CC BY
49
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12/2015 ISSN 2410-6070
7. Jasmin Blanchette, Mark Summerfield. C++ GUI Programming with Qt 4 // Prentice Hall Ptr. 2006.
8. Syd Logan. GTK+ Programming in C // Prentice Hall PTR Upper Saddle River, NJ, USA. 2001.
9. Uwe Rathmann, Josef Wilgen. Qt Widgets for Technical Applications [электронный ресурс] / Режим доступа: http://qwt.sourceforge.net/_- Загл. с экрана. - Яз. англ.
10. Sokal R.R. Claster-analyze and classification: premiss and basic directions // Classification and clustering. Academic Press, Inc. New York. San Francisco. London. P. 8-18. 1977.
11. Д.А. Поспелов. Ситуационное управление. Теория и практика // Москва «Наука» Главная редакция физико-математической литературы. С. 32-35. 1986.
12. Fu K.S. A linguistic approach to pattern recognition // Classification and clustering. Academic Press, Inc. New York. San Francisco. London. P. 186-194. 1977.
© Рогозов Ю.И., Дегтярев А.А., 2015
УДК 536.423.1
А.К. Розенцвайг, д.т.н., с.н.с.
Ч.С. Страшинский. к.т.н., доцент Набережночелнинский институт К(П)ФУ, г.Набережные Челны, Татарстан, РФ
Е-тай: [email protected], [email protected]
ДЕТАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛЕЙ СЛОЖНОГО ТЕПЛООБМЕНА В ЭМУЛЬСИЯХ НЕСМЕШИВАЮЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ
Аннотация
Рассмотрен перенос теплоты жидкостными эмульсиями с низкокипящей дисперсной фазой. Детализированы сложные процессы теплообмена в каплях дисперсной фазы жидкостных эмульсий. Выделены механизмы элементарных физических явлений, которые связаны с парообразованием в объеме, ограниченном межфазной поверхностью.
Ключевые слова
Сложный теплообмен, гетерогенные жидкостные системы, элементарные физические процессы, кипение
капель, однородная нуклеация.
Процессы теплопередачи (как равно и массопередачи) в жидкостях и газах существенно осложняются по сравнению с теплопередачей в твердых телах возможностью макроскопического движения. Не менее двух членов уравнения переноса теплоты в явной форме содержат характеристики ламинарного или турбулентного движения жидкости [1]. В системах несмешивающихся жидкостей сложность процессов переноса теплоты гораздо выше.
Аналитическое описание движения осложняется тем, что общие уравнения должны учитывать наличие структурных форм гетерогенных жидкостных систем. Поэтому следует записать уравнения для каждой компоненты с учетом её распределения в объёме системы, а также описать взаимодействие их на границах раздела фаз и ограничивающих поток поверхностях. В частности, Р.И. Нигматуллин в качестве модельных представлений применил понятие многоскоростного континуума и определением взаимопроникающего движения фаз системы [2]. Это абстрактные (не физические) понятия позволяют использовать методы механики сплошных сред. Осредненные параметры такой модели требуют дополнительного обоснования, чтобы представлять состояние сплошной и дисперсной фаз эмульсии.
Кроме того, эмульсии часто содержат частицы, размеры которых намного меньше расстояний, на которых существенно меняются осредненные или макроскопические параметры дисперсной системы. Осреднение лишает реальности такие процессы взаимодействия, как коалесценция, дробление и седиментация капель дисперсной
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12/2015 ISSN 2410-6070
фазы. Если дисперсной фазой является жидкость, то парообразование в объеме низкокипящих капель может способствовать их дроблению и появлению новых механизмов переноса тепла.
В соответствии с термодинамической теорией зародышеобразования в перегретой жидкости для образования критических пузырьков пара необходима дополнительная работа War. Режим гомогенной нуклеации связан с условиями, когда зародыши возникают за счет тепловых флуктуаций и сил межмолекулярного взаимодействия. Пузырьки возникают флуктуационным путем, и подавляющее их число имеет докритические размеры. В неограниченном объеме однородной жидкости соответствующая им частота зародышеобразования Jg определяется средним числом зародышей, которые образуются в единичном объеме [3]:
Jg = N В exp(-Wcr/kT), (1)
где Ni - коэффициент пропорциональности, приблизительно равный общему числу молекул в единице объема жидкости, B ~ 1010 м-3 - кинетический множитель.^ - постоянная Больцмана, Дж/К, T- абсолютная температура, К.
Критического размера может достичь только часть этих пузырьков вследствие случайного преобладания процессов испарения над процессами конденсации. Остальные пузырьки схлопываются, трансформируя энергию теплового молекулярного движения в пульсации давления окружающей жидкости. В неограниченном объеме сопровождающее их макроскопическое «вихревое» движение жидкости диссипирует в тепловую энергию крупномасштабными пульсациями плотности.
Принципиально иная ситуация возникает при перегреве капель дисперсной фазы в эмульсии с высококипящей дисперсной фазой. Сферическая межфазная поверхность, которая ограничивает низкокипящую диспергированную жидкость, способна деформироваться и совершать собственные колебания. Крупномасштабные колебания плотности в этих условиях трансформируются в механическую энергию колебаний межфазной поверхности. Вынужденные колебания капель, в свою очередь, способствуют увеличению теплового потока к межфазной поверхности за счет пульсационных движений жидкости, которой представлена внешняя, сплошная среда.
С другой стороны, сферическая форма поверхности нагрева, которую в эмульсиях представляет межфазная граница, при кипении своими колебательными движениями создает в объеме диспергированных капель низкокипящей жидкости «искусственную» турбулентность. Внутри капель формируется резонансная среда, дополняющая стохастическое тепловое движение регулярным «вихревым» движением. Аналогичную роль играют турбулентные пульсации давления и скорости сплошной среды. Они могут обусловливать не только деформирование диспергированных капель жидкости и пузырьков пара, но и образование внутри их локальных областей с «отрицательным» давлением, способных инициировать зарождение пузырьков пара [4].
Модельные представления ограничены рассмотрением монодисперсных капель дисперсной фазы и пузырьков пара. Распределение по размерам могут формироваться также из-за коалесценции, поэтому скорость слияния их полагается незначительной. Влияние процессов коалесценции на неоднородность дисперсной фазы, а также тепло и массообмен в жидкостных эмульсиях может служить предметом отдельного рассмотрения [5].
Перегрев низкокипящих капель эмульсии способствует образованию в них критических зародышей и
росту пузырьков пара [6]. Пузырьки пара в объеме капли с диметром йж образуются с частотой:
—3 —3
уж = Jg = N В exp(-Wcr /kT)-^. (2)
Они обусловливают деформирование капли относительно первоначальной сферической формы внутренними возмущениями давления, связанными с формированием в объеме диспергированной жидкости новой газообразной фазы. Резонансное усиление возмущений, связанных с совпадением собственных частот растущих пузырьков пара и содержащей их капли, интенсифицирует теплообмен между сплошной и дисперсной фазами эмульсии. При этом межфазная поверхность эмульсии становится поверхностью нагрева для диспергированной низкокипящей жидкости, и кипение будет происходить в объеме дисперсной фазы, который она ограничивает.
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА»
№12/2015
2410-6070
Увеличение объемной доли диспергированной жидкости, перешедшей в парообразное состояние,
величин ¿/к и С а . Это «разбухание» обусловливает изменение характера собственных колебаний парожидкостных капель:
Независимо от состояния сплошной среды в неизотермическом потоке эмульсии совпадение в определенных условиях наиболее энергоемких собственных частот колебаний при п = 2 пузырьков пара и «разбухшей» вследствие их формирования капли может привести ее к разрушению [7]. Силы поверхностного натяжения при .,„ = 2 становится недостаточно для сохранения целостности вскипевшей капли даже в неподвижной сплошной среде. Резонансный теплообмен реализуется в ограниченном объеме жидкости. Он существенно отличается от более изученных механизмов кипения у твердой стенки и в неограниченном объеме жидкости.
Деформируемая межфазная поверхность нагрева способна концентрировать тепловой поток в ограниченный объем капель до критического уровня, необходимый для систематического образования жизнеспособных зародышей пара. В неограниченном объеме перегретой жидкости даже при наличии готовых центров нуклеации образование критических пузырьков пара носит случайный, флуктуационный характер. Полная математическая постановка её связана с совместным рассмотрением процессов переноса как неоднозначной совокупности взаимосвязанных физических явлений, которые проявляются с различной интенсивностью и в различных по масштабам граничных условиях.
Чрезмерная общность приводит к чрезмерным трудностям не только при получении частных решений, а гораздо раньше - при обосновании условий, в которых протекают те или иные процессы, поскольку в конкретных условиях реализуются далеко не все возможные механизмы переноса теплоты. При этом полезно использовать элементарные физические явления, сущность, а значит и математическое описание которых сохраняются в любых условиях, где они могут проявляться независимо или при взаимодействии с другими физическими явлениями.
Сознательное ограничение совокупности позволяет упрощать структуру процессов переноса и на основе ясных физических представлений детализировать достаточно полные модельные феноменологические уравнения. Состав элементарных физических явлений с помощью соответствующих им безразмерных критериев подобия определяют согласование их с априорными характеристиками реальных процессов теплообмена. Однако для этого нужен полный набор механизмов элементарных физических явлений, которые в принципе способны реализоваться в заданной предметной области [8].
Исходя из структуры совместного течения несмешивающихся жидкостей и внешних источников энергии, предложена следующая классификация механизмов переноса теплоты эмульсиями:
I. В бесконечном объеме однородной по составу перегретой жидкости, не ограниченным межфазной поверхностью (одна сплошная среда):
• - неподвижная жидкость (сила тяжести)
о- молекулярный перенос теплоты,
о - естественная тепловая конвекция.
• - ламинарный поток (вязкие сдвиговые напряжения):
о - молекулярный перенос теплоты,
о - вынужденная тепловая конвекция.
• - турбулентный поток (осредненный градиент и пульсации скорости):
- турбулентный молярный перенос теплоты,
- вынужденная тепловая конвекция.
II. В бесконечном объеме сплошной среды эмульсии, смежным с межфазной поверхностью типа жидкость-жидкость:
• - неподвижная эмульсия.
• - ламинарный поток низкокипящей (перегретой) сплошной среды с высококипящей дисперсной фазой.
• - турбулентный поток низкокипящей (перегретой) сплошной среды с высококипящей дисперсной фазой:
сопровождается ростом размера с1пж и уменьшением плотности 1ПЖ этих капель относительно исходных
(3)
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12/2015 ISSN 2410-6070
o нагрев (неограниченная однородная среда):
■ - температурные изменения физико-химических параметров сплошной среды. o перегрев (неограниченный объем):
■ - инициированное турбулентными пульсациями образование и схлопывание избыточных зародышей пара,
■ - ослабление молекулярных связей в сплошной среде. o кипение (двухфазная неограниченная среда):
■ - инициированное турбулентными пульсациями образование жизнеспособных зародышей,
■ - рост пузырьков пара,
■ - формирование межфазной поверхности типа пар-жидкость,
III. В конечном объеме капель дисперсной фазы эмульсии, ограниченным межфазной поверхностью типа жидкость-жидкость:
• - неподвижная эмульсия.
• - ламинарный поток высококипящей сплошной среды с низкокипящей (перегретой) дисперсной фазой.
• - турбулентный поток высококипящей сплошной среды с низкокипящей (перегретой) дисперсной фазой: o нагрев (конечная однородная среда):
■ - температурные изменения физико-химических параметров диспергированной жидкости,
■ - гидродинамическое разрушение дисперсной фазы. o перегрев (резонансная среда, конечный объем):
■ - инициированное внешней турбулентностью сплошной среды образование и схлопывание избыточных зародышей пара,
■ - ослабление молекулярных связей в диспергированной жидкости,
■ - гидротепловое разрушение дисперсной фазы.
o кипение (двухфазная среда в конечном объеме):
■ - инициированное внешней турбулентностью сплошной среды образование жизнеспособных зародышей,
■ - рост пузырьков пара,
■ - формирование межфазной поверхности типа пар-жидкость,
■ - нарушение целостности диспергированной жидкости
■ - термогидродинамическое разрушение дисперсной фазы. o тепловое разрушение (тепловой взрыв):
■ - инициированное внешней турбулентностью сплошной среды образование жизнеспособных зародышей,
■ - рост большого числа пузырьков пара,
■ - формирование межфазной поверхности типа пар-жидкость,
■ - увеличение размера двухфазных капель,
■ - термодинамическое разрушение дисперсной фазы.
В турбулентном потоке пульсации скорости, недостаточные для разрушения капель, интенсифицируют процесс парообразования настолько, что силы поверхностного натяжения не могут противостоять энергии пузырьков пара внутри капель. При тепловом разрушении в условиях избытка внешней энергии перегрева, внутри капли порождаются возмущения вследствие особенностей фазового перехода первого рода, что способствует резонансному усилению её собственных колебаний.
Полученные условия определяют характер резонансного усиления собственных колебаний капель и пузырьков пара в объеме перегретых капель дисперсной фазы в неизотермическом турбулентном потоке эмульсии. Это позволяет учитывать влияние гидродинамических факторов на задержку вскипания теплоносителей с низкокипящей дисперсной фазой [5], формулировать модельные представления о возможных механизмах пузырькового режима кипения с наиболее высокой интенсивностью теплообмена. Список использованной литературы:
1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. пособие. T.VI. Гидродинамика. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. -1988, 736 с.
2. Нигматуллин Р.И. Гидродинамика многофазных сред. Ч.1. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. -1987, 464 с.
3. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. -М.: Наука Гл. ред. физ.-мат. лит. -1972, 312 с.
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12/2015 ISSN 2410-6070
4. Розенцвайг А.К., Страшинский Ч.С. Инициированное вскипание жидкостной эмульсии c низкокипящей дисперсной фазой в однородном турбулентном потоке // Проектирование и исследование технических систем: Межвуз. науч. сб. Наб. Челны: изд-во ИНЭКА. -2007. -11. - С. 160-164.
5. Розенцвайг А.К., Страшинский Ч.С. Гидродинамические аспекты вскипания дисперсной фазы в однородном турбулентном потоке эмульсии // ТВТ. -2011. -49(1). - С. 139-142.
6. Пергушев Л.П., Розенцвайг А.К. Влияние неоднородности дисперсной фазы на процессы коалесценции и массообмена в жидкостных эмульсиях // Журнал ПМТФ. -1980. - 21 (4), С. 74-78.
7. Розенцвайг А.К. Дробление капель в турбулентном сдвиговом потоке разбавленных жидкостных эмульсий // Журнал ПМТФ.-1981. - 22(6). - С. 71-78.
8. Розенцвайг А.К. Формирование энергосберегающих структур при проектировании процессов переноса и оптимизации их режимных параметров // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики".- 2003.-№ 7-8.- С.58-67.
© Розенцвайг А.К., Страшинский Ч.С., 2016
УДК 502.55
В.Р. Сайфуллин
студент 3 курса Института информационных технологий и инженерного образования
ФГБОУ ВПО «Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова»,г. Абакан, РФ
Е.В. Шанина
канд. техн. наук, доцент
ФГБОУ ВПО «Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова», г. Абакан, РФ
РАСЧЕТ РАЗМЕРА УЩЕРБА ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЗЕМЕЛЬ НЕФТЕПРОДУКТАМИ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПУТЯХ ГОРОДА АБАКАНА
Аннотация
В статье проанализированы причины загрязнения грунтов нефтепродуктами от железнодорожного транспорта. Установлены, основные источники загрязнения. Проведен расчет размера ущерба от загрязнения земель, исследуемой территории нефтепродуктами.
Ключевые слова
Нефтепродукты, склад ГСМ, железнодорожные пути, грунт, загрязнение.
Железнодорожный транспорт, и в том числе, локомотивное депо со складами горюче-смазочных материалов (ГСМ) являются источниками загрязнения почвы нефтепродуктами. Как показывают многолетние исследования, проводимые в России и за рубежом, одной из основных причин загрязнения грунтов на железнодорожных путях нефтепродуктами являются конструктивные недостатки используемых для работы локомотивов. Так, например, тепловоз 2Т - 10М имеет семьдесят шесть приспособлений для слива отработанных ГСМ, но только в двух из них имеется система улавливания ГСМ в виде подвешенных на крючья ведер.
Основным видом нефтепродуктов, загрязняющих железнодорожные пути, являются различные масла и смазки, обладающие относительно высокой вязкостью и, следовательно, не способные к проникновению на глубокие горизонты зоны аэрации и задерживающиеся, в основном, в ее поверхностной части. Вместе с тем масла и смазки хорошо растворяются в дизельном топливе, и в растворенном состояние могут проникать на большие глубины, вплоть до уровня грунтовых вод.
Согласно отчету о результатах мониторинга углеводородного загрязнения окружающей среды на складе ГСМ локомотивного депо в городе Абакане загрязнение нефтепродуктами грунтов в основном происходит при утечках ГСМ из емкости хранения, в пунктах перекачки, на железнодорожных путях и стоянках локомотивов. Загрязнение грунтов с поверхности особенно заметно в районе железнодорожных путей, к северу от склада ГСМ.
