Анотація до роботи:

Горячкін В.М. Дисипативне нагрівання текучого середовища в каналі. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2004.

З використанням законів теплофізики побудовано математичну модель руху і дисипативного нагрівання потоку текучого середовища з Re_кр в плоскому, круглому і кільцевому адіабатному каналі з використанням молекулярної в’язкості і теплопровідності та в круглому каналі з використанням ефективної в’язкості і теплопровідності для Re>Re_кр. Отримана залежність ефективної в’язкості від числа Рейнольдса. Числовими розрахунками встановлено закономірності нагріву і долю енергії, що витрачається на нагрівання.

Розроблено методику вибору розмірів і розрахунку теплової характеристики дисипативних нагрівачів. Експериментальні дослідження проведені на дисипативному нагрівачі ферментатора біогазової установки і вихровому дисипативному нагрівачі теплогенератора.

Розроблено метод числового розрахунку ізотермічних нагрівачів, який враховує залежність в’язкості текучого середовища від температури і дозволяє оптимізувати форму і розміри нагрівальних каналів. Запропоновано ізотермічний підігрівач мазуту і проведено його експериментальне дослідження.

Дисипація, ефективна в’язкість, нагрівання , нагрівач.

У дисертації наведено нове вирішення задачі підвищення ефективності дисипативного нагрівання текучого середовища в плоскому, круглому і кільцевому адіабатному і ізотермічному каналах. Розроблені математичні моделі та методи розрахунку нагрівання текучого середовища. Запропоновані спосіб нагрівання текучого середовища, дисипативний нагрівач ферментатора біогазової установки та ізотермічний підігрівач мазуту.

За підсумками виконаної роботи зроблені такі висновки:

1. Аналітичний розв’язок рівняння енергії з дисипативною складовою для щілини з рухомою стінкою і заданими температурами отримав Г. Шліхтінг. В’язкість вважалась молекулярною і постійною, а розподіл температури залежним тільки від радіуса. Для круглого каналу з в’язкістю залежною від температури розв’язок отримав У. Григул. Лінійний закон температури по довжині каналу апріорі приймали Б. Діжиоглу і І.П. Гінзбург. Розв’язок рівняння енергії з дисипативною складовою з числами Re>2300 не відомий. Розрахунки втрат енергії в каналах базуються на емпіричних залежностях.

2. В дисертації побудована математична модель руху і дисипативного нагрівання текучого середовища в плоскому, круглому і кільцевому адіабатних каналах при молекулярній в’язкості. В результаті числового розв’язку отриманий розподіл температури по радіусу і довжині і визначена потужність нагрівання.

3. Дисипативне нагрівання обумовлене гальмуванням молекул текучого середовища при зіткненні зі стінкою та зменшенням їх швидкості, внаслідок чого кінетична енергія переносного руху переходить в тепло. При числах Re<2300 в тепло переходить вся втрачена кінетична енергія переносного руху молекул нестисливої рідини.

В стисливому середовищі одночасно з нагріванням потік охолоджується всередині каналу внаслідок зниження тиску з розділенням на холодний і гарячий. Такий ефект раніше був установлений експериментально для закрученого потоку в трубі Ранка-Хілша.

4. Степеневий та логарифмічний профілі швидкості не можуть бути використані при розв’язку рівняння енергії: при степеневому профілі дотична напруга на стінці дорівнює нулю, а для логарифмічного – нескінченості. Параболічний профіль (Бай Ши-і, 1953) узгоджується з експериментальними даними, свідчить про незалежність ефективної в’язкості від радіуса в ядрі потоку (<0,9R), зменшення її до молекулярної біля стінки і відображає дотичну напругу на стінці каналу. Для чисел Re=1,6710⁴2,0510⁵ отриманий розподіл швидкості і ефективної в’язкості по радіусу каналу.

5. В результаті числового розв’язку рівняння енергії для вихрового потоку (Re>2300) отриманий розподіл температури по радіусу і довжині круглого каналу і визначена потужність нагрівання. Потужність, яка переходить в тепло тим менша, чим більше число Re, і складає при Re=1,6710⁴ і 2,0510⁵ відповідно 90,0 % і 52,4 %, а інша частина – акумулюється у вихорах і визначає ефективну в’язкість.

6. Запропонований спосіб дисипативного нагрівання і нагрівач текучого середовища з Re<2300. Експериментальні випробування підтвердили розрахункову характеристику дисипативного нагрівання для підтримки температури у ферментаторі біогазової установки.

7. Експериментальне дослідження нагріву води в гідродинамічному теплогенераторі показало, що швидкість нагрівання однакова при застосуванні труби із завитковим завихрювачем і без завихрювача.

8. Побудована математична модель руху і нагрівання текучого середовища в круглому і кільцевому ізотермічних каналах із в’язкістю, залежною від температури, яка враховує вплив дисипації кінетичної енергії потоку. Числовими розрахунками визначений розподіл температури і швидкості по радіусу і тиску по довжині каналу при нагріванні мазуту в ізотермічному каналі та визначений вклад дисипації. Встановлено, що прогрівається тільки пристінний шар (1-2 мм) текучого середовища, а ядро потоку залишається холодним, чим обумовлене відхилення профілю швидкості від параболічного. Кільцевий ізотермічний канал забезпечує підвищення ефективності підігріву високов’язкого текучого середовища за рахунок зменшення товщини непрогрітого шару, що підтверджено розробленим підігрівачем мазуту, випробування якого проведені на котлах ДКВр.

9. На основі проведених досліджень рекомендується:

– для дисипативного нагрівання текучого середовища в каналі використовувати потік з малими числами Re і шорсткістю поверхні, яка не приводить до утворення вихорів, в апаратах з малою потужністю теплового потоку та розвинутою поверхнею теплообміну;

– використовувати при проектуванні розроблений метод розрахунку технічної характеристики дисипативного нагрівача;

– в розрахунках вихрового потоку використовувати параболічний профіль швидкості з відповідною ефективною в’язкістю;

– при проектуванні підігрівачів важких і надважких палив з ізотермічним каналом використовувати числовий метод розрахунку нагрівання високов’язкого текучого середовища ;

– підігрівач мазуту з кільцевим ізотермічним каналом використовувати на котлах малої і середньої потужності і печах.

Публікації автора:

1. Коваль В.П., Горячкин В.Н. Тепловая мощность потока текучей среды в трубе при малых числах Рейнольдса // Інтегровані технології та енергозбереження. – Харків: НТУ "ХПІ", 2001. – № 4. – с. 8-12.

2. Коваль В.П., Горячкин В.Н. Энергетические характеристики вихревого потока в круглой трубе. Вісник Національного технічного університету “ХПІ”: Зб. наук. пр. – Харків: НТУ “ХПІ”, 2002. – № 7. Т. 2. – с. 171-176.

3. Коваль В.П., Горячкин В.Н. Тепловая и гидродинамическая оптимизация подогревателя высоковязких нефтепродуктов // Металлургическая теплотехника. Сб. науч. трудов Национальной металлургической академии Украины. – Днепропетровск: НМетАУ, 2002. – Т.6. – с. 21-29.

4. Патент 50601 А Україна. МКИ F25B29/00. Спосіб нагрівання текучого середовища. Коваль В.П., Горячкін В.М. – № 2002031719; Заявл. 01.03.2002; Опубл. 15.10.2002; Бюл. № 10.

5. Патент 51311 А Україна. МКИ F23D11/44. Підігрівач мазуту. Коваль В.П., Горячкін В.М. – № 2002021375; Заявл. 19.02.2002; Опубл. 15.11.2002; Бюл. № 11.

6. Патент 52125 А Україна. МКИ C12M1/07, C02F11/04. Ферментатор біогазової установки. Коваль В.П., Горячкін В.М., Землянка О.О. – № 2002021573; Заявл. 26.02.2002; Опубл. 16.12.2002; Бюл. № 12.

7. Патент 62547 А Україна. МКИ F25B29/00. Теплогенератор. Коваль В.П., Горячкін В.М. –

№ 2003043119; Заявл. 08.04.2003; Опубл. 15.12.2003; Бюл. № 12.

8. Горячкин В.Н. Гидродинамическое нагревание жидкости в круглой трубе // IV Міжнародна молодіжна науково-практична конференція “Людина і космос”: Збірник тез. – Дніпропетровськ: НЦАОМУ, 2002. – с. 106.

Горячкін В.М. Дисипативне нагрівання текучого середовища в каналі. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2004.

З використанням законів теплофізики побудовано математичну модель руху і дисипативного нагрівання потоку текучого середовища з Reкр в плоскому, круглому і кільцевому адіабатному каналі з використанням молекулярної в’язкості і теплопровідності та в круглому каналі з використанням ефективної в’язкості і теплопровідності для Re>Re_кр. Отримана залежність ефективної в’язкості від числа Рейнольдса. Числовими розрахунками встановлено закономірності нагріву і долю енергії, що витрачається на нагрівання.

Розроблено методику вибору розмірів і розрахунку теплової характеристики дисипативних нагрівачів. Експериментальні дослідження проведені на дисипативному нагрівачі ферментатора біогазової установки і вихровому дисипативному нагрівачі теплогенератора.

Розроблено метод числового розрахунку ізотермічних нагрівачів, який враховує залежність в’язкості текучого середовища від температури і дозволяє оптимізувати форму і розміри нагрівальних каналів. Запропоновано ізотермічний підігрівач мазуту і проведено його експериментальне дослідження.

Дисипація, ефективна в’язкість, нагрівання , нагрівач.

Goryachkin V.M. The dissipative heating of fluid flow in channel. The manuscript.

Thesis of candidates degree by specialty 05.14.06 - technical thermal physics and industrial heat- and-power engineering. National metallurgical academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2004.

With the use of thermal physics laws a mathematical model of motion and dissipative heating of fluid flow with Recr in the flat, round and annular adiabatic channel with the use of molecular viscosity and heat conductivity and in the round channel with the use of effective viscosity and heat conductivity for Re>Re_cr is built. The effective viscosity dependence of Reynolds number is given. By the number computations conformities to the regularity of heating and portion of energy that is expended on heating are set.

A method of size choice and computation of thermal description of dissipative heaters is developed. Experimental researches are conducted on dissipative heater of biogas plant fermenter and vortical dissipative heater of heat generator.

A method of number computation of isothermal heater, which takes into account dependence of viscosity of fluid flow on temperature, allows to optimise a form and sizes of heating channels is developed. An isothermal heater of fuel oil is offered and conducted his experimental research.

Dissipation, effective viscosity, heating, heater.

Горячкин В.Н. Диссипативное нагревание текучей среды в канале. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2004.

С использованием законов теплофизики построена математическая модель движения и диссипативного нагревания потока текучей среды в плоском, круглом и кольцевом адиабатном канале для Reкр с использованием молекулярной вязкости и теплопроводности. В результате численного решения найдено распределение температуры и определена мощность нагревания. В несжимаемой жидкости мощность нагревания совпадает с мощностью на перекачку. В сжимаемом газе вследствие снижения давления одновременно с нагреванием происходит охлаждение потока с разделением на горячий возле стенки и холодный по оси канала.

Для канала с Re>Re_кр построена математическая модель движения и нагревания с использованием параболического профиля скорости в форме Бай Ши-и и эффективной вязкости. Эффективная вязкость постоянна в ядре потока и снижается до молекулярной на стенке. Получена зависимость эффективной вязкости от числа Рейнольдса. Определено распределение температуры в канале и доля энергии идущей на нагрев, которая составляет при Re=1,6710⁴ 90 % и уменьшается при Re=2,0510⁵ до 52,4 %.

На основе численного решения уравнения энергии предложен метод расчета характеристик теплогенератора и диссипативного нагревателя. Предложен способ нагревания и нагреватель текучей среды с Re<2300. Экспериментальные исследования подтвердили целесообразность использования диссипативного нагревания для поддержания температуры в ферментаторе биогазовой установки. Экспериментальные исследования нагревания воды в теплогенераторе с в вихревой трубой при различной степени закрутки потока и с круглой трубой показали, что скорость нагрева во всех случаях была одинакова.

С учетом предложенного подхода к расчету прикладных тепловых процессов построена математическая модель движения и нагревания высоковязкой текучей среды в круглом и кольцевом изотермическом канале, учитывающая зависимость вязкости от температуры. Численными расчетами определено распределение скорости и температуры в канале. Установлено, что прогревается только пристенный слой текучей среды, а ядро потока остается холодным, что обуславливает деформацию профиля скорости. Кольцевой канал обеспечивает повышение эффективности подогрева высоковязкой текучей среды за счет уменьшения толщины непрогретого слоя. Предложен подогреватель высоковязких текучих сред с кольцевым каналом и проведены его экспериментальные исследования на промышленных установках.