Оптический исследовательский стенд для изучения процессов переноса в многофазных средах – «Термогидравлика в пористых и зернистых средах»
Назначение
Исследование и моделирование динамики и закономерностей процессов переноса в многофазных (газ-жидкость-твердые частицы) средах.
Область применения
Стенд для исследования нестационарных теплогидравлических, тепло- и массообменных процессов в многофазных средах применительно к аппаратам энергетики, нефтехимии, микрокаталитическим и ядерным реакторам микротвэльного типа, а также в транспортных системах.
Краткое описание
Стенд представляет собой установку на базе СИН-1, включающую в себя гелий-неоновый лазер, мощностью 20мВт, длиной волны 0,63 мкм, оптическую систему, состоящую из системы регистрации и обработки голографических изображений, включающую объективы и рабочие участки, системы юстировки оптических компонентов. Также включает устройство, которое обеспечивает нагрев исследуемого объёма жидкости при различных уровнях тепловых потоков. Набор сменных нагревательных элементов представляет электронагреватель, теплообменник и термоэлектрический элемент. Два последних дают возможность, как импульсного нагрева, так и охлаждения снизу оптической кюветы с исследуемой системой – зернистым слоем, заполненным жидкостью. В состав экспериментальной установки входят датчики температуры, с помощью которых измеряется температура в отдельных точках исследуемого объема жидкости. Общий вид и схема показаны на рисунках.
Общий вид установки
Оптическая схема установки:
1 – лазер; 2 – отражающие зеркала; 3 – полупрозрачное зеркало – делитель лазерного пучка; 4 – линзы; 5 – исследуемый объект – оптическая кювета; 6 – голограмма; 7 – видеорегистратор; 8 – сменный термоэлемент; 9 – система электропитания; 10 – термостат; 11 – система контроля; 12 – компьютер.
Основные характеристики и преимущества
Использование на данной установке оптических методов для исследования задач теплообменных процессов обладает рядом преимуществ: измерения не искажают температурного поля, поскольку в большинстве случаев энергия, поглощаемая средой, мала по сравнению с энергией, подаваемой в процессе теплообмена, оптические методы практически не имеют инерционных погрешностей, а также использование видеорегистрации позволяет фиксировать изменение происходящих процессов на экране компьютера в режиме реального времени от начала и в последующие моменты после нагрева. Кроме этого, в экспериментах для фиксации полей температур использовался метод иммерсионной томографии, позволяющий визуализировать поля температур в самих зернах засыпки, обладающих определенным коэффициентом преломления.
Микропористые зернистые среды широко применяются в аппаратах химической технологии (например, каталитические реакторы), энергетике, нефте- и газодобычи и т.д. Развитая межфазная поверхность контакта твердой фазы с газом или жидкостью, особенности гидродинамики приводят к существенной интенсификации тепло- и массообмена в таких средах.
Исследуются скорость подъёма пузырьков газа в зернистом слое.
Фотографии в двух проекциях газовых пузырьков в зернистой среде с шариками диаметром 5мм., погруженными в иммерсионную жидкость.
Используется метод иммерсионной оптической томографии, основанный на просвечивании «непрозрачного» объекта.
На фотографиях показаны траектории всплывающих в затопленном зернистом слое пары пузырьков через промежуток времени 7/32 сек. снятые в разных плоскостях, что позволяет измерять все три компоненты скорости движения пузырька. Используется иммерсионная жидкость – раствор – монобромнафталин с йодистым метиленом в н-декане.
Задача о рассеянии примеси в зернистом слое
В задачах экологии, связанных с изучением закономерностей рассеивания примесей в почвах, описанный выше метод позволяет визуализировать процесс распространения и диффузии струи примеси. Здесь показан случай распространения примеси из точечного источника в плоской щели, заполненной зернистым слоем.
Эффективная диффузия в гелях – модель реактора для культивирования клеток
Метод позволяет проводить аналогичные исследования в наноструктурированных гелях, широко использующихся в медицине и биотехнологиях.
Анизотропия диффузии
Интервал времени между фиксированными положениями границы – 120 с. Измеренный по результатам этих экспериментов коэффициент диффузии равен 0.42*10^-10 м^2/с.
Исследование нестационарного вскипания жидкости в пристенном зернистом слое
На основе разработанного и реализованного оптического метода поляризации полей температур получены экспериментальные результаты вскипания теплоносителя на относительно большой обогреваемой поверхности при использовании различных типов жидкостей (вода, спирт, хлористый метилен, эфир) и засыпок различных форм, а также проведено моделирование этих процессов. Разработана оригинальная программа численного моделирования процесса вскипания недогретой жидкости при импульсном тепловыделении в стенке нагревателя с учетом конвективной составляющей в задаче нестационарного прогрева пристенного слоя жидкости, как в отсутствии, так и при наличии зернистого слоя.
Расчёт Эксперимент
Прогрев пристенного слоя жидкости в ячейке с шаровым элементом диаметром 5мм.
Расчёт Эксперимент
Применение голографического метода позволило обнаружить возникновение конвективных течений в пристенной ячейке с шаровыми элементами.
Правовая защита
Патент на изобретение №2306550 – Способ исследования процессов растворения газов в прозрачной жидкости, №2279059 – Способ исследования пространственных динамических процессов в прозрачных многофазных пористых и зернистых средах.
Форма сотрудничества
Проведение научно-исследовательских работ, предоставление экспериментальных данных, выработка технических условий.
Разработчики
Кафедры «Термодинамика, теплотехника и энергосбережение» и «Электротехника»: чл.-корр. РАН, д.т.н. Покусаев Б.Г., Некрасов Д.А., Захаров Н.С., Карлов С.П.