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

МОСКОВСКИ! ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КЖЖГУТ

г " п п

•г. г" 0 Д ( технический университет )

• 'л ¡'П* '•'.с*!

] у . • На правах рукописи

ЛИН Дмитр1гй Станиславович

Температурная даагаостика -юяоддалерсного катального потогса на основе эфректа температурного тушения флуорэсценщш.

05.14.05 -.теоретические основы -теплотехники 05.13.16 - применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях'

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических нэук

Работа рлпо.'жна ¡й Кафодрэ криогенной техники Московского онаргетмчосяого института

Нс-.у'пгсё руководители: доктор технических наук,

профессор А.В.Клименко

> док-юр технических наук, ■ . . доцент Б.В.-Елахенкоь •

Офицдалмш сстоцалти; • доктор фидоо-математичоских наук,.

' ' . профессор О.А.Сшкэвич

•■.' доктор технических наук, . ' врофессор В.П.Бсродюк , •

Еэдущэя сргаклзацля: •■-";, г. г ^'Каучно^ясследовательский «• . ,

"• • •. дагтитут '.энвррсмааашостроения ?£"?.У,'ют.',Н.Э.Баумана : '

Завта состоится 23 июля 1994 г. й //^чассв на заседании сгюциализироиэнного созата К053.16.02 в Московском энергетическом институте, Красноказарменная ул., ,л.1У, - корпус, Т.. каф. ' ИГФ,. к.20в. . ■ ■ ' ■ - . •' ;

Отзив, заверенный печать», прссим - присылать по адресу: Москва, Ю5335, ГСП, Е-250, Красноказарменная ул.', д. 14, Ученый Совет МЭИ. ■-.;''.' ''.■/■ ; - .. ■'

2 диссертацией можно ознакомиться в биЗлиотеке МЭИ. : -

Авторей^ерзт разослан "_" ■ 1894 г.

Ученый секретарь специализированного /}. совета К 053.16.02 -— В.И.Мииа

Лктуальность теми.

В последней время значительное развитие получила технология монодиспзргирования вещества, основанная не Еынуг'детгнэ*.! капиллярном распаде струи, при ромоцв которой солучамт одиородта сферические гранулы, в той числа пустотелые. Зту технологий используют для производства целого ряда продуктов с ссозжн сбоЯстеэми, например, катализаторов, сорбентов, свэтовсзвращэидих красок, фильтров, калибраторов оптических приборов к прочего. Указанная технология обычно вклвчеет ртвп охлаждения потока капель в газовой среде. В большинстве случае? получение капель одинакового размера кв только является необходимом технологическим требованием, но и является иродггочмтолькк.*, поскольку теплофкзгчэсмя» процессы для Есех капель гсро.тэу.сг/г одинаково. Кроме однородности капель по размером, мзкодссяерсчыЯ распад имеет другую важную особенность: капли летят строго одна за другой'на значительном протллешш.

Большинство исследований, мснодисперсного распада, ь том числе эксперименты по оптическому ¡зондированию струй и капель выполнены при неизменной температуре генератора. Для ряда приложений весьма актуально знать особенности распада при изменении температурь* струи. 'Исследования по тжиь^^чй от потока' моиодисперсшх капель находятся еще в стадии начальных экспериментов. Теоретические работы чаш.е базируются на талейх допущениях, которые редко* реализуются на практике. При экспериментальном исследовании необходимо измерять температуру обьактов малого размера , которые двигаются со скоростью несколько . метров в секунду , что представляет еначительшо слокаости.

К настоящему времени проведено больное количество теоретических исследований по теплоотдаче от одиночкой сфари. Накоплен и обобщен значительный экспериментальный материал по измерению температуры одиночных сфер большого диаметра. При этем не только отсутствуют математические формулы для расчета теплоотдачи от монодисперсного потока капель, но даже нет ясности в вопросе о том - улучааегся или ухудшается теплоотдача от линейного потока капель по сравнению с теплоотдачей от одоючшЖ сферы...

-'. Цель работы: исследование влияния температуры на распад и оптические • свойства струи, а также разработка и реазагохия бесконтактного метода измерения текшратуры потоке монодисперсгл;2 капель.

Научгая норазяа. . ' ■

1. Создана автоматизированная установка для формирована монодисперсного капельного потока и управления оптическо! системой, кспользуидая систему КАМАК, .регистрирующая обратное рвпсэя-дю лазерного излучения и .флуоресценцию- матодо» однс/?о?о.£коге счета.

2. ?Г)Ьра5отан флуоресцентный метод измерения температур! потока.коиодиспэрокых капель. • ■ *..

и. Установлена »евх сю/кул ь длины нэраспавшейся части CTpyi от темперагуры кидадотя з.генераторе при истечении через фильеру.

4.-Ооиаруяга эффект -резкого падения обратного рассеяния oi участка перачааютвйся струи при повышении температуры струи, вызашткй'паруаоыиим катерфоренцпонной картины, в также лроаеденс сровнена температурных зависимостей флуоресценции и обратногс рассеяния, снятая пра оджасс.'шх условиях '-.

5. По изкэрокяш■ ■ темжратурвым зависимостям флуоресценцта капелькой струи получены температур капель при разнш начальных температурах и разног пролетной Case.

6. Проведено сравнение теплоотдачи от линейной цепочки капель с теплоотдачей от одиночных сфер. Обнаружено понкжэние кээФЗичяонта теплоотдачи монодиспзрсного кяпэльного потока пс сравнению с его значениями для теплоотдачи от одиночных сфер;

8. Исследованы особенности движения линейного , потоке мояодкспорсных капель в газа и проведено сравнение С результатами для одиночных сфер. Показано, что сопротивление среда движенга линейного монодисперсного капельного штока значительно меньше, чем эта величина для одиночной сферьг. ■

Практическую значимость работа составляют:

- лазерная оптическая система возбуждения флуоресценции капель г приемная оптическая система с одяоэлектронниы ФЗУ, использунцие волоковную оптику для . подавления'' влияния.' нестабильности капельного потока в пространстве; ..:.-;-.

- автоматизированная система счета одноэлектроннкх импульсов, построенная как с использованием стандартных модулей КАМАК, так в 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 тешературы и коэффициента теплоотдачи от де;ш пролета при разных начальных температурах диспергирования;

- данные по теплоотдаче от потока монодисперсных капель,

полученные для комплекса параметров, который часто ветречпс-чч'я на практике, эти д«гане котао " т^'т^ль^озтть для расчет';, раз:,,..-.и,;., установки в криодисперсной технологии и других, технология.!:, использующих монодзгоперскыв квпэльшв потоки.

Результаты работы докладоались на научных секинерах отдела монодпеперсных систем МЭИ, Сила представлены на ХУ ВсессюсноЯ конференции "Актуальные попроси физккя еэродисперсш* скотом" (Одесса, 1989), 1-й Российской аэрозольной конференции (Москва, '1993), 8-й международной . жок$ореЕЦии по -гзплотетжб и термограммометрин (Будапешт, 1ЭЭЗ).

Элементы разработанной система Окли внедреш во ВИКИ химической технологии и кспольвуятая в народном хозяйстве.

По теме диссертации опубликовано 6 початшх рябо?.

Автор защищает:

'-результата экспериментальных исследований теыпэратурозэЕксЕмкх спектров для некоторых флуорохромоз;

- результата оптических исследований кераскавЕвгося участка струи и капельного потока при изменении температуры;

- бесконтактный метод измерения температуры монодиспорсного капельного потока на основе эфЬзкта температурного туаопая флуоресценции и результаты его апробации;

- результаты расчета теплоотдачи от капельного моноди.сперсного потока по полученный в эксперименте зависимостям температуры капель от длины пролета.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, щести глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 91 наименование, приложений и содержит 216 страниц, в том числе 196 страниц основного текста, 105 рисунков, 6 фотографий, 5 таблиц.

Содержание работы

Первая глава диссертации является литературным обзором, в котором рассматриваются контактный и бесконтактный метода измерения тешаратуры малых объектов, а также гидродинамика и . тепломассоотдача при движении одиночного иара и их линешк - цепочек в вязкой среде,

' контактный 'метод, при использовании которого в канол1ица . поток', вводится' термочувствительный датчик (термопара ил: терморезистор), рассматривается правда веэго с тода прения его применимости для • термометрии нолях ¿овдвдшзл

Лостокгством котодэ является его простота, но он практически перестает работать при ждарении температуры объектов размером 300-400 мкм из-за теп.чогтри7оков по проводам. Метода, основанные на регистрация теплового излучения, получили большое развитие правде всего потому, что ке вносят никакого возмущения в объект исследования. 'Однако эти приборы имеют значительную временную йквргзт, а тахжо низкую разрешащую способность при измерении' жгэпслвнооли Ио.';уЧб!Ыл малых объектов .при низкой температуре. Мотсд, ооаоваишй" на регистрации изменения . спектра отражения »¡доз: кристаллов, ••пока.-еш но нашел столь широкого применения, как. шрвш ,-даа 'метода. .Недостатками этого метода являются огрэшчопнкй' г«в»рагуран» . интервал изменения спектра жидких кристаллов л 'значительная инерционность, измеряемая десятками и сотняга . .. шдш«в.кувд, г_ Метода, •''. основанные на измерении' комбинационного- .рассеяния вода, спектра возбуждения этилендиймиатэграцатата'".-еьтюзая К' использовании универсального соотношения Степанова, ааозшы и имаиг малую точность.

В разделе, где приведена; работы по гидродинамике и маесоотдаче от ■ одашсчнх • твердая шаров и их линейных комбинаций, рассматриваются разные режимы их обтекания; обращается внимание на то, что значения чисел Рейаодьдса Р.е, ' при: которых происходит переход от стоксова •' рсаима х ' ламинарному и к турбулентному, значительно различаются для одиночных шаров и .-их линейных комбинаций. Существенной особенностью гидродинамической картины в обтекаемой цепочке шаров является взаимодействие спутного .следа с послов■ ...^¡м шаром. Дама спутного сляда за' одиночной сферой пропорциональна логарифму скорости, что" приводит к разным условиям взаимодействия шаров со спутннм следом при изменении скорости. При обтекании линейных комбинаций'шйрсз их. сближение приводит к более раннему отрыву течения от. шара. При близком расстоянии мзвду шарами вместо спутного, следа.. мезду ними формируется тороидальной вихрь (вне этого вихря течение, вежду ламинарно). Эксперименты по осаждению 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 оптические свойства капли; если формирование твердой оболочки на охлаждающейся капле начнется

вяьше окончания колебания, то нар сформируется дэфоргдароЕакным. риводится выражение для коэффициента затухания капель.

Теоретические результата для тзпломасссотдачл от капель элученн для предельных, случаев (Ре « 1 и Fo » I) катодом азложэняя в ряд для сферической капли ила линейной цепочки апель. Решение для деформируемой капли находят, вводя поправки в виеняе для сферической капли. На основании экспериментов на ариках, находящихся в очень стесненных условиях, когда частицы энимают примерно половину общего обьэнэ, показано, что вэультатн расчета теплсмассоотдачи при Re < 1 могут быть спользованы вплоть до Р.а < 100. Далее приводятся формулы, ппроксимирукциэ результегн ,'экспериментальных исследований эпломассоотдачи от одиночных сфер. Расчет теплоотдачи по этим эрмулам дает разброс около 25%. ■

Во второй главе теоретически. обосновывается возможность змерения температуры- флуоресцентным методом. Рассматриваются роцессн взаимодействия излучения.с веществом л влияние на них вмпература, в то?< числе процесс температурного тушения луорёсценции. Формулируются основные требования к оптическим арактеристикам раствора флуорохрома: высокая экстинкция, большей Байтовый выход флуоресценции, большой коэффициент температурного ушения флуоресценции. Анализируется влияние эффекта внутреннего ильтра на измерения флуоресценции. Затем описываются кспериментальные результаты; получешше автором диссертационной аботы на установках Specord и КСВУ-23, по влиянии разных акторов - концентрации, кислотности, температуры - на спектры оглощения и флуоресценции ряда флуорохромоЕ: Родамина GS, кридина, Фенантрена, Рибофлавина, Родамина 3. По совокупности птических свойств для дальнейших экспериментов был выбран луорохром Родамин, Б. Приведены данные, показывающие, что озмокно использование ряда флурохрокзв (урашигав, икриновокислого европия к др.) для измерения температур нш:о °С. :

В третьей-главе приведено описание экспериментального стенда рис.1),. который состоит из гидравлической системы, втоматизированной. системы контроля и регистрации температуры к птической системы. Автоматизация эксперимента проведен? на базе истеш КАНАК,! включавшей как стандартные модули, так и модули, зготовленнке автором (в том числе модуль управления шаговым вигателем монохрокатора МДР-23). Для визуального наблюдения онодисперсного распада использовалось стробоскопртт^.-чое

Рис.1 Схема экспериментального стенда; ' 1 - баллон с газом; 2, 3 - редукторы; 4 - сосуд с раствором; ! 13, 16 - вентиль; 6- фильтр; 7 - вода дин охлаждения; 8, 11 теплообменник; 9 - термостат; 10 - перистальтический насос; 12 заиразочная колба; 14 - микроскоп; 15 - фотоаппарат; 17 иьезокоррэктор; 18 - генератор капель9 - датчик температур 20 - тепловой экран; 21 - источник стробоскопического освэцени 22 - источник импульсного освещения; 23 - сбо]ник капель; 24 усилитель; 25 - источник тока; 25 - импульсный блох питания; 27 оптическая система для формирования "лазерного иска"; 28 приемная фильтрующая оптическая система; 29 - компьютер 1БМ; 30 генератор; 31 - одноэлектронный фотоприемник; 32 - АЦП 701 А; 33 блок питания стробоскопа; 34 - высоковольтный источник питан] 1904; 35 - счетчик импульсов 401; 36 - генератор 730А; 37 счетчик импульсов 420; 38 - блок привода шагового двигателя; 39 поверхностного натяжения формирующейся свободной поверхчос счетчик одноэл^ктпонннх импульсов: 40 - коы'р^чл&р КАМАК; 41 ;,ш1-ис,1раль КАМАК.

"юние. Длч ЕозОуждсш*л .^туорвсц.лщии использовался аргоновый ый лазер ЛГН-504. ¡Значительные слояноста представляла абильность положения капельной струи, особенно на пролеткой более 300 мм. Чтобы исключить влияние этого эф!«ктп на ощение лазерного излучения, билз разработана специальная ческая система возбуждения, которая включала в себя кодовый свэтовод и осззтитель из цилиндрических линз, бразугаций обычный гауссов лазерный пучок в лазерный пучок, янутнй в горизонтальной плоскости ("лазерный нож"). Приемная чэ екая система включала многоходовый евзтовод и била актирована так, чтобы пэремэщзния капельной струи в зиченных пределах ев сказывались на енходком сигнале. В зтвв датчика слабых световых штоков использовался ФЭУ-136, эый был отобран по амплитудному распределению импульсов и ïoft характеристике, которые были измерены аз-юром. Б четвертой главе описан эксперимент по лазерному гоевзпк» цуимндрического участка ьораспаьзсйся струи и пьной струи при переменной температуре истечения. Наблюдение линро скопом за участком распадающейся струи выявило некоторые эрэтурныэ особенности распада: характер поведения сателлитов, I капиллярных волн на поверхности. Исследовался распад струи 5-глицериновой смеси состава 1:1, которая использовалась в эриментах по регистрации температуры. На водяной струе, сакщей из фильеры, выявлена зависимость длины нераспаваюйся I струи от температуры, которая имеет петлю гистерезиса при зциклировании. Выяснено, что причиной этого явления является ст смачивания истекающей струей поверхности фильерн. Для зерждэния этого вывода был исследован распад струи, сакидей из тонкостенного стеклянного капилляра; длила шавшейся части струи оставалась неизменной при вариации фа туры.

Исследовалось влияние ПАВ на длину нераспаЕаейся части I. Обнаружено, что при малых концентрациях ПАВ гетиленмонолауэрата) (С = 2,4 -10"4 мл/мл) длина нераспавшейся I струи равна в пределах гогрошюсти измерений длило :павшейся части, струи на дистиллированной воде (не сь.отря на 1то ПАВ уменьшает коэффициент поверхностного натяжения почти з раза). Только при значительном повышении концентрации ПАВ 1,1-Ю-2 мл/мл) наблюдается зг.чегнее увеличение (кэ 2Ь%) I пераспавшейся части струи. Данный результат согласуется с | проводившимися эксперимонтами по влиянию релаксации

струк на длину иераспявпоИся части струи. Бремя релакса-поверхностного натяжения хгри использования указанного ПАВ болы чем на чистой воде, всле^ствии того, что диффузия переориентация крупных лслямэр;шх молекул затруднена.

Обнаружено явлении (рис.2) резкого падения (В сотни р.

*jo

-i/c ч

■Л '

Ш > \ ______L.JL_

■-П: -

; f - __■ Г I;"_

>

280

1'эо

300

3»0

320

Т.К 330

Rsc.2 Зависимость обратного рассеяния на начальном учяс струи от температуры истечения. Дистиллированная вода.

обратного рассеяния от участка нерзспавяейся струи при увеличе: температуры (распад спонтанный). Уменьшение температуры привод к резкому росту обратного рассеяния, однако с некоторой задэрж температуры перехода. Гистерезис составлял в среднем 3 Физическая причина указанного явления не ясна, поэтому проведен рнд экспериментов, "исследовалось влияние на критичес температуру ПАВ, мощности лазерного излучения и скорости стр 1MB визыывает сдвиг (~4 К) критической температуры-чб стор низких температур. Изменение мощности лазерного"излучения-на порядка не привело к сдвигу критической температуры, что гово о том, что обнаруженный эффект не "является результатом влия лазерного излучения ча поверхность струи. Иногда на учас кривой до падения обратного рассеяния обнаруживал периодические колебания интенсивности, которые все регистрировались на водно-глицериновых (1:1) струях (рис. Выяснено, что резкое падение обратного рассеяния со^падаез исчезновением интерференционной картины, являющейся результа взаимодействия лазерного излучения и нэраспавиегося учас

1

№00 I.l/c

2S00

2000

1500 1000

50G

0

И>0 2 НО 300 310 Т.К 330

Рис.3 Зависимость обратного рассеяния начального участка струи водно-глицеринового раствора от температуры истечения.

капелью® струи. Визуальные . наблюдения под микроскопом па участком струи, на который падает лазерное излучение, показали, что.. Падение обратного рассеяния сопровождается развитием неустойчивости на ее поверхности. Значение чисчэ Рейнольдсо, соответствующее падению обратного рассеяния, более чем в два раза ниже,; „ чем. значения . для перехода ламинарного течения з -турбулентное. При увеличении скорости истечения критическая температура падаэт." Были выявлены сильные осцилляции обратного рассеяния на каплях при изменении температуры диспергировать в ; области, прилегающей к зоне распада струи. Причиной этого лвлонпя являются колебания капель, фаза которых несколько сдвигается при изменении температуры. При тех же условиях, при которых, регистрировалось обратное рассеяние, была измерена флуоресценция :тех . же самыхучастков. Сопоставление колученнкх результатов , выявило, что 'минимум кривой обратного рассеяния на переспав,лемся ■ участке. соответствует максимуму на кривой флуоресценции. Был . измерен' спектр флуоресценции капельной строги водного раствора Родамина В: он совпал со спектром, который был зарегистрирован на кювете.

В пятой главе описывается методика бесконтактного измерения ' температуры капельной струи. В разделе планирования эксперимента обсуждается предполагаемое поведение температур« капель ?:о времени и при изменении тзкпоратури генератора; температура капель при движении дол«:« стремиться к тздлг»ра%урэ адкайагг. -.го

испарения Так.

Практически оказалось удобнее регистрировать флуоресценцию на заданном расстоянии от генератора при изменении температуры генератора, а затем строить зависимости температуры капель от длины 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, говорящей о том, что в полулогарифмических координатах измеренная Еременная зависимость возбуждающего лазерного излучения линейна. Для определения величины дрейфа на заданном расстоянии от генератора флуоресценция измерялась вначале ■ при повышении температуры генератора, а затем при ее понижении (рис.4).

3000 -_'

1.1/с 2500 1 •

2000

1500 I

1000

500

0

2в0 2Ш 300 310 320 330 Т,К 3-Ю

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

Поскольку все температуры проходились дважды, а температура геньратора изменялась медленно (0,1.5 К/с), то разность сигналов флуоресценции при одной и той ке температуре в Начале и конце эксперимента, деленная на интервал времени мезйду ними, определяла дрейф лазера и оптической системы (рис.5).

Полученные экспериментальные" зависимости интенсивности Флуоресценции. от температура генератора корректировались на дрейф. Откорректированные зависимости для разных длин пролета несопоставимы, поскольку были сняты при разных ивтенсивностях

эооо

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

возбуждавшего излучения. Для новой корректировки был использован следующий 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 -• нормировка - заключался в том, что все данные каждого эксперимента• .помножались на такой коэффициент, чтобы значэние флуоресценции при температуре адиабатного испарения Таи во всех 'экспериментах было одно и то же. Пойле нормировки все вкспериментальные данные становятся сопоставимыми между собой и с градуировочными кривыми, которые снимались двавды: до начала экспериментов и после их окончания. Усредненная градуировочноя 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, иовтому результат по бесконтактному измерению температуры был получек только для одного резина

3-я

т.к ззо

2Г<0 I

1 ' 1 1 1 1

V- гт

... .. | ..,

Ьч?

1000 3000 5000 7000 -зооо 11000 1,1/с 13000

Пю.В Грзлулроьоч-ная крапая.

400 1__мм 500

гис.7 Зависимость температуры капель от длины пролета при разных начальных температурах. генератора. Параметры иглуздвнзого капиллярного распада струи: . температура

окру;-::ачж,ей среды - 297 X; диаметр капель - 385 шш;скорость'.•

каполь - 4,2 м/с. ■ '■•'..''';■ '■ . "

г.'эиэдкспорсного распада. ' : .

Для проверка достоверности полученных температурных ?й15йстаостг:Я температура потока шнодиспэрсных капель измерялась иойтжшпя способом с помощью микротерморезисторз (0400 шм), •

¡Я вводился в капельный поток. Полное сопоставление >нных результатов по динамике изменения температуры бала южно в силу того, что параметры окрукакдей среда, а имегло, ратура и влажность, определялись погодным* условиям! и лько различались в контактном и бесконтактном экспериментах, залось провести сравнение, используя характеристику сса, которая не зависала бы от температуры окружающей среды жкоста. Тахой величиной является коэффициент теллооудачи. Полученные результата позволили рассчитать значение шщэнта теплооотдачи а в предположении подобия тепловых и (нтрациснных полей (поскольку экспериментально определить юивность массоотдачи использованная установка не позволяла). - составлено дифференциальное уравнение энергетического ica капли в квозистацлонарном приближента. Из этого уравнения получено выражение для расчета коэффициента теплоотдачи:

di "p'dГ

I, - г

r-D x-R'

W

- ф.

ик - масса капли: Ср - удельная теплоемкость вещества капли а); <М7сЦ - производная от изменения температуры капли вдоль щ пролета (определялась из данных; см. рис.7); 7 - скорость ли; - площадь поверхности капли; Тк и Тос - темпоратуры ши и.окружающей среды; г - удельная теплота испарения вещества [ли; Э - коэффициент диффузии паров вещества капли; К -иопроводность' воздуха; Р. - газовая постоянная паров; Р (Т ) и "- -.давление насыщенных паров при Т и Т ; <р - влажность.

Для . расчета а трэбсвглзсь знать поведение скорости тельного потока вдоль длины пролета. Для итого была проведона кросъемка капельной струи на разных пролетных базах. Выяснено, о среднее мажкадальное расстояние остается практически изменным на любом расстоянии (точность измерений около 6%). эдователшо, скорость капельной струи в исследованном режиме -стоянна на любом расстоянии от генератора. Начальная скорость ^•"'тывалась врсовшя методом. Фотографирование капельной струи " ---------- '«""""-'И'гпа. Кяпли СЛЭДВ7 строго

к

друг за другом на вовй пролетной базе (500 км). Слуэайн! о-тклоненая капельной струи, заметные уг;з на расстоянии более ЗС мы (и свстазлякздае на расстоянии 500 мм около 3 мм) являете движением капельной струи как целого, а не отклонением отдельны капель от направлений движения струи. До расстояния 300 м дисперсия ме«капельных расстояний на фотографиях не наблюдалась.

Рассштанше значения а для разных длин пролета показаны н. рис.8. Для параметров эксперимента было рассчитано значен®

500 400

300

200

И 00

о

О 100 200 300 400 Ьим 500

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

коэффициента теплоотдачи по аттроксимационной формуле для теплоотдачи от одиночной сферы : •.

Na * 2 + 0,6«Re®*s«Pr°*33. - .

Обнаружено, что коэффициент теплоотдачи от монодиспероного . канального потока при низких температурах истечения примерно в два pasa ниже, чем коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по. Формуле для одиночной сфера ..(•' ;503" Вт/.(м%)[ /У. • .Увеличение коэ®фиааентв теплоотдачи вдоль длины' пролета,- по-видимому, объясняется не.устойчивостью капельного потока,' что приводит к • активации теплоотдачи при увеличении пролетной базы. Расслоение р^виотмоотей ща рйгшх температурах следует .отнести г^ погрешности эксперимента и обработки результате*.

Расчеты коэффициента теплоотдачи на основании экспериментальных дащшх по дояамккэ изменения температуры капель были проведены и для результатов по контактному измерению температуры. Полученные значения коэффициент теплоотдачи согласуются со значениями^ полученными по бесконтактной методике.

Для выявления влияния межкапельного расстояния на теплоотдачу, проводились измэрэния температуры капель контактным способом параллельно при возбуждении струи на рэлеевской частоте распада (5200 ГЦ) и на пониженной частоте (2850 Гц) . Обнаружено незначительное увеличение коэффициента теплоотдачи при диспергировании на пониженной частоте.

По . существувдйм в литературе зависимостям деформации одиночной капли - от числа Еебере 17е оценена деформация в эксперименте. Отличие размеров капли в направлении движения капельного потока и в ортогональном ему составило около 1.5%, что нэ может заметно сказаться на условиях теплоотдачи. Затем была оценена скорость затухания колебаний сформировавшейся капли. Суммарная - длина этого участка и, нэраспавшейся части составила мэнео, \% от: максимальной длины пролета. Было оценено влияние естественной конвекция на теплоотдачу. Проведенная оценка показала, что вклад в теплоотдачу естественной конвекции не Превышает 2,556.

: В шестой главе проведен анализ источников погрешностей при измерении -температура , бесконтактным способом и расчета коэффициента теплоотдачи на основании измэрэшшх температурных зависимостей. Даны рекомендации по увеличению 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 (Гк-Тсс) погреинос-.. расчета значения коэффициента теплоотдачи была равна 40-5. Рначительное 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 изучения методом

однофотошюго счета флуоресценции и обратного рассеяния от струй и капельных потоков ;

2. Обоснован и реализован метод измэ250ния температуры нестабильного в пространстве потока монсдисперспых капель флуоресцентным методом при лазерном возбуждении; выбран флуорохром, обладающий наилучшим комплексом свойств при работе с водными растворами;

3. Проведаные ' исследования особенностей монодисперсного распада водяной струи при изменении температуры жидкости в генераторе показали,что условия смачивания фильеры вытекающей струей кенялтся при изменении температуры и влияют на длину нораспавшайся части.

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

5. Бесконтактные измерения температуры капель водно-глицериновой смеси при'их движении в воздухе подтверждены контактными измерениями. Контактный метод измерения температура мох-:т бить использован только в исследовательских работах, поскольку при взаимодействии капельного потека с датчиком температуры уничтожается сам объект исследования. Реализованный ^сконтвктьь^ иетод ьозет бить рекомендован в следующих случаях:

- при непрерывном контроле технологических '' процессов, ыиычаэдих теплоотдачу от линейных штоков капель; .

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

- при большом перепаде температур дагсду капля™ и средой;

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

6. Показано, что коэффициент сопротивления среда при дшюгкип линейного потока капель значительно ниже по сравнению с аналогичным коэффициентом ДЛЯ одиночной сферы.

7. Показано, что понижение температуры монодисшрсного 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 огсутитвии ь -н&отояз'еа время формул' для расчета теплоотдачи от линейнях потоков капель коню пользоваться формулами для •»вяаоотдачи от одиночных сфер, 'вводя поправочные коэффициенты.

конструировании установок уменьшение теплоотдачи означает еичевио требуемой пролетнсй базы.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Вербицкий С.С., Клименко A.B., Лик Д.С. Способ измерения гаратуры частиц размером 1-1 ООО мкм // Сб. науч. трудов. 1Э. Моск. энерг. ин-т. 1986.

2. Апибеков Э.Т., Вербицкий С.С., Лин Д.С., Малюткн A.A., >бровсю!й А.К. Автоматизированный привод дифракционной рекетки лок питания ФЗУ установки для изучения теплообмена потока ».дисперсных макрочастиц // СО. науч. трудов, it 165. M.: Моск. >Г. ин-т. 1S88.

3. Клименко A.B., Лин Д.С. Температурная диагностика »дисперсных макрочастиц, движущихся в гозовом потоке // Тезисы шдов XV Всес. конф. "Актуальные вопросы физики аэродиспорзных ■ем"; 1989.

4. Лин; Д.С.. Модуль КА.7АК для стабилизации ФЗУ, ютрируюдего флуоресценцию мою дисперсных макрочастиц // Сб.

трудов. JS 232. Н.: Моск. энерг. ин-т. 1989.

5. Блаженков В.З., Клименко A.B., Лин Д.С. Использование гресцирующих ; растворов для температурной диагностики : дисперсных макрочастиц //Инженерно-физический журнал. 1Э91. I. Л 4. С.599-603.

6. A.S.Dmltrley, D.S.Iln. Temperature diagnostics оГ ,iets droplets by laser probing // 8-th International Conîerence on mal Engineering and ThermogramstTy. ■ 2-4 June, 1993. pest, Hungary.