Комплексное исследование тепломассообмена между газом и поперечным потоком полидисперсных капель

Вестник Челябинского государственного университета. 2009. № 25 (163). Физика. Вып. 6. С. 66-70.

ТЕПЛОФИЗИКА

В. С. Белоусов, О. В. Долгушина, Н. И. Платонов

КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕНА МЕЖДУ ГАЗОМ И ПОПЕРЕЧНЫМ ПОТОКОМ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ КАПЕЛЬ

Выполнен анализ задачи тепломассообмена между газом и поперечным потоком поли-дисперсных капель применительно к условиям работы утилизатора теплоты уходящих газов. Расчетным путем получены зависимости безразмерного коэффициента теплоотдачи от физических и геометрических параметров процесса. Расчетные данные сопоставлены с результатами экспериментальных исследований.

Ключевые слова: тепломассообмен, полидисперсный поток капель, контактный теплообменник.

В контактном аппарате с пленочными форсунками (рис. 1) тепломассообмен происходит на свободной жидкостной пленке и полидисперсном потоке капель, который образован в результате разрушения этой жидкостной пленки. В аппарате существует два характерных гидродинамических режима. В первом случае сплошность жидкостной пленки сохраняется практически до соприкосновения со стенкой аппарата. Этот режим отличается улучшенными сепарирующими свойствами. Во втором случае происходит разрушение жидкостной пленки на полидисперсный поток капель на небольшом удалении от форсунки. В таком случае значительно возрастает площадь контакта теплоносителей, что отличает режим повышенными тепломассообменными характеристиками. Во втором случае, в отличие от первого, тепломассообмен на каплях становится существенной долей в общем тепломассообмене.

В известной нам научной литературе недостаточно сведений по взаимодействию газа с полидисперсным потоком капель, на который разрушается свободная жидкостная пленка, что не позволяет выбрать оптималь-

ный режим работы контактного теплообменника.

В работе [1] предложена физикоматематическая модель взаимодействия по-лидисперсного потока капель с поперечным газовым потоком. Там же рассматривается методика численного исследования и выполнены предварительные расчеты. При этом использованы параметры процесса, характерные для условий эксплуатации контактного теплообменника с пленочными форсунками предназначенного для утилизации теплоты уходящих газов.

На температуру нагрева полидис-

персного потока капель влияет большое число параметров. Наиболее важные из них: температура жидкости и газа на входе, расходы теплоносителей, влагосодержание газа. Существенную роль играют геометрические характеристики контактного аппарата с пленочными форсунками: размеры форсунки и камеры, а также начальный размер жидкостной пленки. Взамосвязь таких размерных величин не позволяет распространить результаты исследования работы [1] на другие режимы работы аппарата с пленочными форсунками.

Рис. 1. Схема активной зоны контактного теплообменника с пленочными форсунками: 1 — корпус контактной камеры; 2 — форсунка; 3 — жидкостная пленка;

4 — полидисперсный поток капель; гк — радиус контактной камеры;

Гф — радиус пленочной форсунки; до — начальная толщина жидкостной пленки

В данной работе исследованы связи основных параметров процесса, представленных в числах подобия, а потому

имеющие более универсальный характер.

Исходя из общих положений теории подобия процессы тепло- и массообмена между газом и поперечным потоком капель могут быть представлены следующими уравнениями общего вида:

Ки к = Г

Ки д = /

где Кик=аср^ср.капл/^г — конвективный критерий Нуссельта, Кив=всрДср.катГ& — диффузионный критерий Нуссельта, Яег=ч отнгср.капл Ыг — критерий Рейнольдса по газу, We=(pжw2оа„8о)/o — число Вебера, Ьк =гк/гф — безразмерный радиус контактной камеры, чотн=(ч г+ч ко) 2, аср — средний коэффициент теплоотдачи, рср — средний коэффициент массоотдачи, Хг — коэффициент теплопроводности газа, Б — ко-

эффициент диффузии, ёсржапп — средний диаметр капель, гср.капл — средний радиус капли, V — коэффициент кинематической вязкости газа, рж — плотность жидкости, wг — скорость газа, чко — начальная скорость капель, а — коэффициент поверхностного натяжения.

Безразмерные переменные, входящие в уравнения (1) и (2), характеризуют основные факторы, влияющие на тепломассообмен, определяют методику численного исследования процессов тепло- и массо-обмена.

Известно, что доминирующую роль на процессы тепло- и массообмена оказывают процессы в газовой фазе. Пример зависимости безразмерных коэффициентов тепло-и массообмена от Яег представлен на рис. 2. Качественно наблюдается аналогия между процессами тепло- и массообмена.

160 180 200 220 240 260 280

Яс

Рис. 2. Зависимость процессов тепломассообмена от Яв,

Скорость движения жидкости и ее поверхностное натяжение существенным образом влияют на устойчивость течения жидкости в пленке, на условия ее распада. От этого зависит интенсивность процессов тепло- и массообмена между газом и полидис-персным потоком капель в реактивном пространстве контактной камеры аппарата. Влияние критерия Вебера на безразмерные коэффициенты тепло- и массообмена представлено на рис. 3.

Уменьшение коэффициентов тепло- и массообмена (Кик и Кио) с увеличением We связано с увеличением поверхности контакта теплоносителей, так как с увеличение We возрастает доля мелких капель и увеличивается площадь контакта теплоносителей.

Влияние геометрических параметров контактной камеры на процессы тепломассообмена представлено на рис. 4. Увеличение Кик и Кид с ростом гк/гф объясняется увеличением кольцевого зазора, в котором происходит взаимодействие газа с поли-дисперсным потоком капель.

М’ -1 м/с

КО

и' =2 м/с

20 40 60 80 100 120 140 160

\¥е

б)

з

2

\¥с

Рис. 3. Зависимость процессов тепломассообмена от числа Шв

9,6 1 ' 1*1* 1*1*1 . и' =1 м/с - . КО 12,0 —•—1—*—1—'—1—*—1—•—г—'—1—'—1—'—1—*—1— Н1 =1 м/с

9,3 ' XV =2 м/с у'  11,5 . н’г=2 м/с уг _

9,0 ' -

уГ С 11,0  -

8,7 - уГ . 3

2 10,5 - / .

8,4

8,1 10,0

7,8 1 I * 1 і 1 і 1 . 1 1 І__1 1 . 1 1 1 9,5 —.—1—,—1—,—1—,—1—,—1—.—1—,—1—.—1—,—1—

4 5 б 7 8 9 10 11 12 13 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Г /Г. Г /Г ,

к ф к ф

Рис. 4. Зависимость процессов тепломассообмена от размеров контактной камеры

Данные, содержащиеся на рис. 2-4, соответствуют основным представлениям о физических закономерностях процессов тепломассообмена между газом и полидис-персным потоком капель. При их получении использованы современные представления о процессах гидродинамики и тепломассообмена, а также достаточно простые и хорошо известные методы численного счета. Тем не менее в рамках данного исследования модель взаимодействия теплоносителей и основные расчетные данные сопоставлены с результатами экспериментального исследования.

Опытные данные получены на специальном стенде, схема движения теплоносителей в котором показана на рис.1. В контактную камеру подавались продукты сгорания дизельного топлива или подогретый воздух, в качестве жидкости — вода. В опытах основные параметры изменялись в следующих пределах:

температура газа на входе — 20,8^-22,2 оС; начальная температура воды — 6,2^38,8 оС; диаметр контактной камеры — 290 мм; диаметр форсунки — 39 мм, 57 мм; размер кольцевого зазора пленочной форсунки — 0,31, 0,417, 0,625, 0,833 мм.

Начальная температура полидисперсно-го потока капель определялась расчетным путем по модели нагрева свободной жидкостной пленки [2]. Расчетная температура нагрева полидисперсного потока капель, полученная по предлагаемой модели [1], сравнивалась с температурой нагрева из эксперимента. Корреляционная зависи-

мость показана на рис. 5. Среднее отклонение расчетных и опытных данных составляет 24 %.

Разброс данных является результатом, с одной стороны, погрешности эксперимента (например, погрешность в определении расхода газа достигает 5,7 %), с другой стороны, упрощения модели. Как видно из рис. 5, теоретическая кривая лежит несколько выше корреляционной кривой расчетных и экспериментальных данных. Это связано с тем, что расчетная координата разрушения жидкостной пленки выбиралась по значению г = 5гф [3; 4], но в опытах ввиду развития неустойчивости жидкостная пленка разрушалась несколько раньше г<5гф. По этой причине температура нагрева в эксперименте несколько превышает температуру нагрева, полученную в расчетной модели [1].

3.5 3

2.5

£ 2 'О

< 1,5 1

0,5 0

0,5 1 1,5 2 2,5

^ эксп

Рис. 5. Корреляционный график для температуры нагрева полидисперсного потока капель: Д^асч — расчетная температура нагрева по модели [1],

Д(эксп — температура нагрева из эксперимента; начальная толщина жидкостной пленки 1 — ёо=0,31 мм; 2 — 0,417мм; 3 — 0,625 мм; 4 — 0,833 мм; линии: 5 -корреляционная, 6 — теоретическая

2. Платонов, Н. И. Расчет теплообмена между газом и свободной жидкостной пленкой в контактном теплообменнике / Н. И. Платонов // Теплоэнергетика. 2008. № 3. С. 18-22.

3. Шургальский, Э. Ф. Численное и экспериментальное исследование свободных тонких куполообразных пленок движущейся жидкости / Э. Ф. Шургальский [и др.]. Деп. в ОНИИТЭхим, № 64хп-Д84.

4. Баязитов, В. З. Экспериментальное исследование свободной жидкостной пленки, вытекающей из кольцевой щели / В. З. Баязитов, Н. И. Платонов, В. П. Семенов и др. // Вестн. МаГУ. Вып. 5. Естественные науки. Магнитогорск : МаГУ, 2004. 362 с.

Результаты данной работы использованы в моделировании процессов между газом и полидисперсным потоком капель в контактном аппарате, предназначенном для утилизации теплоты отходящих газов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Долгушина, О. В. Тепломассообмен между полидисперсным потоком капель и газовым потоком в контактном аппарате с пленочными форсунками / О. В. Долгушина, Н. И. Платонов,

Д. М. Долгушин, В. П. Семенов // Вестн. Челяб. гос. ун-та. 2008. № 25. Физика. Вып. 3. С. 51-55.