение полученных экспериментальных данных со справочными для этого материала, и, таким образом, сделать проверку надежности метода. Большое внимание в работе уделено, численному моделированию процесса нагрева образца лазерным источником при граничных условиях, учитывающих влияние конвективного и лучистого теплообмена со средой. Одной из причин проведения этого расчета стала потребность оценить величину вводимой поправки, учитывающей осреднение измеряющим бесконтактным датчиком температурного поля на нагреваемой поверхности.
Конечной целью данной работы являются выводы о пригодности и целесообразности использования метода БТП, предлагаемого авторами для измерения температуры плавления различных тугоплавких материалов.

Литература:

1. Костановский А.В., Костановская М.Е. К вопросу об определении температуры плавления высокотемпературных материалов методом термограмм при нагреве лазерным излучением // Теплофизика высоких температур. 1998. Т. 36. № 6. С. 921-926.

Субачева Елена Владимировна, студ.;
рук. Ю.Б. Смирнов, к.т.н., доц. (МЭИ (ТУ))

ТЕПЛООБМЕН ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРОВЫХ СМЕСЕЙ НЕСМЕШИВАЮЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ НЕАЗЕОТРОПНОГО СОСТАВА

В технологических процессах возникает необходимость конденсации бинарных паровых смесей несмешивающихся жидкостей (чаще всего используются смеси органических жидкостей с водой). В настоящей работе представлены результаты расчета теплообмена при конденсации при атмосферном давлении паровых смесей несмешивающихся жидкостей неазео-тропного состава: R113/Н2О - на вертикальной пластине высотой 100 мм и n-гептан / Н2О - на гладкой горизонтальной трубе диаметром 10 мм. Для расчета была использована пленочная модель с учетом возможности существования гомогенного или ручейкового режимов течения конденсата, состоящего из двух несмешивающихся жидкостей. Мольная доля водяного пара в объеме изменялась от 0,1 до 0,8. Для смеси R113/Н2О получено хорошее согласование опытных данных [1] с расчетными во всем диапазоне изменения состава паровой смеси, а для смеси n-гептан/Н2О опытные данные [2] удовлетворительно согласуются с расчетом лишь при концентрациях водяного пара выше азеотропного значения.

Представлены также результаты расчета теплоотдачи при конденсации паровых смесей несмешивающихся жидкостей неазеотропного состава на горизонтальных оребренных трубах в зависимости от геометрических характеристик оребрения и теплопроводности материала стенки. При этом были использованы результаты работы [3], где на основе экспериментальных данных были получены расчетные соотношения для смесей азеотропного состава. Показано, что оребрение поверхности теплообмена может существенно интенсифицировать теплообмен при конденсации паровых смесей несмешивающихся жидкостей неазеотропного состава на горизонтальных трубах.

Литература:

1. Study on condensation heat transfer of binary vapors of immissible liquids (nonazeotropic mixtures) / A. Takimoto, T. Teranishi, T. Matsuda, Y. Hayashi // Nihon kikai gakkai rombunshu, B. Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. B. 1992. Vol. 58. № 545. P. 205-210.
2. Ogino F. and Itagaki E. Condensation of binary vapours of immissible liquids with nonazeotropic composition //Proc. 9th Int. Heat Transfer Conf. Jerusalem. 1990. Vol. 6. P. 464-469.
3. Анисимов С.В., Смирнов Ю.Б. О механизме и методах расчета теплоотдачи при конденсации пара и азеотропных паровых смесей несмешивающихся жидкостей на горизонтальных оребренных трубах // Тр. XII Школы-семинара «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках». М.: Издательство МЭИ, 1999. С. 193-196.

версия для печати