Пузырьковый режим кипения эмульсии с высококипящей дисперсной фазой вдали от поверхности нагрева

Проектирование системы проводилось с учетом таких факторов, как экономичность при создании, наличие компонентов и материалов для проведения исследований, эффективность, совместимость и долговечность.

В результате предложен и реализован вариант системы дистанционно управления электрическими приборами на основе GSM. Технические характеристики после испытания соответствовали проектным спецификациям.

Список использованной литературы

1. Development of a GSM based Control System for Electrical Appliances: Oke A.O, Emuoyibofarhe J.O, Adetunji A.B: International Journal of Engineering and Technology Volume 3 No. 4, April, 2013.

2. Интерфейсы передачи данных в интегрированных системах учетаэнергоресурсов. Научный журнал «Электронные Информационные системы (ЭИС)», № - 1 (1), 2014 г. С. 79.

3. Методы обеспечения достоверности передачи информации в информационно-управляющих PLC сетях предприятий. Научно-технический журнал «Информационные системы и технологии», № 3 (83) май-июнь 2014 г. С. 107-113.

4. Development of a Cell Phone based Remote Control System:an Effective Switching System for Controlling Home and Office Appliances: C. K. Das, M. Sanaullah, H. M. G. Sarower and M. M. Hassan, International Journal of Electrical & Computer Sciences IJECS-IJENS Vol:09 No: 10: 99310-1414 IJECS-IJENS © December 2009 IJENS.

©Пьо Хылам Хтут, 2016

УДК 536.423.1

А.К. Розенцвайг,

д.т.н., с.н.с.

Ч.С. Страшинский,

к.т.н., доцент

Набережночелнинский институт К(П)ФУ г.Набережные Челны, Татарстан, РФ E-mail: a_k_r@mail.ru, schs@bk.ru

ПУЗЫРЬКОВЫЙ РЕЖИМ КИПЕНИЯ ЭМУЛЬСИИ С ВЫСОКОКИПЯЩЕЙ ДИСПЕРСНОЙ

ФАЗОЙ ВДАЛИ ОТ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА

Аннотация

Рассмотрен перенос теплоты от поверхности нагрева неограниченным объемом жидкостной эмульсии с высококипящей дисперсной фазой. При температуре нагрева, превышающей температуру насыщения паров сплошной среды, она переходит в метастабильное состояние, которое способствует появлению жизнеспособных зародышей паровой фазы. Образование и рост пузырьков пара генерирует во вскипающей жидкости возмущения, подобные пульсациям скорости при движении в турбулентном режиме. Такая «горячая» турбулентность возникает также при перегреве не только ламинарного потока, но и объема неподвижной жидкости. В жидкостных эмульсиях возмущения сплошной среды пузырьками паровой фазы способствуют коалесценции и дроблению высококипящих капель дисперсной фазы. Аналогия механизмов «горячей» и гидродинамической турбулизации эмульсии дает дополнительные полуэмпирические корреляции, необходимые для замыкания взаимосвязанных уравнений гидродинамики эмульсий, сохранения энергии и распределения диспергированных капель по размерам.

Ключевые слова:

сложный теплообмен, жидкостные эмульсии, низкокипящая сплошная среда, кипение (nuclear pool boiling),

рост пузырьков пара, турбулизация кипящей жидкости.

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-2/2016 ISSN 2410-6070

A.K. Rozentsvaig,

doctor of technical sciences, professor Ch.S. Strashinskii,

candidate of technical sciences, associate professor Kazan (Volga Region) Federal University, Naberezhnye Chelny Institute,

Tatarstan, Russian Federation

NUCLEAR POOL MODE OF BOILING OF THE EMULSION WITH THE HIGH-BOILING DISPERSE

PHASE FAR FROM THE HEATING SURFACES

Abstract

Consider the transfer of heat from the heating surfaces unlimited volume of liquid emulsions with a high-boiling disperse phase. At the heating temperature exceeding the critical temperature of the continuous medium, it goes into a metastable state, which contributes to the emergence of the vapor phase. The formation and growth of vapor bubbles in boiling generates fluid disturbances, similar to pulsations of speed in the turbulent flow. Such "hot" turbulence occurs when the overheating is not only laminar flow, but and the volume of stationary liquid. In emulsions disturbance of a continuous medium with bubbles of the vapor phase contribute to the coalescence and fragmentation of the high-boiling droplets of the dispersed phase. The analogy of the mechanisms of "hot" and hydrodynamic turbulence of the emulsion provides a basis of semi-empirical correlations that are necessary for closing of interrelated equations of hydrodynamics of emulsions, energy conservation and size distribution of dispersed phase.

Keywords

heat transfer, liquid emulsions, low-boiling continuous medium, nuclear pool boiling, growth of vapor bubbles,

turbulence of boiling liquid

Теплообмен в жидкостных эмульсиях носит сложный и неоднозначный характер [1]. В отличие от однородных жидкостей важную роль играют не только их теплофизические характеристики, но и гидродинамические условия и структура двухфазного потока [2-4]. Они предопределяют термодинамическое состояние дисперсной системы несмешивающихся жидкостей и характер фазовых переходов первого рода при высоких температурах. Большое число факторов и граничные условия, под влиянием которых формируется процесс переноса теплоты, обусловливают весьма значительное разнообразие механизмов физических явлений. Они определяются уравнениями сохранения количества движения и энергии, состоянием дисперсной фазы, характером взаимодействия ее со сплошной средой, которые для многофазных систем сформулировать не всегда можно в достаточно общем виде [5].

Так, в частности, различия в температуре насыщения паров жидкостей предопределяют различные условия вскипания и механизмы парообразования при перегреве эмульсии, образованной ими. При нагреве выше температуры насыщения жидкость переходит в метастабильное состояние, которое способствует появлению паровой фазы. В эмульсии характер этого состояния во многом определяется тем, является ли метастабильная жидкость сплошной средой эмульсии или ее дисперсной фазой [6, 7]. Дальнейшее рассмотрение ограничено условиями кипения в неограниченном объеме сплошной среды перегретой эмульсии с высококипящей дисперсной фазой вдали от поверхности нагрева.

Образование в неограниченном объеме перегретой жидкости пузырьков паровой фазы носит стохастический характер [8]. Среднее число жизнеспособных зародышей критического размера в единице объема за единицу времени в стационарных условиях выражается частотой:

3 _

J = Pl

fv^ln- fw

. m J

2 2a

--exp

V n

*l

к T

VkbtlJ

где т -масса молекулы, а р - плотность жидкости, & - коэффициент поверхностного натяжения, N -число Авогадро, кз - постоянная Больцмана. - работа образования в перегретой жидкости пузырька

критического радиуса R* = 2а//(p s - pL) определяется как WtL =-. С учетом особенностей

* 3

испарения внутрь пузырька с искривленной поверхности (снижения давления пара) по Томпсону и уравнения фазового равновесия Клапейрона - Клазиуса критический размер пузырька пара, записывается [9]:

2а Те,

R — -

lsl

грр АТ

где р - плотность пара, АТ = Т5Ь — Ть - величина перегрева жидкости.

Образование пузырьков в объеме вскипающей жидкости вносит возмущения, подобные пульсациям скорости при движении в турбулентном режиме [10]. В однородной жидкости эти возмущения («горячая» турбулентность) подобно обычной, гидродинамической турбулентности интенсифицируют процессы переноса теплоты. Часть тепловой энергии при перегреве жидкости, затраченная на образование и рост пузырьков пара, трансформируется при этом в механическую энергию движения сплошной среды. При «горячей» турбулентности возмущения генерируются при перегреве жидкости, которая находится как в движении, так и в неподвижном состоянии.

По аналогии с однородной турбулентностью за масштаб вихрей можно принять критический радиус

К* пузырьков пара, существование и дальнейший рост которых гарантирован термодинамическими условиями теплообмена. Полагается, что энергия возмущений вскипающей жидкости определяется работой образования критических зародышей . Также аналогичным образом можно определить структуру

возмущений. В качестве внутреннего масштаба турбулентности Яо принимается критический радиус К* пузырьков пара. Мелкомасштабные возмущения генерируются пузырьками паровой фазы, которые не превосходят критического размера К* . Они обусловливают диссипацию вязкими силами тепловой энергии при образовании и последующим схлопывании нежизнеспособных зародышей. Рост жизнеспособных зародышей пара, которые превосходят критический размер К*, генерирует крупномасштабные возмущения. Затраты тепловой энергии при увеличении размеров пузырьков пара аккумулируются кипящей жидкостью и, в принципе, обратимы при растворении паровой фазы.

Характер возмущений обусловлен скоростью роста паровых пузырьков, которая зависит от интенсивности подвода тепловой энергии. Однако даже наиболее простой и хорошо изученный рост сферического пузырька в неограниченном объеме перегретой жидкости носит неоднозначный характер [11]. Оказалось, что в реальных условиях это физическое явление представляет собой сложный процесс, состоящий из четырех базовых механизмов - элементарных физических явлений. Каждый из них ограничен важным предельным случаем общего процесса, но который может быть аналитически описан и полностью изучен.

1. Инерционный механизм динамического роста пузырьков изучен Рэлеем применительно к скорости движения К(^) границы газовых пузырей в невязкой несжимаемой жидкости при кавитации:

w -- 2 аР .

V3 Pl

где R(t) = — , Ap = ps( Tx ) - px, ps( Tx ) - давление насыщения при температуре жидкости Tx dt

вдали от пузырька, px - фактическое давление в жидкости вдали от пузырька.

В этом случае перегрев жидкости обеспечивает скорость испарения при росте пузыря, которая

позволяет поддерживать условие Ap = const.

2. Вязкий механизм динамического роста пузырьков представляет скорость роста паровых пузырей, ограниченную вязкими напряжениями на межфазной границе:

R(t) = -ApR(t),

где ¡Ль - динамическая вязкость жидкости.

3. Энергетический механизм теплового роста пузырьков представлен Лабунцовым [11] следующей аппроксимационной зависимостью:

R(0 = 2

13

1 +1 (ж / 6 Ja)2 7 3 + ж / 6Ja

1 / 2

• Ja,

4at

где X, O, cp - теплоемкость, температуропроводность и и теплоемкость жидкости, Ja = cpPiÁT/ (rpv) - число Якоба, которое характеризует степень перегрева жидкости.

В предельном случае при Ja >> 1, когда источником тепла, расходуемого на испарение жидкости

внутрь пузырьков, является избыточная энтальпия перегрева жидкости Щ t) — 2

— • Ja •*Jat . В другом

ж

предельном случае при Ja << 1, когда теплоемкость не является определяющим параметром процесса,

R(t) =

„ÄATt r— i— 2-=V 2Ja W at.

гРу

4. Молекулярно-кинетический механизм роста пузырьков изучен Лабунцовым [11] для условий, благоприятных для испарения жидкости с перегретой межфазной границы:

А (0 — -Л---^,

1 - 0АР руУ12ж~Т

где Р - коэффициент испарения - конденсации, А - индивидуальная газовая постоянная.

Скорость движения границы газового пузыря А отличается от скорости жидкости ик из-за поперечного притока через границу раздела за счет фазового превращения [12]:

ик — (1 -Ру/ РЬ )я.

Авдеевым (ТВТ, 1988, т. 26, № 2, р. 290.) было также отмечено, что наличие конвективного потока перегретой жидкости к межфазной поверхности увеличивает подвод теплоты, что приводит к интенсификации парообразования при росте пузырьков, превышающих критический размер.

Таким образом, масштаб возмущений при кипении сплошной среды эмульсии зависит не только от большого числа факторов и условий теплообмена, но и от плотности паровой фазы. Поэтому эффект «горячей» турбулентности в полной мере проявляется при высоком давлении. В работе [13] в условиях кипения сплошной среды в смазочной эмульсии был изучен характер взаимодействия между каплями масла и пузырьками пара, генерируемого при кипении воды. При перегреве, когда Т > Ть, инициирование зародышей паровой фазы обусловливает развитие "горячей" турбулизации эмульсии. Сопоставлением модельной кривой с экспериментальными данными было показано, что при пузырьковом кипении сплошной среды и возникновении «горячей» турбулентности теплообмен в узких каналах во многом определяется процессом дробления капель дисперсной фазы [13].

В жидкостных эмульсиях, кроме этого, происходит взаимодействие пузырьков паровой фазы с высококипящими каплями дисперсной фазы. Резонансные явления, обусловленные энергией пульсаций «горячей» турбулентности и собственными колебаниями капель, способствуют их диспергированию и коалесценции [14]. Эти процессы не только значительно повышают эффективность теплообмена, но и формируют соответствующие распределения капель дисперсной фазы по размерам и усложняют термодинамические модели эмульсий. Аналогия механизмов «горячей» и гидродинамической турбулизации эмульсии дает теоретическую основу для получения полуэмпирических корреляций, необходимых для замыкания взаимосвязанных уравнений гидродинамики, сохранения энергии и распределения диспергированных капель по размерам в неизотермических условиях.

Список использованной литературы: 1. Розенцвайг А.К., Страшинский Ч.С. Детализация моделей сложного теплообмена в эмульсиях несмешивающихся жидкостей // Инновационная наука. - 2015. - 12(2). - С. 138-142.

2. Розенцвайг А.К. Движение концентрированных эмульсий с неравновесной дисперсной фазой по трубопроводам в турбулентном режиме // Инженерно-физический журнал. - 1982. - 42(3). - С. 366-372.

3. Розенцвайг А.К., Страшинский Ч.С. Дробление низкокипящей дисперсной фазы в турбулентном потоке охлаждающей эмульсии // Журнал прикладной химии. - 2009. - 82(8). - С. 1314-1319.

4. Розенцвайг А.К. Характер дробления капель при перемешивании разбавленных жидкостных эмульсий турбинными мешалками // Журнал прикладной химии. - 1985. - 58(6).- С. 1290-1298.

5. Нигматуллин Р.И. Гидродинамика многофазных сред. Ч.1. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. -1987, 464 с.

6. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. - М.: Наука Гл. ред. физ.-мат. лит. -1972, 312 с.

7. Rozentsvaig A.K., Strashinskii C.S. Hydrodynamic aspects of boiling up of a disperse phase in a homogeneous turbulent flow of an emulsion // High Temperature. 2011. - 49(1). - Р. 143-146.

8. Побережский С.Ю., Симанков Д.С. Определение температур гомогенной нуклеации жидкостей. // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 6. URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=7923.

9. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло-массообмена. - М.: «Высшая школа». - 1974. -328 с.

10.Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. пособие. Т.VI. Гидродинамика. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. -1988, 736 с.

11.Лабунцов Д.А. Физические основы энергетики. Избранные труды по энергетике, гидродинамики, термодинамики. - М.: Изд-во МЭИ, 2000. - 200 с.

12.Avdeev A. A., Zudin Yu. B. Thermal energy scheme of vapor bubble growth (universal approximate solution) // High Temperature. - 2002. - 40(2), - Р. 264-271.

13.Rozentsvaig, A.K., Strashinskii, C.S., Modeling of heat transfer conditions in cooling lubricant emulsions with low-boiling continuous media in narrow gaps // International Journal of Heat and Mass Transfer - 102 - 2016. - P. 555-560.

14.Розенцвайг А.К., Страшинский Ч.С. Резонансный и градиентный механизмы инициированного вскипания в однородном турбулентном потоке низкокипящей дисперсной фазы в жидкостной эмульсии // Проектирование и исследование технических систем: Межвуз. науч. сб. Набережные Челны: изд-во ИНЭКА. - 2008. - 12 - С. 74-85.

© Розенцвайг А.К., Страшинский Ч.С., 2016

УДК 621.3

В.А. Свиридов

аспирант

Поволжского государственного университета сервиса,

инженер - конструктор ООО «Тольяттинский трансформатор» Научный руководитель: Н.П. Бахарев д.п.н., к.т.н., профессор кафедры «Сервис технических

и технологических систем» Поволжский государственный университет сервиса г. Тольятти, Российская Федерация

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБМОТОК И ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ НА ОСЕВЫЕ УСИЛИЯ В ОБМОТКАХ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Аннотация

Рассмотрены факторы влияющие на осевые усилия в обмотках силовых трансформаторов.