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

^л&шск^ государственный технологический университет

- ЛИР 183<{

На правах рукописи

КУРБАНГЛЛЕЕВ ДШНТАГИР СУЛТЛИГАЛЕЕВИЧ

ЕПЛООБМЕН 3 НАСЛДОЧМОЛ1 СЛОЕ О УСЛОВИЯХ ЫСОКОЧАСТОТМОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

05.14.C5 — Теоретические основы теплотехники

АВТОРЕФЕРАТ дассертащга па соискание ученой степени кандидата технических паун

Казааь 1993

Работа выполнена в Казанском государственном технологи ческом университете.

Научный руководитель — заслуженный деятель науки и

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

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор О. В. Маминов (КГТУ

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

Ведущая организация — ВНИИУС (г. Казань)

Защита диссертации состоятся , • £¿¿/¿^1994 года BJ часов на заседании спецнализирозаиного совета Д. 063. 37. 02.: Казанском государственном технологическом университете п( адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, СЗ, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией иохгло ознакомиться о библиотеке Казанское государсгвениого технологического университета.

Автореферат разослан а ¡л^^/Стк. 1594 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

Л. Г. Ветошкны:

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 теплоно-:ителей, при этом плотность тепловых потоков оказывается невысокой звяяу малых значений коэффициента теплоотдачи. При увеличении мод-тости нагревателя наблюдается перегрев теплоносителя в пристенном :пое, 'по не всегда допустимо. Этого можно избежать путем увеличения тлощадп поверхности нагрева и увеличения коэффициента теплоотдачи. Трименение насадочиого слоя с нагревом насадки токами высокой частота позволяет одновременно удовлетворительно решить обе задачи.

Настоящая работа является продолжением ранее проведенных иссле-[ований по влиятга вмсохочастотных электромагнитных полей на различие виды теплообмена п проводилась в соответствии с Координационным шаном РАН по проблем "Теплофизика и теплоэнергетика" Сп. 19.1.4.2.).

Цель работы: Исследование процесса теплоотдачи от одиночной :феры и насадочного слоя к потоку'диэлектрической жидкости в условн-:х электромагнитного поля частотой 400 кГц;

обобщение результатов измерения в виде'зависимостей относитель-ого коэффициента теплоотдачи от чисел подобия, характеризующие гид-одинамику и теплообмен в условиях высокочастотного электроиагнитно-о поля.

Научная новизна. Впервые произведены измерения коэффициентов еплоотдачи от одиночной сферы и насадочного слоя в условиях высоко-астотного электромагнитного поля. В случае-насадочного слоя измере-ия проводились с помощью метода стационарных тепловых волн.

Практическая ценность работы. Результаты работы могут быть нс-эльзованы при проектировании и расчете аппаратов, обеспечивающих

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

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

Автор защипает 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 гидрогазодинаммки" СНовосибирск, 1939г.), 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 поле.

Большинство исследований в полях проводились в постоянных и переменных Спромышленной 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, электромагнитных полях изучен крайне слабо. Имеется всего несколько работ1 , в которых исследовалось влияние высокочастотных электромагнитных полей на некоторые виды теплообмена жидких диэлектриков. Авторами этих работ установлено, что при сравнительно невысоких напряженностях высокочастотные электромагнитные поля существенно интенсифицируют теплообмен. Наиболее вероятными причинами интенсификации теплообмена в этих условиях, по мнению1могут быть силы электромагнитной природы, действующие на

тепловой пограничный слой, а также изменение свойств рабочей среды юд действием высокочастотного электромагнитного поля. Это качест-зенно подтверждается тем, что под действием электрических и магнит-шх полей происходит изменение надмолекулярной структуры диэлектри-юской жидкости и, как следствие,- изменение теплофизических свойств шдкого диэлектрика Степлопроводность, вязкость, теплоемкость).

Во второй главе рассмотрены задачи эксперимента, обоснован вы-5ор рабочей частоты и рабочей жидкости, методы исследования конвек-'ивного теплообмена в насадочном слое, описаны-экспериментальная установка и методики проведения исследования теплообмена при обтекании >диночной сферы и насадочного слоя потоком трансформаторного масла в 1лектромагнитном поле.

При работе с индукторам?! необходимо выбирать оптимальные часто-'ы. Это связано с необходимостью учета взаимоисклпчасцих явления. С »остом частоты уменьшается толщина проникновения электромагнитной юлны, за счет чего повышается удельная выделяемая мопшость. Вг.:есто : тем увеличивается температура металла, что не всегда галательпо. С 'четом этих обстоятельств оптимальными частотами в нашем случае бу-,ут частоты радиодиапазона - 10°-10е Гц (рабочая частйта - 400 кГц).

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

Анализ литературы, посвященнбй изучение конвективного теплооб-:ена в насадочном слое показал, что получить чисто аналитическое рвение для нашего случая в настоящее время невозможно. Поэтому было роведено экспериментальное исследование с последующи.! обобщением езультатов с помощьи методов подобия.

. Дьяконов В. Г. , Усманов А. Г. Исследование влияния высокочастотного лектромагнитного поля на теплообмен при кипении.- ИФЖ, 1968, т.15, ып.З, С. 484-488. .

. Камалетдинов B.C. .Дьяконов В.Г. , Усманов-А.-Г. Исследование про-есса теплоотдачи.при пленочной конденсации паров диэлектрических идкостей в условиях высокочастотного электромагнитного поля.- Теп-о- и массообмен в хим. технол.: Иежвуз.тематич. сб.науч. тр. - КХТИ, азань, 1981, С. 32-38.

. Бакиров М.С., Дьяконов В. Г., Усманов А. Г. Теплообмен при свободой. конвекции в высокочастотном электромагнитном поле. - Сб. "Тепло-массоперенос", т. 2.- Минск; Наука и техника, 1968, С. 205 - 211. . Гайнутдинов Р.Я., Дьяконов В.Г., Усманов А.Г. Исследование тепло-ймена при вынужденной конвекции в высокочастотном электромагнитном оле. - ИФЖ, 1975, »6, с. 961-963.

Сравнительный анализ различных способов измерения коэффициентов теплоотдачи показал, что наиболее приемлемым для нас является метод стационарных тепловых С температурных) 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 слой,. На выходе из слоя тепловая волна изменяет свою амплитуду и фазу. По • отношению амплитуд и сдвигу фаз входной и выходной волн определяется-коэффициент теплоотдачи.

Исследование конвективного теплообмена при обтекании одиночной! . сферы и насадочного слоя потоком трансформаторного масла в условиях, высокочастотного электромагнитного поля проводились на установке, состоящей из. четырех систем: гидравлической (подачи теплоносителя);, индукционного нагрева объектов исследования, регулирбвания темпера*-туры теплоносителя и измерительной.

Трансформаторное масло из бака посредством шестеренчатого насхл-са производительностью 17 л/мин подавалось в рабочую ячейку и через расширительный бачок возвращалось в бак . Регулирование расхода теплоносителя осуществлялось посредством байпасной линии и контролировалось ротаметром.

Регулирование и поддержание температуры масла производилось, е помощью ультратермостата, вода из которого последовательна, "подав аг-лась в рубашки противоточных теплообменников типа "'груба, в трубе5".

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

Выбор в качестве одного из обьектов исследования одиночной! сферы был связан с тем, что в литературе имеется надежное уравнение пнг-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 быта приварены контактной сваркой к внутренней поверхности сферы под углами 0, 30, 75, 90, 100, 110. 133, 153° к направлению потока теплоносителя. При этом на всех углах, кроме 0°, устанавливались по две, дублирующие друг друга термопары. Термопарные провода выводились через тонкостенную трубкуслужащую, 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 •гасадочный слой состоял из 1500 стальных шаров средним диаметром 6.3 ю», упакованных беспорядочным образом со средней объемной пороз-■юстыо р = 0.285. Ячейка с насадочным слоем устанавливалась в средней части измерительного узла.

Лля реализации выбранного метода на равном расстоянии от слоя вягде и выходе из насадки располагались абсолютно одинаковые из- 5 -. *

мерительные датчики - термометры сопротивления СТС). 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 направлявшими 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 Г6-37. 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 том, что они. имели довольно низкий (17 мкВ/градЗ 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 ß к направлению потока. Тепловой поток, выделившийся в стенке сферы вследствие индукционного нагрева, определялся калориметрическим методом * на основе предварительных опытов в специальном тарироьочном узле ь зависимости от напряжения во вторичном контуре гркуратора.

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 JI3-Ï3, 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 изменяющуюся в потоке жидкости температурную волну, проходящую через насадку, зависит от теплового сопротивления теплотдаче 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 rinding simultaneously the values оГ the heat transfer coefficient, the dispersion coefficient, arid thermal conductivity of the packing in a packed bed of spheres.: I. Mathematical analysis. - AIChE Tournai, 1967, v.13, i 4, p.678 - 683

?тя ar, р аг, _i -_р = 0 ш

ftt* дх р' дв (pOi аэ

с граничными условиями:

ТСО) = ЖО) expUDS) при * = О

ТСш) = 0 . при х —» ®

Температура жидкости - Т = Ж*) sin(Ü9 - Множитель в послед-

' нем слагаемом уравнения (1)

аг ■ з i ¿х

-—1 = Ж*)-— CQ+tR) ехр £(рб - + )) определяет из-

аэ и г срсз, 0

0 «

менение средней температуры твердой, сферы.

С использованием математического аппарата из (1) автором0 были получены рабочие формулы для определения неизвестных величин а и М:

С"Л " (а 2/Г) " 1 = 0 с2а)

(v А - v Л ) Са Z/F') -1=0 (2Ь)

Э I 11

(1/ Л -Н ) ( а Z/6') -1=0 (2с)

2 112

из которых только два уравнения линейно независимы.

Нами была несколько усовершенствована методика нахождения а и к. Предварительно были модифицированы уравнения (£а)-(2с) и приведены ¡: виду :

В v - В i> _ .

а = --(3á,

Cw Л - v Л ) Z 12 2 1

II и - II р

~ - —--А ' (36)

(у Л - f Л ) Z 11 ti

В V - П и

■ . . (3с)

(и А - И Л ) г 2 112

Система уравнений содержит 2'искомые неизвестные: а, Л и зави-_ сящие от них А(, Ла , Л^. Вид трансцендентных функций Л, , Лг, Аз известен и если а я к зафиксированы, то значения этих функций можно вычислить. Поэтому для нахождения истинных значений а к к нами был

использован следующий метод. Сначала задавались стартовые значения а и к (например а = к = 0) и вычислялись значения функций (3<2)т(3с) 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/мгК). Тройдя подобным образом весь заданный интервал значений а мы имели ^сколько точек, удовлетворяющим равенствам СЗа)-(Зс). Затем дава-гось приращение по к и вся процедура вычислений повторялась. После 1рохождения всего заданного интервала' изменения к (fcmax= 4 Вт/м Ю юлучали три кривые, общая точка пересечения которых и дает нам ис-сомые значения а и . Корректность полученных значений а и M про-юрялась испытанием другой комбинации из трех частот и соответствую-шх значений отношения амплитуд и сдвига фаз. При этом вновь полу-юнные кривые должны проходить через эту же точку ai, к%. В против-юм случае значения коэффициентов теплоотдачи и теплопроводности не гвляются истинными.

Для реализации рассмотренного алгоритма определения а и M была »азработана программа для ПЭВМ IBM PC/AT.

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

Перед началом измерений необходимо было достичь температурной табильности потока теплоносителя с максимальным расходом. По дости-:ении заданной температуры масла устанавливался сответствующий рас-од теплоносителя и включалась измерительная система. При этом вклю-:ение измерительных подсистем производилось только при достижении табильных без температурных колебаний заданной сверхнизкой частоты, ¿следования проводились при шести измерительных частотах: 0.01, .025, 0.05. 0.075, 0.1, 0.25 Гц. •

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

В конце второй главы рассмотрено электромагнитное поле, созда-аемое внутри индуктора. На основе анализа уравнений Максвелла и роведенных расчетов выяснилось', что определяющее влияние на тепло-с>мен в условиях высокочастотного электромагнитного поля будет ока- 9 -

эывать его магнитная составляющая.

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования процессов теплоотдачи от одиночной сферы и насадочнок слоя к потоку трансформаторного масла в условиях высокочастотной электромагнитного поля и без него (для насадочного слоя); приводе! анализ сил, действующих на жидкий диэлектрик и рассмотрена системг дифференциальных уравнений, описываюаих теплообмен в условиях пол; • получены обобщающие. зависимости для относительного коэффициента теплоотдачи для трех случаев конвективного теплообмена.

Рассмотрим результаты исследования теплоотдачи от одиночной . сферы.

Пользуясь рассмотренной выше методикой были проведены измерения коэффициентов теплоотдачи при трех напряженностях магнитной составляющей поля Н: 20.43, 33.13, 42.42 кА/м и числах Рейнольдса 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 СЯе и Рг) :

Иия = 2 + 0.03 Иеаж°* Рг°х"+ 0.35 Рг*' " *С4)

Относительный коэффициент теплоотдачи «,/ао» рассчитанный для одинаковых гидродинамических и температурных условий опыта, характе-' риэует эффект высокочастотного электромагнитного поля.

Из рис.1 следует, что в электромагнитном поле теплообмен сильно интенсифицируется. Величина относительного коэффициента теплоотдачи увеличивается с уменьшением Яе и увеличением- Н и достигает 3.6 при Ке = 38 и Н- 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 Кеэ < 10. Поэтому одной иэ задач было изучение возможности применения- метода для получения надежных экспериментальных

4.0 •

«О .

3.0 -

2.0

1.0

л - Я = 20.43 кА/м

о - да. 13

ь - 42.42

30

—I—I—I—г-

45

I ' 60

I

75

Не

90

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

анных по коэффициенту теплоотдачи для более низких чисел и жид-эго теплоносителя. Для этого была проведена серия опытов по иссле-эванию теплообмена в насадочном слое без наложения поля при числах ? , лежащих в диапазоне 2-28 при температуре теплоносителя от 29 5 52°С. • ' '

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

Ми = 1.2 /?е'хз Рг'

С 5)

Числа подобия при этом определялись при средней температуре на-■гающего потока. Разброс точек, описываемых этим уравнением соста-гл ± 10 ' *

Полученная зависимость С5) полностью совпадает с уравнением по->бия, предложенным" для диапазона чисел Ре9= 0.01 - 30 и Рг = 100 -Ю00. Кроме того, впервые используя метод стационарных тепловых

Аэров М. Э. , Тодес 0. М., Наринский Д. А. Аппараты со стационарным 'рнистнм слоем. - Л.: Химия, 1979. 176 с

- И -

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 Кеэ= 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 <*ъ/ао от числа Кеэ при пяти налряженностях магнитной составляющей поля Н. Из рисунка видно, что коэффициент теплоотдачи возрастает до 5 раз. При этом воздействие поля на теплообмен возрастает с ростом Н и уменьшением Ее3.

Снижение воздействия поля на теплообмен при вынужденной конвекции с ростом Ке наблюдали и другие исследователи, в том числе и Гай-нутдинов с соавторами4. Большинство из них сходятся во мнении, что снижение эффекта поля обуславливается интенсифиьанией переноса тепла за счет турбулизации, которая с ростом скорости пспока подавляет эффекты, связанные с воздейстьием поля. .

Рйс. 31 Зависимость а„/аа от числа Ке при различных напряжен-ностях поля И для насадочного слоя.

В> нашш условиях если .пренебречь силами, не оказывающими су-стенного влияния на теплообмен-, то можно записать:

+ Н* р-^-У (6)

Первое слагаемое обусловлено различными значениями магнитной оницаемости по объему жидкости. Второе - неоднородностью магнитно-

, ПОЛЯ!

Исследование на инвариантность при подобном преобразовании диф-^енциальных уравнений конвективного теплообмена с учетом 7М Дало едующие числа подобия: Рейнольдса Ие = V й/и (для слоя = У /и) андтля Рг = и/а, Нуссельта Ми = схйЛ. (для слоя = а <^/Х>, асгофа 6г * $ р Ы с?/»2, Эйлера Ей = Лр/СрУг), а такае магнетный алог числа-Эйлера ^ Яг/(рКг), которое является мерой отноше-я поверхностной пондеромсторной силы-к силе инерции.

Таким образом уравнения подобия, описывающие теплообмен в усло-ях высокочастотного электромагнитного поля*. будут иметь вид:

- 13 -

4 <*вч

<*о

2-

20

40 60

Еии°",Яе°'Рг0'5

61 ао .1

60

—г——-1-1-

80 100

200

Б^Рт^Не'"

Рис.4. Обобщение экспериментальных данных по теплообмену при вынужденной конвекции в условиях высокочастотного электромагнитного поля: а - одиночная сфера; <3 - насадочный слой.

ля одиночной сферы - Wu" = fCRe, Pr, Еиж); ля насадочного слоя - Nu" fCRe э, Pr, EuJ.

исло Грасгофа опускается ввиду машх иэменший его в условиях наших пытов.

Обобщение опытных данных было проведено в виде зависимости от-осительного коэффициента теплоотдачи от чисел подобия Р.е, Рг, Еи^: - для одиночной сферы Срис.4а):

= 0.053 Re°'21 Рг°-18 С7)

о

- для насадочногЬ слоя Срис.46): -^pr- = 0.037 Re°'30 Рг0,47 Eu®-" СЗ)

о

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

Необходимо отметить, что теплофизические свойства теплоносителя пределялись при температуре набегающего потока без учета влияния эля.

Анализ С7) и С8) показал, что воздействие электромагнитного по-а на теплообмен при вынужденной конвекции определяется магнитным ;!слом Эйлера с показателем степени равным 0.26

'ВЫВОДЫ.

1. Впервые были измерены средние коэффициенты теплоотдачи при Зтекании одиночной сферы и насадочного слоя потоком трансформатор-эго масла в условиях электромагнитного плоя частотой 400 кГц. При ^следовании теплообмена в насадочном слое впервые использовался ме-эд стационарных тепловых волн применительно к гадкому теплоносите-

3.

2. Была обнаружена значительная интенсификация теплообмена: до 6 раз для случая одиночной сферы при максимальной напряженности 1Гнитного поля 42.42 кА/м и до S.07 раз для насадочного слоя при тряженности 12. 58 кА/м.

3. Исследование системы дифференциальных уравнений, описызающих ?плообмен при вынужденной конвекции в условиях электромагнитного >ля позволило получить магнитное число подобия £иш, отражающее прочее, теплообмена в этих условиях.

4. Получены уравнения подобия для расчета относительного коэффициента теплоотдачи при обтекании одиночной сферы и насадочногс слоя в условиях электромагнитного поля .При этом показатель степени при магнитном числе Эйлера, характеризующем действие поля, оказался в обоих случаях равным 0.88.

Условные 0б03КдЧбНИЯ> Р= a'/VL - безразмерный комплекс; х- В. ß - безразмерные высота, вре мя и частота, соответственно; «'-поверхностная порозность; /К*)- амплитуда тепловой волны; и = 1г - у?; И^, Ф^ - отношение амплитуд и

сдвиг фаз для измерительной частоты и,; Е = ¡1 v -П v ; F = П и -П v

J ' 3233 1 3 J 1

6 = ¡¡zvi -Л vz; Ki = Z/G ; Ка= F/6 ; Д^ - известная трансцендентная функция а, k, (рС)т, СрС)х, го, ; k - коэффициент теплопроводности частицы насадки в слое, Вт/м К;. г - радиус зерна, м; L - высота слоят, м; V - скорость набегающего потока, м/с; Q, R, фСг^ - известные функции а, к, СрС)т, СpOt, го; Z - константа опыта, зависящая от L, СрС)т, СрС)ж, го и У; а' = X'3i/(joCpCDg) - продольная температуропроводность, м2/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. С. , 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 М.С. , &>яконов 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, КГ™ 1<зоя с. 18-23.

Соискатель. _ Курбангалеев М.С.

Заказ Ы

Тираж 80 экз.

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