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:

(1)

(2); V_x = 0 при y = f₁ (x), (3); , при y = h (t,x), (4),

где безразмерные переменные имеют вид:

(), , , , ,

, , , , .

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):

h (t,x) = б₀ h₀ (x - ct) + е h₁ (x) + 0 (б₀ е),

V_x (t,x) = б₀ V₀ (x - ct) + е V₁ (x) + 0 (б₀ е),

здесь h₀, V₀ - определяют прогрессивные волны, бегущие со скоростью с, б₀ - средняя амплитуда бегущих волн, причём б₀ < 1; h₁ (x) - 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 л (р >> л), 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:

(5)

.

V_x = 0, при y = f₁ (x); , при y = h (t,x), где h = h (x) - искомое уравнение свободной поверхности, причём функция h (x) является периодической: h (x) = h (x + р), с периодом р, равным периоду РШ. С помощью замены переменной в конечном итоге получим дифференциальное уравнение относительно локальной толщины плёнки жидкости д (х), которое можно свести к системе уравнений первого порядка:

д? (х) = д₁ (х); д₁? (х) = д₂ (х) (6)

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

д? (х) = д₁ (х); д₁? (х) = д₂ (х) (8)

,

при условии периодичности: д (0) = д (р); д? (0) = д? (р); д?? (0) = д?? (р). (9)

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 . Из рис.2Б видно, что при скорости газа 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

, (10)

где - скорость жидкости, - скорость газового потока.

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

,

где найдем методом наименьших квадратов, .

Зависимость (10) соответствует течению в вертикальном канале с гладкими стенками. Для вертикальных каналов с РШ поверхности, высота или глубина которой сравнима с , при течении образуются на поверхности пленки стоячие волны большой амплитуды, для учета влияния которых при сильном гидродинамическом взаимодействии фаз следует ввести поправку на РШ поверхности в формулу (10)

, (11)

где определяется соотношением (14), а величины подлежат определению. С помощью обобщения экспериментальных данных работ [1,3], получим: . Соотношения (10 - 11) справедливы в следующем диапазоне изменения параметров: ; ; .

энергетическая система испарительное охлаждение

Экспериментальное изучение пленочных течений по поверхности полимерных листов с регулярной шероховатостью

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 V_г ? 8 м/с. При скорости газа V_г = 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 . 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. Холодiльна технiка i 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 косвенно-испарительных 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.

Размещено на Allbest.ru