Введение к работе
Актуальность проблемы и иель работы. Во многих технологических процессах энергетики, химии, металлургии и других используются дисперсные системы, такие как псевдоожиженный и виброожиженный слой и дисперсные потоки.
Интенсивное перемешивание фаз в таких системах обеспечивает высокую степень температурной и концентрационной однородности и высокую интенсивность процессов тепло- и массообмена.
Служебные свойства дисперсных систем во многом обусловлены процессами взаимодействия фаз. При решении многих задач считают, что фазы находятся в равновесии.
Для интенсивных процессов межфазного взаимодействия последнее не всегда оправдано, поскольку возникающие неравновесные процессы приводят к дополнительным эффектам, для исследования которых с успехом могут быть использованы методы термодинамики необратимых процессов, в частности, аппарат теории релаксации, и статистические методы. Релаксационные методы позволяют получить эффективные свойства неравновесной дисперсной среды и динамические уравнения состояния, описывающие протекание процессов во времени. В результате релаксационного анализа удаётся вывести достаточно простые формулы, удобные для практического использования.
Для интенсификации процессов в дисперсных системах на них часто накладывают внешние возмущения, включая и акустические воздействия. Отклик системы на эти возмущения в ряде случаев носит нелинейный характер. Изучение таких откликов позволяет не только управлять процессами, но и даёт новую информацию о физических свойствах дисперсных систем.
Взаимодействие фаз играет также важную роль в процессах теплопе-
редачи, в частности, при конденсрциюгдадаоЯРвижжу гях теплообмена.
Использованные в настоящей работе методы и полученные результаты применимы и к природным системам: атмосферные аэрозоли, дымы, туман и т.д.
Целью работы является дальнейшее развитие термодинамических и статистических методов исследования свойств многофазных сред и процессов в них и приложение этих методов к инженерным расчетам энергетических и технологических установок, а также к природным явлениям и процессам с целью углубления понимания их механизмов.
Поставлены следующие задачи, решение которых выносится на зашиту:
вывод кинематических соотношений для полидисперсных сред методом пространственного усреднения точных кинематических уравнений для фаз в несвязных областях;
исследование вязкости разбавленных суспензий с учётом гидродинамического взаимодействия фаз;
теоретическое и экспериментальное исследование электропроводности псевдоожиженного слоя;
моделирование динамических свойств дисперсных сред с твёрдыми включениями методами релаксационного аппарата неравновесной термодинамики;
теоретическое исследование процессов распространения акустических и слабых ударных волн в слабо- и высококонцентрированных дисперсных средах типа кипящий или виброожиженный слой с учётом теплового и гидродинамического взаимодействия и фазовых переходов;
экспериментальное определение скорости звука в разбавленном кипящем слое;
теоретическое исследование механизма возбуждения и устойчивости колебаний параметров в системе "псевдоожиженный слой - воздуходувка (насос)" с учётом обратной связи;
- анализ свойств псевдоожиженного слоя методами статистической
механики;
— обобщение задачи Нуссельта по теплообмену при плёночной кон
денсации на произвольные криволинейные поверхности и решение этой
задачи для частных случаев.
Научная новизна работы заключается:
в разработке методов исследования процессов вязкого трения и электропроводности дисперсных систем с использованием аппарата термодинамики необратимых процессов;
в выводе динамических уравнений состояния полидисперсных сред с использованием релаксационного формализма неравновесной термодинамики с учётом теплового, гидродинамического и массообменного взаимодействия между фазами;
в теоретическом и экспериментальном исследовании распространения акустических и слабых ударных волн в смесях «газ - твёрдые частицы» и во влажном паре;
в исследовании устойчивости однородного псевдоожижения;
в статистическом и термодинамическом анализе поведения псев-доожиженных систем в конфигурационном пространстве;
в обобщении задачи Нуссельта для вычисления коэффициента теплоотдачи при плёночной конденсации на твёрдых поверхностях с использованием аппарата ковариантного дифференцирования.
Лостоверность результатов обусловлена применением современных физических представлений и математических методов анализа, а также согласием с имеющимися в литературе теоретическими и экспериментальными данными.
Практическая значимость работы и реализаиия ее результатов.
Решения конкретных задач доведены до конечных формул, которые, по существу, являются основой инженерных методик термодинамического
и статистического анализа и расчёта тепловых и гидродинамических процессов в технологических и энергетических установках.
Результаты работы использованы в научно-исследовательских и производственных организациях энергетики и металлургии, а также в учебном процессе высших учебных заведений, о чем свидетельствуют справки, приведённые в приложениях.
Автор внёс личный вклад в постановку проблемы и выполнил решения конкретных задач гидродинамического, термодинамического и статистического анализа, имеющих важное научное и практическое значение для энергетики и других технологий, выполнил экспериментальное исследование распространения звука в кипящем слое, а также принимал участие в других экспериментальных исследованиях на стадиях постановки эксперимента, обработки экспериментальных данных и обсуждения результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в 40 статьях и трудах конференций и доложены на 12 конференциях, совещаниях и симпозиумах (из них 22 публикации относятся к изданиям, рекомендуемым ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций): международный симпозиум «Термофлюид - 1973» (Польша, Ченсто-хов); VIII международный конгресс «ХИСА - 84» (Чехословакия, Прага); XVI международный симпозиум «Тепломассоперенос» (Югославия, Дубровник, 1984); всесоюзное научно-техническое совещание «Создание высокоэффективных сушилок для многотоннажных производств» (Москва, 1971 г.); IVВсесоюзное совещание по тепло- и массообмену (Минск, 1972 г.); всесоюзная конференция «Теплофизика и гидрогазодинамика процессов кипения и конденсации» (Рига, 1982 г.); VII Всесоюзная конференция по тепломассообмену «Тепломассообмен-VII» (Минск, 1984 г.); Ш научно-техническая конференция Уральского политехнического института (Свердловск, 1970 г.); I научно-техническая конференция молодых учёных и специалистов Уральской зоны «Научно-технический прогресс в про-
мышленности» (Свердловск, 1974 г.); Областная научно-техническая конференция «Вклад учёных и специалистов в развитие химико-лесного комплекса» (Екатеринбург, 1997 г.); П Российская национальная конференция по теплообмену «РНКТ-2» (Москва, 1998 г.); юбилейная научно-техническая конференция, посвященная 40-летию теплоэнергетического факультета ЕОУВПОУЕТУ-УПИ (Екатеринбург, 2004 г.).
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложений и списка литературы, включающего 343 наименования, изложена на 257 страницах, включает 50 рисунков и 7 таблиц.
Ключевые слова:, дисперсная система, псевдоожиженный слой, электропроводность, термодинамика, статистическая механика, производство энтропии, релаксационный формализм, динамическое уравнение состояния, скорость звука, ударные волны, автоколебания, конденсация.
Похожие диссертации на Разработка теории и методов расчета взаимодействия фаз рабочих тел энергетических и технологических установок
