Введение к работе
Актуальность темы. Закономерности переноса тепла и массы в насыщенных паром пористых средах и зернистых слоях при фазовых превращениях представляют значительный интерес для специалистов различных отраслей знания и техники ввиду своих многочисленных приложений.
Одним из примеров может служить способ интенсификации тепловой добычи нефти, связанный с закачкой водяного пара в нефтяной пласт (пористые структуры, образованные естественным путем). Важной характеристикой, определяющей взаимодействие углеводородной и водной жидкостей между собой и с пористой средой, является угол смачивания 9. Двухфазность фильтрующейся жидкости может приводить к увеличению неподвижной массы по сравнению с однофазной фильтрацией. При этом, чем больше поверхностное натяжение между жидкостями, тем сильнее проявляется запирание.
В ряде производств получило широкое распространение использование искусственно созданных зернистых и пористых сред для интенсификации различных процессов переноса тепла и массы. Экспериментальные исследования при конденсации пара на поверхностях, плотно соприкасающихся с зернистым слоем, показывают как значительную интенсификацию по сравнению с гладкой трубой, так и снижение ее. Перспективы применения зернистых слоев в качестве интенсифицирующего фактора связываются: 1) с гидродинамикой сконденсированной фазы при пленочном течении на охлаждаемой поверхности в поровых пристенных каналах для случая «тонких» пленок; 2) с закономерностями фильтрационного течения в случае «толстых» пленок; 3) с закономерностями двухфазного течения, характеризуемого соотношением сил поверхностного натяжения и массовых сил в отсутствие перепада давления. Для первого и третьего случая контактный угол смачивания на поверхности элементов зернистого слоя может оказывать существенное влияние на процессы переноса.
Разработка новых источников энергии, таких как бинарные циклы в геотермальных и океанских тепловых установках и системах использования сбросного тепла, весьма настоятельно требует создания высокоэффективных конденсаторов. Предложены многие методы интенсификации теплообмена при конденсации, однако лишь немногие из них подвергались оптимизации с точки зрения наиболее полного использования их возможностей.
В системах охлаждения электронных приборов, применяемых в наземных и космических установках, к которым предъявляются высокие требования по надежности и длительности срока службы, генерируемый пар должен быть сконденсирован и конденсат возвращен обратно в испаритель. Пространственные и энергетические ограничения в этих условиях предопределяют использование оборудования с минимальной площадью конденсационных поверхностей и минимальной массой.
Изучение основных закономерностей процессов гидродинамики и тепломассо-переноса в пористых средах относится к числу сложных проблем теплофизики. Безусловны также трудности визуализации как потока, так и тепломассопереноса. Применение для изучения гидродинамики в зернистых слоях бесконтактных методов типа лазерно-доплеровской анемометрии возможно только при соответствующих оптических инструментах и жидкостях. В этой связи в каждом отдельном случае исследователь-экспериментатор вынужден проявлять известную долю изобретательности.
При теоретическом рассмотрении повышается роль физически адекватных моделей процесса и достоверных экспериментальных данных, показывающих возмож-
ности предлагаемых моделей и дополняющих их. С теоретической точки зрения это связано с трудностью разработки методов осреднения уравнений сохранения при наличии сложных многочисленных поверхностей раздела фаз, изменяющихся во времени, и привлечением физически обоснованных гипотез замыкания. При любом методе осреднения теряется некоторая информация, в связи с чем возникает необходимость использования эмпирических соотношений и приближений.
Большое внимание приобретают в этой связи области, прилегающие к теплопе-редающим поверхностям и играющие определяющую роль в формировании как структуры течения конденсата, так и процессов тепломассообмена, связанного с ним, которые накладывают ограничения на метод осреднения.
Зернистый слой, в определенных условиях оказывающий значительное интенсифицирующее или снижающее влияние на теплообмен при конденсации, что очень важно с практической точки зрения, требует более детального изучения. Особенно это касается различных условий смачивания поверхности зернистого материала.
Все выше сказанное обосновывает актуальность проведения исследования процессов гидродинамики и тепломассопереноса в зернистых средах при фазовых превращениях в пристенных слоях теплопередающих поверхностей.
Целью работы является установление механизмов и физических закономерностей процессов: 1) теплообмена при пленочной конденсации неподвижного пара на трубах различной ориентации, помещенных в зернистые слои с различными контактными углами смачивания 2) гидродинамики жидкости в зернистой среде в области контактов ее элементов между собой и с теплопередающей поверхностью.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем:
-
Впервые получены и обобщены экспериментальные данные по теплообмену при пленочной конденсации водяного пара на поверхностях горизонтального и вертикального цилиндров, помещенных в зернистые слои из стеклянных шариков с поверхностями как практически полностью смачиваемых (контактный угол около 17), так и частично смачиваемых (контактный угол около 87), а также при конденсации хладона R227 на наклонных трубах в гидрофильном зернистом слое. На вертикальной трубе в гидрофильной засыпке получена существенная интенсификация теплообмена по сравнению с гладкой трубой (в 5 раз), на горизонтальной трубе - заметно его снижение в 1,5 раза.
-
Получено теоретическое решение для течения жидкости и теплообмена при пленочной конденсации неподвижного пара в узкой пристенной вертикальной щели с проскальзыванием конденсата на боковых нетеплопроводных ребрах и в узком зазоре оребрения горизонтальной трубы. В предельном случае при полном проскальзывании конденсата на боковых ребрах вертикальной щели это решение переходит в известное решение для течения пленки на безграничной плоской стенке, а на горизонтальном цилиндре хорошо согласуется с экспериментальной зависимостью С.С. Кутателадзе. При полном прилипании конденсата на боковых стенках вертикальной щели найденное решение сводится к решению В.Е. Накорякова для узкой щели.
-
Получено решение для процесса теплообмена при конденсации пара на вертикальной трубе, помещенной в зернистый слой с различным контактным углом смачивания, на основе перехода от модельной задачи процесса конденсации пара в узких щелях около плоской стенки к реальным процессам гидродинамики и теплообмена в поровых каналах вблизи теплопередающей поверхности трубы. Полученный теорети-
ческий результат хорошо согласуется с экспериментом в области течения конденсата в режиме тонкой пленки.
-
Получено решение для процесса теплообмена при конденсации пара на горизонтальной трубе, помещенной в зернистый гидрофильный слой, на основе перехода от модельной задачи процесса конденсации пара в узких зазорах оребрения горизонтальной трубы к реальным процессам гидродинамики и теплообмена в поровом канале вблизи теплопередающей стенки трубы. В результате анализа модели при выборе гидравлического диаметра пристенного порового канала показано, что по всему периметру течение конденсата не подчиняется режиму тонкой пленки. Скоординированная на это обстоятельство зависимость для теплообменного числа Нуссельта удовлетворительно согласуется с экспериментом.
-
Экспериментально исследована гидродинамика пленки жидкости на вертикальной пластине при ее натекании на сферу, моделирующая течение конденсата на теплопередающей поверхности в засыпке в режиме тонкой пленки (h/dm ПІ). Показано, что при числах Рейнольдса пленки Re = 50 - 375 , соответствующих условиям проведения опытов по теплообмену при конденсации пара на вертикальной трубе, помещенной в зернистый слой, отток жидкости от вертикальной теплопередающей поверхности в сторону зернистого слоя незначителен (не более 6 %).
-
Экспериментально исследовано течение жидкости по вертикальному цилиндру и пластине, помещенных в зернистый слой, для случая толщин пленки, соизмеримых с размером элементов зернистого слоя (h&dm). Показано, что за счет капиллярных сил происходит значительный отток жидкости от поверхности трубы и пластины вглубь зернистого слоя. Выделен режим перехода от безотрывного обтекания пленкой точки контакта сферы с теплопередающей поверхностью к началу заметного проявления капиллярных эффектов, определяющий поперечный «отсос» части конденсата вглубь слоя, который наступает, когда относительная толщина пленки достигает значения h/dm и 0,1.
-
Проведены исследования гравитационного пленочного течения в модели кубической шаровой структуры и модели монослоя сферических тел в плоском канале. В модели кубической упаковки впервые зарегистрированы четыре основных режима обтекания боковой точки контакта: безвихревое обтекание точки контакта, образование устойчивой вихревой пары, генерация неустойчивых вихревых образований и режим со струйным срывом пленки в области мениска. По картине и характеру течения в плоском канале в зависимости от контактного угла смачивания и расхода жидкости определены режимы струйного (по канальным образованиям) в случае гидрофильной засыпки и квазифильтрационного для гидрофобной засыпки.
-
Проведен анализ уравнений М.А. Гольдштика, сопоставлены коэффициенты в уравнении стационарной смешанной фильтрации с соответственными коэффициентами уравнения Эргана. Показано их несущественное для плотной случайной упаковки различие. На основе рассмотренных задач о фильтрационном течении через неподвижное и вращающееся пористое кольцо показано, что дополнительные нелинейные члены в уравнениях М.А. Гольдштика малы в сравнении с членами, определяющими гидравлическое сопротивление зернистой среды. В этом случае уравнения М.А. Гольдштика сводятся к известным уравнениям фильтрации.
Совокупность полученных в диссертации результатов и сделанные на их основе обобщения и выводы являются основой для научного направления в теплопередаче, связанного с исследованием теплообмена при фазовых переходах в пористых средах с
различными поверхностными явлениями, гидродинамики фильтрационного и пленочного течения, явлений капиллярности в зернистых слоях с различным контактным углом смачивания.
Достоверность полученных основных положений и выводов в диссертации подтверждается логически непротиворечивостью, согласованностью комплексного экспериментально-теоретического исследования проблемы, постановками специальных тестовых экспериментов, сравнением с экспериментальными и теоретическими результатами других авторов в предельных случаях, а также использованием отработанных методик экспериментов. Используемые экспериментальные методики обеспечивали независимый контроль опытных данных.
Практическая ценность и реализация результатов. Полученные экспериментальные результаты и теоретические решения, а также проведенный на их основе анализ процессов гидродинамики и теплообмена при пленочной конденсации на поверхностях, помещенных в зернистый слой с различным контактным углом смачивания, позволяют осуществлять обоснованный выбор оптимальных параметров технологических процессов и геометрических размеров теплообменных поверхностей.
Опубликованная по теме диссертации работа включена в электронную публикацию Springer New York, 233 Spring Street, New York, NY 10013, USA, 212-460-1500, Tel: 800-SPRINGER, Fax: 201 348 4505, на сайте , .
По результатам исследования получен патент на полезную конструкцию № 2000530 Российская Федерация, МІЖ F 28 D 7/00, F 28 F 13/06, F 28 В 1/02. Кожу-хотрубный конденсатор / Афанасьев Ю. О., Богомолов А. Р., Петрик П. Т., заявитель и патентообладатель ИТ СО РАН. - № 4953239/06; заявл. 27.05.1991; опубл. 07.09.1993, Бюл. № 33-36. - 3 с: 2 ил. Рекомендации по внедрению кожухотрубного конденсатора, межтрубное пространство которого заполнено зернистым слоем, использованы в лабораторных стендах по изучению процесса теплообмена при конденсации чистых паров с целью поддержания эффективной теплоотдачи (кипятильник ректификационной колонны и дефлегматор) в Кузбасском государственном техническом университете (г. Кемерово).
По результатам работы получен патент № 2091118, Российская Федерация, МПК С1 б B01D5/00, Способ отделения неконденсирующихся газов и устройство для его осуществления / Афанасьев Ю.О, Петрик П.Т., Богомолов А.Р., опубл. 27.09.1997. - 2 с.п. ф-лы, 2 ил. Рекомендации по монтажу устройства и технологическому регламенту процесса непрерывного улавливания и удаления неконденсирующихся газов использованы предприятием ООО «ЭЛЬТА» (г. Кемерово) в технологическом процессе установки по регенерации отработанных масел в конденсаторе легкой фракции. Устройство также использовано Кузбасским государственным техническим университетом и Институтом теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН в экспериментальных стендах по исследованию процесса конденсации чистых паров.
Результаты работы использованы в монографии В.Е. Накорякова, А.В. Горина «Тепломассоперенос в двухфазных системах», Новосибирск, 1994 г.
Результаты работы по теплообмену при конденсации на поверхностях в зернистых слоях внедрены в учебный процесс по курсу «Тепломассообменное оборудование предприятий» в виде лекционного материала для студентов специальности «Промышленная теплоэнергетика» Кузбасского государственного технического университета.
В проведенном анализе фильтрации во вращающемся пористом цилиндре показано одно из направлений практического использования полученных результатов, в частности, в поле микрогравитации как способа удаления конденсата от теплопере-дающей поверхности.
Результаты работы использованы при выполнении интеграционного проекта фундаментальных исследований СО РАН «Процессы переноса перфторуглеродов и разработка научных основ синтеза новых перфтористых соединений с заданными свойствами», а также проекта РФФИ 07-08-96027 и гранта TNTAS-OPEN-99-1107.
Апробация работы. Результаты работы докладывались автором на Всесоюзном семинаре «Теплообмен и теплофизические свойства пористых материалов» (Новосибирск, 1991), Первой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ, Москва, 1994), Международной тепло физической школе (Тамбов, 1995), II семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (Томск, 2001), XXVI Сибирском тепло физическом семинаре (Новосибирск, 2002), I научной школе-конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Алушта, 2003), III семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (Барнаул, 2003), XXVII Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2004), XXVIII Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2005), International Topical Team Workshop, Two-phase systems for ground and space applications (Brussels, 2006), IV научной школе-конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Алушта, 2006), 2th International Topical Team Workshop, Two-phase systems for ground and space applications (Kyoto, 2007), XIII научно-технической конференции «Энергетика, экология, надежность, безопасность» (Томск, 2007), X международной научно-практической конференции «Химия - XXI век. Новые технологии, новые продукты» (Кемерово, 2008), 18th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2008, Praha, Czech Republic.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 51 печатных работах, в том числе в: журналах из списка ВАК - 23, 2-х патентов, материалах трудов конференций- 19.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 7 глав, введения и вьшодов. Работа содержит 290 страниц текста, в том числе 57 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 233 наименований.
