Модель процессов. Предельное состояние поверхности нагрева

Известия Национальной академии наук Республики Казахстан  
 
 
   
158  
 
 
Рисунок 2 – Зависимость тепловых потоков, вызывающих напряжения сжатия кварцевого пористого покрытия,  
в зависимости от времени действия τ для различной толщины отрывающихся частиц 

ч
: I – напряжении растяжения, 
достаточные для разрушения; I', I" – медь и нержавеющая сталь; 

пл
 
= 0,1×10
-3
 м; II – кривая оплавления поверхности. 
Кривые II', II" – для меди и стали почти совпадают с кривой I в области τ = (0,01...0,1) с 
 
 
 
Рисунок 3 – Зависимость тепловых потоков, вызывающих напряжения сжатия пористого гранитного покрытия  
в зависимости от времени действия для различной толщины отрывающихся частиц:  
I – напряжения растяжения, достаточные для разрушения (I', I" – медь и нержавеющая сталь, 

пл
 
= 0,1
10
-3
 м);  
II – кривая оплавления поверхности (II', II" – медь и нержавеющая сталь, 

пл
 
= 0,1
10
-3
 м) 
 
Рисунок 4 – Зависимость 
)
~
(

f
q

,  
представленная на рисунке 3,  
дана в диапазоне  
q = (0,25…0,75)10
7 
Вт/м
2
 
 
 
 

ISSN 2224-5278                                                                                 Серия геологии  и технических наук. № 6. 2016 
 
 
159 
Для  металлов  процесс  разрушения  кристаллов  состоит  из  стадии  зарождения  трещин  и  их 
развития  в  области  концентраторов  напряжений.  Высокие  внутренние  напряжения  могут  появ-
ляться  вследствие  неоднородного  протекания  пластической  деформации,  после  чего  наступает 
хрупкое  разрушение,  аналогичное  разрушению  хрупких  малотеплопроводных  капиллярно-
пористых покрытий.  
Механизм  разрушения  металлических  парогенерирующих  поверхностей  отличается  от 
механизма  разрушения  плохотеплопроводных  вязких  и  хрупких  капиллярно-пористых  покрытий. 
Несмотря на это, на основе решения уравнения нестационарной теплопроводности при граничных 
условиях  второго  рода  и  физической  модели  теплообмена  видна  аналогия  в  динамике  паровых 
пузырей  в  ячейках  структуры (10
-8
 … 10
-3
)  с  и  в  кинетике  термического  напряжения  хрупких 
пористых покрытий, в том числе в порядке величин тепловых нагрузок, поглощаемых одиночными 
паровыми  пузырями  и  кластерами  хрупких  естественных  минеральных  сред.  Далее  во  времени 
происходит  разрушение  (схлопывание)  паровых  пузырей,  достигших  отрывных  диаметров 2R
d
, 
и 
полное высыхание клиновидного слоя жидкости δ
0
 под пузырями и разрушение пористых покры-
тий  термическими  напряжениями  сжатия,  растяжения  и  сдвига  в  зависимости  от  величины  теп-
ловой нагрузки 
q
и времени ее подачи τ. 
Третья временная аналогия в  процессе теплопередачи  заключается  в  глубине  проникновения 
фронта  тепловой  волны  в  металлическую  парогенерирующую  поверхность 
h
  и  величине  отры-
вающихся частиц δ
ч
 при терморазрушении хрупких пористых покрытий (см. рисунок 1, позиция 5 
и рисунки 2–4). 
Описанные три аналогии процессов теплопередачи позволяют предсказывать и предотвращать 
возникновение кризиса кипения, предельного состояния (плавления) теплоотдающей поверхности 
и подбирать оптимальные хрупкие капиллярно-пористые покрытия для исключения их шелушения 
и плавления. 
Расчеты  произведены  для  удельных  тепловых  потоков,  напряжений  сжатия  и  растяжения  в 
зависимости от времени их подачи, толщины пластины (фракции), глубины проникновения темпе-
ратурных возмущений и теплофизических свойств упругой среды. 
Результаты  расчета  подтверждены  интегральными  измерениями  и  кинематографически  в 
работах [3-12]. 
Для  пористых  структур,  работающих  в  области  давлений (0,1…200) бар,  покрывающих  под-
ложку из меди и нержавеющей стали, величина перегрева жидкости Р > 0,5, время полного испа-
рения пленки жидкости τ<τ
к 
,
 
при котором фронт температурного возмущения, распространяясь в 
твердом  теле,  не  достигает  толщины  пластины,  т.е.  глубина  захолаживания  h  < 

пл
  ,  а  пластина 
является  полуограниченным  телом  (

пл
  →  ∞),  и  толщина  пластины 

пл
  не  входит  в  расчетные 
зависимости. Наличие пористой структуры способствует большей и более равномерной толщине δ 
пограничного  слоя,  меньшей  глубине  захолаживания  h  поверхности  нагрева  и  незначительной 
величине пульсаций температуры в стенке. 
Заключение.  Предельное  состояние  теплообменной  поверхности  с  пористым  покрытием 
исследовано с использованием уравнения теплопроводности для граничных условий второго рода. 
Результаты расчета тепловых потоков, отвечающих плавлению, сжатию и растяжению, позволили 
провести аналогию процессов теплопередачи в пограничном пористом слое, с соответствующими 
микропроцессами  динамики  паровой  фазы  (от  зарождения  до  гибели  парового  пузыря) (первая 
аналогия)  до  макропроцессов  разрушения  металлической  поверхности  теплообмена  и  пористого 
плохотеплопроводного  хрупкого  покрытия,  выполненного  из  естественных  минеральных  сред 
(кварц  и  гранит).  Тепловые  нагрузки  для  микропроцессов  одиночных  пузырей  и  макропроцессов 
разрушения  покрытий  могут  быть  одного  порядка  и  превышать  среднеинтегральные  величины  в 
(10÷100) раз (вторая аналогия). Также представлена третья аналогия в процессах теплопередачи, по 
глубине проникновения фронта тепловой волны в поверхность нагрева, толщине погранслоя и по 
величине  отрывающихся  частиц  при  терморазрушении  хрупких  пористых  покрытий,  что  предот-
вращает  кризис  кипения  и  возникновение  предельного  состояния  поверхности  и  оптимизирует 
подбор хрупких покрытий. 

Известия Национальной академии наук Республики Казахстан  
 
 
   
160  
Расчеты  произведены  для  удельных  тепловых  потоков,  напряжений  сжатия  и  растяжения  в 
зависимости  от  времени  их  подачи,  толщины  пластины  (фракции),  глубины  проникновения 
температурных возмущений и теплофизических свойств упругой среды.  
 
ЛИТЕРАТУРА 
 
[1]  Григорьев В.А. , Павлов Ю.М., Аметистов Е.В. Кипение криогенных жидкостей. –М.: Энергия, 1977. – 288 с. 
[2]  Купер  М.Г.,  Мерри  Д.М,  Испарение  микрослоя  при  пузырьковом  кипении // В  кн.:  Тепло-  и  массоперенос. – 
Минск: Наука и техника, 1972. – Т. 9, ч. 1. – С. 233-257. 
[3]  Поляев В.М., Генбач А.А. Скорость роста паровых пузырей в пористых структурах // Известия вузов. Машино-
строение. – 1990. – № 10. – С. 61-65. 
[4]  Генбач  А.А.,  Бурмистров  А.В.  Исследование  теплового  состояния  цилиндров  паровых  турбин // Промышлен-
ность Казахстана. – 2011. – № 2(65). – С. 91-93. 
[5]  Генбач А.А., Федоров В.Н., Шелгинский А.Я. Интенсивность теплообмена при кипении жидкости в капилляр-
но-пористых  структурах  в  поле  массовых  сил // Тепломассообменные  процессы  и  установки:  Сб.  трудов  МЭИ. – М., 
1980. – Вып. 448. – С. 27-32. 
[6]  Поляев  В.М.,  Генбач  А.А.  Плотность  центров  парообразования  и  выброс  капель  из  пористой  структуры // 
Известия вузов. Машиностроение. – 1990. – № 9. – С. 50-55. 
[7]  Поляев В.М., Генбач А.А. Отрывной диаметр и частота отрыва паровых пузырей в пористых структурах // Вест-
ник МГТУ. Сер. Машиностроение. – 1990. – № 1. – С. 69-72. 
[8]  Поляев В.М., Генбач А.А. Начальная область парообразования в пористых структурах, работающих с избытком 
жидкости // Известия вузов. Энергетика. – 1991. – № 2. – С. 84-87. 
[9]  Поляев  В.М.,  Генбач  А.А.  Механизм  процессов  парообразования  в  пористой  системе  охлаждения // Теория 
рабочих процессов в узлах и трактах энергетических установок: Сборник трудов МАИ. – М., 1991. – С. 81-90. 
[10]  Поляев В.М., Генбач А.А., Минашкин Д.В. Визуализация процессов в пористом эллиптическом теплообменнике 
// Известия вузов. Машиностроение. – М., 1991. – № 10–12. – С. 75-80. 
[11]  Поляев  В.М.,  Генбач  А.А.  Пористое  охлаждение  камер  сгорания  и  сверхзвуковых  сопел // Тяжелое  машино-
строение. – М., 1991. – № 7. – С. 8-10. 
[12]  Polyaev V., Genbach A. Heat Transfer in a Porous System in the Presence of Both Capillary and Gravity Forces // 
Thermal Engineering. – M., 1993. – Vol. 40, N 7. P. 551-554. 
[13]  Experimental and theoretical studies on subcooled flow boiling of pure liquids and multicomponent mixtures / M. 
Jamialahmadi, H. Muller-Steinbagen and et. // Intern. Journal of Heat and Mass Transfer. – 2008. – Vol. 51. – P. 2482-2493. 
[14]  Ose Y., Kunugi T. Numerical study on subcooled pool boiling // Progr. In Nucl. Sci. and Technology. – 2011. – Vol. 2. 
– P. 125-129. 
[15]  Pioro I.L., Rolsenow W., Doeffler S.S. Nucleate pool boiling heat transfer. II: assessment of prediction methods // 
Intern. Journal of Heat and Mass Transfer. – 2004. – Vol. 47. – P. 5045-5057. 
[16]  Xing H., Kennig D.B.R. Identification of bubble nucleation sites // Proc. Of 8
th
 National of Heat Transfer conf., 9-10 th 
Set. 2003, Oxford. 
 
REFERENCES  
  
[1]  Grigoriev V.A., Pavlov U.M., Amestitov E.V. Kipenie kriogennyh zhidkostey. M.: Energiya, 1977, 288 p. (in Russ.). 
[2]  Cuper M.G., Merry D.M. Ispareniye mikrosloya pri puzyrkovom cipenii. V kn.: Teplo-massoperenos. Minsk: Nauka I 
tekhnika, 1972, Vol. 9, part 1, pp. 233-257. (in Russ.). 
[3]  Polyaev V.M., Genbach A.A. Skorost rosta parovyh puzyrey v poristyh structurah. Isvestiya vuzov. Mashinostroyenie, 
1990, N 10, pp. 61-65. (in Russ.). 
[4]  Genbach A.A., Burmistrov A.V. Issledovaniye teplovogo sostoyaniya tcilindrov parovyh turbin. Promyshlennost 
Kazakhstana, 2011, N 2 (65), pp. 91-93. (in Russ.). 
[5]  Genbach A.A., Fedorov V.N., Shelginsky A.Y. The intensity of the boiling heat transfer fluid in the capillary-porous 
structure in the field of mass forces. Heat and mass exchange processes and plants: Proceedings of MPEI, Moscow, 1980, Issue 
448, pp. 27-32. (in Russ.). 
[6]  Polyaev V.M., Genbach A.A. The density of nucleation sites and the release of droplets from the porous structure. 
Proceedings of the universities. Mechanical Engineering, 1990, N 9, pp. 50-55. (in Russ.). 
[7]  Polyaev V.M., Genbach A.A. The density of nucleation sites and the release of droplets from the porous structure. 
Proceedings of the universities. Mechanical Engineering, 1990, N 9, pp. 50-55. (in Russ.). 
[8]  Polyaev V.M., Genbach A.A. The initial area of evaporation in porous structures, working with excess fluid. Procee-
dings of the universities. Energy, 1991, N 2, pp. 84-87. (in Russ.). 
[9]  Polyaev V.M., Genbach A.A. Mechanism prosessov paroobrazovaniya v poristyh sisteme okhlazhdeniya. Teoriya 
rabochih processov v uzlah i traktah energeticheskih ustanovok:Sbornik trudov MAI, M., 1991, pp. 81-90. (in Russ.). 
[10]  Polyaev V.M., Genbach A.A., Minashkin D.V. Processy v poristom ellipticheskom teploobmennike. Isvestiya vuzov. 
Mashinostroyenie, 1991, N 4-6, pp.73-77. (in Russ.). 
[11]  Polyaev V.M., Genbach A.A., Poristoye okhlazhdeniye camer sgoraniya i sverhzvukovyh sopel. Tyazholoe Mashino-
stroyenie, 1991, N 7, pp. 8-10. (in Russ.). 

ISSN 2224-5278                                                                                 Серия геологии  и технических наук. № 6. 2016 
 
 
161 
[12]  Polyaev V., Genbach A. Heat Transfer in a Porous System in the Presence of Both Capillary and Gravity Forces. M.: 
Thermal Engineering, 1993, Vol. 40, N 7, pр. 551-554. (in Eng.). 
[13]  Polyaev V., Genbach A. Experimental and theoretical studies on subcooled flow boiling of pure liquids and 
multicomponent mixtures / M. Jamialahmadi, H. Muller-Steinbagen and et., Intern. Journal of Heat and Mass Transfer, 2008, Vol. 
51, pp. 2482-2493. (in Eng.). 
[14]  Ose Y., Kunugi T. Numerical study on subcooled pool boiling. Progr. In Nucl.Sci. and Technology, 2011,  Vol.  2,                 
pp. 125-129. (in Eng.). 
[15]  Pioro I.L., Rolsenow W., Doeffler S.S. Nucleate pool boiling heat transfer. II: assessment of prediction methods, Intern. 
Journal of Heat and Mass Transfer, 2004, Vol. 47, pp. 5045-5057. (in Eng.). 
[16]  Xing H., Kennig D.B.R. Identification of bubble nucleation sites, Proc. Of 8
th
 National of Heat Transfer conf., 9-10 th 
Set. 2003, Oxford. (in Eng.). 
 
 
А. А. Генбач, Н. О. Джаманкулова 
 
Алматы энергетика жəне байланыс университеты, Алматы, Қазақстан 
  
ЖЕКЕ БУ КӨПІРШІКТЕРІ АСТЫНДАҒЫ  
КАПИЛЛЯРЛЫҚ-КЕУЕКТІК ҚҰРЫЛЫМНЫҢ ШЕКТІК КҮЙІ 
 
Аннотация. Əртүрлі шектік шарттар үшін тұрақсыз жылу өткізгіштік теңдеуін шешу негізінде жылу бе-
рілу  процесінің  үш  түрінің  баламасы  келтірілген:  капиллярлық-кеуектік  құрылымның  жəшігінде  өсетін  бу 
көпіршіктерінің динамикасы мен жылу берілудің микропроцестері (бірінші балама); жылуды нашар өткізетін 
кеуектік морт сынғыш жабыны бар жылуалмасу бетінің күйреуінің макропроцестері (екінші балама); металл 
бетінің жəне морт сынғыш жабынның шектік күйлері кезінде жылулық сығу кернеуі əсерінен үзіліп бөліне-
тін бөлшектердің үлкендігінен болатын бу өндіруші беттің салқындату тереңдігі (үшінші балама). Жылу ал-
масудың интегралдық жəне кинематографтық əдістермен тексерілген сипаттамалары келтірілген. Зерттеулер 
жылу  алмасу  дағдарысын  болдырмауға  жəне  дағдарыс  шектерін  кеңейтуге,  беттердің  шектік  күйін  тудыр-
мауға мүмкіндік береді, кеуектік морт сынғыш жабындарды таңдауды тиімдендіреді.  
Түйін сөздер: жеке бу көпіршігі; капиллярлық-кеуектік құрылым; артық сұйықтық; жылу алмасу дағда-
рысы. 
 
 
 
 

Известия Национальной академии наук Республики Казахстан  
 
 
   
162  
N E W S 
OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE REPUBLIC OF KAZAKHSTAN 
SERIES OF GEOLOGY AND TECHNICAL SCIENCES 
ISSN 2224-5278 
Volume 6, Number 420 (2016), 162 – 172
 
 
 
B. B. Teltayev, Y. D. Amirbayev  
 
 Kazakhstan Highway Research Institute, Almaty, Kazakhstan. 
E-mail: bagdatbt@yahoo.com, erik_neo@mail.ru 
 
EVALUATION OF RHEOLOGICAL CHARACTERISTICS  
FOR BITUMEN BINDERS AT DIFFERENT LONGIVITIES  
OF THERMAL CONDITION 
 
Abstract. This paper investigates rheological characteristics (complex shear modulus, phase angle, stiffness, 
relaxation rate) of pure bitumen and polymer bitumens with the use of dynamic shear rheometer (DSR) and bending 
beam rheometer (BBR). Pure bitumen of grade BND 100/130 was produced by Pavlodar Oil Chemical Plant, and 
polymer bitumens were prepared by adding of polymers Elvaloy 4170 (1.4% of bitumen mass), Butonal NS 198 
(3.0%) and Calprene 501 (4.0%) to pure bitumen in laboratory conditions. Before testing the binders were thermosta-
ted at testing temperatures for 10, 20, 30 and 40 hours. It was determined that at high temperatures (52, 58, 64°С) the 
additive of polymers increases essentially the complex shear modulus and decreases the phase angle of binders. In 
addition, polymer Calprene 501 showed maximum effect. For all testing temperatures the longevity of thermal condi-
tion does not practically affect on phase angle of bitumen binders. At negative temperatures (-24, -30, -36°С) the 
stiffness of binders is increased with temperature reduction and longevity of thermal conditions increase. Addition of 
polymer reduces essentially the stiffness of binders with longevity of thermal conditions up to 10 hours, and effect of 
modification with polymer disappears during longer-lasting thermal condition. The effect of modification of binders 
with polymer cannot be also found in relaxation rate at all testing temperatures and longevities of thermal condition.  
Key words: bitumen, polymers, thermal condition, dynamic shear rheometer, bending beam rheometer, comp-
lex shear modulus, phase angle, stiffness, relaxation rate. 
 
 
УДК 625.7/.8:691.163 
 
Б. Б. Телтаев, Е. Д. Амирбаев 
 
Казахстанский дорожный научно-исследовательский институт, Алматы, Казахстан 
 
ОЦЕНКА РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК  
БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ ПРИ РАЗНЫХ ДЛИТЕЛЬНОСТЯХ 
ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ 
 
Аннотация. В работе с применением динамического сдвигового реометра (DSR) и реометра с изгибае-
мой балкой (BBR) исследованы реологические характеристики (комплексный модуль сдвига, фазовый угол, 
жесткость, скорость релаксации) чистого битума и полимербитумов. Чистый битум марки БНД 100/130 про-
изведен Павлодарским нефтехимическим заводом, а полимербитумы приготовлены путем добавления в чис-
тый битум полимеров Elvaloy 4170 (1,4 % по массе битума), Butonal NS 198 (3,0 %) и Calprene 501 (4,0 %) в 
лабораторных условиях. Вяжущие перед испытанием термостатированы при температурах испытания 10, 20, 
30 и 40 часов. Установлено, что при высоких температурах (52, 58, 64 °С) добавка полимеров существенно 
повышает комплексный модуль сдвига и уменьшает фазовый угол вяжущих. При этом наибольший эффект 
показал полимер Calprene 501. При всех температурах испытания длительность термостатирования практи-
чески не оказывает влияние на фазовый угол битумных вяжущих. При отрицательных температурах (-24, -30, 
-36 °С) с понижением температуры и увеличением продолжительности термостатирования жесткость вяжущих 

ISSN 2224-5278                                                                                 Серия геологии  и технических наук. № 6. 2016 
 
 
163 
повышается. Добавка полимера существенно уменьшает жесткость вяжущих при продолжительности термо-
статирования  до 10 часов,  а  при  более  продолжительном  термостатировании  эффект  модификации  поли-
мером исчезает. Эффект модификации вяжущих полимером также не обнаружен в скорости релаксации при 
всех температурах испытания и продолжительностях термостатирования.  
Ключевые слова: битум, полимеры, термостатирование, динамический сдвиговый реометр, реометр с 
изгибаемой балкой, комплексный модуль сдвига, фазовый угол, жесткость, скорость релаксации. 
 
Введение.  Общеизвестно,  что  основными  видами  разрушения  асфальтобетонного  покрытия 
автомобильных дорог являются колея, усталостные и низкотемпературные трещины.  
Колея на поверхности асфальтобетонного покрытия автомобильной дороги (рисунок 1) может 
образовываться  вследствие  недостаточной  сдвигоустойчивости  самих  асфальтобетонных  слоев 
дорожной одежды под действием многократных повторных нагрузок от тяжелых автомобилей при 
высоких  положительных  температурах.  Поэтому  в  настоящее  время  технические  требования 
предъявляются  не  только  самим  асфальтобетонам,  но  и  их  компонентам,  прежде  всего,  битумам, 
механические свойства которых сильно зависят от температуры и длительности действия нагруз-  
ки [1].  
 
 
 
Рисунок 1 – Колея на асфальтобетонном покрытии автомобильной дороги 
 
Температурные трещины на асфальтобетонном покрытии автомобильных дорог на территории 
Казахстана встречаются повсеместно. Частое их появление отмечено особенно в северных регио-
нах республики, то есть там, где имеют место существенные низкие температуры. В качестве при-
мера температурная трещина на асфальтобетонном покрытии показана на рисунке 2. 
 
 
 
Рисунок 2 – Температурная трещина на асфальтобетонном покрытии автомобильной дороги 
 
Считается,  что  низкотемпературная  устойчивость  асфальтобетона  определяется,  главным 
образом,  свойствами  битума  в  нем  и  при  правильном  выборе  вяжущего  можно  существенно 
уменьшить количество температурных трещин.  

жүктеу/скачать 14,97 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: