автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Температурная диагностика монодисперсного капельного потока на основе эффекта температурного тушения флуоресценции

московский ?нергетичкск:ш гс-отэтут ( технический университет )

На пр:;н&х рукопис

.©И Д?гатркй Станиславович

Тбмпературнэя диагностика мэкодтеперсного капельного потока из основе эффекта температур*101'0 Т7аенкя фиуорэсцешцш.

05.14.05 - теоретические основа теплотехника 05.13.16 - ирхмбненив вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях'

Автореферат 'диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа кяпо.птна на Кафодро криогенной техники Московского энаогеткчесхого института

Научкке руководители:

доктор технических наук, профессор А.В.Клименко

доктор гимнических наук, доцент В.В.-Блшкенкоь -

1'л}мци&д«.-гШ оппонент

доктор физико-математических наук, 'профессор О.А.Синкевич

Ездущай организация:

доктор технических наук, профессор В.П.Бородюс ,

Кк^гао-иссладовательский ✓ институт энергомашиностроения км.' Н.Э.Баумана

Защита состоится 23 "июня 1534 г.'Гв /^^часов на саседанш спэ1№адизирйванного1совета К053.16.02, в Московском энергетическом институте, Красноказарменная ул1,- д. IV,/•корпус.ка$. •' ИТФ,'.

к.205. . : ' - _ ' ■ '"."■• ;'•' _ ./.'•:!■ ". ■ ;

Отзыв, заЕеренний печать», просим ■ присылать по адрес:/: Москва, Ю5335, ГСП, 2-250, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ. ' •'.' ■ ; .

с диссертацией можно ознакомиться а библиотеке ЮН. \>

Автореферат разослан " 1994 г. - . :

Ученый секретарь специализированного совета. К 053.16.02 ; . ¡¡А

В.И.Мика

Лктуальяость теш.

В последнее время значительное развития получила технология монодиспоргирования вещества, основанная ко Е^ну^ленчом капиллярном распаде струи, при гсмощи которой получаит однороднее сферические гранулы, в том числе пустотелые. Эту технолог»!» используют для производства целого ряда продуктов с есобщ/.к свойствами, например, катализаторов, сорбентов, свэтовсэЕращаш'яг. красок, фильтров, калибраторов оптических приборов к прочего. Указанная технология обычно включеет этап охлаждения потока капель в газовой среде. В большинстве случаев получение капель одинакового размера не только является пеобхо технологическим требованием, ко и является прадяочтитольккм, поскольку теплофкзические процессы для всех капель протекснт одинаково. Кроме однородности. каяоль по размерам, м-лгадксперсшй распад имеет другую важную особенность: капли летят строго одна за другой' на значительном протяжении.

Колъшинство исследований.. монодисперсного распада, ь том числе эксперименты по оптическому зондированию струй к капель выполнены при неизменной температуре генератора. Для ряда приложений весьма актуально знать особенности распада при иакененяи температуры струи. 'Исследования по -йлыь^^ичо сл. потока' монодаспермшх капель находятся еще в стадта начальных экспериментов. Теоретические работы чаще базируются на таких допущениях, которые редко' реализуются на практике. При экспериментальном исследовании необходимо измерять теетературу обьектов малого размера , которые двигаются со скоростью несколько метров в секунду , ' что представляет значительною сложности.

К настоящему времени проведено большое количество теоретических исследований по теплоотдача от одиночной сфари. Накоплен и обобщен значительный экспериментальный материал по измерению температуры одиночных сфер большого диаметра. При этсм не только отсутствуют математические формулы для расчета теплоотдачи от монодисперсного потока капель, но даже нет ясности в вопросе о том - улучшается или ухудаается теплоотдача от -линейного..потока каталь по сравнения) с теплоотдачей от одннспоЛ сферы.. .

Цель-работы: исследование влияния температуря на распад и оптические • свойства струи, а также разработка и реализогля бесконтактного метода измерения температуры потоке монод::сперс;а;х капель.

Научпая новизна.

1. Создана автоматизированная установка для формирования мзнодисгюрсного капельного потока и управления оптической системой» использующая систему КАМАК, регистрирующая обратное рассеяние лазерного излучения и флуоресценцию методом однотонного счета.

2. Разработан флуоресцентный метод измерения температуры штока коиоАискэроиых капель..- •. . .

3. Установлена зс чисюло'л ь длины нераспавшейся части струи от температуры аэдмстя з .генераторе при истечении через фильеру.

4.■ ООпьрухзи эффект •резкого падения обратного рассеяния от участка пераоишжвйся. отру« при. повышении температуры струи, вызванные ларуаоыиаминтерференционной картины, в также проведено сравнении, ■температурках ззвнсамсстей флуоресценции и обратного реосоякая, снятая при одинаковых условиях.■• •

5. По изнерокнич тегстдаратурвым зависимостям (флуоресценции капельной струи получены зитьшя температур капель щ>и разных начальных' температурах и разной пролетной Cose. /

6. Проведено сравнение теплоотдачи от линейной цепочки капэль с теглоотдачей от одиночных/ сфер. Обнаружено понижение коэффициента теплоотдачи мояодисперсного капельного :' потока по сравнению с его значениями для теплоотдачи ох одиночных сфер.

8. Исследованы особенности движения линейного ./потока монодкеперенкх капель в газе к проведено сравнение с результатами .для одиночных сфер. Покапано, что сопротивление среда - движению линейного монодисперсного капельного потока ¡значительно меньше, чем эта величина для одиночной сфера. '••""'..'-,

Практическую значимость работы составляют:

- лазерная оптическая система возбуждения флуоресценции капель и приемная оптическая система с одно э ло к тронным ФЗУ, использующие волоконную оптику для подавления влияния 'нестабильности капельного потока в пространстве; -.• - .

- автоматизированная система счета одноэлектронных импульсов, построенная как с использованием стандартных модулей КАМАК, так и специально спроектированных и изготовленных автором работы, управляемых от персонального, компьютера типа IBM;

- программное обеспечение для регистрации необходимых экспериментальных сигналов и их дальнейшей обработки с целью получения зависимостей температуры и коэффициента теплоотдачи от длины пролета при разных начальных температурах диспергирования;

- данные по теплоотдаче от потока монодисперсных капель,

полученные для комплекса пзрачетров, который часто встречается на практике, эти данные кокно и^льяовпть для расчета i'c¿aT:cBKn б криодаснерсной технологии л других технологиях, использующих моаодисперсные капельные потеки.

Результаты работы докладывались на научных семднчрач отдела монодасперсных систем МЭМ, были представлены на ху Всесоюзной конференции ".Актуальные попроси физики сэродисперснпх систем" (Одесса, 1S89), 1-й Российской аэрозольной кокаСрендии (Москва, 1993), 8-й мендувародной конференции по теплотехнике и термограммомегрки (Будапешт, 19Э.Ч).

Элементы разработанной системы были внедрены во БЖУ' химической технологии и испольауягоя в народном хозяйстве.

По теме диссертации опубликовано 6 почетных робот.

Автор защидает:

'- результата экспериментальных исследований темиэратурэзпЕиглпгах спектров для некоторых флуорохромоз;

- результаты оптических исследований нераспаБЕвгося участка струи и капельного потока при изменении температуры;

- бесконтактный метод измерения температуры мснодисперсного капельного потока на основе эфйзкта температурного туяония флуоресценции и результаты его апробации;

- результаты расчета теплоотдачи от капельного ионодисперсного потока по полученным в эксперимента зависимостям температуры капель от длины пролета.

Структура и объем работы..

• Диссертация состоит из зведения, вести глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 91 наименование, приложений и содержит 216 страниц, в том числе 193 страниц основного текста, 105 рисунков, 6 фотографий, 5 таблиц.

Содержание работы

Перг-ая глава диссертации является литературным оСзсрсм, в котором рассматриваются контактный и бесконтактное метода измерения температуры малых объектов, а тлкя;э гидродинамика и тепломассоотдача при. движении одиночного шара и их jiuhví'jujx цепочек в вязкой среде.

-Контактный метод, при использовании которого в каиодън:;и поток вводится термочувствительный датчик (термопара пли терморезистор),' рассматривается прежде всего о то~:ки грэнпл ого пгмменимозти для • термометрии mdjwx дагщцгаим сбг;-е

Достокнслзом метода является ei'o простота, но он практически перестйэт раЗотгль при юмзренки температуры объектов размером 300-400 мкм из-за теплопритоков по проводам. Метода, основанные нг регистрация теплового излучения, получили большое развитие прекде всего потому, что не вносят никакого возмущения в объект исследования. Однако отк приборы имеют значительную временную якерЦл'ю, а также низкую разрешающую способность при измерении интенсивнойги излучения малых объектов .при низкой температуре. Мотсд, осаоветаЛ на регистрации изменения спектра отражения кидких кристаллов, пока.еще но нашел столь широкого применения, как шрекз два 'метода'.' ¡ Шдгаотаткачи этого метода являются огроничопннй теготврнтурний . интервал изменения спектра жидких кристаллов л зиачйтельноа инерционность, измеряемая десятками и сотнями . .. гяшмпекупд. г Метода, ' . основанные на измерении' комбинационного рассеянна, воды, спектра возбуждения этилендаамиотэтрацатата еиродгя и использовании униЕорсального соотношения Степанова, сложны и имеет малую точность.

Б рйзделе, где приведена работы по гидроданачике и каесоотдаче от одкнсчнх твердых шаров к их линейных комбинаций, рассматриваются разныз ре ¡да,и их - обтекания; обращается внимание, на то, что значения чисел Рейнольдса Re,/при•' которых. происходит переход от стоксова ро;шма к ' ламинарному и . к турбулентному, значительно , различаются для одиночных шаров и их линейных комбинаций. Существенной особенность» гидродинамической картины в обтекаемой цепочке шаров является взаимодействие спутнего следа с послод,: («им шаром. Дшш сдутцого сладе за одиночной сферой пропорциональна логари^у скорости, что' приводит к разным условиям взаимодействия шаров со спутннм следом при изменении скорости. При обтекании линейных комбинаций шаров их сближение приводит к более раннему отрыву течения от 'шара. При близком расстоянии мэжду шарами вместо спутного следа мезду ними формируется тороидальный вихрь (вне этого Бихря течение всюду ламинарно). Эксперименты по осавдению пар и троек шаров в вязкой жидкости (режим Стокса) показали, что коэффициент сопротивления комбинаций шаров меньше, чем у одиночного шара. Рассматривается вопрос о деформации одиночных капель, вызванной их взаимодействием со средой. Кроме того, оторвавшиеся от распадающейся струи капли испытывают колебания, которые затухают по мере движения. Колебания капель могут активизировать теплсмассоотдачу и изменить оптическио свойства капли; если формирование твердой оболочки на охлаждающейся капле начнется

раньяе окончания колебаний, го шар сформируется деформированным. Приводится выражение для коэффициента затухания капель.

Теоретические результата для тэпломасссотдачл ст капель получены для предельных • случаев. (Ре «1 и Fo » 1) методом разложения в ряд для сферической капли или линейной цепочки капель. Решение для деформируемой капли находят, вводя поправки в решение для сферической капли. Ка основании экспериментов на шариках, находящихся в очень стеснзнных условиях, когда частицы занимают примерно половину общего объема, показано, что результаты расчета теплсмассоотдачи при Не < 1 могут быть . использованы еплоть до Es 100. Далее приводятся формулы, . аппроксимирующие результаты экспериментальных исследований тепломассоотдачи от одиночных сфер. Расчет теплоотдачи по этим формулам дает разброс около Z5%.'

Во второй главэ теоретически, обосновывается возможность измерения температуры : флуоресцентным методом. Рассматриваются процессы взаимодействия- излучения. с. веществом и влияние на них температуры, в, том числе процесс температурного -тусения флуоресценции. Формулируются основные требования к оптическим ' характеристикам раствора флуорохрома: высокая экстинкция, большей квэнтовый выход флуоресценции, большой коэффициент температурного тушения флуоресценция. Анализируется влияние аффекта внутреннего фильтра на ' измерения флуоресценции. Затем описываются экспериментальные результаты,- полученные автором диссертационной работы на установках Specord и КСВУ-23, по влиянию разных факторов - концентрации, кислотности, температуры - на спектры поглощения и флуоресценции ряда флуорохромов: Родамина 6"\, Акридина, Фенантрена, Рибофлавина, Родамина 3. По совокупности оптических свойств для дальнейших экспериментов был выбран • флуорохром Родамин В. Приведены данные, показывающие, что возможно использование ряда флурохремов (уранилов, ' шириаовонислого европия и др.) для измерения температур нк:-:о о°с.

В третьей-главе приведено описание экспериментального стенда (рис.1),_ который состоит из гидравлической систем-.!, ■ автоматизированной системы контроля и регистрации температ.уры и - оптической системы. Автоматизация эксперимента проведена на баз^ системы КАМАК, включавшей как стандартные модули, так и модули, ■изготовленные -. автором (в том числе модуль управлешля иагосим . двигателем монохрематора МДР-23). Для визуального наблюдения монодисперсного распада использовалось стр.збоскош'чо^когэ

-в-

03 ° ¿-[^

Рис.1 Схема экспериментального стенда; " 7 1 - баллон с газом; 2, 3 - редукторы; 4 - сосуд с раствором; 5, 13, 16 - вентиль; 6- фильтр; 7 - вода для охлаждения; 8,11 — теплообменник; 9 - термостат; 10 - перистальтический насос; 12 -заправочная колба; 14 - микроскоп; 15 - . фотоаппарат; 17 -пьезокоррэктор; 18 - генератор капель; 19 - датчик температуры; 20 - тепловой экран; 21 - источник стробоскопического освещения; 22 - источник импульсного освещения; 23 - сборник капель; 24 -усилитель; 25 - источник тока; 25 - импульсный блох питания; 27 -оптическая система для формирования "лазерного кска"; 28 -приемная фнльтруящая оптическая система; 29 - компьютер ТЕМ; 30 -генератор; 31 - одгоэлектронный фотоприемник; 32 - АЦП 701А; 33 -блок питания стробоскопа; 34 - высоковольтный источник питания 1904; 35 - счетчик импульсов 401; 36 - генератор 730А; 37 -счетчик импульсов 420; 38 - блок привода шагового двигателя; 39 -поверхностного натяжения формирущейся свободной поверхности очртчик одноэл^к^понгах импульсов: 40 - контролер КАУАК; 4! Ыигислраль КАМАК.

освеиение. Для Еозбужденьл .¡луоресцонции исшльзоиалсл аргоновай ионный лазер ДГН-504. Значительные сложности представляла нестабильность положения капельной струи, особенно на пролетной базе более 300 мм. Чтобы исключить влияние атсгс аф±«кта на поглощение лазерного излучения, была разработана специальная оптическая система возбуждения, которая вклячала в себя одномодоекй световод и осветитель из цилиндрич е сккх .пинз, преобразующий обычный гауссов лазерный пучок з лазерный пучок, растянутый в горизонтальной плоскости ("лазерный нож"). Приемная оптическая система включала многомодовый световод и была спроектирована так, чтобы перемещения капельной струи в ограниченных, пределах ео сказывались на выходном сигнале. В качестве датчика слабых световых штоков использовался фэу-136, который был отобран по амплитудному распределению импульсов и счетной характеристике, которые были измерены автором.

Б четвертой главе описан эксперимент по лазерному зондированию цилиндрического участка ьораспаьзсйся струи и капельной струи при переменной температуре истечения. Наблюдение под микроскопом за участком распадающейся струи выявило некоторые температурные особенности распада: характер поведения сателлитов, Хюрму капиллярных волн на поверхности. Исследовался распад струи водно-глицериновой смоси состава 1:1, которая использовалась в экспериментах по регистрации температуры. Ка водяной струе, вытекающей из фильеры, выявлена зависимость длины нераспавшейся часта струи от температуры, которая имеет петлю гистерезиса при гермоциклировании. Выяснено, что причиной этого явления является эффект смачивания истекащей струей поверхности фильеры. Для подтверждения этого вывода был исследован распад струи, вытекающей из тонкостенного стеклянного капилляра; длина гераспавшейся части струи оставалась неизменной при вариации температуры.

Исследовалось влияние ПАВ на длину нераспавшейся части зтруи. Обнаружено, что при малых концентрациях пав (полиэтиленмонолауэрата) (С = 2,4-10-4 мл/мл) длина нераспавшейся ;асти струи равна в пределах погрешности измерений длите »распавшейся части струи на дистиллированной воде (не смотря на го, что ПАВ уменьшает коэффициент поверхностного натяжения почти з два раза}. Только при значительном повышении концентрации пав (С = 1,ЫО-2 мл/мл) наблюдается заметное увеличение (кз 25-5} ушны нераспавшейся части струи. Данный результат согласуется с инее проводившимися экспериментами по влиянию релаксации

струк на длину нрраспяЕшойся части струи. Бремя релаксации поверхностного натяж-эния тгри использовании указанного ПАВ больше, чем на чистое воде, вслецствии того, что диффузия и переориентация крупных полимерных молекул затруднены.

Обнаружено явление (рис.2) резкого падения (в- сотни раз)

и

МО1

'¿и

' «

•■■А Т: ¿Г • '

? 1 . ■:■ % « •• 1 . : .

; Г ■ • • !

- --¿л*«-*« к ■"«¡И

280

1'ЭО

3»0

32С

Т.К 330

Рлс.2 Зависимость обратного рассеяния на начвльном участке струи от температуры истечения. Дястилляровакная вода.

обратного рассеяния от участка кераспавшейся струи при увеличении температуры (распад спонтанный). Уменьшение температуры приводило к резкому росту обратного рассеяния, однако с некоторой задержкой температуры перехода. Гистерезис .составлял з среднем 3 '.К... Физическая причина указанного явления не ясва, поэтому был проведин ряд экспериментов. Исследовалось Елияаие на критическую температуру ПАВ, мощности лазерного излучения и скорости струи. . ПАВ визыывг.ет сдвиг (~4 Н) критической температуры-..в сторону низких температур. Изменение мощности лазерного излучения на два порядка не привело к сдвигу критической температуры, что говорит о том, что обнаруженный эффект не является результатом влияния лазерного излучения ча поверхность струи. Иногда на участке кривой до падения обратного рассеяния обнаруживались периодические колебания интенсивности, которые всегда регистрировались на водно-глицериновых (1:1) струях (рис.3). Выяснено, что резкое падение обратного рассеяния совпадает с исчезновением интерференционной картины, являющейся результатом взаимодействия лазерного излучения и нераспазшегося участка

з^оо

1.1/с

2500

2000

1500 1000

500

0

ИМ) 2£)0 300 3»0 01'С Т,К 330

'"'У Рис.З Зависимость сбратно1'о рассеяния начального участка струи водно-глицеринового раствора от температуры истечения.

капельной струи. Визуальные наблюдения под мжрсског.оы зэ участком струи, на который падает лазерное излучение, показали, что Падение обратного рассеяния сопровождается развитием неустойчивости на ее поверхности. Значение числа Рейнольдса, ' соответствующее падению обратного рассеяния, более чем в два раза нихе,' . чем значения для перехода ламинарного течения в -турбулентное. При увеличении скорости истечения критическая температура падаат. Были выявлены сильные осцилляции обратного рассеяния на каплях при изменении температуры диспергирования в . области, прилегающей к зоне распада струи. Причиной этого лгленил являются колебания капель, фаза которых несколько сдвигается при . изменении температуры.- При тех же условиях, при которых, регистрировалось обратное рассеяние, была измерена флуоресценция не самых участков. Сопоставление полученных результатов . выявило', что минимум кривой обратного рассепмл на иерасиЕ&лечся •участке соответствует максимуму г:а кривой флуоресценции. Был . измерен" спектр флуоресценции капельной струи водного раствора Родамина В; ок совпал со спектром, которий был зарегистрирован на кювете.

В пятой главе описывается методика бесконтактного иг.ме-сож'.н температуры капельной струи. В разделе планирования ¿ксперж-.-нта обсуддается предполагаемое псведэяке ?е?/перпт/рн капель во времени и при изменении температуры гаюреторя; темпер-.турз капель при движении дол.&та стремиться к та-'пг.ргтуре адиабатного

ИСПарЭНИЯ Т'ЕК-

Практически оказалось удобнее регистрировать флуоресценцию на заданном расстоянии от генератора при изменении температуры генератора, а затем строить зависимости температуры капель от длина пролета при разных начальных температурах.

Эксперименты значительно осложнились из-за дрейфа по времени интенсивности возбуждающего лазерного излучения и чувствительности оптико-электронной аппаратуры. Для того, чтобы учесть дрейфы, использовался экспериментальный результат, говорящий о том, что в полулогарифмических координатах измеренная Еремонная зависимость возбуждающего лазерного излучения линейна. Для определения величины дрейфа на заданном расстоянии от генератора флуоресценция измерялось вначале • при повышении температуры генератора, а затем при ее понижении (рис.4).

зосо 1.1/с

2500

2000

500

1 *

& 1ч

,1

283 230 300 310 . 320 330 Т.К ЗЮ

Рис.4 Зависимость интенсивности флуоресценции капельной струи от температуры генератора при малой длине пролета.

Поскольку. все температуры проходились дважды, а температура гь-ньрчтора изменялась медленно (0,1 5 К/с), то разность сигналов флуоресценции при одной и той же температуре в начале и конце эксперимента, деленная на интервал времени меХДУ ними, определяла дрейф лазера и оптической системы (рис.5).-

Получ-щыс- экспериментальные • зависимости интенсивности фщ-орзсцеиаии • от температурь; генератора корректировались на дрейф. Откорректированные зависимости для разных длин пролета несопоставимы, поскольку были сняты при разных интенсивностях

3000

I.1/C 2500 Ж:

2000

1500

1000 ■Г

х

500 /

0

О 400 ООО 1200 1ЕОО t.c 2000

Рис.5 Зависимость интенсивности флуоресценции капельной струи от времени при малой длине пролета (данные рис.4, показанные в других координатах).

возбуждавшего излучения. Для новой корректировки был использован следувдий результат анализа: температура капель, имеющих начальную температуру, равную температуре адиабатного испарения, сохранялась неизменной на любом расстоянии от генератора. Значение флуоресценции капель при температуре адиабатного испарения, . которое было бы при неизменной интенсивности возбуждения, было названо нормой. Следующий этап корректировки -нормировке - заключался в том, что все данные каждого эксперимента, домнокались на такой коэффициент, чтобы значение флуоресценции при температура адиабатного испарения Таи во всех 'экспериментах было одно и то же. После нормировки все експериментальные данные становятся сопоставимыми между собой и с градунровочными кривыми, которые снимались дважды: до начала . экспериментов и после их окончания. Усредненная градуировочная кривая служила для преобразования сигнала флуоресценции в температуру капель (рис.6).

В итоге были получены зависимости температуры капель от температуры генератора при разных длинах пролета и зависимость температуры капель от длины пролета при разннх начальных температурах (рис.7). Сбор и обработка экспериментальных данных оказались весьма трудоемкими, поэтому результат по бесконтактному измерению температуры был получек только для одного режима

з-а т.к

330 320

зш

■гяз

ч. .л.'

к.

г

**

1соо 3000 5000 7000 ' 9000 11000 1.1/с 13000

Рис. б Градуироъочная кривая.

400 Ь.мм 500

Кж.7 Зависимость температуры капель от длины пролета при разных начальных температурах, генератора. Параметры Бипуадеипого капиллярного распада, струи: температура окруЕаущей среды - 297 К; диаметр капель ~ 385 мкг.з;; скорость

кытоль - 4,2 м/с. ".. ■ > ■ ■•"'...'

».•онодкопороного распада. •• »

Дли проверки достоверности полученных температурных рпт.иеяаэотей температура потока монодисперснкх капель измерялась контактк:."/. способом с помощью микротерморазистора (0400 мкм),

который вводился в капельный поток. Полное сопоставление полученных результатов по динамике изменения температуры было невозможно б силу того, что параметра окружающей среди, а именно, температура и влажность, определялись погодными условиями и несколько различались в контактном и бесконтактном экспериментах. Требовалось провести сравнение, используя характеристику процесса, которая не зависала бы от температуры окружающей среды и влажности. Такой величиной является коэффициент теплоотдачи.

Полученные результаты позволили рассчитать значение коэффициента теплооотдачи а в предположении подобия тепловых и концентрационных полей (поскольку экспериментально определить интенсивность массоотдачи использованная установка не позволяла). Было составлено дифференциальное уравнение энергетического баланса капли в Квазистацяонарном приближении. Из этого уравнения было получено выражение для расчета коэффициента теплоотдачи:

йТ

-р'щ

-Vе-—''

а =

Г„ - Т

г-В я-и'

№

- ф.

где ик - масса каши; Ср - удельная теплоемкость вещества капли воды); <1Т/(11 - производная от изменения температуры каши вдоль длины.пролета (определялась из данных; см. рис.7); V -- скорость

капли;

Л

площадь поверхности капли; Тк и Тос - темпэратуры

капли и окружающей среды; г - удельная теплота испарения вещества

капли; 3 .- коэффициент диффузии паров вещества капли; \ -

теплопроводность воздуха; В. - газовая постоянная паров; Р (Т ) и

? '-'-• давление насыщенных паров зри Т и Т ; <р - влгжиость. ■ ос• ко-

Для расчета а требовалось знать поведение скорости сапельного потока вдоль длины пролета. Для этого была проведена «акросъемка капельной струи на разных пролетных базах. Выяснено, ;то среднее мажапельнов расстояние остается практически низменным на любом расстоянии (точность измерений около 8?). ¡ледовательнс, скорость капельной струи в исследованном режиме юстоянна на любом расстоянии от генератора. Начальная скорость ¡зачитывалась весовым методом. Фотографирование капельной струи 'Ыяг-ило еще несколько вахных результатов. Капли следует строго

Р

Т

друг за другом на всей пролетной базе (500 км). Случайные отклонения капельной струи, заметные укз на расстоянии болоз 300 NM (и составляющие на расстоянии 50G мм около 3 мм) являются движением капельной струи как целого, а не отклонением отдельных капель от направлений движения струи. До расстояния 300 мм дисперсия мэжкапелькнх расстояний на фотографиях не наблюдалась.

Рассчитанные значения а для разных длин пролета показаны на рис.8. .Для параметров эксперимента было рассчитано значение

500

с/. .КтЛн'кУ -400

300

2СС

.100 О

О 100 200 300 400 Ьим 500

Рис.8 Зависимость коэффициента теплоотдачи цт длины пролета при разных начальных температурах; I - 280 К, 2 - 290 К, 3 -300 К, 4 - 310 К, 5 - 320 К, 6 - 330 К. 7 - 340 К,

коэффициента теплоотдачи по апппрсксимационной формуле для теплоотдачи от одиночной сферы : ■

Ки - 2 + 0,6-Ее°,5-Рг0,33. ..

Обнаружено, что 'коэффициент теплоотдачи от . монодисперсного капельного потока при низких температурах истечения примерно в два раза низко, чем коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по,, формуле .для одиночной сферы ..( '503 Вт/.(мгК) . _)'. -. Увеличение коэффициента теплоотдачи вдоль, длины пролета,- по-видимому, объясняется неустойчивостью капельного потока, -что приводит к активации теплоотдачи при увеличении пролетной базы, Расслоение р'1виоге.!оотей при ра^ш^х тешературах следует отнести к погрешности эксперимента и обработки результатов.

Расчеты коэффициента теплоотдачи на основании экспериментальных данных по динамике изменения температуры капель были проведены и для результатов по контактному .измерению температуры. Полученные значения коэффициента теплоотдачи согласуются со значениями, полученными по бесконтактной мзтсдико.

Для выявления влияния межкапельнсго расстояния на теплоотдачу, проводились измерения температуры капель контактным способом параллельно при возбувдении струи на рэлеэвской частоте распада (5200 Гц) и на пониженной частоте (2850 Гц) . Обнаружено незначительное увеличение коэффициента теплоотдачи при диспергировании на пониженной частоте.

По . существующим в литературе зависимостям деформации одиночной капли от числа Ееберэ ГСе оценена деформация в эксперименте. Отличие размеров капли в направлении движения капельного потока и в ортогональном ему составило около 1.5%, что не может заметно сказаться на условиях теплоотдачи. Затем была оценена . скорость затухания колебаний сформировавшейся капли. Суммарная длина этого участка и. нэрзспавшейся части составила мэнёо 1% от максимальной длины пролета. Било оценено влияние естественной конвекции на теплоотдачу. Проведенная оценка ^показала, что вклад в теплоотдачу естественной конвенции не 'превышает 2,5%.

В пестой главе проведен анализ источников погрешностей при .-измерении температуры бесконтактным способом и расчета :'*/коэффициента теплоотдачи на основании измеренных температурных зависимостей. Даны рекомендации по увеличения точности измерений. •Рассчитанная погрешность измерения температуры составила 2,4 К. .Погрешность определения коэффициента теплоотдачи в значительной .'.■степени зависит от температуры диспергирования. При среднем ' значении , разности температур (Тк-Тсс) погрешнэг., расчета значения- коэффициента теплоотдачи была равна 4СЖ. Значительное влияние на, ошибку измерений оказал дрейф лазерного излучения. Использование более совершенной аппаратуры (прежде всего, стабилизированного источника лазерного излучения) позволит не только в несколько раз уменьшить погрешность измерения температуры, но и значительно упростить методику обработки измерений.

Вывода

1. Создан автоматизированный стенд для изучониа методом

однофотонного счета флуоресценции и обратного рэссеяния от струй и капельник потоков ;

2. Обоснован и реализовен метод измзрения температуры нестабильного в пространстве потока монодисперспых капель флуоресцентным методом при лазерном возбувдении; выбран флуорохрсм, обладавдкй наилучшим комплексом свойств при работе с водными растворами;

3. Проведение ' исследования особенностей монодисперсного распада водяной струи при изменении температуры жидкости в генераторе показали,что условия смачивания фильеры вытекащей струей меняются при изменении температуры и влияют на длину нораспавшейся части.

4. Обнаружен эффект нарушения интерференционной картины обратного рассеяния лазерного излучения на струе при повышении температуры жидкости в генераторе.'

5. Бесконтактные измерения температуры капель водно-глицериновой смеси при'их движении в воздухе подтверждены контактными измерениями. Контактный метод измерения температуры может Сыть использован только в исследовательских работах, поскольку при взаимодействии капельного потека с датчиком температуры уничтожается сам объект исследования. Реализованный ^эсконтактым! ивтод может бить рекомендован в следующих случаях:

- при непрерывном контроле технологических '' процессов, ьклУ'Чаюфи теплоотдачу от линейных потоков капель;

- при термометрии капель малого диаметра (менее 400 мкм);

- при большом перепаде температур мезду каплями и средой;

- при большой длине пролета (более 300 мкм), когда' колебания струи околи среднего наравления движения превышают размеры контактного датчика температуры.

в. Показано, что коэффициент сопротивления среды при дмгампп! линейного потока капель значительно ниже по сравнению с пнг.логичгмм коэффициентом для одиночной сферы.

7. Показано, что понижение температуры монодиспзрсного потока капель воды определяется преимущественно механизмом

массоотдачи; ■ ' ' .. •

3. Расчет коэффициента 'теплоотдачи' по . .полученным распределениям температур показал .уменьшение' коэффициента теплоотдачи по сравнению с теплоотдачей от -одиночной сферы. При отсутствии в -настоящее время - формул для расчета теплоотдачи от линейных потоков капель можно пользоваться формулами для теплоотдачи от одиночных сфер, вводя поправочные коэффициенты.

При конструировании установок уменьшение теплоотдачи означает увеличение требуемой пролетной базы.

Основное содержание диссертации изложено в рэботак:

1. Вербицкий С.С., Клименко A.B., Лик Л.С. Способ измерения температуры частиц размерен 1-1CQ0 мкм // Сб. науч. трудов. Jill9. M.: Моск. энерг. ин-т. 1986.

2. Алибеков Э.Т., Вербицкий С.С., Лин Д.С., Малютин A.A., Целебровсккй А.К. Автоматизированный привод дифракционной решетки и блок питания ЗбУ установки для изучения теплообмена потока монодисперсных макрочастиц // Сб. науч. трудов. Л 185. М.: Моск. энерг. ин-т. 1S88.

3. Клименко A.B., Лин Д.С. Температурная диагностика монодисперсных макрочастиц, движущихся в газовом потоке // Тезисы докладов XV Всео. конф, "Актуальные вопросы физики aspoдисперсных систем". 1989..

4. Лин Д.С. Модуль КАМАК для стабилизации <ЕЗУ, регистрирующего флуоресценцию монодисперсных макрочастиц // Об. науч. трудов. № 232. М.: Моск. энерг. ия-т. 198Э.

5. Блаженнов В.В., ;Клименко A.B., Лин Д.С. Использование флуоресцирующих ■ - растворов для температурной диагностики монсдисперсных макрочастиц //Инженерно-физический журнал. 1991. Т.60. Ji 4. С.599-603.

■ б. A.S.Dmitriev, D.S.Lin. Temperature diagnostics of ."lets and droplets Ъу laser probing // Q-th International Conference on Thermal Engineering mid Thennogrammstry. 2-4 June, 1993. Budapest, Hungary.