Совершенствование тепломассообменной аппаратуры для энергетических систем

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕННОЙ

АППАРАТУРЫ ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Дорошенко А.В., Васютинский С.Ю.

Аннотация: Использование испарительного охлаждения для решения различных задач в энергетике позволяет решить ряд важных проблем в этой отрасли, включая экологические. Для рационального проектирования таких систем необходимо изучить те факторы, которые влияют на протекание процессов в испарительных системах.

Ключевые слова: испарительное охлаждение, испарительные системы.

Perfectionarea aparatajului de schimb al masei §i caldurii pentru sistemele energetice.

Doro^enco A.V., Vasiutinscki S.I.

Rezumat. Utilizarea racirii evaporative pentru solutionarea diferitor probleme in energetica permite de-a rezolva un §ir de probleme importante in aceasta bran§a, incluzand cele ecologice. Perntru proiectarea rationala a sistemelor de acest tip este necesar de studiat factori care influenteaza procesele petrecute in sistemele de evaporare.

Cuvinte cheie: racirea evaporativa.

The modernization of heat and mass transfer apparatus for energy systems

Doroshenko A.V., Vasyutynsky S.I.

Abstract. The use of evaporative cooling for the decision of various problems in power allows solving a number of the important problems in this branch, including ecological. For rational design of such systems it is necessary to study those factors which influence course of processes in evaporating systems.

Key words: evaporative cooling.

1. Состояние вопроса в области изучения пленочных течений

Совершенствование и разработка высокоэффективных пленочных охладителей, прежде всего, связано с изучением процессов гидродинамики и тепломассообмена, сопутствующих испарительному охлаждению жидкостей и газов. Одним из перспективных методов интенсификации процессов тепломассопереноса в контактных устройствах плёночной аппаратуры является создание регулярной шероховатости (РШ) на рабочей поверхности насадки. Различным аспектам волнового течения жидкостных пленок по вертикальным поверхностям посвящены работы Капицы П.Л., Кафарова В.В., Накорякова В.Е., Жаворонкова Н.М., Малюсова В.А., Холпанова Л.П., Шкадова В.Я., Харина В.Ф., Романкова П.Г., Воронцова Е.Г., Уоллиса, Фуджита, Богнера и др. Эти исследования обобщены и дополнены в работах Дорошенко А.В. и Кириллова В.Х. [1, 3, 4]. В этой связи интерес представляют особенности волнообразования; границы существования ламинарноволнового режима течения; информация об амплитуде и периоде стационарных волн и их взаимосвязи с интенсивностью массообмена, а также о длине начального участка волнообразования; оптимальные параметры шероховатости РШ. Практический интерес представляет область двухфазных потоков, имеющая отличия, проявляющиеся, например, в возможном гидродинамическом взаимодействии фаз.

Волновое течение тонкого слоя вязкой жидкости по плоской вертикальной поверхности с регулярной шероховатостью

На основе уравнений Навье - Стокса и неразрывности, рассмотрев соответствующие граничные условия, к числу которых относятся условия прилипания на шероховатой поверхности, кинематические и динамические условия на свободной поверхности, о непрерывности касательных и нормальных напряжений на свободной поверхности, можно прийти к следующему дифференциальному уравнению:

эл^

81

д

V

эу„ эу. уг эу

Эх Эу

\

$

Эх

, 1

ёу =---------------ь

1 а3ь 1 а2 у

Бг ДУгах* Яе Эу2

а у

— [Ухск = 0

-I Х Я ж, а

дХ^(х) Х

где безразмерные переменные имеют вид:

Эу

х = ^ ( 5К=з

V

) у _ У £-е у ^Х- Ря

г = -

IV,

— з X =

Р8 х, 5

цУ(

0

'К

V

N

У„

\¥е

рЧ2

Р8*У,

Волновой режим на свободной поверхности плёнки жидкости, текущей по вертикальной поверхности с РШ, представляет собой суперпозицию двух видов волн: прогрессивных и стоячих [3]. При регулярно-волновом режиме бегущие волны по поверхности плёнки перемещаются с постоянной скоростью с, а стоячие волны как бы повторяют профиль поверхности с РШ и период этих волн равен расстоянию между соседними выступами или впадинами РШ (рисунок 1.). Решение дифференциальной задачи (1) - (4) ищем в таком виде (линейная теория):

Ь(1;,х) = ао Ьо(х - С) + в Ь1(х) + 0(ао в),

УхО;,х) = ао Уо(х - й) + в У1(х) + 0(ао в),

здесь ко , Ус - определяют прогрессивные волны, бегущие со скоростью с, ао - средняя амплитуда бегущих волн, причём а0 < 1; к1 (х) - стоячие волны ( е < 1- средняя амплитуда стоящих волн).

Как правило, для плёночных тепломассообменных аппаратов с насадочными элементами с РШ, расстояние между впадинами шероховатости р значительно больше средней длины прогрессивных волн X ( р >> X ), поэтому бегущие волны представляют собой высокочастотные возмущения (рябь), распространяющиеся по поверхности стоячих волн. Поэтому определяющий волновой режим на поверхности тонкого слоя жидкости представляется стоячими волнами. Математическое описание такого движения определяется уравнениями (1-4) и имеет вид:

У,

а у, а у.

а у

1

Эх ду

^

ёу =---------1-

Эх Бг \Уе Эх

1 э3ь 1 а2 у.

^Т72

_д_ Ь Эх

Ые Эу

К<1х = 0

^

2

N

У

Ух = 0, при у = ^(х); дУх _ При у = 11(1;,х), где Ь = Ь(х) - искомое уравнение

Эу а

свободной поверхности, причём функция ^х) является периодической: ^х) = h(x + р), с периодом р, равным периоду РШ. С помощью замены переменной в конечном итоге получим дифференциальное уравнение относительно локальной толщины плёнки жидкости Ь(х), которое можно свести к системе уравнений первого порядка:

5'

_ 3 We 2 - xrS2 2 _ 2 Re S3

3 We Re

+f;

We 48 - 2x 5 - x2 5

-----H+

40 8

+

We 12- 8x„82 + x2 84

f/

8 83

Система дифференциальных уравнений (6) для локальной толщины плёнки жидкости без газового потока (т = 0) имеет вид:

5'

s; =3

We 1

Re 5

3 We Re

+ f;

- -We

we f;

при условии периодичности: 5 (0) = 5 (р); 5' (0) = 5' (р); 5'' (0) = 5'' (р).

Результаты расчетов представлены на рисунке 2. При противотоке фаз локальная толщина слоя жидкости определяется из полного уравнения (8). Как показывает численный анализ, влияние газового потока на толщину слоя сказывается лишь при скоростях газа Уг>8м/с. Из рис. 2Б видно, что при скорости газа

Уг = 1 Ом / с газовый поток стабилизирует плёночное течение, поверхностные возмущения сглаживаются, а средняя толщина плёнки несколько уменьшается.

Устойчивость раздельного двухфазного течения в плоском канале тепломассообменных аппаратов с регулярной шероховатостью

В пленочных аппаратах для оптимального протекания процессов необходимо обеспечить режим активного гидродинамического взаимодействия фаз при отсутствии сильного каплеуноса и «захлебывания» насадочной части аппарата. В связи с тем, что известные результаты теоретических и экспериментальных исследований предельных нагрузок противоречивы [1, 4, 6], имеет смысл определение максимальных коростей по пару и жидкости. Если, в соответствии с данными [3] жидкость и газ считать идеальными средами, то можно применить теорию потенциальных течений. С помощью уравнений неразрывности и интегралов Коши-Лагранжа для жидкости и газа можно получить

w =

Г

р2 А

•th

(г \\ — -1 vST

1/2

- W

где - скорость жидкости, wг - скорость газового потока.

Постоянную В, в уравнении (10) подберем исходя из обобщенного критериального уравнения, определяющего предельные нагрузки обеих фаз при противотоке и учитывающего длину и диаметр канала [3].

( Ч\ Ь! ссл Ц,

£ = у^е 1 • — ,

где у, ар Ьх найдем методом наименьших квадратов, у = 0.01, а1 = —0.5, Ц = —0.12 .

3

з

5

2

Зависимость

г

( / \ ь0 А

\У. ... = \У

1-<х2

\

е

\PJ

где \у определяется соотношением (14), а величины а2, Ь2 подлежат определению. С помощью обобщения экспериментальных данных работ [1,3], получим: а2 = 0.88, Ь2 =0.572. Соотношения (10 - 11) справедливы в следующем диапазоне изменения параметров: 20 < Яе < 100; 0.3 м < Н < 0.85 м;

16 мм < с1 <24 мм.

Э

Экспериментальное изучение пленочных течений по поверхности полимерных

листов с регулярной шероховатостью

Результаты по экспериментальному исследованию РШ типа «выступ» [1] авторами были дополнены в результате совместных исследований ОГАХ с институтом проблем химической физики ИПХФ РАН 2006 году, применительно к новым задачам, возникшим в результате использования пленочных полимерных ТМА [2]. В первую очередь это касается формы РШ типа «впадина».

Плоские листы были выполнены из поликарбонатной пластины с РШ в виде равномерно рассредоточенных по поверхности листа горизонтальных впадин - рисунок 3.А. Глубина впадин 0.3 мм, ширина у основания 1 мм. Величина к= р/е в опытах изменялась дискретно (к = 2.5, 11; 25; 30; 55; 100). Значения Ьж усреднялись по ширине канала. Исследование выполнено как в отсутствие, так и при наличии газового потока, причём в последнем случае особое внимание уделялось вопросам устойчивости течений. Исследования проводились на стенде (рисунок 4) методом электропроводности, который наиболее распространен при изучении двухфазных систем. Основные результаты приведены ниже. Наличие шероховатости ускоряет переход от ламинарной к турбулентной области течения, снижая пороговое значение Яе,.

Для насадки из ПМ важнейшим является вопрос о величине смоченной поверхности. Устойчивое фронтальное течение по вертикальной плоскости с РШ наблюдается лишь при больших расходах жидкости. Наличие РШ типа «впадина» значительно улучшает ситуацию с распределением жидкостной пленки по поверхности полимерного листа насадки. Канавки РШ (впадины) выполняют роль накопителей и перераспределителей жидкости, повышая тем самым реальную величину смоченной поверхности.

Величина аТМО = РМ/РТ получена расчетом из опытных данных. В среднем, соотношение поверхностей аТМо составляет 0.3-0.6 (что несколько больше, чем для плоского листа с РШ типа «выступ» [1]) и было в дальнейшем использовано при расчетах коэффициентов переноса. Капиллярно-пористое покрытие поверхности приближает величину а к 100%. Полученные результаты подтверждают высокую устойчивость пленочного течения по поверхности полимерного листа с РШ типа «впадина» и значительный рост удельной смоченной поверхности листа.

Б

А

Рисунок 1. Характер пленочного течения по поверхности листа с регулярной шероховатостью: А. Профиль шероховатой поверхности с впадинами РШ; Б. Характер пленочного течения.

Рисунок 2. Локальная толщина плёнки жидкости, текущей по вертикальной поверхности с регулярной шероховатостью.

А. Локальная толщина плёнки жидкости 5 при Яе = 400ж, Уг = 0 м/с ( 5 (0) = 5 (р) = 1,055 , 5' (0) = 5' (р) = - 0,026 , 5" (0) = 5" (р) = 0,009).

Б. Локальная толщина плёнки жидкости при Яе = 400ж, Уг = 10 м/с, ( 5 (0) = 5 (р) = 1,032, 5' (0) = 5' (р) = - 0,001 , 5'' (0) = 5'' (р) = -0,01).

Рисунок 3. К вопросу об организации эксперимента на одноканальной модели.

А. Элемент насадки НИО с регулярной шероховатостью поверхности РШ;

Б. Схема пленочного течения по плоской стороне листа с капилярно-пористым покрытием поверхности

-о

<

7

Рисунок 4. А. Экспериментальный стенд (одноканальная модель) для изучения пленочных течений.

Обозначения: 1 - распределитель жидкости; 2 - крепежная рама; 3 - лист насадки; 4 - блок водяных ротаметров; 5 - электроды; 6 - сборник жидкости; 7, 8, 9 - фильтр, насос,

бак; 10 - нагреватель; 11 - ресивер; 12 - воздушный ротаметр; 13 -

воздухораспределитель; 14 - смотровая панель; 15 - контактный термометр.

Выводы по работе:

1. Аналитически определена толщина слоя жидкости при противоточном контактировании пара и жидкости в насадке. Влияние газового потока на толщину слоя сказывается лишь при скоростях газа Уг > 8 м/с. При скорости газа Уг = 10 м/с газовый поток стабилизирует плёночное течение, возмущения сглаживаются, а средняя толщина плёнки несколько уменьшается.

2. При противоточном контакте в аппарате определены максимальные нагрузки по пару и жидкости, определены диапазоны изменения входных параметров, в котором справедливы полученные соотношения.

3. Наличие шероховатости ускоряет переход от ламинарной к турбулентной области

течения, снижая пороговое значение Яе^. А регулярная шероховатость типа

«впадина» значительно улучшает ситуацию с распределением жидкостной пленки по поверхности полимерного листа насадки. Лист из поликарбоната с таким типом регулярной шероховатости может быть рекомендован для создания базовых элементов насадок.

Литература

1. Дорошенко, А. В. Компактная тепломассообменная аппаратура для холодильной

техники (теория, расчет, инженерная практика): Дис. ...докт. техн. наук. - Одесса, 1992,

340 с.

2. Концов М.М., Дорошенко, А.В., Филипцов С.Н., Горин А. Интенсификация тепло- и массообмена в аппаратах альтернативных холодильных систем. Холодільна техніка і продовольча безпека. 2005, с. 39 - 46.

3. Кириллов, В.Х., Дорошенко, А.В., Особенности пленочного течения жидкости по поверхности с регулярной шероховатостью. Инженерно-физический журнал, Т. 54, №5, 1988, с. 739-745.

4. Кириллов, В.Х., Дорошенко, А.В., Максимальные значения скорости газа в тепломассообменных аппаратах, Инженерно-физический журнал, Т. 69, №2, 1996, с. 269-285.

5. Васютинский С.Ю. Моделирование рабочих процессов и совершенствование косвенноиспарительных воздухоохладителей: Дис. ... канд. техн. наук. - Одесса, 1996, 160с.

6. Интенсификация тепло и массообмена в энергетике / Б.В. Дзюбенко и др.; под ред. Ю.А. Кузма-Кичты.- М.: ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ», 2003, 240с.