автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Теплообмен при пленочной конденсации жидких органических соединений в высокочастотном электромагнитном поле

Основные обозначения

Введение

Глава I. Теплообмен в электрических и электромагнитных полях.Ю

1.1. Теплообмен при конденсации в электрических полях.Ю

1.1.1. Дифференциальные уравнения теплообмена при пленочной конденсации жидких диэлектриков в электрическом поле . .Ю

1.1.2. Исследование теплообмена при пленочной конденсации диэлектрических жидкостей в условиях постоянных и переменных/до 60 Тц/электрических полей.

1.1.3. Неустойчивость границы раздела пар-жидкость в электрических полях.

1.2. Теплообмен в электромагнитных полях высокой частоты.

1.2.1. Исследования теплообмена в высокочастотных электромагнитных полях при кипении, свободной и вынужденной конвекции.

1.2.2. Вероятные причины интенсификации теплообмена в электромагнитных полях высокой частоты

Выводы .,.

Глава 2. Экспериментальное исследование теплообмена при пленочной конденсации паров жидких органических соединений в высокочастотных электрическом и электромагнитном полях частотой от

3,5 х До 5 x 1<?Гц.

2.1. Задачи исследования.

2.2. Выбор рабочих жидкостей.•

2.3. Описание экспериментальной установки.

2.4. Методика проведения опытов.

2.5. Измерение коэффициентов теплоотдачи в высокочастотных электрическом и электромагнитном полях.

2.6. Методика измерения коэффициентов теплоотдачи в высокочастотном электромагнитном поле

Глава 3. Анализ и обсуждение результатов измерений коэффициентов теплоотдачи в высокочастотном электромагнитном поле.

3.1. Диэлектрические жидкости в электромагнитном поле.

3.1Л. Некоторые сведения о свойствах диэлектриков, подверженных воздействию внешнего поля

3.1.2. Влияние электромагнитного поля на некоторые электрофизические свойства жидких диэлектриков

3.2. Электромагнитное поле токов высокой частоты на поверхности трубки

3.3. Силы, действующие в слабо проводящей жидкости в электромагнитном поле.

3.4. Дифференциальные уравнения теплообмена при пленочной конденсации паров жидких органических соединений в электромагнитном поле.

3.5. Наиболее вероятные причины интенсификации теплообмена при пленочной конденсации в высокочастотном электромагнитном поле.

3.6. Оценка погрешностей измерений.96'

3.7. Обработка результатов измерений.

Выводы. . .НО

Развитие современной техники потребовало изыскания новых методов интенсификации тепло- и массообмена. Одним из таких методов является наложение электрического поля. Впервые возможность практического использования постоянного электрического поля для этих целей в диэлектрических средах была показана Шмидтом и Лейденфростом в 1958 году. Значительный эффект увеличения коэффициента теплоотдачи в поле при малых энергетических затратах делает указанный метод интенсификации в некоторых условиях достаточно перспективным. Однако использование электрических полей для целей интенсификации тормозится из-за отсутствия надежных экспериментальных данных, позволяющих получить обобщенные зависимости для расчета коэффициентов теплоотдачи в полях с различными напряженностями и частотами.

Очень мало исследований посвященных воздействию на теплообмен высокочастотных электромагнитных полей. Исследования, проведенные в лаборатории теплообмена Казанского химико-технологического института им. С.М. Кирова показали, что в электромагнитных, полях частотой до 6,6 х 10^Гц, наблюдается заметная интенсификация теплоотдачи при кипении, свободной и вынужденной конвекции диэлектрических жидкостей. Эффект интенсификации, как и в случае электрических полей, оказался зависящим от параметров и характера электромагнитного поля, а также физических свойств жидкости. В этих работах высказывается мнение, что наиболее вероятными причинами интенсификации теплообмена могут быть силы электромагнитной природы, а также изменение теплофизических свойств жидкости под действием поля.

Теплообмен при пленочной конденсации паров диэлектрических жидкостей в высокочастотных электромагнитных полях к настоящему времени остается совершенно не изученным, что делает целесообразным проведение таких исследований, результаты которых будут способствовать выяснению механизма воздействия электромагнитных полей на теплообмен. Они необходимы также для построения методов расчета процессов теплообмена в соответствующих условиях.

В связи с этим были проведены экспериментальные .исследования влияния высокочастотных электрических/от 3,5 х 10^ до 5 х Ю^Гц/ и электромагнитного полей/з,5 х Ю^Гц/на коэффициенты теплоотдачи при пленочной конденсации жидких органических соединений.

Отметим, что настоящая работа выполняется в соответствии с координационным планом АН СССР.

Работа состоит из трех глав.

В первой главе дается обзор экспериментальных работ, исследующих влияние на теплоотдачу при конденсации постоянных и переменных/до 60 Tixf электрических полей, а также высокочастотных электромагнитных полей на теплообмен при кипении, свободной и вынужденной конвекции диэлектрических жидкостей. Приведена система дифференциальных уравнений, описывающих .теплообмен при конденсации диэлектрических жидкостей в электрических полях. На примере работ [2, з] рассмотрено приближенное теоретическое решение задачи о теплоотдаче при конденсации на горизонтальной трубе и вертикальной стенке в электрическом поле, приведен краткий анализ полученных в этих работах обобщений опытных данных по теплообмену.

Вторая глава посвящена описанию опытной установки и методике измерений коэффициентов теплоотдачи при конденсации в высокочастотном электромагнитном поле. Приведены результаты измерений коэффициентов теплоотдачи в высокочастотных электромагнитных полях.

В третьей главе приведена предполагаемая схема сил, действующих на пленку конденсата в электромагнитном поле, описано влияние электромагнитного поля на некоторые свойства жидких диэлектриков, записана система дифференциальных уравнений, описывающих теплообмен при конденсации в магнитном поле, приведена обработка опытных данных и дано уравнение подобия для расчета среднего коэффициента теплоотдачи в электромагнитном поле. Здесь же дан анализ полученных результатов и обсуждены вероятные причины обнаруженных эффектов.

Результаты работы представляют практический интерес и будут положены нами при проектировании опытно-промышленного конденсатора паров выше перечисленных жидкостей. j

2. Замкевич Б.М. Исследование теплопередачи при конденсации паров фреона-11 на наружной поверхности горизонтальной трубы. Канд. дисс. Одесса, 1969, с. 167.

3. Лддковский А.Б. Теплообывн при пленочной конденсации чистого пара в электрическом поле. Канд. дисс. Кишинев, 1977,с, 123.

4. ТаммИ.Е. Основы теории электричества. М., Наука, I97S, с. 616, илл.

5. Слепян Е.Е. Огределение коэффициента теплоотдачи при конденсации пара фреона-12 на гладкой и ребристой трубах. Холод. техн.,1& I, 1952.

6. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М., Энергия, 1975, с, 4В8.

7. Кутателадзе С. Теплопередача при конденсации и кипении. М.-Л. Машгиз, 1952, с. 232.

8. Меркель Е.Ю.,Кеймах М.Я. Влияние электрического поля на теплообмен в жидких диэлектриках. Вопросы радиоэлектроники. Тепловые режимы, термостатирование и охлаждение радиоэлектронной аппаратуры, 1967, В I , с. 79-89.

9. Мотулевич В.Н., Ерошенко В.М ,^ Петров О.Н. Влияние электростатических полей на конвективный теплообмен. В кн.: Физическая газодинамика и теплообмен. М., Изд-во АН СССР, 1961, с. 94 - 103.

10. Остроумов Г.А. Электрическая конвекция. Обзор. ИФЖ, 1966, т. 10, № 5, с. 683 - 695.

11. Остроумов Г.А. Некоторые гидродинамические явления, сопровождающие прохождение тока, через изолирующие жидкости. ЖЭЗФ, 1956, 30, № 2, с. 282 - 286.

14. Белкофф, Миллер, Конденсация пара на вертикальной пластине при поперечном электростатическом поле. Теплопередача. / тр. амер. общ. инж.-мех./, сер. С , русск. пер., I965t J^ 2, с. 44 - 49.

16. Чой. Теплопередача с электродинамической конденсацией. Теплопередача / тр. амер. общ. инж.-мех./, сер. С,русск. пер., 1965, i^ 2, т^ 8, с. 104 - 109.

17. Холмс, Чэпмен. Конденсапдя фреона-114 в присутствии сильно неоднородного перемзнного электрического поля. Теплопередача / тр. амер. общ. инж.-мех./, сер.* С , русск. пер., 1970, № 4, с. 44 - 48.

18. Лунев Б.Г. Исследование теплообмена при конденсации фрео- ноБ I I и 13 в электрическом поле. Авт. канд. дисс. Одесса, 1974, с. 41.

19. Чайковский Б.Ф., Сшрнрв Г.Ф., Лунев В.Г. Исследование теплоотдачи при конденсации фреона-11 в электрическом поле. Электр, обр. штер., 1973, № 3, с. 5 3 - 5 5 .

20. Абросимов Ю.Т., Исаченко В.П., Солодов А.П. Неустойчивость поверхности жидкости в электрическом поле. Докл. научно-техн. конф. МЭИ по итогам научно-иссл. работ за 1968-1969, Тепло энерг. секция, подсекция теплофиз., 1969, ч. 2, М., с. 42 - 50.

21. Брискман В.А., Шайдуров Г.Ф. Механизм неустойчивости поверхности жидкости в постоянном и переменном электрическом поле. Уч. зап. Пермского университета, № 216, Сб. Гидродинамика, вып. 2, Пермь, 1970, с. 229 - 240.

22. Брискман В.А., Шайдуров Г.Ф. Параметрическая неустойчивость поверхности жидкости в перешнном электрическом поле. -Докл. АН СССР, 1968, т. 180, № 6, с. I3I5 - I3I8.

23. Мелчер Д.Р. Электрогидродинамика. Магнитная гидродинамика, 1974, J^ 2, с. 3 - 30.

24. Френкель Я.И. К теории Тонкса о разрыве поверхности жидкости постоянным электрическим полем в вакууме, ЖЭ1Ф, 1936, т. 6, вып. 4, с. 347 - 350.

25. Melcher I.H. Electrohydrodynamic and Magnetohydrodcynamic Surface Waves and Instabilities.-"Phys.J4uids*M961,vol.4,

26. Melcher I .k. Pield-coupled Surface Waves. Н.1.Т.,Preus, Cambridge (Massachusetts),1963,p.190.

27. Taylor G.,McEwan A. "The s tabi l i ty of Horisontal Fluid Interface in Vertical Mectric Field".-J.Fluid Mech.,l965,vol2J

28. Дьяконов В.Г., Усманов А.Г. Исследование влияния высокочастотного электромагнитного поля на теплообмен при кипении. ИФЖ, 1968, т . 15, вып. 3 , с . 484 - 488.

29. БаЕСиров М.С., Дьяконов Б .Г . , Усманов А.Г. Теплообмен при свободной конвекции в высокочастотном электроглагнитном поле. Сб. Тепло'* и массоперенос. Минск, 1968, с. 205 - 211.

30. Гайнутдинов Р.Я., Дьяконов В.Г., Усманов А.Г. Исследование теплообмена при вынужденной конвекции в высокочастотных электромагнитных полях. ИФЖ, IS75, № 6, с. 961 - 963.

31. Савиных Б.В. Канд. дисс. Казань, 1975, с . 112. Влияние высокочастотных электрических полей на теплопроводность жидкостей.

32. Hilbers C.W.jMaClean C.H.M.h. of Moleculs Oriented in Elect r i c Fields, K.M.H. Basic Principle and Progress (Grunla-gen and Fortciiritte),liids.,Dietie,E.Fluck and H.Kosfaid.,?.?.

33. Плаксин И.Н., Брукс Л., Чантурия В.Л., Шадиев Р.Ш. - Докл. АН СССР, Физ. хим., т . 168, № I , 1966, с. 152 - 153.

34. Рид Р . , Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.,Химия, Ленингр. отд., I97I, с . 704, илл.

35. Столяров Е.А., Орлова Н.Г. Расчет физико-химических свойств жидкостей.Справочник,- Л: Химия, Ленингр. отд.,1976,с.112.

36. Варгафтик Н.Б» Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М., Наука, 1972, с. 720.

37. Викторов М.М. Методы вычисления (ризико-химических величин и пр1кладные расчеты. М., 1977, с. 359.

38. Ахадов Я.Ю. Диэлектрические свойства чистых жидкостей. Справочник. М., Изд. стандартов, 1972, с. 416, илл.

39. Берман Л.Д., Туманов Ю.А. О влиянии скорости пара на механизм и интенсивность теплообмена при пленочной конденсации на горизонтальной трубе. Изд-во Энергомаш. стр. 1964, В 5, с. 24 - 28.

40. Михеев М.А. Основы теплопередачи. Гос. энерг.изд., 1956, с. 396, илл.

41. Leelon Remarks on liquied metal condensation "Chem.bngns. Progress,Sympos.Ser",N59,1965,p.200-209.

42. Мазюкевич Н.Б. Исследование теплообмена при конденсации паров некоторых холодильных агентов. Вопросы теплообмена при измереши агрегатного состояния вещества, Госэнергоизд. 1953,

43. Лабунцов Д.А., . Ойплообмен при пленочной конденсации чистых паров на вертикальных и горизонтальных трубах. Ж. Теплоэнергетика, 1957, № 7, с. 72 - 80.

44. Исаченко В>11. Теплообмен при конденсации. М., Энергия, 1977, с. 237.

45. Гогонин ЖИ., Дорохов А.Р. Теплообмен при пленочной конденсации неподвижного пара. Сб. Теплообмен и газодинамика при кипении и конденсации. НовосГибирск, 1978, с. 44.

46. Шамони К. Тйоретическая электротехника. М., Мир, 1964,с.771

47. Минкин В.й. и др. Дипольные моменты в органической химии. Л.,Химия, Ленингр. отд., 1968, с. 248.

48. Богородицкий Н.П., Волокобинский Ю.М. и др. Теория диэлектриков. М.-Л., Энергия, 1965, с 345.

49. Губкин А.Н. физика диэлектриков. Высшая школа, 1971,с. 272.

50. Петросян В.П. Ориентацибнная поляризация полярных диэлектриков. Изв. АН АССР, Физика, т. 9, ^ I , 1974, с. 49 - 57.

51. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.,Знерго- издат, 1982, с. 317,

52. Сканави Г.И. Физика диэлектриков./ обл. слабых полей/, M.-I., Гостехизд. техн. лит.Денингр. отд.,1949, с. 500.

53. Шахпаронов М.И. Введение в соврешнную теорию растворов. М., Высшая школа, 1976, с. 296, илл.

54. Шахпаронов М.И. Механизмы быстрых процессов в жидкостях. М., Высшая школа, 1980, с. 352.

55. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. !Шоретйческая физика.I. Теория поля. М., Гостехиздат, I960, о. 400. 2. Электродинамика сплошных сред. М., Гостехиздат, 1957, с. 532.

56. Поливанов К.М. Тёоретичесхше основы электротехники.,!. 3 . 1Ьория электромагнитного поля. М., Энергия, 1975, с. 208.

57. Вонсовский СВ. Магнетизм. М., Физмат, ш т . , I97I,c.I032.

58. Селвуд П. Магнетохимия. М., Изд. ин. лит.,1949,с. 953,илл. 65. физический энциклопедический словарь. М., 1966,т. 6,с.575.

59. Дорфман Я.Г. Диамагнетизм и химическая связь. М. ,Физмат- гиз, I96I, с. 231, с черт.

60. Шерклиф Д. Курс магнитной гидродинамики. М., Мир, 1967, с. 320, с черт.

61. Саттон Д.Р. и др. Основы технической магнитной газодинамики, 1968, с. 492.

62. Щукин В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. Изд. Машиностроение",М.,1970,с.328,илл.

63. Каулинг Т.Г. Магнитная гидроданамика. М.,Атомизд, 1978,с.4!

64. Стрэттон Д.А. Теория электромагнетизма. М.,Гостехиздат, 1948, с. 539.

65. Проблемы теплообмена. Сб. от. М.Дтомиздат, 1967, с. 330.

66. ГОСТ 8.207-76. ГШ. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. 74. 8.011-72. ГСЙ. Показатели точности измерения и формы представления результатов измерений.

67. ГОСТ 13600-68. Средства измерения. Классы точности. Общие требования.

68. Демидович В.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. Приближение функций, дифференциальные и интегральные уравнения. М.,Физматгйз, 1963, с. 400, с черт.

69. Ахназарова А., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии, М.,Высшая школа, 1978, с. 319, илл.

70. Осипова В.А. Эксперишнтальное исследование процессов теплообмена. 3-е изд. перераб. и дополн. М.,Энергия,1979, с. 320, илл.

71. Батунер Л.М.,Позин М.Е. Математические методы в химической технике. 3-е изд.испр.,Л.,Химия,Ленингр.отд.,1971,с,821,ил

72. Сшрнова М.А., Мищенко.М.С, Валеев И.Н.,Библиотека стандартных программ. Стандартные программы ЦВМ "Наири" и "0цра-1204''.