Устойчивые и критические режимы высокотемпературного тепломассообмена углеродной частицы в поле лазерного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

МШЮТЕРСТВО ОСВ1ТИ УКРА1НИ ОДЕСЬКИИ ДЕРЖАВНИИ УН1ВЕРСИТЕТ 1м. 1.1.МЕЧНИКОВА

МАНДЕЛЬ ОЛЕКСАНДР ВОЛОДИМИРОВИЧ ,

Л

РГб ОД

' 6 » ^ Ш 536,45:662.612

СТ1ИК1 ТА КРИТИЧ1П РЕЖИМИ ВИСОКОТЕМЛЕРАТУРНОГО ТЕПЛОМАСООБМI НУ ВУГЛЕЦЕВО! ЧАСГИНКИ У ПОЛ! ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМ1НЮВАННЯ

01.04.14 - теплофйика та молекулярна ф!зика

АВТОРЕФЕРАТ

дисерттцЦ на здобуття наукоього ступени кандидата ф1зико-математичних наук

Одеса - 1996

Дисертащело е рукогшс.

Робота виг.онана в Одеському державному ушьерсктет! ím. 1.1.Мечникова на кафедр! теплофизики та у Hayково-доел 1дницькому 1н-ститут! ф1зики.

Науковий K.epiBHMK: доктор ф1зико-м?темзтичних наук, професор Калшчак ВалерШ Болодимировкч, завЦува* кафедрою теплофизики Одеського державной ун!верситету ím. I.I.Мечникова. •

Оф1д1йн1 опоненти:

доктор ф1зико-математични.х наук, професог Шевчук Володимир Гаврилович, кафедра за-гально! ф!зики Одеського державного университету ím. I. ¡.Мечникова.

доктор ф1зико-математичних. наук, професор Контуш Ceprift Михайлович, зав1дувзч кафедрог физики Одесько1 державно! академП холоду.

Пров1днз установа:

Нацючальний ун1верситет Хмен! Тараса Шевченка, м.Ки1в.

Захиет вЦбудеться " 199Q р. о -/4 гсдин! н;

зас1данн! спец1ал1зовано! вчено! ради Д 41.051.01 при Одеськом} державному ун1верситет1 'м. IЛ.Мечником.

Адреса: 270026. м.Одеса, вул. Дворянська, 2.

3 дисертапСею можна ознайомитись у б!бл1отец! Одеського держас ного ун1версигету 1м. и.Мечникова (вул. Преображенська, 24 ).

Автореферат роз!слано " cUÍ " 1995 р.

4 •

Вчений секоетар

•Спец1ал!зовано1 вчеио! ради У

к.ф.-м.н., доцент федчук О.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуапьн1сть теми. Досл!дження провесу тепломасообм!ну аеро-30Л1В та окремих частинок у пол: лазерного випром!нсвання е важ-ливими для багатьох г ал уз ¡в промислоаост!. За останнШ час зал-ропоновано ряд амал1тич!шх моделей, що описують ц! ясища; показано. що у багатьох випадках для опису г.роцеспв у аерозолях мож-на використовувати наближення окремо! частники. Разом 5 тим, ба-гато питань залишааться недостатньо досл1дженими. Це стосусться анап'ау теплових та масових поток ¡в, що дозволие визначитм 1х в!дносний вплив на р1зних стад1ях тепломасообмШу при спалахнен-к! та горшн! частинок у пол! лазерного випромШювання. Недостэ-тньо осв!тлене питания про находження критичних умов тепломасообмШу на поверхн! частинок, про вплив початково! температури частинки на критичн! умови спалахнення, не зроблено докладний опис. процесу в1льного та змушеного потухания частинок, впливу стефая!всько1 течН та ендотерм!чно! реакцп на тепломасообмш. В дашй робот! запропоновано аналггичну модель, що враховуе ц! явища. Прознал¿зовано вплив р1зних факторов, насамперед штенси-вност! лазерного випрсмлиювання, на законом ¡рносп тепломасообмШу частники у пол1 лазерного ьипромшювання.

Зп'язок. роботи з науковими планайси, програмами. твмаьш.

ДисертатЯна робота виконувалася у межах науково-досл1дшщь-ко! роботи кафедри, зг!дно з темами N 27в, ы 761 та Н 615, одержан! результата увШшли б зв!т по тем1 N 27в "Вплив випромшкь вання та к ¡нетики хш!чних реакций на крлтичн! режши тепломасообмШу I характеристики гетерогенного гор!нкя вуглецевих частинок", 1994: та у зв1Т по тем! N 615 "Теплоф1зика г1стерезисний явищ в х!м!чно реагуючих дисперсних системах", 1997.

Иета роботи. Детальний аьал!з процест, що тривапть при вплив! лазерного випром1нивання на вуглеиэЫ частинют, виявлення законом 1ркостей, що дозволить завбачувати х!д цих процес!ь' при р!з-них умовах та керувати ними.

Иаукойа аоиизна.

1) Подана постановка задач! нестац1онарного тепломасообм1ну сфе-рично! вуглецево! частинки у пол! лазерного внпромшювашш. у припущенн1 двох та трьох х!м!чних реакц!й.

2) Одержано характеристики стад1й процесу при р1зних початкиаих та зовн!шн1х умовах, дослужено роль р!зних мехаи!змт теллома-

г

сообм!ну на окремих стад1ях„ мехашзми спалахнення. в!льного та змушеного потухания, умови зд1йснення высокотемпературного режиму таплоыасообм1ну.

4) Описано критичи! режими теплдмэсообШну для спалахнення та потухания частники у пол! лазерного сипром1нсвання, ривчеио вплив режиших параметр ¡а на тепломасообмШ.

Б) Вияьлено, що залежност1 температур« частники, «о характеризуй стШкл стацюнарн! стани, в!д И д!8Метру та 1нтенсивност1 лазерного е, ипром жевания у хнтерзалах шж точками спалахнення та по. тухання, масть г1сгерез1сний характер,

6) Вперше детально дослцукено вплив етефашвско! течп та ен-дотерм!чно! зс!м1ЧНо! реакцп на стШи та критичи! режими тепло-масообмхну частинки у пол! лазерного випром!нювання.

Головн! иауков! положения, що захищаються.

1) Застосовашсть розроблено! модел! для анап1зу процесса тепло-мзеообмшу вуглэцевф частинки у пол! лазерного випромшювання, прогнозування ходу цих процест при р1зних умовах.

2) Г!стерез!сний характер залежностей температури частинки в!д II д1аиетру та ¡нтеисивност! лазерного випром!нрвання в1д еггац!-онарно! температури частинки.

3) Корней 1сть урахування стефан1всько! течН та ендотерм!чно! реакц!!, що дозволяе точнше оцШювати значения . фактору захоп-лення частинкои лазерного випромшювання.

Практична д1нн1сть. Результата досл!джень можуть знайти прак-тичне використання при лазернШ обробц! матер 1алш, для отриман-ня 1иатер1ал1в 1з зазделег!дь заданным влзстивостями, У галуз1 енергетики.та 1н.. Виявлення оптимальних режим 1а гор!ння части-нок твердого палива е важливим для б!льш ефективного використання дкепергованого вуг1аля у топках э циркулюючим та киплячим шаром та лазерним роз1гр!ьом, запоб!гасчи забруднення оточушого середовюца. Також е важливоо розробка заход 1в пожежо- та вибухо-безпеки у виробничих примирениях, де шкористовупться лазерн! технологи I у процес! робота в можливим створення дрхбнодиспер-сних аерозол!в, - наприклад, при обробц! матер 1ал1в. Особистий внвеок здобувача. Плануваиня та проведения досл!джень характеристик тепломасообмшу частинки у пол1 лазерного випро-м!нювания, розробка аиал!тично! модел!, що враховуе вплив стефа-н!всько! течП та ендотер;/,1чко1 реаюЩ иа характеристик!. стад!й тепл«масск?бм!ну. Проведения розрахунк!в для досл!дження критич-них умов спалахнення та потухания, впливу реж!мних параметра та

початкових умов, насамперед интенсивност! лазерного випромшп-взння, нз закономipnocri тепломзсообшну сферично! ауглецево! частники, анал1з ззлежност! ¡нтенсивност! лазерного випром!ню-вання в!д стацюнлрно! температуря частикки, впливу стефан!всь-ко! течп та схеми xiMi4Horo реагування на тепломасообм'н, обсу-дження одержаних результата 1з сшьаэторзми.

Публ1кац±1. За материалами дксертацИ опубл¡ковано Q po6ir у наукових журналзх, трудах та тезах конференций.

Апробац1я роботи. Головн! результат« дисертяцП буди представлен!-на 21 М!жиародному Шротехн1Ч!1ому Сем Шар! (Москва, Рос1я,

1995), И CiMnc3iyMi з горШня та вибуху (Черноголовка, Рос1я.

1996), 2 М!зкнароднШ Школ!-Семшар1 "Сучзсн i питания ф1зик1 го-ршня та 1х використання" (Шнськ, Биюрусь, 1997), 17 конферен-ц11 краш СНД "Дисперсн! системи" (Одесз, 1997), 13 М!жнародному KoHrpeci з застосувань лазер is тэ едектрооптиц! (Орландо, США, 1995), 13 Мшнародному Симпозиум! з npouecia гор Шля (Краков, Полыда, 1993), II Украшсыий кауксво--пргктичшй кснференцН "Проблеми горШня, бал.стики та мехаМиЛ з1ткнекь" (Одесз, 19S6) Структура та об 'ем днсергац i i. Дисертэц1я складзсться i3 всгупу, чотирьох роздипв, висновк,1в та, списку використаних джерел. На-раховуе 134 сторшки, у тому Ч'исл1 26 рисунмв, 4 таблиц! та 120 б!блюгрзф!чних нзйменувань нз 14 сторшг.ах.

ОСНОВНИИ 3MICT

У встугй обгрунтувако актуалыпсть теми, зформульовано головну мету роботи, подано основнi науков! положения, висунен1 автором. 1х наукову нов1зну, в ¡домоет i про структуру та об'ем роботи.

У першому розд!л! зроблено or ляд та пор!вкяльний аналгз опу-бл!кованих до цього часу poiiT за данога темоп. Зроблоно висно-вок, що значне коло питань дос1 с мало доел ¡д женим. Зокрема, це стосуеться анал!зу теплових та масових потШв, який дав змогу визначити !х роль та ь!дносний вплив на р!зних стадгях процесхь ТМО при спалахненн! та ropiHHi частинок у пол! лазерного випро-мшю&ання. Мало вивченим е питания про критичн! умови прот!каикя гетерогенних реакцШ на поверхн! частинок, про визначення в/род- ' ження умов Семенова, i тлн, У зв'язку з цим е нео<5х1днкм дета-льне доел¡дження тепломзеообмшу частники, що нагр!ваеться лезе-рним випромшпвяпням. побудова аналогично! моде л i процесу, дос-л)дження стадШи^ст] тепломасообмШу при ropiHHi »углецевмх частинок, механизм ¡в й)льмого та змушеного потухакня, здШснення высокотемпературного режиму тепломасособмШу.

У другому роздШ ьиклздено постановку задач 1 нестац 1онарного гепломасообмшу сферично! частинки вуглецю у пол! лазерного вил-роммювання, розбудована за методом, детально викладеним у наве-дених публгкац^ях [1-4]. На псверхт частинки одночаено протрать процеси: 1) захоплення лазерного випром1нювання; 2) екзотер-м1чн1 реакци,- з) теплообмж ¡з газом теплопров 1дн1стю,- 4) теп-яообм'ш випромшованням 31 стюкамм реакцШжл установки. Потуж-нкпъ х1м!чного тепловидшення визначаеться реакщями на поверх-н1 частинки. Взаемод1я вуглецю з пов!грям супроводжусться протЬ-канням декйшкох х1м!чних реакц№. При характерних для промисло-вих установок температурах вир Шзльний вплив надають реакц 1 кс + ог - с о1 4 (I), гс + ог — гс о +■. ц2 (п),

де к1, к2 (дал! к1) - швидкоеп х!м1чних реакцШ; ч4. яг (да-лх я.) - теп лов! ефекти реакцШ. Таким чином, задачу нестационарного ТМО вуглецево! частинки у пол1 лазерного випром1нпвання формулюеться у акгляд! даох дифиренщйних р^внянь:

1 о 1

— о р й 6

¿01)

о

2 Р„

чсЬ~ ятк* ч1аа- чгаЛ.

-1

2

' 2

12*

р ь

<1 (1=0>=с1 р ь

(1),

12);

ЧеК

02«

+1

р

Р Ни . ' »

л

Ч^"—— П -т } - ост -т );

(1 ре р я

Ч,«.- Е <* «р - 'О-

У цих формулах 1ндехс р вЦноситься до частинки, в - до газу, ь - до початкового значения ьеличини; о в тештоемн1сть, Дяс/кг*к; р - щ1льк!сть, кг/м3; й - д!аметр частинки, м; т - температура, К; I - час, с; яеЬ - потужп1стъ х!м1чиого тешювитаореи-ня, Бг/м*; ятк - молекулярно-конвективний тепловий потт м!ж частиккоп та газом. Вт/м*; о, - захоплека частинкою 1нтенсив~ нкггь лазерного випром1июпання, Вт/м ; КаЬа - фактор поглинання частинкоо лазерного випром!нювання, I - початкова 1нтенсивн1сть лазерного випромШювания. О. 6 стех1ометричн1 коеф1ц$енти; р -коеф1ц1ент масообм!ну, м/с, п02 - концентрация окисливача <з

1ндексом з - бия поверхш частинки, » -у газовому середовипЦ на

з „

нескЛнчеший вхдстан! в!д частинки), кг/м ; 0 - коефициент лифу-311, м*/с; Ни - кр¿тер 1й Нусельта, а - коеф'идснт теплообмШу, Вт/м2К; я ' а - тепловий пот ¡к випром!ниванням в и частинки до спнок реакций ного приладу, Вт/м*; е - к.оефЩ1снт вилромжю-взльно! здатнссп, а - стала Стефана-Больцмана; - температура стшэк реакцШного приладу, к.

При цьому врзховувалась залежи 1сть фгзичних властивостей газу в и температуря.

У третьему роздЬл! анзл1зушъся закономерности тепломасообмшу .вуглецево! частинки у пол! лазерного вкпромшювання. Дослщження часових залежностей т . й, аТрАЛ, 2ки р. чтк.

дозволяе проанал1зувати процес тепломасообмшу та виявити роль р'зних механ!змщ перенесения тепла та мэси на р!зних ста-д1°.х. Так, при температур! газу Тд= 1200 к та невелик :й ¿нтен-сивност1 захопленого лазерного випромЛксвання (я1а,= часова пэх!дна температура частинки дозволяе видхлити чотир! характерна стада тепломасообмшу. На першгй стад И тривас ¡нертне прогр!вання частинки, д!амег майже ке змжпсться. Тривалють першо! стадп визначасться як перюд шдукци На другому

етап: трапиться вих!д на високотемпературну стадно. Пот1м нэстаг кваз:ст2ц1онарниЯ ст!йкий високотемпературний режим ТМСи, диметр починас швидко зменшуватись. Це викликае зрют ясЬ за рахунок зб 1льшення масообмшу, I температура горшня зростае до максимального значения. Четверта стад!я процесу визкзчзсться раптсвим переходом на низькотемпературний режим при досягненн! д!амет-ром та температурой частинки критичних значень.

За умовк к1мнатно! температури повпря СТд= 293 К) та зб Чищено! потужност! лазерного випром1нввання (ч1ав= 1,56*10 Вт/м ) х!д залежностей, що розглядзютьсг Суде яклсно 1ншим - процес мае три чгпЧ стадП. Температура частинки не зб1льшунлъся зав-дяки взаемодИ з ррз1гр:тим газом, I перех1д на високотемпера-турний режим вЦбувасться головим чином за рахунок ч1о„. За перюд шдукцН д1аметр частинки майже не змшюеться. На високо-те^пературнШ стад И д!амегр зменшуеться. що виклигзе зростзкня коеф!ц1енту теплообм1ну д та тепловтрат в!д частинки до Ыдносно холодного газу малекулярно-конвшувним шляхом. Як результат, для цих умов характерном е плавне зменаення температури частинки

час стацюнзрного високотемпературного стану,- при досягнеши критичного значения с1Е а ¡дбувает^ся потухания частинки.

Проведено досл!дження залежностей температури в!д д!аметру частинки для високо- та низькотемпературних стан ¡в. Якщо температура газу б велика, то екстремальш значения Д1аметр1в частинки (л!/<5Тр=0) визначапть критичн! параметри спалахнення, ,в!ль-ного та змушеного потухания.

На рис.1 подано залежнкггь Тр(й). Ьажливо визначити 11 гкгге-рез!снкй характер у диапазон! с1 < . В низьк.отемпературному режим! збиьшсаня веде до зростання т . При досягненн! диметру при якому вЦбуваБться спадах частинки, теплов!дв!д стае критичним, ыдбуваяться переход на високотемпературний режим. Для чзетинок !з с1ь > цей перехи вЦДувзсться при будь-якому малому значенн! початково! температури. При досягненнI Д1аметру участника в!льно потухав. ЛШш, що з'сднуе цчгм I та Е, харз-ктеризуе ззлежн!сть . критично! початково! температури частинки, що визначае переход до високотемпературного режиму, в!д д!амет-ру. Вигляд залежност! змптсться при прахуьзти стефащвсько! течИ (длв.рисЛа) та при переход! до меншо! ютенсивнскгп лазерного випромшювання при б1льш1й температур! газу (рис.1,в): у цьому випадку з'являеться друга г!стерез!сна петля у облает! великих диаметр ¡в, що пов'язано з тепловтратами ырромшеванням в и частинки до ст!нок реакцШного приладу (див. також рис.3 д). 3 рис.1.6 та рис.1.г вмт!кае, що при зменшент температури газу, у невеликому диапазон! тд з'являеггься локал!зована область у ш-гервал! Д1аметр]а аЕа< аь< с!^. Для цих д!аметр1ь перехад на ви-сохотемпературний режим мож/швий, якщо Ть> ть сг. Для д!апазону мсжливий тшьки нязькотемпературний режим.

Детально досл1джусться вопив режимних параметр!в на особлиьос-т! тепломасообм!ну у пол! лазерного випром!шоьання. Показано, що у випадку тм1-т -293 К, коли гривае !нтенсивна те11лов1ддача в!д частинки, можлив! три стащснсрних ршекня я1оа(Т ); ст!йке високотемпературне, що визначае гор!ння, стДОке низькотемпера-турне, що характеризуе .окисления, та нест1йке, що характеризуе залежн!сть критичного значения яке визначае спалахнення

частинки, в!д И початково! температури ть (рис. 2).

3 га!гуз! низькотемпературних стан ¡в дя * пор!вняно невеликого зб!льшення температури частинки вимагасться 1стотне зб1льшення 'итенсквност! захопленого лазерного випром!нпвання я1аЯ- Для зменшення температури гор!ння треба знизити ч1ая. Для малих час-тикок га вцеоких температур газу режим гор!ння реалЬуеться такое при а -о. Для б!льщих частинок зменшення !нтенсивност! ла-

Т. , к

800

1—I—1—:—1—1—1—п I | 20 120 220

с£, мкм

2500 20001500 1000

п, к.

и

еГЧч

т+гп1]-1 N11 )П|-1 I I П|П[:

10 100 1000 с£, мкм

т,:, к

500 ООО 500-\ ООО

м

г г I -г

М1'1 ■ ■

в;

I I иш||—I 11пш|—гттптпг 1 10 100 1000 (Л, мкм

п. к

Т-1—I Г I Г11 |

100 1000 (I, мки

Рис.1..Г1стерез1сн1 залежност1 стацюнарно! температури час-тинки в и № диаметру. Ти1«293К; I -спадах; Е - потухания.

а) т =гззк. а *2*чо% V.1, з урахуванням (1) та без ура-хування (2) стефан ¡К/Сьо[ течП; -*+*■— окислювання;

-х-*- - горШня; — -Тхвь ег), «•• -эксперимент.

б) Т =1200 К; qlas• О3 Вт/М1;' I) Тд=1400 К; Ч1ав-Ю* Вт/Ч*; Г) Т®-930 К; ч1м'Ю5 Вт/М*.

«1.5 • Зт/V

юЫ

3

300

7f,;. Вт/У

/О

О

Í30O

а

' Y

б)

го'

2500

' I I . I I !

тв.к

300 ' Í300

2300

to '

а -i

to

я

Jao

• i 'i il i '300- 2300

Чыг Вт / иг

В)

I i i i г-]—i—i—r-r-f 300 1300 2300

Рис.2. Залеясносгп qlas(Tp) для гуглецево! частинки,-

~^02со* О-23. Tvl- 2S3 К; a) á « 500 МКМ, Т9= 1200 К; б) d = 500 мкм, Т <= 29S К; s) d - 190 МКМ. Т « 1200 К; г) d - 190 МКМ, т! 293 К.

9

зерного випромшсаання до критичного значения я1аз призводить до раптового переходу на низькотемьературний режим тепломасообмшу (точка ЕЗ,

X Е

Таким чином, залежись Тр(я1а1) у 1нтервал1 я1а>< я1м< я1а. при визначених значениях початкових д!аметр!а частинок та 1нших режимних параметр га також мае пстерез^сний характер. Б цьому д!апазон! стхйкЛ високо- та низькотемпературн! стани реал!-

зуються залежно ьЦ почзтково! температури частники, а" (Т.) мае виг ляд: .

'I Л» ^ .

Залежн1сть

"Ча*

=е а

к-:-)

Хв N4, , ♦ [ть_т9]_ рА

'»»г4 1 \1Unu

с1*1

-1

(3)

при низьккх температурах газу (Тд=293 К) харзктерне 1снузання дэох критичких значень захоплено! потужностг лазерного випромЬ-нпвання. та я^,- При високих температурах газу (Тз=1200 к)

у деякому диапазон} аь крктичне значения я"м зникас. оскиьки при зростами зб ¡льшуеться пот К тепла Э1д газу до частинки. у четвертМ частиШ описано стШк! та критичн! резкими тепломзео-обм 1ну частники у пол! лазерного випромшовання з урахуванням стефан 1всько1 течП та ендотерм1ЧНо! реакцП С+С02-?С0-яа (III).

При врахуванн! стефан1всько1 течП, що мае швидкють ив/

-1

Яск-

'Ом'

П0га=П02ш

2Л

+ р„

р

(4).

а «о + с .« аГт -Т ) + с р —1— (т + Т„)

ж. + Р,

8/

01 со

(5),

(6).

де ряг - поправка, що пов'язана з! стефан 1ьсько1Э теч!ео.

Встановлено. що урахування впливу стефан 1ьсько1 течИ приводить до зменшення температури гор1ння. зб!лкшення перЮду 1ндук-ц!1 та. часу гор!ння. КрцтичнкЛ д!аметр частинки (аЕ). при якому й!дбуваеться И в1льне потухания, також зб1льшуЕться.

Встановлено, що стефан 1всыса теч!я менше впливзе на критичн! параметри спалэднення, «1ж потухавня. Важливо, що Пстерезкнлй характер залежносги температури частинки, що харвктеризуе стМ-к! ст8ц1онари1 стани, в!д II д1зметру та штен-ивносп лазерного

вкпромШсвання у ¡нтервалах м1ж точками I та Е. збер:гасться пр^ урахуванн! стефан1всько! течП.

На рис. 3 подано залежност! д!аметр1в, що характеризують спз-лахнення та потухания частники (т. I та Е на кривих й(Тр)) еЛ; 1нтенсивност1 лазерного випром1шовання з урахуванням та без ура-хування стефан 1ьсько1 течП для трьох випадк!в Т . При зм!н! сп1вв1дношення м1ж Тр 1 Т9 зм1ню€ться напрямок молекулярно-кон-вективнсго теплового пот!ку м1ж частников та газом.

Для температури пов!тря Тэ=293 К (див. рис. 3 а,б) перех!д не високотемпературниЯ режим може зд!йснюватися при Штенсив костях лазерного випро>инивання Ч1аа^2< ч1ца< Я1ов та д!аметрах с!ь > незалежно в!д початково! температури частинки. При

Чюа= Я1ов72 та я1аа= я1авт> вЦбувзсться виродження критичних умов гетерогенного спалахнення та потухания частинки. При температурах газу Тд=1200 К. та т=1400 К залежност! ¿сг(я1аа) маоть якюто шший виглнд, що пов'яззно з виникненням двох додаткових критичних точок на задежностх й(Тр). Точка См характеризуе руб1-жне значения я1оа. нижче иного е кеможливим перехад на високотемпературний режим т1льки за рахуноу. змши д1аметру частинки. Шдвищення призводить до здив^ння кривих, що визначалть

геометричн! м!сця точок I та В, у точках 7 (див. рис. 3). Це мае назву виродження критичних умов потухания та спалахнення; й =с1 = с! , т =т » Г Ура- уваиня стефан ¡ьськох течи приз-водить до зростання значень я^.

Рис. 3 св!дчить, що урахування стефан Хвсько! течП призводить до зб!льшення критичних д!аметр1а а* та сзменшення а* та , звуження 1нтераалт розм1р1в, у яких здШснюеться гкгге-резю тепломасообмшу частинки.

При урахуванш ендотершчно! х1м1чко1 реакцИ С + С02 -» 2С0 (III) змшення диаметру частинки 1з часом (з урахуванням стефа-н1всько! течП) описуеться формулой

л&О 2 Р3 -----

л 1 „ Огоо

О I р

1К1+Р« Ря Ра

1Й " "

-1

2

и+КО (7).

де р , Р,„- поправки, що пое-'язан! з реакцией III;

100-

dcr. шеи

<4,.мки

der. ШШ

s ■ • ТТТТТ,1 7

to 10 to:

fli„,BT/иг

CÍc.MKií

10

qi3S, Вт/м2

/000^ a

/00-

/OOib

/0-

Ps/=0 N7'

"" "1—i i muir ,i I Ч11ГГ ,i i ||||Ц| - • Г111Ш11 I ¡iiiii'i ........I.

10*- 10s 10 to1 10 10s 106 107

der. мим

Ч^Вт/и*

d,,. «км

^.j.Bt/M2

1000--

100--

10-:

3

"г"

7* «

iao(h

ioo-z

47<

тетц usai niiiaj .a.j !«¡' mi

1 10* 104 106

quvB? Ju

10-3

3

1 P^O

5 \

y,

i ю-

104 105 ' ди5,Вт/ы2

Рис.З. ЗалежносгП критичтес д1аметр!в чзстинки. то визна-чають II егшахнення wp та потухэння (dp bu qta„ з урз.хуалиням (í.r.e) та без урахуьання (а.в.д) Р.,-а), öl Т^293К: в), г) Т9=1200К: д1, е) T^UM;

а.Вт/м* 2.5 Е+6 —за.

Z.0E+6 -

1.5Е+6 -

f.OE+6 -

5.0Е+5

О.ОЕ+О

т~1 I I I 1—I I I ) I I I I I I I I I I

300 BOO 1300 1800 23*0

Tf.Sbfí

q .Вт/м2

Us

5)

9Е+5-

7E+J-

SE+5-

t - peaxqiï О)-(Ш) if f

2 - peut, i Г П)-(И) Ж2 J

3 - peeucqiH (I)

3E+5-J- i i i <} ,—i, , i i ! i , , j ,, 500 1000 1S00 2000

ht j К

Рис.ч. ЗалежносП qu>(т,л)для вуглецево! частинки;

db-iS0 мкм, Te-Twl-2ô3 К.

I I I I I II I I I I I I I I О 0.2 0.4 0.6 0.8

1'Фи/с

в.Т,/сИ,К/с г

г I I | I ' Ч ' ' '"Г о.о 0.2 0.4 О. В 0.8

0.0 о:2 0.4 0.6 0.

Рис.5. Часты залежносп температуря, д!аметру частинки, пох!дко1 <9Т /л. та шЫдк.ост1 стефан 1Бсько1 течН для р!з-них схем х ¡ночного реагування. Тд«Тж1«293 К; 1 - реавдя (I). 2 - реакцП (I) та Ш), 3 - реакдП (I). (II) та (III).

р - ^о* кз

На рис. 4 подано залежносп Ч1а£-р-в1). Що Ьпюстругггь валив к!нетики х!м1чких реакцЮ (I). (ц) -а (ПН та стефан1всько! течи на тепломасообмш частинки. Необл1к реакцШ (I) та (ш) приводить до зазищения критичних зьачень та що сви-

чить про слковну роль к. ¡неточного фактору при спалахненн! части-нки та про значну його роль при потуханш. Урахування реакцН (Ш) маДже не впливае нг пнраметри спалахнення та слабо проявляться при потуханн! частинки. Залежнкггь ч1а|.Т в1) у штерва-лах: тр.1<тр< Тр.* при УРахУм»н1 реакцп (III)

збер1гае Пстерезюн/й характер, У сере дин! Пстерезисно! петл! при ть< Ть х здЮснпеться т!льки низькотемпературний режим, при V ть. високотемпературний режим тепломасообмшу.

Естановлено, що урахуазння стефашвсько! течп веде до бхлгь-шого зниження температуря горшня, ньж урахування реакцп (га). Подаш нэ рис.5 часов1 залежносп температури та д!аметру частники, 1х часових пох1Дкях 1 шеидкост! стефан1всько! течЦ п1д-тверджувть висновчи анал!зу залежносп я1аЯ(т в ) та а(т ).

Визначення щ1льност! газу у формулах для швдаостей х'^чних реакцШ при тм приводить до значних помилок для швидкосп стефашвсько! течИ на поьерхн! частинки. Урахування реакцп (III) дозволяе точнше оцЬиовати фактор захоплення частников лазерного випрсмшпвання. Урахування розб^жност! температурно! залежност! щШькост! газу у формулах для швидкостей х!м!чног перетворення та аГиькостей теплових (масових) поток !в дае краще сп1впад!ння теоретичнлх та експеримеитальних результат !в на часових залежно-стях температури та д!аметру частинки ори штенсивносткх лазерного випромлиовання, б!льщих за критичне значения.

БИСНОВКИ

1) Створено аналггичну модель тепломассобм1ну частинки у пол! лазерного вилромшювання, яка враховуе вплив стефашвсько! течН та схеми хЫ1чного реагування на тепломасообмш та може використовуватись для прогнозування ходу процес!а темпломэсооб-м!ну при р!зних умовзх.

2) Аосл1джено, що стадШний характер тепломасообмшу у пол! ла-гврногс вияром!нгг,зкяч лиоикаеться конкурентен м!ж тепловид!-

р" = °э кз ^со™ (в).

■ III *

у о. к. п

ленням та тепловтратами; виявлено вЦносний гплив р!зних механи-зм!в переносу тепла та маси у чагежност! в!д режимних параметра на р!зних стад1ях процесу. Вивчено механ1зми спалахненкя, п1ль-ного та вимушеного потухания частинки у пол! лазерного випро-мШюпання.

3) Показано, що д!аметр частинки с керуючим параметром, що виз-начае спалахнення та потухания. У низкотемпературному стан! зр!ст д1аметру частинки веде до з01льшення 11 температура. Спалахнення частинки та перех1д на високотемпературний режим в!дбу-васться при досягненн! д1аметру (11 Для частинок 1з с1ь > ах цей перех1д в!дбуваеться при будь-якому малому значенн! початково! температури. При досягненн1 критичного д!аметру с1г частинка в1-л^но поту хае.

4) Залежност! температури частинки, що характеризуе ст1йк! ста-ц1онарн1 стани. в!д II д!аметру, при деяких умовах мгуэ¥ь ^1ств-рез1сний характер. Досл1джено умови реал1зац11 однопетльового та

. двохпетльового г1стерезису.

5) Досл1джено залежност 1 1нтенсивност1 лазерного випромШювання в!д стад1онарно1 температури частинки, показано, що вони теж можуть мати г1стерезисний характер; вивчено умови реал1зацЛ г!стерезисних режим!в теплом«. ообм1ну.

6) Вперше детально досл!джено механ!зм впливу стефан 1вськ01 те-ч 11 та ендотерм1чно! х!м!чно1 реакцН на стШк! та критичн! характеристику теплсмасообм1ну частинки у пол1 лазерного випром!-невгння, Сгефан1вська теч1я та ендотерм1чна реакц1я зменшують температуру горшня; урахупання стефан1всько! теч11 викликае б!льше зниження температури горШня, Н1ж урахування ендотерм1ч-но1 реакцП.

7) Показано, що урахування впливу стефан 1всько1 течИ приводить до з<$1льшення пер [оду 1ндукц11 I часу гор1ння та звуження 1нтер-вал!в розм!р1в, у яких здШенюсться г!стерез1с тепломасоо5м1ну частинки. Критичний д1аметр частинки, що визначае II в1лыш потухания, також зростае.

в) Виявлено, що урахування температурно1 залежност! теплоф!зич-них властивостей газу дае кр^щс сп!впад1ння теоретичних та екс-периментальних результатов по часових залежностях температури та диаметру частинки при !нтенсивностях захопленого лазерного ви-пром1нюаання, б!льших за критична значения, Урахування впливу ендотерм1чно! реакцН дозволяе точн1ше оц1нювати значения фактору захоплення частинкоп лазерного випром!нювання.

СПИСОК 0Ш/БЛ1К0ВАНИХ DPAllb ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦП

1. Горение и самопроизвольное потухание углеродной частицы в поле лазерного излучения / Калинчак В.2., Орловская С.Г. Евдокимов А.В., Макдель А.В./ Физика горения и взрыва.- 1995, С.50-56.

2. Kalinoh&k V.V., Orlovskays. 3.G., Mandel W. The burning and spontaneous extinction of carbon particle In the 1азег radiation field/Journal of Aerosol Science.- 1995.-Vol.£6,- P.S 315- S 316.

3. The burning and extinction of aerosol of carbon particles / Orlovskaya S.G., KallnchaK V.V., Kalinchak A.T., Mandel A.V. / Journal of Aerosol Science.- 1995.- Vol.26. - P.S 679 - 3 650.

4. Горение и самопроизвольное потухание углеродных частиц в поле лазерного излучения/ Чесноков М.Н., Калинчак В.В.. Мендель А.В., Орловская С.Г. / Труды 21 Международного Пиротехнического Семинара. Москва, - 1995.- С. 123-125.

б. Hlsteresls of Heat and Мазз Exchange of Carbon Particle, Heated by teser Radiation/ Xallnchak V.V., Orlovskaya S.Q.. Evdokl-mov A.V., Mandel A.V. / Proceedings of 13-th International Congress on Applications of Lasers and Electrooptlcs. Orlando. -ICALEQ.-i99t. P .723-731,

6. Калинчак B.B., Орловская С.Г., Мандель А.В. Влияние интенсивности лазерного излучения на характеристики горения частиц при гетерогенных параллельных химических реакциях // Труды 11 Симпозиума по Горению и Взрыву "Химическая физика процессов горения и взрыва". - Черноголовка. - 1996. - Т.1. ч.1 - С.131-133.

7. КаИпсЬдК V.V., OrlovsKoiya S.G., Mandel A.V. The influence of the Stefan flow on characteristics of heterogeneous ignition, burning and spontaneous extinction of a carbon particle, heated

. by 1азег radiation ft Contributed papers of II International School-Seiainar "Modern problems of combustion and Its applications" - Minsk. - 199?. - P.134-136.

6. Crlilcal characteristics of heat and mass transfer for a carbon partlele In the field of continuous laser radiation / Kallnchak V.V., Mendel A.V., Tlniokhln D.V., Chesrwkov M.N. / 13-th International Symposium On Combustion Processes. Cracow. 22-25 September 1993. Abstracts of papers.-P.168.

1 7

МандельО.В. Ст1Пк1 то критичн! poxiми высокотемпературного тепломасообм1ну вуглеи.ево1 частинки у пол! лазерного пипро-мХнкюаннл. - Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукоаого ступеня кандидата ф1зико-математичних наук за фахом Ol.04.14 - теплоф!зика та молекулярна ф1зика. Одеський державний уи!верситет 1м. IЛ.Мечникову. Одеса, 1998.

Дисертащю приев'ячено достижениям законом 1рностей тепломесо-обм!ку сферичних вуглецевих частинок у пол1 безперервного лазерного випром1нювання. Розроблено суц!льну аналитичну модель про-цесу тепломасообмшу у пол! "азерксго випром[нюагння з урахуван-ням р1зних фактора, одержано сп1впад!ння з експериментальними результатами. Встановлено стадШний характер процесу, досшджено в1дносну роль р1зних механ!зм1в тепломасообм!ну на р!зних стадЬ ях, проанал!зова#о вплив р1зних факторт на характеристик! ста-д1й. Виявлено факт та проанал1зован1 умови виникнення. пстерези-су тепломасообм!ну. [1осл1джено критичн! умови спалахнення та потухания, вплйь схеми Х1м1чного реагуьання та стефан1всько1 течП на характеристик! процвсу тепломасообмШу.

Ключов! слова: вуглецева частичка, лазерне випром 1шоЕ;>ання, теп-ломасообмш, ст"ад1йн1сть, високотемпературный режим, г!стерезис.

Мандель A.B. Устойчивые и критические режимы высокотемпературного тепломассообмена углеродной частицы в поле лазерного излучения. - Рукопись.

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика. Одесский государственный университет им. И.И.Мечникова, Одесса, 1998.

Диссертация посвящена исследованиям закономерностей тепломассообмена сферических углеродных частиц в поле непрерывного лазерного излучения. Разработана целостная аналитическая модель процесса тепломассообмена в поле лазерного излучения с учетом различных факторов, цэлучено совпадение с экспериментальными результатами. Установлен стадийный характер процесса, исследована относительная роль различных механизмов тепломассообмена на разных стадиях/ проанализировано влияние различных факторов на характеристики стадий. Выявлен Факт и проанализированы условия возникновения гистерезиса тепломассообмена. Исследованы критические условия воспламенения и потухания, влияние схемы химического

реагирования и стефановского течения на характеристики процесса тепломассообмена.

Ключевые слова: углеродная частица, лазерное излучение, тепломассообмен, стадийность, высокслемпературный режим, гистерезис.

lîandel A.V. The Btable and critical regiroea oi high, temperature beat end masa exchange of carbon particle in the lacer radiation liold. - lianuacript.

Thesis for a degree of candidate of physical and mathematical sciences by speciality 01,04.14 - thermophysics and molecular physics. I.I.MechntKov Odessa State University, Odessa. 1990.

The dissertation is devoted to researches of the laws of heat and mass axchange of spherical carbon particles in the field of laser radiation. The analitical model of heat and mass exchange processes in the 1азе.г radiation field with account of various factors is developed. The concurrence with experimental results is received. The stage nature of process is founded, and the relative role of various niechanismes of heat and mass exchange is researched on different stages. The influence of various factors on characteristics of stages is investigated. The fact and condition of occurrence of heat ar*d mass exchange hysteresis is revealed. The critical conditions of ignition and extinction, the influence of the chemical reactions scheme and the Stephan current on characteristics of heat and mass exchange processes is researched.

Key words: carbon- particle, laser radiation, heat and mass exchange, stage character, high temperature regime, histeresis.