Разработка методов и электронных средств для теплофизических исследований двухфазных потоков Назаров, Александр Дмитриевич

Введение к работе

Актуальность работы

Широкое использование в промышленности теплообменников, конденсаторов, абсорберов, испарителей и непрерывное совершенствование этих аппаратов требует изучения параметров пленки при течении по поверхности теплообменника и, следовательно, разработки новых и совершенствования известных методов исследования пленочного течения и других видов неоднородных потоков.

В настоящее время существенно повысился интерес к использованию аэрозоля в аппаратах, использующих процессы тепломассопереноса. Объясняется это повышенной эффективностью теплообмена при использовании спутного потока газа и частиц жидкости (капель). Взаимодействие капель жидкости и газа приводит к дроблению одних и коалесценции других частиц жидкости, турбулентности газового потока. В потоке наблюдаются изменение концентрации жидкостной фазы по сечению и по пути пролета, шнурование мелкодисперсных частиц (концентрация мелких капель по оси потока) и, напротив, распределение крупных частиц. При этом в аэрозольном потоке присутствует межфазное взаимодействие жидких капель и спутного газа. Каждый из перечисленных процессов влияет на тепломассообмен с нагретым телом. Для понимания этих процессов необходимо подробное исследование всех параметров потока.

При диагностировании неоднородных закрытых потоков (течение внутри канала) существует задача количественного измерения концентрации компонент. В промышленности с такими измерениями сталкиваются при контроле качества подачи топлива, передаче нефтепродуктов по трубопроводам на большие расстояния, когда в нефть для снижения энергетических затрат на транспортировку добавляют воду и т.д.

Разнообразие неоднородных потоков, различные условия течения и особенности их экспериментального исследования требуют разработки новых методов измерений и специализированных приборов, объединенных в многоканальную автоматизированную систему сбора данных, способную функционировать продолжительное время внутри экспериментальных установок, в промышленных колоннах с криогенными температурами и в агрессивной среде.

Настоящая работа посвящена опыту создания информационно-измерительных систем и оснащения ими теплофизических экспериментов, в которых исследуются параметры двухфазных потоков (пленочные, газокапельные (аэрозоль), струйно-капельные, многокомпонентные). Приведены результаты экспериментальных измерений и примеры обработки первичных данных.

Целью работы является создание новых методов и на их основе информационно-измерительных систем диагностирования и получение новых экспериментальных данных пленочных, газокапельных, струйно-капельных

потоков, исследование теплообмена между непрерывным и импульсным газокапельным потоком и нагретым телом, регистрация концентрации компоненты в макросистеме (поток смеси в трубопроводе) и в капле смеси.

Основные задачи

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Создана минизовдовая аппаратура и методика её применения на основе емкостного метода для исследования тонких структур пленочных потоков жидкости, в том числе криогенных, текущих в адиабатических и не адиабатических условиях по поверхности с локальным нагревателем, по внутренним стенкам канала разного профиля и размера (и миниканалов). В том числе для сверхзвуковых сопел при истечении в атмосферу и в вакуум.

2. Разработаны экспериментальный стенд и аппаратура, выполнен комплекс исследований по изучению теплообмена при взаимодействии газокапельного потока с теплообменником.

3. Разработана методика регистрации концентрации компоненты в капле бинарной смеси чистой жидкости.

4. Разработаны аппаратно-программный комплекс и методика измерения параметров гравитационных струйно-капельных потоков, вытекающих из структурных насадок массообменных аппаратов.

5. Разработан метод регистрации компоненты смеси с большим значением диэлектрической проницаемости относительно остальных компонент. Разработана аппаратура поточного влагомера водонефтяной смеси.

Научная новизна исследований.

Создан новый многоканальный измеритель малых величин емкости (доли наноФарад) и разработана методика его применения для регистрации быстрых волновых процессов в тонкой пленке криогенной жидкости.

Впервые данным измерительным комплексом получены экспериментальные данные о параметрах течения криогенной жидкости (азота) по вертикальной пластине с интенсивным испарением в области локального нагрева в диапазоне чисел Рейнольдса Re = 25 - 250 при высоких плотностях теплового потока. По данным измерений впервые установлено явление роста относительной амплитуды волн на поверхности пленки в области локального нагрева;

Впервые емкостным измерителем проведено измерение локальной толщины пленки жидкого азота, текущей внутри прямоугольного миниканала (2.6x7.1 мм²) в интервале чисел Рейнольдса от 200 до 2000. Показано, что увеличение расхода приводит к более равномерному распределению жидкости по сечению канала.

Проведено экспериментальное исследование формирования плёнок жидкости в вертикальном цилиндрическом канале (0100 мм) из пристенных газокапельных струй при вариации скорости спутного потока газа (Re = 0-К2.6-10⁵). С помощью измерителя показано, что толщина образующейся пленки

жидкости существенно зависит от скорости спутного потока и с увеличением скорости спутного потока за счет усиления межфазного взаимодействия пленка утончается. В условиях данных экспериментов наблюдается более ранний по сравнению с чисто гравитационным стеканием переход к волновому режиму течения.

Впервые получены данные о скорости распространения и локальной толщине пленки жидкости на выходе сопла со спутным высокоскоростным газовым потоком (до 600 м/с) в вакууме.

Получены данные о развитии амплитуды волн на вершине и впадине регулярной структуры, возникающей в неизотермической пленке жидкости, стекающей по вертикальной пластине с числом Рейнольдса пленки Re = 20 - 40. Впервые экспериментально подтверждено теоретическое предположение о росте относительной амплитуды волн на поверхности пленки во впадине между ручьями; на вершине ручейка относительная амплитуда волн уменьшается.

Разработана методика измерения и применен емкостный метод для регистрации концентрации компоненты в капле бинарной смеси чистых жидкостей. Проведено исследование динамики изменения концентрации компоненты в капле бинарной смеси воды с этиловым, метиловым спиртами и ацетоном в потоке воздуха.

Создана система, позволяющая подробно сканировать сечение под насадкой массообменного аппарата большого диаметра для подробного измерения распределения расхода жидкости на выходе из насадки. Основой системы является разработанный мало напорный расходомер струйно-капельных потоков для расходов до 6.5 см³/с.

Экспериментально показано, что при орошении плоского теплообменника импульсным газокапельным потоком, использование коротких во времени капельных импульсов, движущихся в постоянном спутном потоке газа, более эффективно по сравнению с расходами орошения с продолжительными во времени капельными областями. При этом сама величина максимума при вариации длительности импульса остается практически неизменной.

Для предприятий, связанных с добычей и транспортировкой нефти разработан поточный влагомер нефти, с возможностью тарировки в полевых условиях по двум точкам: «сухой» нефти и пластовой воде.

Достоверность

Достоверность результатов достигалась:

6. Выбором методов измерения, проверенные многими экспериментаторами для исследования двухфазных потоков.

7. Калибровкой, созданной измерительной аппаратуры, по эталонным объектам с известными параметрами.

8. Сравнением собственных опытных данных с известными данными, которые были получены в сопоставимых условиях.

9. Проверкой полученных данных на воспроизводимость.

Научная и практическая значимость работы

Результаты диссертационной работы использованы при разработке и создании образцов приборов для дистанционного контроля над процессами, протекающими в неоднородных потоках.

Полученные данные по локальной толщине пленки жидкости на пластине с нагревателем, на внутренней поверхности каналов (в том числе миниканале) для воды и криогенной жидкостей дополнили существующие экспериментальные данные о процессах, протекающих в данных течениях.

Данные по локальным характеристикам (толщине и скорости) пристенной пленки жидкости при истечении со спутным газовым потоком из сверхзвукового сопла в вакуум помогли понять причину внешнего загрязнения космических аппаратов от работы двигателей ориентации и систем дозаправки, что позволило в дальнейшем предложить способы радикального уменьшения загрязнения.

Данные развития пленки жидкости, образованной из пристенных газокапельных струй, по длине цилиндрического канала дополняют теоретические модели, описывающие динамику течения пристенных газокапельных потоков и параметр эффективности тепловой защиты поверхностей пристенными газокапельными струями.

Результаты, полученные на аэрозольном стенде, позволили изучить процессы, влияющие на теплообмен импульсного газокапельного потока и теплообменника и создать малогабаритные и эффективные охлаждающие устройства для электронной промышленности, энергетики, в аэрокосмической отрасли.

Измеритель концентрации компоненты в смеси жидкости нашел применение в нефтяной отрасли для измерения количественного содержания влаги в поднимаемой из скважины нефтесодержащей смеси. Измеритель влажности водонефтяной смеси включен в список российских приборов регистрации расхода нефти у скважины (прибор имеет патент на полезную модель за №85227).

Предложенный метод регистрации динамики изменения концентрации компоненты при испарении капли бинарной жидкости, полученные результаты позволили усовершенствовать математическую модель испарения многокомпонентных жидких смесей топлива (в том числе компонент ракетных топлив и других токсичных веществ).

Использование малонапорного расходомера и автоматизированного аппаратно-программного комплекса для исследования параметров течения жидкости ректификационной колонны позволили получить систематические данные по распределению жидкости по сечению насадки в различных режимах работы.

На защиту выносятся:

1. Многоканальная широкополосная аппаратура на основе емкостного метода для регистрации параметров неоднородных потоков жидкости и разработанная методика его применения.

2. Метод и результаты измерения волновых параметров криогенной пленки жидкости, пленки воды, распространяющейся по поверхности с нагревателем и без него; результаты исследования регулярной структуры, возникающей в неизотермической пленке жидкости, стекающей по вертикальной пластине.

3. Метод и результаты исследования локальной толщины пленочного потока жидкости на внутренней поверхности канала круглого сечения, осажденного из пристенной газокапельной струи; метод измерения локальной толщины пленки криогенной жидкости на внутренней поверхности прямоугольного миниканала; характеристики пристенной пленки жидкости на выходе сопла со спутным высокоскоростным потоком газа в вакууме.

4. Метод и результаты регистрации динамики изменения концентрации компоненты в капле смеси чистых жидкостей при испарении в потоке воздуха.

5. Аппаратура, использующая эффект разного поглощения с.в.ч. электромагнитного излучения водой и нефтью для регистратора влажности в потоке во до нефтяной смеси текущей в закрытом канале.

6. Результаты комплексного исследования теплообмена между импульсным газожидкостным потоком и нагретой поверхностью теплообменника; определение структуры капельного потока.

7. Автоматизированный аппаратно-программный комплекс и методика его применения для исследования распределения жидкости на структурированной насадке в крупномасштабной промышленной модели дистилляционной колонны.

Личный вклад автора заключается в постановке задачи, в теоретическом обосновании, разработке методов и способов экспериментальных измерений физических параметров, проектировании аппаратуры, исследовании образцов аппаратуры, проведении и обработке результатов экспериментов.

Реализация и внедрение результатов исследований

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно-исследовательских работ, выполненных в ФГБУН Институте теплофизики им. С. С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) и при выполнении хоздоговорных работ.

Разработанные метод и аппаратура определения влажности смеси легли в основу многофазного расходомера «Метран-Н-50» - прибор прошел промышленные испытания, запатентован (патент на полезную модель №85227) и подготовлен к производству.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных симпозиумах и конференциях: 3-я Международная научно-техническая конференция «Микропроцессорный системы автоматики» (Новосибирск, Россия, 1996); международная конференция «Теплофизика-96» (Обниск, Россия, 1996 г.); 5-я, 6-я Всероссийская конференция молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и гидродинамики» (Новосибирск,

Россия,1998,2000); 13-я школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководсвом акд. А.И. Леонтьева «Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (С.-Петербург, Россия, 2001); Proceedings of the 3-d Intern. Conference on Compact Heat Exchangers and Enhancement Technology For the Process Industries, (Davos, Switzerland, 2001); Proceedings of the 5^th World Conf. Of Experimental Heat Transfer, Fluids Mechanics and Thermodynamics (EXHFT - 5) (Thessaloniki, Greece, 2001); Intern. Conference «Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Thermodynamics» (Pisa, Italy, 2001); 11^th, 12^th, 13^th, 14^th International Conference on the Methods of Aerophysical Research, ICMAR (Novosibirsk, Russia 2002, 2004, 2007, 2008); 1-я научная школа-конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики» (Алушта, 2003); Сибирский теплофизический семинар, посвященный 90-летию академика С.С. Кутателадзе (Новосибирск, Россия, 2004); 12^th Int. conf. on the Method of aerophysical Research (Novosibirsk, Russia, 2004); 28-й Сибирский Теплофизический Семинар, посвященный 70-летию академика В.Е. Накорякова (Новосибирск, Россия, 2005); 4-я Российская национальная конференция по теплообмену (Москва, Россия, 2006); 3-й, 5-й, 6-й Международный научный конгресс «ГЕО-СИБИРЬ» (Новосибирск, Россия, 2007, 2009, 2010); 3^th, 4^th International Topical Team Workshop on TWO-PHASE SYSTEMS FOR GROUND AND SPASE APPLICATION (Brussels, Belgium and Novosibirsk, Russia, 2008, 2009); 7^th International Symposium on Heat Transfer (ISHT"08) (Beijing, China); 7-я научная конференция «СОВРЕМЕННАЯ НАУКА: исследования, идеи, результаты, технологии (Алушта, Украина, 2009); 1-я Международная конференция «Процессы самоорганизации в высыхающих каплях многокомпонентных жидкостей: эксперименты, теории приложения (Астрахань, Россия, 2010); International Conference on Automation, Control and Information technology (ACIT 2010) (Novosibirsk, Russia, 2010); 23^rd European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems (Brno, Czech Republic, 2010); 15^th International Conference Methods of Aerophysical Research (ICMAR) (Novosibirsk, Russia, 2010); Всероссийская конференция «29-й Сибирский Теплофизический Семинар» (Новосибирск, Россия, 2010); 24th European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems (Estoril, Portugal, 2011); The 7th International Symposium on Measurement Techniques for Multiphase Flows (Tianjin, China, 2011); Sixth International Conference on TWO-PHASE SYSTEMS FOR GROUND AND SPACE APPLICATIONS (CAVA DE' TIRRENI (NAPOLI), ITALY, 2011); Spring World Congress on Engineering and Technology (SCET2012) (Xi'an, China, 2012); 12^th International Conference on Liquid Atomization and Spray System(Heidelberg, Germany, 2012); 14-й минский международный форум по тепло- и массообмену (Минск, Беларусь, 2012).

Публикации

Основные научные результаты диссертации опубликованы в 25 научных статьях в центральных научно-технических журналах и тематических сборниках,

17 из которых входят в перечень, рекомендованный ВАКом. На новую конструкцию многофазного расходомера нефтяной смеси получено авторское свидетельство.

Структура и объем работы

Похожие диссертации на Разработка методов и электронных средств для теплофизических исследований двухфазных потоков

Исследование механизмов процесса и разработка методов расчета теплообмена двухфазных потоков в каналахМинко, Мария Вячеславовна

Теория, методы и средства комплексного исследования теплофизических свойств в режиме разогрева-охлажденияБаранов Игорь Владимирович

Некоторые задачи исследования потоков монодисперсных микросфер при их генерации в осложненных условияхЧэнь Юфон

Исследование газодинамических возмущений закрученного потока с целью уточнения физико-математической модели течения в вихревых устройствахСергеев Михаил Николаевич

Исследование теплообмена при взаимодействии двухфазных тонкодисперсных потоков с высокотемпературными поверхностямиАрзамасцев Алексей Геннадиевич

Экспериментальное исследование теплообмена и гидродинамики в закрученном потоке при одностороннем нагревеЗахаров Евгений Михайлович

Исследование радиационно-газодинамических процессов взаимодействия гиперзвуковых потоков излучающей плазмы с конденсированными и газовыми средамиЩепанюк Тадеуш Сигизмундович

Исследование циркуляционного движения в поперечном сечении руслового потока Мельникова Ольга Николаевна

Экспериментальное исследование эмиссионных свойств твердых дисперсных фаз в аэродинамическом потоке энерготехнологических агрегатовГильфанов Ринат Газизьянович

Экспериментальное исследование влияния поверхностных углублений на теплообмен и сопротивление в потоке сжимаемого газаТитов, Александр Андреевич