Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по геологии-минералогии

Моделирование тепломассообменных процессов в мерзлых породах с подвижной ледовой компонентой

Автореферат докторской диссертации по геологии-минералогии

СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА

Страницы: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |

 

Осмос. Осмотический эффект регистрируется в закрытой системе и связан с возникновением разности давлений в сосудах, разделенных пористой перегородкой. Величина эффекта характеризуется осмотическим коэффициентом s, который для идеальной мембраны равен единице. Связь между разностью давлений и концентраций для бинарного раствора сильного электролита представляется в следующем виде:

Dp = 2sRgTDcs

Найдем величину осмотического эффекта при одинаковой температуре на гранях ячейки (Xq = 0). В этом случае система уравнения (19) при jV = 0 и je = 0 дает следующие два равенства:

СppNbp + СpeNbj + СpsNbcs = 0

СepNbp + СeeNbj + СesNbcs = 0

Величина осмотического коэффициента ячейкиsb выражается через C-коэффициенты из последних трех соотношений:

На Рис. 9 приведены результаты расчетов осмотического коэффициента методом анизотропной проводимости. Величины коэффициентов для ячеек с нулевой и бесконечной горизонтальной проводимостями отличаются незначительно. Осмотический эффект слабо зависит от концентрации раствора и усиливается с понижением гидропроводности пористой среды.

Свойства мелкопористой части среды существенно влияют на характер зависимости осмотического коэффициента от температуры (Рис. 5 и 9). Бипористая среда с включениями льда обладает осмотическими свойствами даже в том случае, когда осмотический коэффициент мелкопористой среды равен нулю (Рис. 5). Однако, в этом случае величина sb резко уменьшается при концентрации, превышающей 0,01 - 0,1 моль/л.

Электроосмос. Электроосмос - движение раствора через пористую среду под действием внешнего электрического поля.

Количественной характеристикой электроосмотических свойств среды служит коэффициент переноса, стоящий перед градиентом электрического потенциала в выражении для объемного потока жидкости. Наличие льда в пористой среде меняет ее свойства. Это изменение будем характеризовать относительным коэффициентом электроосмоса dpe, равным отношению коэффициентов переноса бипористой среды со льдом Cpe и мелкопористой среды kpe:

dpe = Cpe/kpe

Подстановка в последнее выражение явного вида коэффициентов Cpe и kpe показывает, что величина dpe зависит только от доли льда в ячейке (Рис. 10) и оказывается меньше единицы. Появление льда в пористой среде уменьшает ее электроосмотические способности. Это свойство есть следствие предположения о том, что лед отторгает инородные примеси и не участвует в разделении и переносе электрического заряда.

Потоковый потенциал.Потоковый потенциал - электрическое поле, возникающее в пористой среде при движении через нее жидкости. Количественной характеристикой служит коэффициент пропорциональности m между наведенной разностью электрических потенциалов и перепадом давления жидкости:

Dj = mDp

при Je = Nbcs = Xq = 0.

Согласно второму уравнению системы (19) коэффициент m для бипористой среды выражается через C-коэффициенты переноса:

m = Cep/Cee

Относительный коэффициент потокового потенциала dm определим аналогично коэффициенту dpe, как отношение коэффициентов потокового потенциала бипористой среды со льдом и мелкопористой среды:

Подстановка явного вида С-коэффициентов в последнее соотношение дает одинаковый результат для ячеек с бесконечной и нулевой горизонтальными проводимостями

Следовательно, в принятых допущениях теоретической модели появление льда в пористой среде не влияет на коэффициент потокового потенциала, т.е. коэффициенты m бипористой среды со льдом и мелкопористой среды оказываются одинаковыми. Причина этого указана в конце предыдущего подраздела.

Термоэлектрополяризация. Термополяризационные свойства среды проявляются в возникновении разности электрического потенциала на границах образца в градиентном поле температуры. В настоящем параграфе представлены результаты расчета потенциала термоэлектрополяризации закрытой ячейки (JV = Js = Je = 0) пористой среды с включениями льда. Градиент температуры вызывает движение льда относительно мелкопористой среды, что в свою очередь приводит к фильтрации раствора и появлению градиента концентрации. Таким образом, потенциал термоэлектрополяризации прямо связан с работой двух механизмов - диффузионного и двойного электрического слоя.

Система уравнений для нахождения разности давления Dp, концентрации Dcs и электрического потенциала Dj ана основаниях ячейки от разности температуры DT следует из общих соотношений (19)

где .

Принимая во внимание нулевое значение Ceq и Csq, после соответствующих преобразований последнего соотношения величина термоэлектрополяризации представляется в следующем виде (Рис. 11):

где а- элемент матрицы обратной .

Величина термоэлектрополяризации увеличивается в уменьшением концентрации раствора, слабо зависит от гидропроводности мелкопористой части среды и достигает порядка 1 в/град при концентрации раствора 10-4 моль/л.

Механизм двойного электрического слоя вносит существенный вклад в термоэлектрополяризационный свойства системы. Так, если мелкопористая среда не обладает электроосмотическими свойствами (Рис. 12), то величина термоэлектрополяризации становится меньше почти на порядок и не превышает 400 мВ/град.

Приведенные данные показывают, что электроосмос, потоковый потенциал, термоэлектрополяризация среды становятся слабее с увеличением концентрации порового раствора.

Осмотические и электроосмотические свойства мелкопористой части бипористой среды могут существенно влиять на свойства бипористого материала со льдом в области высоких концентраций раствора (Рис. 4 и 7, 5 и 9) или в области малых концентраций (Рис. 11 и 12).

Глава 5. Экспериментальное исследование тепломассообменных свойств водонасыщенной керамики с включением льда

В данной главе представлены описание экспериментальной установки, методика эксперимента и результаты измерения коэффициентов переноса ячейки бипористой среды, насыщенной дистиллированной водой. Обнаружено количественное расхождение величин, полученных в опыте и вычисленных из теории. Проанализированы и указаны наиболее вероятные причины этого.

В первом параграфе изложена методика проведения эксперимента.

Для изучения тепломассообменных свойств мерзлых пористых материалов вблизи температуры начала замерзания сконструирована экспериментальная установка, основной блок которой изображен на Рис. 13. В качестве объекта исследования выбрана модельная ячейка бипористой среды - цилиндр из пористой керамики с полостью (Рис. 13б). Пористая среда сбоку полости собрана из трех колец керамики, разделенных тонким слоем герметика. Тем самым предполагается, что весь поток массы через среднюю часть образца будет переноситься включением льда посредством режеляции.

Основные характеристики образца и элементов основного блока установки приведены в таблице 1.

Таблица 1

	Диаметр (внешний), мм	Высота, мм	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м?град)	Коэффициент гидропроводности, м2/(Па?с)
Полость (лед)	20,2	16,5	2,2	0
Керамика)	29,7	26,9	1,4	1,9?10-13
Обойма	32,2	26,9	0,35	0
Эталонный цилиндр	44,5	31,4	0,21	0

Подготовительный этап опыта включает следующие работы: вакуумирование образца и подводящих трубок, заполнение системы дегазированной водой, одностороннее замораживание керамического образца и последующая оттайка подводящих трубок (7) и емкостей (14) (Рис. 13), домораживание воды в полости. По времени подготовительный этап занимает от трех суток до недели.

Керамика служит фазовым барьером от проникновения льда в емкости (14) вплоть Ц0,05 C.

В эксперименте измеряются величины потоков тепла и массы через образец, вызванные разностью давлений жидкости в капиллярных трубках (7) или разностью температур латунных пластин (2). Для определения величины теплового потока служат эталонные цилиндры (3), а поток жидкости находится по движению мениска жидкости в калиброванных капиллярных трубках. Величина температуры измеряется в четырех точках 8 (Рис. 13а) при помощи разностных медь-константановых термопар.

Опорный спай термопары поддерживается при температуре 0 С, посредством его погружения в термос с дистиллированной водой и измельченным льдом. В свою очередь термос размещается в холодильнике с температурой воздуха незначительно выше 0 С.

При помощи термостата проведено определение абсолютной погрешности системы измерения, которая составляет не более 0,01 градуса. Погрешность в измерении разности температур дифференциальным методом - менее 0,004 градуса.

Для большинства измерений среднеквадратичное отклонение среднего значения температуры теплообменников не превышает 0,0005 градуса, латунных пластин - 0,005 градуса.

СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА

Страницы: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |

     Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по геологии-минералогии