автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Гидродинамика и теплообмен в газо-парожидкостных системах аппаратов химической технологии

На правах рукописи

N

ВОЛОШКО АНАТОЛИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН В ГАЗО- ПАРОЖИДКОСТНЫХ СИСТЕМАХ АППАРАТОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ. ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА

Специальность: 05.17.08 — Процессы и аппараты

химической технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Астраханском государственном техническом университете

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Стюшин Н.Г.

Официальные оппоненты: академик РАН Кутепов А.М.

доктор технических наук, профессор Ковалев С.А., доктор технических наук, профессор Дрейцер Г.А.

Ведущая организация:

ОАО «Криогенмаш» г. Балашиха Московской области

Защита состоится » ^^?> 1997 г. в_часов на заседании диссертационного совета Д 063.44.01 по защите докторских диссертаций по специальности 05.17.08 — процессы и аппараты химической технологии при Московской государственной Академии химического машиностроения по адресу: 107884, ГСП-6, Москва, Б-66, ул. Старая Басманная, д. 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской государственной Академии химического машиностроения.

Автореферат разослан « \Q » HQfl'S s\ 1997 г

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор Тимонин A.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

Аппараты непосредственного контакта газа (пара) с жидкостью широко используются в современной химической технологии, холодильной технике и теплоэнергетике. Физически обоснованные методы расчета термогидродинамических процессов в контактных аппаратах, надежная и эффективная их эксплуатация возможны только на основе глубокого изучения физики явлений и корректного представления их закономерностей.

Особое значение в последнее время приобретают процессы непосредственного контакта паровой фазы с жидкостью, недогретой до температуры насыщения. Интенсивность конденсации пара в объеме недогретой жидкости определяет эффективность работы барботажных систем локализации аварий на АЭС и систем хранения криогенных жидкостей; новых технологических схем опреснительных установок и абсорбционных углеводородных холодильных машин, использующих непосредственный контакт теплоносителей.

В условиях поверхностного кипения жидкостей интенсивность теплоотдачи и критическая плотность теплового потока определяются динамикой образования паровых пузырей и скоростью их конденсации в области недогрева. Дальнейшее совершенствование парогенерирую-щих аппаратов (испарителей) различного технологического назначения требует детального исследования гидродинамических и массообменных процессов при парообразовании. Разработка физической модели механизма переноса теплоты при пузырьковом кипении жидкостей на основе исследований локальных физических характеристик процесса, совокупность которых определяет интенсивность теплоотдачи, позволяет получить обобщенные зависимости для расчета интенсивности теплоотдачи при кипении в условиях свободной конвекции. Для расширения физических представлений о рассматриваемых процессах и более строгой оценки корректности расчетных соотношений необходимы исследования термогидродинамических характеристик контактных аппаратов, физических характеристик механизма переноса теплоты и интенсивности теплоотдачи при кипении в условиях, отличных от нормальной гравитации.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в экспериментальном и теоретическом исследовании механизма процессов непосредственного контакта газов и паров в слое жидкости; разработке теории и методов расчета основных термогНцродинамических характеристик контактных аппаратов различного технологического назначения.

Разработка физической модели процесса переноса теплоты и получение обобщенных зависимостей для расчета интенсивности теплоотдачи при кипении жидкостей в условиях свободной конвекции.

Аналитические и экспериментальные исследования термогидродинамики конденсации паров в объеме недогретой жидкости для различных уровней гравитации.

Исследование гидродинамических характеристик контактных аппаратов и физических характеристик механизма переноса теплоты при кипении в условиях пониженной ¡невесомость) и повышенной (динамическая перегрузка) гравитации.

Исследование расходных характеристик циркуляционных контуров газо(паро)жидкостных аппаратов и разработка методики расчета газ-лифтных подъемников жидкости и контуров циркуляции контактных аппаратов. Разработка методики расчета циркуляционного контура парогенератора с естественной циркуляцией жидкости.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Исследования, представленные в диссертации, по совокупности можно квалифицировать как научно-обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области гидродинамики и теплообмена в газо(паро)жидкостных системах аппаратов различного технологического назначения. В работе получены следующие оригинальные результаты.

На основании выполненных аналитических и экспериментальных исследований установлены области существования различных режимов диспергирования газов и паров в слой жидкости: статический, динамический, струйный. Показано, что указанные режимы определяются значениями обобщенных переменных — чисел Вебера (УУе) и Фруда (Рг). Получены аналитические решения для отрывных размеров газовых (паровых) пузырей и частоты их формирования при диспергировании газов (паров) в слой жидкости, которые в предельных случаях переходят в известные частные соотношения. Показано удовлетворительное соответствие аналитических решений с экспериментальными данными в широком диапазоне изменения физических, геометрических и режимных параметров процесса.

Выполнено аналитическое исследование интенсивности теплообмена при образовании газовых пузырей в слое жидкости. Получены уравнения, позволяющие рассчитать степень охлаждения (нагрева) газовых пузырей за период их формирования у газораспределительного устройства для различных условий теплопереноса.

Впервые на основе рассмотренных гидродинамических характеристик диспергирования газа (пара) в жидкость получены аналитические соотношения для расчета газосодержания и удельной поверхности контакта фаз барботажного слоя при относительно малых уровнях светлой жидкости над газораспределительным устройством. Показано соответствие аналитических решений с экспериментальными данными.

Выполнено экспериментальное исследование струйного режима диспергирования газов в слой жидкости для различных геометрических, физически и режимных параметров процесса. Получены уравнения для определения условий наступления струйного режима диспергирования и длины проникновения факела газовой струи в объем жидкости.

Получено новое аналитическое решение для отрывных размеров паровых пузырей и частоты их отрыва от поверхности нагрева при кипении жидкостей в условиях свободной конвекции. Определена область существования предельных режимов отрыва паровых пузырей от поверхности нагрева: статического и динамического в зависимости от значений числа Якоба ра). Выполнено сопоставление аналитических решений с результатами непосредственных измерений для широкого диапазона теплофизических и режимных параметров процесса и показано их удовлетворительное соответствие.

Впервые получено уравнение движения нестационарного всплыва-ния парового пузыря переменного размера в объеме перегретой и недогретой жидкости. Выполнены численные расчеты размеров паровых пузырей и скорости их всплывания в объеме перегретой (недогретой) жидкости.

На основе физических характеристик механизма переноса теплоты получено новое соотношение в обобщенных переменных для расчета интенсивности теплоотдачи при кипении жидкостей в условиях свободной конвекции. Показано существование различных режимов теплопе-реноса от поверхности нагрева в зависимости от значения числа Якоба ^а). Сопоставление полученного уравнения с многочисленными экспериментальными результатами для широкого диапазона изменения определяющих параметров процесса показало удовлетворительное качественное и количественное соответствие.

Исследовано влияние поля гравитации на основные гидродинамические характеристики диспергирования газа (пара) в жидкость. Выполнено сопоставление аналитических решений с экспериментальными данными и показано их соответствие.

Исследовано влияние поля гравитации на основные физические характеристики парообразования и интенсивность теплоотдачи. Показано, что с ростом динамической перегрузки при заданной плотности теплового потока возможен переход от развитого пузырькового кипения в кипение с недогревом жидкости до температуры насыщения и полное прекращение образования паровой фазы на поверхности нагрева. Получены новые количественные характеристики существования указанных режимов теплоотдачи.

Получены новые аналитические расчетные соотношения для расходных характеристик газлифтных аппаратов. Разработана методика расчета газлифтных подъемников жидкости и контуров циркуляции контакт-

ных аппаратов. Разработана методика расчета циркуляционного контура парогенератора с естественной циркуляцией жидкости.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Результаты выполненной работы используются в ряде проектно-кон-структорских и научно-исследовательских организаций: Государственном институте азотной промышленности (ГИАП), институте ядерной энергетики АН Белоруссии, физико-техническом институте низких температур АН Украины, Астраханском научно-исследовательском и проектном институте газовой промышленности, Челябинском филиале ВНИИ «ВО-ДГЕО» и других организациях.

Полученные в работе теоретические решения и экспериментальные результаты вошли в учебную техническую литературу и монографии по гидродинамике и теплообмену в гозо(поро)жидкостных системах отечественных и зарубежных издательств.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Результаты теоретического и экспериментального исследования основных термогидродинамических характеристик процессов непосредственного контакта газов (паров) с жидкостью. Впервые установлены области существования различных режимов диспергирования газов (паров) в слой жидкой фазы: статический, динамический, струйный. Показано, что указанные режимы определяются значениями обобщенных переменных — чисел Вебера (М'е) и Фруда (Рг).

2. Впервые выполнено аналитическое исследование интенсивности теплообмена при образовании газовых (паровых) пузырей в слое жидкости. Полученные соотношения позволяют рассчитать степень нагрева и охлаждения пузырей за период их формирования у газораспределительного устройства для различных условий теплообмена.

3. Впервые на основе исследований гидродинамических характеристик диспергирования получены аналитические соотношения для расчета газосодержания и удельной поверхности контакта фаз барботажно-го слоя при относительно малых уровнях светлой жидкости над газораспределительным устройством.

4. Получены новые аналитические решения для отрывных размеров паровых пузырей и частоты их отрыва от поверхности нагрева при кипе-

ни'и жидкостей в условиях свободной конвекции. Определена область существования предельных режимов отрыва: статического и динамического в зависимости от значений числа Якоба ра).

5. Впервые получено уравнение нестационарного всплывания паровых пузырей переменного размера в объеме перегретой и недогретой жидкости. На основании проведенных численных расчетов показаны особенности всплывания паровых пузырей в объеме перегретой и недогретой жидкости.

6. Выполнены аналитические и экспериментальные исследования интенсивности конденсации паровых пузырей в недогретой жидкости в условиях невесомости и нормальной гравитации.

7. На основе физических характеристик механизма переноса теплоты получено новое соотношение в обобщенных переменных для расчета интенсивности теплоотдачи при кипении в условиях свободной конвекции. Показано существование различных режимов теплоотдачи от поверхности нагрева в зависимости от значений числа Якоба (.к).

8. Исследовано влияние поля гравитации на основные гидродинамические характеристики диспергирования, физические характеристики парообразования и интенсивность теплоотдачи. Показано, что с ростом динамической перегрузки при заданной плотности теплового потока наблюдается переход от развитого пузырькового-кипения в кипение с недогревом жидкости до температуры насыщения и полное прекращение образования паровой фазы на поверхности нагрева. Получены новые количественные характеристики существования указанных режимов теплоотдачи.

9. Получены новые аналитические расчетные соотношения для расходных характеристик газлифтных аппаратов. Разработана методика расчета газлифтных подъемников жидкости и контуров циркуляции контактных аппаратов. Разработана новая методика расчета циркуляционного контура парогенератора с естественной циркуляцией жидкости.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались на IV Всесоюзной конференции по теплообмену и гидравлическому сопротивлению двухфазного потока (Ленинград, 1971), на IV Всесоюзном совещании по тепло- и массообмену (Минск, 1972), на V Всесоюзной конференции по теплообмену и гидравлическому сопротивлению двухфазного потока в элементах энергетических машин и аппаратов (Ленинград, 1974), на V Всесоюзном совещании по тепло- и массообмену (Минск, 1974), на VI Всесоюзной конференции по теплообмену и гидравлическому сопротивлению при движении двухфазного потока в элементах энергетических машин и аппаратов (Ленинград, 1978), на XXI Сибирском теплофизичес-ком семинаре «Теплообмен и гидрогазодинамика при кипении и конденсации» (Новосибирск, 1 978), на Второй Всесоюзной конферен-

ции «Теплофизика и гидрогазодинамика процессов кипения и конденсации» (Рига, 1988), на Всесоюзной научно-практической конференции «Пути интенсификации производства с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, торговле и на транспорте» (Одесса, 1989), на Всесоюзной научно-технической конференции «Технология подготовки и переработки сернистых газовых конденсатов и нефтей из сероводородсодержащих месторождений» (Уфа, 1989), на Всесоюзной научно-технической конференции «Холод — народному хозяйству» (Ленинград, 1991), на III Минском международном форуме по тепло- и массоообмену (Минск, 1996), на Международной научно-технической конференции «Холод и пищевые производства» (Санкт-Петербург, 1996), на Международном Симпозиуме "Физические основы теплообмена при кипении и конденсации" (Москва, 1997), на ежегодных внутривузовских научно-технических конференциях и Межкафедральных семинарах с 1972 по 1997 гг.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 35 статьях. Всего по теме диссертации опубликовано более 50 работ.

Ряд полученных аналитических решений и экспериментальных данных отражены в учебной литературе и Монографиях по гидродинамике и теплообмену в газо(паро)жидкостных системах; по механизму кипения жидкостей:

1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. — М.: Энергоиздат, 1981. — 416 С.

2. Кутепов A.M., Стерман Л.С., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. Учебное пособие для вузов. — М.: «Высшая школа», 1986. — 447 С.

3. Присняков В.Ф. Кипение. — Киев: Наукова думка, 1988. — 240 С.

4. Веркин Б.И., Кириченко Ю.А., Русанов К.В. Теплообмен при кипении в полях массовых сил различной интенсивности. — Киев: Наукова думка, 1988. - 256 С.

5. Справочник по теплообменникам. В двух томах. Перевод с английского под редакцией члена-корреспондента АН СССР Б.С. Петухо-ва и канд. технич. наук В.К. Шикова. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 560 С.

6. Васильев Б.В., Стюшин Н.Г. Теплоотдача при кипении жидкостей.

— Учебное пособие для вузов. Издательство Курского государственного технического университета, 1995. — 217 С.

7. Аметистов Е.В., Клименко В.В., Павлов Ю.М. Кипение криогенных жидкостей. — Под ред. В.А. Григорьева. — М.: Энергоатомиздат, 1995.

- 400 С.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация объемом 205 страниц машинописного текста состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения; включает 39 рисунков и список цитируемой литературы из 178 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе на основе анализа современного состояния вопроса о гидродинамических характеристиках процесса диспергирования газа в жидкость сформулированы и решены ряд задач. Выполнено аналитическое исследование динамики формирования газовых пузырей в слое жидкости из отверстий газораспределительных устройств.

Получено новое соотношение для расчета отрывных размеров газовых пузырей, которое в обобщенной форме имеет вид

Ь 4-

Ег

и-р,

-

Ь2 =

Тг

д-р;

0)

где Ъ = с!п/(3д — относительный отрывной диаметр пузыря; р = рг/рж — относительная плотность;

Гг

V,

число Фруда;

^"(Рж-Рг)г^ "число Вебера

Частота формирования пузырей у газораспределительного устройства определяется соотношением

(2)

где: оьГ =--число Струхаля.

Уо

На основании полученных решений обнаружены различные режимы диспергирования и установлены области их существования в зависимости от значений обобщенных переменных — чисел Фруда и Вебера. Пока

зано, что в предельных случаях предложенные соотношения переходят в известные частные решения. С использованием скоростной киносъемки проведено экспериментальное исследование ряда гидродинамических характеристик процесса диспергирования для различных систем газ-жидкость в широком диапазоне изменения теплофизических и режимных параметров. Результаты настоящей работы и известные экспериментальные данные сопоставлены с полученными решениями и показано их удовлетворительное согласование.

Выполнено экспериментальное исследование струйного режима диспергирования газа в слой жидкости для различных геометрических, физических и режимных параметров процесса. Получены соотношения для определения условий возникновения струйного режима диспергирования и длины проникновения факела газовой струи в жидкость

(

Ггкр= 2,4-10

-3

Рж Рг ^ рг )

ч 1,65

\¥е

2,45 Рг,

0,36

(3) И)

где:

Гг. =

Р^о

(Рж - Рг)^о

модифицированное число Фруда.

с

На основе рассмотренных гидродинамических характеристик процесса диспергирования газа в слой жидкости впервые выполнено аналитическое исследование объемного газосодержания и удельной поверхности контакта фаз в аппаратах барботажного типа. Получены уравнения для расчета газосодержания и удельной поверхности контакта фаз газожидкостного слоя при относительно малых уровнях светлой жидкости над газораспределительным устройством

Ф

V,

З^Р,

11/2

(5)

6ф сГ

6vr

<1,

З^Р,

-11/2

4йп(рж -

¡6)

где у0 — скорость газа, приведенная к свободному сечению газораспределительного устройства;

^ — коэффициент гидродинамического сопротивления. Результаты аналитических исследований сопоставлены с экспериментальными данными и показано удовлетворительное согласование.

Впервые выполнено аналитическое исследование интенсивности теп-лопереноса за время образования газовых пузырей в слое жидкости у газораспределительного устройства для условий, когда рассматриваемый процесс определяется одновременно двумя механизмами переноса теплоты — кондуктивным и конвективным. В соответствии с принятой физической моделью дифференциальное уравнение процесса в обобщенных переменных имеет вид

-<~р + (ш +- 2пг + 3/г) 0 - 3/г = 0 (7)

где

ш = 48,0

Ре"1

п = 24,0

к)

к.

а

Уравнение (7) включает два предельных случая: при п = О процесс теплопереноса имеет кондуктивный характер, при т = 0 — конвективный.

Для получения приближенного решения использовано разложение величины Ш + 2ПГ по отрицательным степеням, что позволило получить асимптотический (расходящийся) ряд. Сохранив оптимальное число членов этого ряда удалось максимально приблизить полученное разложение к значению исходного материала. Приближенная расчетная формула имеет вид

0(г)

+

4п2г3

4п

2пг - ш

2п - ш

2п - ш2 2пг + т

1 +■

2п

2п - т2

2п + т

1 +

(2пг + т)

_2п_

(2п + т)2

х ехр I -п (г2 - 1) - т (г - 1)

^ +

(8)

Численное интегрирование уравнения (7) методом Рунге-Кутта четвертого порядка показало соответствие с результатами расчета по уравнению (8) с точностью до 1% во всей области изменения значений независимой переменной Г > 1. Полученное решение (8) можно использовать в качестве общего расчетного выражения для процесса теп-лопереноса при формировании газовых (паровых) пузырей в слое жидкости для режима развитой конвекции (п > 1) и произвольного влияния кондуктивного механизма переноса теплоты.

В итоге выполненных исследований получены необходимые расчетные рекомендации для проектирования газораспределительных устройств барботажных аппаратов.

Во второй главе представлены исследования основных физических характеристик кипения жидкостей: скорость роста паровых пузырей на поверхности нагрева, отрывные размеры паровых пузырей и частота их образования, плотность центров парообразования, особенности всплывания паровых пузырей в объеме перегретой или недогретой жидкости.

Одной из основных физических характеристик механизма теплообмена при кипении жидкостей является скорость роста паровых пузырей на поверхности нагрева. На основе анализа и сопоставления различных решений показано, что модель В.В. Ягова наилучшим образом соответствует современным физическим представлениям, а расчетное соотношение удовлетворительно согласуется с имеющимися экспериментальными данными. Соотношение В.В. Ягова приводится к виду

ск И 11

где:

Г (Да) = Да <[1 + |-Да 4- ~[2р2Д* + (М*)']*

р с ЛТ

т _ К ж рж

— — число Якоба;

Р„г

Р2 , Р3 — эмпирические константы.

Автором выполнен анализ изменения функции Р ра), на основе которого показано:

при Да <1,0 Г(Да) = Да

при Да > 600 Р'(Да) = 3-10"2 Да2

Соотношение (9} использовано при решении задачи об отрывном размере и частоте отрыва парового пузыря от поверхности нагрева. В соответствии с принципом Даламбера получено уравнение динамического равновесия для парового пузырька, находящегося в момент отрыва от поверхности нагрева под действием определенной системы сил. Решение этого уравнения относительно отрывного размера пузыря в обобщенных переменных имеет вид

+ по,

Из уравнения (10) следуют два предельных решения для отрывных размеров паровых пузырей

и

с ал ^ 6а,

1.)

или <1

6ас1.

(рж ~Р„)§

К

(П)

Ь = ея

Р а'

г>к н

(р»

\Уг

02)

или

V

Полученное решение для частоты отрыва парового пузырька от поверхности нагрева имеет вид

М2

= (14)

аж

На рис. 1 и 2 представлено сопоставление решений (10) и (14) с результатами непосредственных измерений для широкого диапазона теплофизических и режимных параметров процесса. Из рис. 1 видно,

что при значениях < 2,0 имеет место статический режим отры-

ва пузырька от поверхности нагрева. При этом (1/1. = 0,3, что совместно с решением (11) позволяет оценить размер Микровпадин поверхности нагрева

а. = 4,5-10~'1. (15)

При значениях

Г (/а) > 10г преобладает динамический режим отрыва. В этом случае (при Бш = 1,74)

0 - 1 -о - 2 «- - 3 « - 4 * — 5 -« - в ' +

4 >г 4 /

■(- - в -ф -0

.. . > Р +

0

- 1

« 0 -0 1

1(Г® 2 4' • 6 8 10 2 4 5 8 10' 2 4 в 91? г 4 6 8 «'

м\ а. / /

/гг

/ с

/ 1

/

у.

/ 1 г 3

* / б —

0 / 0 р

• -5

/ /

' А

/

/

/

Рис. 1. Сопоставление решения (10) с экспериментальными данными:

- Е.Щ1];

- П142[1]; • бензол [2]:

■ вода [3];

■ этиловый спирт [2]; вода [4];

— вода [5].

1

2

3

4

5

6

7 -

Ф.)

Рис. 2. Сопоставление решения (14) с экспериментальными данными:

1 - К1211];

2 -К1Щ1];

3 - Ш42П/;

4 — азот /б/:

5 — вода [3].

Экспериментальный материал по частоте отрыва пузырьков от поверхности нагрева (рис. 2) подтверждает решение (14) при £х = 0,625.

Скорость всплывания паровых пузырей в объеме перегретой или недогретой жидкости является одной из характеристик рассматриваемых процессов. При этом существенной особенностью служит факт изменения размера парового пузыря при всплывании за счет тепло- и массообмена с окружающей его жидкостью. Автором исследовано свободное всплывание паровых пузырей в объеме перегретой и недогретой жидкости. Полученное уравнение движения имеет вид

du т иг 3u dR >т .

— + L— +---N = 0 (17)

dx R Я dx 1 '

где

N =г ~ P")g ; L= 9Р~

^Рж+Рп) ^(^Р.+Рп

Для условий R = const (dR/dt = 0) уравнение (17) упрощается и имеет аналитическое решение

2 VNlJ (VN - ПурЩ(Vn + u0 Jl/r)

(18)

Стационарная скорость всплывания в этом случае определяется выражением

исш =

1/2

40 9

(Рж-Рп^К Рж

1/2

(19)

При исследовании нестационарного всплывания парового пузыря переменного размера в объеме перегретой и недогретой жидкости в соответствии с уравнением (17) для учета радиальной скорости поверхности пузыря использовано соотношение

Ж с1т

Заж | 2а^и

та

Зкх

1/2

Да

(20)

Совместное рассмотрение уравнений (17) и (20) позволяет найти искомые зависимости И = (рДт), и = ф2(^) • Расчеты

выполнены на ЭВМ методом Рунге-Кутта при значениях ,1а = 0,1-20. В качестве начального условия было принято: при

Т = 0, В = 110 = 10~3 м, и = и0 = 1(Г4 - 2-10'2м/с. Результаты расчетов показали, что изменение начальной скорости всплывания пузырей в указанном диапазоне практически не влияет на значения и характер изменения искомых параметров. При этом существенное влияние на размеры паровых пузырей и скорость их всплывания оказывает численное значение числа Якоба.

При всплывании паровых пузырей в объеме перегретой жидкости с ростом числа Якоба радиальная скорость роста поверхности пузыря увеличивается, размер пузыря возрастает и кривые скорости всплывания существенно отклоняются от стационарного режима всплывания. Этот факт объясняется тем, что рост подъемной силы опережает увеличение силы гидродинамического сопротивления.

При всплывании пузырей в объеме недогретой жидкости с ростом числа Якоба время, необходимое для полной конденсации парового пузыря существенно сокращается. При этом скорость всплывания пузыря для

X < 3-10 2 с увеличивается, а затем снижается, что обусловлено изменением соотношения между подъемной силой и силой гидродинамического сопротивления. Полученные результаты численного интегрирования согласуются с непосредственными измерениями.

На основе рассмотренных физических характеристик процесса автором предложен аналитический метод расчета суммарной плотности теплового потока при пузырьковом кипении жидкостей. В соответствии с современными представлениями было принято; что суммарная плотность теплового потока определяется:

плотностью теплового потока, расходуемого на фазовое превращение (парообразование)

qi=7f<rPnz, (2i) '

о

плотностью теплового потока, расходуемого на перегрев жидкости, поступающей из объема к поверхности нагрева

it,. AT q,=— fa zs p с -, (221

ГШ n ИГ ж рж 0 / X-^^l

D L

плотностью теплового потока, выносимого из пристенной области в форме работы, затрачиваемой на образование поверхности раздела фаз

q3 = 7tcPfzcj (23)

Из уравнений ¡21), (22) и (23) следует

3 тс ( 1 КсЛ

Ч = ГЧ =-fd'rpnz[^l + -smJa + 6,0—J (24)

Для расчета отрывных размеров пузырей и частоты их отрыва ис-, пользованы решения (10) и ¡14). Оценка плотности действующих цент-

ров парообразования выполнена по соотношению

ъ- в.

У N 2

грпАГ

I аТ.

Совместное рассмотрение уравнений (10), (14), (24), (25) и приведение результата к обобщенной форме дает

Ре. = - тгР28,е21а2Да2Е(\ГаН 1^1 + Да ] + 6,0Кс [■ (26)

Ии. = | пргехг2т2ЗаТ(За)Щ1 + Да ] + 6,0Ка |

3 ' ' 1 ' ''(V 2 1 ' I <27)

где Ре, = —— — модифицированное число Пекле; гр а

гп ж

КГ = —

~ ^ — модифицированное число Нуссельта;

1« =

_ (ГРП)21.

РжСрж°ТН

— безразмерное число температуры насыщения;

и- С

[Л.О = —,-г— — безразмерное число как мера отношения ра-

(Г Р„ ) 1» боты образования поверхности раздела фаз, к теплоте, необходимой для испарения количества жидкости, равного массе пара в объеме, ограниченном созданной поверхностью.

Уравнения (26) и (27) сопоставлены с многочисленными экспериментальными результатами для широкого диапазона изменения определяющих параметров процесса пузырькового кипения. Показано удовлетворительное качественное и количественное соответствие.

В третьей главе диссертации изложены результаты исследования термогидродинамики паровой фазы в объеме недогретой жидкости. Выполнено аналитическое исследование интенсивности конденсации паровых пузырей в недогретой жидкости для условий пониженной и нормальной гравитации. Динамика конденсации паровых пузырей в условиях невесомости описывается уравнением

Р = К = 1-£Л-Го,< 1281

Уравнение (28) в отличии от известных соотношений получено для условий, когда температурное поле в жидкости, окружающей паровой пузырь, описывается уравнением

Т = Т - ДТ е^

х

(29)

где

Го =

а т

ж

— число Фурье.

На рис. 3 приведено сопоставление решения (28) с опытными данными, полученными в условиях невесомости. Время полной конденсации парового пузыря в этом случае определяется выражением

г. =5 51 л-

к . н

4 а

(30)

•

~~ 1 х'

>

) 0

V

\

\

0 \

г 411 »* г (:0 *

Рис. 3. Сопоставление ■решения (28) (кривые) с экспериментальными данными [1] (точки):

1 — этиловый спирт

(Мн = 14,8);

2 — вода (1ан = 15,6);

Решение для скорости конденсации паровых пузырей, всплывающих в объеме недогретой жидкости имеет вид

Р =

/ 3 ^

1 ^.Ре^о

\

л/2я

(31|

у

_ иИ0

где = — число Пекле.

Время полной конденсации парового пузыря в этих условиях определяется выражением

к 3

Уг

(32)

На рис. 4 уравнение (32) сопоставлено с экспериментальными данными по конденсации паровых пузырей при кипении азота с недогре-вом.

Полученные решения позволяют рассчитать высоту всплывания паровых пузырей в объеме недогретой жидкости и оценить интенсивность теплообмена в рассматриваемых условиях. Высота всплывания паровых пузырей определяется выражением

Н _ (2тс)х Ре>

Да.

(33)

\ V

N \ • \

V \

1» ,/а.л/Р?

Рис. 4. Сопоставление решения (32) с экспериментальными данными[8].

Интенсивность теплоотдачи, осредненная за время конденсации, оценивается по соотношению

(2к) (34)

где

лт„ = аК°

^ — число Нуссельта.

Выполнены аналитические и экспериментальные исследования различных режимов диспергирования паров в слой недогретой жидкости. Проведено аналитическое исследование динамики формирования паровых пузырей в объеме недогретой жидкости при пузырьковом режиме диспергирования. Экспериментальное исследование конденсации паровых пузырей в объеме недогретой жидкости выполнено на специальной установке с применением скоростной киносъемки процесса. Материалы киносъемки использованы для монтажа короткометражного фильма по динамике конденсации паровых пузырей при различных режимных параметрах процесса. Экспериментальные данные по отрывным размерам паровых пузырей в объеме недогретой жидкости при пузырьковом режиме диспергирования обобщены соотношением

^ = 31,6 сЗл

1/2

(35)

Анализ термогидродинамики процесса диспергирования паров в объ-

ем недогретой жидкости с использованием методов теории подобия позволил выполнить обобщение опытных данных по длине проникновения факела паровой струи для струйного режима диспергирования в виде

1с/а0 = Ег.°'56.Дан-°'65 (36)

В четвертой главе изложены результаты выполненных исследований влияния поля гравитации на гидродинамические характеристики диспергирования газов (паров) в жидкость, физические характеристики парообразования и интенсивность теплоотдачи при кипении жидкости. Проведен анализ полученных уравнений (]), (2) и сопоставление этих уравнений с экспериментальными данными для условий, отличных от нормальной гравитации. Показано, что с ростом динамической перегрузки системы отрывные размеры пузырей уменьшаются, а частота их отрыва от газораспределительного устройства возрастет. Экспериментальные данные для систем гелий-кислород(0,001 < Г| < 1,0) , вода-азот, гелий, аргон и глицерин-азот, гелий, (Т) = 100 — 600) аргон для широкого диапазона изменения режимных параметров процесса сопоставлены с уравнениями (1), (2) и показано удовлетворительное согласование.

Исследовано влияние пониженной (невесомость) и повышенной (динамическая перегрузка) гравитации на основные физические характеристики парообразования и интенсивность теплоотдачи при кипении жидкости в условиях свободной конвенции. На рис. 5, 6 и 7 результаты непосредственных измерений для ряда жидкостей, полученных в условиях различной гравитации сопоставлены с аналитическими выражениями (10), (14) и (27). Сопоставление результатов теоретического анализа с экспериментальными данными, полученными в условиях различной гравитации показало удовлетворительное соответствие. Установлено, что с увеличением динамической перегрузки происходит уменьшение отрывных размеров паровых пузырей

<*„ / С1п0 « Т1 ^ (37)

При этом частота образования паровых пузырей возрастает

^ / * П/3 (38)

^ ^ ____

J 0 X J

Г"*** \ "О»

о — I • — 2 "О. — 3 ■».— 4

10' 2 4 в в 10' 2 4 6 8 ч10'

Рис. 5. Сопоставление решения (10) с экспериментальными данными:

1 — кислород [9];

2 — диэтиловый

эфир [10];

3 - вода [111;

4 - вода [12}.

i /

л /

/ /

0 J

/ f 9

/ Ж „ я

—/ г /

Г- «— ! ж—2 4-3 е— <

Ю 2 4 б 8 10 2 ' 4 6 в 10 2 4 6 в 10

"Л

Рис. 6. Сопоставление решения (14) с экспериментальными данными:

1 — кислород [9];

2 — диэтиловый

эфир [10];

3 - R113 [13J;

4 - вода 111].

0 <1 0

0 1 -О— 2 -О. •0-

1

1 • —4

и* 1 1 I I II* 1 « ( * «' 1 | ■ I «' 7 4 I | и

Рис. 7. Коэффициенты теплоотдачи при кипении жидкостей в условиях различной гравитации: 1 — кислород [14]; 2 — вода [15}; 3 — этиловый спирт [16]; 4 — этиловый эфир [16].

Указаны условия, при которых коэффициент теплоотдачи не зависит от уровня гравитации. Показано, что кипение жидкости в условиях различного поля гравитации отличается рядом существенных особенностей, обусловленных изменением гидростатического давления и температуры насыщения в обьеМе жидкости. Рассмотрено влияние поля гравитации на распределение температуры насыщения и температуры жидкости при кипении в условиях свободной конвекции. Показано, что с ростом динамической перегрузки при заданной плотности теплового потока наблюдается переход от развитого пузырькового кипения с не-догревом жидкости к прекращению образования паровой фазы на поверхности нагрева. На основе анализа условий зарождения паровой фазы на поверхности нагрева пол учены количественные характеристики существования указанных режимов теплоотдачи.

В пятой главе приведены аналитические исследования расходных характеристик циркуляционных контуров газо(паро)-жидкостных аппаратов. При этом были использованы термогидродинамические характеристики вертикальных газо(паро)-жидкостных потоков. Рассмотрено гидравлическое сопротивление газожидкостного потока в подъемном участке газлифта, которое складывается из нивелирных потерь давления, потерь давления на трение и ускорение потока. Показано, что суммарные гидравлические сопротивления при определенном значении массового газосодержания имеют Минимальное значение, что соответствует максимальному массовому расходу жидкости газлифта. Аналитическое расчетное соотношение расходной характеристики газлифтного аппарата имеет вид

з

(Рж^Ь - £ Ар)ржс14 __1=_1_

Методика расчета газлифтных подъемников жидкости и контуров циркуляции контактных аппаратов сводится к следующим основным операциям. Необходимо рассчитать значения и построить график функции

^(ГП ), вид которой следует из уравнения

*1(тж) = РжёЬ -

0,81т;

1 +

\

(40)

При этом область изменения массового расхода жидкости определяется соотношением

0,81(1 4- Я1Ь1 / с!)

1/2

(41)

Затем для указанной области изменения массового расхода жидкости и соответствующих значений массового газосодержания рассчитать каждую составляющую суммарных гидравлических сопротивлений и построить график функции

КДт^х) = ¿Ар

(42)

Точка пересечения кривых ^(ш^) и Р,(Шж,х) будет определять массовую подачу жидкости газлифта при соответствующем массовом расходе газа

Г X ^

(43)

тг =

VI

Разработана методика термогидродинамического расчета контура парогенератора с естественной циркуляцией жидкости, которая позволяет анализировать значения каждой составляющей суммарных гидравлических сопротивлений парожидкостного потока в обогреваемом подъемном участке контура. Основное расчетное уравнение контура циркуляции парогенератора имеет вид

Рн-Р^РжёОч-Ь-ЛЬ)-

и:

2РЖ

Г аЛ К^ч Я,2аь —1 + — + —2—

с!х а2

= Елр

¡=1

(44)

Методика расчета массовой скорости потока сводится к расчету перепада давлений р — р = Др = ^(р'и) по уравнению (44) и

построению графика Ар = Р1(р\7') . При этом область изменения массовой скорости потока ограничена соотношением

(Р^) < Р„

2ё(Ъ1 - Ь - АЬ)

+ + ~—

1/2

(45)

Затем для указанного диапазона изменения массовой скорости потока рассчитывается каждая составляющая гидравлического сопротив-

3

ления парожидкостного потока и строится график

1=1

Точка пересечения кривых ГДрЛ/) и Г2(ру) определяет искомую

массовую скорость потока и скорость циркуляции жидкости в контуре. На основе разработанных методик выполнены примеры расчета газ-лифтных подъемников жидкости, контуров циркуляции контактных аппаратов и скорости циркуляции в контуре генерации водяного пара при различных значениях высоты экономайзерного участка.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе выполненных аналитических и экспериментальных исследований разработана методика расчета основных термогидродинамических характеристик процессов непосредственного контакта газов (паров) с жидкостью. Впервые установленны области существования различных режимов диспергирования газов (паров) в слой жидкой фазы: статический, динамический, струйный. Для каждого из указанных режимов получены расчетные уравнения для основных термогидродинамических характеристик.

2. Впервые выполнено исследование интенсивности теплообмена при образовании газовых (паровых) пузырей в слое жидкости. Полученные соотношения позволяют рассчитывать степень нагрева или охлаждения пузырей за период их формирования у газораспределительного устройства для различных условий теплообмена.

3. Впервые на основе исследований гидродинамических характеристик диспергирования газа в слой жидкости получены аналитические соотношения для расчета газосодержания и удельной поверхности контакта фаз барботажного слоя при относительно малых уровнях светлой жидкости над газораспределительным устройством.

А. Выполнено исследование основных физических характеристик кипения жидкостей в условиях свободной конвекции: скорость роста паровых пузырей на поверхности нагрева, отрывные размеры паровых пузырей и частота их образования, скорость всплывания паровых пузырей в объеме перегретой и недогретой жидкости. Получены новые аналитические решения для отрывных размеров паровых пузырей и частоты их отрыва от поверхности нагрева. Сопоставление этих решений с экспериментальными данными для различных физических свойств кипя-дих жидкостей и широкого диапазона изменения режимных парамет-эов процесса показало удовлетворительное соответствие.

5. На основе физических характеристик механизма переноса теплоты получено новое соотношение в обобщенных переменных для расчета интенсивности теплоотдачи при кипении жидкостей в условиях свободной конвекции. В зависимости от значений числа Якоба указаны тредельные режимы отвода теплоты от поверхности нагрева и получе-■1ы соответствующие соотношения для расчета коэффициентов теплоот-1ачи. Результаты аналитического исследования интенсивности теплоот-*ачи при кипении сопоставлены с многочисленными опытными данными утя широкого диапазона изменения геометрических, физических и режимных параметров процесса. Показано их удовлетворительное соответствие.

6. Выполнены аналитические и экспериментальные исследования термогидродинамики диспергирования паров в недогретую жидкость. Получены аналитические решения для отрывных размеров паровых пузырей и частоты их формирования; скорости конденсации неподвижных паровых пузырей (невесомость) и паровых пузырей, всплывающих в объеме недогретой жидкости. Впервые получено уравнение нестационарного всплывания парового пузыря переменного размера в объеме перегретой и недогретой жидкости. Полученные результаты численного интегрирования согласуются с непосредственными измерениями, выполненными с использованием скоростной киносъемки.

7. Исследовано влияние поля гравитации на основные гидродинамические характеристики диспергирования газа (пара) в жидкость, на фи-зичесикие характеристики парообразования и интенсивность теплоотдачи при кипении. На основании выполненных исследований установлено, что с ростом динамической перегрузки отрывные размеры пузырей уменьшаются, а частота их образования возрастает. Получены зависимости между основными физическими характеристиками процесса кипения и уровнем гравитации. Установлено влияние поля гравитации на распределение температуры насыщения и температуры жидкости при кипении в условиях свободной конвекции. Показано, что с ростом динамической перегрузки при заданной плотности теплового потока наблюдается переход от развитого пузырькового кипения с недо-гревом жидкости к прекращению образования паровой фазы на поверхности нагрева. Получены количественные характеристики существования указанных режимов теплоотдачи.

8. На основе гидродинамических характеристик вертикальных газожидкостных потоков выполнено аналитическое исследование расходных характеристик циркуляционных контуров газожидкостных аппаратов. Разработаны методики расчета газлифтных подъемников жидкости и контуров циркуляции контактных аппаратов различного технологического назначения. Разработана методика термогидродинамического расчета контура парогенератора с естественной циркуляцией жидкости, которая позволяет анализировать значения каждой составляющей суммарных гидравлических сопротивлений парожидкостного потока в обогреваемом подъемном участке контура. На основе разработанных методик выполнены примеры расчета газлифтных подъемников жидкости, контуров циркуляции контактных аппаратов и скорости циркуляции в контуре генерации водяного пара при различных значениях высоты эко-номайзерного участка.

' СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Волошко А.А., Вургафт А.В. Динамика отрыва парового пузыря при кипении в условиях свободного движения // ИФЖ. — 1970. — Т. 19. - № 1. - С. 15-20.

2. Волошко А.А., Вургафт А.В. Исследование конденсации одиночных паровых пузырей в слое недогретой жидкости // ИФЖ. — 1970. — Т. 19. - № 2. - С.206-210.

3. Волошко А.А., Волынский А.С. О методе определения поверхности контакта фаз в барботажных аппаратах // Изв. вузов СССР. Пищевая технология. — 1970. — № 6. — С. 116-119.

4. Волошко А.А., Вургафт А.В., Фокин Ю.П. Диаметр и частота отрыва пузыря при кипении в условиях свободной конвекции // ИФЖ. — 1971. - Т. 21. -№ 5. - С. 942.

5. Волошко А.А. К теории теплообмена при пузырьковом кипении в условиях свободного движения // ИФЖ. — 1971. — Т. 21. — № 6. — С. 1118.

6. Волошко А.А. О кипении фреонов в условиях свободной конвекции // Холодильная техника. — 1971. — № 8. — С. 31-34.

7. Voloshko А.А., Vurgaft A.V. The study of single vapour bubble condensation in subcooled liquid layer // Heal Transfer. Soviet Research. —

1971. Vol. 3. - № 2. - P. 160-164.

8. Волошко A.A., Вургафт А.В. О влиянии поля гравитации на механизм кипения жидкостей //В кн.: Тепло- и Массоперенос. Минск. —

1972. - Т. 2. - Часть 1. - С. 220-224.

9. Voloshko А.А. Freon boiling under condition of free convection // Неаг Transfer. Soviet Research. - 1972. Vol. 4. - № 4. - P. 60-66.

10. Волошко A.A., Вургафт A.B., Аксельрод Л.С. Конденсация паровых пузырей в жидкости // ТОХТ. - 1973. - Т. 7. - № 2. - С. 269-272.

11. Волошко А.А. О скорости роста паровых пузырей на поверхности нагрева // ИФЖ. - 1974. - Т. 26. - № 4. - С. 744-746.

12. Волошко А.А., Вургафт А.В. Исследование механизма теплообмена при кипении в условиях свободной конвекции //В кн.: Тепло- и массоперенос при фазовых превращениях. Минск. — 1974. — Часть 1. -С. 104-106.

13. Волошко А.А. Теплообмен при кипении в условиях повышенной гравитации // ИФЖ. - 1975. - Т. 29. - № 4. - С. 737-750.

14. Волошко А.А., Вургафт А.В., Фролов В.Н. Режимы формирования газовых пузырей в слое жидкости // ИФЖ. — 1978. — Т. 35. — Nq 6. — С. 1066-1071.

15. Волошко А.А. К методике расчета рыболовного эрлифтного насоса // Рыбное хозяйство. — 1978. — Nq 6,— С. 57-59.

16. Ковалев В.М., Волошко А.А. Эрлифты в рыбном хозяйстве // Изд-во «Пищевая промышленность». M. — 1 978. — 64. с.

17. Волошко A.A. К методике гидродинамического расчета контура с естественной циркуляцией // Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции по теплообмену и гидравлическому сопротивлению при движении двухфазного потока в элементах энергетических машин и аппаратов. Секция 1. - Л. - 1978. - С. 257-259.

18. Волошко A.A., Фролов В.Н. Нестационарное всплывание паровых пузырей в жидкости // Сб. Тепло- и массообмен в химической технологии. Казань. — 1978. — Вып. 6. — С. 49-52.

19. Волошко A.A. Внутренние физические характеристики процесса парообразования // В кн. Теплообмен и гидрогазодинамика при кипении и конденсации. Новосибирск. — 1979. — С. 6-10.

20. Волошко A.A., Фролов В.Н. От отрывном размере пузыря при истечении газа в жидкость // Сб. Тепло- и массообмен в химической технологии. Казань. — 1979. — Вып. 7. — С. 62-65.

21. Voloshko A.A. Diameter and frequency of bubble departure in boiling // Letters in Heat and Mass Transfer. — 1979. — Vol. 6. — № 6. — P. 529-532.

22. Voloshko A.A. Microphysical Proterties of the Varorization // Heat Transfer. Soviet Research.- 1980. - Vol. 12.- № 2. — P. 1-5.

23. Волошко A.A., Вургафт A.B., Фролов В.Н. Наступление струйного режима диспергирования газа в жидкость // ИФЖ. — 1981. — Т. 40. - № 2. - С. 244-248.

24. Волошко A.A., Вургафт A.B., Фролов В.Н. Длина вылета газовой струи в жидкости // Сб. Тепло- и массообмен в химической технологии. Казань. - 1981. - С. 27-28.

25. Волошко A.A., Калиева Н.И. К расчету расходной характеристики эрлифта // ИФЖ. - 1983. - Т. 44. - № 2. - С. 319.

26. Волошко A.A., Васин A.A., Фролов ß.H. Гидродинамика струйного истечения газов через отверстия в барботерах // ИФЖ. — 1984. — Т. 46. _ № 4. - С. 689-690.

27. Волошко A.A. Термогидродинамика паровых пузырей в объеме недогретой жидкости // В кн.: Теплофизика и гидрогазодинамика процессов кипения и конденсации. Рига. — 1988. — С. 21-23.

28. Волошко A.A. Динамика отрыва паровых пузырей от сопла в объеме недогретой жидкости // ИФЖ. — 1989. — Т. 57. — № 6. — С. 929-932.

29. Волошко A.A. Конденсация пара в недогретой жидкости // Теплоэнергетика. - 1991. — № 5. - С. 69-70.

30. Волошко A.A., Танаянц В.А. Влияние поля гравитации на характеристики диспергирования газа в жидкость // ТОХТ. — 1991. — Т. 25. — Na 5. - С. 745-747.

31. Волошко А.А. Характеристики механизма переноса теплоты при кипении в условиях свободной конвекции // ТОХТ. — 1992. — Т. 26. — № 5. ~ С. 737-740.

32. Волошко А.А. Время конденсации паровых пузырей в объеме недогретой жидкости // ТОХТ. - 1993. - Т. 27. - № 3. — С. 320-322.

33. Волошко А.А. Теплообмен при образовании пузырей // ТОХТ. — •1994. - Т. 28. - № 2. - С. 135-187.

34. Волошко А.А. Термогидродинамика паровых пузырей в объеме недогретой жидкости //Тепломассообмен — ММФ-96. Тепломассообмен в двухфазных системах. Минск. — 1996. — Т. 4. — Часть 2. — С. 113-П6.

35. Voloshko А.А. Effects of Microgravitation and Dynamic Acceleration on Physical Characteristics and Heat Transfer Intensity Under Liquid Boiling // Physics of Heat Transfer in Boiling and Condensation. — Proceedings of the International Symposium on the Physics of Heat Transfer in Boiling and Condensation and 11-th International School — Seminar of Young Scientists and Specialists, Moscow, May 21-24. - 1997. - C. 557560.

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Р - радиус пузыря; Р0 - начальное значение радиуса пузыря;

Т -Т Р) = ж

Т — Т ~~ относительное изменение температуры; — диа-

0 ж

Метр пузыря; do - диаметр отверстия газораспределительного устройства; РГ,РЖ ~ плотность газа и жидкости; \7о - скорость газа(пара) в отверстии газораспределительного устройства; СГ ~ поверхностное натяжение жидкости; £ — частота отрыва пузыря; А,г, % ~ теплопроводность газа и жидкости; аг, &ж - температуропроводность газа и жидкости; срг'срж - теплоемкость газа и жидкости; Г ~ теплота парообразования; АТ = Тст- Ти -температурный напор; Тс - температура поверхности нагрева; Тн ~~ температура насыщения;

1.

а

-И

характерный размер для процесса ки-

.(Рж ~Ра)ё.

пения; с1, - характерный размер микровпадин поверхности нагрева; 1 - время, скорость всплывания пузыря; г- плотность центров

парообразования; С[- плотность теплового потока; 0С~ коэффициент теплоотдачи; внутренний диаметр канала; глубина погружения смесителя; коэффициент сопротивления трения для потока

жидкости; — расчетная длина участка однофазного потока жидкости до уровня подачи газа; х- массовое газо(паро)содержание; Д]^-высота экономайзерного участка; (р\0 - массовая скорость газо(паро) жидкостного потока; с! 1, с12 — внутренние диаметры труб опускного и подьемного участка контура; Г) = §с / § ~~ динамическая перегрузка; - ускорение системы; <1 = 9,81м\с2- ускорение силы тяжести.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Данилова Г.Н. Теплообмен при кипении фреонов: / Дисс. ... докт. техн. наук. Л.: ЛТИХП. - 1968

2. Головин B.C., Кольчугин БА.., Захарова Э.А. Исследование механизма пузырькового кипения этанола и бензола с помощью скоростной киносъемки //Теплопередача и гидродинамика в энергетике. М.: Наука -1976. - Вып. 35. - с. 30-36.

3. Лабунцов Д А., Кольчугин Б.А., Головин B.C. и др. Исследование механизма пузырькового кипения воды с применением скоростной киносъемки // Теплообмен в элементах энергетических установок. М.: Наука - 1966. - с. 156-166.

4. Борисов В.З., Кирилов П.Л. Экспериментальное исследование механизма переноса тепла при одиночном центре генерации пузырей // ИФЖ

- 1970. - Т. 18. - № 5. - с. 910-912.

5. Жилина В.В. Влияние гидродинамики взаимодействия пузырей и состояния поверхности нагревателя на механизм кипения при различных давлениях: Дисс. ... канд. техн. наук. Ставрополь: Ставропольский педагогический инстит/т. - 1974.

6. Веркин Б.И., Кириченко Ю.А., Русанов К.В. Теплообмен при кипении криогенных жидкостей. Киев: Наук, думка - 1987. - 264 с.

7. Флоршюц, Чао. Механизм разрушения пузырьков пара //Теплопередача. Труды Амер. об-ва инж. - механиков - 1965. - Т. 87 - № 2. - с. 58-72.

8. Левченко Н.М. Экспериментальное исследование кипения криогенных жидкостей с недогревом: Дисс. ... канд. техн. наук. Харьков. - 1979.

9. Чаркин А.И. Исследование кипения кислорода в условиях имитации слабых полей массовых сил: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Харьков.

- 1974.-28 с.

10. Кириченко Ю.А., Долгой М.Л. Исследование кипения в плоских наклонных контейерах, моделирующих слабые гравитационные поля // Теплофизика высоких температур. - 1970. - Т. 8. - №1. - с. 130-135.

11. Siegel R., Keshock Е. Effect of reduced gravity on nucleate boiling bubble dynamic in saturated water // Amer. Inst. Chem. Eng. Journal. -1964. - Vol. 10. - No. 4 - p. 509-517.

12. Усыскин С., Зигель P. Экспериментальное исследование кипения в ослабленном и нулевом гравитационном поле // Теплопередача. Труды Амер. об-ва инж. - механиков. - 1961. - Т. 83. - № 3. - с. 15-28.

13. Померанц М. Пленочное кипение на горизонтальной трубе в усиленных гравитациооных полях//Теплопередача. Труды Амер. об-ва инж.

- механиков. - 1964. - Т. 86. - № 2. - с. 98-106.

14. Кириченко Ю.А., Чаркин А.И. и др. Исследование теплообмена при кипении в условиях имитации слабых гравитационных полей // ИФЖ.

- 1969. - № 2. - с. 201 - 209.

15. Бекман, Мерт. Фотографическое исследование процесса кипения в ускоряющейся системе // Теплопередача. Труды Амер. об-ва инж. -механиков. - 1965. - Т. 86. - № 3 - с. 60-68.

16. Веркин Б.И., Кириченко O.A. и др. Моделирование слабых гравитационных полей для исследования теплообмена при кипении. //В кн.: Гидравлика и теплообмен в элементах энергетического оборудования. -

Труды ЦКТИ. - 1970. - Вып. 101. - с. 152-164.

ЗАО «ДАР/ВОДГЕО» Зак. № 003, тираж 100 экз. 06.11.97

'У V —• ' I

Астраханский государственный технический университет

На правах рукописи

ВОЛОШКО АНАТОЛИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН В ГАЗО-ПАРОЖИДКОСТНЫХ СИСТЕМАХ АППАРАТОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ. ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА

05.17.08 — Процессы и аппараты химической технологии

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Президиум ВАК Р

(решение от" "

\ I

|| присудил ученую с

Научный консультант доктор технических наук, профессор Стюшин Н.Г.

[ачальник упра

Москва — 1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ,

СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ..................

ВВЕДЕНИЕ...........................................

ГЛАВА I. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ДИСПЕРГИРОВАНИИ ГАЗОВ В ОБЪЕМ ЖИДКОСТИ

1.1. Динамика образования газовых пузырей

в слое жидкости............................ 12

1.1.1. Аналитические исследования................ 12

1.1.2. Экспериментальные исследования и обработка опытных данных........................... 16

1.2. Струйный режим истечения газов

в объем жидкости.......................... 21

1.2.1. Аналитический обзор экспериментальных работ................... 21

1.2.2. Экспериментальное исследование условий наступления струйного режима истечения и длины вылета газовой струи

в объеме жидкости......................... 35

1.3. Исследование интенсивности теплообмена при образовании газовых пузырей

в слое жидкости............................ 45

1.3.1. Состояние вопроса.......................... 45

1.3.2. Аналитическое исследование изменения температуры газового пузыря на стадии

его формирования в слое жидкости........... 48

1.4. Объемное газосодержание и поверхность контакта фаз в аппаратах барботажного типа......... 54

ГЛАВА И. ТЕРМОГИДРОДИНАМИКА ФИЗИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК КИПЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ 2.1. Скорость роста паровых пузырей на поверхности нагрева............................... 64

2.2. Отрывные размеры паровых пузырей и частота их образования на поверхности нагрева...... 67

2.3. Всплывание паровых пузырей в объеме перегретой и недогретой жидкости.......... 72

2.4. Расчет интенсивности теплоотдачи при кипении на основе физических характеристик процесса парообразования.......................... 77

ГЛАВА III. ТЕРМОГИДРОДИНАМИКА ПАРОВОЙ ФАЗЫ В ОБЪЕМЕ НЕДОГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ

3.1. Интенсивность конденсации неподвижных паровых пузырей.......................... 81

3.2. Скорость конденсации всплывающих

паровых пузырей.......................... 86

3.3. Отрывные размеры паровых пузырей и частота их образования при диспергировании паров

в недогретую жидкость.................... 97

ГЛАВА IV. ВЛИЯНИЕ ПОЛЯ ГРАВИТАЦИИ НА ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ГАЗОВ (ПАРОВ) В ЖИДКОСТЬ, ПАРООБРАЗОВАНИЕ И ИНТЕНСИВНОСТЬ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ КИПЕНИИ

4.1. Влияние поля гравитации на гидродинамические характеристики диспергирования газа (пара)

в жидкость............................... 106

4.2. Влияние поля гравитации на физические характеристики парообразования и интенсивность теплоотдачи при кипении.................. 109

4.2.1. Кипение при пониженной гравитации (г| < 1) 109

4.2.2. Кипение при повышенной гравитации (г| > 1) 112

4.2.3. Основные выводы результатов экспериментальных работ................................... 122

4.2.4. Анализ механизма кипения жидкостей в условиях различной гравитации на основе физических характеристик процесса.................. 124

ГЛАВА V. РАСЧЕТ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНТАКТНЫХ АППАРАТОВ

5.1. Аналитическое исследование расходных характеристик циркуляционных контуров газожидкостных аппаратов............... 132

5.2. Методика расчета газлифтных подъемнико

в жидкости и контуров циркуляции контактных аппаратов............................... 137

5.3. Примеры расчета газлифтных подъемников жидкости и контуров циркуляции контактных аппаратов.................... 138

5.4. Методика термогидродинамического расчета контура с естественной

циркуляцией жидкости................... 142

5.5. Примеры расчета скорости циркуляции в контуре с естественной циркуляцией жидкости .... 148

ВЫВОДЫ ........................................ 160

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............ 162

ПРИЛОЖЕНИЕ ........................................ 179

АКТЫ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. . 204

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ Числа подобия и обобщенные переменные

'О

^ — число фруда;

2

кр

gci0 — критическое число Фруда;

.2

I 1 V

Гг* =

Рг^О

(р - р ) gd0 — модифицированное число Фруда;

число Вебера;

т _ Рж Срж АТ

¿я = — число Якоба;

Рпг

: _0.

— число Струхаля;

V п

хт„ -

1X1 и ~ л — число Нуссельта;

Ре^^о

ия,

число Пекле;

аж

= а

~ — число Стантона;

рг Рг V0

а т Го = ж

К

число Фурье;

о

Рж^аж

число Рэлея;

Но =

ит "Ё"

число гомохронности;

Ма = —

число Маха;

N11. =

а1.

^ — модифицированное число Нуссельта;

Ч1-

Ре. = —

гр а

Г п 3-,

модифицированное число Пекле;

(гРп)21 , р с оТ '

' ж рж э

Ка =

а

гр. 1.'

К. 5

ас1.

Рж (аж)2 '

ь =

I — относительный диаметр отрыва пузыря при кипении

жидкости;

I =

.(рж -Рп)§.

характерный размер для процесса кипения, м;

Р (а У

_ Г ж V ж/

к„ =

Рж ^ж^О

(р, - Рг)§^2о'

Т

— п — относительный диаметр отрыва пузыря при диспергировании газа в жидкость;

к — — относительная плотность;

Р

Г Ж

О С

Ц = — динамическая перегрузка;

§

с1п — диаметр пузыря, м;

с10 — диаметр отверстия газораспределительного устройства, м;

V — скорость газа (пара) в отверстии газораспределительного устройства, м/с;

а — скорость звука, м/с;

Рж ' Рг(п) — плотность жидкости и газа (пара), кг/м3;

^ж > ^г(п) — кинематическая вязкость жидкости, газа (пара), м2/с;

аж , аг(п) — коэффициент температуропроводности жидкости, газа (пара), м2/с;

срж, срг(п) — теплоемкость жидкости, газа (пара), Дж/кг К;

^ж ' ^г(п) — теплопроводность жидкости, газа (пара), Вт/м К;

а — коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м;

Т — температура, К;

Т3 — температура насыщения, К;

ТЖ — температура жидкости, К;

Тст — температура поверхности нагрева, К;

Т0 — начальная температура газа (пара), К;

ЛТ = Тст - Т8 — температурный напор, К;

ЛТН = Т5 - Тж — температурный напор, К;

"Ц — скорость всплывания газового (парового) пузыря, м/с;

— объемный расход газа (пара), м3/с; — массовый расход газа (пара), кг/с;

в., — размер микровпадин поверхности нагрева, м; Г — теплота парообразования, Дж/кг;

— текущее значение радиуса пузыря, м; £ — частота отрыва пузыря, 1/с;

§ — ускорение силы тяжести, м/с2; gc — ускорение системы, м/с2; 1 — время, с;

^ — коэффициент теплоотдачи, Вт/м2 К; С[ — плотность теплового потока, Вт/м2;

— тепловой поток, Вт;

г — плотность центров парообразования, 1/м2;

— время роста парового пузыря до момента его отрыва от поверхности нагрева, с;

Т2 — время от момента отрыва до момента зарождения нового пузыря в центре парообразования, с;

8т > 8г) ет — опытные коэффициенты;

= 6,0 ; |32 = 0,3 — опытные коэффициенты.

ВВЕДЕНИЕ

Непосредственный контакт газа (пара) и жидкости широко используется во многих технологических процессах различных отраслей промышленности. Особое место контактные аппараты занимают в химической технологии: насыщение и дегазация жидкостей; выпаривание растворов с использованием погружного горения; обдув поверхностей теплообмена, расположенных в слое жидкости; окисление жидкостей кислородом воздуха в барботажных реакторах; работа термических дэаэраторов и систем гомогенизации, подогрева и эмульгирования тяжелых сортов топлива; барботажное охлаждение криогенных продуктов — далеко не полный перечень процессов, использующих принцип непосредственного контакта различных сред.

Особое значение в последнее время приобретают процессы непосредственного контакта паровой фазы с жидкостью, недогретой до температуры насыщения. Интенсивность конденсации пара в объеме недогретой жидкости определяет эффективность работы барботажных систем локализации аварий на АЭС и систем хранения криогенных жидкостей; новых технологических схем опреснительных установок и абсорбционных углеводородных холодильных машин, использующих непосредственный контакт теплоносителей. В условиях поверхностного кипения жидкостей интенсивность теплоотдачи и критическая плотность теплового потока определяются динамикой образования паровых пузырей на поверхности нагрева и скоростью их конденсации в области жидкой фазы, недогретой до температуры насыщения.

Физически обоснованные методы расчета термогидродинамических процессов в контактных аппаратах, надежная и эффективная их эксплуатация возможны только на основе глубокого изучения физики явлений и корректного представления их закономерностей. Дальнейшее совершенствование парогенерирующих аппаратов (испарителей) различного технологического назначения требует детального исследования гидродинамических и тепломассообменных процессов при парообразовании. Разра-

ботка физической модели механизма переноса теплоты при кипении жидкостей на основе исследований локальных физических характеристик процесса, совокупность которых определяет интенсивность теплоотдачи, позволяет получить физически обоснованные зависимости для расчета процессов теплопереноса при кипении жидкостей.

Для расширения физических представлений о рассматриваемых процессах и более строгой оценки корректности расчетных соотношений необходимы исследования термогидродинамических характеристик контактных аппаратов, физических характеристик механизма переноса теплоты и интенсивности теплоотдачи при кипении в условиях пониженной (невесомость) и повышенной (динамические перегрузки) гравитации. Необходимость этих исследований определяется и потребностями современной техники и новейших технологий.

На основании изложенного и аналитического обзора исследований по рассматриваемым процессам были сформулированы основные задачи настоящей работы.

1. Исследование механизма процессов непосредственного контакта газов (паров) в слое жидкости и разработка теории и методов расчета основных термогидродинамических характеристик контактных аппаратов различного технологического назначения.

2. Разработка физической модели процесса переноса теплоты и получение обобщенных зависимостей для расчета интенсивности теплоотдачи при кипении жидкостей в условиях свободной конвекции.

3. Исследование основных термогидродинамических характеристик контактных аппаратов, физических характеристик механизма переноса теплоты и интенсивности теплоотдачи при кипении в условиях, отличных от нормальной гравитации.

4. Исследование расходных характеристик циркуляционных контуров га-зо(паро)жидкостных аппаратов и разработка методики расчета газлифт-ных подъемников жидкости, контуров циркуляции контактных аппаратов различного технологического назначения. Разработка методики расчета циркуляционного контура парогенератора с естественной циркуляцией жидкости.

ГЛАВА I. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ДИСПЕРГИРОВАНИИ ГАЗОВ В ОБЪЕМ ЖИДКОСТИ

1.1. Динамика образования газовых пузырей в слое жидкости

1.1.1. Аналитические исследования

Анализ имеющихся исследований [1-11] по определению отрывных размеров газовых пузырей показывает, что к настоящему времени на основе ряда физических представлений, предложены различные соотношения, которые в известной области изменения определяющих параметров обобщают опытные данные. Однако, эти соотношения, как правило, не имеют достаточно ясных и физически обоснованных границ применения, что существенно затрудняет разработку методики расчета отрывных размеров газовых пузырей и частоты их образования. Имеющиеся эмпирические рекомендации ограничены условиями проведения опытов и не могут претендовать на широкое использование при проектировании газораспределительных устройств контактных аппаратов.

Рассмотрим равновесие газового пузыря, находящегося в момент отрыва от отверстия под действием следующих сил:

подъемной силы Р, = —~ Рг)§,

силы поверхностного натяжения Г = лс1 ст,

силы гидродинамического давления газа = — -р^0с1

^ 2т2

О

с1 (ши)

и силы инерции жидкости =-, которая обусловлена изменени-

ат

ем скорости роста поверхности пузыря за время его формирования [12,13].

При решении данной задачи авторы ряда работ [2, 5, 11] в систему действующих сил вместо силы инерции жидкости вводят силу гидроди-

намического сопротивления, а также силу вязкости. Однако следует иметь ввиду, что использование силы гидродинамического сопротивления для условий образования газовых пузырей в слое жидкости не имеет достаточного физического обоснования. В рассматриваемых условиях газовые пузыри не имеют областей обтекания, характерных для всплывающих пузырей в объеме жидкости, а поэтому и не должны испытывать силу гидродинамического сопротивления в ее обычном виде. Результаты экспериментальных исследований [4] показали, что изменение вязкости жидкости на два порядка практически не сказывается на отрывном размере газового пузыря. Этот факт позволяет не рассматривать и силу вязкости. Радиальная скорость роста поверхности пузыря при постоянном расходе газа через отверстие определяется выражением

тт сШ У0

и = - = --2— (1 1)

с1т 47111 '

Масса жидкости, движение которой обусловлено радиальной скоростью роста пузыря при его формировании, принимается пропорциональной объему пузыря

4тс

т = уРж^3 (1.2)

С учетом (1.1) и (1.2) выражение для силы инерции будет иметь вид

Р = РжУХ и 43 ¿2 (1.3)

п

Уравнение равновесия действующих сил для момента отрыва пузыря от отверстия имеет вид

_р)8 + £рУ;<1; = Я11а + И-.Р=^ (1.4)

5 ч^ж кг/ь ^ Кг о о о 48 с!

После некоторых преобразований из уравнения (1.4) получим

ъ5 +

2

Ег

/ — л Р

1 - Р

-

С

V = — Ег 8

д-р;

(1.5)

Из уравнения (1.5) следует:

При числах Ег «

(—1

V р;

V - 6"У7еЪ2 =

8

< 1 ^ д-р;

(1.6)

8

Решение уравнения (1.6) для чисел Ег « —(1 - р) имеет вид

Ь =

(1.7)

В данном случае полученное выражение (1.5) переходит в известное частное решение, когда отрывной размер газового пузыря определяется только значением числа Вебера.

Для чисел Ег = 4\¥е

м р /

Ь =

8

( л \

и - ру

(1.8)

Для чисел Ег » 4We

Р '

Ь5 + - Ег

с 1 —Л 1- р

V Р )

V = — Гг 8

1-р

(1.9)

V

Из (1.8) и (1.9) видно, что для указанных значений чисел Фруда отрыв-

ной размер газового пузыря зависит только от числа Фруда. Анализ результатов расчетов, выполненных по уравнению (1.5) показал, что отрывной размер газового пузыря возрастает с увеличением чисел "УУе и Гг, а влияние каждого из этих критериев определяется их абсолютной величиной (рис. 1.1). Общий вид полученного уравнения (1.5) учитывает

— I I I

I 1 1

/3 1 1 1

/2 - 1 1 1 1

' N \ 1 1 1 1

т1 2 : 4 6 8 10° 2 4 6 8Ю1 2 4 6 8 10 ! РГ

1-8 6

4

10°

Рис. 1.1 Результаты расчетов по уравнению (1.5);

I _ у[е = 0,1; 2 - Т¥е = 1,0; 3 - ТУе = 10,0; р = 10Л

также влияние давления в системе на отрывные размеры газовых пузырей. Изменение давления вызывает изменение плотности газа, что в наибольшей степени сказывается на значении силы гидродинамического давления. При малой плотности газа (низкие давления) сила гидродинамического давления мала по сравнению с остальными действующими силами. В этих условиях увеличение расхода газа приводит к повышению силы инерции, что и обуславливает рост отрывного размера пузыря. При повышении давления в системе значение силы гидродинамического давления возрастает и при определенных условиях влияние этой силы может стать доминирующим по сравнению с остальными действующими силами. В этом случае следует ожидать снижение отрывного размера пузыря с ростом расхода газа. Анализ результатов выполненных расчетов по уравнению (1.5) для чисел = 10"1 - 102, Гг = 10"1 - 104 в диапазоне изменения р= 10_3 - 10"1 показал, что при <10иГг>10с

увеличением относительной плотности р отрывной размер пузыря снижается. При этом с ростом числа Fr влияние р на L возрастает. Для чисел We <10 существенное снижение отрывного размера пузыря с ростом давления в системе наблюдается при числах Fr > 102. Для чисел Fr <10 при We <10 изменение давления в системе не влияет на величину отрывного размера пузыря. Эти выводы согласуются с результатами непосредственных измерений [6,10] для повышенных давлений в системе.

Другой гидродинамической характеристикой процесса диспергирования газа в слой жидкости является частота образования пузырей. Объемный расход газа через отверстие газораспределительного устройства, отрывной размер газового пузыря и частота его образования связаны соотношением

V.A (1.10)

6

Из уравнения (1.10) следует

3vnd?

f =

о

2d3 (1.11)

п

Или в безразмерной форме

Str = ÍÍ = -L-3

v0 2 (1.12)

1.1.2. Экспериментальные исследования и обработка опытных данных

Опыты проведены на установке, принципиальная схема которой представлена на рис. 1.2.

Газ из баллона 1 через фильтр 2 и редуктор 3 поступал в вертикальный сосуд диаметром 200 мм и высотой 500 мм. Для визуального наблюдения за процессом и производства киносъемки сосуд снабжен смотровыми окнами 4. Газ в жидкость подавали через сменные цилиндричес-

Рис. 1.2. Принципиальная схема экспериментальной установки.

1 — баллон; 2 — фильтр; 3 — редуктор;

4 — стальной сосуд; 5 — сопло; 6 — увлажнитель;

7 — каплеотделитель; 8 — регулирующий вентиль;

9 — термостат; 10 — газовый счетчик; 11 — термометр;

12 — манометр; 13 — рег�