ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..................................................4
ВВЕДЕНИЕ.......................................................................5
1. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЕ И ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................10
1.1. Влияние электрического поля на зародышеобразование в диэлектрической жидкости 10
1.2. Влияние электрического поля на теплообмен при кипении диэлектрической жидкости. 12
1.2.1. Влияние электрического поля на свойства............................12
1.2.2. Влияние электрического ноля на конвективный теплообмен.............16
1.2.3. Влияние электрического поля на теплообмен при пузырьковом кипении..20
2. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЕ И ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ. ТЕОРИЯ 35
2.1. Условия равновесие фаз двух диэлектрических сред в присутствии внешнего электрического поля...........................................................35
2.1.1. Условия равновесия однофазной системы во внешнем поле..............35
2.1.2. Условия равновесия двухфазной системы во внешнем поле..............36
2.1.3. Условия на границе раздела фаз двух диэлектрических сред в присутствии электрического поля...................................................40
2.2. Силы электрической природы в диэлектрической среде.......................43
2.2.1. Влияние электрического поля на конвективный теплообмен.............43
2.2.2. Поверхностные электрические силы на границе жидкость - газ.........44
2.2.3. Силы, действующие на пузыри пара в жидкости........................45
2.3. Расчет времени роста и отрывных диаметров пузырей в поле.................46
2.3.1. Отрывной радиус в отсутствие поля..................................46
2.3.2. Расчет в однородном электрическом поле.............................47
2.3.3. Расчет в неоднородном электрическом поле для полевой ловушки.......48
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЕ И ЛОКАЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕН.................................51
3.1. Экспериментальная установка..............................................51
3.2. Рабочий участок для исследования локального теплообмена..................52
3.3. Результаты экспериментов.................................................54
3.3.1. Однородное электрическое поле - гладкая горизонтальная поверхность 54
2
3.3.2. Неоднородное электрическое иоле - горизонтальная поверхность со штырьком. .................................................................55
3.3.3. Влияние высоты штырька..........................................57
3.3.4. Исследование локального теплообмена на поверхности с гофром.....61
3.4. Механизм попадания зародышевых пузырей в полевую ловушку..............65
3.5. Обсуждение результатов экспериментов..................................66
4. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА СРЕДНИЙ ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ...................................................68
4.1. Рабочий участок для исследования среднего теплообмена.................68
4.2 Исследование теплообмена на поверхностях с треугольными ребрами........72
4.2.1 Неравносторонние треугольные ребра...............................72
4.2.3 Равносторонние треугольные ребра.................................76
4.3. Исследование теплообмена на поверхностях с прямоугольными ребрами.....77
4.4. Визуальное наблюдение процесса кипения в электрическом поле...........79
4.5. Обсуждение результатов экспериментов..................................81
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................83
ЛИТЕРАТУРА................................................................85
ПРИЛОЖЕНИЕ 1: ПРОГРАММА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАНИЙ ТЕРМОПАР 94
ПРИЛОЖЕНИЕ 2: ТАБЛИЦЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.............................96
3
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
А - работа образования зародыша, Дж;
О - диаметр , м;
Е - напряженность электрического поля, В/м;
Т7 - сила, Н;
Н - расстояние от вершины ребра до электрода, м;
£ - расстояние между обогреваемой поверхностью и электродом, м;
Р - давление, Г1а;
Я - радиус , м;
Т - температура, К;
V - напряжение, В;
V - объем, м3;
{ - удельная сила, Н/м ;
И - высота неоднородности на обогреваемой поверхности, м;
q - плотность теплового потока, Вт/м ;
V - удельный объем, м3/кг;
£ - относительная диэлектрическая проницаемость;
£о - электрическая постоянная, Ф/м;
/./ - химический потенциал, Дж/кг;
р - плотность, кг/м3;
сг - поверхностное натяжение, Н/м;
<т£. - электрическая проводимость, См/м;
тв - время релаксации электрического заряда, с.
4
ВВЕДЕНИЕ
Интенсификация теплообмена при фазовых превращениях является одной из основных задач инженерной теплофизики. Методы интенсификации теплообмена можно разделить на два типа: пассивные и активные, связанные с воздействием внешних полей на систему. Примерами пассивных методов интенсификации теплообмена являются: оребрение, использование пористых покрытий, использование поверхностно-активных веществ. Примерами активных методов интенсификации теплообмена являются воздействия на среду с помощью акустических, электрических и магнитных полей.
Воздействие электромагнитных полей на системы, состоящие из разных фаз, может приводить к изменению параметров фазового равновесия, изменению границ термодинамической устойчивости, приводить к созданию дополнительных сил, влияющих на гидродинамику процессов при фазовых превращениях. Эти эффекты могут оказывать существенное воздействие на тепловые процессы. Задачи экспериментальных и теоретических исследований влияния электрического поля на процессы теплообмена важны как для развития физики тепловых процессов при фазовых превращениях, так и для решения прикладных задач, связанных с разработками и созданием нового высокоэффективного и энергосберегающего оборудования.
В электрических аппаратах высокого напряжения, а также в блоках электронной аппаратуры часто используются жидкие диэлектрики, которые представляют собой электроизоляционные жидкости. Применение жидких диэлектриков обусловлено двумя качествами этих веществ: их высокой электрической прочностью и их способностью, как жидкостей, отводить большие потоки тепла от нагретых элементов. Ухудшение теплообмена в таких системах может привести к созданию аварийной ситуации. Не менее важным вопросом является изучение влияния электрического поля на парообразование в таких системах, т.к. появление паровой фазы в жидком диэлектрике существенно снижает его электрическую прочность.
5
В работах [1 - 4] на основе термодинамического анализа устойчивости однородного состояния перегретой диэлектрической жидкости при воздействии электростатических полей, показано, что наличие поля инициирует зародышеобразование и вскипание жидкости.
Цель работы:
1. Экспериментапьное исследование зародышеобразования в диэлектрической жидкости в присутствии внешнего электростатического поля.
2. Экспериментальное исследование интенсификации теплообмена при кипении диэлектрической жидкости в неоднородном электрическом поле.
3. Экспериментальное исследование размерных эффектов при кипении диэлектрических жидкостей в неоднородном электрическом поле.
Содержание работы.
Во введении обоснована актуапьность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, определена практическая значимость.
Первая глава посвящена обзору работ по исследованию влияния электрического поля на зародышеобразование и теплообмен при кипении диэлектрической жидкости во внешнем электрическом поле.
Во второй главе рассмотрена теория, описывающая влияние электрического поля на зародышеобразование, описано действие сил электрической природы в однофазной жидкости и на 1ранице жидкость - газ, выполнено сравнение Архимедовой силы, действующей на пузырек в жидкости и электрической силы, действующей на пузырек в неоднородном электрическом поле. В конце г лавы приведены расчеты отрывного диаметра, растущего на обогреваемой поверхности пузыря в присутствии электрического поля.
Третья глава посвящена экспериментальному исследованию влияния электрического поля на зародышеобразование и локальный теплообмен. В
6
начале главы приведено описание экспериментальной установки и методики эксперимента, далее представлены результаты экспериментов, рассмотрен механизм попадания зародышевых пузырьков в полевую ловушку.
Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию осредненного теплообмена. В начале главы дано описание рабочего участка и методики эксперимента, затем приведены результаты экспериментов для кипения на поверхностях с треугольными и прямоугольными ребрами.
В заключении приведены основные выводы по работе.
Научная новизна.
В диссертации получены следующие новые результаты:
• экспериментально исследован локальный теплообмен при кипении жидкого азота, результаты экспериментов подтвердили теоретические выводы работ [1-3], предсказывающие облегчение зародышеобразования в диэлектрической жидкости при воздействии внешнего электрического поля.
• экспериментально обнаружен новый эффект полевых ловушек при кипении в неоднородных полях в основаниях выступов на обогреваемой поверхности и показано, что для интенсификации локального теплообмена, характерные неоднородности на обогреваемой поверхности должны быть порядка 1.5-3 отрывных диаметров пузырей без поля.
• выполнена серия экспериментальных исследований, показывающая возможность интенсификации среднего по поверхности теплообмена при кипении диэлектрической жидкости в неоднородном электрическом поле с использованием эффекта полевых ловушек.
Практическая ценность.
Полученные результаты подтверждают выводы работ [1-4], предсказывающие смещение параметров фазового перехода жидкость - пар в стороны меньших перегревов поверхности в присутствии внешнего электрического поля. Новый эффект полевых ловушек открывает новые
7
возможности управления тепломассообменом при кипении диэлектрических жидкостей и его интенсификации с помощью внешних электрических полей.
Автор защищает перечисленные выше результаты теоретических и экспериментальных исследований. Апробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на национальных и международных конференциях, в том числе: Российские национальные конференции по теплообмену (РНКТЗ, РМКТ4, РНКТ5 Москва 2002, 2006, 2010), XIV, XV и XVI Школы-семинары молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева (Рыбинск 2003, Калуга 2005, Санкт-Петербург 2007), 2003 ASME International Mcchanical Engineering Congress (Washington DC 2003), 6,h International Conference on boiling heat transfer (Spoleto, Italy, 2006), 5th European Thermal-Sciences Conference, EUROTHERM2008 (Eindhoven, The Netherlands, 2008). Публикации по работе.
По теме диссертации опубликовано 3 статьи в журнале “Теплофизика высоких температур” и 12 работ, включенных в труды национальных и международных конференций.
Работа выполнялась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (02-02-17255, 05-02-17582, 05-08-33713, 08-08-00708), Программ фундаментальных исследований ОЭММГГУ РАН “Устойчивость фазовых состояний и критические режимы тепломассопереноса” и «Тепловые процессы и кризисные явления при фазовых и химических превращениях в неоднородных и микроструктурированных средах» и гранта CRDF (грант № RP1-2337-ST-02).
8
- Київ+380960830922