Диссертация (1025437), страница 2

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

Текст из файла (страница 2)

Создание конструктивной схемы устройства для подъема затопленныхоболочковыхобъектов(криокюветы),наосновенизкотемпературнойтехнологии.6. Создание методики расчета режимов работы криокюветы.7. Определение наиболее эффективной по способности накапливания льдарабочей поверхности намораживания.8Научная новизна1 Разработан приближенный аналитический метод для расчета динамикинамораживания льда на плоской стенке и цилиндрических поверхностях.2.Полученыаналитическиезависимости,определяющиеразвитеепроцесса ледообразования на поверхностях намораживания ледогенераторов,холодоаккумуляторов и других элементах низкотемпературного оборудования,работающих в условиях водной среды.3. Выявлено влияние фактора времени развития процесса и тепловыхпараметров льда и воды на динамику роста слоя льда на охлаждаемыхповерхностях.Положения выносимые на защиту1.

Метод расчета динамики намораживания льда на охлаждаемыхповерхностях канонических форм, погруженных в водную среду.2. Результаты теоретического исследования процесса намораживанияводного льда.3. Результаты экспериментальных исследований намораживания водногольда на изотермической поверхности плоской стенки и цилиндрическихповерхностях.4. Конструктивная схема устройства криозахвата (криокюветы) дляизвлечения оболочковых объектов расположенных в водной среде.Личный вклад соискателяУчастие в постановке задачи моделирования процессов теплообмена принамораживании водного льда на поверхностях канонических форм (плоскаястенка, наружная и внутренняя цилиндрическая поверхность).

Расчеты поматематическим моделям. Создание стендов для получения экспериментальныхданных и методики проведения опытов. Сопоставление теоретическихрезультатов с опытными данными, полученными на стендах.9Практическая значимостьРазработана конструктивная схема для подъема и извлечения затопленныхоболочковых объектов с водного шельфа. Представлена методика расчетарежимов работы криокюветы для осуществления процесса смораживаниярабочей поверхности устройства с оболочкой извлекаемого объекта.Проведена оценка прочностных свойств льда на предмет возможностейработы, по подъему грузов с помощью криокюветы.Предложена методика и осуществлен выбор эффективной, по способностинакапливания льда, поверхности намораживания.Апробация работыОсновные положения и результаты исследования по теме диссертационнойработы докладывались и обсуждались на 63-ей Открытой студенческой научнотехнической конференции СНТК Университета машиностроения 22 – 26 апреля2013 г.

(Москва 2013); Международной конференции с элементами научнойшколы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физикинизких температур» 10–12 декабря 2013 г., (Москва, 2013); Научнопрактической конференции посвященной Л.А. Костандова, ноябрь 2014,Университет Машиностроения, (Москва, 2014); Международной научнопрактической конференции «Новейшие технологии освоения месторожденийуглеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем каспийскогошельфа»7Сентября2015г.,(Астрахань2015);Научно-практическойконференции посвященной Л.А. Костандова, ноябрь 2015, УниверситетМашиностроения,(Москва,2015);Научно-практическойконференции«Развитие индустрии холода на современном этапе» 2-3 марта 2016г., (Москва,2016).

Научно-практической конференции «Школа молодых ученых именипрофессора И.М. Калниня» 28 февраля-3 марта 2017г., (Москва, 2017).10ГЛАВА 1. НАУЧНО ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОСТРОЕНИЯМАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССА НАМОРАЖИВАНИЯВОДНОГО ЛЬДА НА ЭЛЕМЕНТАХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГООБОРУДОВАНИЯ1.1. Водный лед, его виды и свойства.Вода представляет собой структурно-сложное соединение водорода(11,9%) и кислорода (88,1%), обладающая важными для льдотехникисвойствами [2].Водный лед – это результат переход воды в твердое состояние при отводеот неё тепловой энергии. В ходе процесса отвода тепла в водной средепроисходитфазовоескачкообразнымпревращениеизменениемпервоговнутреннейрода,энергии,сопровождающеесяобъема,атакжепротекающие с выделением скрытой теплоты фазового перехода, которое дляводы, при околонулевой температуре составляет L=334 кДж/кг.Процессобразования льда часто сопровождается образованием границы фазовогопревращения.Существуют различные виды льда, такие как блочный лед, чешуйчатыйлед, прессованный лед, трубчатый лед, снежный лед, а также бинарный лед.Данные виды льда отличаются между собой формой и способами получения.Водный лед можно так же классифицировать по структуре его кристаллов.Практически весь природный лёд на Земле относится ко льду Ih, такой ледимеет гексагональное кристаллическое строение.

В случаях, когда температураопускается ниже - 120 структура кристаллов льда изменяется иприобретает кубическое строение лед Ic , однако при повышениитемпературы строение такого льда изменяется и он превращается вобыкновенный лед Ih. В лабораторных условиях был получен лед,обладающегоидругимикристаллическимиструктурами,такназываемыйлед высокого давления лед II лед III лед IV лед V лед VI и т.д. . Лед11высокого давления, возникает при давлениях выше 20000 атм., итемпературахниже‐100 3,4 .Внастоящеевремяпродолжаютсяисследованияпополучениюновыхвидов льда высокого давления, а также изучение свойств уже открытыхструктурльда 5‐7 .К основным физическим свойствам льда относятся: плотность ρ,теплоемкость Cp, теплота фазового перехода L, теплопроводность λ, а также,сюда можно отнести, прочностные и адгезионные свойства льда.Плотность водного льда, не содержащего воздушных включений, приатмосферном давлении и температуре 0температуры льда на каждые 10равна 916,8 кг/м3.

При пониженииего плотность увеличивается в среднем на1,5 кг/м3. Большое влияние на плотность льда имеет такой параметр какпористость n. Пористостью льда называют отношение суммарного объема пор,к объему всего льда 3 . Плотность льда можно определить по соотношению(1.1), однако в расчетах плотность льда принимается, как правило, равным ρ917кг/м n=0 [8].  916,9 1  0,000158t 1  n (1.1)Удельная теплоемкость характеризуется количеством тепла, котороенеобходимо передать единицы массы тела для изменения его температуры на 1. Теплопроводность водного льда, зависит, в основном, от давления итемпературы.

При атмосферном давлении теплоемкость уменьшается спонижением температуры. Удельную теплоемкость льда можно рассчитать последующим эмпирическим зависимостям.Формула Джиока и Стаута [9]:Cp  2,108  0,007548·t(1.2)Формула Дикинсона и Осборна [9]:Cp  2,114  0,007787·tИли [8]:(1.3)12Cp  2,117 1  0,0037·t (1.4)Удельная теплоемкость льда немного увеличивается с повышениемтемпературы и почти в два раза меньше чем у воды. В расчетах удельнаятеплоемкость льда как правило принимается постоянной,равный2,12кДж/ кг К [8].Температура плавления льда при повышении давления понижается,причем до давления в =10 Па, данную зависимость можно считать линейной(1.5) погрешность при этом не превышает 1% [8].(1.5)tп  7,8  10 8 pТеплотой фазового перехода называют такое количество теплоты, котороевыделяется или поглощается в процессе фазового перехода первого рода.Теплоту фазового перехода воды - лед можно найти по уравнению КлапейронаКлаузиуса [9]:TPLT  w   I(1.6)где: νw νI - объем жидкости и льда при фазовом переходе, отнесенный к единицемассы, м3/кг.Для расчетов динамики роста слоя льда, одним из важнейших параметровявляется теплопроводность слоя льда λ.

Теплопроводность льда зависит от еготемпературы, и с понижением температуры льда его теплопроводностьувеличивается. Причем в области криогенных температур, зависимостькоэффициентатеплопроводностиоттемпературыподчиняетсягиперболическому закону [10]:КТ(1.7)где : К – размерная константа К=615,34, Вт/м2,Т–температуральда,К. Определить теплопроводность льда, при атмосферном давлении итемпературе от 0 до -130, можно по приближенной эмпирической формуле13Ю.Л. Назинцева (1.8). Уравнение (1.8) позволяет определить λ с точностью нениже ±0,084 Вт/(м· ) [11].  2,24 1  0,0048·t (1.8)Сравнение результатов расчета по формуле (1.7), (1.8) с опытнымиданными представлено на Рисунке 1.1.Рисунок 1.1. Зависимость теплопроводности пресноводного льда оттемпературы, по экспериментальным и теоретическим данным: 1 – D.S.

Dillard,K.D. Timmerhaus; 2 – J.W. Dean, K.D. Timmerhaus; 3 – расчет по формуле Б.Т.Маринюка (1.7); 4 – расчет по формуле Ю.Л. Назинцева (1.8).На теплопроводность льда помимо температуры, незначительное влияниеимеет так же и пористость. Зависимость коэффициента теплопроводности оттемпературы с учетом пористости, рассчитывается по уравнению (1.9):  2,19 1  0,00159·t 2  2n2n(1.9)В расчетах коэффициент теплопроводности льда, в условиях его таянья,как правило, принимается постоянным и равным λ 2,22Вт/ м К [8].14Прочностные свойства льда характеризуются такими понятиями какпредел прочности на растяжение σр, предел прочности на изгиб σиз, пределпрочности на сдвиг σсд и предел прочности на сжатие σсж.На величину предела прочности при растяжении большое влияниеоказывает неоднородность льда.

Для пресноводного льда величина прочностисоставляет 0.9-1.8 МПа, а для морского льда от 0.6 до 1.8 МПа. Причем спонижением температуры льда его прочность увеличивается [9].Предел прочности при изгибе у морского льда ниже, чем у пресноводного.Так же данный показатель сильно зависит от геометрических размеровиспытуемого образца. Согласно ряду исследований [12-13] прочность льда приизгибе для морского льда (для малых балок) составляет 0,35-0,6 МПа, а дляпресноводного льда по оценкам данная величина должна составить примерно1,3 МПа.В тех случаях, когда необходимо увеличить прочностные свойства льда,используют так называемое армирование. Лед армируют с помощью прутковили волокон, при этом прочность такого льда на растяжение (в случае, когдадлинна прутков или волокон равна длине ледяного образца) может бытьрассчитана по формуле:σарσр ∙в∙в(1.10)лгде: σр – прочность льда без армирования, Vв – объем волокон, Eв – модульупругости волокон, Eл – модуль упругости льда.Расчеты показали, что при 6% армировании льда по объему, с помощьюстекловолокна,егопрочностьвозрастаетв4раза.Ааналогичноеэкспериментальное исследование показало увеличение данного параметра в 4,5раза [14].Прочностным свойствам водного льда посвящен ряд исследований[9,12,13,15-18], актуальность которых растет с каждым годом, что связано, повидимому, с увеличением арктических исследований.15Адгезией льда называют его способность примерзать к поверхностямтвердых тел.

Количественным показателем адгезии σад является работа,которую необходимо затратить для разрушения связи между материалом ильдом, на единицы смерзшейся площади, с помощью сдвига.На адгезионные свойства льда большое влияние имеет состояниеповерхности контакта, в первую очередь её температура и шероховатость.Адгезия льда увеличивается при повышении шероховатости и понижениитемпературы [8]. Существует ряд экспериментальных исследований, поснижению адгезии льда к различным поверхностям [19-21].

Характеристики

Список файлов диссертации