Параметрическое возбуждение термомеханических колебаний проволочного нагревателя с целью дистанционного управления интенсивностью теплообмена Кармацкий, Николай Петрович

Введение к работе

- з -

Актуальность работы. При работе тепловых машин и механизмов, у которых температура движущихся частей значительно отличается от температуры окружающей среды, возникает задача отвода тепла от последних с целью предотвращения их разрушения. Интенсивность теплоотдачи между движущимися и неподвижными частями устройства зависит от их относительной скорости. Вместе с тем характер этой зависимости существенно определяется условиями колебательного движения нагревателя - частотой, размахом и ориентацией колебаний горячей детали, ее геометрией и родом материала, наличием воздушной или жидкостной прослойки между теплообмениваощимися частями рассматриваемого устройства и ряда других обстоятельств. Отметим, что особенностям тешюпереноса от колеблющегося нагревателя посвящено большое количество работ многих исследователей, однако в предлагаемой диссертационной работе главное внимание уделяется интенсификации теплоотдачи в процессах, где вибрации струны параметрически самовозбуждаются в результате питания ее периодическим импульсным током. Процесс параметрического возбуждения вибраций тонкого нагревателя, расположенного внутри трубы, по которой протекает жидкость, может оказаться весьма полезным для управления интенсивностью теплоотдачи в труднодоступных элементах ядерных и космических реакторов.

Цель работы заключалась в теоретическом и экспериментальном изучении зависимости коэффициента теплоотдачи от вертикально натянутой тонкой проволоки, совершающей поперечные колебания и обогреваемой постоянным или импульсным током, выяснение роли частоты и амплитуды указанных колебаний, а также влияние характера импульсного тока на параметрическое самовозбуждение интенсивных

- 4 -вибраций электрической струны и усиление теплопереноса от нее к окружающей среде.

В результате этих экспериментальных исследований определить условия, позволяющие дистанционно и эффективно управлять интенсивностью процесса теплопереноса.

Научная новизна. 1. Создана экспериментальная установка и разработана методика исследования зависимости коэффициента теплоотдачи J~ от параметров параметрически самовозбуждающихся поперечных колебаний струны, обогреваемой переменным или импульсным электрическим током.

2. Применена новая методика параметрического управления интенсивностью осцилляции теплоотдающей струны, позволяющая изменять амплитуды в значительных пределах и тем самым управлять значением коэффициента теплоотдачи JL.

1. Экспериментально установлены эмпирические зависимости коэффициента теплоотдачи, X от амплитудыJ и частоты ш поперечных колебаний струны, а также от произведения , ориентации и геометрии тонкого цилиндрического нагревателя, величины теплового потока q, и других условий процесса.

2. Теоретически и экспериментально определены оптимальные параметры переменного и импульсного токов, питающих тонкий вертикально расположенный нагреватель, необходимых для параметрического самовозбуждения его горизонтальных вибраций и наиболее быстрого нарастания размаха этих вибраций и связанного с ними коэффициента теплоотдачи.

3. Выяснепа ^эффективность метода интенсификациии теплообмена н условиях естественной конвенции с помощью термомеханических и

- 5 -механотермических колебаний тонкого вертикального цилиндра.

6. Выяснены влияния частотных и фазовых соотношений на интенсивность термомеханических колебаний тонкого цилиндра в воздушной среде и тем самым выработаны рекомендации для максимального увеличения коэффициента теплоотдачи.

7. Сработан метод комбинированного использования обычного и параметрического резонансов для получения больших апмлитуд поперечных колебаний цилиндрического нагревателя, усиливающих теп-лоперенос к окружающей сплошной среде.

Практическое значение.

1. Разработана методика совместного применения обычного ре
зонанса возбужденных поперечных колебаний тонкого цилиндрического
нагревателя из ферромагнитного материала посредством периодичес
ких воздействий внешнего магнитного поля с одновременным переоди
ческим изменением натяжения проволоки, т.е. создание параметри
ческих модуляций достаточной глубины. Частоты тех и других воз
действии определялись собственной частотой вибрирующей проволоки,
таким образом, что в системе одновременно могли возникнуть обыч
ные и параметрические резонансы, что позволило получить попереч
ные колебания обогреваемой проволоки особенно больших амплитуд и
соответственно максимальные значения.коэффициента теплоотдачи от
нагревателя к окружающей среде в условиях естественной конвекции.

Эта методика может оказаться чрезвычайно полезной в тех практических обстоятельствах, когда необходимо срочно усилить теплоперенос к окружающей нагреватель жидкой среде, особенно когда энергетическая установка или аппаратура расположены в местах, недоступных для прямого вмешательства оператора.

2. Несомненную практическую пользу для управления процессом

- 6 -теплообмена между твердым телом и окружающей его газожидкостной средой в условиях естественной конвекции принесет разработанный в диссертации способ параметрического самовозбуждения термомеханических колебаний обогреваемого переменным или импульсным электрическим током тонкого цилиндра, расположенного на больших расстояниях в труднодоступных или совершенно недоступных элементах ядерных силовых реакторах или в реактивных двигателях космических летательных аппаратов.

3. Для современной практической теплотехники во многих случаях для расчетов интенсивности теплоотдачи окажутся полезными выясненные в диссертации зависимости коэффициента а от параметров вибраций нагревателя (амплитуды , частоты и), произведения Ju), теплового потока О , температурного напора ,Т, длины и диаметра теплоотдаодего цилиндра, теплопроводности материала цилиндра, положения цилиндра в пространстве и направления его поперечных колебаний.

4. Определенную практическую ценность для теории колебаний вообще и гидродинамики колеблющихся потоков жидких сред представят выясненные в диссертации оптимальные соотношения частот и глубин модуляции для параметрического возбуждения термомеханических колебаний теплоотдающего или тепловоспринимающего тонкого твердого тела.

Основные положения, выносимые на защиту. 1. Установление факта, что для дистанционного управления интенсивностью теплообмена в труднодоступных элементах энергетических установок или аппаратов следует применять питаемые переменным или импульсным ^сом тонкие нагреватели, способные совершать параметрические термомеханические колебания в окружающей жидкой или

- 7 -газообразной среде.

2. Чтобы теплоотдающее тело пришло в параметрическое колебательное движение и при этом существенно возрос коэффициент теплоотдачи питающий переменный (импульсный) ток должен удовлетворять определенным условиям; наиболее благоприятным для указанной цели является ток, частота о> которого равна собственной частоте твибрирующего нагревателя, а амплитуда достаточно велика, при этом глубина модуляции (натяжения струны) столь значительна, что приток параметрической энергии в систему превышает диссипативные потери (трение, джоулево тепло, вязкость среды и т.п.).

3. Экспериментальные результаты, определившие зависимость коэффициента теплоотдачи X вертикально натянутой обогреваемой проволоки от амплитуды Л поперечных (горизонтальных) колебаний в условиях естественной конвенции окружающей воздушной среды.

4. Экспериментальные результаты, позволившие определить зависимость коэффициента теплоотдачи X вертикально натянутой тонкой обогреваемой проволоки от частоты Ю ее поперечных колебаний при определенном значении частоты W. собственных колебаний струны в жидкой или газообразной среде.

5. Экспериментальные результаты исследования зависимости коэффициента теплоотдачи X , совершающей поперечные колебания вертикально расположенной струны, питаемой переменным или импульсным током, от величины теплового потока ^, температурного напора дТ, длины, диаметра и материала струны в воздушной среде в условиях естественной конвекции.

Апробация работы. Основные результаты диссератации были доложены на физическом семинаре СГПУ, на отчетной научной конференции Ставропольского педагогического университета.

Публикации. По результатам исследований были опубликованы

- 8 -три печатных работы, в т.ч. две статьи в научном журнале ИФЖ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, изложена на 120 страницах, включая 1 таблицу, 20 рисунков и список литературы из 116 наименований.