автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Теплообмен в насадочном слое в условиях высокочастотного электромагнитного поля

Казанский государственный технологический университет

На правах рукописи

КУРБАНГАЛЕЕВ ЛШНТАГИР СУЛТЛКГАЛЕЕВИЧ

ТЕПЛООБМЕН В НАСДДОЧНОМ СЛОЕ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО поля

05.14.05 •—Теоретические основы теплотехники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени кандидата технических иаук

Казань 1333

Работа выполнена в Казанском государственной технологическом университете.

Научный руководитель — заслуженный деятель науки и

техники РФ и РТ, доктор технических наук, профессор А. Г. Усманоз

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор О. В. Мамшюв (КГТУ)

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Б.В. Савиных (ВНИИР, г. Казань)

Ведущая организация — ВНИИ УС (г. Казань)

Защита диссертации состоится . /X " года в

часов на заседании специализированного совета Д. 083. 37. 02. в Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420010, г. Казань, ул. К. Маркса, 68, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией itoxi.no озцакоинться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан » // -^^ГТ^ 1094 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,/ Л. Г. Ветошкгша

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ*

Актуальность темы. Исследованию теплообмена в электромагнитных полях посвящено ограниченное число работ. В настоящее время проведено исследование влияния высокочастотных электромагнитных полей на теплообмен диэлектрических жидкостей при кипении и конденсации, свободном и вынужденном движении в кольцевом зазоре. Полученные результаты позволили сделать вывод об интенсифицирующем действии электромагнитных полей высокой частоты.

В ряде практических задач необходимо нагревание вязких теплоносителей, при этом плотность тепловых потоков оказывается невысокой ввиду малых значений коэффициента теплоотдачи. При увеличении мощности нагревателя наблюдается перегрев теплоносителя в пристенном сное, что не всегда допустимо. Этого можно избежать путем увеличения площади поверхности нагрева и увеличения коэффициента теплоотдачи. Применение насадочного слоя с нагревом насадки токами высокой частоты позволяет одновременно удовлетворительно решить обе задачи.

Настоящая работа является продолжением ранее проведенных исследований по влиянию высокочастотных электромагнитных полей на различные виды теплообмена в проводилась в соответствии с Координационным планом РАН по проблеме "Теплофизика и теплоэнергетика" Сп. 19.1.4.2. Э.

Цель работы: Исследование процесса теплоотдачи от одиночной сферы и насадочного слоя к потоку диэлектрической жидкости в условиях электромагнитного поля частотой 400 кГц;

обобщение результатов измерения в виде'зависимостей относительного коэффициента теплоотдачи от чисел подобия, характеризующих гидродинамику и теплообмен в условиях высокочастотного электромагнитного поля. -

Научная новизна. Впервые произведены измерения коэффициентов теплоотдачи от одиночной сферы и насадочного слоя в условиях высокочастотного электромагнитного поля. В случае-насадочного слоя измерения проводились с-помощью метода стационарных тепловых волн.

Практическая ценность работы. Результаты работы могут быть использованы при проектировании и расчете аппаратов, обеспечивающих

' * В руководстве работой принимал участие кандидат технических наук, доцент Дьяконов В.Г.

высокую "интенсивность теплообмена. Этим качеством должны обладать, например, аппараты, предназначенные для нагревания терыонестабильных диэлектрических жидкостей.

Автор защищает результаты и методику исследований теплообмена при обтекании одиночной сферы и насадочного слоя ламинарным потоком трансформаторного масла в условиях высокочастотного электромагнитного поля.

Апробация. Основные результаты работы обсуждались на III Всесоюзной конференции молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Новосибирск, 1989г.), VII .Всесоюзной школе молодых ученых.и специалистов "Современные проблемы теплофизики." (Новосибирск, 1992г.) и на отчетных научно-технических конференциях КГТУ.

Публикации. Содержание работы изложено в 5 публикациях.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 132 наименований и приложения. Работа изложена на 155 страницах Машинописного текста, содержит 27 рисунков, 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

. В первой главе приведен обзор отечественных и зарубежных исследований, посвященных изучению воздействия электромагнитных' полей различной природы на теплообмен и свойства диэлектриков, рассмотрены причины интенсификации теплообмена в попе.

Большинство исследований в полях проводились в постоянных и переменных (промышленной частоты) однородных и неоднородных электри-. ческих полях, причем в большинстве случаев наблюдалась интенсификация различных видов теплообмена. Эффект поля возрастал в случае полярных жидкостей.

Теплообмен в высокочастотных электромг-.гнитшх полях изучен крайне слабо. Имеется всего несколько работ' "*, в которых исследовалось влияние высокочастотных электромагнитных полей на некоторые виды теплообмена жидких диэлектриков. Авторами этих работ установлено, что при сравнительно невысоких напрякенностях высокочастотные электромагнитные поля существенно интенсифицируют теплообмен. Наиболее вероятными причинами интенсификации теплообмена в этих условиях, по мнению* ~4, могут быть силы электромагнитной природы, действующие на

тепловой пограничный слой, а такхе изменение свойств рабочей среды под действием высокочастотного электромагнитного поля. Это качественно подтверждается тем, что под действием электрических и магнитных полей происходит изменение надмолекулярной структуры диэлектрической жидкости и, как следствие,- изменение теплофизических свойств гадкого диэлектрика (теплопроводность, вязкость, теплоемкость).

Во второй главе рассмотрены задачи эксперимента, обоснован выбор рабочей частоты и рабочей жидкости, методы исследования конвективного теплообмена в насадочном слое, описаны-экспериментальная установка и методики проведения исследования теплообмена при обтекании одиночной сферы и насадочного слоя потоком трансформаторного масла в электромагнитном поле.

При работе с индуктора»^ необходимо выбирать оптимальные частоты. Это связано с необходимостью учета взаимоисюточахадх явлений. С ростом частоты уменьшается толщина проникновения электромагнитной волны, за счет чего повышается удельная выделяемая мощность. Вместе с тем увеличивается температура металла, что не всегда желательно. С учетом этих обстоятельств оптимальными частотами в нашем случае будут частоты радиодиапазона - 10"-10е Гц Срабочая частота - 400 кГц).

Трансформаторное масло было выбрано в качестве рабочей жидкости в связи с тем, что этот теплоноситель широко используется в качество охлаждающего агента в электроэнергетическом оборудовании.

Анализ литературы, посвященнбй изучению конвективного теплообмена в насадочном слое показал, что получить чисто аналитическое решение для нашего случая в настоящее время невозможно. Поэтому было проведено экспериментальное исследование с последусвдм обобщением результатов с помоцью методов подобия.

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

2. Камалетдинов B.C. .Дьяконов В.Г., Усманов-А.-Г. Исследование процесса теплоотдачи.при пленочной конденсации паров диэлектрических жидкостей в условиях высокочастотного электромагнитного поля.- Тепло- и массообмен в хим. технол.: Иежвуэ.тематич. сб. ггауч. тр. - ЮГГИ, Казань, 1981, С. 32-38.

3. Бакиров М. С. , Дьяконов В. Г., Усманов А. Г. Теплообмен при свободной. конвекции в высокочастотном электромагнитном поле. - Со. "Тепло-и массоперенос", т. 2.- Минск: Наука и техника, 1968, С. 20S - 211.

4. Гайнутдинов Р.Я., Дьяконов В.Г., Усманов А.Г. Исследование теплообмена при вынужденной конвекции в высокочастотном электромагнитном поле. - ИФЖ, 1973, « 6, с. 861-963.

Сравнительный анализ различных способов измерения коэффициентов теплоотдачи показал, что наиболее приемлемым для нас является метод стационарных тепловых Стемпературных) волн. Здесь измерения проводятся в стационарных условиях. Данные, необходимые для определения коэффициента теплоотдачи, получаются с помощью синусоидальной, тепловой волны, создаваемой в потоке жидкости, входящей в насадочный спой;. На выходе из слоя тепловая волна изменяет свою амплитуду и фазу. По ■ отношению амплитуд и сдвигу фаз входной и выходной волн определяете» коэффициент теплоотдачи.

Исследование конвективного теплообмена при обтекании одиночной __ сферы и насадочного слоя потоком трансформаторного масла в условиям высокочастотного электромагнитного поля проводились на установке, состоящей из . четырех систем: гидравлической Сподачи теплоносителя);, индукционного нагрева объектов исследования, регулирования температуры теплоносителя и измерительной.

Трансформаторное масло из бака посредством шестеренчатого наш?-са производительностью 17 л/ыин подавалось в рабочую ячейку » череш расширительный бачок возвращалось в бак . Регулирование расхода теплоносителя осуществлялось посредством байпасной линии и. коашралнро-валось ротаметром.

Регулирование и поддержание температуры масла, производилась.а помощью ультратермостата, вода из которого последовательно, 'подавалась в рубашки противоточных теплообменников типа "труба в трубе'".

Индукционный нагрев объектов исследования осуществлялся за счет создания электромагнитного поля, источником которого служил высокочастотный ламповый генератор типа ЛЭ-13.

Выбор в качестве одного из объектов исследования одиночной сферы был связан с тем, что в литературе имеется надежное уравнение шаг добия для расчета коэффициента теплоотдачи в широком диапазоне изменения чисел подобия (без поля).

Измерительный узел представлял собой вертикальную проточную камеру для исследования процессов теплообмена между одиночным телом и омывающим его потоком теплоносителя.

Корпус был изготовлен из асбоцементной трубы внутренним диаметром 100 мм и высотой 1000 мм. Внутренняя поверхность трубы была покрыта тонким слоем высокотемпературного масло- и бензостойкого герметика типа "Виксинт". Для более.равномерного распределения потока

теплоносителя по сечению трубы в нижней части ячейки была установлена решетка из диэлектрического материала.

В качестве объекта исследования была использована полая тонкостенная штампованная сфера диаметром 52 мм из стали 12Х18Н10Т. Температура стенки сферы измерялась пятнадцатью хромель-алюмелевыми термопарами, горячие спаи которых бьши приварены контактной сваркой к внутренней поверхности сферы под углами 0, 30 , 75. 90, 100, 110, 135, 155° к направлению потока теплоносителя. При этом на вбех углах, кроме 0°, устанавливались по две, дублирующие друг друга термопары. Термопарные провода выводились через тонкостенную трубку, служащую, как и сама сфера, электрическим экраном. Сборка сферы осуществлялась за счет плотной посадки полусфер и пайкй.

Сфера была установлена в геометрическом центре индуктора.

Измерение температуры поступающего и выходящего из ячейки теплоносителя производилось хромель-алюмелевыми термопарами, установленными во входном и выходном фланцах. Перед проведением измерений все термопары были отградуированы по платиновому термометру сопротивления.

С целью выяснения влияния высокочастотного электромагнитного поля на показания термопар были проведены измерения температуры теплоносителя в изотермическом состоянии в условиях поля и без него. Все показания термопар совпадали в пределах погрешности измерения. Это говорило также о том, что ощутимого 'нагрева трансформаторного масла токами высокой С400 кГц) частоты не наблюдалось.

В соответствии с поставленными задачами исследования процесса теплообмена в насадочном слое в условиях высокочастотного электромагнитного поля были разработаны и собраны оригинальный измерительный узел и измерительная система.

Объект исследования - ячейка с насадочным слоем представлял собой полый цилиндр внутренним диаметром 82 мм.и высотой 52 мм из стеклопластика с ограничивающими решетками из текстолита. Собственно насадочный слой состоял из 1500 стальных шаров средним диаметром 6.3 мм, упакованных беспорядочным образом со средней объемной пороз-ностьй р = 0. 285. Ячейка с насадочным слоем устанавливалась в средней части измерительного узла.

Для реализации выбранного метода на равном расстоянии от слоя на входе и выходе из насадки располагались абсолютно одинаковые из- 5 -

мерительные датчики -термометры сопротивления (ТС). Термометры сопротивления были изготовлены из калиброванной медной проволоки диаметром 0.012 мм, намотанной на кольцевой подложке из стеклотекстолита таким образом, что ТС охватывал 95% поперечного сечения канала. В качестве источника тепловых волн использовался нагреватель по конструкции аналогичный ТС, но изготовленный из калиброванной нихромо-вой проволоки диаметром 0.025 мм. Провода от нагревателя и термометров сопротивления были проложены между корпусом и направляющими трубами и выводились через разъемы в верхнем фланце.

Измерительная система состояла из двух изолированных подсистем: нагревательной и собственно измерительной. Нагревательная подсистема была реализована в двух вариантах в зависимости от источника сигнала: с использованием персонального компьютера БК-0010 и генератора сигналов специальной формы Г6-37. Большинство опытов было проведено с применением стандартного генератора Гб-37. Для питания нагревателя в комплекте с генератором использовался специально разработанный блок питания постоянного тока на 150 В.

Измерительная подсистема имела два абсолютно идентичных измерительных блока. При измерении сигнала, поступающего с термометра сопротивления, установленного на входе или выходе из слоя, использовался мост Уитстона, в оставшиеся три плеча которого были подключены прецизионные проволочные резисторы. Сигналы, выходящие с мостовых схем необходимо было усилить. Это связано с тем, что они. имели довольно низкий (17 мкБ/град) уровень для регистрирующих приборов, в качестве которых применялись самопишущие потенциометры типа КСП-4. В качестве усилителей использовались компараторы напряжения Р3003, позволяющие создавать одинаковое усиление сигналов, кратное 10.

Рассмотрим методики определения коэффициента теплоотдачи.

Теплоотдача от одиночной сферы к потоку трансформаторного масла в условиях высокочастотного электромагнитного поля • исследовалась по классической схеме с использованием калориметрической методики

В процессе эксперимента нами определялись локальные коэффициенты теплоотдачи в точках, соответствующих различным углам /3 к направлению потока. Тепловой поток, выделившийся в стенке сферы вследствие индукционного нагрева, определялся калориметрическим методом ' на основе предварительных опытов в специальном тарировочном узле ь зависимости от напряжения во вторичном контуре п-н"раторл

После проведения всех предварительных операций приступили к непосредственному исследованию процесса теплоотдачи от одиночной сферы к потоку трансформаторного масла.

Перед , началом опытов для разогрева включались накальные цепи высокочастотного генератора ЛЗ-1'З, шестеренчатый насос и термостат, устанавливались заданные расход и температура теплоносителя. Исследования процесса теплоотдачи проводились при фиксированных расходах теплоносителя и температуре теплоносителя от 18 до 25°С.

После пятнадцатиминутного разогрева генератор выводился на заданный режим работы. Эксперименты проводились при трех напряженнос-тях электромагнитного поля и соответствующих им тепловых нагрузках. Измерения производились при стационарном режиме работы установки, который устанавливался через 30-50 мин в зависимости от тепловой нагрузки и температуры теплоносителя. После его наступления регистрировались показания всех термопар, напряжение во вторичном контуре генератора и расход масла, с помощью которых вычислялись локальные коэффициенты теплоотдачи а^ . По результатам определения а^ вычислялись среднеинтегральные значения коэффициента теплоотдачи 5 .

Как уже указывалось, насадочный слой в наших опытах исследовался с помощью метода стационарных тепловых волн.

Отклик слоя на периодически изменявшуюся в потоке жидкости температурную волну, проходящую через насадку, зависит от теплового сопротивления теапотдаче от твердого тела к жидкости и их теплофизи-ческих свойств.Для получения значения коэффициента теплоотдачи необходимо знать отношение амплитуд и сдвиг фаз между входной и выходной волнами при, как минимум, трех измерительных частотах. Существует несколько вариантов определения коэффициентов теплоотдачи. В качестве базового нами использовалось решение, предложенное Тэрнером® для исследования теплообмена в насадочном слое применительно к потоку воздуха.

Отклик системы "насадка - жидкость" на тепловую волну автором' представляется как решение дифференциального уравнения энергии для одномерной задачи, записанного в виде:

5. Turner G.A A method of finding simultaneously the values of the heat transfer coefficient, the dispersion coefficient, and thermal conductivity of the parking in a pad-red bed of spheres.: I. Mathematical analysis - AIChE Tournai, 1907, v. 13, »4, p.678 - 082

_ -7 _

а*т зг

* - - * - -Ь = О С1)

Ъ? дх с граничными условиями:

ПО) = Ж О) expCiOfl) при д; = О

Пой = О . при х —► ®

Температура жидкости - Г = Ж*) 51п(ПЭ - vC*)). Множитель в последнем слагаемом уравнения С1)

ЗГ- 3 L а

-—- = Ж*)-— (Q+iR) exp i (U8 - у/С*)' + )) определяет из-

ев v г СрО,

менение средней температуры твердой, сферы.

С использованием математического аппарата из (1) автором" были получены рабочие формулы для определения неизвестных величин auk:

Си А - и Л ) (a Z/E') -1=0 С2а)

7 2 2 3

(у Л - v Л ) (а Z/D -1=0 C2W

11 1 л

Си Л - v Л ) Са Z/G') -1=0 С2с)

2 112

из которых только два уравнения линейно независимы.

Нами была несколько усовершенствована методика нахождения а и к. Предварительно были модифицированы уравнения С£а)-С2с) и приведены ¡; виду :

й v - ff v . . ----

Су Л - у Л ) Z

12 2 3.

Id ■ Ь.

~ - -s->--^ СЗЬ)

С и Л - у Л ) Z

II 13

В v - В V

—J8-1- 4 2 ; СЗс)

СУ Л - V Л ) 2 2 1 12 ,

Система уравнений содержит 2"искомые неизвестные: а, М и зависящие от них Л|, Ла, Л^. Вид трансцендентных функций Л1 , Л2, Л^ известен и если а и к зафиксированы, то значения этих функций можно вычислить. Поэтому для нахождения истинных значений а и к нами был

использован следующий метод. Сначала задавались стартовые значения а и к Снапример а = к = 0) и вычислялись значения функций СЗаЭтСЗс) и

проверялось выполнение этих равенств. После этого при фиксированном

значении к величине а придавалось заданное приращение Да и процесс вычисления повторялся. Приращение по а прекращалось при достижении определенной величины Св случае с полем -5000, без поля- 2000 Вт/мг К). Пройдя подобным образом весь заданный интервал значений а мы имели несколько точек, удовлетворявшим равенствам (За)-(Зс). Затем давалось приращение по Л и вся процедура вычислений повторялась. После прохождения всего заданного интервала1 изменения к Ckmax= 4 Вт/м К) получали три кривые, общая точка пересечения которых и дает нам искомые значения а и kt. Корректность полученных значений а и к проверялась испытанием другой комбинации из трех частот и соответствующих значений отношения амплитуд и сдвига фаз. При этом вновь полученные кривые должны проходить через эту же точку at . k . В противном случае значения коэффициентов теплоотдачи и теплопроводности не являются истинными.

Для реализации рассмотренного алгоритма определения а и к была разработана программа для ПЭВМ IBM PC/AT.

Для отработки методики совместного определения коэффициентов теплоотдачи и теплопроводности нами были проведены опыты по исследованию процесса теплоотдачи в насадочном слое без наложения поля.

Перед началом измерений необходимо было достичь температурной стабильности потока теплоносителя с максимальным расходом. По достижении заданной температуры масла устанавливался сответствующий расход теплоносителя и включалась измерительная система. При этом включение измерительных подсистем производилось только при достижении стабильных без температурных колебаний заданной сверхнизкой частоты. Исследования проводились при шести измерительных частотах: 0.01, 0.025 , 0.05 , 0.075 , 0.1, 0.25 Гц. •

При проведении опытов в условиях высокочастотного электромагнитного поля проводилась та же подготовительная процедура, что и при исследовании одиночной сферы. В случае насадочного слоя стационарный режим наступал через 20-30 мин с момента включения генератора. В дальнейшем эксперимент проводился в той же последовательности, что и в серии экспериментов без поля.

В конце второй главы рассмотрено электромагнитное поле, создаваемое внутри индуктора. На основе анализа уравнений Максвелла и проведенных расчетов выяснилось, что определяющее влияние на теплообмен в условиях высокочастотного алектромагнитного поля будет ока- 9 -

зывать его магнитная составляющая.

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования процессов теплоотдачи от одиночной сферы и насадочного слоя к Потоку трансформаторного масла в условиях высокочастотного электромагнитного поля и без него (для насадочного слоя); приведен анализ сил, действующих на жидкий диэлектрик и рассмотрена система дифференциальных уравнений, описывающих теплообмен в условиях поля; ■ получены обобщающие зависимости для относительного коэффициента теплоотдачи для трех олучаев конвективного теплообмена.

Рассмотрим результаты исследования теплоотдачи от одиночной . сферы.

Пользуясь рассмотренной выше методикой были проведены измерения коэффициентов теплоотдачи при трех напряженностях магнитной составляющей поля И: 20.43, 33.13 , 42.42 кА/м и числах Рейнольдоа Ке = 35 - 80.

Для оценки влияния высокочастотного электромагнитного поля на теплообмен было проведено сравнение полученных экспериментальных данных с расчетными. В качестве расчетных коэффициентов теплоотдачи (без поля) использовались значения а, вычисленные на основе уравнения подобия при квазиизотермическом стационарном обтекании одиночной сферы, рекомендованном для широкого диапазона изменения параметров (Ке и Рг) :

«ив = 2 + 0. 03 "4 Рг°'"+ 0. 35 " Рг°% 38 * (4)

Относительный коэффициент теплоотдачи «в/«0. рассчитанный для одинаковых гидродинамических и температурных условий опыта, характе-" ризует эффект высокочастотного электромагнитного поля.

Из рис.1 следует, что в электромагнитном поле теплообмен сильно интенсифицируется. Величина относительного коэффициента теплоотдачи увеличивается с уменьшением Че и увеличением- И и достигает 3.6 при Ее = 38 и И = 42.42 кА^м.

Как говорилось выше, метод стационарных тепловых волн был предложен для исследования теплообмена в насадочном слое д,:я случая газообразного теплоносителя. Согласно большинству литературных источников, использование этого метода не позволяет получить надежных данных по а при < 10. Поэтому одной из задач было изучение возможности применения- метода для получения надежных экспериментальных

4.0 -

«тг

«0 .

3.0

2.0

1.0

л - Я = 20.43 кА/м О - 33.13 о - 42.42

30

I

45

—I—г-60

—I—г-

75

Ее

90

Рис.1. Зависимость а„ /а„ от числа Р.в при различных напряжен-ностях пая И для одиночной сферы.

данных по коэффициенту теплоотдачи для более низких чисел Р.еу и жидкого теплоносителя. Для этого была проведена серия опытов по исследованию теплообмена в насадочном слое без наложения поля при числах Явз, лежащих в диапазоне 2-28 при температуре теплоносителя от 29 до 52°С. • '

На рис.2 представлены экспериментальные данные для этого случая теплообмена, обобщенные нами в виде зависимости:.

'Ни =1.2 йе1" Рг,/3 ■ (5)

э э

Числа подобия при этом определялись при средней температуре набегающего потока. Разброс точек, описываемых этим уравнением составил + 10 * * .

Полученная зависимость С5) полностью совпадает с уравнением подобия, предложенным" для диапазона чисел Яе= 0.01 - 30 и Рг = 100 -60000. Кроме того, впервые используя метод, стационарных тепловых

6. Аэров М. Э. , Тодес 0. М., Наринский Д. А. зернистым слоем. - Л.: Химия, 1979. 176 с

Аппараты со стационарным

Рис.2. Обобщение экспериментальных данных по теплообмену в на-садочном слое без наложения поля.

волн применительно к жидкому теплоносителю, нам удалось расширить диапазон применимости этого метода до К.е= 2.

Затем по апробированной методике были проведены измерения коэффициента теплоотдачи от насадочного слоя к потоку трансформаторного масла в условиях электромагнитного поля частотой 400 кГц и сравнены с аналогичными измерениями, проведенными без наложения поля. На рис. 3 представлены зависимости относительного коэффициента теплоотдачи ап/а от числа при пяти напрлженностях магнитной составляющей поля Н. Из рисунка видно, что коэффициент теплоотдачи возрастает до 5 раз. При этом воздействие поля на теплообмен возрастает с ростом И и уменьшением £еэ. -

Снижение воздействия поля на теплообмен при вынужденной конвекции с ростом Ке наблюдали и другие исследователи, в том числе и Гай-нутдинов с соавторами*. Большинство из них сходятся во мнении, что снижение эффекта поля обуславливается интенсификацией переноса тепла за счет турбулиэации, которая с ростом скорости потока подавляет эффекты, связанные с воздействием поля.

йкц.3» Зависимость ап/ад от числа Р.е при различных напряяен-ностях поля Н для насадочного слоя.

ЕЬ нашшг условиях если -пренебречь силами, не оказывающими существенного- влияния на теплообмен, то можно записать: и и ди

Ъ= - -- ^ + ч<- р -Зр-1 (6)

Первое слагаемое обусловлено различными значениями магнитной проницаемости по объему жидкости. Второе - неоднородностью магнитно-по> пплж

ЙЬследование на инвариантность при подобном преобразовании дифференциальных уравнений конвективного теплообмена с учетом у дало следующие числа подобия: Рейнольдса Ке = V й/и С для слоя = У /к) Прандтля Рг = v/a, Нуссельта Ш = а й/Х (для слоя Низ = а с^/М, Грасгофа Сг - $ р М , Эйлера Ей = Др/(рИг), а так» магнитный аналог числа' Эйлера Еиш* ^ Н1/(рИ2), которое является мерой отношения поверхностной пондеромсгорной силы к сипе инерции.

Таким образом уравнения подобия, описывающие теплообмен в усло-ьиях| высокочастотного электромагнитного поля* будут иметь виде

- 13 -

4п «от

ао

2-

—Г-

40

20

60

£ии0иЯе0'Рг°-,в

200

Ви^Рг^Ле"'

Рис.4. Обобщение экспериментальных данных по теплообмену при вынужденной конвекции в условиях высокочастотного электромагнитного поля: а - одиночная сфера; б - насадочный слой.

для одиночной сферы - №и = ДКе, Рг, Еи(); для насадочного слоя - Ми" = /СКе,, Рг, Еи^).

Число Грасгофа опускается ввиду мала иэменешй его в условиях наших опытов.

Обобщение-опытных данных было проведено в виде зависимости относительного коэффициента теплоотдачи от чисел подобия Ее, Рг, £и¥-. - для одиночной сферы Срис.4а):

= 0.062 Ке0'*' Рг°'1 в Ей?" С7)

о и

о

- для насадочногб слоя (рис.463:

= 0:037 1!е0з 30 Рг° •47 20 С8)

о

Уравнения С7) и С8) аппроксимируют опытные данные со средне-квадратической погрешностью +3.7% и ±5.2% , соответственно,

Необходимо отметить, что теплофизические свойства теплоносителя определялись при температуре набегающего потока без учета влияния поля.

Анализ (7) и С8) показал, что воздействие электромагнитного поля на теплообмен при вынужденной конвекции определяется магнитным числом Эйлера с показателем степени равным 0.26

ВЫВОДЫ.

1. Впервые были измерены средние коэффициенты теплоотдачи при обтекании одиночной сферы и насадочного слоя потоком трансформаторного масла в условиях электромагнитного плоя частотой 400 кГц. При исследовании теплообмена в насадочноы слое впервые использовался метод стационарных тепловых волн применительно к жидкому теплоносителю.

2. Была обнаружена значительная интенсификация теплообмена: до 3.6 раз для случая одиночной сферы при максимальной напряженности магнитного поля 42.42 кА/м и до 5.07 раз для насадочного слоя при напряженности 12.58 кА/м.

3. Исследование системы дифференциальных уравнений, описывающих теплообмен при вынужденной конвекции 'в условиях электромагнитного поля позволило получить магнитное число подобия Еиш, отражающее процесс. теплообмена ь этих условиях.

4. Получены уравнения подобия для расчета относительного коэффициента теплоотдачи при обтекании одиночной сферы и насадочного слоя в условиях электромагнитного поля .При этом показатель степени при магнитном числе Эйлера, характеризующем действие поля, оказался в обоих случаях равным- 0.26. I

Условные обозначения: Р= а'/VL - безразмерный комплекс; х, В, 0 - безразмерные высота, время и частота, соответственно; р' -поверхностная порозность; /4СдО- амплитуда тепловой волны; и = Сг - у®; , ^ - отношение амплитуд и

сдвиг фаз для измерительной частоты ы^ ; Е = ; F = Я ;

С = vz \ ~ ЕуЗKz= F/6 ; Л^ - известная трансцендентная

функция а, h, (рС)т, СрС)ж, го, Wj; Л - коэффициент теплопроводности частицы насадки в слое, Вт/м К; г - радиус зерна, м; L - высота слоя', и; V - скорость набегающего потока, м/с; Q, R, ф(го) - известные функции а, к, (pOr, СрСТ^, го; Z - константа опыта, зависящая от L, СрС)т, СpCDr го и К; а'= Х^СрСрС)^ - продольная температуропроводность, мг/с.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Курбангалеев М. С. , Усманов P.A. и др. Теплообменный аппарат с индукционным нагревом насадки.- Тепло- и массообмен в химической технологии: Межвуз. тематич. сб. науч. тр., Казань, КХТИ, 1988, С.66 - -70.

2. Курбангалеев М.С. Исследование процесса теплоотдачи при обтекании одиночной сферы в условиях высокочастотного электромагнитного поля.- Тезисы докладов III Всесоюзной конференции молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" , Новосибирск, Институт'теплофизики, 1989, С.213-214.

3. Курбангалеев М. 0. , Дьяконов В. Г., Усманов А. Г. , Галимов А. И. Исследование теплоотдачи при обтекании одиночной сферы, нагреваемой индукционным способом.- Тепло- и массообмен в химической технологии: Межвуз. тематич. сб. науч. тр., Казань, КХТИ, 1989, С.108-114.

4. Курбангалеев И. С. , Дьяконов В. Г., Усманов А. Г. Определение коэффициента теплоотдачи от насадочного слоя к потоку трансформаторного масла методом стационарных тепловых волн. - Тепло- и массообмен в химической технологии ¡Межвуз. тематич. сб. науч. тр., Казань, КХТИ, 1991, С. 103-114.

5. Курбангалеев М. С. , Дьяконов В. Г., Усманов А. Г. Теплообмен при вынужденной конвекции в высокочастотном электромагнитном поле.-Тепло- и массообмен в химической технологии: Межвуз. тематич. сб. науч. тр., Казань, КГТУ. 1992. С.18-25.

Соискатель Заказ Ы.

/У/ Тираж 80 экз.

Офсетная лаборатория КГТУ 420015, Казань, ул. К.Маркса. 68