Введение к работе
Актуальность темы
Прикладное значение математической теории «теплового взрыва» чрезвычайно велико для безопасной эксплуатации теплотехнологического оборудования, проектирования реакторов, механики полимеров и многих других задач. Основы этой теории были заложены в трудах Н.Н.Семенова, Д.А. Франк-Каменецкого, Я.Б. Зельдовича, Г.И. Баренблатта, О. М. Тодеса, П. В. Мелентьева и др. В работах этих авторов исследовалась, в основном, стационарная модель теплового взрыва в заданном сосуде. Вместе с тем Бостанджияном С.А., Мержановым А.Г., Худяевым С.И. установлено, что явление аналогичное тепловому взрыву, может иметь место и при движении химически инертной вязкой жидкости. Особенно актуально решение проблемы возникновения теплового взрыва для промышленных предприятий, в технологических процессах которых в качестве рабочих сред используются реологически сложные жидкости. К ним можно отнести предприятия химического и нефтехимического производства. Объясняется это тем, что в силу специфики рассматриваемых производств в ходе технологического процесса происходит выделение большого количества теплоты. Если своевременно не произвести ее отвод, возможно возникновение резкого саморазогрева реагирующей массы, что приводит либо к авариям техногенного характера, либо к снижению качества конечного продукта.
Учитывая современную динамику роста единичных мощностей и перехода от технологических схем периодического действия получения полимеров на непрерывные, довольно остро встают вопросы, связанные с поддержанием безаварийных режимов работы технологического оборудования и благоприятной экологической обстановки вокруг действующего производства. Весьма часто, при переходе на непрерывные технологические схемы используются теплообменные аппараты и реакторы проточного типа, рабочие поверхности которых представляют собой цилиндрические каналы различного поперечного сечения.
Опыт эксплуатации показал, что в ряде случаев режимы работы рассматриваемых аппаратов таковы, что линейный размер начального теплового участка, на котором происходит формирование профиля температуры, сопоставим, а иногда и превышает длину рабочего канала.
Несмотря на это, в научно-технической литературе мало или недостаточно полно уделено внимание изучению явления «теплового взрыва» на начальном тепловом участке теплотехнологического оборудования, в частности в условиях изменения интенсивности теплообмена с окружающей средой. Необходимо отметить, что особую сложность при теоретическом исследовании происходящих тепловых, гидродинамических и химических процессов вызывает сложное реологическое поведение рабочей среды и наличие внутренних источников тепловыделения.
Таким образом, актуальными являются вопросы исследования условий возникновения интенсивного роста температуры реакционноспособной среды, приводящие к нарушениям штатных режимов работы теплотехнологического оборудования непрерывного действия с рабочими каналами круглого поперечного сечения.
Целью работы является моделирование и исследование условий возникновения критических режимов стационарного тепло- и массопереноса при ламинарном движении нелинейно-вязких сред в каналах круглого поперечного сечения.
При этом решались следующие задачи:
разработка методики определения границ безопасных тепловых режимов работы при ламинарном движении нелинейно-вязких сред в каналах тепломассообменного оборудования;
разработка математических моделей стационарного теплопереноса при ламинарном движении нелинейно-вязких сред на начальном тепловом участке трубы и тепломассопереноса в трубчатом проточном гомофазном полимеризационном реакторе при температурных граничных условиях третьего рода;
численные исследования условий возникновения критических тепловых режимов при ламинарном движении нелинейно-вязких сред на начальном тепловом участке трубы и в трубчатом проточном гомофазном полимеризационном реакторе при различных законах изменения интенсивности теплообмена с окружающей средой;
исследование влияния типа жидкости из класса нелинейно-вязких сред на условия возникновения критических режимов теплопереноса в трубах теплообменного оборудования на начальном тепловом участке.
Научная новизна выполненных исследований:
разработана методика определения границ безопасных тепловых режимов работы при ламинарном движении нелинейно-вязких сред в каналах тепломассообменного оборудования;
разработаны математические модели стационарного теплопереноса при ламинарном движении нелинейно-вязких сред на начальном тепловом участке трубы и тепломассопереноса в трубчатом проточном гомофазном полимеризационном реакторе при температурных граничных условиях третьего рода;
определены закономерности возникновения критических тепловых режимов при линейном и гармоническом законе изменения интенсивности теплообмена с окружающей средой и определены диапазоны изменения управляющих параметров, соответствующих безопасным режимам стационарного тепло- и массопереноса при ламинарном движении нелинейно-вязких сред на начальном тепловом участке;
установлен характер влияния типа жидкости из класса нелинейно-вязких сред на условия возникновения критических тепловых режимов в исследуемых каналах на начальном тепловом участке.
Практическая ценность
Разработанные методика и математические модели позволяют определять на практике границы изменения управляющих параметров, соответствующих безопасным тепловым режимам и могут быть использованы при создании автоматизированных средств регулирования технологического процесса и предотвращения аварийных ситуаций при эксплуатации тепломассообменного оборудования с рабочими средами, проявляющими нелинейно-вязкие свойства.
Автор защищает:
методику расчета границ безопасных тепловых режимов работы тепломассообменного оборудования при ламинарном движении нелинейно-вязких сред;
математическую модель стационарного теплопереноса при ламинарном движении нелинейно-вязких сред на начальном тепловом участке трубы;
математическую модель стационарного тепломассопереноса в трубчатом проточном гомофазном полимеризационном реакторе;
закономерности возникновения критических режимов стационарного тепло- и массопереноса и диапазоны изменения управляющих параметров, соответствующих безопасным режимам стационарного тепло- и массопереноса при ламинарном движении нелинейно-вязких сред на начальном тепловом участке.
Личное участие. Основные результаты получены лично автором под руководством член-корр. РАН, д.т.н., профессора Назмеева Ю.Г.
Реализация работы.
Работа выполнена в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 годы» (государственный контракт с ФАНИ № 02.434.11.5009), ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (госконтракт c ФАНИ №02.516.11.6025), программы Президиума РАН П-09 «Исследование вещества в экстремальных условиях», гранта РФФИ № 05-08-50043-а и при поддержке Фонда содействия отечественной науке.
Апробация работы. Основные положения работы доложены на следующих конференциях и симпозиумах:
Итоговые научные конференции за 2005, 2006, 2007 гг. Казанского научного центра Российской академии наук. Казань;
XXVI Российская школа по проблемам науки и технологий. Миасс, 2006;
V Школа-семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении». Казань, 2006;
Национальная конференция по теплоэнергетике НКТЭ-2006. Казань, 2006;
Ежегодные научные аспирантские семинары Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН. Казань, 2005-2008;
VII Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям. Красноярск, 2006;
XXI Всероссийский семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям. Новосибирск, 2007;
XV Международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения». Казань, 2007;
XX Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция. Казань, 2008.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ.
Объём работы. Диссертационная работа изложена на 153 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения. Работа содержит 75 рисунков и 2 таблицы. Список использованной литературы содержит 130 наименований.
