Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время испарение отдельных навесок жидкостей (капель) широко применяется в охлаждении промышленных энергетических аппаратов, в микробиологии и медицине, а также в космических технологиях. В связи с авариями на атомных станциях существенно возрос интерес к исследованиям тепломассообмена при возникновении кризиса кипения. Кипение капель имеет множество принципиальных отличий от кипения больших объёмов жидкостей. При высокотемпературном кипении капель процесс тепломассообмена в капле и на её поверхности является существенно нестационарным, неизотермичным и трёхмерным. В этом случае нельзя пренебрегать краевыми эффектами - тепломассообменом на краях капли. Имеется ограниченное количество работ по влиянию физико-химических и геометрических свойств стенки на высокотемпературное испарение капель диаметром более 5 мм, а также при наличие пузырькового кипения. При этом экспериментальные данные характеризуются существенными количественными расхождениями. В технических аппаратах кризис кипения обычно сопровождается образованием неустойчивой плёнки пара и характеризуется переходным режимом. Из-за наличия возмущающих факторов (пульсаций скорости, давления, температуры) жидкость непрерывно касается высоко нагретой стенки и разбивается на множество капель разного диаметра. Представляет несомненный интерес исследование поведения капель в переходном режиме в широких диапазонах температур стенки, размеров капель, концентраций компонентов в растворах.
При стекании плёнок в десорберах часто имеет место потеря устойчивости плёнки и её распад на струи и капли. Большой научный и практический интерес представляет исследование тепломассообмена капель растворов на нагретой стенке, а также процесса десорбции в мини и микроканалах. Высокотемпературная десорбция водно-солевых растворов в миниканалах практически не изучена и может применяться в двух и трёх ступенчатых десорберах абсорбционных термотрансформаторов.
Огромные природные запасы газовых гидратов являются перспективным, альтернативным и экологически чистым источником энергии. При горении газовых гидратов на поверхности образца образуется тонкая плёнка воды и капли, влияющие на механизм выделения газа. Исследования диссоциации гидратов метана и явления «самоконсервации» (аномально низкие скорости распада) касаются задач по транспортировке и хранению сырья, а также задач по выявлению физических механизмов распада. Необходимы дополнительные экспериментальные исследования из-за недостатка данных по диссоциации газовых гидратов в широком диапазоне тепловых потоков и диаметров гранул.
Целью работы является экспериментальное исследование тепломассообмена при высокотемпературном и нестационарном испарении и десорбции капель в широком диапазоне размеров капель, температур стенки и концентраций компонентов в водных растворах.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработка методики измерения мгновенных скоростей десорбции капель и определение концентрации солей (LiBr, NaCl, CaCl2) для нестационарных процессов в диапазоне массовой концентраций соли 00.6.
2. Изучение тепломассообмена капель в диапазоне диаметров капель 320 мм, температур стенки 80250 С, в интервале толщин стенки 140 мм, в диапазоне класса шероховатости стенки 612, а также использование материалов с различной теплопроводностью. Исследование режимов кипения капли при неустойчивой контактной линии и быстрого изменения площади смачивающей поверхности капли.
3. Исследование кризиса кипения капель воды в диапазоне диаметров капель 320 мм. Исследование неизотермической десорбции водно-солевых растворов капель на нагретой стенке и в миниканалах при наличии кризиса кипения. Изучение различных режимов кипения раствора соли LiBr в миниканалах с диаметром от 2 до 10 мм с целью определения наиболее интенсивного режима десорбции.
4. Проведение экспериментального исследования капель водно-спиртовых смесей для определения перегрева стенки и концентрации компонентов смеси, при которых реализуется максимальный критический тепловой поток.
5. Исследование диссоциации гидратов метана и «самоконсервации» при отрицательных температурах в широком диапазоне тепловых потоков 651300 Вт/м2 и диаметров гранул 210 мм.
Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением с известными результатами и формулами теории тепломассообмена и теории кризиса кипения, соответствием с известными экспериментальными методами. Методические погрешности определены в соответствии с тепловым и энергетическим балансом и инструментальными погрешностями.
Научная значимость и новизна работы состоит в следующем:
1. Автором разработана экспериментальная методика определения мгновенных значений концентраций соли при нестационарной высокотемпературной десорбции капель.
2. Впервые проведено комплексное исследование по одновременному влиянию на процесс испарения и десорбции капель нескольких факторов: диаметра капли, толщины стенки канала и его шероховатости, теплопроводности материала.
3. Выявлены семь различных режимов десорбции в миниканалах и исследована эффективность их десорбции. Автором впервые показано, что эффективность эмульсионного режима в 10-15 раз выше других режимов.
4. Установлено, что для нестационарного кипения капель водно-спиртовых смесей, максимальный критический тепловой поток достигается при массовой концентрации этилового спирта около 2530 %. Ранее был исследован критический тепловой поток только для больших объёмов жидкостей и для стационарного режима кипения.
5. Автором впервые получены экспериментальные зависимости для скорости диссоциации газовых гидратов в широком диапазоне тепловых потоков и диаметров гранул.
Положения, выносимые на защиту:
1. Экспериментальная методика определения концентрации соли при нестационарной десорбции капель водных растворов солей.
2. Результаты экспериментальных исследований по испарению капель водных растворов спирта и по десорбции капель водных растворов солей.
3. Результаты экспериментального изучения переходного режима и кризиса кипения капель.
4. Результаты исследований по десорбции водного раствора соли LiBr в миниканалах разного диаметра.
5. Результаты экспериментальных исследований по изучению диссоциации гидратов метана и двойного гидрата с изопропанолом.
Практическая значимость и реализация результатов:
1. Показано, что кризис кипения капель на высоконагреваемых поверхностях приводит к многократному понижению коэффициента теплоотдачи (уменьшение в десятки раз). Установленные особенности и зависимости, по влиянию физико-химических и геометрических свойств стенки на теплообмен и испарение капель жидкости, позволят проводить более точное проектирование теплообменных аппаратов.
2. Применение капельного орошения поверхностей теплообменников с концентрацией спирта в растворе капли около 2530 % позволит существенно увеличить критический тепловой поток, а также интенсифицировать теплообмен на 1015 %.
3. Применение эмульсионного режима при высокотемпературной десорбции водных растворов солей позволит использовать более эффективные многоступенчатые десорберы в абсорбционных термотрансформаторах. Эффективность повысится на 1020 %. Реализация в мини каналах эмульсионного режима в 15 раз повышает скорость десорбции и противодействует нарастанию кристаллогидратного слоя на стенках каналов.
4. Экспериментальные результаты по диссоциации газовых гидратов показали, что эффективность хранения и транспортировки гидратов метана существенно повышается, если диаметры гранул имеют размер 8 мм и более.
Личный вклад. Автором лично разработана методика определения концентраций компонентов водных растворов солей, проведены комплексные исследования кипения и десорбции капель в широком диапазоне размеров навесок, температур стенки и концентраций компонентов бинарных растворов. Проведена модернизация экспериментальной установки. Использовались методики с применением гравиметрических, объёмных и тепловизионных методов, а также оптического профилометра. Концентрация соли измерялась как денсиметром, так и оптическим методом. Автором лично получены экспериментальные данные, произведена их обработка и анализ, а также подготовлены научные статьи.
Апробация работы. Содержание и основные результаты исследований докладывались и обсуждались на пяти конференциях, в том числе на 4-ой Всероссийской конференция с участием зарубежных учёных «Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения», Бийск, 5–10 июля, 2011 г, где автор выступал с пленарным докладом.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, состоящих из параграфов, заключения и списка литературы. Работа содержит 145 страниц текста, 3 схемы установки, 45 графиков и схематических рисунков, 36 рисунков с экспериментальными графиками, списка литературы из 164 наименований и списка литературы автора.
Публикации. Всего автором опубликовано 34 научные работы; по теме диссертации опубликовано 18 научных работ. По теме диссертации опубликовано 14 статей в рецензируемых журналах, входящих в перечень, рекомендованный ВАК. Общее количество статей перечня ВАК – 19.
