Автореферат (1025436), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Обсуждены вопросытеплофизических и прочностных свойств водного льда.Как показал анализ публикаций, по теме исследования, существенныйвклад в решение задачи расчета динамики намораживания льда внесли ученыетеплофизики: Ламе Г., Клапейрон Б.П.Э., Стефан Й., Нейман Ф., ЛейбензонЛ.С., Ковнер С.С., Гуйго Э.И., Ржевская В.Б., Сафонов В.К., Планк Р.,Константинов Л.И., Мельниченко Л.Г.Из ныне действующих исследователей заметный вклад вносят: ВайнбергА.М., Сосновский А.В., Генералов М.Б., Лавров Н.А., Белуков С.В, СластихинЮ.Н., Лобанов И.Е.На основе проведенного анализа литературных источников, определеныосновные цели работы и задачи исследования.Вторая глава посвящена вопросам построения математических моделейнамораживания водного льда на элементах низкотемпературного оборудования,представляющих канонические формы поверхности, плоская стенка, полыйцилиндр.Восновеподходалежитметодрешениянестационарногодифференциального уравнения Фурье представленного в частных производныхпутем приведения его к уравнению с полными производными на основеприменения расширенной версии подстановки Ламе-Клапейрона, ипредставления решения в виде степенного ряда, который описываетраспределениетемпературвслоенамораживаемого льда и удовлетворяеткраевым условиям задачи.Для случая намораживания водногольда на плоской поверхности (Рисунок 1)исходное дифференциальное уравнениеФурье имеет вид:∂Т∂ ∂Т Сp (Т )·ρ=λ (Т )(1)∂ τ ∂Х ∂Х где: Сp(Т) – удельная теплоемкостьРисунок 1.

Образование льдаводного льда, зависящая от температурына плоской стенке.Дж/(кг·℃); τ – текущее время, с; Х –пространственная координата; ρ – плотность льда, кг/м3; Т – температура в слоенамораживаемого льда, К; λ(Т) – теплопроводность водного льда, зависящая оттемпературы, Вт/(м·℃).Краевые условия задачи имеют вид:Т ( 0,τ ) = Тс(2)5Т ( Х ,0) = Тв(3)Т (ξ ,τ ) = Tф(4)Условие теплового воздействия со стороны воды:∂Tdξλ= α Tв − T + ρ Lфdτ∂X X =ξ()(5)Применим к уравнению (1) подстановку Ламе-Клапейрона, т.е. будемискать:Xν=;T ( X ,τ ) ≡ T (ν ) ;(6)ξ =β ττРезультирующее уравнение для определения динамики роста слоя водногольда на поверхности плоской стенке:– с учетом зависимости теплофизических свойств льда от температуры ρL ρLα (Tв − Tф )α (Tв − Tф )Т с = Tф − β+τ β + β+τ × 2λ 2λλλα (Tв − Tф )ρ С1Tф2 3  ρ Lβ2×−β β+τ 2λ2 ⋅ Tф2К2λ2(7)где: Тс – температура поверхности стенки, К; Тф – температура фазовогоперехода воды в лед, К; α – коэффициент теплоотдачи от воды к поверхностильда, Вт/(м2·℃); β – фактор роста толщины слоя льда, м/с0,5; τ – время, с; λ –коэффициент теплопроводности льда, при температуре фазового перехода,Вт/(м·℃); L – теплота фазового перехода воды в лед, Дж/кг.Для определения искомой толщины слоя льда ξ, на заданный промежутоквремени τ необходимо из уравнения (7) найти значение фактора роста слоя льдаβ, умножение которого на квадратный корень от времени √ дает значение ξ,т.е.ξ =β τ(8)– без учета зависимости теплофизических свойств льда от температурыα (Tв − Tф )λ  α (Tв − Tф )τ  2 ρ L (Tс − Tф )τ(9)ξ=τ+ −ρLρ L λλДля случая намораживания водного льда на внешней цилиндрическойповерхности (Рисунок 2) исходное дифференциальное уравнение Фурье, сучетом зависимости теплофизических свойств льда от температуры имеет вид:62Сp (T ) ρ∂T ∂ ∂T  λ ∂T= λ (T )  +∂τ ∂r ∂r  r ∂r(10)где r – координата фронта фазового превращения.Краевые условия задачи имеют вид:T ( 0;τ ) = Tс(11)Рисунок 2.

Схемаобразование льда на внешнейповерхности полой трубы.Т ( r ;0 ) = Tв(12)T (η ;τ ) = Tф(13)Тепловое воздействия со стороны водывыразим как:λ()∂Tdη= α Tв − T + ρ Lф∂r rdτ(14)Применяя к уравнению (10) подстановку Ламе-Клапейрона, т.е. будемискать:r − r0ν=;Т (r ;τ ) = T (ν ) ;(15)( η − r0 ) = ξ ( τ ) = β ττРезультирующее уравнение для определения динамики роста слоя водногольда на внешней цилиндрической поверхности:– с учетом зависимости теплофизических свойств льда от температуры ρ Lβ α τТ с = Tф − +Tв − Tф )  β +(λ 2λ2  ρ Lβ α τ  ρ Lβ α τ+Tв − Tф )  +Tв − Tф )  τ (((16)λλλλ22 2 −+βTф+ β τ + r0 2 ρ С β T  ρ Lβ α τ1ф++(Tв − Tф ) λ2 k  2λгде r0 – радиус трубы, м; коэффициент температуропроводности м2/с.– без учета зависимости теплофизических свойств льда от температуры ρ Lβ α τ ρ Lβ α τТ с = Tф − +Tв − Tф )  β − +Tв − Tф )  ×((λλ 2λ 2λ(17)2 βτβ×+ 2a β τ + r0  27Толщина слоя водного льда на заданный момент времени определяется повыражению:ξ =β τ(18)Для случая намораживания водного льда на внутренней цилиндрическойповерхности (Рисунок 3) исходное дифференциальное уравнение Фурьезапишется как:∂T∂ 2T a ∂T= a⋅ 2 + ⋅∂τ∂rr ∂rКраевые условия задачи имеют вид:T ( r0 ,τ ) = Tс(19)(20)T ( r ,0 ) = Tв(21)T (η ;τ ) = Tф(22)Условие теплового воздействия со стороныводы:Рисунок 3.

Образованиельда на внутреннейповерхности трубы.ν=r −ητ;−λ∂T∂r= ρLr =η∂ ( r0 − η )+ α в (Т в − Т ф )∂τ(23)Применим к уравнению (19) подстановку ЛамеКлапейрона, т.е. будем искать:T ( r ,τ ) = T (ν ) ;r0 − η = ξ (τ ) = β τ ;(24)Результирующее уравнение для определения динамики роста слояводного льда на внутренней цилиндрической поверхности:α 0T0 β τ ρ Lβ α (Т в − Т ф ) τ λβTф =++ 2λλα0β τ+1λ βτ β2Tф + − ρ Lβ α (Т в − Т ф ) τ ×+− 2λλ(25)×+2ar0  2где: α0 – коэффициент теплоотдачи от охлаждающей среды к поверхноститрубы, Вт/(м2·℃); Т0 – температура охлаждающей среды, К.В третьей главе приведено описание опытных стендов и методики проведенияэкспериментального исследования.

А так же дается оценка приборнойпогрешности проведенного исследования.8Схема опытного стенда, для изучения динамики роста слоя водного льдана поверхности плоской стенке Рисунок 4.Рисунок 4. Принципиальная схема опытного стенда, для изучения динамикироста слоя льда на плоской поверхности.

1–емкость для воды; 2–элементэмитирующий плоскую стенку; 3–система для крепления элемента;4–низкотемпературныйэнергоноситель;5–термопара для измерениятемпературы стенке; 6–термопары для измерения температуры в толще льда.Схема опытного элемента имитирующего в ходе опыта плоскуюизотермическую поверхность представлена на Рисунке 5.Рисунок 5. Схема элемента эмитирующего плоскую стенку. 1–алюминиевыйлист, эмитирующий плоскую стенку; 2–ограждение элемента; 3–мост длякрепления измерительных устройств на элементе; 4–штифт для креплениятермопары;5–линейкасмернойшкалой;6–низкотемпературныйхладоноситель; 7– отверстия для крепления датчиков температур.9Схема опытного стенда, для изучения динамики роста слоя водного льдана внутренней поверхности трубы Рисунок 6.

Схема опытного элемента сзакрепленными на нем средствами измерения представлена на Рисунок 7.Рисунок 6. Схема опытного стенда для изучениядинамики роста слоя водного льда на внутреннейповерхности трубы. 1 – элемент, имитирующийтрубу;2–холодильнаякамера;3 – электровентиляторный агрегат.Рисунок 7. Схема опытногоэлемента.1–труба,запаянная с нижнего конца,2 – стойка, 3 – зажимы,4 – крепежная полка,5 – линейка, 6 – термопара,7 – шпильки, 8 – USB камера.Схема опытного стенда, для изучения динамики роста слоя водного льда навнешней поверхности трубы Рисунок 8.10Рисунок 8. Принципиальная схема экспериментального стенда для изучениядинамики роста слоя водного льда на внешней поверхности трубы.1 – стеклянная колба; 2 – труба; 3 – центробежный насос; 4 – теплообменныйаппарат; 5 – теплоизолированный бак; 6 – стойка для крепления средствизмерения; 7 – линейка; 8 – датчик температур.Четвертая глава посвящена сопоставлению теоретических иэкспериментальных данных.На Рисунке 9 показано сопоставление расчетных данных, полученных поуравнению (7) с данными опытного исследования, полученными на стенде,схема которого приведена на Рисунке 4.ξ (мм)504540353025-120-215105005101520253035404550556065 τ(мин)Рисунок 9.

Зависимость толщины слоя водного льда от времени. Температурастенки tc=–48,5℃, температура воды tв=+7,8℃, коэффициент теплоотдачи отводы α=104 Вт/м2·℃. 1 – экспериментальные данные; 2 – теоретический расчет.11На Рисунке 10 показано сопоставление расчетных данных, полученныхпо уравнению (25) с данными опытного исследования, полученными на стенде,схема которого приведена на Рисунке 6.ξ (мм)1412108-16-242005101520253035404550τ (мин)Рисунок 10. Зависимость толщины слоя водного льда от времени, навнутренней поверхности трубы. Температура воздуха tв=-13℃, скоростьпотока воздуха v=14 м/с, коэффициент теплоотдачи от воды α=74 Вт/м2·гр. 1– экспериментальные данные 2 – теоретический расчет.На Рисунке 11 показано сопоставление расчетных данных, полученныхпо уравнению (17) с данными опытного исследования, полученными на стенде,схема которого приведена на Рисунке 8.ξ (мм)1412108-16-242005101520253035404550 τ(мин)Рисунок 11.

График зависимости толщины слоя водного льда на внешнейцилиндрической поверхности от времени. Температура стенки tc=–12,4℃,температура воды tв=5,5℃, коэффициент теплоотдачи от воды α=195 Вт/(м2·℃).1 – экспериментальные данные; 2 – теоретический расчет.12В пятой главе представлена схема устройства (криокювета) для подъемазатопленных оболочковых объектов, находящихся в стадии высокогокоррозионного износа. Предложена методика расчета режима работыкриокюветы.

Изложен метод расчета и осуществлен выбор эффективнойповерхности намораживания водного льда, применительно к ледогенераторамразличных конструкций.Принципиальная схема устройства для подъема оболочковых объектов(криокюветы) представлена на Рисунке 12.Рисунок 12. Принципиальная схема криокюветыПодъемное устройство состоит из криорезервуара 1, оснащенноготеплоизолированными стенкам 2 и имеющего внутреннюю полостью 3, свозможностью наполнения её низкотемпературным энергоносителем. Так жеустройство включает каркас-матрицу 4, с размещенными по поверхностиотверстиями 5, и грузовыми креплениями 6 на краях. Патрубки 7 проходятчерез внутреннюю полость 3 криорезервуара 1, таким образом, что междуконцами патрубков и верхней стенкой внутренней полости 3 остаетсяпространство.

Патрубки жестко фиксируются в отверстиях 5 каркас-матрицы 4.На нижних концах патрубков 7 имеется внутренняя резьбовая нарезка 9,необходимая для крепления выдвижных стаканов-наконечников 10 с плоскимидонышками 11 на концах. На боковой поверхности патрубков 7 расположенывпускные клапаны 8, через которые низкотемпературный энергоносительпопадает внутрь патрубков 7 и стаканов-наконечников 10.С целью проверки возможности применения низкотемпературнойтехнологии для поднятия затопленных объектов, был создан опытный стенд,имитирующий работу элемента криокюветы (стакана-наконечника) Рисунок 13.13На Рисунке 14 показана схема криозахвата фиксированного груза с помощьюохлаждаемого стакана-наконечника посредствам образованного ледяногомоста.Рисунок 13.

Характеристики

Список файлов диссертации