Введение к работе
Актуальность работы. Органические жидкости находят широкое применение в промышленности. Это сырьё и продукты химической и нефтехимической промышленности, топливо и смазочные материалы в авиации и автомобильном транспорте и др.
Многие органические жидкости в той или иной степени полупрозрачны в инфракрасной области. Теплообмен между такими жидкостями и ограждающими поверхностями при отсутствии конвекции осуществляется молекулярной (кондуктивной) теплопроводностью и излучением. Соотношение между молекулярными потоками тепла и потоками тепла, передаваемыми излучением, зависит от оптических постоянных (коэффициента поглощения и показателя преломления) жидкости и радиационных характеристик (степень черноты, поглощательная способность) и индикатрисы рассеяния ограничивающих поверхностей.
Вклад радиационного потока в полный радиационно-кондуктивный поток также существенно зависит от температуры жидкости и геометрического фактора – толщины слоя. Доля радиационного потока может достигать нескольких десятков процентов.
Поле температур в слое жидкости формируется под влиянием кондуктивных и радиационных потоков тепла. Количественные оценки сложного радиационно-кондуктивного теплообмена во многом сдерживаются отсутствием данных по молекулярным коэффициентам теплопроводности и оптическим характеристикам органических жидкостей.
Одной из проблем, связанных с радиационно-кондуктивным теплообменом, является нахождение молекулярной составляющей коэффициента теплопроводности. Особенно это важно при высоких температурах, когда доля радиационного переноса тепла значительна.
Большинство данных по коэффициентам теплопроводности, приводимых в справочной литературе, являются эффективными, содержащими как молекулярную, так и радиационную составляющие. Справочные данные по коэффициентам теплопроводности получены в основном методом нагретой нити.
Спектры органических жидкостей измеряются, как правило, при комнатной температуре. Предназначены они для спектрального анализа и приводятся в справочной литературе в виде рисунков малого формата. Пользоваться ими для численных расчетов затруднительно.
В современной химической, нефтехимической и других отраслях промышленности встречаются задачи радиационно-кондуктивного теплообмена при температурах до 500К и выше. Результаты экспериментальных и численных исследований, имеющиеся в литературе, получены в существенно отличающихся друг от друга условиях, что не позволяет использовать их для разработки численно-экспериментального метода определения необходимого числа параметров радиационно-кондуктивного переноса тепла в жидкостях. В работах научной теплофизической школы Казанского государственного технологического университета проведено комплексное исследование радиационно-кондуктивного переноса тепла в жидкостях. Выполнено измерение молекулярной теплопроводности жидкостей. Проведены экспериментально-теоретические исследования радиационно-кондуктивного переноса тепла в плоских слоях полупрозрачных жидкостей в селективной постановке.
Аналогичные исследования радиационно-кондуктивного теплообмена в цилиндрических коаксиальных слоях жидкостей в селективной постановке отсутствуют.
Диссертационная работа направлена на решение актуальной задачи экспериментально-теоретического исследования радиационно-кондуктивного переноса тепла (анализ распределений температур и радиационных потоков тепла, расчет молекулярной и радиационной составляющих коэффициента теплопроводности) в селективной постановке в цилиндрических коаксиальных слоях поглощающих и излучающих жидкостей.
Цель работы и задачи исследования. Цель диссертационной работы – разработка в селективной постановке экспериментально-теоретической математической модели и численного метода расчета радиационно-кондуктивного теплообмена в цилиндрических коаксиальных слоях полупрозрачных органических жидкостей. Исследование распределения температур и радиационных потоков тепла в слоях полупрозрачных органических жидкостей. Расчет коэффициентов молекулярной и радиационной теплопроводности исследованных жидкостей.
Поставленная цель достигается решением следующих задачи:
- разработка стенда и измерение спектров пропускания исследуемых жидкостей, расчет коэффициентов поглощения и показателей преломления;
- разработка экспериментально-теоретической математической модели теплообмена в цилиндрических слоях органических жидкостей, позволяющей анализировать закономерности радиационно-кондуктивного теплообмена, а также численное моделирование распределения температур, радиационных потоков, коэффициентов молекулярной и радиационной теплопроводности жидкостей, разработка алгоритма для их расчета.
Научная новизна.
- измерены спектры пропускания н-октана, бензола, толуола, этилбензола, мета-ксилола, изопропилбензола, ацетона, метилбутилкетона и метиламилкетона, рассчитаны коэффициенты поглощения в широком интервале температур от комнатной до температуры кипения; 1-гексена при давлениях до ~10 МПа в интервале температур от 345К ло 440К;
- впервые определены показатели преломления этих жидкостей;
- разработана экспериментально-теоретическая модель теплообмена в цилиндрических слоях полупрозрачных жидкостей в селективной постановке;
- установлен характер распределения температур и радиационных потоков тепла в цилиндрических коаксиальных слоях полупрозрачных жидкостей;
- проведен расчет коэффициентов радиационной и молекулярной теплопроводности исследованных жидкостей.
Практическая значимость. Результаты работы, представленные в виде экспериментально-теоретической модели, позволяющей рассчитывать распределение температур, радиационную и молекулярную составляющие полного потока тепла в цилиндрических слоях органических жидкостей в широких интервалах изменения температур, служат для: расчета и проектирования теплообменного оборудования нефтехимических производств, в которых используются исследуемые в работе жидкости.
расчета радиационного и радиационно-кондуктивного теплообмена в различных теплотехнических устройствах;
снижения энергозатрат при использовании теплообменного оборудования, где нагреваемыми или охлаждаемыми средами являются полупрозрачные органические жидкости.
Автор защищает:
результаты экспериментальных исследований спектров пропускания и оптические характеристики (спектральные коэффициенты поглощения и показатели преломления) десяти органических жидкостей: н-октана, 1-гексена, бензола, толуола, этилбензола, мета-ксилола, изопропилбензола, ацетона, метилбутилкетона и метиламилкетона;
экспериментально-теоретическую математическую модель переноса тепла в цилиндрических слоях полупрозрачных органических жидкостей в селективной постановке, позволяющую установить закономерности переноса тепла и проводить расчеты радиационно-кондуктивного теплообмена в селективной постановке;
методы и алгоритмы численно-экспериментального определения коэффициентов радиационной и молекулярной теплопроводности, распределения температур и радиационных потоков в цилиндрических коаксиальных слоях полупрозрачных органических жидкостей в рамках селективной модели на основе имеющихся данных по результатам измерений эффективного коэффициента теплопроводности. Комплекс коэффициентов молекулярной и радиационной теплопроводности исследованных жидкостей.
Апробация работы и научные публикации.
По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, 5 статей, 3 из них в журнале, рекомендуемом по списку ВАК Российской Федерации. Основные положения диссертационной работы докладывались на XI Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (г.Санкт-Петербург-2005 г.); на VII Всероссийском семинаре «Сеточные методы для краевых задач и приложения» (г.Казани-2007г.); на ежегодных научных конференциях Казанского государственного технологического университета в 2004-2007 гг.
Личный вклад. Все основные результаты получены лично автором. Использованные материалы других авторов помечены ссылками. В постановке задач и обсуждении результатов принимал участие научный руководитель д.т.н., профессор Аляев В.А.
Достоверность полученных результатов обеспечивается:
-
-
Корректными измерениями с использованием высокоточных приборов.
-
Согласованностью измеренных спектров пропускания с имеющимися в литературе.
-
Применением в процессе вывода расчетных зависимостей фундаментальных физических и математических понятий и методов.
-
Экспериментальной проверкой экспериментально-теоретической модели теплообмена в цилиндрических слоях жидкостей.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 171 страницу машинописного текста и состоит из введения, трех глав основного текста, 57 рисунков, 12 таблиц, приложения и выводов. Список литературы включает 102 наименования.
Похожие диссертации на Экспериментально-теоретическое исследование радиационно-кондуктивного теплообмена в цилиндрических коаксиальных слоях полупрозрачных органических жидкостей
-
