Введение к работе
Аппараты непосредственного контакта газа (пара) с жидкостью широко используются в современной химической технологии, холодильной технике и теплоэнергетике. Физически обоснованные методы расчета термогидродинамических процессов в контактных аппаратах, надежная и эффективная их эксплуатация возможны только на основе глубокого изучения физики явлений и корректного представления их закономерностей.
Особое значение в последнее время приобретают процессы непосредственного контакта паровой фазы с жидкостью, недогретой до температуры насыщения. Интенсивность конденсации пара в объеме недогретой жидкости определяет эффективность работы барботажных систем локализации аварий на АЭС и систем хранения криогенных жидкостей; новых технологических схем опреснительных установок и абсорбционных углеводородных холодильных машин, использующих непосредственный контакт теплоносителей.
В условиях поверхностного кипения жидкостей интенсивность теплоотдачи и критическая плотность теплового потока определяются динамикой образования паровых пузырей и скоростью их конденсации в области недогрева. Дальнейшее совершенствование парогенерирую-щих аппаратов (испарителей) различного технологического назначения требует детального исследования гидродинамических и массообменных процессов при парообразовании. Разработка физической модели механизма переноса теплоты при пузырьковом кипении жидкостей на основе исследований локальных физических характеристик процесса, совокупность которых определяет интенсивность теплоотдачи, позволяет получить обобщенные зависимости для расчета интенсивности теплоотдачи при кипении в условиях свободной конвекции. Для расширения физических представлений о рассматриваемых процессах и более строгой оценки корректности расчетных соотношений необходимы исследования термогидродинамических характеристик контактных аппаратов, физических характеристик механизма переноса теплоты и интенсивности теплоотдачи при кипении в условиях, отличных от нормальной гравитации.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в экспериментальном и теоретическом исследовании механизма процессов непосредственного контакта газов и паров в слое жидкости; разработке теории и методов расчета основных термогНцродинамических характеристик контактных аппаратов различного технологического назначения.
Разработка физической модели процесса переноса теплоты и получение обобщенных зависимостей для расчета интенсивности теплоотдачи при кипении жидкостей в условиях свободной конвекции.
Аналитические и экспериментальные исследования термогидродинамики конденсации паров в объеме недогретой жидкости для различных уровней гравитации.
Исследование гидродинамических характеристик контактных аппаратов и физических характеристик механизма переноса теплоты при кипении в условиях пониженной (невесомость) и повышенной (динамическая перегрузка) гравитации.
Исследование расходных характеристик циркуляционных контуров газо(паро)жидкостных аппаратов и разработка методики расчета газ-лифтных подъемников жидкости и контуров циркуляции контактных аппаратов. Разработка методики расчета циркуляционного контура парогенератора с естественной циркуляцией жидкости.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Исследования, представленные в диссертации, по совокупности можно квалифицировать как научно-обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области гидродинамики и теплообмена в газо(паро)жидкостных системах аппаратов различного технологического назначения. В работе получены следующие оригинальные результаты.
На основании выполненных аналитических и экспериментальных исследований установлены области существования различных режимов диспергирования газов и паров в слой жидкости: статический, динамический, струйный. Показано, что указанные режимы определяются значениями обобщенных переменных — чисел Вебера (We) и Фруда (Fr). Получены аналитические решения для отрывных размеров газовых (паровых) пузырей и частоты их формирования при диспергировании газов (паров) в слой жидкости, которые в предельных случаях переходят в известные частные соотношения. Показано удовлетворительное соответствие аналитических решений с экспериментальными данными в широком диапазоне изменения физических, геометрических и режимных параметров процесса.
Выполнено аналитическое исследование интенсивности теплообмена при образовании газовых пузырей в слое жидкости. Получены уравнения, позволяющие рассчитать степень охлаждения (нагрева) газовых пузырей за период их формирования у газораспределительного устройства для различных условий теплопереноса.
Впервые на основе рассмотренных гидродинамических характеристик диспергирования газа (пара) в жидкость получены аналитические соотношения для расчета газосодержания и удельной поверхности контакта фаз барботажного слоя при относительно малых уровнях светлой жидкости над газораспределительным устройством. Показано соответствие аналитических решений с экспериментальными данными.
Выполнено экспериментальное исследование струйного режима диспергирования газов в слой жидкости для различных геометрических, физически и режимных параметров процесса. Получены уравнения для определения условий наступления струйного режима диспергирования и длины проникновения факела газовой струи в объем жидкости.
Получено новое аналитическое решение для отрывных размеров паровых пузырей и частоты их отрыва от поверхности нагрева при кипении жидкостей в условиях свободной конвекции. Определена область существования предельных режимов отрыва паровых пузырей от поверхности нагрева: статического и динамического в зависимости от значений числа Якоба (Ja). Выполнено сопоставление аналитических решений с результатами непосредственных измерений для широкого диапазона теплофизических и режимных параметров процесса и показано их удовлетворительное соответствие.
Впервые получено уравнение движения нестационарного всплыва-ния парового пузыря переменного размера в объеме перегретой и недогретой жидкости. Выполнены численные расчеты размеров паровых пузырей и скорости их всплывания в объеме перегретой (недогретой) жидкости.
На основе физических характеристик механизма переноса теплоты получено новое соотношение в обобщенных переменных для расчета интенсивности теплоотдачи при кипении жидкостей в условиях свободной конвекции. Показано существование различных режимов теплопе-реноса от поверхности нагрева в зависимости от значения числа Якоба (Ja). Сопоставление полученного уравнения с многочисленными экспериментальными результатами для широкого диапазона изменения определяющих параметров процесса показало удовлетворительное качественное и количественное соответствие.
Исследовано влияние поля гравитации на основные гидродинамические характеристики диспергирования газа (пара) в жидкость. Выполнено сопоставление аналитических решений с экспериментальными данными и показано их соответствие.
Исследовано влияние поля гравитации на основные физические характеристики парообразования и интенсивность теплоотдачи. Показано, что с ростом динамической перегрузки при заданной плотности теплового потока возможен переход от развитого пузырькового кипения в кипение с недогревом жидкости до температуры насыщения и полное прекращение образования паровой фазы на поверхности нагрева. Получены новые количественные характеристики существования указанных режимов теплоотдачи.
Получены новые аналитические расчетные соотношения для расходных характеристик газлифтных аппаратов. Разработана методика расчета газлифтных подъемников жидкости и контуров циркуляции контакт-
ных аппаратов. Разработана методика расчета циркуляционного контура парогенератора с естественной циркуляцией жидкости.
Результаты выполненной работы используются в ряде проектно-кон-структорских и научно-исследовательских организаций: Государственном институте азотной промышленности (ГИАП), институте ядерной энергетики АН Белоруссии, физико-техническом институте низких температур АН Украины, Астраханском научно-исследовательском и проектном институте газовой промышленности, Челябинском филиале ВНИИ «ВО-ДГЕО» и других организациях.
Полученные в работе теоретические решения и экспериментальные результаты вошли в учебную техническую литературу и монографии по гидродинамике и теплообмену в гозо(паро)жидкостных системах отечественных и зарубежных издательств.
