Кипение капель низкокипящей дисперсной фазы в режиме гетерогенной нуклеации

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №11-2/2016 ISSN 2410-6070

4) Интегрированные интерфейсы и методы поддержки принятия решений, управление спросом, распределённая система мониторинга и контроля (DMCS), распределённая система текущего контроля за генерацией (DGMS), автоматическая система измерения протекающих процессов (AMOS), а также новые методы планирования и проектирования как развития, так и функционирования энергосистемы и её элементов;

5) Интегрированные коммуникации, которые позволяют элементам первых четырёх групп обеспечивать взаимосвязь и взаимодействие друг с другом.

По линии организационного развития ТП ИЭС России запланированы следующие первоочередные направления [1, с. 11]:

- развитие организационной структуры, включая органы управления и формирование рабочих групп по направлениям;

- обеспечение межплатформенного взаимодействия;

- вовлечение в работу ТП стратегических партнеров.

Среди приоритетов по линии реализации проектов выделяются: концепция Smart Grid для распределительных сетей; создание комплекса технических средств и нормативно-методического обеспечения систем управления спросом потребителей электроэнергии, создание и опытно-промышленная партия локальных систем энергоснабжения на основе распределенных источников электрической и тепловой энергии.

Список использованной литературы:

1. Российские технологические платформы в области энергоэффективности и использования возобновляемых источников энергии. - М. - 2011, с. 27.

2. Попель О С. Состояние и перспективы развития возобновляемыхисточников энергии// региональная энергетика и энергосбережение. - 2013. - №4. - с. 42-49.

© Рашитов А. Р., Андрианова Л. П., 2016

УДК 536.423.1

А.К. Розенцвайг, д.т.н., с.н.с.

Ч.С. Страшинский, к.т.н., доц.

Набережночелнинский институт К(П)ФУ г.Набережные Челны, Татарстан, РФ E-mail: a_k_r@mail.ru, schs@bk.ru

КИПЕНИЕ КАПЕЛЬ НИЗКОКИПЯЩЕЙ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ В РЕЖИМЕ

ГЕТЕРОГЕННОЙ НУКЛЕАЦИИ

Аннотация

Рассмотрена структура сложного теплообмена при переносе теплоты жидкостными эмульсиями с низкокипящей дисперсной фазой. Кипение в объеме, ограниченном межфазной поверхностью диспергированных капель, происходит в условиях повышенного давления. Капиллярное давление обусловливает повышение температуры насыщенных паров жидкости внутри капель Td,sat и температуры насыщения внутри пузырьков пара Tv,sat, вследствие чего увеличивается необходимый для парообразования перегрев сплошной среды эмульсии Тс = Tj + Ту. В свою очередь, увеличение температуры высококипящей сплошной среды Тс до уровня температуры её насыщенных паров Tc,Sat повышает эффективность переноса теплоты при использовании эмульсии в качестве смазочно-охлаждающей жидкости. Фазовые превращения первого рода, локализованные в объеме капель дисперсной фазы, ведут к увеличению их размера и связанным с этим ростом возмущениям сплошной среды. Такая «горячая»

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №11-2/2016 ISSN 2410-6070

турбулентность обусловливает преобразование тепловой энергии в энергию движения объема эмульсии, что в свою очередь способствует усилению теплового потока к межфазной поверхности.

Ключевые слова

Сложный теплообмен, фазовые превращения, жидкостные эмульсии, гетерогенная нуклеация, парообразование, рост низкокипящих капель, турбулизация эмульсии.

A.K. Rozentsvaig, doct. of techn. Sci., prof.

Ch.S. Strashinskii, cand. of techn. Sci., ass. prof.

Kazan (Volga Region) Federal University, Naberezhnye Chelny Institute,

Tatarstan, Russian Federation

BOILING OF DROPLETS OF LOW-BOILING OF DISPERSED PHASE IN MODE OF

HETEROGENEOUS NUCLEATION

Annotation

Considered the structure of the complex heat exchange within a liquid emulsions with a low boiling point of the dispersed phase. Boiling the volume bounded by the interfacial surface of the dispersed droplets takes place under increased pressure. Capillary pressure causes the rise in temperature of saturated vapor Td,sat inside drops as well as to rise in temperature of saturated vapor Tv,sat inside bubbles, thereby increasing the necessary for vaporization

overheating of the continuous phase of the emulsion ATc = ATd +ATv. In turn, the increase in the temperature of the high-boiling continuum Tc to the level of its saturated vapor temperature Tc,sat increases the efficiency of heat transfer when using emulsion as cutting fluid or coolant. Phase transitions of the first kind which localized in the volumes of droplets of the dispersed phase, will help to increase their size and perturbances continuous phase associated with this growth. This "hot" turbulence causes the conversion of thermal energy into kinetic energy of the emulsion volume, which in turn, has contributed to increasing the heat flow to the interface surface.

Keywords

Heat transfer, phase change, liquid emulsion, pool boiling, heterogeneous nucleation, vaporization, growth of low-

boiling droplets, turbulization of emulsion.

Введение. Качество моделирования переноса теплоты в жидких средах, связанное с использованием вычислительных методов гидродинамики, во многом предопределено пониманием механизмов физических явлений. Для однородных жидкостей в неизотермических условиях численный анализ является надежным средством расчета гидродинамических и термодинамических характеристик как ламинарных, так и турбулентных течений. Однако при температурах, превышающих температуру насыщенных паров жидкости, процессы кипения и парообразование обусловливают нарушения основных теоретических предпосылок механики сплошных сред. Появление второй газообразной фазы усложняет поведение неравновесных паро-жидкостных смесей [1, 2]. В частности, формализация механизмов взаимодействия фаз остается достаточно сложным аспектом моделирования многофазных течений и теплообмена с фазовыми превращениями [3, 4]. Происходящие в них физические процессы имеют важное практическое значение при использовании эмульсий в качестве теплоносителей и охлаждающих жидкостей.

Кипение внутри капель низкокипящей дисперсной фазы эмульсии. Условия образования паровой фазы в ограниченном объеме капель существенно отличаются от кипения в большом объеме однородной жидкости. Внутри капель с радиусом Rd появляется капиллярное давление вследствие силы поверхностного натяжения, которое увеличивает внешнее давление в сплошной среде эмульсии рс в соответствии с уравнением Лапласа на величину

APd = Pd - Рс = 2°c—d/Rd .

Повышение давления обусловливает увеличение температуры насыщенных паров внутри капель, равной Td,sat при давлении эмульсии рс [5]. Перегрев диспергированных капель ATd = Td — Тd sat,

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №11-2/2016 ISSN 2410-6070

необходимый для образования в них паровой фазы, в соответствии с уравнением Клазиуса - Клапейрона определяется как

2 T

гр гг1 ^ V-d d,sat d d,sat ~ л .

Rb Pvrd-V

В каплях низкокипящей дисперсной фазы испарение происходит c вогнутой поверхности внутрь пузырьков пара с радиусом Rb. Оно затруднено наличием в пузырьках паровой фазы дополнительного давления относительно давления в каплях pd, обусловленного также поверхностным натяжением:

&Рь = Рь - Pd = 2a;d-V Pd .

Rb Pd -py

Дополнительное давление обусловливает дополнительный перегрев = TV - TV,Sat пара

относительно температуры насыщения Tv,sat в диспергированных каплях при давлении в них pd [5]:

rp rp 2&V-dTV,sat ,.ч

TV - TV,sat - .

Rb pVrd-V

В принципе при определенных значениях поверхностного натяжения и размера низкокипящих капель возможна такая ситуация, что суммарное увеличение перегрева ИТС = Tj У)- эмульсии позволит достигнуть уровня температуры насыщенных паров высококипящей сплошной среды Тс,sat. Когда поверхностью нагрева диспергированных капель становится криволинейная межфазная поверхность, она отделена от твердой поверхности нагрева и распределена в объеме сплошной среды эмульсии. Известно, что межфазная поверхность концентрирует частицы загрязнений и пузырьки воздуха (газа), которые способны инициировать образование жизнеспособных зародышей паровой фазы. Поэтому внутри капель создаются условия для преобладания гетерогенного механизма пузырькового кипения. Кроме того, кипение внутри искривленной поверхности капель дисперсной фазы имеет много общего с кипением около твердой поверхности нагрева. Известно, образованию пузырьков пара способствуют лунки, трещины, а также газовые пузырьки. При достаточно малом размере капель их внутренняя поверхность вполне подобна лункам, которые генерируют паровые пузыри на твердой поверхности.

Гетерогенная и инициированная нуклеация имеют более сложную зависимость скорости зародышеобразования от температуры, давления и концентрации по сравнению с гомогенной нуклеацией [6, 7]. При достаточно интенсивном подводе теплоты, образующиеся жизнеспособные пузырьки пара подобно турбулентным пульсациям инициируют нуклеацию [8]. С другой стороны, увеличение размеров низкокипящих капель вносит также возмущения в сплошную среду. Вынужденные колебания в объеме сплошной среды эмульсии, подобные турбулентному перемешиванию, интенсифицируют процессы переноса теплоты от твердой поверхности нагрева к межфазной поверхности. Также в определенных условиях они могут способствовать дроблению низкокипящей дисперсной фазы [9-11].

Влияние парообразования на состав эмульсии. Ограниченный объем низкокипящих капель препятствует отводу пузырьков пара от поверхности нагрева, способствуя увеличению их размеров в соответствии с подводом теплоты. Стесненные условия пузырькового кипения приводят к увеличению исходного объема капель, коалесценции в них соседних пузырьков пара и, в конечном итоге, к превращению парожидкостных капель в пузыри пара.

Массовый баланс кипящих капель дисперсной фазы:

md0 = mV + md , mV = f

где Cw,d-V - первоначальная масса диспергированной жидкости, mv, md - массы паровой и жидкой

фазы.

Остаток массы неиспарившейся диспергированной жидкости md = mdо - Wv . При кипении парожидкостных капель происходит увеличение объема дисперсной фазы Wj__v :

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №11-2/2016 ISSN 2410-6070

Wd_v — mv/pv +

Связь соотношения объемов пара и жидкости в дисперсной фазе и объемной концентрации ее Сw d-v в сплошной среде эмульсии от давления и температуры:

Wd-v mv/ Pv +(md0 - mv)/ Pd л ^ mv Pd -Pv

-—-— 1 +----.

Wd0 m d 0 / pd md 0 PV

W 1

— VW1T-—1 —w W • mv— f

WC + Wd-V 1 | d0 /V d-V

W W

C d0

Объем пара намного превышает объем испаряющейся жидкости в соотношении, обратно пропорциональным их плотностям. Так для воды при нормальных условиях разница составляет величину порядка 1000. Очевидно, что это накладывает существенные ограничения на концентрацию дисперсной фазы. Даже при величине массовой концентрации капель в несколько десятых процента превращение их в пузырьки пара приводит к образованию высококонцентрированной парожидкостной эмульсии. Кроме того увеличение объема парожидкостных капель влияет на гидродинамические характеристики течения при движении охлаждающих эмульсий в трубопроводах [12].

С одной стороны, в отличие от кипения однородной жидкости высококипящая сплошная среда эмульсии предотвращает пленочный режим у поверхности нагрева. Но, с другой стороны, при высоком уровне нагрева образование излишнего количества пара способствует образованию пробковых структур, с которыми связан кризис другой, гидродинамической природы. Во многом он предопределен таким параметром двухфазного потока, как истинное газосодержание, которое представляет собой часть площади поперечного сечения канала, занимаемая газовой или паровой фазы. Критически важная роль этого параметра в снижении теплопередачи и падении давления в газожидкостном двухфазном потоке [13, 14] обусловливает существенные ограничения на концентрацию низкокипящей дисперсной фазы эмульсии.

Предпосылки повышения эффективности теплообмена. Фазовые превращения в низкокипящей дисперсной фазе сопровождаются образованием и ростом пузырьков пара, которые изменяют объем эмульсии и обусловливают преобразование тепловой энергии в энергию движения эмульсии. Перегрев мелкодисперсных капель до температуры, близкой к температуре насыщенных паров сплошной среды, а также практически полное испарение всего объема диспергированной жидкости создают предпосылки для эффективного переноса теплоты. Поэтому эмульсия с низкокипящей дисперсной фазой может аккумулировать в определенных условиях гораздо больше теплоты по сравнению с однородной жидкостью за счет следующих факторов:

а) переноса теплоты высококипящей сплошной средой к диспергированным каплям, исключающий пленочный режим кипения у поверхности нагрева;

б) дополнительного перегрева ÄTc = ЛТd + ЛТv до достижения температуры насыщенных паров в условиях ограниченного объема капель эмульсия;

в) более полного завершения процесса парообразования в условиях стесненного пузырькового кипения объема капель, ограниченного межфазной поверхностью.

Заключение. Гомогенный режим нуклеации малоэффективен из-за недостаточно высокой частоты спонтанного зародышеобразования, а гетерогенный режим - ограничен кризисом кипения из-за перехода от пузырькового режима к пленочному режиму. Режим нуклеации, подобный гомогенному режиму, в эмульсии достигается при гетерогенном режиме нуклеации около межфазной поверхности. Большое влияние на теплообмен наряду с внешними термодинамическими условиями оказывает концентрация и размер капель дисперсной фазы. Эти параметры могут быть использованы для оптимизации технологических процессов, использующих охлаждающие жидкости и теплоносители.

Список использованной литературы: 1. Нигматуллин Р.И. Гидродинамика многофазных сред. Ч.1. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. -1987. - 464 с.

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №11-2/2016 ISSN 2410-6070

2. Avdeev A. A. Pulsations of a gas bubble in the acoustic field (resonance and limits of the polytropic approximation) // High Temperature. - 2014. - 52(6). - P. 851-860.

3. Pezo, M.L., Stevanovic, V.D., Numerical Prediction of Nucleate Pool Boiling Heat Transfer Coefficient under High Heat Fluxes // Thermal Science. - 2016. - 20(Suppl.1). - P. 113-123.

4. Selvaraj P., Sarangan J., Suresh S. Computational fluid dynamics analysis on heat transfer and friction factor characteristics of a turbulent flow for internally grooved tubes // Thermal Science. - 2013. - 17(4), P. 1125-1137.

5. Gupta M., Sharma D., Lakhera V. Vapor Bubble Formation, Forces, and Induced Vibration: A Review // Applied Mechanics Reviews - 2016. - 68(3):030801-030801-12. AMR-15-1131.

6. Лабунцов Д.А. Физические основы энергетики. Избранные труды по энергетике, гидродинамики, термодинамики. - М.: Изд-во МЭИ, - 2000. - 388 с.

7. Baidakov V.G., Pankov A.S. Nucleation in ethane-nitrogen solutions. II. Heterogeneous and initiated nucleation // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2015. - 86(7). - P. 936-942.

8. Rozentsvaig A.K., Strashinskii C.S. Hydrodynamic aspects of boiling up of a disperse phase in a homogeneous turbulent flow of an emulsion // High Temperature. 2011. - 49(1). - Р. 143-146.

9. Розенцвайг А.К., Страшинский Ч.С. Дробление низкокипящей дисперсной фазы в турбулентном потоке охлаждающей эмульсии // Журнал прикладной химии. - 2009. - 82(8). - С. 1314-1319.

10.Rozentsvaig, A.K., Strashinskii, C.S. Modeling of Heat Transfer Conditions in Cooling Lubricant Emulsions with Low-Boiling Continuous Media in Narrow Gaps // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2016. - 102

- Р.555-560.

11.Розенцвайг А.К., Страшинский Ч.С. Резонансный и градиентный механизмы инициированного вскипания в однородном турбулентном потоке низкокипящей дисперсной фазы в жидкостной эмульсии // Проектирование и исследование технических систем: Межвуз. науч. сб. Набережные Челны: изд-во ИНЭКА.

- 2008. - 12 - С. 74-85.

12.Розенцвайг А.К. Движение концентрированных эмульсий с неравновесной дисперсной фазой по трубопроводам в турбулентном режиме // Инженерно-физический журнал. - 1982. - 42(3). - С. 366-372.

13.Mamoru Ishii, Takashi Hibiki. Thermo-fluid Dynamics of Two-phase Flow. Springer Science + Business Media, Inc., New York, USA. -2006. - 462 p.

14.Huang D., Gao P., Chen C., Lan S. Effect of void fraction correlations on two-phase pressure drop during flow boiling in narrow rectangular channel // Nuclear Engineering and Design. - 2013. - (265). - P. 383 - 392.

© Розенцвайг А.К., Страшинский Ч.С., 2016

УДК 669

Ромасева Ю. А.

студентка «Красноярский государственный педагогический

университет им. В.П. Астафьева», г. Красноярск

КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА Аннотация

В задачу конструктивного расчета входит определение основных размеров электролизера. В данной статье приведены расчеты размеров анодного устройства, катодного устройства, конструкция подины, ошиновки электролизера.

Ключевые слова

конструктивный расчет, анод, катод, электролизер.