авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Моделирование тепломассообменных процессов в мерзлых породах с подвижной ледовой компонентой

-- [ Страница 3 ] --

Термоэлектрополяризация. Термополяризационные свойства среды проявляются в возникновении разности электрического потенциала на границах образца в градиентном поле температуры. В настоящем параграфе представлены результаты расчета потенциала термоэлектрополяризации закрытой ячейки (JV = Js = Je = 0) пористой среды с включениями льда. Градиент температуры вызывает движение льда относительно мелкопористой среды, что в свою очередь приводит к фильтрации раствора и появлению градиента концентрации. Таким образом, потенциал термоэлектрополяризации прямо связан с работой двух механизмов – диффузионного и двойного электрического слоя.

Система уравнений для нахождения разности давления p, концентрации cs и электрического потенциала на основаниях ячейки от разности температуры T следует из общих соотношений (19)

где .

Принимая во внимание нулевое значение Ceq и Csq, после соответствующих преобразований последнего соотношения величина термоэлектрополяризации представляется в следующем виде (Рис. 11):

где - элемент матрицы обратной .

Величина термоэлектрополяризации увеличивается в уменьшением концентрации раствора, слабо зависит от гидропроводности мелкопористой части среды и достигает порядка 1 в/град при концентрации раствора 104 моль/л.

Механизм двойного электрического слоя вносит существенный вклад в термоэлектрополяризационный свойства системы. Так, если мелкопористая среда не обладает электроосмотическими свойствами (Рис. 12), то величина термоэлектрополяризации становится меньше почти на порядок и не превышает 400 мВ/град.

Приведенные данные показывают, что электроосмос, потоковый потенциал, термоэлектрополяризация среды становятся слабее с увеличением концентрации порового раствора.

Осмотические и электроосмотические свойства мелкопористой части бипористой среды могут существенно влиять на свойства бипористого материала со льдом в области высоких концентраций раствора (Рис. 4 и 7, 5 и 9) или в области малых концентраций (Рис. 11 и 12).

Глава 5. Экспериментальное исследование тепломассообменных свойств водонасыщенной керамики с включением льда

В данной главе представлены описание экспериментальной установки, методика эксперимента и результаты измерения коэффициентов переноса ячейки бипористой среды, насыщенной дистиллированной водой. Обнаружено количественное расхождение величин, полученных в опыте и вычисленных из теории. Проанализированы и указаны наиболее вероятные причины этого.

В первом параграфе изложена методика проведения эксперимента.

Для изучения тепломассообменных свойств мерзлых пористых материалов вблизи температуры начала замерзания сконструирована экспериментальная установка, основной блок которой изображен на Рис. 13. В качестве объекта исследования выбрана модельная ячейка бипористой среды - цилиндр из пористой керамики с полостью (Рис. 13б). Пористая среда сбоку полости собрана из трех колец керамики, разделенных тонким слоем герметика. Тем самым предполагается, что весь поток массы через среднюю часть образца будет переноситься включением льда посредством режеляции.

Основные характеристики образца и элементов основного блока установки приведены в таблице 1.

Таблица 1

Диаметр (внешний), мм Высота, мм Коэффициент теплопроводности, Вт/(мград) Коэффициент гидропроводности, м2/(Пас)
Полость (лед) 20,2 16,5 2,2 0
Керамика) 29,7 26,9 1,4 1,910-13
Обойма 32,2 26,9 0,35 0
Эталонный цилиндр 44,5 31,4 0,21 0

Подготовительный этап опыта включает следующие работы: вакуумирование образца и подводящих трубок, заполнение системы дегазированной водой, одностороннее замораживание керамического образца и последующая оттайка подводящих трубок (7) и емкостей (14) (Рис. 13), домораживание воды в полости. По времени подготовительный этап занимает от трех суток до недели.

Керамика служит фазовым барьером от проникновения льда в емкости (14) вплоть –0,05 °C.

В эксперименте измеряются величины потоков тепла и массы через образец, вызванные разностью давлений жидкости в капиллярных трубках (7) или разностью температур латунных пластин (2). Для определения величины теплового потока служат эталонные цилиндры (3), а поток жидкости находится по движению мениска жидкости в калиброванных капиллярных трубках. Величина температуры измеряется в четырех точках 8 (Рис. 13а) при помощи разностных медь-константановых термопар.

Опорный спай термопары поддерживается при температуре 0 °С, посредством его погружения в термос с дистиллированной водой и измельченным льдом. В свою очередь термос размещается в холодильнике с температурой воздуха незначительно выше 0 °С.

При помощи термостата проведено определение абсолютной погрешности системы измерения, которая составляет не более ±0,01 градуса. Погрешность в измерении разности температур дифференциальным методом - менее ±0,004 градуса.

Для большинства измерений среднеквадратичное отклонение среднего значения температуры теплообменников не превышает 0,0005 градуса, латунных пластин - 0,005 градуса.

Для сравнения результатов измерений с теорией создана вычислительная программа по решению сопряженных тепловой задачи во внутренней области основного блока и задачи фильтрации в керамике. Входными параметрами являются температура теплообменников (5) и давление в трубках (7) (Рис. 13а). Программа находит скорость движения льда в полости ячейки, температуру латунных пластин (2), также величины потоков тепла и жидкости через основания образца.

В втором параграфе приведены результаты изучения тепломассопереноса через образец под действием градиента давления жидкости. Порядок измерения следующий. Перед началом опыта устанавливается одинаковая температура теплообменников (5) и, как следствие, латунных пластин (2) с точностью 0,01 градуса при нулевом перепаде давления. Затем последовательно в течение 1 суток поддерживается разность давлений в капиллярах (7) из следующего ряда значений: 0,37; 2,3; 12; 32; 64 кПа.

На рис. 14 представлены результаты измерений потока воды через образец под действием градиента давления жидкости при различных средних температурах образца.

Эксперимент показывает, что величина потока массы через образец уменьшается с понижением средней температуры. Это может быть объяснено гидравлическим сопротивлением пленки незамерзшей воды, разделяющей лед и каркас пористой среды. Однако сравнение с теорией, в которой этот фактор исключен из рассмотрения, показывает, что расчетная величина потока массы меньше наблюдаемой в эксперименте. Может быть истинное значение скорости движения льда выше теоретического?

В качестве индикатора скорости движения льда служит разность температур латунных пластин (2) (Рис. 15). При сближении со стенкой столбик льда плавится с поглощением тепла. На противоположной стороне включения происходит обратный процесс - замерзание воды и выделение тепла. Разделенные в пространстве источники и стоки тепла изменяют температурное поле окружающей среды и создают перепад температуры на пластинах, который пропорционален скорости движения льда. Экспериментальные данные на рис. 15 показывают, что с понижением средней температуры образца уменьшается перепад температуры на пластинах, а значит и скорость движения льда в полости. Такое поведение системы может быть объяснено зависимостью гидравлического сопротивления пленки незамерзшей воды от температуры. Не противоречит этому объяснению и то, что экспериментальные точки оказываются ниже расчетных – в теории гидравлическое сопротивление не принимается во внимание.

На основании результатов теплофизических измерений можно сделать вывод о том, что истинная скорость движения льда в полости не превышает теоретическую. В таком случае, чтобы объяснить более высокие значения потока жидкости в эксперименте по сравнению с теорией (Рис. 14) необходимо ввести в рассмотрение дополнительные факторы. На наш взгляд наиболее вероятной причиной расхождения данных эксперимента и теории является наличие незамерзающих каналов жидкости между стенками полости и столбиком льда. Так согласно расчетам, если убрать гидроизоляцию между керамическими кольцами (Рис. 13б, 13), поток массы в системе возрастает почти в 50 раз.

Нельзя также исключить возможность движения жидкости через лед по незамерзающим межзерновым каналам, свойства которых обсуждается в ряде работ [Ketcham, Hobbs, 1969; Mader, 1992].

Во третьем параграфе представлены результаты экспериментальных работ по изучению тепломассопереноса через образец под действием градиента температуры.

Градиент температуры инициирует движение льда в полости ячейки (Рис. 13б) и, как следствие, через образец устанавливается поток жидкости.

Экспериментальные величины потоков тепла и расхода жидкости в зависимости от перепада температуры на основаниях образца представлены на Рис. 16. Между величиной потоков и перепадом температуры на границах образца наблюдается примерно линейная зависимость. Понижение средней температуры при прочих равных условиях приводит к уменьшению величин потоков тепла и массы. Сравнение с теорией показывает, что в отличие от результатов опытов, в которых потоки создавались градиентом давления, на обоих графиках экспериментальные точки лежат ниже расчетных значений и обнаруживают значительно больший разброс данных.

В четвертом параграфе представлены результаты обработки экспериментальных данных по измерению потоков тепла и массы под действием различных термодинамических сил (градиентов давления и температуры).

Опыты, проведенные при различных граничных условиях (Рис. 15 и Рис. 16б), показывают, что система обладает термоосмотическими и баротермическими свойствами, т.е. градиент температуры создает поток массы через образец, а градиент давления - поток тепла. Поэтому в основу обработки экспериментальных данных положены уравнения переноса в общем виде:

(27)

где jV– плотность объемного потока [м·с-1] и jq– плотность потока тепла [Дж·м-2·с-1] через основания образца; p, T - перепады давления жидкости [Па] и температуры [К] на высоте образца x [м]; Cpp, Cpt, Ctp, Ctt - коэффициенты переноса; T0 = 273,15 K.

Результаты двух экспериментов, проведенных при различных граничных условиях, образуют два набора данных (экспериментальных точек). Первый набор получен в эксперименте, в котором потоки создавались градиентом давления жидкости при перепаде температуры на теплообменниках равном нулю. Точки второго набора – данные эксперимента, в котором в качестве движущей термодинамической силы выступает градиент температуры при нулевом перепаде давления жидкости. По двум экспериментальным точкам из первого и второго наборов на основании соотношений (27) определяются коэффициенты переноса.

Как можно видеть на рис. 14 - 16 потоки тепла и массы, а значит и C-коэффициенты, зависят от средней температуры образца, которая, по этой причине, включена в набор параметров результатов измерения. Экспериментальные точки неравномерно распределены на температурной шкале, поэтому вначале были найдены значения температур, вблизи которых концентрация точек из обоих наборов максимальна. Затем вблизи этих узловых температур образованы группы из экспериментальных точек. В каждой группе данных была решена система уравнений (1) для всех сочетаний точек из первого набора со вторым, а затем вычислены средние коэффициенты переноса.

Величины коэффициентов в зависимости от средней температуры образца приведены на Рис. 17 - 18. Можно видеть, что с понижением температуры абсолютные значения коэффициентов уменьшаются.

Весь цикл измерений включал семь серий. После каждой серии за исключением четвертой производилась промывка системы дистиллированной водой в течение от 1 до 7 суток. Необходимость в этом обнаружилась в ходе эксперимента. В 1 серии было замечено, что величины потоков массы через образец значительно меньше расчетных. В конце этой серии температура фазового равновесия лед-вода оказалось равной –0,017 С, что соответствует концентрации раствора неэлектролита примерно 0,01 моль/л. Величина концентрации попадает в диапазон значений от 0,001 до 0,01 моль/л, в пределах которого происходит, согласно теоретическим оценкам резкое уменьшение скорости движения льда относительно каркаса пористой среды.

С целью проверки предположения о попадании в воду посторонних примесей была осуществлена промывка всей системы дистиллированной водой в течение недели. После первой промывки значение коэффициента Cpt, увеличилось больше, чем 5 в раз.

Для вычисления экспериментальных значений коэффициентов переноса были взяты результаты измерений 6 и 7 серий.

Теоретическая модель дает величины коэффициентов переноса, представленные в таблице 2.

Таблица 2

Cpp, м2с1Па1 Cpt, м2с1 Ctp, м2с1 Ctt, Дж·м1с1
8,63·1015 1,32·106 1,29·106 524


Pages:     | 1 | 2 || 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.