НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

Поліщук Наталія Володимирівна

УДК 53.084.86:535.337

інтенсифікаціЯ ТЕПЛОмасопереносу в макропористих тілах У ПРОЦЕСАХ ЗВОЛОЖЕННЯ ТА СУШІННЯ під ДІєю СИЛЬНИХ електричних полІВ

05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в науково-дослідній лабораторії „Теплофізики дисперсних матеріалів” Рівненського державного гуманітарного університету (РДГУ) Міністерства освіти та науки України, м. Рівне.

Науковий керівник кандидат фізико-математичних наук, доцент

Панченко Михайло Самсонович,

Рівненський державний гуманітарний університет,

професор кафедри фізики.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

БУЛЯНДРА Олексій Федорович,

Національний університет харчових технологій, м.Київ,

професор кафедри теплотехніки;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Іваницький Георгій Костянтинович,

Інститут технічної теплофізики НАН України, м. Київ,

провідний науковий співробітник відділу тепломасообміну в дисперсних системах.

Провідна установа: Національний технічний університет України

„Київський політехнічний інститут”,

кафедра теоретичної та промислової теплотехніки

Міністерства науки і освіти України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 10 ” жовтня 2006 р. о 14 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 в Інституті технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2а.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2а.

Автореферат розісланий 5 вересня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук Чайка О.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Процеси зволоження та обезводнення пористих матеріалів широко використовуються при проведенні різних технологічних операцій у промисловості і сільському господарстві. Ці процеси, зокрема, сушіння, є надто енергозатратні і проблеми енергозбереження виходять на перший план. Тому пошуки ефективних методів інтенсифікації цих процесів, які забезпечили б зменшення витрат енергії, є важливими та актуальними.

Згідно матеріалів V Мінського міжнародного форуму з тепло- і масообміну (2004 р.) та IV Київської Міжнародної конференції з проблем промислової теплотехніки (2005 р.) ХХІ століття має стати віком енергозбереження та екологічної чистоти. Тому відбувається формування нових концепцій енергетики з широким використанням електричної енергії, яка задовольняє екологічну безпеку електротехнологій і перспективи зменшення викопних ресурсів та прямого перетворення їх хімічної енергії в електричну.

У рамках вирішення цієї глобальної проблеми в роботі досліджуються конкретні методи інтенсифікації процесів тепломасопереносу (ТМП) при зволоженні та сушінні різних пористих матеріалів із застосуванням сильних електричних полів (ЕП). Широкі можливості такого підходу демонструють електронно-іонні технології, які, в якості джерел об’ємних (масових) сил, використовують сильні ЕП, що сприяє енергозбереженню в різних виробництвах. Це ЕП коронного розряду (КР), іскрового розряду (ІР) та часткових розрядів (ЧР), які є дискретно-імпульсними процесами при атмосферному тиску.

В ІТТФ НАНУ під керівництвом академіка НАН України А.А. Долінського і його наукової школи розвинутий метод дискретно-імпульсного введення енергії (ДІВЕ) на межі розділу фаз дисперсної системи, який забезпечує зменшення енергозатрат на 1 – 2 порядки. Цьому методу може відповідати введення енергії у вологу пористу систему за допомогою електричних газових розрядів.

Особливо це актуально для макропористих тіл, в яких перенесенню гарячої води, а з нею і великої кількості тепла в макрокапілярах, які розміщені під різними кутами до горизонту, протидіє гравітаційне поле. Тому однією з актуальних проблем сучасної теплофізики макропористих тіл є теоретичне і експериментальне обґрунтування інтенсифікації процесів ТМП за дії сильних неоднорідних електричних полів (НЕП) та протидії гравітаційного поля при їх зволоженні і сушінні. Використання сильних ЕП дозволить реалізувати на практиці прогноз розвитку науки про сушіння та енергозбереження в Україні.

Науковими проблемами в цій галузі, в основному в слабких ЕП, займалися О.В. Ликов, М.В. Чураєв, М.К. Болога, В.Ф. Андросов, В.П. Дущенко, М.С. Панченко, І.М. Карпович та інші. Використання КР для технологічних потреб започаткували в Україні акад. О.О. Кремньов, І.З. Онатій, В.О. Шеліманов та ін.

Проте ряд питань зволоження і сушіння в НЕП, особливо в розрядних, зокрема, механізми їх впливу на статику і кінетику процесів внутрішнього ТМП в макропористих тілах в умовах дії на тверду, рідку і пароповітряну фази гравітаційного поля та сильних НЕП, при різних температурах і їх градієнтах вивчені недостатньо.

Брак знань про механізми процесів ТМП в сильних НЕП за протидії гравітації при врахуванні комплексу властивостей пористих тіл гальмує розвиток технології і техніки адсорбції та десорбції, фільтрації, просочування і сушіння, зокрема, регулювання та інтенсифікацію відповідних процесів, вибір оптимальних режимів раціонального проектування та експлуатації високоефективних зволожувальних і сушильних установок, теплових труб тощо.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках держбюджетних тем Рівненського державного гуманітарного університету: “Напрямлене регулювання електричних та теплофізичних властивостей гетерогенних полімерних і дисперсних систем під дією електричних і магнітних полів” (01.01.1994 – 01.02.1998), № державної реєстрації 0100V004898; „Прогнозування та отримання нових композицій гнучколанцюгових полімерів з напрямленим регулюванням властивостей під дією зовнішніх полів різної фізичної природи” (01.2000р. – 02.2002р.), № державної реєстрації 0103V000156 на замовлення МОН України, а також планової кафедральної та науково-дослідної лабораторії теплофізики дисперсних матеріалів РДГУ комплексної теми ”Дослідження шляхів напрямленого модифікування властивостей гетерогенних полімерних і дисперсних тіл” (1994 – 2006 рр.).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є встановлення комплексного впливу інтенсифікації вологопереносу в НЕП на теплоперенос у капілярних трубках (КТ) і модельних тілах з мікро- і макропористою твердою фазою, які широко використовуються в промисловості як об’єкти зволоження і сушіння, при протидії сили тяжіння та з’ясування фізичних механізмів і закономірностей процесів ТМП при взаємодії полів вологовмістів, температурних, гідродинамічних та сильних НЕП для використання в енергоресурсозберігаючих технологіях.

Основні завдання дослідження: –

з’ясувати фізичні механізми інтенсифікації процесів ТМП в КТ, мікро- і макропористих тілах за дії сили гравітації та НЕП при зволоженні і сушінні; –

довести, що НЕП може істотно впливати на статику та кінетику капілярного усмоктування (КУ) та теплоперенос нагрітою рідиною в КТ різних радіусів і різної фізико-хімічної природи, які є найпростішими моделями пористих тіл;–

установити зміну температури тіла, що сушиться і швидкості сушіння та питомі енергозатрати на видалення вільної і зв’язаної води під дією НЕП;–

визначити залежність ефективного коефіцієнта теплопровідності еф КТ різних радіусів від довжини стовпчика нагрітої води при капілярному усмоктуванні її за різних кутів нахилу КТ до напрямку сили тяжіння, а також від вологовмісту модельних макропористих та капілярно-пористих тіл у НЕП;–

за допомогою чисел подібності провести аналіз процесів ТМП у кварцових КТ різних радіусів при капілярному усмоктуванні, а також сушінні КПТ у НЕП;–

розробити практичні рекомендації для промислового застосування НЕП при зволоженні і сушінні.

Об’єктами дослідження були процеси тепломасопереносу в НЕП при русі води різної температури в пористих тілах у вигляді КТ з полівінілхлориду (ПВХ) та кварцу з різними радіусами внутрішніх каналів, кварцового піску і силікагелів КСМ-5 та КСК-2, як типових представників капілярно-пористих промислових адсорбентів.

Предметом дослідження було вивчення фізичних механізмів інтенсифікації ТМП за дії сильних НЕП при зволоженні і сушінні вибраних макропористих модельних тіл, їхніх водоутримуючих і вологопереносних властивостей, змін ефективного коефіцієнта теплопровідності в широкому діапазоні температур, напруженостей ЕП та їх градієнтів, з урахуванням дії сили гравітаційного поля.

Методи дослідження. Експериментальні: вакуумні сорбційні терези Мак-Бена – Бакра для оцінки адсорбційних параметрів (гідрофільності) вибраних пористих тіл, установки для дослідження КУ води різної температури в КТ під різними кутами нахилу до горизонту в градієнтних температурних та електричних полях, термографічні установки для отримання термограм та енергограм сушіння, установка Баб’єва для визначення ефективного коефіцієнта теплопровідності макропористих тіл. Вони були модифіковані за безпосередньою участю автора дисертаційної роботи з метою проведення досліджень у слабких і сильних НЕП. Теоретичний аналіз: при постановці експериментів і обговоренні їх результатів.

Наукова новизна одержаних результатів. В роботі вперше на основі теоретичного аналізу експериментальних досліджень статики і кінетики сушіння пористих тіл та КУ води з різною температурою в КТ різних радіусів і різної фізико-хімічної природи при різних градієнтах температури та орієнтації КТ відносно гравітаційного поля в умовах дії слабких і сильних НЕП та узагальнення результатів з використанням чисел теорії подібності встановлено:

– закономірності впливу НЕП на кінетичні параметри внутрішнього масопереносу при зволоженні і сушінні модельних мікро- і макропористих тіл при дії як дорозрядних, так і розрядних НЕП, а також гравітаційного поля;

– особливості витрат електричної енергії в порівнянні з тепловими затратами, які приводять не тільки до інтенсифікації процесів ТМП за рахунок виникнення різних електрогідродинамічних потоків, але й до суттєвого зменшення енергозатрат на зволоження і сушіння різних за гідрофільністю тіл при різних температурах і напруженостях ЕП та їх градієнтах;

– для діелектричних КТ і макропористих тіл, як гідрофільних, так і гідрофобних, існує істотний вплив розрядних НЕП на висоту піднімання у вертикальному положенні і довжину стовпчиків води при іншій їхній орієнтації;

– вплив електро- і термогідродинамічних процесів на теплоперенос у найпростіших моделях пористих тіл у вигляді конічних і циліндричних КТ та колонки з кварцового піску з протилежно спрямованими градієнтами температури і напруженості ЕП за протидії сили тяжіння;

– величину ефективного коефіцієнта теплопровідності досліджених зразків, яка зростає від декількох разів до декількох порядків у залежності від вологовмісту, температури, градієнтів температурного і електричного полів та орієнтації макрокапілярів відносно гравітаційного поля Землі;

– фактори інтенсифікації, які виникають у сильних НЕП, зокрема, велика енергоємність, строга просторова спрямованість і локалізація дії плазми КР та ІР лише на вологих, практично точкових ділянках пористих тіл, роблять ці газові розряди винятково ефективними засобами ДІВЕ при їх зволоженні та сушінні і приводять до зміни класичних і специфічних чисел теорії подібності;

– можливість суміщення процесів прядіння і електронно-іонного сушіння ниток на Рівненському льонокомбінаті та інтенсифікації роботи осушувальних адсорберів на Рівненському заводі „Технопривод” за допомогою ЧР (див. акт впровадження від 12.10.2005 р.).

Практичне значення отриманих результатів полягає в інтенсифікації взаємозв’язаного ТМП у макропористих системах, що суттєво скорочує тривалість та енергозатрати (збільшує енергозбереження) процесів їх зволоження і сушіння, а це відкриває шляхи використання сильних НЕП у технологічних процесах, пов’язаних з використанням зволоження і сушіння різних матеріалів, зокрема, реалізації електронно-іонного сушіння в рамках електронно-іонних технологій.

Особистий внесок здобувача – створення та модернізація класичних експериментальних установок і розробка методичних аспектів досліджень інтенсифікації ТМП в НЕП. Автор самостійно здійснила всі експериментальні дослідження. Усі представлені в роботі експериментальні і теоретичні результати одержано безпосередньо автором. Дисертант самостійно проводила теоретичний аналіз експериментальних результатів і порівняння власних результатів з результатами інших авторів. Всі висновки по дослідженню і обговоренню результатів у рамках сучасного стану проблеми, які представлено в дисертації, зроблено виключно автором.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень по темі дисертації оголошені та обговорені на Міжнародних і Всеукраїнських наукових конференціях: V Мінському Міжнародному форуму з проблем тепло- і масообміну (Мінськ, 2004 р.); ІV Міжнародній конференції з проблем промислової теплотехніки (Київ, 2005 р.); VII, IX та Х Всеукраїнських конференціях „Фундаментальна і професійна підготовка вчителів фізики” (Київ, 2002, 2004 рр., Миколаїв, 2005 р.), а також на науковому семінарі відділення тепломасообміну ІТТФ НАН України (Київ, 2005 р.). Результати роботи доповідались і обговорювались на конференціях РДГУ (2001 – 2006 рр.).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи викладено в 22 публікаціях: 16 статтях у наукових журналах та збірниках наукових праць (з них 10 – у закордонних журналах, 1 – у вітчизняному, 5 – у збірниках наукових праць, що входять у перелік ВАК України), 4 тезах та 2 матеріалах доповідей на Міжнародних та Всеукраїнських наукових конференціях. Результати дисертації опубліковані одноосібно в 3 роботах.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, висновків до них та загальних висновків, списку використаної літератури і додатку. Загальний обсяг роботи становить 198 сторінок, з них комп’ютерного тексту – 158 сторінок, робота містить 46 рисунків, 4 таблиці та 1 додаток. Список літератури складає 255 джерел (із них автора роботи – 22).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі висвітлено стан проблеми, обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і завдання досліджень, подано загальну характеристику роботи, наукову новизну і практичну значимість її, з’ясовано особистий внесок автора, вказано сферу апробації результатів і структуру роботи.

Перший розділ присвячений термодинамічному і молекулярно-кінетичному опису ТМП в мікро-і макропористих тілах під впливом НЕП. На основі аналізу літературних джерел вивчено стан питання, обґрунтовано мету та завдання дослідження. Показано, що взаємодія сильних НЕП, полів вологовмісту, термічних і гідродинамічних полів у мікро- і макропористих твердих тілах зумовлює значний електрофізичний вплив на ТМП і є перспективним фактором інтенсифікації цих процесів. Відомості про сумісний вплив НЕП та гравітації на інтенсифікацію ТМП, особливо в макропористих тілах, нечисленні і неоднозначні, а вплив НЕП у сушильних установках не використовується. Тому необхідно продовжити дослідження по з’ясуванню якісних і кількісних закономірностей впливу постійного НЕП на ТМП у макропористих тілах.

У другому розділі наведено основні характеристики об’єктів дослідження. Обґрунтовано визначальну роль води в природі та у виробничій практиці, що обумовлює актуальність вибору її як теплоносія при конвективному русі в макропористих тілах під впливом НЕП.

Як модельні об’єкти макропористих тіл використовувались кварцові КТ зі складом 99,9 % SiO2 радіусами r0 від 0,11мм до 5,53 мм, які були виготовлені в лабораторії тонких шарів рідин Відділу поверхневих явищ Інституту фізичної хімії РАН. Для виявлення відмінностей КУ рідини при малій гідрофільності матеріалу використовувались КТ тих же радіусів із ПВХ трубок цього ж Інституту. Макропористим тілом служив кварцовий пісок фракцій 0,2 < d 0,5 мм і 0,02 < d 0,05 мм у вигляді колонок діаметром 10 мм. При сушінні в НЕП використовувались промислові адсорбенти – силікагелі КСМ-5 і КСК-2 з розмірами зерен 0,2 < d 0,5 мм та 0,1 < d 0,25 мм, які поєднують у собі властивості мікро- і макропористих тіл.

Для дослідження ТМП в цих зразках при дії НЕП використано комплекс модифікованих класичних установок: адсорбційні вакуумні терези Мак-Бена – Бакра, які забезпечували точність зважування при визначенні кількості адсорбованої вологи 0,510–6 кг; установки для дослідження КУ води різної температури і градієнтів температури вздовж КТ і колонок з піску як у вертикальному і горизонтальному положеннях, так і під різними кутами до напрямку гравітаційного поля при різних Е і Е НЕП. Похибка вимірювань без поля і в дорозрядних НЕП складала 2 – 3 %, а в розрядних – 5 – 10 %; термографічні установки для отримання термограм і енергограм сушіння мали похибку експериментів 1 – 2 % без поля і в дорозрядних НЕП, а в розрядних – 10 – 15%; установка Баб’єва для визначення ефективного коефіцієнта теплопровідності макропористих тіл у слабких і сильних полях з похибками відповідно 2 – 3 % і 8 – 15 %. Спостереження за переміщенням меніска при вертикальному розміщенні КТ проводилось за допомогою мікрокатетометра КМ-6 через передню прозору стінку термостатованої камери з точністю ± 3 мкм. Положення рухомого меніска при інших положеннях КТ визначалось автоматизованою системою, яка базується на комп’ютерному аналізі зображення меніска рідини, сформованого оптичною системою телекамери. Це дозволяло отримувати на моніторі і в запису графічну залежність l() і dl/d() при різних умовах експерименту з точністю ± 0,1мм по довжині стовпчика l і 0,1 с по часу руху рідини. Похибки експериментів знаходилась для довірчої ймовірності 0,95 при коефіцієнті Стьюдента 4,3.

У третьому розділі розглянуто теоретичні та експериментальні аспекти інтенсифікації вологопереносу в КТ за рахунок зовнішнього електрофізичного впливу: ефекти дії НЕП на підняття води у вертикальних КТ та на переміщення її у горизонтальних і розміщених під різними кутами до гравітаційного поля КТ в ізотермічних і неізотермічних умовах. У кожному підрозділі проведено теоретичні аналізи факторів НЕП, що визначають кінетику вологопереносу в КТ, з яких випливає, що зовнішні НЕП здатні впливати на положення і швидкість руху рідини в КТ. Зокрема, висота підняття рідини в трубках за дії НЕП

, (1)

де fe – об’ємна густина пондеромоторних сил, які діють на рідину зі сторони зовнішнього НЕП

(2)

У виразі (2) ев – густина зв’язаних зарядів меніска; hs – товщина приповерхневого шару рідини, який насичений іонами КР або ІР; е – об’ємна густина заряду рідини; zі – валентність іонів; 0 = кТ/е – специфічний потенціал досліду, е – заряд електрона; – густина електричного струму; dr – приріст радіуса при рухові від осі КТ; е – питома електропровідність; р – додатковий тиск до атмосферного з боку КВ чи плазми ІР у КТ; /е– відстань між голковим електродом і меніском; q – заряд вершини стовпчика води; – товщина подвійного електричного шару, а/ – стала, яка залежить від властивостей рідини і поверхні стінки КТ; le = he/sin – довжина стовпчика води в КТ, яка нахилена під кутом до горизонту. Вираз (2) одержаний з аналізу окремих формул, які містяться в різних монографіях та статтях (пов’язаних з цією проблемою), і використовується для якісної оцінки результатів експерименту.

Доповнене нами рівняння А.П. Порхаєва для середньої швидкості руху рідини в КТ з врахуванням дії НЕП, гравітаційної сили, капілярних і термокапілярних сил масопереносу має вигляд

, (3)

де четвертий член у дужках визначає прискорення нагрітої рідини під впливом сили Архімеда fA; , , , – швидкості термокапілярного, термоплівкового, термоосмотичного, термоградієнтного переносу рідини.

Додаткові члени в формулах (2) і (3) вказують на інші, крім капілярного і гравітаційного, механізми впливу на гідродинаміку КУ різних силових факторів НЕП, зокрема, при наявності того чи іншого розряду та градієнту температури Т. Сумісна дія різних складових пондеромоторних сил НЕП (2), особливо розрядних, як показали досліди, суттєво збільшує як абсолютну, так і відносну висоту підняття води в гідрофільних КТ (рис.1 а, б). Менш значне підняття спостерігається в практично гідрофобних КТ з ПВХ після гідрофілізіції їх внутрішніх поверхонь за дії розрядів, що приводить до покращання змочування і КУ. Таке ж підняття відбувається і в макропористих тілах за рахунок протидії силі тяжіння капілярних і пондеромоторних сил НЕП. Згідно (1), при електрична сила повністю компенсує силу тяжіння і висота стовпчика рідини в КТ буде нескінченно велика. Гаряча вода буде подаватись на цю ж висоту, переносячи з собою тепло. За цієї умови ефективна теплопровідність КТ чи макропористого тіла внаслідок електроконвективного переносу гарячої води також має значно зростати. Це еквівалентно тепловому насосу за відсутності гравітації. Дія сили тяжіння на рух води в КТ не проявляється і у випадку їх горизонтального розміщення, бо в (3) gsin = 0 і е повинна інтенсивно зростати за рахунок члена fe/1е.

Дійсно, досліди показали, що НЕП істотно впливають не тільки на статику (рис. 1), але й кінетику КУ в кварцові КТ (рис. 2, 3). Збільшуються як довжина стовпчиків при фіксованому часі, так і швидкість їхнього руху при КУ. Аналогічні, але менше виражені явища спостерігаються і в КТ з ПВХ.

Зміна радіуса КТ суттєво впливає як на статику, так і на кінетику КУ в НЕП (рис. 1 – 3). Сумісна дія протиборчих сил (капілярних, гравітаційних, в’язких, електричних та інших) зумовлює коливні рухи стовпчиків води (рис. 2).

При цьому швидкість у кінці всмоктування (рис. 3) зростає у випадку гідрофільних кварцових КТ від декількох до сотень разів. НЕП пришвидшує рух рідини не тільки в горизонтальних КТ різних радіусів, але й у розміщених під кутом до горизонту, і цей вплив незначно зменшується зі збільшенням температури води від кімнатної і майже до кипіння.

В усіх випадках наявність Т (рис. 3) значно прискорює рух води в КТ як без поля, так і в НЕП. Дія НЕП, особливо розрядних, інтенсифікує взаємодію фаз при їх електричній поляризації та напрямлений рух вільних гідратованих зарядів при різних температурах і їх градієнтах, що й пришвидшує рух води в КТ.

Цьому сприяє розвиток електроконвекції, формування електрокапілярних хвиль, руйнування надменіскової плівки, поява бульбашок у воді, викидання крапельок з меніску, що приводить до перебудови структури і швидкості потоку, бо рідина в КТ переходить у диспергований (двохфазний) стан.

У вологих пористих тілах рідина уже є подрібнена на стовпчики капілярами, з поперечним перерізом від декількох нанометрів (силікагель КСМ-5) і до декількох сотень мікрометрів (кварцовий пісок), які розділені пароповітряними бульбашками і рідинними плівками тієї ж величини. Цим забезпечується дискретність робочих елементів. Канали розрядів якраз і локалізуються на стовпчиках води і плівках у капілярах. При дії розряду здійснюється кавітаційна обробка води і її іонізація та електроліз. Зважаючи на малий переріз капілярів і каналів розрядів, можна вважати, що останні прикладені практично в точках на межі розділу фаз, тобто відбувається колосальна концентрація, в цілому невеликої введеної електричної енергії, в найбільш вологих точках. Це означає, що реалізується локальність введення енергії. Протікання КР та ІР, які за своєю природою є дискретними процесами, забезпечує імпульсне ведення енергії з частотою 105 – 106 с-1. Виникнення і колапс пухирців сприяє інтенсифікації значної множини фізико-хімічних перетворень, активізуються окисно-відновлювальні процеси, процеси іонізації і дисоціації молекул води. В результаті здійснюється активація водних включень у капілярах і акумулювання електричної енергії в них. Ця енергія в паузі між двома послідовними імпульсами струму трансформується в електрогідродинамічні процеси: продавлювання менісків коронним вітром та плазмовими пакетами ІР, витягування з під менісків вздовж стінок циліндричних плівок, їх диспергування на окремі заряджені мікро- і макрокрапельки, що виносяться кулонівськими силами і коронним вітром. Усе це призводить до інтенсифікації ТМП як в окремих капілярах, так і в макропористих тілах за механізмами подібними ДІВЕ.

У четвертому розділі з’ясовано вплив інтенсифікації вологопереносу під дією НЕП на теплоперенос у КТ і макропористих тілах, зокрема, пришвидшення теплопереносу за рахунок інтенсифікації плівкового переносу в конусних КТ, а також при всмоктуванні води в циліндричні трубки і колонки з піску при спільній дії неоднорідних температурних та електричних полів при різній орієнтації зразків відносно сили тяжіння. Розраховані ефективні коефіцієнти теплопровідності в цих випадках. Досліджено явище інтенсифікації ТМП при сушінні КПТ у коронному та іскровому розрядах. У підрозділах проводиться теоретичний аналіз механізмів можливого впливу НЕП на теплоперенос. Потік тепла у вологому пористому тілі за О.В. Ликовим описується формулою

jT = – TфT + Iiji , (5)

Для окремої циліндричної КТ з рівняння (5) при усмоктуванні гарячої води при дії НЕП маємо

jТе = – TфT + I1j1e, (6)

де j1e = 1е – густина потоку гарячої води в НЕП; І1 – її тепловміст (ентальпія). В моделі заповненої водою конусної КТ з бульбашкою всередині та з градієнтами температури і напруженості електричного поля вздовж неї

(7)

де DП – коефіцієнт дифузії молекул пари; м – маса моля; rк – змінний радіус конусної КТ; ре – дипольний момент молекул; С – концентрація молекул пари; R – універсальна газова стала; – молярний об’єм рідини; 1 – температурний коефіцієнт поверхневого натягу; lб – довжина бульбашки; – коефіцієнт термоосмосу; hпл – товщина плівки між бульбашкою і внутрішньою поверхнею КТ.

Результати розрахунку згідно (7) впливу НЕП на плівковий волого- і теплоперенос при наявності Т уздовж плівки води у кварцовій конічній КТ показано на рис. 4. З нього випливає, що у випадку протилежно спрямованих Т та Е у плівці істотно збільшується потік тепла за рахунок інтенсифікації переносу тепловмісту води в результаті виникнення додаткових ЕГД потоків під дією пондеромоторних сил (j3 – зворотний потік у плівці під дією р, обумовлений конусністю КТ к = (r2 – r1)/lб, де r1, r2 – радіуси капіляра на початку і в кінці бульбашки).

Дослідження впливу НЕП на теплоперенос при КУ гарячої води в присутності Т уздовж горизонтальних і спрямованих під різними кутами до сили тяжіння циліндричних КТ різних радіусів показали, що у випадку протилежних Т і Е на декілька порядків збільшується електроконвективний рух тепла в них (рис. 5). Інтенсифікація переносу тепломісткості води відбувається в результаті виникнення і взаємодії електрогідродинамічних і термоградієнтних потоків за дії сил НЕП. Для КТ з ПВХ відносна величина електроконвективного потоку тепла в НЕП дещо більша ніж для кварцових КТ. Ефективний коефіцієнт теплопровідності знаходився за формулою

еф = jТе / T . (8)

Як видно з рис. 6, при всмоктуванні гарячої води в кварцову КТ в НЕП, еф зростає на 6 – 7 порядків у порівнянні з коефіцієнтами кондуктивної теплопровідності плавленого кварцу чи води. В НЕП еф збільшується від r0 = 0,11 мм до r0 = 1,9 мм, а потім зменшується.

Дослідження впливу НЕП при всмоктуванні гарячої води на конвективний теплоперенос у макропористе тіло у вигляді колонки кварцового піску, яка розташовувалась під певними кутами до гравітаційного поля показало, що в ній реалізуються ті ж електро- і термовологісні процеси, що й в окремій КТ. Звідси випливає, що використання спільної дії неоднорідних електричного і температурного полів при різній орієнтації їх відносно гравітаційного поля створює значні можливості для цілеспрямованого управління теплопереносом у реальних макропористих тілах.

Отримані величини еф з використанням модифікованої установки Баб’єва рівномірно зволожених кварцового піску і силікагелю КСМ-5 (рис. 7) свідчать про суттєву інтенсифікацію теплопереносу при всіх вологовмістах макро- і мікропористих тіл. Сингулярні точки на кривих еф(W) при накладанні НЕП відзначають вологовмісти, що відповідають різним формам зв’язку і станам вологи в макро- і мікрокапілярах кварцового піску і силікагелів (СТ, КН, КП – вологовмісти стикового, канатного і капілярного станів).

Дослідження термограм і енергограм сушіння (рис. 8 і 9) виявило, що фактори пришвидшення, зокрема, велика енергоємність, строга просторова спрямованість і концентрація дії плазми, коронного вітру, стримерів КР та іонно-електронних пакетів ІР лише на найбільш вологих, практично точкових, ділянках макропористих тіл чи КПТ роблять ці газові розряди при атмосферному тиску за своєю ефективністю подібними до методу ДІВЕ, а, отже, засобами пришвидшення сушіння макропористих тіл і КПТ за рахунок інтенсифікації зовнішнього і внутрішнього ТМП. При цьому зменшуються температура сушіння, викиди тепла і золи в навколишнє середовище; швидкість сушіння в першому періоді зростає майже на порядок, а в другому, коли в мікрокапілярах реалізуються лише ЧР – в кілька разів, при зменшенні витрат енергії до рівня меншого, ніж при конвективному тепловому сушінні чи в кілька разів у порівнянні з високочастотним сушінням за рахунок зменшення енергозатрат rв (рис. 9) на видалення води всіх станів і форм зв’язку вологи з КПТ. Це наслідок того, що під впливом КР чи ІР з вільної поверхні води, чи з макрокапілярів частина води видаляється в рідкій фазі у вигляді краплин, водних кластерів і навіть окремих стовпчиків води. В цьому випадку в тій чи іншій мірі реалізується безфазове сушіння. Тому електронно-іонне сушіння, яке відповідає сучасним вимогам енергозбереження, потрібно використовувати як самостійний, економічно й екологічно вигідний спосіб сушіння.

У п’ятому розділі використано методи теорії подібності для аналізу ТМП при зволоженні і сушінні пористих тіл у НЕП, розглянуто числа подібності для процесів ТМП при всмоктуванні гарячої води КТ у НЕП та застосування результатів досліджень у виробництво. Отримані числа подібності (Рейнольдса (Re), Фруда (Fr), Нусельта (Nu), коефіцієнта тепловіддачі (Т), Прандтля (Pr), Пекле (Pe), Грасгофа (Gr), електричний аналог числа Галілея (П1), електричне число КЕ1, Кнудсена (Kn), безрозмірні температури охолодження (о) і нагрівання (н) пористої пластини) при всмоктуванні рідинного теплоносія в КТ, суттєво залежать від наявності НЕП, особливо розрядних, і в тим більшій мірі, чим більша величина напруги. На цю залежність справляють суттєвий вплив такі фактори, як радіус капілярної трубки, температура, її градієнт і кути нахилу капілярних трубок до напрямку гравітаційного поля.

Всі числа подібності змінюють свою величину при збільшенні напруги (а, отже, Е і Е), що свідчить про інтенсифікацію електроконвективного ТМП за рахунок дії пондеромоторних сил НЕП та електронно-іонного бомбардування поверхонь фаз як в окремих КТ, так і КПТ та в макропористих тілах.

Результати роботи дають можливість, окрім з’ясування загальних питань електрогідродинаміки і електроконвективного теплообміну, реально здійснювати розв’язання важливих інженерних задач. Перспективною може бути розробка електрогідродинамічних випаровувальних і конденсаторних систем, удосконалення електрогідродинамічних теплових труб, електронно-іонне сушіння пряжі, яке було запропоноване Рівненському льонокомбінату, а також підвищення ефективності промислових адсорберів за дії НЕП.

Використання дорозрядного і розрядного НЕП дало можливість продовжити в 2-3 рази термін експлуатації адсорбентів та інтенсифікувати як адсорбційні, так і десорбційні процеси адсорберів УОВМ1-79-РЕ і УОВ-ЗОМІ. Економічний аналіз їх роботи на Рівненському заводі „Технопривод” при використанні ЕП ЧР показав, що вартість осушення 1 м3 стиснутого повітря при використанні силікагелів зменшилась у 1,5 рази, а природного цеоліту – в 2,6 рази.

Список умовних позначень: Е – напруженість ЕП; g – прискорення сили тяжіння; h – висота стовпчика води; jТ – конвективний потік тепла у вологому пористому тілі; k – стала Больцмана; р – тиск; l – довжина стовпчика води або плівки в КТ; r0– радіус циліндричної КТ; Т – температура; U – міжелектродна напруга; W – вологовміст; – кут нахилу КТ до горизонту; ?0 – електрична постійна; ? – діелектрична проникність; ? – в’язкість рідини; – крайовий кут змочування; – коефіцієнт теплопровідності; – густина; – поверхневий натяг; ? – час; – середня швидкість руху рідини в КТ чи макропористому тілі. Індекси: 1 – рідина; 2 – пароповітряне середовище; е – електричне поле; еф – ефективний; Т – тепло; Тф – тверда фаза. Умовні скорочення: ЕП – електричне поле; ІР – іскровий розряд; КПТ – капілярно-пористе тіло; КР – коронний розряд; КТ – капілярна трубка; КУ – капілярне усмоктування; НЕП – неоднорідне електричне поле; ТМП – тепло- і масоперенос; ЧР – частковий розряд.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота спрямована на розвиток ефективних методів інтенсифікації тепломасопереносу при сушінні пористих тіл та всмоктування води в капілярні трубки різних радіусів і різної фізико-хімічної природи внутрішніх каналів, при різних температурах та градієнтах температури і різній орієнтації їх відносно гравітаційного поля, під дією неоднорідних електричних полів. Вона сприяє розв’язанню інженерних потреб зволожувальної і сушильної техніки, за умови використання електронно-іонних технологій, зокрема, при розробці енергозберігаючих електронно-іонних методів зволоження і сушіння твердих дисперсних систем. Узагальнення одержаних теоретичних та експериментальних результатів приводить до таких висновків.

1. Установлено механізми і закономірності впливу як дорозрядних, так і розрядних неоднорідних електричних полів на теплоперенос через інтенсифікацію масопереносу в модельних капілярних трубках, макропористих і капілярно-пористих тілах різної фізико-хімічної природи. Одержані аналітичні і графічні залежності вказують на суттєвий вплив неоднорідних електричних полів, особливо розрядних, на положення рідини в пористих тілах, їх масопереносні і теплофізичні параметри, які характеризують інтенсивність процесів тепломасопереносу.

2. Запропоновано узагальнені вирази для пондеромоторних сил неоднорідних електричних полів та руху рідини в капілярних трубках, які детально з’ясовують фізичні механізми впливу на гідродинаміку капілярного усмоктування і сушіння різних силових факторів неоднорідного електричного поля.

3. Виявлено, що довжина стовпчиків води за впливу полів, особливо розрядних, при різних температурах і їх градієнтах аж до температури кипіння в капілярних трубках, збільшується в кілька разів, а швидкість у кінці всмоктування зростає як у горизонтальних, так і в розміщених під різними кутами до напрямку гравітаційного поля в гідрофільних і гідрофобних капілярних трубках на порядки.

4. Показано, що ефективні коефіцієнти теплопровідності кварцових і полівінілхлоридних капілярних трубок, спрямованих під різними кутами до гравітаційного поля, при всмоктуванні гарячої води в сильних полях у результаті виникнення і взаємодії додаткових електрогідродинамічних і термоградієнтних потоків, на кілька порядків більші, ніж окремо в нерухомих твердій і рідкій фазах. Аналогічні ефекти виявлено в макропористих і капілярно-пористих тілах.

5. Дослідження зміни температури вологих тіл і питомих енергозатрат при їх сушінні показали, що фактори інтенсифікації, зокрема, велика енергоємкість, строга просторова спрямованість і концентрація дії плазми коронного, іскрового та часткових розрядів лише на найбільш вологих, практично точкових, ділянках макропористих чи капілярно-пористих тіл, роблять ці газові розряди при атмосферному тиску спорідненими з методами дискретно-імпульсного енергопідводу й ефективними засобами пришвидшення сушіння макропористих і капілярно-пористих тіл зі зменшенням теплових затрат на видалення вологи різних станів і форм зв’язку.

6. Числа подібності для тепломасопереносу, при всмоктуванні рідинного теплоносія в капілярні трубки і сушінні капілярно-пористих тіл, суттєво залежать від наявності неоднорідних електричних полів, особливо розрядних. На цю залежність справляють значний вплив такі фактори, як радіус капілярної трубки, температура, градієнт температури і кути нахилу капілярних трубок до напрямку гравітаційного поля. Це необхідно враховувати при створенні надійних систем термостатування, забезпеченні стабільних умов транспортування тепла при різній орієнтації теплоносія, розширенні і поглибленні досліджень гідродинаміки і теплообміну в електричних полях, у тому числі і при фазових перетвореннях.

7. Показано, що сильні електричні поля відносяться до ефективних засобів інтенсифікації тепломасоперносу в макропористих тілах і їх можна використати при розв’язанні важливих інженерних теплофізичних задач: розробка ЕГД випаровувальних і конденсаційних систем; конструювання ЕГД пристроїв автоматики і теплових труб; при модернізації адсорбційної технології і техніки; при здійсненні екстракції та фільтрації; для проектування та експлуатації зволожувальних (просочування) і сушильних установок з електронно-іонним сушінням (зокрема, ниток) при практично дискретно – імпульсному введенні енергії в точки максимальної концентрації вологи в пористих тілах.

Результати дисертаційної роботи запропоновані до впровадження у виробничий процес на Рівненському льонокомбінаті з електронно-іонного сушіння ниток та впровадженні на Рівненському заводі „Технопривод” для інтенсифікації роботи осушувальних адсорберів.

Основний зміст дисертації висвітлено в публікаціях

1. Полищук Н.В. Влияние электрических полей на капиллярные постоянные // Электронная обработка материалов. – 2004. – № 1. – С. 32 – 41.

2. Поліщук Н.В. Вплив електричного і гравітаційного полів на швидкість переміщення води в макрокапілярах неорганічного полімерного матеріалу // Фізика конденсованих високомолекулярних систем. – Рівне: РДГУ, 2004. – Вип. 10. – С. 59 – 66.

3. Поліщук Н.В. Вплив електричних полів на підняття води у капілярних трубках з полівінілхлориду // Фізика конденсованих високомолекулярних систем. – Рівне: РДГУ, 2005. – Вип. 11.– С. 38 – 43.

4. Панченко И.М., Панченко М.С., Мосиевич А.С., Панасюк А.Л., Полищук Н.В. Сорбционные и влагопереносные свойства ионитов в электрических полях // Электронная обработка материалов. – 2001. – № 4. – С. 36 – 43.

5. Панченко И.М., Панченко М.С., Полищук Н.В. Влияние электрических полей на процесс переноса тепла во влажном микропористом теле // Электронная обработка материалов. – 2002. – № 1. – С. 46 – 51.

6. Полищук Н.В., Панченко И.М., Панченко М.С., Карпович И.Н. Эффекты воздействия и последействия электрических полей на поднятие воды в макрокапиллярах // Электронная обработка материалов. –2002. –№ 4. –С. 54– 67.

7. Полищук Н.В., Панченко И.М., Панченко М.С., Карпович И.Н. Влияние электрического поля на скорость перемещения воды в широком капилляре, расположенном под малым углом к горизонту // Электронная обработка материалов. – 2003. – № 6. – С. 25 – 33.

8. Polishchuk N.V., Panchenko I.M., Panchenko M.S., and I.N. Karpovich. Influence of electric fields on water displacement in capillary tubes // Surface engineering and applied electrochemistry. – 2003. – N 4. – P. 27 – 37.

9. Полищук Н.В., Панченко И.М., Панченко М.С. Влияние влагопереноса на теплоперенос под воздействием неоднородного электрического поля в конических капиллярах // Инженерно-физический журнал. – 2004. – Т. 77,