Теплообмен при фазовом переходе и адсорбции-десорбции кислорода в дисперсном материале
Настоящая работа посвящена исследованию накопления избыточной теплоты, поглощаемой в процессе нагрева дисперсного материала VOx в области фазового перехода диэлектрик-металл. Основная часть этой теплоты аккумулируется в скрытой форме за счет перестройки структуры вещества частиц и десорбции кислород...
Gespeichert in:
| Datum: | 2006 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2006
|
| Schriftenreihe: | Промышленная теплотехника |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61364 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Теплообмен при фазовом переходе и адсорбции-десорбции кислорода в дисперсном материале / А.А. Емельянов, В.А. Полубояров, А.Л. Бурка, З.А. Коротаева, Е.В. Великанов, А.Е. Лапин, Бан Бонг-Чан // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 1. — С. 22-30. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61364 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-613642025-02-23T17:38:44Z Теплообмен при фазовом переходе и адсорбции-десорбции кислорода в дисперсном материале Heat transfer at the phase transition and adsorption-desorption of oxygen in a disperse material Емельянов, А.А. Полубояров, В.А. Бурка, А.Л. Коротаева, З.А. Великанов, Е.В. Лапин, А.Е. Бан Бонг-Чан Тепло- и массообменные процессы Настоящая работа посвящена исследованию накопления избыточной теплоты, поглощаемой в процессе нагрева дисперсного материала VOx в области фазового перехода диэлектрик-металл. Основная часть этой теплоты аккумулируется в скрытой форме за счет перестройки структуры вещества частиц и десорбции кислорода, находящегося в поверхностных слоях частиц после механохимической активации. Робота присвячена доcлiдженню накопичення тепла, яке поглинаєтья в процесi нагрiву дисперсного матерiалу VOx в областi фазового переходу дiелектрик-метал. Основна частина цього тепла поглинається в скритiй формi за рахунок перебудови структури речовини частинок та десорбцiї кисня, який знаходиться у поверхневих шарах частинок пicля механохiмичної активацiї. The present work is devoted to the investigation of accumulation of the excess heat absorbed in the course of heating of disperse material VOx in the range of dielectric-metal phase transition. The main part of this heat is accumulated in latent form due to restructuring the particle substance and oxygen desorption from external layers of the particles after machanochemical activation. 2006 Article Теплообмен при фазовом переходе и адсорбции-десорбции кислорода в дисперсном материале / А.А. Емельянов, В.А. Полубояров, А.Л. Бурка, З.А. Коротаева, Е.В. Великанов, А.Е. Лапин, Бан Бонг-Чан // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 1. — С. 22-30. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61364 536.244 ru Промышленная теплотехника application/pdf Інститут технічної теплофізики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы |
| spellingShingle |
Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы Емельянов, А.А. Полубояров, В.А. Бурка, А.Л. Коротаева, З.А. Великанов, Е.В. Лапин, А.Е. Бан Бонг-Чан Теплообмен при фазовом переходе и адсорбции-десорбции кислорода в дисперсном материале Промышленная теплотехника |
| description |
Настоящая работа посвящена исследованию накопления избыточной теплоты, поглощаемой в процессе нагрева дисперсного материала VOx в области фазового перехода диэлектрик-металл. Основная часть этой теплоты аккумулируется в скрытой форме за счет перестройки структуры вещества частиц и десорбции кислорода, находящегося в поверхностных слоях частиц после механохимической активации. |
| format |
Article |
| author |
Емельянов, А.А. Полубояров, В.А. Бурка, А.Л. Коротаева, З.А. Великанов, Е.В. Лапин, А.Е. Бан Бонг-Чан |
| author_facet |
Емельянов, А.А. Полубояров, В.А. Бурка, А.Л. Коротаева, З.А. Великанов, Е.В. Лапин, А.Е. Бан Бонг-Чан |
| author_sort |
Емельянов, А.А. |
| title |
Теплообмен при фазовом переходе и адсорбции-десорбции кислорода в дисперсном материале |
| title_short |
Теплообмен при фазовом переходе и адсорбции-десорбции кислорода в дисперсном материале |
| title_full |
Теплообмен при фазовом переходе и адсорбции-десорбции кислорода в дисперсном материале |
| title_fullStr |
Теплообмен при фазовом переходе и адсорбции-десорбции кислорода в дисперсном материале |
| title_full_unstemmed |
Теплообмен при фазовом переходе и адсорбции-десорбции кислорода в дисперсном материале |
| title_sort |
теплообмен при фазовом переходе и адсорбции-десорбции кислорода в дисперсном материале |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| publishDate |
2006 |
| topic_facet |
Тепло- и массообменные процессы |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61364 |
| citation_txt |
Теплообмен при фазовом переходе и адсорбции-десорбции кислорода в дисперсном материале / А.А. Емельянов, В.А. Полубояров, А.Л. Бурка, З.А. Коротаева, Е.В. Великанов, А.Е. Лапин, Бан Бонг-Чан // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 1. — С. 22-30. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Промышленная теплотехника |
| work_keys_str_mv |
AT emelʹânovaa teploobmenprifazovomperehodeiadsorbciidesorbciikislorodavdispersnommateriale AT poluboârovva teploobmenprifazovomperehodeiadsorbciidesorbciikislorodavdispersnommateriale AT burkaal teploobmenprifazovomperehodeiadsorbciidesorbciikislorodavdispersnommateriale AT korotaevaza teploobmenprifazovomperehodeiadsorbciidesorbciikislorodavdispersnommateriale AT velikanovev teploobmenprifazovomperehodeiadsorbciidesorbciikislorodavdispersnommateriale AT lapinae teploobmenprifazovomperehodeiadsorbciidesorbciikislorodavdispersnommateriale AT banbongčan teploobmenprifazovomperehodeiadsorbciidesorbciikislorodavdispersnommateriale AT emelʹânovaa heattransferatthephasetransitionandadsorptiondesorptionofoxygeninadispersematerial AT poluboârovva heattransferatthephasetransitionandadsorptiondesorptionofoxygeninadispersematerial AT burkaal heattransferatthephasetransitionandadsorptiondesorptionofoxygeninadispersematerial AT korotaevaza heattransferatthephasetransitionandadsorptiondesorptionofoxygeninadispersematerial AT velikanovev heattransferatthephasetransitionandadsorptiondesorptionofoxygeninadispersematerial AT lapinae heattransferatthephasetransitionandadsorptiondesorptionofoxygeninadispersematerial AT banbongčan heattransferatthephasetransitionandadsorptiondesorptionofoxygeninadispersematerial |
| first_indexed |
2025-11-24T05:42:10Z |
| last_indexed |
2025-11-24T05:42:10Z |
| _version_ |
1849649193955622912 |
| fulltext |
следует, что отношение K2 (при l = 40 мм ) к K1
(при l = 20 мм ) равно 1,54. Предположим, что
кратность рециркуляции не влияет на образова;
ние NO и количество NO и NO2 примерно одина;
ково. Тогда экспериментально измеренное коли;
чество NO2 при l = 20 мм соответствует 39,4 мг/м3.
Их соотношение составляет 1,31, что несколько
меньше теоретического 1,54.
Выводы
Проведенное численное моделирование поз;
волило установить, что труба от фронтальной
стенки котла излучателя должна располагаться
на расстоянии, равном глубине погружения го;
релки. Оптимальный геометрический размер L
составляет 0,07 м, при этом рециркуляция топоч;
ных газов будет наибольшей и составляет более
100%. Экспериментально подтверждено, что на;
личие излучателя снижает вредный выброс окси;
дов азота, что объясняется увеличением рецирку;
ляционного расхода продуктов сгорания, идущих
в корень факела на повторный дожог.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гришкова А.В., Красовский Б.М., Раки�
тин А.Ю. Уменьшение выбросов оксидов азота
от водогрейных котлов путём внесения в топку
промежуточного излучателя с оптимальными пара;
метрами // Промышленная энергетика. – 2004. –
№ 5.
2. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна
при сжигании топлива.– Л.: 1988. – 312 с.
3. Демченко В.Г. Снижение выбросов NOx
путём установки в топку котла экранов;отража;
телей // Актуальные вопросы теплофизики и фи;
зической гидродинамики. – 2005. г. Алушта,
С. 112–113.
4. Упрощенная схема рециркуляции дымовых
газов как средство сокращения выбросов оксида
азота // Котлер В. Р., Кругляк Е. Д., Беликов С. Е.
и др. – Энергетик, 1995. №1. С. 16;18.
Получено 13.01.2006 г.
22 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 1
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Робота присвячена доcлiдженню на)
копичення тепла, яке поглинаєтья в про)
цесi нагрiву дисперсного матерiалу VOx
в областi фазового переходу дiелект)
рик)метал. Основна частина цього теп)
ла поглинається в скритiй формi за раху)
нок перебудови структури речовини
частинок та десорбцiї кисня, який знахо)
диться у поверхневих шарах частинок
пicля механохiмичної активацiї.
Настоящая работа посвящена исследо)
ванию накопления избыточной теплоты,
поглощаемой в процессе нагрева дисперс)
ного материала VOx в области фазового пе)
рехода диэлектрик)металл. Основная часть
этой теплоты аккумулируется в скрытой
форме за счет перестройки структуры ве)
щества частиц и десорбции кислорода, на)
ходящегося в поверхностных слоях частиц
после механохимической активации.
The present work is devoted to the
investigation of accumulation of the
excess heat absorbed in the course of
heating of disperse material VOx in the
range of dielectric)metal phase transition.
The main part of this heat is accumulated
in latent form due to restructuring the par)
ticle substance and oxygen desorption
from external layers of the particles after
machanochemical activation.
УДК 536.244
ЕМЕЛЬЯНОВ А.А.1, ПОЛУБОЯРОВ В.А.2, БУРКА А.Л.1, КОРОТАЕВА З.А.2, ВЕЛИКАНОВ Е.В.1,
ЛАПИН А.Е.2, БАН БОНГ>ЧАН3
1Институт теплофизики СО РАН
2Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН
3Санченский национальный университет, Корея
ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВОМ ПЕРЕХОДЕ И
АДСОРБЦИИ)ДЕСОРБЦИИ КИСЛОРОДА В
ДИСПЕРСНОМ МАТЕРИАЛЕ
При разработке новых материалов с заданны;
ми свойствами широко используется перевод ис;
ходного вещества в ультрадисперсное состояние,
в котором характерные геометрические размеры
конденсированной фазы оказываются соизмери;
мы с тем или иным масштабом физического яв;
ления, например, с характерной длиной какого;
либо процесса переноса. Многочисленными
экспериментальными исследованиями установ;
лено наличие полиморфных модификаций, не
встречающихся в массивных твердых телах. Ха;
рактерными особенностями малых частиц явля;
ются: большое отношение поверхности к объему
и, возникающее вследствие этого, возрастание
газовой реакционной способности материала [1].
Представляет интерес исследование системы ма;
лых частиц, вещество которых может совершать
обратимый фазовый переход диэлектрик;металл
под воздействием температуры, не изменяя при
этом своего агрегатного состояния. К настоящему
моменту известно довольно много соединений,
обладающих такими свойствами. В [2] представ;
лены результаты теоретического и эксперимен;
тального исследования фазового перехода ме;
талл;полупроводник.
Особый интерес для исследований представ;
ляют системы частиц, содержащие оксиды вана;
дия и, прежде всего, двуокись ванадия, т.к. фазо;
вый переход в этом соединении происходит в
области умеренных температур при наличии за;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 1 23
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
a = ng – ускорение (характеристика энергонапря;
женности активатора);
cp – удельная теплоемкость;
Eλi – плотности собственного излучения;
g – ускорение свободного падения;
Iλ
± – спектральные интенсивности излучения в
положительном и отрицательном направ;
лениях оси ξ;
Iλb(T ) – функция Планка;
fe – массовая доля частиц в слое;
K – коэффициент пропорциональности между мощ;
ностью и энергонапряженностью мельниц;
ke – эффективная величина;
kP, kE – теплофизическая характеристика кварца,
частиц, соответственно;
L – толщина слоя;
Мш – масса шаров в активаторе;
Мсм – масса обрабатываемой в активаторе смеси;
– комплексный показатель преломле;
ния частиц;
n – действительная часть комплексного показа;
теля преломления;
nш – число, равное 20, 40, 60;
N0– число частиц в единице объема;
p – сферическая индикатрисса рассеяния;
QS – внутренний источник;
Qλi – плотности падающих потоков;
Rλi – коэффициенты отражения;
S – площадь под градуировочной кривой;
t – время обработки смеси в активаторе;
tплавл. – температура плавления;
Т – температура образца;
Т
*
– характерная температура;
Ti, Ti* – температуры внешней среды и внешних
излучателей;
U – напряжение сигнала;
W – соответствующая энергии, передаваемой ме;
лющими телами активатора одному грамму
обрабатываемой смеси;
– связь мнимой части Im(m) и αλ;
αi – коэффициенты конвективной теплоотдачи
на границах;
βλ – спектральный коэффициент ослабления
(βλ = κλ+σλ);
ΔHплавл. – теплота плавления;
δ(ξ,z) – функция Дирака;
ελi – степени черноты;
θ(ξ,τ) – безразмерная температура;
κλ – спектральный коэффициент объемного по;
глощения материала для частоты λ;
Λ – коэффициент теплопроводности;
, ϕ – угол между лучом и положитель;
ным направлением оси ξ, 0≤μ≤1;
– параметр дифракции частиц;
x – диаметр частиц;
ρ – плотность среды;
σλ – спектральный коэффициент объемного рас;
сеяния;
τ – время;
Ωi – спектральные области непрозрачности гра;
ничных поверхностей.
πρ =
λd
x
cos μ = ϕ
æ4λα = π
λ
æ= −m n i
метной величины удельной теплоты превраще;
ния [3].
Исследователи, работающие с высокодис;
персными порошками, отмечают их высокую ак;
тивность к поглощению газов и в первую очередь
кислорода. При этом предполагается, что кисло;
род может находиться на поверхности частиц в
адсорбированном состоянии или в составе моле;
кул воды. Известно, что увеличение содержания
кислорода в высокодисперсных порошках про;
исходит за счет диффузии атомов кислорода в
объем частицы, при этом основное его количест;
во находится в приповерхностной зоне в химиче;
ски связанном состоянии в виде окислов с упо;
рядоченной и аморфными структурами [4].
Состав и количество адсорбированных по;
рошками газов определяется, в первую очередь,
природой материала, дисперсностью и условия;
ми его приготовления. Изучение адсорбции;де;
сорбции газов в области фазового перехода веще;
ства частиц при сопровождении накопления и
отдачи теплоты ранее фактически не проводи;
лось, что вызывает необходимость исследования
теплосодержания в таких системах.
Настоящая работа посвящена исследованию
накопления избыточной теплоты, поглощаемой
в процессе нагревания дисперсного материала
VOx в области фазового перехода диэлектрик;ме;
талл. Основная часть этой теплоты поглощается
в скрытой форме за счет перестройки структуры
вещества частиц и адсорбции кислорода, находя;
щегося в поверхностных слоях частиц после ме;
ханохимической активации.
Использование VOx с преобладающим содер;
жанием VO2 в качестве материала для конструи;
рования твердотельного накопителя тепловой
энергии открывает возможность управления па;
раметрами, отвечающими за ее накопление и от;
дачу за счет механизмов фазового перехода и ад;
сорбции;десорбции кислорода.
Исследование процесса накопления теплоты
осуществлялось методом дифференциально;тер;
мического анализа с одновременным измерением
веса с помощью прибора фирмы «Netch». Градуи;
ровка прибора осуществлялась с использованием
в качестве стандарта химически чистого индия.
На рис.1 представлена градуировочная кривая
(кривая 1) дифференциально;сканирующего кало;
риметра (ДСК) для стандарта индия, а кривая 2 из;
менения веса образца в температурном интервале
20–250 оС при следующих параметрах: вес образца
98,525 мг tплавл. = 160,9 оС, ΔHплавл. = 3,26 кДж/моль,
молярный вес 114,82г. Из градуировки следует,
что для плавления выбранного образца стандарта
необходимо затратить 2797 Дж, что соответствует
площади под градуировочной кривой S.
Для исследования теплосодержания были вы;
браны исходные образцы, приготовленные из
эталонной двуокиси ванадия с малым содержа;
нием примеси производства фирмы «Aldrich» и
двуокиси ванадия, которая была выдержана дол;
гое время на воздухе и имела примеси фаз с боль;
шим содержанием кислорода вплоть до V2O5.
Удельная поверхность эталонной двуокиси вана;
дия была измерена методом БЭТ по тепловой де;
24 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 1
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Рис. 1. Зависимость величины сигнала ДСК от
температуры эталона индия.
Рис. 2. Зависимость величины сигнала ДСК от
температуры эталонной двуокиси ванадия.
1 – изменение сигнала; 2 – изменение веса.
сорбции аргона и составляла 1,62 м2/г. Рентгено;
фазовый анализ, произведенный на приборе
«Дрон;4», показал, что образец содержит 75%
двуокиси ванадия, которая состоит из фаз, нахо;
дящихся в пределах гомогенности (VO2 и V6O13) и
25% высокоокисной фракции (V2O5).
На рис. 2 представлены данные ДСК для эта;
лонной двуокиси ванадия в температурном ин;
тервале 20…200 оС. Нагрев образца осуществля;
ется в атмосфере азота. Из рисунка видно, что
при температуре ~70,6 оС отмечается максимум
поглощения тепловой энергии, которая затрачи;
вается на фазовый переход «диэлектрик;металл».
В пределах области перехода на перестройку
структуры измеряемого образца затрачивается
0,742 ккал/моль, что соответствует ~75% удель;
ной теплоты превращения.
С ростом температуры образца не наблюдает;
ся изменение веса (кривая 2), что свидетельству;
ет о малой десорбции кислорода с его поверхно;
сти и отсутствии поглощения теплоты. В этом
случае теплосодержание зависит только от теп;
ловых затрат на фазовый переход «диэлектрик;
металл» двуокиси ванадия в пределах области
гомогенности. При охлаждении образца наблю;
дается выделение того же количества теплоты
(0,742 ккал/моль), которое затрачено при фазо;
вом переходе.
С целью усиления влияния процессов адсорб;
ции;десорбции кислорода на преобразование теп;
лоты порошок исходного вещества был подверг;
нут механохимической активации [5]. Основным
параметром, характеризующим величину актива;
ции диспергируемого вещества, является вводи;
мая в материал энергия W, соответствующая энер;
гии, передаваемой мелющими телами активатора
одному грамму обрабатываемой смеси (Дж/г).
,
для используемого типа мельниц мощность, вво;
димая шарами при nш = 40, вычисляемая по
формуле , равна 50 Вт/г,
тогда W = N · t дж/г.
Рентгенофазовый анализ двуокиси ванадия,
которая была выдержана долгое время на воздухе,
показал, что образец имеет многофазную систе;
му VO2+x, где x = 0…0,5.
На рис. 3 представлены данные для ДСК (кри;
вая 1) и веса (кривая 2) этого образца массой
64,526 г при нагревании его в атмосфере азота в
интервале температур 20…200 оС. Из рисунка
видно, что в области температур 50…130 оС про;
исходит некоторое увеличение затрат теплоты по
отношению к эталонной двуокиси ванадия с
0,742 ккал/моль до 0,89 ккал/моль. Это обстоя;
тельство можно объяснить ростом температуры
перехода на 15 оС и появлением теплового за;
тратного механизма, вызываемого десорбцией
кислорода.
Следует отметить, что в отличие от эталонной
двуокиси ванадия здесь имеет место заметное
снижение веса образца.
Рентгенофазовый анализ порошка двуокиси
ванадия, выдержанного долгое время и подверг;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 1 25
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Рис. 3. Зависимость величины сигнала ДСК от
температуры VO2+x, x = 0...0,5. 1 – изменение
сигнала; 2 – изменение веса.
Рис. 4. Зависимость величины сигнала ДСК от
температуры механоактивированной VO2+x,
x = 0...0,5 с энергией активации Q = 135 кДж/г.
1 – изменение сигнала; 2 – изменение веса.
нутого механоактивации при вводимой мелющи;
ми телами энергии 135 кДж/г, показал, что обра;
зец сохраняет многофазную структуру VO2+x , где
x = 0…0,5.
На рис.4 представлены данные ДСК образца
весом 54,105 г, подвергнутого механоактивации
при вводимой энергии 135 гДж/г. Нагрев осуще;
ствлялся в атмосфере азота. Из рисунка видно,
что происходит существенное увеличение затрат
теплоты на нагрев механоактивированного образ;
ца. При нагреве образца в температурном интер;
вале 50…180 оС затрачивается 4,3 ккал/моль, при
этом образец изменяет свой вес на 16%. Другими
словами, фазовый переход диэлектрик;металл и
процесс адсорбции;десорбции при нагреве;ох;
лаждениии механоактивированного образца со;
провождается существенным увеличением пре;
образуемой теплоты.
Результаты дифференциально;термического
анализа, полученные для образцов двуокиси ва;
надия с различной степенью механоактивации,
представлены в табл. 1.
Из экспериментальных данных, представлен;
ных в таблице, следует, что с увеличением энер;
гии, вводимой мелющими телами при механоак;
тивации порошка двуокиси ванадия, происходит
рост запасаемого количества теплоты при нагре;
вании.
Температурные поля в образцах, приготовлен;
ных из вышеуказанных материалов с добавлени;
ем 20% кварцевого стекла и подвергнутых внеш;
нему тепловому воздействию с привлечением
полученных экспериментальных данных по теп;
лосодержанию, получены численно.
Краевая задача для уравнения энергии в без;
размерном виде записывается следующим обра;
зом [6]:
, (1)
(2)
(3)
. (4)
Система уравнений переноса для прямой и об;
ратной интенсивностей записываются
0 < ξ < L
(6)
– функция
Планка.
Радиационные характеристики частиц учиты;
ваются через αλ и σλ. В случае монодисперсной
системы невзаимодействующих друг с другом
сферических частиц малых размеров согласно [7]
имеем
,
,
,
.2 2 2 2 2 2
24 æ( )
( æ 2) 4 æ
πλ =
− + +
nM
n n
4 2 2 2 2 2 2 2 2
1 2 2 2 2 2 2
8 [( æ 2) ( æ ) ] 36 æ( )
3 [( æ 2) + 4 æ ]
π − − + + +λ =
− +
n n nM
n n
21
04
9 ( )
λ
λσ =
πλ
M v N
2
0
( )3
2λ
λα =
λ
M vN
[ ]
2
0
0
2( ) 2 5 exp( /( )) 1
b
n
hcI T
hc n kT
λ
λ
=
λ −
0 0 0
1 1 1
(0, ) (1 ) ( ) (0, ),
(1, ) (1 ) ( ) (1, )
p
p
I R I T R I
I R I T R I
+ −
λ λ λ λ λ
− +
λ λ λ λ λ
μ = − + −μ
−μ = − + μ
( )
( )
æ
b
æ
b
λ
λ λ
′μ
λ
λ λ
′
βλ λ λ
λ λξ μ μ
σ ′ ′ ′ ′μ μ ξ μ μ μ ξ μ μ
μ
βλ λ λ
λ λξ μ μ
σ ′ ′ ′ ′μ μ ξ μ μ μ ξ μ μ
μ
∫
∫
1
+ -
=0
1
+ -
m =0
+dI L L++ I = I (T)+
d
L + p( , )I ( , )+ p( ,- )I ( ,- ) d
2
-dI L L-- I = - I (T)-
d
L - p(- , )I ( , )+ p(- ,- )I ( ,- ) d
2
0( ,0) ( )θ ξ = θ ξ
26 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 1
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
(5)
Для нахождения эффективных значений теп;
лофизических характеристик композита исполь;
зована формула .
Используя замену , задачу перепи;
шем в виде:
,
где
.
С использованием функции Грина
являющейся решением однородной краевой за;
дачи [8]
,
с граничными условиями
начально;краевая задача (1–4) сводится к нели;
нейному интегральному уравнению относитель;
но искомой безразмерной температуры θ(ξ, τ),
которое имеет вид
.(7)
Здесь 0
0 0
0 0 0 0
0
( (0, ) )
- [ ( ) ( )] ,
Lq
Q E d∗
λ λ λ
Ω
α= θ τ − θ −
Λ
ω ε θ − θ ν∫
1
0 1
0 0
( ) ( ,0) ( ,1) ( , , ) ( , )dz q G q G F z t G z dz
θ
Λ θ = ξ − ξ + θ ξ∫ ∫
ch(1 )ch( ) / sh(1), 0 z
( , )
ch( )ch(1 ) / sh(1), z 1 ,
− − ξ ≤ ≤ ξ⎧
ξ = ⎨− ξ − ξ ≤ ≤⎩
z
G z
z
0
( )
θ
= Λ θ∫U dz
(1 )
P E
e
e E e P
=
− +
k kk
f k f k
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 1 27
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Та б л . 1 .
θ(ξ, t) = T (θ, t)/T*; θi* = Ti*/T
*
; G (ξ,0) = – ch(1–
ξ) / sh (1); G (ξ, 1) = – ch (ξ) / sh (1); ξ = x / L;
θi = Ti / T
*
; ω = L / (ΛT
*
); R = L2ρcp / t
*
; i = 0, 1;
T
*
– характерная температура.
Интенсивности излучения, которые определя;
ются из решения краевой задачи (5), (6) для урав;
нения переноса излучения, имеют вид [9]
где
ελ0 = 1 – Rλ0; ελ1 = 1 – Rλ1,
D = 1 – Rλ0 Rλ1 exp (2βλL / μ).
,
где
.
Таким образом, задача (1);(6) в плоском слое
селективно излучающего, поглощающего и рас;
сеивающего композита сводится к решению ите;
рационным методом [10] нелинейного интег;
рального уравнения (7) относительно искомой
безразмерной температуры θ(ξ, τ).
Интегралы (7), (8) вычислялись по квадратур;
ным формулам Гаусса с 20 узлами, производная
θ/ τ аппроксимировалась конечно;разностным
отношением.
Прямая и обратная составляющая интенсив;
ности излучения находились методом Гаусса;
Зейделя.
Для каждого момента времени рассчитывался
профиль температуры.
Численные расчеты для модельной задачи
проводились при следующих теплофизических и
оптических характеристиках:
начальная температура слоя 278,15 K,
α0=5 (Вт/(м2 · К)), α1=0,
радиационный поток из окружающей среды
на границу 0…500,0 Вт/м2,
температура окружающей среды со стороны
границы 0… 278,15 K,
температура окружающей среды со стороны
границы 1…278,15 K,
толщина слоя …0,025 м,
плотность связующего …2720 кг/м3,
плотность частицы …4339,0 кг/м3,
действительная часть комплексного показате;
ля преломления связующего ...1,54,
мнимая часть комплексного показателя пре;
ломления связующего …0,
действительная часть комплексного показате;
ля преломления частицы:
до фазового перехода …3,0,
после фазового перехода …2,2,
мнимая часть комплексного показателя пре;
ломления частицы:
до фазового перехода …2,7,
после фазового перехода …2,8,
диаметр частиц ...3·10–6 (м).
Температурные поля представлены на ри;
сунках 5;8, которые рассчитаны для случаев
оптических характеристик, приведенных в
табл. 2.
1
0
( ) 2 ( ( , ) ( , ))+ −
λ λ λ
μ=
= π μ + −μ μ∫G z I z I z d
1
1 1
0
1
( , ) (1, ) ( )
( ) ( , )
2
L y
b
L Ly
y
LI I e I T dy
L e p I y d dy e
λ
λ λ
β−
− − μλ
λ λ λ
ξ
β β−
μ μλ
λ
′=ξ μ =−
⎡ κξ −μ = −μ + +⎢ μ⎣
⎤σ ′ ′+ μ μ μ ⋅⎥μ ⎦
∫
∫ ∫
0
1
0
0 1
( , ) (0, ) ( )
( ) ( , )
2
L y
b
L Ly
y
LI I e I T dy
L e p I y d dy e
λ
λ λ
βξ
+ + μλ
λ λ λ
β βξ −
μ μλ
λ
′= μ =−
⎡ κξ μ = μ + +⎢ μ⎣
⎤σ ′ ′+ μ μ μ ⋅⎥μ ⎦
∫
∫ ∫
1
1 1
1 1 1 1
1
( (1, ))
[ ( ) ( )] ,λ λ λ
Ω
α= θ − θ τ +
Λ
∗+ω ε θ − θ ν∫
Lq
Q E d
28 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 1
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
(8)
Та б л . 2 .
,
Рис. 5,6 соответствуют изменению температуры
границы образца, подвергаемой внешнему тепло;
вому воздействию, а рис. 7,8 соответствуют нагре;
ву противоположной границы слоя образца.
Из рисунков видно, что фазовый переход ди;
электрик;металл на облучаемой границе насту;
пает раньше, при этом время перехода (~10сек)
значительно меньше, чем на противоположной
границе образца (~500сек). Влияние оптических
характеристик заметно проявляется только после
завершения фазового перехода. Увеличение спе;
ктрального коэффициента поглощения (кривая
3) вызывает снижение температурного уровня, а
с увеличением спектрального коэффициента
рассеяния (кривая 5) происходит возрастание
температурного уровня. Расчеты показывают, что
наиболее эффективное накопление теплоты про;
исходит в образцах с малым спектральным коэф;
фициентом поглощения и с большим спектраль;
ным коэффициентом рассеяния.
В заключение отметим, что использование ме;
ханизма адсорбции;десорбции кислорода и вли;
яние оптических характеристик образца при фа;
зовом переходе диэлектрик;металл позволяет
создать высокоэффективный преобразователь
тепловой энергии.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 1 29
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Рис. 5. Зависимость температуры облучаемой
границы образца от времени нагрева.
Рис. 6. Зависимость температуры облучаемой
границы образца от времени нагрева (конечная
стадия нагрева). 1%6 – варианты таблицы 2.
Рис. 7. Зависимость температуры не облучаемой
границы образца от времени нагрева.
Рис. 8. Зависимость температуры не облучаемой
границы образца от времени нагрева (конечная
стадия нагрева). 1%6 – варианты таблицы 2.
Выводы
Показано, что максимальное накопление и от;
дача теплоты в дисперсном материале двуокиси
ванадия происходит при фазовом переходе в ус;
ловиях адсорбции;десорбции кислорода. Коли;
чество запасаемой теплоты зависит от вкладывае;
мой механической энергии при диспергировании
исходного оксида ванадия. Численные расчеты
показали, что влияние оптических характерис;
тик материала на процесс нагрева усиливается
после завершения фазового перехода. Получен;
ные результаты могут быть использованы при со;
здании высокоэффективных преобразователей;
накопителей теплоты.
ЛИТЕРАТУРА
1. Петров Ю.И. Физика малых частиц. М.:
Наука, 1982, 360с.
2. Бугаев А.А., Захарченя Б.П., Чудновский Ф.А.
Фазовый переход металл;полупроводник и его
применение. «Наука» Лен.отд. 1979, 183с.
3. Кржижановский Р.Е., Штерн З.Ю. Тепло;
физические свойства неметаллических материа;
лов. Л.: «Энергия», 1973, 336с.
4. Каламазов Р.Ц., Кальков А.А. Высокодис;
персные порошки вольфрама и молибдена. М.:
Металлургия, 1988, 192с.
5. Полубояров В.А. и др. Химия в интересах
устойчивого развития (1994) Т2 С. 647–663
6. Бурка А.Л., Рубцов Н.А., Ступин В.П. Тео;
ретическое и экспериментальное исследование
режимов нагрева органического стекла //Мате;
риалы VI Всесоюз. конф. по тепломассообмену
“Тепломассообмен;VI”. Минск: Ин;т тепло; и
массообмена, 1980. Т.2. С. 132–137.
7. Блох А.Г. Теплообмен в топках паровых
котлов. Л.: энергоатомиздат, 1984, 350 с.
8. Соболев С.Л. Уравнения математической
физики. М.: Наука, 1966, 446 с.
9. Оцисик М.Н. Сложный теплообмен. М.:
Мир, 1976
10. Канторович Л.В. О методе Ньютона // Тр. /
АН СССР. Мат. ин;т. 1949. Т. 28. С. 135–139.
Получено 03.10.2005 г.
30 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 1
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Числово досліджено течію та теп)
ловіддачу при природній конвекції у
секційній камері квадратного перерізу
при нагріві бокових стінках зі сталою
температурою та адіабатних верхніх та
нижніх стінках. Розрахунки показали, що
зі збільшенням чисел Ra коефіцієнти
тепловіддачі суттєво зростають. При
збільшенні відстані вертикальних стінок
від перегородки середнє число Nu істот)
но зменшується.
Числено исследованы течение и теп)
лоотдача при естественной конвекции в
секционной камере квадратного сече)
ния при прогретых боковых стенках,
имеющих постоянную температуру, и
адиабатных верхней и нижней стенках.
Расчеты показали, что с увеличением
чисел Ra коэффициенты теплоотдачи
существенно возрастают. При увеличе)
нии расстояния вертикальных стенок от
перегородки среднее число Nu значи)
тельно уменьшается.
Buoyancy driven flow and heat transfer
in a partitioned square enclosure having
differentially heated isothermal walls and
adiabatic horizontal walls were studied
numerically. The results show that as the
Rayleigh number increases heat transfer
rate increases substantially. With using a
partition between the vertical walls of the
enclosure, average Nusselt number
decreases considerable amount.
УДК 536.24
KAMIL KAHVECI, AHMET CIHAN, DIN ER AKAL
Mechanical Engineering Department, Trakya University, Turkey
FLOW AND HEAT TRANSFER IN A PARTITIONED
ENCLOSURE
|