Температурное состояние энерговыделяющей шаровой частицы при конвективно-радиационном теплообмене


DOI: 10.34759/tpt-2020-12-5-201-207

Авторы

Зарубин В. С.*, Новожилова О. В., Сергеева Е. С., Солдатенко И. Г.

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, 2-я Бауманская ул., 5, стр. 1, Москва, 105005, Россия

*e-mail: zarubin@bmstu.ru

Аннотация

Для ряда технологических процессов порошковой металлургии, высокотемпературного синтеза тугоплавких материалов и катализа химических соединений характерно интенсивное тепловое взаимодействие твердых или жидких частиц с окружающей газовой (в том числе воздушной) средой. При этом в объеме частиц могут протекать физико-химические процессы, сопровождаемые энерговыделением, вызванным конденсацией паров или затвердеванием металлов и сплавов, экзотермическими химическими реакциями, поглощением проникающего излучения или радиоактивным распадом вещества. Для жидких частиц в силу влияния поверхностного натяжения их форму можно считать близкой к шаровой. Такую же форму имеют твердые частицы, используемые в процессах аддитивной технологии и порошковой металлургии и получаемые, например, распылом расплавов металлов сжатым воздухом или инертным газом.

С использованием уравнения теплового баланса шаровой частицы построена математическая модель, описывающая однородное температурное состояние частицы, интенсивность энерговыделения в объеме которой возрастает с увеличением температуры в соответствии с законом Аррениуса. Количественный анализ математической модели позволил выявить области определяющих параметров, соответствующие устойчивости установившегося температурного состояния указанной шаровой частицы. Установлено взаимное влияние этих параметров на устойчивость установившегося значения температуры частицы при только радиационном, только конвективном и сложном конвективно-радиационном теплообмене.

Ключевые слова:

математическая модель, конвективно-радиационный теплообмен, шаровая частица, неустойчивость температурного состояния.

Библиографический список

  1. Титова Ю.В., Амосов А.П., Ермошкин А.А., Марков Ю.М. Получение нанопорошка карбида кремния и композиции на его основе по азидной технологии СВС // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. № 3. С. 43— 48.

  2. Федосова Н.А., Кольцова Э.М., Попова Н.А., Жариков Е.В. Керамоматричные композиты, модифицированные углеродными нанотрубками: искровое плазменное спекание, моделирование, оптимизация // Новые огнеупоры. 2015. № 12. С. 13–17.

  3. Nasibulin A.G., Richard O., Kauppinen E.I., Brown D.P., Jokiniemi J.K., Altman I.S. Nanoparticle synthesis by copper (II) acetylacetonate vapor decomposition in the presence of oxygen // Aerosol Sci. Technol. 2002. V. 36. N 8. P. 899–911.

  4. Бондаренко В.П., Павлоцкая Э.Г. Высокотемпературный синтез карбида вольфрама в метановодородной газовой среде // Порошковая металлургия. 1995. № 8/10. С. 21–25.

  5. Gonzalez D., Nasibulin A.G., Shandakov S.D., Jiang H., Queipo P., Kauppinen E.I. Spontaneous charging of single-walled carbon nanotubes in the gas phase // Carbon. 2006. V. 44. N 10. P. 2099–2101. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2006.04.021

  6. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. М.: Энергия, 1977. 240 с.

  7. Теория тепломассообмена / Под ред. А.И. Леонтьева. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. 684 с.

  8. Stephen D.H. Theory of solidification. Port Chester: Cambridge University Press, 2001. 400 р.

  9. Oно А. Затвердевание металлов. М.: Металлургия, 1980. 152 с.

  10. Смирнов А.Н., Пилюшенко В.Л., Момот С.В. Затвердевание металлического расплава при внешних воздействиях Донецк: Изд-во «ВИК», 2002. 169 с.

  11. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1987. 502 с.

  12. Шмидт Ф.К. Физико-химические основы катализа. Иркутск: Фрактал, 2004. 402 с

  13. Деревич И.В., Фокина А.Ю. Математическая модель катализатора синтеза с локальными центрами реакции // Математика и математическое моделирование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электронный журнал. 2017. № 3. С. 13–31. URL: http://www..mathmelpub.ru/jour/article/view/71 (дата обращения 16.07.2018).

  14. Derevich I.V., Fokina A.Yu. Mathematical Model of Heat Transfer in the Catalyst granule with Point Reaction Centers // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2018. V. 91. N 1. P. 40–51.

  15. Елисеев В.Н., Товстоног В.А. Теплообмен и тепловые испытания материалов и конструкций аэрокосмической техники при радиационном нагреве. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 396 с.

  16. Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н., Савельева И.Ю. Температурное состояние слоя полупрозрачного материала при возрастающем с температурой поглощении проникающего излучения // Тепловые процессы в технике. 2017. Т. 9. № 4. С. 154–162.

  17. Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н., Савельева И.Ю. Температурное состояние слоя полупрозрачного материала с зависящими от температуры теплопроводностью и поглощением проникающего излучения // Вестник МГТУ им.Н.Э.Баумана. Серия «Машиностроение». 2017. № 6. С. 99–113. http://vestnikmach.ru/cat...roc/heattr/1176.html, DOI: 10.18698/0236-3941-2017-6-99-113

  18. Кириллов П. Л., Богословская Г.П. Тепло-массообмен в ядерных энергетических установках. М.: Энергоатомиздат, 2000. 456 с.

  19. Оно С., Кондо С. Молекулярная теория поверхностного натяжения в жидкостях. М.: Издательство иностранной литературы, 1963. 292 с.

  20. Квасников И. А. Молекулярная физика. М.: Едиториал УРСС, 2011. 230 с.

  21. Амосов А.П., Самборук А.Р., Самборук А.А., Ермошкин А.А., Закамов Д.В., Криволуцкий К.С. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез нанопорошка карбида титатна из гранулированной шихты // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. № 4. С. 31–38.

  22. Погожев Ю.С., Потанин А.Ю., Левашов Е.А., Ковалев Д.Ю. Особенности горения и структурообразования керамических материалов в системе Cr—Al—Si—B // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2014. № 4. С. 19–29.

  23. Siegel R., Howell J.R. Thermal Radiation Heat Transfrer: 3rd ed. Washington, Hemisphere Publishing Corporation, 1992. 1070 p.

  24. Stiller W. Arrhenius Equation and Non-Equlibrium Kinetics. BSB B. G. Teubner Verlagsgesellschaft, Leipzig, 1989.

  25. Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Строение и эволюция Вселенной. М.: Наука, 1975. 736 с.

  26. Kalirai J.S. Astrophysics with White Dwarfs. Vancouver, University of British Columbia, 2004. 115 p.

  27. Аттетков А.В., Зарубин В.С., Канатников А.Н. Введение в методы оптимизации. М.: Финансы и статистика, ИНФРА-М, 2008. 272 с.

  28. Аттетков А.В., Зарубин В.С., Канатников А.Н. Методы оптимизации. М.: Издательский центр РИОР, 2012. 270 с.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024