Определение оптимальной мощности ультразвукового генератора для тепловых аккумуляторов с плавящимся теплоаккумулирующим материалом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статяь по теме:

Определение оптимальной мощности ультразвукового генератора для тепловых аккумуляторов с плавящимся теплоаккумулирующим материалом

Калугин К.С., Лекомцев П.Л., Ижевская государственная сельскохозяйственная академия

Аннотация

В работе рассмотрены особенности прохождения ультразвука через жидкие среды и воздействия мощного ультразвука на них. Представлен расчет необходимой мощности ультразвукового генератора для возбуждения кавитации в фазопереходных теплоаккумулирующих материалах. Приведено обоснование эффективности применения тепловых аккумуляторов на основе фазопереходного теплоаккумулирующего материала в системах теплоснабжения сельскохозяйственных предприятий.

Ключевые слова: ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ ТЕЛЯТНИКОВ; РЕЗЕРВНОЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ; ОБОГРЕВ ТЕПЛИЦ; АККУМУЛЯТОР ТЕПЛОТЫ; ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД; УЛЬТРАЗВУК; КАВИТАЦИЯ; КАВИТАЦИОННАЯ ЭРОЗИЯ

Введение

ультразвук жидкий среда генератор

Проблема теплоснабжения в сельском хозяйстве не решена в полной мере и по сей день остаётся актуальной. Сельскохозяйственные предприятия зачастую расположены на значительном удалении от централизованных источников теплоснабжения, при этом даже отапливаемые объекты одного сельскохозяйственного предприятия рассредоточены на большой территории в значительном удалении друг от друга, что повышает тепловые потери в теплопроводе и увеличивает риск аварий. Наличие собственных котельных не гарантирует абсолютно стабильного и надёжного теплоснабжения и сопряжено с такими рисками, как аварии или поломки оборудования, перебои в поставках топлива и т.д. В то же время надежное и стабильное теплоснабжение - это один из основных критериев для успешного функционирования сельскохозяйственного производства, в особенности тогда, когда речь идет о выращивании тепличных растений и о корпусах, в которых содержится молодняк животных.

Одним из способов повышения надежности системы теплоснабжения и обеспечения более тонкого регулирования микроклимата внутри отапливаемых помещений, например, в телятниках или теплицах, является применение тепловых аккумуляторов. Стоит заметить, что для разных температурных диапазонов подходят различные теплоаккумулирующие материалы, при этом среди них также можно выделить оптимальные. В случае с системами отопления возможно применение твердотельных (гранит, гравий и т.д.), жидкостных (вода) и фазопереходных (парафины, кислоты, расплавы солей) теплоаккумулирующих материалов. Среди перечисленных наиболее эффективными являются фазопереходные теплоаккумулирующие материалы благодаря скрытой теплоте плавления, обеспечивающей наилучшие масса-габаритные характеристики в отношении запасаемой энергии. При этом они не лишены недостатков. Главной проблемой при их использовании является необходимость обеспечения непрерывного помешивания теплоаккумулирующего материала в процессе отвода теплоты, во избежание неравномерного застывания теплоаккумулирующего материала, его оседания или выпадения в осадок.

Перспективным решением данной проблемы является применение ультразвука высокой интенсивности. Благодаря эффектам, которые он вызывает, проходя через жидкую среду, возможно непрерывное равномерное перемешивание всего объёма теплоаккумулирующего материала без потери полезного объёма бака теплоаккумулятора. Решая задачу повышения эффективности работы теплового аккумулятора на основе фазопереходного теплоаккумулирующего материала с помощью ультразвука, необходимо учесть все особенности распространения звуковых волн в вязких упругих средах.

Ультразвук - это упругие колебания и волны, частота которых превышает 15-20 кГц. Ультразвуковые волны применяются в различных научных исследованиях, а также для решения самых разнообразных технических задач. Ультразвуковые волны не отличаются по своей природе от упругих волн других частотных диапазонов. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, а в твёрдых телах -- продольные и сдвиговые. Колебания и волны, встречающиеся в природе и технике, имеют характер, близкий к гармоническому. Гармонические колебания, в свою очередь, описывает уравнение (1) [1, 2, 3, 4, 5]:

, (1)

где: а - смещение частиц среды относительно положения равновесия; А - максимальное значение колеблющейся величины, называемое амплитудой смещения; - круговая (циклическая) частота (T - период, - частота волны); - время, с - скорость волны, х - текущая координата.

Ультразвук подчиняется основным законам распространения звука, а именно: законам отражения и преломления звука на границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды [4].

Скорость распространения звуковых волн (2) связана с периодом, частотой и пространственным периодом л, который называется длиной волны, соотношением [2]:

. (2)

Скорость распространения звуковых волн в жидкости определяется формулой [1, 2]:

, (3)

где: Е=1/k - модуль объемной упругости жидкости; k - коэффициент сжимаемости; с - плотность жидкости.

Ультразвуковым волнам, как и другим видам волн, свойственно отражение [1]:

; (4)

где: - акустическое сопротивление первой среды; - акустическое сопротивление второй среды.

При прохождении ультразвука через жидкость возникают первичные и вторичные эффекты. К первичным эффектам относятся: переменное звуковое давление, постоянный поток, кавитация, поверхностное трение. Вторичные эффекты являются следствием первичных, здесь интерес вызывают диспергирование (тонкое измельчение твердых или жидких веществ в какой-либо среде) и тепловой эффект от поверхностного трения [5].

Энергия звуковой волны (5) - это добавочная энергия среды, обусловленная наличием звуковых волн. Энергия звуковой волны единицы объёма среды называется плотностью звуковой энергии Е и равна [4]:

, (5)

где: -- плотность кинетической энергии ; -- плотность потенциальной энергии ; -- плотность среды; -- сжимаемость среды; с -- скорость звука; -- колебательная скорость частиц; р -- звуковое давление.

Прохождение звуковых волн через среду сопровождается потерей энергии волны на нагрев среды. Это явление называется поглощением звука в среде. Поглощение звука в жидкости учитывается коэффициентом поглощения - а. При прохождении ультразвука через вязкую упругую среду следует учитывать поглощение энергии, обязанное сдвиговой вязкости, а также объемный коэффициент вязкости. Формулу, выражающую совместное действие этих коэффициентов, называют уточненной формулой Стокса [1]:

. (6)

где: - стоксовский коэффициент поглощения, обязанного сдвиговой вязкости; - коэффициент поглощения, обязанного объемной вязкости; - сдвиговая вязкость, - объемная вязкость.

Мощность звука - это энергия, передаваемая звуковой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Различают мгновенное значение мощности звука и среднее за период или за длительное время. Наибольший интерес представляет средняя удельная мощность звука (7), или интенсивность звука - среднее значение мощности звука, отнесённое к единице площади. Для гармонической бегущей звуковой волны средняя удельная мощность звука равна [4]:

, Вт/м2. (7)

где: и -- амплитуды звукового давления и колебательной скорости частиц; -- плотность среды; с -- скорость звука в ней.

Ультразвук большой мощности

Распространение ультразвука высокой интенсивности сопровождается рядом специфических явлений.

Интенсивность ультразвука с единицы поверхности (8) кварцевой пластинки среза Х при излучении в обе стороны выражается формулой [1, 5]:

, вт/см2. (8)

где: - собственная частота излучателя; - амплитуда напряжения в вольтах, приложенного к электродам излучателя.

Специфическим явлением, сопровождающим распространение ультразвука высокой интенсивности, является акустический ветер. Он возникает вследствие течения воздуха, вызываемого прохождением мощного звука через среду. Скорость течения среды х на оси ультразвукового пучка в свободном неоднородном поле выражается формулой (9) [1, 5]:

, (9)

где: r - диаметр излучателя; - круговая частота; - число, характеризующее геометрию потока.

Так, для прохождения ультразвука в трубе равно [1]:

, (10)

где R - радиус трубы.

Ещё одним явлением, специфическим для ультразвукового излучения большой мощности, является искажение формы ультразвуковой волны. Это происходит из-за того, что точки волны с большей амплитудой (точка 1 - рис. 1) движутся с большей скоростью, чем точки с минимальной амплитудой (точка 3 - рис. 1). Вследствие этого происходит захлестывание синусоидальной волны и образование разрыва (рис. 2). Таким образом, интенсивные ультразвуковые волны принимают характер слабых ударных волн [1, 4].

Рис. 1 - Профиль скорости в волне конечной амплитуды

Рис. 2 - Искажение профиля скорости в волне конечной амплитуды по мере её распространения

д - Минимальная ширина фронта сжатия: [4].

Так, для плоской волны скорость перемещения точки профиля, соответствующей заданному значению колебательной скорости , определяется, согласно теории Римана, формулой [1]:

, (11)

где: , - нелинейный параметр среды; , S - энтропия.

Искажение формы волны, в свою очередь, влияет на поглощение энергии волны средой. Количество энергии, поглощенное средой, выражается следующей формулой[1, 4]:

, (12)

где: С - удельная теплоемкость среды в кал/г*град; V - объём, занимаемый жидкой средой в сосуде; - увеличение температуры, К.

При площади излучателя S м2 энергия, поглощенная средой за промежуток времени будет равна [1]:

, Дж, (13)

Интенсивность звука, учитывая формулу (13), равна [1]:

, Вт/см2, (14)

Кроме этого, при прохождении интенсивных ультразвуковых волн через жидкую среду возникает эффект кавитации. Кавитация - это процесс интенсивного образования и схлопывания пузырьков пара и газа в жидкой среде под действием интенсивного ультразвука. Механическое разрушение твердых тел под воздействием кавитационной эрозии обусловлено возникновением микроударных волн при захлопывании кавитационных пузырьков и акустическими микропотоками при пульсации кавитационных пузырьков. Образование кавитационных пузырьков, в первую очередь, происходит на шероховатостях и в микротрещинах твердых тел, а также на мельчайших нерастворимых твердых частицах и пузырьках газов. Микроударные волны скалывают кусочки твердых тел, разрушая их, после чего под воздействием микропотоков жидкость проникает в свежие углубления, способствуя всё более эффективному и глубокому разрушению [4].

Разрушение происходит за счет кавитационной эрозии. Её количество оценивают (15) безразмерным критерием эрозионной активности К [4]:

. (15)

где: f - частота колебаний; Дt - время захлопывания; Rmax и Rmin - максимальный и минимальный радиусы пузырька.

Значительное воздействие на К оказывает Р0 - избыточное статическое давление и po - амплитуда звукового давления. Помимо этого, эрозионная активность зависит и от других параметров звукового поля, а также физико-химических свойств жидкости. К ним относятся: поверхностное натяжение, плотность жидкости, частота ѓ ультразвука, температура среды, коэффициент вязкости и коэффициент упругости насыщенного пара [4]. Наибольшее кавитационное воздействие наблюдается при значениях амплитуды звукового давления , в 2-2,5 раза превышающих избыточное статическое давление . В этом случае на кавитационный пузырёк в стадии захлопывания действуют в одном направлении статическое давление, поверхностное натяжение и звуковое давление, близкое к амплитудному значению. Уровень кавитационной эрозии возрастает на 2-3 порядка [4]. Явление кавитации сопровождается образованием ударных волн, возникновением которых и обусловлено явление кавитационной эрозии.

В данной работе проведен расчет необходимой мощности ультразвукового генератора для возбуждения кавитации в разных фазопереходных теплоаккумулирующих материалах. Расчет произведен для следующих веществ: пальмитиновая кислота, нонакозан, натрий уксуснокислый. Основным критерием при выборе веществ была температура плавления, близкая к 60°С [6, 7, 8, 9, 10]. Мощность ультразвука, необходимая для возбуждения кавитации, рассчитанная по формуле (7), представлена в таблице 1.

Таблица 1 - Основные физические свойства веществ, принятых для расчета

*Получено экстраполяцией, ближайшее известное значение 1280,5 м/с для тетракозана (С24Н50).

**Приведены средние цены по данным различных интернет магазинов.

На основании проведенных расчетов натрий уксуснокислый (тригидрат натриевой соли уксусной кислоты) является наименее требовательным к мощности ультразвукового генератора. Стоит также учесть, что полученное в работе значение является расчётным, на практике может потребоваться менее мощная установка, поскольку наличие примесей значительно снижает прочность вещества.

Заключение

Применение аккумуляторов теплоты позволит повысить надежность систем теплоснабжения сельскохозяйственных предприятий за счет создания запаса теплоты в непосредственной близости от потребителя. Это обеспечит тонкое регулирование подводимой теплоты к отапливаемым помещениям даже при быстром изменении погодных условий. Как известно, любые теплотрассы обладают значительной инерцией, что сказывается на микроклимате отапливаемых помещений конечного потребителя. В системах теплоснабжения сельского хозяйства нивелирование инертности теплотрассы имеет особенно большое значение, так как из-за чувствительности живых организмов к перепадам температур колебания температуры могут неблагоприятным образом сказаться на объёме и качестве конечной продукции и привести к материальным потерям. Особенно актуально это при содержании молодняка животных и разведении рассады.

Ещё одним преимуществом систем теплоснабжения, оборудованных аккумуляторами теплоты, является сглаживание графика тепловых нагрузок, что в условиях удаленности тепловых пунктов и их малой мощности, протяженности и разветвленности теплотрассы позволяет запитать большее количество потребителей без реконструкции теплотрассы и, как следствие, повысить экономическую эффективность системы теплоснабжения.

Список использованных источников

1. Красильников В.А Звуковые и ультразвуковые волны. Издание третье, переработанное и дополненное. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы. - 1960. - 560 с.

2. Майер В.В. Простые опыты с ультразвуком. - М.: Наука. - 1978. - 160 с.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. Издание шестое, стереотипное. - М.: Высшая школа. - 2000. - 541 с.

4. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / гл. ред. Голямина И.П. - М.: Советская энциклопедия. - 1979. - 400 с.

5. Розенберг Л.Д. Рассказ о неслышимом звуке. - М.: Издательство академии наук СССР. - 1961. - 160 с.

6. Кудрявцев Б.Б. Применение ультраакустических методов в практике физико-химических исследований. - М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы. - 1952. - 324 с.

7. Таблицы физических величин. Справочник / Под ред. акад. И.К. Кикоина. - М.: Атомиздат. - 1976. - 1008 с.

8. Кошкин Н.Н., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М.: Наука. - 1976. - 256 с.

9. Переверзев А.Н., Богданов Н.Ф., Рощин Ю.Н. Производство парафинов. - М.: Химия. - 1973. - 224 с.

10. Зотов В.В., Мелихов Ю.Ф., Мельников Г.А., Неручев Ю.А. Скорость звука в жидких углеводородах. - Курск: КГПУ. - 1995. - 77 с.

11. Калугин К.С., Лекомцев П.Л. Определение оптимальной мощности ультразвукового генератора для тепловых аккумуляторов с плавящимся теплоаккумулирующим материалом // АгроЭкоИнфо. - 2018, №3. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2018/3/st_313.doc.

Размещено на Allbest.ru