Исследование гидродинамики газового потока в активной зоне контактного теплообменника с плёночными форсунками

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ГАЗОВОГО ПОТОКА В АКТИВНОЙ ЗОНЕ КОНТАКТНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА С ПЛЁНОЧНЫМИ ФОРСУНКАМИ

Численными методами решена задача гидродинамики газового потока при поперечном обтекании свободной жидкостной пленки. Получено, что толщина гидродинамического пограничного слоя в газе сопоставима с толщиной свободной жидкостной пленки.

Ключевые слова: гидродинамика, жидкостная пленка, газовый поток, гидродинамический пограничный слой, контактный теплообменник.

Исследование вопроса связано с разработкой высокоэффективных контактных теплообменников, предназначенных для утилизации теплоты уходящих газов.

Известно, что контактные теплообменники, в которых свободная жидкостная пленка взаимодействует с поперечным потоком газа, имеют высокие эксплуатационные показатели: малые гидравлическое и аэродинамическое сопротивления [1—2]. Кроме того, такие теплообменники обладают высокими сепарирующими свойствами [3].

При взаимодействии жидкости и газа основное термическое сопротивление сосредоточено в газовой фазе, поэтому распределение скоростей газа в окрестности жидкостной пленки существенно влияет на процессы тепло- и массообмена. В известной нам научной литературе недостаточно данных по гидродинамике газового потока в реактивном пространстве контактной камеры, поэтому в наших исследованиях особое внимание было уделено распределению скорости газового потока в окрестности жидкостной пленки.

Для уточнения физической картины взаимодействия теплоносителей рассмотрим постановку краевой задачи гидродинамики газового потока и жидкостной пленки.

Модель контактного теплообменника представляет собой вертикальный канал цилиндрической формы, внутри которой снизу вверх движется поток нагретого газа (рис. 1). На оси контактной камеры установлена форсунка, из кольцевой щели которой вытекает жидкость в виде свободной куполообразной струи (пленки).

-V

1^

Рис. 1. Схема взаимодействия свободной жидкостной пленки с потоком газа в реактивном пространстве контактного теплообменника

С осью контактной камеры свяжем цилиндрическую систему координат (г, 0, х). Считая процесс стационарным и осесимметричным, а также используя в качестве мас-

штабов радиус отбойного диска форсунки Гф, среднюю скорость истечения жидкости ^ж.ср, плотность и кинематическую вязкость жидкости рж, рж, введем безразмерные переменные и запишем уравнения взаимодействия теплоносителей во внутренней ортогональной системе координат ^, 9, п}, связанной со срединной поверхностью свободной жидкостной пленки. Методом [4-5] произведем замену переменной 1/2

N = и/в (в = Яе" ) и проведем оценку членов в уравнениях тепломассообмена жидкости и газа, считая нормальную составляющую скорости жидкости и толщину струи величинами первого порядка малости. Из уравнений Навье-Стокса получим систему уравнений несжимаемого пограничного слоя, описывающую стационарные течения жид" кости в пленке:

W„

W

д S

W

д W,,,

д N

= Fr COsa

д 2Wж

д N:

д Euж

д S

W2 д Eu

ж s =- Fr sn a - д ж

R0

д N

а

(R. W, ) + ^(R. W,„ ) = 0.

д Sv ж Sf д N

а также газа вблизи межфазных поверхностей:

д^ д^ д 2W s

W .-----^ + 1W „—— = Fr cosa+v rs

д S

д N

д N ‘

д Eur д S ’

Wr2 s . д Eu

= - Fr sin a - r

R0

д N

— (RW ) + — (RW ) = 0.

V'*W r s) + ял/ V'*Wr n) 0.

5Sv r s/ 5N

В системе уравнений (1) и (2) величина Ro(S) = -(da/dS)'1 обозначает радиус кривизны сечения срединной поверхности меридианной плоскостью. Координаты дуги поверхности вращения R* и Z* и граничных поверхностей пленки связаны с цилиндрическими координатами соотношениями

dR = sin a, ^ = cosa, R,

dS

W

dS

d 5,

= Wnl, 5(0) = 5oi,

8/ dS

где индекс I = 1, 2 относится соответственно к внутренней и внешней поверхностям жидкостной пленки.

Граничные условия гидродинамической задачи на межфазных поверхностях выражают наличие касательных напряжений, обусловленных взаимодействием жидкостной пленки с газом, а также скачок нормальных напряжений за счет действия сил поверхностного натяжения:

----= И—

дN дN

N =5, (S);

Eu>K I = Eus I +

Ж I

2 cosa da

Rs R„(S) dS

RWe a(0) = a0

N =5, (S);

Применительно к конкретной задаче взаимодействия свободной жидкостной пленки с поперечным потоком газа в ограниченном пространстве цилиндрической контактной камеры граничные условия запишем в виде для жидкости на выходе из форсунки

= 2

К = 1;

для газов на входе контактной камеры

Ж = Ж

г.ср

Я

Я

2-2о\

на стенке контактной камеры - Шг = 0, к - Кк ;

условие симметрии

д 1/У

д R

= 0, К = 0.

Краевая задача (1)—(11) решена численным методом — методом сеток. В численных расчетах средние скорости жидкости и газа задавались в пределах 0,5-3 м/с, что соответствует реальным режимам работы контактного теплообменника.

Результаты расчетов позволяют сделать следующие выводы:

1) для характерных скоростей эксплуатации теплообменного аппарата (1-3 м/с) величина скорости и начальный профиль скоростей существенно не изменяют общую гидродинамическую обстановку (рис. 2, 3);

Рис. 2. Поле скоростей газового потока

Рис. 3. Поле скоростей газового потока

1

2) в указанном диапазоне скоростей за жидкостной пленкой возникает вихревая зона;

3) в окрестности жидкостной пленки формируется пограничный слой, сопоставимый с размерами толщины жидкостной пленки;

4) начальное распределение скоростей газа на входе в контактную камеру существенно не влияет на толщину пограничного слоя.

В реальных режимах работы контактного теплообменника толщина жидкостной пленки не велика и составляет 0,8-2 мм. В то же время известно, что толщина теплового пограничного слоя в газе меньше толщины гидродинамического пограничного слоя. Таким образом, интенсивный теплообмен в контактном теплообменнике происходит в небольшой зоне, непосредственно прилегающей к жидкостной пленке. Это обстоятельство позволяет существенно упростить численное исследование процесса тепломассообмена в активной зоне аппарата.

Список литературы

1. Семенов, В. П., Платонов Н. И., Лимитовский В. М. // Судостроительная промышленность. Сер. Пром. энергетика, охрана окружающей среды и энергоснабжение судов. 1991. Вып. 15. С. 13-17.

2. Николайкин, Н. И. Гидродинамика пленочной тарелки с делением газового потока / Н. И. Николайкин, О. С. Чехов // Теорет. основы хим. технологии. 1988. Т. XXII. № 1. С. 71 -77.

3. Жихарев, А. С. Экспериментальное исследование сепарации парожидкостных смесей струями жидкости / А. С. Жихарев, А. М. Кутепов // Хим. и нефтяное машиностроение. 1972. № 4. С. 10-12.

4. Епихин, В. Е. О форме закрученных кольцевых струй капельной жидкости // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. 1979. № 5. С. 144-148.

5. Епихин, В. Е. О затягивании полости кольцевых струй, взаимодействующих с окружающей средой / В. Е. Епихин, В. Я. Шкадов // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. 1983. № 6. С. 3-11.