Гидродинамика, теплообмен и электрогидравлические явления при движении двухфазных сред в трубах Кусаиынов, Каппас

Введение к работе

Актуальность темы

Важнейшими проблемами современного научно-технического прогресс являются рациональное и эффективное использование топливно-энергетически-ресурсов, создание и совершенствование новых технологий теплообменных устройств.

В технологических устройствах химической, нефтяной и газовоіі промышленности в качестве теплоносите я используется техническая вода, которая в реальности содержит различные твердые примеси, а также насыщена пузырьками газа и воздуха. Использование таких двухфазных сред в технических устройствах основано на их необычных свойствах, связанных с эффектами различных межфазных взаимодействий, позволяющих регулировать и интенсифицировать процессы переноса. В связи с этим исследование теплообмена и гидродинамики двухфазных газожидкостных теплоносителей представляет чрезвычайно актуальную для инженерной практики проблему.

Наиболее принципиальной трудностью исследования двухфазных течегшй является то, что движение газожидкостной среды на практике всегда турбулентное. Входящие в уравнения коэффициенты, характеризующие интенсивность переноса (вязкость, диффузия, теплообмен), в турбулентном состоянии не являются физическими постоянными, а представляют.собой сложные функции от параметров потока. Поэтому теоретические расчеты, предполагающие детальное изучение движения какой-либо отдельной фазы, трудно довести до сравнения с экспериментом. Необходим подход, основанный на целостном рассмотрении всего явления.

Наличие твердых примесей в реальных двухфазных теплоносителях в процессе длительной эксплуатации резко ухудшает рабочие характеристики теплообменников, внутренние поверхности которых с течением времени

покрываются твердыми отложениями типа накипь, ржавчина, песок и др.

Современные технические разработки позволяют решать одновременно две проблемы: очистку теплообменных поверхностей от твердых отложений и интенсификацию теплоотдачи с помощью элсктрогидравлического воздействия, как наиболее эффективного и экологически чистого метода. Из всего сложного комплекса явлений, сопровождающих электрический разряд в воде, в технологии используется трансформация электрической энергии в энергию ударных волн. Отличительной чертой этого процесса является то, что преобразование энергий совершается без промежуточных звеньев.

Среди широкого круга проблем можно выделить исследование специфики электрогидравлического эффекта в газожидкостной среде, которому в последнее время уделяется большое внимание. Это связано с тем, что мощный электровзрыв сопровождается фазовыми превращениями в среде. К тому же нужно учесть, что на практике промышленная вода всегда содержит пузырьки воздуха. Опыт показывает, что даже незначительное содержание пузырьков, практически не меняющее плотность среды, приводит к сильному изменению ее сжимаемости, следовательно, всей динамики электровзрыва, представляющего практический интерес.

Преимуществом электрогидравлического эффекта является то, что он позволяет интенсифицировать теплообмен посредством удаления твердых отложений от поверхностей периодически в нужное время. Однако к настоящему времени еще не внедрены в практику эффективные технологии, позволяющие комплексно решать указанные проблемы, не установлены основные физические закономерности, учитывающие влияние многофазности рабочих сред. Поэтому интенсификация теплообмена газожидкостных сред и очистка теплообменных поверхностей от твердых отложений являются актуальной проблемой современной техники и предполагают исследование физических основ сопутствующих явлений и разработку технологических установок и методов их эксплуатации.

5 Целью работы является научно обоснованное решение важной технической проблемы интенсификации работы теплообменников на основе исследования гидродинамики, тешюобчена и электрогидравлических явлений при движении газожидкостной среды в трубах, внедрение которой вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса и предполагает следующие задачи исследования:

экспериментальное изучение гидродинамики и теплообмена газожидкостных течений по цилиндрическим трубам;

теоретическое описание гидродішамики двухфазных (газожидкостных) течений в трубах с применением физических моделей структурности среды;

создание установки для получения электрогидравлического эффекта и использования его для очистки тр}б от твердых отложений;

разработку теоретических моделей для описания эволюции нелинейных физических явлений, сопровождающих высоковольтный электрический разряд в пузырьковых жидкостях, и динамики среды;

экспериментальные исследования влияния электрогидравлического эффекта на повышение эффективности теплообменников; . .

т создание комплексной электрогидравлической аппаратуры для очистки рабочих поверхностей промышленных теплообменников от твердых, отложений и интенсификации процесса теплообмена, внедрение результатов исследований, технических разработок в производство.

Научная новизна

1. Экспериментально установлены закономерности гидродинамики и теплообмена газожидкостных сред в цилиндрических трубах, в том числе определено, что незначительное газосодержание (ф~0,2) увеличивает коэффициент гидравлического сопротивления в несколько раз, а интенсивность теплообмена -до 20%.

2. Построены физические модели усредненного и локального пространственного масштабов фрактальных структур, описывающие экспериментальные

окомерности пузырькового и снарядного режимов течения газожидкостного

иока.

3.Теоретически определены закономерности динамических характеристик двухфазного потока в зависимости от степени газосодержания через показатель ;кейлинга фрактальных моделей: зависимость напряжения трения, обусловленного твердой поверхностью трубы, и коэффициента гидравлического сопротивления двухфазной среды от скорости несущей фазы; обобщающие экспериментальные данные настоящей работы и результаты других исследователей, полученные в широком интервале изменения числа Рейнольдса ~10³ -НО⁶.

1. Получены выражения, определяющие зависимость степени свободы фрактальных структур и показателя политропы от степени газосодержания двухфазной среды и позволяющие рассчитать динамические характеристики элсктровзрыва в трубах.

2. Создана экспериментальная установка для очистки поверхностей промышленных теплообменников от твердых отложений и интенсификации процесса теплообмена на основе электрогидравлического эффекта с разработкой новых эффективных модулей разрядного устройства.

3. Теоретически описан экспериментально определенный нелинейный закон мощности выделяемой энергии при электрическом разряде в жидкости, учитывающий изменение свойств рабочей среды.

4. Экспериментально доказано, что электрические воздействия повышают интенсивность конвективного теплообмена поверхностей до 30% вследствие турбулизации среды. Установлены области оптимальных значений параметров электрогидравлической установки, частоты подаваемых импульсов, обеспечивающие максимальную интенсификацию теплообмена.

5. Экспериментально установлено существование оптимальных значений степени газосодержания, энергии электрического разряда (в зависимости от прочности материала труб), количества подаваемых импульсов, обеспечивающих максимальну га эффективность очистки теплообменников от отложений и

7 максимальную интенсификацию теплообмена. Достоверности результатов работы

Достоверность полученных экспериментальных результатов подтверждена сравнением их с ранее определенными другими исследователями значениями динамических характеристик газожидкостного потока, коэффициснтамн теплоотдачи в соответствующей области изменения параметров и проведенными оценками погрешности измерений.

Результаты.теоретических исследований динамики двухфазной среды подтверждены сопоставлением числеь шх реализаций с собственными экспериментами и экспериментальными данными других авторов.

Теоретические закономерности влияния двухфазности на эволюцию канала разряда, давления на фронте ударной волны, образуемой при электрическом взрыве в воде, проверены сопоставлением их с известными экспериментами других исследователей и собственными опытами на разработанной лабораторной установке.

Технические разработки узлов электрогидравлической установки, подтвержденные рядом патентов и авторских свидетельств, проверены многократными испытаниями в Лаборатории гидродинамики и теплообмена КарГУ им.Е.А.Букетова и на промышленных предприятиях, результаты испытаний подкреплены актами внедрения, заключением ЩЛ (приведены в приложении).

Практическая ценность работы состоит в расширении теоретических представлений о движении пузырьковой жидкости, применении идей нелинейной физики к описанию свойств двухфазной рабочей среды и динамических характеристик высоковольтного электрического разряда в воде для управления процессом теплообмена и очистки поверхностей, использовании результатов работы в инженерных расчетах параметров двухфазных течений по цилиндрическим трубам.

К прикладным результатам работы можно отнести следующие:

1. Разработаны экспериментальная установка и методика измерений для исследования гидродинамики и теплообмена газожидкостных потоков но

цилиндрическим трубам.

2. Создана и внедрена в производство электропщравлическая установка для интенсификации теплообмена и очистки теплообменных поверхностей от твердых отложений в промышленных условиях, позволяющая интенсифицировать технологические процессы тепломассообмена.

3. Разработана конструкция коммутирующего устройства, обеспечивающая плавное регулирование характеристик разряда и получение необходимой частоты следования импульсов тока, выдерживающая быструю коммутацию необходимой энергии при длительной непрерывной очистке и интенсификации работы теплообменников.

4. Предложен способ управления электрогидравлическим эффектом варьированием степени газосодержания рабочей среды с целью повышения технико-экономических показателей очистки поверхностей промышленных теплообменников от твердых отложений.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментального исследования влияния двухфазности потока на гидродинамику и теплообмен цилиндрических труб, объяснение их с точки зрения теорий турбулентности и фракталов.

2. Теоретические модели и численные расчеты распределения скорости, трения и гидродинамического сопротивления для различных режимов течения и степени газосодержания потока в трубах.

3. Теоретические модели термодинамического описания турбулентного движения газожидшетного потока при наличии мощного энерговыделения в рабочей среде.

4. Постановка и результаты нелинейной теории:

мощности, выделяемой при высоковольтном электрическом разряде; "

динамики расширения канала разряда;

неоднозначной эволюции давления электрогидравлического эффекта с учетом наличия газосодержания.

5. Технические идеи, конструкции их реализации по созданию электрогидрав
лической установки для получения электровзрыва в технической воде и газожвд-
костных средау. при движении по цилиндрическим трубам;

6. Комплекс технико-экономических разработок по работе с системой
аппаратуры для очистки труб промышленных теплообменников от твердых
отложений и интенсификации теплообменных устройств с применением
электрогидравлического эффекта.

Апробация работы Основные положения диссертации доложены и обсуждены: на VI Всесоюзной конференции по теплообмену и гидравличсско.\гу сопротивлению при двгокешш двухфазного потока в элементах энергетических машин и аппаратов (г.Ленинград, 1978г.); городском межвузовском семинаре по теплофизике (г.Караганда, 1980г.); региональной конференции молодых ученых и специалистов (г.Караганда, 1988г.); I, III, IV Всесоюзных школах-семинарах "Физика импульсных разрядов в конденсированных средах" (г.Николаев, 1985,1987,1989гг. - ДСП); научно-практической конференции "Состояние и перспективы создания и использования средств контроля измерении и АСУ ТП на предприятиях РК", АО "Казчерметавтоматика" (г.Караганда 1996г.); Международной научной конференции "Математическое моделирование в естественных науках" (г.Алматы, 1997г.); Международной конференции КПТУ "Научно-технический прогресс - основа развития рыночной экономики" (^Караганда 1997г.); Симпозиуме "Проблемы прикладной аэродинамики тепломассообмена и горения" (г.Алматы, 1997г.), Международной научной конференции "Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперимент" (г.Караганда, 1997г.); Казахстанско-Российской научно-практической конференции "Математическое моделирование научно-технологических и экологических проблем в нефтеперерабатывающей промышленности" (г.Алматы, 1997г.); Международном семинаре по устойчивости течении гомогенных и гетерогенных жидкостей (г.Новосибирск, 1998г.); V семинаре "Акустика неоднородных сред" (г.Новосибирск, 1998г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 45 печатных работ, имеются 3 патента РК, патент США и 5 авторских свидетельств. Структура и объем диссертации

Текст диссертации объемом 283 страницы включает введение, 5 разделов и заключение. К тексту прилагаются список использованной литературы из 157 наименований, 64 рисунков и 22 приложения.