CC BY
10
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство _Экономика и управление_
ш
УДК 532.62 Ванчиков Виктор Цыренович,
к.т.н., докторант кафедры «Информатика», Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. 89041188834 Мухопад Александр Юрьевич, к.т.н., докторант кафедры «Управление техническими системами», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 39-19-50
Ванчиков Артур Викторович, аспирант Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления
Мухопад Юрий Федорович, заслуженный деятель науки РФ, д.т.н., почетный профессор ИрГУПС, Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 59-86-64
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ В ВАГОННОМ ДЕПО
V.C. Vanchikov, A.Yu. Mukhopad, A.V. Vanchikov, Yu.F. Mukhopad
HEAT GENERATORS USE IN THE CARHOUSE
Аннотация. Получены аналитические зависимости, определяющие возникновение явления облитерации в капиллярных каналах форсунок теплогенераторов.
Ключевые слова: форсунка, облитерация, дистиллированная вода, адгезия, энергия связи молекулы граничного слоя жидкости.
Abstract. Analytical dependences determining the occurrence of the phenomenon of obliteration in capillary channels nozzles of boilers.
Keywords: nozzle, obliteration, distilled water, adhesion, energy of a molecule of the boundary layer fluid.
При отделочных работах по завершению строительства заводских цехов и новых зданий в зимнее время для обогрева помещений используются теплогенераторы, работающие на дизельном топливе. Здесь используется свойство теплогенераторов быстро изменять теплоподачу в помещения - для создания и поддержания теплового комфорта, необходимых для высокопроизводительной работы рабочих.
Между тем в холодное время при запусках теплогенераторов иногда возникает нежелательное облитерационное явление [1, 2] - закрытие капиллярного канала сопла форсунки теплогенератора рабочей жидкостью («соляркой»). Даже в обычных условиях при комнатной температуре можно экспериментально наблюдать облитерационное явление в капиллярах диаметром до 200 мкм тщательно очищенной жидкостью, например, многократно-дистиллированной водой [3, с. 66-68].
Что касается вышеуказанного термина «тщательно очищенная жидкость», то возникает потребность подробно остановиться на его физи-
ко-техническом смысле, который необходим для полноты понимания содержания данной работы. К примеру, в экспериментальной гидродинамике для опытов обычно используют воду и только в редких случаях применяют другие жидкости (масло или глицерин). Причиной такого выбора является возможность получения воды со степенью чистоты в шесть девяток (99,9999 %) в обычных лабораторных условиях с помощью дистилляции [4]. При этом содержание примесей в воде снижается примерно до одной части на миллион, т. е. до 0,000001.
Кроме того, изучению различных свойств и особенностей внутреннего строения воды посвящены исследования фундаментального характера. По степени изученности физических свойств вода значительно превосходит другие жидкости. Поэтому для проведения экспериментов по определению действия сил адгезии микрочастиц поверхности твердого тела на частицы ламинарного потока вязкой несжимаемой жидкости, а также для исследования когезионного взаимодействия частиц ламинарного потока вязкой несжимаемой жидкости с частицами неподвижного граничного слоя жидкости, приведенных в работе [3], выбрана вода. При всем том этот выбор позволяет делать общие оценки и выводы для многих рабочих жидкостей, используемых в гидросистемах железнодорожной техники. Более того, несмотря на то, что вода является самым аномальным веществом, ее принимали в качестве эталона различных величин.
В 1922 г. американские инженеры Р. Вильсон и Д. Бернард обнаружили облитерационное явление в капиллярных каналах устройств гидроавтоматики [5]. Напомним, в результате действия
сил адгезии между микрочастицами стенок капилляров и протекающими в них частицами потока жидкости образуется «прилипший» неподвижный слой жидкости на внутренней поверхности капиллярной трубки, которую в технической литературе называют пристенным (граничным) слоем. Граничный слой обладает сдвиговой прочностью, т. е. способен противостоять смывающему усилию потока жидкости.
В работе [3, с. 42] установлено, что при ламинарном режиме течения жидкости сквозь трубки малого сечения, характеризуемом числом Рей-нольдса, равным приблизительно 6,3 (или 2п), возникает когезия (прилипание) жидких частиц потока к «поверхности» граничного слоя. В условиях облитерационного явления граничный слой жидкости увеличивается в толщине из-за процесса когезии жидких частиц ламинарного потока к «поверхности» граничного слоя. Такой процесс с течением времени может привести к закрытию просвета капилляра. Заметим, что при низких температурах вышеуказанный процесс существенно ускоряется. Величина сдвиговой прочности граничного слоя в зависимости от начального условия формирования «затравочного» слоя может оказаться значительной (т. е. выдерживать перепад давления в несколько атмосфер [5]).
Следовательно, выбор метода разрушения облитерационного слоя жидкости в капиллярных каналах устройств дозирования подачи жидкости требует определения величины сдвиговой прочности граничных слоев жидкости, находящихся в неподвижном состоянии под действием сил адгезии микрочастиц стенки капилляра.
Для определения силы адгезии жидкости и твердого тела воспользуемся уравнением объемного расхода Q несжимаемой вязкой жидкости (гидравлической формы уравнения неразрывности [6]) Q = и 5,
где и - скорость течения, 5 - площадь поперечного сечения трубки. В соответствии с работой [3, с. 85], умножив обе части равенства на плотность жидкости р, получим
Q Р = (и 5) р.
Отсюда ясно, что импульс силы частиц потока жидкости ¥х = (и 5) р Ь. Тогда найдем выражение объемного расхода в случае эффекта адгезии частиц потока жидкости к стенкам капилляров:
Q = (Ир) (¥Щ. (1)
Если умножим обе части равенства (1) на 1/Ь, то найдем выражение внутреннего трения V (кинематический коэффициент вязкости), характе-
ризующее действие вязкостных напряжений ¥/Ь на «поверхности» граничного слоя жидкости, обездвиженного нескомпенсированными поверхностными силами адгезии микрочастиц стенок капилляров:
V = (1/р) (т/Ь). (2)
Эксперименты, проведенные с использованием трубок радиусом ~Ы0- м и длиной ~ 3,2 х10-2 м, показали, что при расходе воды ~1 лмб/с (10-9 м3/с [7]) и скорости ее течения и ~ 3,18 х 10-2 м/с возникает эффект адгезии частиц потока жидкости к граничному слою жидкости в капиллярах [3, с. 78]. Подставив в (2) вышеуказанные количественные значения кинематических характеристик течения жидкости и геометрические параметры, характеризующие размеры и формы граничных поверхностей, получим величину сдвигового усилия ¥ на границе скольжения частиц потока жидкости и частиц граничного слоя жидкости, находящихся неподвижно под действием сил адгезии микрочастиц стенок капилляров: ¥ = V р Ь2Н ~ 3,14 • 10-11 Н.
Прилипание частиц потока жидкости к частицам граничного слоя объясняется тем, что между этими частицами действуют силы притяжения межмолекулярного взаимодействия. При некотором равновесном расстоянии силы взаимного притяжения и отталкивания уравновешиваются, и система молекул будет обладать минимумом свободной энергии, т. е. молекула находится в потенциальной энергетической яме. В случае когда молекула удаляется от равновесного положения, возникает возвращающая сила, которая стремится вернуть в прежнее положение. Энергия связи молекулы воды в граничном слое вычисляется в соответствии с теорией твердого тела, которая сводит многочастичную (многоточечную) задачу к одночастичной (одной молекуле). Заметим, что согласно теории твердого тела вышеуказанная процедура в настоящее время является единственно возможной.
По аналогии с вышеизложенным оценим величину потенциальной энергии граничного слоя воды, приняв возвращающую силу равной сдвиговому усилию ¥. Из-за того, что в граничном слое жидкости молекулы, по существу, касаются друг друга, разумно предположить, что ширина потенциальной ямы равна размеру молекулы Ad. Тогда значение возвращающей силы = - А и/ Ad,
где Аи - энергия связи молекулы на поверхности граничного слоя. Подставив в это уравнение зна-
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство _Экономика и управление_
ш
чения сдвигового усилия Б и диаметра молекулы воды, получим глубину потенциальной ямы для молекулы воды в граничном слое Ди ~ 0,059 эВ/молек (или 5,9 кДж/моль). Таким образом, молекула в граничном слое вязкой несжимаемой жидкости находится в связанном состоянии на дне потенциальной ямы (рис. 1), создаваемой силами притяжения со стороны всех ее соседей. Для сравнения приведем энергию фазового перехода льда в жидкое состояние, которая равна 0,062 эВ/молек [3, с. 90].
Рис. 1. Энергия связи молекулы воды в граничном слое: d - условное расстояние, измеряемое в диаметрах молекулы
Механическую устойчивость прилипших молекул жидкости к поверхности граничного слоя при условиях воздействия сдвиговых усилий частиц потока жидкости оценим, сравнив величины энергии связи и энергии теплового движения молекул жидкости при комнатной температуре. Средняя энергия тепловых колебаний связанной молекулы в граничном слое жидкости при комнатной температуре составляет 0,040 эВ/молек [3, с. 90]. И в этом смысле величина потенциальной энергетической ямы на поверхности граничного слоя превышает тепловую энергию, расходуемую на разрыв связи между молекулами. В результате на поверхности твердого тела образуются кластеры (супермолекулы), которые в технической гидромеханике называются вязким подслоем.
В работе [8] приведены данные о разрушении граничного слоя жидкости при температуре 70 0С. Кроме того, существует практическая рекомендация о нагревании обмоток якорей тяговых электродвигателей локомотивов или электроизоляционного лака перед пропиткой до 70 0С - для
улучшения впитывания. С учетом этого энергия тепловых колебаний связанной молекулы при 70 0С составляет 0,044 эВ/молек. При таких условиях увеличение энергии тепловых колебаний микрочастиц твердого тела или граничного слоя жидкости на 0,044 эВ/молек значительно снижает величину сдвиговой прочности граничного слоя жидкости.
Заключение
1. Согласованность опытных данных с известными результатами физики жидкости позволяет утверждать, что выражение объемного расхода в случае эффекта адгезии частиц потока жидкости к стенкам капилляров достаточно верно отображает действие силы межмолекулярного взаимодействия «жидкость - жидкость».
2. Нескомпенсированная адгезионная энергия поверхностных микрочастиц твердого тела определяет гидромеханику граничного слоя жидкости.
3. Целесообразно в холодное время перед пуском теплогенератора предварительно подогревать до 70 0С форсуночное устройство.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Нагорный В. С., Денисов А. А. Устройство автоматики гидро-пневмосистем. М. : Высшая школа, 1991. С. 18.
2. Шейпак А. А. Гидравлика и гидропневмопривод. М. : МГИУ, 2005. Ч. 1. С. 160.
3. Ванчиков В. Ц. Управление слоем трения в технологических процессах. Иркутск : Ир-ГУПС, 2006. 168 с.
4. Маэно Н. Наука о льде. М. : Мир, 1988. С. 134.
5. Ахматов А. С. Молекулярная физика граничный трения. М. : Физматгиз, 1963. 472 с.
6. Емцов Б. Т. Техническая гидромеханика. М. : Машиностроение, 1978. С. 38.
7. Чертов А. Г. Единицы физических величин. М. : Высшая школа, 1977. С. 205.
8. Дерягин Б. В., Чураев Н. В., Муллер В. М. Поверхностные силы. М. : Наука, 1985. 398 с.
