Совершенствование тепломассообменной аппаратуры для энергетических систем часть 2

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕННОЙ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ЧАСТЬ 2

Дорошенко А.В., Васютинский С.Ю.

Аннотация. Приведены результаты экспериментальных исследований в области пленочных течений в тепломасообменных аппаратах. Уточнены значения критического числа Рейнольдса и средние значения толщин жидкостных пленок. Особое внимание уделено выявлению оптимального значения параметра регулярной шероховатости поверхности, обеспечивающего интенсификацию процессов тепломасообмена. Полученные результаты могут использоваться для проектирования тепломассообменных аппаратов в холодильных, кондиционирующих и энергетических системах (альтернативная энергетика).

Ключевые слова. Тепломассообменная аппаратура, пленочное течение, альтернативная энергетика.

PERFECTIONAREA ECHIPAMENTULUI DE SCHIMB DE CALDURA §I MASA PENTRU SISTEMELE ENERGETICE.

Doro^enko A. V., Vasiutinskii S. Iu.

Rezumat. Sunt prezentate rezultatele cercetarilor experimental in domeniul curgerilor peliculare in echipamentul de schimb de caldura §i masa. Sunt precizate valorile coeficientului critic lui Reynolds §i valorile medii ale grosimilor peliculelor lichidului. Atentie deosibita a fost acordata determinarii stabilirii valorii optime a asperitatii de suprafata, care asigura intensificarea proceselor de schimb de caldura §i masa. Rezultatele obtinute pot fi utilizate pentru proiectarea echipamentului pentru schimb de caldura §i masa in sistemele frigorifice, de climatizare, energetice (energetica alternativa).

Cuvinte-cheie: echipamentul pentru schimb cu caldura §i masa, curgere peliculara, energetica alternativa.

HEAT - AND MASS TRANSFER EQUIPMENT DEVELOPMENT FOR POWER SYSTEMS

Doroshenko A. V., Vasyutynsky S. Y.

Abstract. The results of experimental investigations in film flow area in heat and mass exchangers are given. Values of critical number of Reynolds and average values of the liquid film thickness are adjusted. The special attention is given to the revelation of the optimal value the regular roughness of the surface, providing an intensification of heat and mass exchanging processes.

It is possible to use the results which are obtained for designing heat - and mass exchangers in the refrigerate technique, air conditioning and generally, in power systems (alternative energetics).

Keywords. Heat - and mass transfer apparatus, film currents, alternative energetics.

Экспериментальное изучение пленочных течений по поверхности полимерных листов с регулярной шероховатостью

Имеющиеся публикации по экспериментальным исследованиям обобщены в [1,2,4]. Задачами настоящего исследования явились:

• изучение особенностей пленочного течения на плоских листах с РШ типа «впадина» на поверхностях из полимерных материалов ПМ для одно - и двухфазной области течений;

• определение оптимального диапазона параметра шероховатости к = р!е и анализ механизма интенсификации, получение расчетных зависимостей для средней и максимальной толщины пленки дж;

• изучение особенностей пленочного течения на плоских листах из ПМ с капиллярно-пористыми покрытиями (КПП) поверхности;

• определение соотношения поверхностей тепло - и массопереноса.

В многочисленных экспериментальных работах, где изучались особенности течения жидкостной пленки по вертикальным поверхностям, рассмотрено преимущественно течение по трубкам, либо плоской гладкой поверхности. Число работ, где изучали течения по плоской поверхности незначительно. Наиболее распространён при изучении двухфазных систем метод электропроводности. Он обеспечивает возможность изучения большого числа параметров (волновые характеристики, газосодержание, характер течения); может использоваться в каналах сложной конфигурации; обладает хорошей воспроизводимостью полученных результатов; может использоваться как при наличии, так и в отсутствие газового потока; пригоден для локальных измерений при наличии большого числа датчиков, причём в поток не вносится возмущений.

Предварительная часть исследования с РШ типа «выступ» было проведено в ОГАХ, совместно с ИНХП АН СССР [1] с использованием оборудования ИНХП Эта работа в рамках настоящего исследования была дополнена в результате совместных исследований ОГАХ с институтом проблем химической физики ИПХФ РАН (новое название ИНХП) в 2006 году, применительно к новым задачам, возникшим в результате использования пленочных полимерных ТМА в испарительных системах. В первую очередь это касается формы РШ типа «впадина».

Суть метода состоит в измерении омического сопротивления жидкостной плёнки с помощью нескольких электродов, располагаемых на поверхности листов таким образом, чтобы не образовывался выступ [1,3]. При исследовании использовалась водопроводная вода, естественная электропроводность которой достаточна для проведения измерений. С целью устранения эффекта поляризации использован переменный ток. Значение дж на изучаемом участке определяли исходя из

сопротивления плёнки Щ и столба жидкости Я*, что соответствует полному заполнению жидкостью экспериментального канала. Исходя из закона Ома,

_ ф ( ф *

с>х =/)'• Яу / Яу, где /) - ширина канала, выбранная из условий: £)' » 8^ (8^ предельное значение 8Ж) и И<Ь (Ь — длина измерительного участка канала). Тогда

_1_

практически постоянным. Выбрана рабочая частота равная 5 кГц, принадлежащая линейному участку зависимости во всём диапазоне изменений дж. Использовалась схема из двух электродов, расположенных вдоль течения жидкости. Для проверки метода проведён эксперимент в канале с шириной (зазором) переменной высоты, полностью заполненном жидкостью, что равносильно построению тарировочной кривой.

Стенд - одноканальная модель (статья «Совершенствование тепломассообменной аппаратуры для энергетических систем», первая часть, рис. 4) был доработан с учетом нового типа изучаемой поверхности из ПМ с РШ типа «впадина» и обеспечивал проведение исследований, как в отсутствие, так и при наличии газового потока. Плоские листы были выполнены из поликарбонатной пластины с РШ в виде

Щи 7?у будут приблизительного одного порядка, т.е. наклон линии Яа = /•—у= будет

равномерно рассредоточенных по поверхности листа горизонтальных впадин. 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 8Ж 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. Первый случай соответствует отсутствию гидродинамического взаимодействия фаз. Основные полученные результаты приведены на рис. 1 - 3. Получены следующие результаты:

• Переход от ламинарной к турбулентной области течения (Яе^,) зависит от наличия регулярной шероховатости и величины к. Наличие двумерной шероховатости ускоряет переход, снижая пороговое значение Яе^,. (рис. 1).

• На гладком листе и листах с к >50 наблюдается слабо выраженное нерегулярное волновое течение. При А; <10 формируется монотонное и периодическое волновое течение, причем длина начального участка уменьшается со снижением к. Одновременно утолщается пленка. При достаточно больших значениях величины к, условия течения пленки приближаются к характерным для гладкого листа без РШ. С уменьшением величины к происходит утолщение пленки, что связано с ростом влияния капиллярных сил на задержку жидкости.

Особый интерес представляет диапазон значений А: = 10-30, где имеются оптимальные условия проявления шероховатости и обеспечивается максимальная интенсивность протекания процессов переноса в жидкой пленке.

Влияние газового потока изучали применительно к противо- и поперечноточной схемам контактирования. Для противотока зафиксировано отсутствие этого влияния до значений м>г < 6,0 м / с, при котором развивается явление гидродинамического влияния контактирующих потоков, в дальнейшем переходящее в режим «захлебывания». Для поперечного тока м>г <9,0м/с; при более высоких скоростях движения воздуха может иметь месть продольный снос жидкостной пленки и частичное оголение поверхностей переноса. То есть для поперечного тока возможно наращивание нагрузок по газу и жидкости, при, естественном возрастании аэродинамического сопротивления. На рисунке 2 приведены результаты для: шероховатости типа "впадина" с параметром к = 30; листа полимерной насадки с капиллярно-пористым покрытием поверхности КПП из флизелина с толщиной равной 0,6 мм. Оба типа формирования поверхности листа и воздействия на жидкостную пленку а через ее волнообразную поверхность на газовый поток, обеспечивают благоприятные условия протекания процессов переноса в жидкостной пленке. Средняя толщина пленки возрастает при наличии РШ поверхности, а граница смены режимов течения смещается в сторону меньших значений Яе^, от 1650 до 800 - кривая 2. Для листа с КПП покрытием поверхности граница течений остается неизменной по сравнению с гладким листом, но существенно возрастает средняя толщина жидкостной пленки - кривая 3.

Важнейшим является вопрос о величине смоченной поверхности насадки, поскольку это и определяет в конечном итоге эффективность реализуемого процесса. Это особенное значение приобретает для насадки из ПМ. Устойчивое фронтальное течение по вертикальной плоскости с РШ наблюдается лишь при больших расходах жидкости, распадаясь с уменьшением расхода жидкости Сж на отдельные струйки.

100 200 400 600 800 1000 2000

Квж

Рис. 1. Результаты экспериментального изучения пленочных течений в тепломассообменных аппаратах с полимерной насадкой из поликарбонатных плит с РШ поверхности. Зависимость ёж

2

8ж, мм

1

0.8

0.4

0.2

Б А А^^ 3 А ‘ ^ ^ 2 1

„ч- А ^ ^ I

А к  У'

А

А А ^

* ✓ <

^ ^  г

♦ *е*ж 1 Г

200

400

600 800 1000

2000

Ре* 6000

ж

Рис. 2. Зависимость 8Ж

жидкость

&

Б

—Л----------;>-------^----------

2

_______________

С: г4 : а; А " ' ^ ^ ; г: ^:- ;:; ::;;- : ^:^:' ::^ :'^'г ->Н; ~-^'з --&:• з 'Д'

р

жидкость

1

Рис. 3. Результаты экспериментального изучения пленочных течений в тепломассообменных аппаратах. А - величина соотношения поверхностей массо- и теплообмена в тепломасообменных аппаратах с листами насадки из ПМ: 1 - без регулярной шероховатости поверхности

Данные по величине смоченной поверхности получены методом визуализации течений, путем добавления красящей жидкости в стекающую пленку, с последующим планиметрированием поверхности по контуру отложений. Наличие РШ типа «впадина» значительно улучшает ситуацию с распределением жидкостной пленки по поверхности полимерного листа насадки. Хорошо видно, что канавки РШ (впадины) обеспечивают

перераспределение стекающей пленки, играя роль накопителей и перераспределителей жидкости, и повышая тем самым реальную величину смоченной поверхности (рис. 3.2 - Б). Величина ашо =РМ! Рт получена расчетом из опытных данных. В среднем,

соотношение поверхностей ашо 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% (линия 3 на рис. 2). Полученные результаты подтверждают высокую устойчивость пленочного течения по поверхности полимерного листа с РШ типа «впадина» и значительный рост удельной смоченной поверхности листа.

Выводы по работе

1. Наличие двумерной шероховатости поверхности ускоряет переход ламинарной

формы течения в турбулентную, снижая пороговое значение . Механизм

интенсификации процесса в пленке и газовом потоке можно объяснить формированием регулярноволнового режима с преобладанием стоячих волн и, в толщине пленки -вторичных течений; в диапазоне значений параметра РШ поверхности копт =10 — 30 отмечается стабильный регулярноволновой режим течения, практически отсутствует участок формирования волн и минимально брызгообразование; этот диапазон значений

копт является условием интенсификации процесса совместного тепломассообмена.

2. Вертикальный плоский лист с РШ типа «впадина» рекомендован в качестве базового элемента при создании рабочих поверхностей пленочных ТМА для испарительного охлаждения при противо - или поперечноточной схеме контактирования. Для аппаратов НИО рекомендовано использование в качестве основных элементов насадки многоканальных плит из поликарбоната с аналогичной структурой внешней поверхности, по которой стекает жидкостная пленка.

Литература

1. Дорошенко, А. В. Компактная тепломассообменная аппаратура для холодильной техники (теория, расчет, инженерная практика): Дис. докт. техн. наук. - Одесса, 1992, 340 с.

2. Горин А.Н., Дорошенко А.В. Альтернативные холодильные системы и системы кондиционирования воздуха. - Донецк: Норд-Пресс, 2006. - 341 с.

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

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