автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Конвективный тепломассоперенос при движении жидкости в каналах и пленочной конденсации пара в условиях больших градиентов температуры в химических аппаратах

Казахский хлипко-технологический институт РГ6. ОД На правах рукописи

бренер Арнольд Пихайлозич

конвективный теплонассонеренос при движений шкости в канала» и пленочной конденсации пара в условиям больших градиентов температурь! в химических аппаратах

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

автореферат

диссертащш на соискание ученой степени о доктора технических наук

Зымкент - 1993

Работа выполнена в Казахском химико-технологическом институте

Научные консультанты:

доктор технических наук,профессор

доктор технических наук,профессор

В.В.Дильман О.С.Балабеков

Официальные оппонемты:

доктор технических наук,профессор Н.Н.Кулов член-корреспондент HAH Республики Казахстан,

доктор физико-математических наук,профессор Ш.С.Смагулов доктор технических наук,профессор Н.У.Риэаев

Ведувая организация - АО "КазНИИХимпроект"

Зашита диссертации состоится _/ '-лЛк'.. ^ 1993 г. в ^__часов

в аулна заседании специализированного совета Л 053.06.01 в Казахском химико-технологическом институте по адресу: г .Ь'ымкент.пр.Тауке хана,5.

С диссертацией кожно .ознакомиться в библиотеке института Автореферат разослан _____ 1993 г.

Ученый секретарь ■

специализированного созета, к. т. н., доцент

Л.С.Сабирханов

0Б1ЯАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Интенсивное развитие химической отрасли промышленного производства является одним из важнейших направления в современной индустриальной политике,так как создает базу для эффективного развития и совершенствования других отраслей, и прежде всего, энергетики, сельского хозяйства и фармацевтической промышленности. Простое наращивание мощностей на молят решить поставленную задачу, поскольку приводит к " трудно управляемым,практически не переналаживаемым технологическим установкам,ведет к увеличению энергозатрат и металлоемкости,снижение эффективности процесса и качества получаемой продукции. В связи с этим основное внимание уделяется поиску новых способов получения высококачественной продукции, повышение производительности технологических установок и определении оптимальных режимов проведения процессов, обеспечивающих экономичность и необходимое качество продукта. Важное место в ряду таких исследования принадлежит разработке и организации процессов,позволяющих сукест-венно увеличить производство продукции при меньших материальных и энергетических затратах и максимально исчерпать резервы существующих установок на основе использования новых физических эффектов. Рост нагрузок и возрастающие требования к селективности приводят к тому, что режим переводится в области с многообразием качественно неоднородных состояний и с высокой параметрической чувствительностью .

Сложность подобных исследовании обусловлена при этом тем обстоятельством, что процессы межфазного тепло-и массообмена в химических аппаратах протекают, в условиях больших 'градиентов температуры и концентрации. Для описания таких процессов необходимо учитывать взаимное влияние конвективного переноса тепла и массы, наличие их источников, обусловленных фазовыми переходами в системе, а также пространственную и временную неоднородность физико-химических характеристик сред, участвующих' в процессе. Математические модели таких процессов составлены обычно из систем существенно нелинейных дифференциальных и алгебраических уравнении: Как правило, математика не располагает готовыми рецептами их исследования и, тем более, полного решения. Проблема

зачастую осложняется наличием свободных границ и принципиальной невозможностьо однозначной постановки краевых условии в рамках, гидродинамического приближения.В современной науке о процессах и аппаратах химической технологии подход к таким задачам претерпел существенные изменения. Стало ясно, что зависимость основных физико-химических характеристик сред, участвующих в процессах превращения и переноса тепла, импульса и массы, а именно: вязкости и поверхностного натяжения от температуры и других факторов во многих случаях не может быть учтена в виде поправок к решениям, полученным при игнорирования такой зависимости . Изменение характеристик процессов переноса вследствие неизо'Гермичности, в частности, способно приводить к радикальному изменению условия протекания процесса даже при незначительных флуктуациях определяющих параметров.

Очень разнообразно и сложно проявляют себя такие эффекты при ламинарном неизотермическом течении вязких жидкостей в каналах и в процессах пленочной конденсации, особенно при больших градиентах температуры в химических аппаратах и при наличии примесей неконденсируемых компонентов. Для правильного расчета и организации такого процесса с целью получения кондиционного продукта необходимо подобрать тепловой режим и обеспечить при этом приемлемые энергозатраты и управляемость.

Таким образом, учет нелинейных изменений физических характеристик при неизотермическом течении жидкости в каналах химических аппаратов и при пленочной конденсации паров является весьма актуальной задачей. При этом результаты исследования важно довести до оформления достаточно простых инженерных методик,обеспечивающих, в то же время, достаточную точность расчета. Инженерные методики должны позволять производить расчеты с использованием современной вычислительной техники.

Тема диссертационной работы, выполненной в КаэХТИ, соответствовала заказ-наряду Минхимпрома СССР №121669000567 "Разработать принципы интенсификации межфазного , обмена в тепло-массообменных аппаратах и реакторах на основе использования процессов самоорганизации в физико-химических системах", а также Координационному плану НИР АН СССР по направлению "Теоретические основы химической технологии", раздел 2.27.2.6.18 "Исследование гидродинамики, массопереноса и

пылеулавнивания при взаимодействии капель.пленок и струй" Цель работы-.

1.Теоретическое и экспериментальное исследование процессов сопряженного конвективного тепломассопереноса при движении

, жидкости в неизотермических каналах и при пленочной конденсации как чистых паров.так и паров из парогазовых смесей в условиях больших градиентов температуры.когда необходимо учитывать переменность физических свойств среды и обусловленные этим фактором изменения режимов протекания процессов.

2.Создание адекватных математических моделей,описывающих особенности нелинейных конвективно-тепловых явления.возникающих при интенсивном тепломассообмене,выделение определяющих параметров и разработка научно-обоснованных инженерных методик расчета соответствующей химико-технологическоя аппаратуры.

Научная новизна состоит в том,что

-в результате теоретического анализа показана немонотонность расходно-напорноя характеристики охлаждаемого трубопровода при ламинарном течении ньютоновской жидкости с вязкостью,зависящей от температуры,при различных условиях теплосъема;

выделены безразмерные параметры,определяющие критические условия возникновения такой немонотонности при различных видах функциональной зависимости вязкости от температуры и дана теоретическая оценка критических величин этих параметров;

-экспериментально подтвержден гистерезисный характер расходко-напорной характеристики охлаждаемого трубопровода и предложена методика оценки влияния перераспределения потоков жидкости в пучке труб на эффективность теплообмена;

-предложено обобщение.теории Нуссельта для пленочной конденсации чистого пара,учитывающее изменение условия теплосъема при изменении температуры хладоагента.а также зависимость вязкости конденсата от температуры.Впервые выделены новые определяющие параметры процесса для такой постановки задачи;

-в результате теретического анализа и численного эксперимента показана возможность и определены условия возникновения нестацио- -нарных колебательных режимов ' пленочной конденсации чистого пара,обусловленных зависимостью вязкости от температуры;

-эксперименально исследованы колебательные режимы пленочной конденсации при малых числах Реянольдса.Получены эмпирические

уравнения для теплового расчета конденсаторов .согласуешься с полученными теоретическими оценками;

-теоретически исследована конденсация чистого пара на волнистой стенке и горизонтальной трубе с учетом переохлаждения и зависимости вязкости от температуры.Установлены условия теплосъеыа.при которых отсутствует устойчивое стационарное решение задачи в рамках теории Нуссельта и возникают решения,описывавшие режимы с обострением;

-разработана сопряженная математическая модель пленочной конденсации чистого пара ка горизонтальной трубе.учитывающая неизотер-мичность поверхности трубы,зависимость вязкости конденсата от

температуры,а также поверхностные напряжения.обусловленные изменением кривизны поверхности пленки;

-в результате анализа модели и численного эксперимента выделены определявшие параметры и в пространстве этих параметров определены области .характеризующие различные режимы течения пленки при пленочной конденсации чистого пара на горизонтальном неизотермическом цилиндре;

-впервые теоретически исследовано совокупное влияние стефанова потока,температурной зависимости вязкости и термокапиллярных поверхностных напряжения на интенсивность пер~':оса импульса,тепла и массы при пленочной конденсации .пара из его смеси с некон'денсируемым компонентом на плоской стенке и на поверхности горизонтального цилиндра;

теоретически исследована устойчивость течения пленки конденсата на плоской стенке и горизонтальном цилиндре с учетом переменной вязкости и получены уравнения для расчета эволюции волновых . характеристик при возникновении нелинейных волн на поверхности пленки.

Практическая ценность и реализация работы

Результаты работы могут быть использованы в качестве инженерных методик расчета теплообыенной аппаратуры,систем трубопроводного транспорта,а также аппаратов для конденсации паров в химической , химико-фармацевтической промышленности и теплоэнергетике.Результаты , исследований позволяют выделить интенсивные режимы проведения процессов и использовать полученные данные для оптимизации режимов работы аппаратов..

Разработанная методика расчета распределения потоков жидкости в пучке охлаждаемых труб,а также методика теплового расчета пленочных

конденсаторов имеет особое значение в случае больших градиентов температуры в аппарате и резко выраженной зависимости вязкости и поверхностного натяжения конденсата от температуры.

Предложенная методика расчета коэффициентов теплоотдачи при конденсации на горизонтальной трубе не требует определения средней-температуры стенки,что существенно упрощает расчет и делает результаты более достоверными. • - .

Полученные в работе результаты послужили основой для предложенного нового способа перекачивания нагретой жидкости по трубопро -воду,на который получено положительное решение по заявке на изобретение.

Результаты работы использованы а исходных данных на проектиро -вание сатураторов природного газа для крупных агрегатов аммиака, в частности институтом ГИАП для агрегата АМ-68;институтом КазНИИГип-рофосфор в исходных данных на проектирование комплексной линии производства ТФК при разработке теплообменноп системы и башни сжиганиям Казахском Химико-технологическом институте при расчете и проектировании системы , ,сухол'' конденсации желтого фосфора на ЧПО , .Фосфор''. . '

Апробация работы.Результаты диссертационной работы доложены:на 10 школе-семинаре по проблемам трубопроводного транспорта (Уфа 1987г>;на Всесоюзной научно-технической конференции ,,Химтех -ника-83''(Чимкент,1998г I;на школах-семинарах ,.Современные проблемы тепло- и массообмена в химической технологии' '.(Звенигород, 1968г.> 1969г.,1900г. I: на Всесосзноя конференции ''Моделирование в САПР, АСНЙ.ГАП''(Тамбов ,1969г.I;на Международной школе-семинаре ,.Современные проблемы тепло- и массообмена в химической технологии" (Минск,1966г.);на 9 Всесоюзной конференции ,,Химреактор-9''(Гродно, 1966г.I;на 2 Минском международном форуме ,,Тепло-масообмен-ММФ-92" (Минск, 1992г. );на 6 Всесоюзной конференции ,,Математические методы в химии" (Новочеркасск, 5989г.);на 7 Всесоюзной конференции , .Математические методы в химии " (Казань, 1990г.);на 14 Менделеевском съезде пообщеяи прикладной химии <Ташкент, 1969г.):на Всемирном конгрессе СШБА (Прага,1990г. );на семинарах лаборатории химре-' акторов НИФХИ им.Л.Я.Карпова-.

Публикации. По теме диссертации опубликована 51 научная работа." Структура н объем работы.Диссертация состоит из введения,пяти глав, выводов,списка литературы и приложений.Полный объем работы 260

страниц.в том числе75 рисунков, 8 таблиц,Список литературы содержит 2.Н6 наименований. •

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РА60ТЫ Во введении диссертации обосновывается актуальность постановки задачи исследования.определяется цель работы и ее связь с плановыми научно-исследовательскими работами института.Показана также науч -ная новизна и практическая ценность полученных результатов. Глава Ls. Неизотермическое движение несжимаемой жидкости в охлаждаемых трубах.

Расчет гидравлического сопротивления при движении реальной вяз -коя жидкости по трубопроводам является одним из основных приклад -пых вопросов гидродинамики.В тех случаях,когда по трубопроводу перекачивается подогретая жидкость,и течение осуществляется в неизотермических условиях при существенных градиентах температуры вдоль потока,необходимо учитывать изменение физических свойств перекачиваемой жидкости.Как правило.основное влияние на перепад давления при неизотермическом течении жидкости оказывает изменяющаяся в зависимости от температуры вязкость.Зависимость других физических характеристик,а именно¡плотности м теплопроводности от температуры значительно слабее зависимости ц,(Т).Описанная ситуация возникает,в частности,при перекачивании полимерных масс.а также таких жидкое тея.как глицерин,масла и нефтепродукты.Для этих жидкостей даже умеренные по величине температурные перепады могут значительно изме -нить вязкость жидкости,что должно учитываться при определении расхода,потерь энергии и расчете коэффициентов теплоотдачи.Много важных результатов .посвященных этой проблеме,получено в трудах Пирсона, Юфина В.А..Петухова Б.С.,Мержанова А.Г.,Столина A.M..Найденова В.И..Бостанджияна С.А..Регирера С.А..Шульмана З.П.,Хусида Б.М. , Каганова С.А..Альмендингера Г.Г..Грунфеста.Хэтта и других..Так,в работах Мержанова А.Г. и его сотрудников было показано,что разогрев жидкости вследствие диссипативного тепловыделения при определенных критических условиях приводит к неустойчивости типа гидродинамического теплового взрыва.Еще ранее Пирсон путем численных экспериментов установил возможность немонотонности налорно-расходкой характеристики охлаждаемого трубопровода и наличия участков с отрицательным коэффициентом трения и показал обусловленность этого эффекта переменной вязкостью жидкости.Вместе с тем, анализ известных работ показал,что проблема расчета процесса

течения горячея жидкости в охлаждаемой трубе решена не полностью. Обычно используются достаточно искусственные постановки граничных условия,трудно реализуемые на практике,и кроме того.анализ существенно привязан к конкретному виду функциональной зависимости вязкости от температуры.Поэтому был сделан вывод о необходимости дальнейших исследований.

В 1-я главе рассмотрена вначале одномерная инженерная модель движения жидкости в охлаждаемоя трубе при различных условиях теплосъе-ма,приближенных к реальным.А именно:при постоянноя температуре стенки, при противотоке горячей жидкости и хладоагента вне трубы и при прямотоке теплоносителей.При этом исследовали два вида функциональной зависимости вязкости от температуры¡эмпирическую формулу Филоно-ва-Рейнольдса!1),широко применяющуюся в практических расчетах,и формулу Френкеля-Андраде! 2).которая в рамках прикладной гидродинамики и теплофизики может считаться точной,так как получена методами молекулярной физики.

ц(Т)=|^ехр[-(3(Т-Т0) 1 . (1)

ц<Т)=с ехр[В/Г) (21

В рамках одномерной модели в области тепловой и гидродинамической стабилизации при охлаждении жидкости получены универсальные напорно-расходные характеристики, пригодные для расчета гидравлического сопротивления при различных условиях теплосъема: На основании формулы (1):

Е1<<^ ) - Е1(о}_ )

Ш' <чг V

(3)

На основании формулы 12):

1п (

ехр(5 ><5в г! 2 - г )

,(4)

где и=|3(Т-Т0); г-В/Т; Р= ДРрсй5/( 126 Ц„а12) ■

г

о

На рис.1 й 2 показаны характерные универсальные кривые, рассчитанные по уравнениям (3),(4). Теоретический анализ и

0.3

лР

о. г

Рис.1.Универсальные безразмерные напорно—расходные характеристики охлаждаемого труво-провода<по *орнупе(3>) = 2<1>53<£> ¡4(3){5(4>

Рис. 2. Универсальные безразмерные напорно-расходны* характеристики охлаждаемого труйо-провода(по Формуле(4),г0«8 8(1) 510(2) ;14<3>

0.3

О. г

О. 1

(Л)

Рис.3.Характеристика трубо-провода(ревение уравнения

Рис. 4. Зависимость *актора переохлаждения от безразмерного перепада температуры

численныя эксперимент показывает, что характер напорио-расходной характеристики (3) охлаждаемого трубопровода зависит от значения безразмерного параметра ш0, немонотонность кривой возникает при выполнении условия и0>1. Немонотонность возникает и при расчете по формуле (4), а которой однако два управляющих параметра:и г0- Как показано в работе, существует некоторая корреляция между критическими значениями параметров 2 и 20, которая позволяет согласовать выводы, полученные на основании использования формул (1) и (2) в математической модели. А именно, на критической кривой аплоскости;параметров и выполняется приближенное равенство:

т. (г - ) "

V/ 0

------у = 3>8

20 ~ ОКР

Отметим, что в отличие от выводов работ Пирсона и Найденова,полученные результаты справедливы для различных условий теплосъема,реализующихся при Тм=сопз1;,а также прямотоке и противотоке теплоносителей. Полученные универсальные кривые вполне могут быть использованы в практических расчетах, что подтвердили последующие эксперименты.

Немонотонный характер зависимости перепада давления от расхода может существенно сказываться на работе трубчатых теплообменников, приводит к неравномерному распределению потоков охлаждаемой жидкости в пучке труб. Это явление обусловлено тем, что падающая ветвь напорно-расходноя характеристики соответствует неустойчивому режиму течения жидкости в трубе при фиксированном напоре. При этом работа всей системы в области отрицательного наклона становится неустойчивой, если наклон характеристики на рабочем участке более отрицателен, чем наклон характеристики насоса (так называемая неустойчивость Лединегга). В диссертации установлены условия ■возникновения неустойчивости Лединегга при работе центробежного насоса, подающего горячую жидкость в пучок охлаждаемых труб.

Предложена методика определения неравномерности распределения потоков по трубкам, исходя из универсальных напорных характеристик одиночных труб, а также методика оценки эффективности теплообмена в этом случае. Учет нелинейной зависимости вязкости потока от температуры позволяет правильно рассчитывать поверхность, теплообмена в аппарате, которая при заданном значении суммарного расхода и допустимом гидравлическом сопротивлении обеспечит

зффективную работу теплообменника при минимальном количестве тру<3.

Для проверки выводов одномерной модели в работе было выполнено более детальное исследование процесса конвективного теплообмена при ламинарном течении, нелинейно-вязкои жидкости в охлаждаемом канале на основе анализа уравнений Навье-Стока конвективного теплообмена. Для течения жидкости в круглой трубе было получено следующее уравнение для безразмерной температуры жидкости при линейном изменении температуры стенки.

й30 1 а2е 1 (Ш

, ■ -Х- - —5--- - £ ехр(6) . 16)

ИГ 5 ЧГ г. л? е

где Граничные условия

еи >о, е'п ) + е1' (1 >=о, е1 ю)=о, е'ч >=•-б, О-и аул С К в

где э - Ре -—— , Ре » - ---

Путем численного эксперимента была получена характерная зависимость: Р(3> (рис.3).' Из рисунка видно, что каждому значению р£16,2 соответствовало два значения Б1 2. при которых существует решение исходной задачи. При. £>16,2 решения задачи' (6 1 не существует.

Физическая интерпретация неединственности реиения нелинейной задачи (6) заключается в следующем. При возрастании расхода жидкости избыточная температура также возрастает, соответственно растет' и длина начального . теплового участка. При резкой зависимости вязкости от температуры область стабилизированного теплообмена вырождается и при некотором 3>3,=8 тепловые возмущения входного участка распространяются на всю длину трубы. При 3«3, тепловые возмущения входного участка затухают и в трубе реализуется одномерный режим движения вязкой жидкости.

Заключительный раздел первой главы посвящен описанию нового способа транспортировки вязкоя жидкости, идея которого базируется . на изученных в предыдущих разделах закономерностях. Предлагаемый способ позволяет существенно снижать энергозатраты при одновременном увеличении пропуской способности трубопровода.

Этот 'эффект достигается начальным нагревом жидкости до ■ температуры, обеспечивающей превышение критического значения

параметра и подачея начального имгтульса давления,'

амплитуда которого определяется из универсальной характеристики, а длительность зависит от длины трубопровода. На способ получено положительное решение по заявке на изобретение.

Глава 2,- Моделирование пленочной конденсации чистого пара с учетом изменения температуры хладоагента и вязкости конденсата

Конденсация пара является неизотермическим процессом, в ходе которого могут существенно изменяться физические _ свойства образующегося конденсата.Поэтому правильный учет влияния зависимости вязкости и других характеристик сред на режим пленочного течения конденсата чрезвычайно- важен. Пионерские работы в этой области сделаны Д.А.Лабуниовым. Однако ряд проблем сохраняет актуальность. К ним можно отнести влияние режима теплосъеыа на течение пленки и коэффициенты теплоотдачи при конденсации, а также оценку влияния . на процесс поверхностных напряжения и переохлаждения пленки.

В рамках теории Нуссельта, удовлетворительного работающей в области малых чисел Реянольдса пленки,' нестационарные уравнения движения вязкой пленки конденсата и теплопроводности можно представить в виде

а а и а и

Р + - ' Н- - > - р — . <7 1

• э<? а у а у а г

а2 Т а Т

а —г = — 18)

а >г о г

Для функции р.(Т) в системе (71,(8) используются формулы (1) или (2). Переменность расхода конденсата учитывается с помощью балансового соотношения

¿г; а п а ь # ъ

ч . л, - ! - г р ( - - - / иа у ! - Р С — / Vх 1 11 :

« «У ¡И аъвхО р * х о

(9 )

Граничные условия на твердой стенке

и * 0 , ч = 4ц

Граничные условия на межфазной границе для чистого неподвижного

пара 'Т «Т8 , |1 I ац / -ву | : . о-.

После приведения задачи к безразмерному виду, выделены определяющие безразмерные комплексы и проведен анализ полученной, системы уравнении движения и теплообмена при условии постоянного теплосъема на охлаждаемой стенке. В отличие от известных работ Найденова, учтено тепло переохлаждения. Показано, что и в этом случае, в рамках теории Нуссельта, но с учетом зависимости вязкости от температуры вида (1) "или (2), получается неограниченное решение для толщины пленки на стенке конечной высоты. Получены оценки для критического значения безразмерной высоты охлаждаемой стенки. . .

При использовании формулы (1): '

С

Т), - 2 + 3 -р- 110 )

г Р

при использовании формулы (2):

•11, П. 1

Т)„ = ~ Е1( — Н6П£ + ехр(- —)(2П -17П +1 ), (И)

6 6 ;

Б

где П„Постановка задачи позволяет также рассматривать Б

квазистационарное решение. При малых значениях комплексов £1=Ср/(гр) и £2=А.1 1 получаем задачу Коши для нелинейного гиперболического уравнения, определяющего эволюцию безразмерной,толщины пленки

в v 1 в V Г. л

~тт * Т 1 2^ * 1 ехР(-у) - ' ' 1121

ую.т)) - рчт?) из)

где . Это уравнение допускает

автомодельные решения типа бегущей волны, что позволяет диагностировать автоколебательные режимы течения пленки конденсата, от температуры. Подобные явления ранее наблюдались в опытах Зозули. Малость параметров б1 и е2 обеспечивается для высоковязких жидкостей с резкоп зависимостью вязкости от температуры. Отсутствие стационарного решения в нашем случае существенно, связано с поставкой граничных условий, предполагающей наличие обратной связи,в системе.

Для задачи конденсации на горизонтальном цилиндре при постоянной теплосъеме получаем аналогичный результат.Б работе показано,что при qw=const неограниченное на конечном удалении от начальной точки решение для толщины пленки наблюдается на цилиндре при соблюдении условия

р g V3 2 г 3 с: тс ><-4 ' Т + ~I1?~>< ~ (14)

и; Р3 ßq 2

Теоретическое исследование показывает,что влияние тепла переохлаждения на характер процесса конденсации при различных условиях теплосъема регулируется единым фактором переохлаждения Flu).График зависимости этой функции от безразмерного перепада температуры ^ß'W пРивеДен на рис.4.Видно,что с увеличением ш значение Flu« уменьшаете я. При to— >0 получаем ^lng(w)=0,375.Вклад тепла переохлаждения пропорционален фактору переохлаждения :

чпо с а т f ( ы )

= < -->. (15)

q г

Таким образом для жидкостей,вязкость которых слабо изменяется с температурой.влияние тепла переохлажденияя на коэффициент теплоотдачи при конденсации более существенно,чем таких жидкостей,как глицерин или нефтепродукты .

Проведенные исследования • показали,что резкая зависимость вязкости конденсата от температуры и большой перепад температура в пленке при конденсации чистого пара приводят к существенному влиянию вида граничных условий на качественное поведение решения.Отсода можно сделать вывод о некорректности а такой ситуации использования представления о средней температуре опорной поверхности конденсации,в связи с чем требуется постановка и решение задачи в сопряженном виде с учетом реального изменения температуры стенки вдоль течения пленки.

В ■ работе поставлена и решена задача исследования процесса пленочной конденсации на неизотермической цилиндрической стенке при известной температуре теплоносителя внутри трубы.При этом вместо граничного условия на стенке использовано балансовое уравнение переноса тепла от поверхности пленки конденсата к теплоносителю внутри трубы

к ( tw - т0 ) = \ / h | ts - tw ) ■

В результате получено уравнение для безразмерной толиины

-1Б-

Е 90

60

30

/

-»

(¡0

Рис.3.График зависимости Е отО>(и Фориулан (17), (10))

Р(Па)

1200

О -2

10 г 3 4 5 6 Рис.6.Влияние характерных раане-ров волнистости А,!-- «а толазину пленки и раскол конденсата й-0,006 м|1.,м=0, 002(1 ) ?0,004 (£> »

0,000(3)50,012(4).- топдина!

-- раскоп

Р(Па)

СОО

400

£5000

£0000

15000

1000О

5000

О.г 1.Б Б.4

25.Б 0*10 (м/с)

Рис.7.Налорно-расходные характеристики тру6ы(опыт— ныв данные)при тачании глицерина. и=г,£м|С=0,015«» Тм3=15 С.Т =.-63 С, »-90 С, ♦ - 103 с,- - 127 С

Ш-

512

-» О □»10 (и/с>

Рис.О.Результаты экспериментов на установке с малый диаметром

трубы!1_=0,35н,п=0,003и,ти»10 С

Т =.-10 С,*~5г С, + - 100 С, " - 120 С,'-135 С

пленки.в котором учтены следующие факторы ; неизотермичность поверхности трубы,температурная зависимость вязкости,влияние тепла переохлаздения и градиента поверхностного давления,обусловленного переменной кривизной поверхности пленки.Это уравнение решали на ЭВМ и в результате численного эксперимента получили следующие результаты.Было установлено,что в пространстве параметров сопряжения :

k h к ,

Ч» - Р < Т - Tn I и Е » '- ( - )J

. 8 и R Ки Рг0 К s.

можно выделить две области,в каждой из которых удается получить свои аппроксимирующие выражения для толщины пленки (рис.5).В первой области, названной режимом "тонкой пленки" получаем 6(0 ><5,что соответствует Е < 1300«fiu^ ),где

2*ехр(сол> -< u»l> - 1

fi<V*-3"-(16)

Ч)

.во второй области реализуется режим "толстой пленки",т.е.е<0)>5 и соответственно E>1300«fjc^ ).Для режыа "толстой пленки" удается решить уравнение методом разложения решения по малому параметру üfVe/^ .В итоге, получены соотношения для расчета коэффициента теплоотдачи При конденсации. , А) В режиме "тонкой пленки"

а К«12»ехр(с^ 1/Е)1/3 (17)

В) В режиме "толстой пленки"

К

(18)

^ ^ 1/4 ^ ^ 1/9 '

( --- )1/Ч - ---( - )1/г - 1

12 е» Г-Ч'

где ^ К«й/Я , е - К«11/Л,

В работе исследован также процесс пленочной конденсации чисто-' го пара на вертикальной стенке с учетом изменения температуры хла-доагента и вязкости конденсата в режимах прямотока и противотока пленки конденсата и охлаждавшей воды.Выделены безразмерные параметры,управляющие процессом:

-18-гр2рг я3

параметр сопряжения Е= о : и и=рлт.

«аСвМоК

Были проведены численные эксперименты,в которых изучали поведение безразмерной толщины пленки.температур хладоагента и стенки в зависимости от продольной координаты и значения безразмерных управляющих параметров.В результате исследований в плоскости параметров Е-ы была выделена область ,в которой изменение толщины пленки по высоте стенки немонотонно и характеризуется максимумом на некотором расстоянии от начальной точки.Существование этого экстремума можно интерпретировать как появление в системе "отрицательного трения",поскольку с ростом расхода падает толшина пленки.

В диссертации показано, что такой режим стекания пленки неустойчив иВсистеме возможна генерация автоколебаний толщины пленки конденсата. Получена также оценка частоты этого колебательного процесса. Физическая интерпретация полученного результата такова.. Вблизи критической точки, где наблюдается максимальная толщина пленки, вследствие прогрессирующего влияния вязкости скорость стекания замедляется и происходит накопление конденсата. Накопившийся конденсат, достигнув в критической точке определенной массы, начинает двигаться вниз и,натекая на более' тонкую пленку с меньшей средней вязкостью,ускоряет свое движение. Так образуется стекающий наплыв.Подобный режим конденсации характеризуется более высокими значениями коэффициента теплоотдачи, чем стационарный режим.что было подтверждено последующими экспериментальными исследованиями.

Заключительный раздел второй главы посвящен моделированию пленочной конденсации чистого пара на волнистой поверхности,т.е.поверхности переменной кривизны.Профилированные поверхности широко применяются в тепломассообменных аппаратах для интенсификации процессов тепло-и ыассопереноса в пленках жидкости и поэтому вопросы расчета и оптимизации их формы постоянно привлекают внимание исследователей. Важные для практики результаты в этой области получены Рифертом В.Г..Трокозом Я.Е.Д.Элиасом.Р.Крупичкой и А.Козаком,Хондой и другими.В диссертационной работе исследовано влияние переменной вязкости на толщину пленки ,и соответственно.интенсивность процесса конденсации на волнистой поверхности.В отличие от работы Элиаса.в которой используется предположение о постоянстве поверх-

ностноя скорости пленки,не пригодное для пленки конденсата,получено более общее условие,ограничивающее скорость изменения кривизны опорной поверхности вдоль продольной координаты.Показано,что в случае превышения некоторой критической величины скорости изменения кривизны опорной поверхности,режим "тонкопленочного" течения конденсата становится невозможным,происходит заполнение впадин жидкостью и снижение интенсивности теплопереноса.С учетом переменной вязкости конденсата это условие выглядит следующим образом:

; " йс, р 2,31'2 гз п з

- £ - - I -- I - )1'2 * В 1,119)

(1х - Оа 9 < q > хи

3

ы (ехр( и)-ц>-1 > о)

где п= -5- , вр -5-*--- 120)

р (ог+2ы-ехр(ы)*2 ) аг+2ш - 2ехр(и>+2

Наряду с увеличениеи поверхности теплообмена по сравнению с плоской стенкой.влияние переменной кривизны опорной поверхности, заключается в изменении кривизны поверхности тонкой пленки конденсата.Отсюда возникает переменность паппасовв. давления,которое,в свою очередь,влияет на толщину пленки и коэффициенты теплоотдачи. Для тонкой пленки градиент лапласова давления можно записать в виде

Второе слагаемое в соотношении ( 21 1 учитывает отличие кривизны поверхности пленки от кривизны опорной поверхности.Некоторые результаты численного эксперимента с разработанной математической моделью приведены на рис. ( 6 ) .Установлено.что при малой интенсивности конденсации роль поправки С* Ь невелика и несколько возрастает с увеличением характерных размеров волнистости: амплитуды А и периода i.,особенно заметно влияние а.При увеличении интенсивность конденсации роль поправки С^л возрастает,но в пределах справедливости тонкопленочного приближения не становится • определяющей.При выполнении ограничительного условия основную роль все же играет увеличение удельной поверхности теплообмена,вклад поверхностных сил в интенсификацию процесса оценивается в 10-15%.

-3

Р»Ю (Па)

Т С

а

АО 0*10 (и/с)

Рис. 9. Сравнение опытных данных по гидравлическому сопротивлению охлаждаемой трубы с реауль-.татами численных экспериментов. Модельная жидкость-глицерин, 1.-0, 35и, 0=0, 003«, Тк-Ю С, Т -130 С

ЮО

гоо зоо 400 ' зоо боо

Рис.10.Характерные зависимости темп'ратуры от продольной координаты при прямотоке пленки конденсата и хладоагента.»-температура ■ пара;. -температура стеним{+ — температура охлаждающей

Рис. 11.Определение границ области сувествования волнового режима пленочной конденсации по амплитуде волн.Численные значении амплитуд воли даны в мм

гооо

1700

1273

830

423

Рис.12.Зависимость бевраанерного числа Нуссельта и бевразиериой температуры в от угловой координаты при конденсации на поверхг ности горизонтального ципиндра (й=0,02п> при разных числах Ма-ранпони.1-Ма=0;2-Ма«1О 53-Ма=г»10

Глава Экспериментальное исследование неизотермического

движения жидкости в трубе и течения пленки конденсата.

Для проверки и уточнения теоретических выводов об особенностях течения вязкой жидкости в охлаждаемых трубах и процесса пленочной конденсации были проведены специальные экспериментальные исследования.С этой целью были смонтированы две установки с охлаждаемый трут бопроводом и стенд для исследования пленочной конденсации пара вязкого вещества (глицерина) на наружной поверхности вертикальной охлаждаемой трубки.Пае трубопроводные установки отличались диапазо-

исследуемых расходов рабочего вещества-глицерина:для первой -диапазон расходов от Ю~7до 2;56»10~5 и3/с,для второй- от Ю-8 до 5,12»10_6 м3/с.Геометрические размеры трубопроводов:1-го- 1*2,2 ы; ¿1-0,015 м: 2-го- 1.*0,35 ы; <1=0,003 м.На первой установке подачу жидкости в трубопровод осуществляли с помою)» оесгеренчатого насоса,что давало возможность регулировать расход независимо от потери напора;на второй установке регулирование расхода производили путем изменения высоты расположения напорного бака при открытом в атмосферу выходе из трубопровода.В качестве модельной жидкости для изучения неиаотериического таияздшя вязкоя жидкости в трубе применяли глицерин марки ЧДА.Выбор глицерина для экспериментов объясняется большим значением крутизны его вискограм-мы р.Перед каждым экспериментом снимали реологическую характеристику жидкости-.среднее значение ¡3 для глицерина приблизительно 0,065 в интервале температур 20 — 100° С.Для построения напорно-расходных характеристик охлаждаемого трубопровода и сравнения с результатами численных экспериментов при проведении опытов регистрировали следующие параметры потока-температуру жидкости в термостате,перепад дав~ ления в трубе,расход жидкости через трубопровод,температуру стенки трубы и температуру глицерина на оси трубы в трех точках по длине. . Точность измерения температуры индивидуально отградуированными термопарами составляла погрешность экспериментального определения перепада давления в трубе и расхода глицерина не превышало 3-5%,

На ¡,.:й. 7 представлены в координатах ЛР-0 результаты экспериментов на "большой" установке, а также результаты численных экспериментов по определению гидравлического сопротивления охлаждаемой трубы с постоянной температурой стенки.

Видно, что с увеличением входной температуры потока начальный участок расходно-напорной . характеристики становится более пологим. Это естественно, т.к. падает вязкость глицерина. •Поскольку для шестеренчатого насоса отсутствует непосредственная зависимость напора от производительности, удается в явном виде обнаружить падалшуо ветвь напорно-расходной характеристики. Из графика на рис. 7 видно, что при начальной температуре глицерина 65° С характеристика монотонна. Немонотонность появлялась в опытах при Тп>14»=&0 °С, что соответствует ы =4,2 и область немонотонности по расходам с увеличением Т и и становится шире. Физически наблюдаемую картину можно объяснить тем, что при малом расходе глицерина он уже на начальном участке приобретал температуру стенки ( при достаточно малом перепаде температур ), и дальше потери напора соответствовали таковым при неизменной температуре стенки.

Несколько иная картина наблюдалась на установке с малым

диаметром трубы, где регулировка расхода производилась путем

изменения нацора . В этом случае при проведении эксперимента

. появляется неустойчивость течения на участке падающего с

ростом расхода напора. По достижении некоторого

критического значения ЛР^р наблюдали переход на

другую ветвь характеристики, отличающуюся, по расходу глицерина в

трубе в десятки раз при неизменных начальных условиях и той лзэ

потере давления. При "обратном ходе", т.е. при снижении перепада

ДР критическое значение ¿Рр оказывается меньше ЛРр, причем

разница ДР -ДГ' тем больше, чем выше начальная температура *р ,, ,

глицерина. Таким образом наблюдается явление гистерезиса. На

рис.6, представлены некоторые результаты экспериментальных

исследования на "малой" установке, полученные при температуре

стенки Т »6-7 °С и начальных температурах глицерина

Т =16,52,100,120 и 135°С4Видно,что при увеличении начальной

температуры Т область гистерезиса увеличилась,а при малой

температуре Т =1^0 зависимость Р<<2) была монотонной.В

полном соответствии с выводами теоретической модели управляющим

параметром и на "большой" и на "малой" установке оказывается

безразмерный перепад Ы <Т - \ >. Экстремумы и

гистерезисные явления наблюдаются при и >3.Физически явление

гистерезиса . кожно интерпретировать следующим образом.При

увеличении расхода до некоторого критического значения наблюдается постепенное увеличение расстояния от входа в трубу до конца участка термостабилизации и ,в тоже время, с ростом расхода растут и потери на трение.Однако,при дальнейшем увеличении расхода тепло,вносимое потоком глицерина в трубу,не успевает отводиться через стенки,растет средняя температура потока,что естественно вызывает уменьшение вязкости и потерь на трение.Уменьшение потерь давления способствует

самопроизвольному дальнейшему увеличение . расхода и,как следствие,росту средней температуры потока.Этот спонтанный процесс продолжается до тех пор,пока средняя температура потока по всей трубе не станет настолько близка к температуре на выходе,и вязкость не достигнет такой величины,что для дальнейшего роста расхода потребуется увеличение напора на входе в трубу.

На рис.9.показаны результаты сравнения численных экспериментов и данных опытного, исследования.Некоторое несоответствие (иногда до 202) можно отнести за счет погрешности ■аппроксимации температурной зависимости- вязкости глицерина экспоненциальной зависимостью,а также некоторым изменением температуры стенки охлаждаемой трубы по ее длине.Но в целом эклерименты полностью подтверждают справедливость теоретических выводов о немонотонности расходно-напорной характеристики и неустойчивости падающей ветви Р(О) в случае,когда перепад давления играет роль управлявшего параметра.Подтверждена также возможность использования формул ( 3 1,( 4 ,) для расчета напорно-расходных характеристик охлаждаемых труб.

Для исследования пленочной конденсации вязкой жидкости на вертикальной поверхности была сконструирована экспериментальная установка;состоявшая из следующих элементов¡системы приготовлениям подготовки пара,конденсатора,системы подготовки охлаждаюией воды, системы поддержания вакуума,блока регулирования и измерительных приборов.Основной элемент конденсатора - медная трубка с наружным диаметром 8 мм и длиной 0,8 м,внутри которой текла охлаждавшая вода.Измерительная система установки позволяла регулировать и измерить температуру и давление'пара на входе в конденсатор,регулировать и измерять температуру и расход охлаждавшей воды на входе в конденсатор, измерять температуру охлаждающей воды в лобом месте внутри

трубки с помощью подвижной термопары.Измеряли также температуру'наружной поверхности трубки в пяти точках по высоте,разрежение в системе регулировали с помощь» вакуум-насоса вентилем,расположенным на буферной емкости.Точность измерения температуры составляла 0,5°С.

Для измерения толщины пленки и волновых характеристик течения на установке был использован теневой оптический прибор.Параллельный световой пучок, от лазера ЛГ- 206 В с помощью зеркал и расширителя направлялся на трубку конденсатора.Прошедший через конденсатор пу-■ чек света фокусировался объективом,в фокальной плоскости которого располагалась приемная зона фотодиода типа ФД-24 К.

Целью'эксперимента являлось определение влияния полученных из теоретического анализа управляющих безразмерных параметров Е и ы на процесс пленочной конденсации и выявление условии возникновения и характеристик образующихся на поверхности пленки конденсата волн.

Все полученные экспериментальные данные отвечают значениям чисел Реяиольдса для пленки йе = 0,1- 1. Во всех исследованных режимах скорость пара в свободном сечении конденсатора не превышала'©,5 м/с,что позволяет говорить о пренебрежимо малом его влиянт на характер течения пленки.

На.рис-10 приведены зависимости изменения температуры пара и поверхности трубки от высоты трубки .Как видно из графиков, температура пара слабо изменяется по высоте ,что говорит о малой концентрации неконденсируёмых компонентов.Температура стенки принимает наименьшее значение на некотором расстоянии от начальной точки , а затем начинает расти . Это объясняете я увеличением температуры охлаждающей воды в трубке и соответствует данным теоретического исследования .Особое внимание в экспериментах было уделено определению границ и области существования волновых режимов течения пленки .С этой целью измеряли амплитуду и частоту колебаний профиля пленки в пяти точках по высоте аппарата .Некоторые результаты этих измерений представлены на рис.И.

После обработки всего массива экспериментальных данных в плоскости параметров Е-ы была выделена область .характеризующаяся большими, значениями амплитуды и меньшими частотами колебаний поверхности пленки . Эксперименты показывают , что область существования волнового режима примерно соответствует области немонотонности теоретического стационарного профиля пленки .В этой

- ^ -25-

области наблюдается заметное увеличение коэффициентов теплоотдачи.

Эти два фактора-резкое увеличение значения амплитуды колебания

и коэффициента теплоотдачи определяют границу области колебате- ;

льного режима конденсации в плоскости параметров Е-ы. Таким.образом.

эксперименты подтверждают вывод о неустойчивости стационарного ре- .

жима течения пленки вязкого конденсата при малых числах Реянодъд-

са.но при больших значениях параметров Б и (о . •

Результаты экспериментов обрабатывали в виде зависимостей от Е

и ш.При обработке были истзльзсвакы.краие введенных высэ.следур- .

кие параметры: а' = а / К - безразмерный коэффициент, теплоотда-

' , . . . * - ■ ^ .. чи(некоторый аналог числа Кусеелъта»; V* - V Х^р <"К- АТ»-безраз-

верная частота ; п=1/Т| -безразмерный средний приток конденса- . та к поверхности; А'.^КА/^ -безразмерная амплитуда волн на поверхности пленки.После обработки были получены эмпирические фориу-лы для усредненных по высоте характеристик!Й -коэффициенты корреляции ) . " . '■ . ■

о - 1.2105 (йУЕ10>2295 . Й=0.9Э? ; 122)

а'= 0.4741 (Е/ы)0,3250 , Й=0.944 ; (23)

г>'= 0,2235 (Е/Ы)0,50а° . Й^О,960 ; . (24) '

А'= 703,4579 (1УЕ)0,2167, й=0,910.; (25)

Формулы (24),(25) относятся к области волнового течения пленки.Получено также эмпирическое соотношение,связывающее среднюю толцину плен-: ки и средний приток конденсата по высоте.

Опытные значения безразмерной частоты и асимптотная оценка при ш>7 и Е>500 имеет.один порядок,а при Е>5000 становятся близкими . Коэффициенты теплоотдачи в наких опытах 'заметно больше (на 35%) рассчитанных по формуле Нуссельта с учетом • среднеинтегральноя вязкости конденсата по толвдне пленки и поправок Лабунцова в области,соответствующей колебательному .режиму конденсации. В доволновой области расчеты по вышеприведенным формулам и известным методикам приводят к близким результатам.Таким образом,Формулы 1221-125) составляют методику, теплового расчета конденсаторов а области ■ волнового режима течения пленки,обусловленного зависимостью вязкости конденсата от температуры. Особенность этой методики состоит также в том,что в нея в качестве исходных данных используются только начальные

значения температур и не требуется подбирать среднюю температуру стенки.

Глава ¿.Моделирование пленочной конденсации пара из смеси с некон-денсируемым компонентом

В отличие от конденсации чистого пара,которую можно рассматривать как чисто теплообменныя процесс, при конденсации из смеси с не-конденсируемым компонентом существенную роль играет диффузионный перенос конденсируемого компонента к поверхности раздела жидкой и паровой фаз из ядра парогазовой смеси.В процессе конденсации одного или нескольких компонентов из смеси с неконденсируемыми компонентами возникает сток массы из парогазовой фазы,что является причиной возникновения в газовой фазе индуцированной конвекции.Известны серьезные исследования этого явления,проведенные Франк-Каменецким, Крыловы!' и рядом других ученых.В работах Михалевича с сотрудниками получено описание процесса конденсации из смеси при достаточно общих условиях,но при нуссельтовском профиле толщины пленки,что накладывает некоторые,не всегда естественные,ограничения на профиль температур стенки и поверхности пленки.

В главе 4 рассмотрены вопросы моделирования пленочной конденсации из парогазовой смеси с целью исследования совокупного влияния на процесс стефакова потока,температурной зависимости вязкости,а также поверхностных сил.обусловленных термокапиллярными напряжениями и переменной кривизной поверхности пленки.При конденсации из смеси Температура поверхности пленки изменяется^ продольной координатой, градиент поверхностных сил при этом может' быть записан в виде

4 Р5 * % 11 °8 / Й Т5 11 ТБ

- = - -5— - ----(26)

ч X Р<р 4" Р йкр <1 X

В диссертации получена система уравнения для определения температуры поверхности пленки,ее толщины и уравнение для безразмерного расхода конденсата 3.

Ма а е 1ехр1и9 )-щ0 - 1) . 12ехр(ы0 >- </е2 - 2и6 -

О О о . л ь 5 5

н2 - Ф

Рг й хI? 6? Ш3 в3

Ь б

Для плоской стенки

1 с13Н Ма с13Н й95 а2н

Ф = - (1+ -Г") + - < —Г" * ~Т >•

Кг * Их* Рг ах15 с(х

для поверхности горизонтального, цилиндра

1 Ш Мз. йН <185

Ф = --) + — О---

Рг " аф Рг ь аф <1ф

где и - р(Т5- Тм), 6д=1ТБ- Тм1/(Тг-'Тад). Н=Г1/1,х=х/1

В приведенных выше формулах учтено,что градиент поверхностного натяжения проявляет себя- двояко .вызывая не только касательные напряжения, но и внося дополнительный вклад в градиент поверхностного давления. Некоторые результаты численных экспериментов показаны на рис.12 Численный эксперимент позволяет сделать вывод,что с увеличением числа Марангони происходит утоньшение пленки конденсата.наиболее заметное на начальном участке течения.Соответственно возрастает число Нуссельта при - конденсации,кото рое в нашем случае можно

записать в виде N11=1/Н .Чем больше отношение Рг/Р0 . тем больие градиенты безразмерного перепада температуры на начальном участке и тем сильнее заметно влияние числа Марангони на толщину пленки и число Нуссельта.Этот эффект на коротких начальных участках мохет достигать порядка 30% и выше.Вместе с тем,с увеличением продольной координаты х роль термокапиллярных напряжении . быстро падает, поскольку уменьшаются градиенты поверхностной, температуры.С другой стороны,вследствие влияния стефанова потока на конвективный перенос конденсируемого компонента к поверхности пленки не заметно большого влияния числа Марангони на расход конденсата,т.е. на эффективность конденсации.Поэтому,с точки зрения практики значение эффекта утоньшения пленки и,соответственно,увеличения средней скорости ее течения,заключается в создании более мягкого температурного режима,т.е. в снижении перепада температуры в пленке,что может быть полезно в некоторых случаях.Например,при производстве медикаментов. Малые значения перепада температуры по толшне пленки на начальном участке течения пленки конденсата практически нивелируют роль температурной зависимости вязкости в формировании профиля

-26- ' ■ скорости.Роль этого эффекта проявляется только на участках достаточно большой длины и при больших концентрациях конденсирующегося компонента в парогазовой смеси.

В результате анализа численного эксперимента получены некоторые простые корреляции между безразмерной температурой поверхности пленки .расходом конденсата и толщиной пленки.Полученные результаты хоро^ шо согласуются с известными экпериментальными данными и результатами опытов по конденсации паров парафина .проведенных в КазХТИ В.Г.Голубевым.

Гла^а-5. Распространение нелинейных волн в пленке'конденсата.

В данной главе представлены результаты математического описания нелинейных волновых режимов течения пленки конденсата по вертикальной охлаждаемой стенке при конденсации чистого пара с учетом зависимости вязкости конденсата от температуры. Рассмотрены случаи постоянной температуры охлаждаемой стенки и неизотермической стенки.Задача решена в рамках теории пограничного слоя. Профиль продольной скорости в пленке и профиль

температуры считаются автомодельными, причем профиль скорости, вследствие переменной по толщине пленки вязкости, сильно отличается от параболического , т.к. при конденсации чистого пара перепад температур в пленке может быть большим.Используя метод интегральных соотношения .приходим к системе уравнения для расхода J конденсата и толщины И пленки

Г ' а Л2 V Г, ЯЛ Т J а)1 <>3Ь

— ♦ —2 . —< — )*(—'-)—- + —'-— (27)

&1 "Г1 « Л г р ■г1 Ь р <9Х

UM2._i.AL . ... (2&) •

а г эх г р Л. .

в системе коэффициенты к перепад температур в пленке ДТ

при температуре стенки Т^-со!^ также являются постоянными и определяются по заданной функции" вязкости от температуры |л(Т).В случае неизотермической стенки величины Г1,Г2.Г3,ЛТ являются легко определяемыми функциями толщины пленки,а также расхода и теллофиэических характеристик, хладоагента, которые для этой задачи

служат внешними параметрами.Далее,в слабонелинейном приближении получены уравнения для возмущения стационарного решения,Особенностью этой задачи является подкачка энергии из двух источников-гра- • витационных сил и возрастающего за счет конденсации расхода. С учетом результатов анализа линеаризованной задачи система связанных уравнений расцеплена и получено одно нелинейное уравнение для возмущения толщины пленки уравнение типа Кортевега-де-Фриза с нелинейным возмущением правой части.

в Ь * Ь, а3ъ

1 1 1 л

— ♦ал— ^-Т^-РЛ*^ 1291 ;

Ь уравнении (29) коэффициенты а1,а2,р1,р2 являются медленно меняющимися функциями х и'определяются в результате' решения стационарной и линеаризованной задач.Полученное уравнение исследовали методами секулярной теории возмущений и получили в результате систему уравнений для медленной эволюции волновых характеристик и уравнение для огибающей модулированной амплитуды . Структура полученных уравнений не зависит от вида и типа граничных условия.Вместе с теы^ поскольку коэффициенты являются комбинациями функций,определяющих стационарные решения, то 'зависимость от граничных условий входит . в структуру через эти коэффициенты и оказывает влияние на поведение решений .Таким же образом влияет на условия распространения и характеристики образующихся волн температурная зависимость вязкости конденсата.Представленная в главе теория дает возможность описать волновой режим течения пленки конденсата в виде уединенных волн. Полученные результаты сопоставлены о, данными других исследователей, и собственными• экспериментальными данными,в результате "его был сделан вывод о принципиальной справедливости теории.

Основные результаты работы 1.Проведено комплексное исследование особенностей конвективного тепломассопереноса при движении жидкости в охлаждаемых каналах и в процессе пленочной конденсации паров в условиях больших градиентов температуры.Совокупность полученных результатов открывает новое перспективное направление в области интенсификации процессов тепломассопереноса вхимико-технологических аппаратах,поскольку выделены новые управлявшие безразмерные параметры,характеризующие совокупное влияние неизотермичности опорной поверхности,а также температурной . зависимости вязкости и поверхностного натяже -

. ' -зо-

ния на режим течения и интенсивность переноса тепла,

2.Теоретически и экспериментально исследованы характеристики охлаждаемых трубопроводов при ламинарном течении ньютоновской жидкости с вязкостью, резко зависящей от температуры; установлены критические значения безразмерных перепадов температуры между' ядром потока и стенкой трубы, превышение которых приводит к немонотонности расходно-напорноя характеристики.

3.Впервые дано обоснование использованию параметра о^рлТ в качест в^ управлявшего параметра при различных видах функциональной' зависимости вязкости от температуры, экспериментально подтверждена неустой чивость режима течения, отвечающего спадающая ветви характеристики трубопровода. Показан гистерезисный характер режимного перехода в области критических перепадов температуры.

4.На основе теоретического,а такзе численных и натурных экспериментов разработана методика теплового и гидравлического расчета охлаждаемого трубопровода,а также пучка охлаждаемых труб с учетом перераспределения потоков.обусловленного тепловой неустойчивостью.

5.Теоретически исследован процесс пленочной конденсации чистого пара на вертикальной стенке,горизонтальной трубе и поверхности переменной кривизны.при различных условиях теплосъема и переменной вязкости. Предложено обобщение теории Нуссельта для пленочной конденсат чистого пара,учитывающее изменение условий теплосъема вследствие не-изотермичности хладоагента.а также зависимости вязкости конденсата с температуры.Впервые выделены новые определявшие параметры процесса.

6.В результате теоретического анализа и последующего эксперимент: определена в плоскости управляющих параметров область,в которой происходит потеря устойчивости стационарного безволнового режима стека-ния пленки по вертикальной охлаждаемой стенке и устанавливается авт! колебательный режим процесса конденсации.

7.Экспериментально исследованы волновые характеристики конденсат ной пленки в автоколебательном режиме стекания и коэффициенты тепло отдачи при конденсации в этом режиме.

8.На основании проведенных теоретических и экспериментальных исс ледования получены эмпирические уравнения,составляющие методику теп лового расчета аппаратов для пленочной конденсации чистого пара в области автоколебательных режимов.Эта методика отличается тем,что в ней в качестве исходных данных используются только начальные значе-

ния температур сред и не требуется определение усредненных по высоте значений температур и тепловых потоков.

9.Теоретически установлено существование двух режимов течения вязкоя пленки конденсата по неизотермическоя горизонтальной трубе, характеризующихся различными значениями коэффициентов теплоотдачи. Б пространстве определяющих параметров выделены области существования обоих режимов и предложена инженерная методика расчета коэффициентов теплоотдачи, учитывающая особенности течения, обусловленные переменной вязкостью и поверхностными силами.

10.Теоретически исследовано совокупное влияние стефанова потока, температурноя зависимости вязкости и поверхностных сил, вызванных •"'.ак термокапиллярными напряжениями, так и переменностью лапласова давления на интенсивность переноса импульса, тепла и массы при пленочноя конденсации пара • из смеси с неконденсируемыми компонентами. Установлено, что увеличение числа Марангони приводит к уменьшению толшины пленки и возрастанию числа Нуссельта при конденсации. При этом процесс осуществляется в более мягком тепловом режиме. '

11.Разработана математическая модель и получены уравнения для расчета эволюции волновых характеристик нелинейных волн на поверхности пленкн конденсата. Полученные уравнения позволяют учесть изменение характеристик волн вследствие наличия источников тепла и массы,- а также переменности вязкости конденсата.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А- амплитуда волн;а- коэффициент температуропроводности; Ср-удельная теплоемкость;С - кривизна поверхности; Н,11- толщина пленки; ,)- расход конденсата; К- коэффициент теплопередачи; г-теплота фазового перехода; В- радиус трубы; V- длина трубы; Т-температура;ч- тепловой поток; а- коэффициент теплоотдачи; (3+ показатель крутизны ' вискограммы;р- плотность; ц-коэффициент динамической вязкости; V-коэффициент кинематической вязкости; о -коэффициент поверхностного натяжения; К- коэффици- ент теплопроводности; о=№/\; ?г=т?/< гЛ31-число Фруда^а^йа^/ЗТ« (Т0-Тм1»Н/(ца>-число Марангони;Рг=г/а- число \ Прандтля; ув:о.'| реН21-число Бебера;т-касательное напряжение на межфазной границе. Индекськв-поверхность пленки;«-поверхность стенки.

-32-

Основные результаты диссертации представлены в следующих публикациях

1 .Болгов Н.П..Бренер A.M..Меялибаева Л.И.,Сахаров В.В. Исследование некоторых вопросов распределения газа и жидкости по регулярной насадке // Тез.докл.4 Всесоюз.конф. 1УфаН-М,1978-гС,239.

2.Болгов Н.П.,Бренер А -М.,Маялибаева Л.И.,Соколов Н.М., Тарат Э.Я..Еримбетов А.К. Распределение жидкости в регулярной полочной насадке,ограниченной вертикальными стенками. // ТОХТ-г1979гТ.13г-Ш-С.125,

3.Бренер A.M..Болгов Н.П..Тарат Э.Я..Соколов Н.М; О зоне интенсивного ыассообыена в аппаратах с регулярной насадкой // Тез.докл.,2 Всесоюз.науч.конф."Современные машины и аппараты химических производств "тЧимкент, 1980тТ.2-.С. 507.

4.Бренер A.M. .Болгов-Н.П. .Беруль С.С..Сахаров В.В. Об участках пленочного течения жидкости в аппаратах с вертикальными контактными решетками // Труды 1 Всесоюз.конф.по аэрогидродинамике химических аппаратов "Аэрохим-1."-Северодонецк,1901-г-Т.1-.С.89.

5..Бренер A.M. .Болгов Н.П.,Соколов Н.М.,Тарат Э.Я. Применение методов статистики решеток для описания распределения жидкости по регулярной насадке.// T0XTrl98l-rT.l5-^N 1-С.62.

6.Бренер A.M..Болгов Н.П..Беруль С.С..Молдабеков Ш.М. Некоторые вопросы гидродинамики аппаратов с вертикальными контактными решетками.// ТОХТ-1983-Т.17т N 2-С.199.

7.Кирасиров О.М..Бренер A.M.,Болгов Н.П. Исследование пленочного течения жидкости по листовой насадке с перераспределительными элементами // Тез.докл. 5 Всес.конф.по теории и практике ректифика-циитСеверо Донецк, 1984-4.2-tC.l 11.

8.Бренер A.M..Найденов В.И..Бердалиева Г.А..Молдабеков Ш.М. Теоретический анализ и численное моделирование нестационарного процесса конденсации пара вязкого вещества на вертикальной поверхности // Современные проблемы тепло.-и массообмена в химической технологии:Тез.докл.международной школы- семинара.— Минск, 198бтЧ.ьС.68.

9.Голубев В.Г.,Балабеков О.С..Бренер A.M.,Мусин H.A. Моделиро- . вание процесса конденсации паров фосфора из запыленной парогазовой смеси // Современные проблемы тепло-и массообмена в химической технологии :Тез.докл.Метаународ.школы-семинарагМинск,1986тЧ.2тС.6Э

Ю.Бренер A.M. .Голубев В. Г. .Рабинович Л.М.,Слинько М.Г. О пленочной конденсации фосфора из фосфорсодержащих газов // Тез.докл.Всес. конф. "Химреактор-9"тГродно, 198б-гС. 199.•

11.Орымбетов Э.М..Болгов Н.П..Бренер A.M. Расчет гидравлического сопротивления регулярной полочной насадки // Межвуз.сб.науч.тр. "Современные аппараты для обработки гетерогенных сред". ЛТИ им.Ленсовета-гЛ, 198бтС.57.

12.Альмендингер Г.Г..Ташимбетов Н.Ж..Бердалиева Г.А..Бренер A.M. Гистерезисные явления при ламинарном течении ньютоновской жидкости в охлаждаемом трубопроводе //• Тез.докл.X пколы-семинара по проблемам трубопроводного транспортагУфа,1987-С.30.

13.Найденов В.И..Бренер A.M.,Дильман В.В..Максимов A.A. Нелинейные конвективно-тепловые явления при движении вязкой жидкости в охлаждаемых трубах // Современные проблемы тепло-и массообыена в химической технологии:Матер.Межд.ш<.олы-семинара-гМинскг1987-;Ч.З-гС.116.

14.Бренер A.M..Бердалиева Г.А. Моделирование процесса конденсации пара на горизонтальной трубе с учетом переохлаждения и переменной вязкости конденсата /V Рабочие процессы в теплоэнергетических установках и массообменных аппаратах:Межвуз.сб.науч.трудов.Алма-Ата: КазПТИ т198&тС .63.

15.Бренер A.M..Альмендингер Г.Г..Ташимбетов Н.Ж..Дильман В.В, Найденов В.И. Гидравлическое сопротивление охлаждаемых трубопроводов при течении ньютоновской жидкости с вязкостью,зависящей от температуры // ИФ/itr-l938-гТ.55-rN2-rС.317.

16.Бренер A.M..Найденов В.И..Дильман В.В..Полянин А.Д. Нелинейные конвективно-тепловые явления при неизотермическом движении жидкости // Тез.докл.Всес.конф."Химтехника-88"тЧимкент,19б8тС.З.

17.Бренер A.M. .Бердалиева Г.А. Применение сплайнов в схеме численного решения задач тепломассопереноса со свободными границами //Математические методы в химии:Тез.докл.VI Всесоюз.конф.ММХ-бтНовочер-' каск,1989-Ч.ЬС.40.

18.Бренер A.M.,Альмендингер Г.Г..Бердалиева Г.А. Моделирование конденсации пара на неизотермической поверхности с учетом зависимости вязкости от температуры // Моделирование в САПР,АСНИ,ГАП:Тез. докл .Всесоюз.конфт-Тамбов, 1989-rC.l 36.

19.Бренер A.M. .Бердалиева Г.А..Альмендингер Г.Г..Рабинович Л.М. Двухслойная задача математического мои--ирования пленочной конденсации паров вязкой жидкости Деп. в КазНИИНТИ.19.04.89.И2632-

Ка-89.

20.Найденов В.И.,Бренер А.М.,Дильман В.В. Неизотермическое движение несжимаемой жидкости в охлаждаемых трубах с учетом зависимости вязкости от температуры // Т0ХТ-1989тТ\23-ЫЗтС.ЗОО-

21.Бренер A.M..Альмендингер Г.Г.,Найденов В.И..Дильман В.В. .Голубев В.Г. Нестационарные режимы пленочной конденсации пара при малых числах Реянольдса,обусловленные зависимостью вязкости конденсата от температуры // Матер.14 Менделеевского Съезда по обшей и прикладной х;:ыии тМ.: Hay ка, 19 89-гТ. 2-. С. 219.

22.Вгепег A.M..Berdalleva G.A.Splines in numerical computation of the free boundary for the problems of mass and heat'transfer // Suma, of CHISA'90.Praha.1990.F.3.53 [11271

23.Альмендингер Г.Г..Бренер A.M..Дильман B.B..Найденов В.И.• Нестационарные режимы пленочной конденсации,обусловленные зависимостью вязкости конденсата от температуры // Локл.АН СССРт1990.— Т.313.СЛ181,

. 24.Бердалиева Г.А.,Бренер A.M. Математическое моделирование пленочной конденсации на горизонтальной трубе с учетом неизотермичнос-ти поверхности трубы // Математические методы в химии:Тез.докл.7 Be eco юз.конф. ММХ-7- Казан ь, 19 91-, С. 10.

25.Бренер A.M..Найденов В.И..Альмендингер Г.Г.Бердалиева Г.А., Дильман В.В. Нестационарные режимы пленочной, конденсации,обусловленные зависимостью вязкости конденсата от температуры // Т0ХТт1991т Т.257ЮтС.334.

26.Бренер A.M..Бердалиева Г.А. Учет зависимости вязкости от температуры и неизотермичности поверхности при расчете пленочной конденсации на горизонтальной трубе // Процессы переноса и повышение эффективности работы теплоэнергетических установок:Сб.науч.трудов.— Алма-Ата:КазПТИ,1991тС.20

27.Бренер A.M. О волновых режимах пленочной конденсации // Тепло-массообмен-ММФ-92.Тепломассобмен в химико-технологических устройст-вах-rf i 2-гМинск, 1992-С39.

28.Голубев В.Г..Бренер A.M..Балабеков О.С. Особенности тепломассообмена при конденсации паров из запыленных парогазовых смесей // Телломассообмен-ММФ-92.Тепломассообмен в химико-технологических устройствахтТ.2-Минск,1992-:С.б6.

29.Бренер A.M..Бердалиева Г.А. Моделирование процесса конденсации пара на горизонтальной трубе с учетом зависимости вязкости от

... -33-

температуры // T0XT-t1992tT.?6»N1,C.123.

30.Кирасиров О.М..Бренер A.M. Распределение жидкости по регулярной листовой насадке с перераспределительными элементами // Тез. докл. 3 Всесоюз.конф."Современные масини и аппараты хмуямесглх производств "Химтехника-вЗ."-НаЕ0и,19бЗтЧ.7-С.17.

31-Бренер А.М.,Болгов Н.П..Кирасиров О.М..Тарат Э.Я..Ескенди-ров Ш.З. О пристенном эффекте в аппаратах с полочными насадками

" ■// Т0ХТ-г1932^Т. 16-гН бтС.745.

32-Пляцук Л.Д..Нолдабеков И.М..Мусин Н.А..Бренер Л.К. К расчету критической скорости переходного режима в прямоточном аппарате с регулярными подвижной наездкой.// Тез.докл.Всосооэ.конф. "Интенсификация и повышение эффективности химико-техкологического оборудования?Суми,!9б2-1С.185.

33.Бренер A.M..Чаяченец С.С.,Болгов Н.П. Расчет верхних предельных нагрузок в аппарате РПН. — Деп.в БИЮГГИ. 19SS.fi 511511.

С. 135. ; "

34.Казиев М.Т.,БолгоО Н.П..Брекер A.M..Иадьгаев С.И. Гидравлическое сопротивление высокоскоростного массообменмого аппарата АВРП // Сб."Работы е области массообменных процессоз за. период 1963-В5 гГ по координационному плану головного подразделеиия~г-СевероДонецк,1935тС.135,

35.Положительное решение о выдаче а.с.К224В60209/29 (0598-5» от

20.08.91.Способ транспорта вязкой жидкости / Бренер A.M..Голубев 3-Г-