автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Процессы тепло-массообмена при барботаже криогенной жидкости через ракетное топливо

КОМИТЕТ ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ РОССИИ ' МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.Э.БАУМАНА

РГ 8 ОД

' 3 МАЙ На правах рукописи

УЖ 621.313.322

СОРОКИН Сергей Сергеевич

ПРОЦЕССЫ ТЕПЛО-МАССООБМЕНА ПРИ БАРБОГАЖЕ КРИОГЕННОЙ ЖИДКОСТИ ЧЕРЕЗ РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО

Специальность 05.04.03 - машины и аппарати холодильной, криогенной техники п систем кондиционирования.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

- 1994

Работа выполнена в научно-исследовательском институте химического машиностроения (г.Сергиев Посад).

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор АЛЛ.Макаров.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор С.П.Горбачев

кандидат технических наук, доцент Н.А.Лавров

Ведущее предприятие - НПО "Энергия"

, Защита диссертации состоится " /З" 1994 года

в А, [.час Ф-0 шп на заседании специализированного совета К.053.15.07 в Московском Государственном Техническом Университете им.БАУМАНА.

Отзывы на автореферат в двух экзешлярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 107005, г.Москва, Б-5, 2-ая Бауманская ул.5, МГГУ.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке МГГУ.

Автореферат разослан ßt(l№/IJ- 1994 года.

Ученый'секретарь специализированного совета КО53.15.07

кандидат технических hövk

В.Н.КОЗЛОВ

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА- РАБОТЫ

Актуальность темы. Контактные тепломаооо-обменные аппараты (КЕМА), обладая рядом неоспоримых преимуществ в сравнении с теплообменными аппаратами других типов, находят все более широкое применение в различных отраслях промгаленнооти. Использование процесса барботажа в КГМА позволяет: исключить влияние термического сопротивления стенок; получить развитую поверхность контакта фаз в единице объема; ооздавать простые и надежные конструкции, отличающиеся низкой металлоемкостью.-

Вместе с тем, дальнейшее расширение сферы применения КГМА сегодня сдерживается недостаточной изученностью как в теоретическом, так и в .экспериментальном отношении барботажа криогенной жидкости через слой высококипящего компонента. Барботаж данного типа существенно отличается от используемого в химической технологии механизмом.передачи тепла, обусловленным значительными перепадами температуры между взаимодействующими веществами.

Настоящая диссертационная работа посвящена развитию теоретических и экспериментальных исследований теплообмена одиночной капли криогенной жидкости,'всплывающей в слое высококипящей жидкости, для целей создания промшленной установки охлаждения углеводородного топлива ракеты-носителя "Энергия" на космодроме Байконур.

Цель работы; интенсификация процесса охлаждения углеводородного ракетного топлива методом барботажа криогенной жидкости на оонове Физических моделей процесса теплообмена в системе среда-паровой пузнрь-испаряюцаяся капля криогенной жидкости.

Задачи исследования.

1. Разработка и развитие совокупности теоретических моделей теплового взаимодействия дисперсной частицы низкокшядей жидкости, всплывающей в слое высококипящей.

2. Исследование определяющих факторов процесса.

3. Эксперимэнгальяая проверка результатов теории, анализ и практические рекомендации.

Научная новизна работы.

В работе впервые:

1. Исследована задача теплообмена дисперсной частицы с потоком жадности в приближении теплового пограничного слоя и получены критериальные зависимости характерных режимных параметров о учетом влияния отклонения фермы дисперсной частицы от идеальной сферы.

2. Исследована задача теплообмена двухфазной дисперсной частицы с потоком жидкости в приближении пограничного слоя и получена зависимость для теплового сопротивления на границе раздела фаз о учетом влияния теплового сопротивления пленочного кипения.

3. Проведано экспериментальное исследование испарения неподвижной капли жадного азота ва поверхности керосина, получены значения безразмерного коэффициента теплопередачи при различной температуре последнего.

4. Проведено эксперимента льнов исследование висоты зоны полного испарения капель жидкого азота, всплывающих в слое керосина, при различной температуре топлива.

На защиту выносятся следующие положение.

Механизм процесса теплообмена испаряющейся диспэроной частицы, всплывающей в слое высококипящей жидкости.

2. Математические модели процесса, учитывающие несферичность подвижной капли, вызванной наличием пленки испаряющейся жидкости на ее границе. Рассмотренные модели отличаются различной гидродинамической обстановкой вблизи капли в потоке и формой пленки кон-денойта.

3. Математические модели процесоа, учитывающие пленочное кипение внутри подвижной двухфазной частицы.

•4. Оценка влияния дополнительных факторов на интенсивность теплообмена:

а) аналитические решения задач кондуктивного тепломассообмена на границе раздела фаз;

б) численное решение задачи теплообмена неподвижной испаряющейся капли конечных размеров на плоской поверхности полуограки-ченного пространства.

г

5. Результаты экспериментального исследования теплопередачи к капле азота, неподвижно расположенной на поверхности керосина.

6. Результаты экспериментального иооледования теплопередачи к свободно всплывающей капле жидкого азота в слое керосияа.

Практическая ценность:

1. Результаты работы расширяет представления о механизме процесса тепломассообмена при оарботаже низкокипящей жидкости через слой высококипящей.

2. Полученные расчетные зависимости могут быть рекомендованы для практического проектирования контактных тепломасоообман-ннх аппаратов рассматриваемого типа.

3. Результаты работы позволили создать промышленную установку с интенсивным процессом охлаждения углеводородного топлива ракеты-носителя "энергия" на космодроме Байконур, использование которой привело к:

- сократниг времени подготовки топлива к штатной работ© с ракетной-нооителем с 30 часов до 0,5 часа;

- снижению трудоемкости технологической операции примерно . в 3,4 раза;

- значительному упрощению процесса подготовки топлива к заправке ;

- улучшению экологических показателей оистемы подготовки топлива за счет исключения из технологического процесса холодильных машин, рабочим веществом которых является фреон.

4. В результате работы выявлена оптимальная область изменения режимных параметров установки.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на Международной научно-практической конференции "Криогеника-Э!" в г.Москва. Материалы диссертации публиковались в журналах "Ракетно-космическая техника" (г.Сергиев Посад) и "Нефтяное и химическое машиностроение" (г.Москва).

По теме диссертации получен один патент Российской Федерации. •.-■,.

Объем д и о .о е р т а ц и и.

• Дисоертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов и рекомендаций, описка использованной литературы. Объем работы 152 страниц. Количество иллюстраций 36. Библиография включает 61 наименование,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ современного состояния исследования тепломасоообмеи-ного взаимодействия одиночной двухфазной дисперсной частицы о потоком жидкости, выполненный на основании публикаций по данному вопросу, позволил сделать следующие важные с точки зрения методологии исследования выводы:

1. Теплообмен двухфазных дисперсных частиц о потоком ис-слвдуатоя в рамках приближения пограничного слоя, что позволяет получить результаты, хорошо совпадающие о результатами экспериментов ва органических жидкостях при перепадах температур

-3-5 град.

2. Отсутствуют модели, учитывающие влияние деформации пузырька за счет наличия внутри него испаряющейся жидкости для Ре > 1000 и Йе < I. Вместе о тем ряд исследователей отмечает, что влияние геометрии существенно.

3. Для Ре > 1000 к Де < I отсутствуют модели о граничными уоловиями 3-го рода.

4. Анализ экспериментальных данных на органических жидкостях показал,что:

а) скорость всплытия одиночных испаряющихся капель практически постоянна и может быть рассчитана по теории Стокса (Яе< I). Времг разгона капли при отрыве от сопла составляет сотые доли секунды;

б) форма всплывающих капель существенно отличается от сферической иэ-за наличия испаряющейся жидкой пленки на данной поверхности;

в) среднее значение угла р (см.рис.16) аа время полного испаревия всплывающей капли находится в интервале 130-135°;

г) коэффициент теплопередачи практически. не зависли? от размеров капли при массовом паросодержаши более 10$.

5. Отсутствует систематический экспериментальный материал по взаимодействию дисперсных частиц криогенных жидкостей с но- ■ током внсоьокншицей жидкости, позволяющий выявить особенность поведения такого рода частиц.

Теоретические м о д од и процесса.

В общем случае задача о конвективном тепломассообмена частицы с окружающей срэдпй сводится к решению системы уравнений гидродинамического обтекания частицы и уравнения конвективной диффузии или теплопроводности с соответствующими условиями однозначности. При этом оказывается возможным отдалить гидродинамическую задачу от диффузионной пли тепловой.

Существенным шагом в изучении процесса топяомассообмэка явилось применение идеи пограничного слоя, состоящей в том,что ирц-Рз?т-1 основное изменение температуры сосредоточено в тонком слое толщиной 5" =1/{Р<Р- вблизи поверхности частицы. Последнее обстоятельство позволяет упростить уравнение конвективной теплопроводности и привести его к виду:

ь X'П - дг*~ и)

Здесь: Ъ'ъ.Ъ'о - компонента скорости; 1,0 -'незавиоише переменные сферической системы координат.

Гидродинамическая обстановка вблизи дисперсной частицы может быть учтена использованием известных выражений (поело их линеаризации) для:

потенциала поля окоростей при обтекании идеальной жидкостью:

ъ

, о- \ = -и. (г + ^г/- тВа-и.г-совв

и функции тока для режима еязкого обтекания сферы:

1-5\

(2)

где: I/ - скорость движения дисперсной частицы, у - 1-Я .

Составляющие скорости в левой части уравнения (I). могут быть выражэны через функции (2) или (3) (в зависимости от рассматриваемой -задачи) . Преобразованное таким образом уравнение конвег<тивной теплопроводности решается методом подстановки автомодельной переменной.

В диссертационной работе описании!! подход реализован г моделях, изображенных на рис.1 (а,б,в). Получению на их основе критериальные зависимости для основных режимных пзракотров процесса учитывают влияние формы пленки испаряющейся жидкости, что является существенным отличием в сравнении с известными решениями.

В модели, изображенной на рис.1а, газовый пузырек окружен пленкой испаряющейся жидкости толщиной Ь(0) . Математическая формулировка задачи включает уравнения (I), (3) (вязкое обтекание), граничные условия первого рода на внекней границе жидкой пленки, на бесконечном удалении от пузырька и условие ограниченности ранения в особой точке ( ^ =0,8 =0).

Метод подстановки автомодельной переменной, использованный для решения исходной системы уравнений, определил специальный вид функции И(б) и.позволил получить выражение для безраэшрно-го коэффициента теплопередачи:

Ми - ¿,02 „ рТУз а

_ ОЛП-К*3*-*' it U)

и котором влияние пленки испаряющейся жидкости учитывается введением параметра формы': г /и 0. h (В)

L [jsmfy-dB]'*

В выражении (4): //й - критерий Нуседьта, Ре - критерий Пекле, d - дпаштр дисперсной частицы. Оценка.проведенная на основании экспериментальных данных, показала,что £L~ КГ5м, Выражение (4) обладает большей общностью в сравнении о известным решением В.Г.Ловкча, поскольку содержит El , определяющий комплекс геометрических характеристик испаряющейся пленки жидкости.

Модель на рис.16 учитывает то обстоятельство,что капля испаряющейся жидкости расположена в нижней части полости пузырька и ограничена углом fi =135°, где и реализуется основной тепловой поток к частице. Рассматривается две постановки задачи.

В первой учитывается обтекание диспероной частицы потоком идеальней жидкости, во еторой - обтекание вязккм потоком. Задачи решаются с граничными условиями первого рода на внешней поверхности газового пузырька, на бесконечном удалении от частицы. На внешней поверхности испаряющейся пленки падкости записывается граничное условие вица:

т) -То -Й „ -Ь(о), {5}

представляющее собой "смещение" граничного усяогия о "невозмущенной" поверхности газового нузнрька на "возмущенную" поверхность испаряющейся пленки, что позволяет учесть влияние ее фор?ет на теплообмен. В (5) ?о - температура на гяешзй поверхности пленки испарителя яддкости.

Б результате решения системы уравнений для модели 16 подучены выражения для безразмерного кеэффицие'.гга теплопередачи видо: а) для случая обтекания идеальной жидкостью:

^ ^ (сОЗ Д - 5- • 00^ + ь э-•(* + (6)

Но ' _ М

з-ре ¿1

где ; £е= - форшарамзтр. Оценка его вели-,

чины на основе экспериментальных данных позволила подучить Ев « Ю-6 м.

б) для случая обтекания вязкой жидкостью:

- ^ ре 1/ъ с/

(7)

где: - формпараметр, аналогичный использованному в уравнении (4).

В выражениях (6) и (7), как и в выражении (4), влияние геометрических .характеристик пленки испаряющейся жидкости на интенсивность теплопередачи я дисперсной частице, учитывается наличием

соответствующего параметра формы, что обуславливает большую общность полученных выражений в сравнении с известными решоная-'ми таких авторов, как £1с1етяп£. и Тос1и±ап! V..

В модели на рис.1в предпринята попытка учета теплового сопротивления пленочного кипения внутри дисперсной частицы. Принципиальное отличие математической формулировки данной модели от предыдущих - в постановке граничного условия 3-го рода на внешней поверхности испаряющейся жидкости в виде:

^ -аС-(Т -То) при + (8)

где: ф - средний по поверхности удельный поток тепла;

сИ - коЕффициент теплоотдачи при кипении жидкого азота; То - температура насыщения кипящей жидкости; Т - температура на поверхности пузырька.

В результате решения методом подстановки автомодельной переменной получено для суммарного коэффициента теплопередачи на поверхности раздела фаз выражение вида:

I: = А- ' (9)

отрзаающее свойство аддитивности тепловых сопротивлений. Здесь о£.д ~ коэффициент теплопередачи, рассчитанный на основании уравнений (4), (6), (7).

Оценка влияния дополнительных факторов

а) в рамках работу разрабатывается теоретические модели тепломассообмена на границе раздела фаз для случая, когда тепловые сопротивления внутри и вне пузырька соизмеримы и определят1 ся коше егпвиам теляообкеиом и диффузией кьпариклейся о по« пг/Еорхиоотл раздела окрукамвой пугырак жидкости.

Теоретпчоекш оцзпкп, педтвврсдоиша «.модродзвгцльво ио-ксэкваиг.тао влияние кошукишюго тоялообкока п диффузии папок кэроспна для рассматриваемое нары веществ не сухом ¡20 ни о и кки шгло пренебречь. Влгзоте с тем првдлояопвыо модели и решения, ' нодучеинно на >эг основа, могут одеваться вэсиа полезными для изучения топлошооообмйвною взаимодействия целого ряда другие

б) в диссертации представлены результаты численного решения задачи о теплообмене капли ограниченных размеров, кипящей на плоской поверхности полупространства, Потребность в обращении к данной модели вызвана необходимостью исследования влияния конвекция окружающей движущуюся частицу жидкости на теплообмен.

Сравнение результатов численного решения с экспериментом показывают,что значения безразмерного коэффициента теплопередачи, предсказанные теорией, совпадают с экспериментальными данными с точностью, не превышающей погрешность измерений. А величина коэффициента теплопередачи для всплывающих капель в 2,7 раза выше коэффициента теплопередачи к неподвижно расположенной на поверхности керосина капле азота.

Экспериментальная часть работы посвящена:

а) исследовании теплообмена одиночных капель азота, всплывающих в слое керосина (схема установки представлена на рис.2). Проводились измерения высоты зоны полного испарения капель азота при различной температуре.керосина. Фотографические изображения образующихся при распаде струи одиночных капель позволили определить некоторые их геометрические характеристика (характерный диаметр, характерное значение угле ). Полученные значения сравнивались с рассчитанными из теории.

б) исследованию теплообмена неподвижной капли на поверхности керосина (охема установки на рис.З).

Проводились замеры времени полного испарения капель жидкого азота, неподвижно расположенных на поверхности керосина. Фотографическая саджа испаряющихся капель позволила провести измерения геометрии капель.

На основании полученных значений рассчитывались значения безразмерного коэффициента теплопередачи и проводилось их сравнение с теорией.

Порядок работы установки, изображенной на рис.2 и методика эксперимента:

В сосуд Дьвара I через вентиль 5 подается газообразный азот от стороннего источника давлением до 0,03 Ша. Под действием избыточного давления жидкий азот поступает по трубке 3 в устройство ввода 10. В камере сепарации устройства веодэ происходит частичное разделение потока. Часть потока, с преобладанием жидкой фазы, подается в емкость с керосином 12. Часть же общего потока

сбрасывается через трубку в ванну с жидким азотом 9. 11а начальном этапе, когда все элементы конструкции теплив, в трубке 3 происходит полное испарение азота, поэтому в емкость 12 азот поступает в газообразном состоянии. С долью сокращения'времени переходного процессе эахолаживания магистралей производится заполнение жидким азотом ванны 9.

Устройство ввода регулируется таким образом, что основная часть жидкого азота из трубки подачи 3 подпитывает ванну с жидким азотом 9. При этом через жиклер в емкость 12 поступает лишь часть жидкого азоте, что позволяет получить на выходе из устройства ЕЕОда поток с достаточно низким паросодержанием для целей наблюдения за каплями жидкого азота в слое керосина.

Устройство ввода выполнено наклонным (под углом 30 град,к горизонту) с целью предотвращения попадания керосина в подающую магистраль, а также с целью организации оптимального решай тер-мостатирования подающих трубок.'

Огруя жидкого азота, попадая под слой керосина в экспериментальной емкости 12, разрушается на отдельные капли, которые, испаряясь, всплывают. Испарившийся азот выходит через открытую верхнюю часть емкости в атмосферу.

Регулировка расхода жидкого азота производится за счет изменения давления в сосуде Дьюара вентилем 5. Часть трубки 3, расположенная внутри сосуда Дьюара, изолирована • пленкой ПЭТФ и стекловатой с целью снижения теплопригока от газа наддуЕа.

Замер температуры керосина проводился о помощью термометров сопротивления 16 (о регистрацией на самописцы) и жидкостных термометров 15. Показания термометров 16 корректировались при помощи показаний термометров 15, благодаря чему приборная погрешность измерения температуры равнялась погрешности ртутного стеклянного термометра и не превышала I град.

Методика эксперимента заключалась в следующем.

На начальном этапе в емкость 12 заливалось незначительное количество (примерно до 5 см от дна емкости) керосина для предотвращения разбрызгивания жидкого азота ка момент подачи и его попадания на плексигласовые стенки емкости.

Затем осуществлялась подача жидкого азота по описанной выше штодике.

После установления устойчивой,струи жидкого аоота начиналось заполнение емкости 12 керосином по линии 14. При этом про- . изводилась постоянная регистрация температуры керосина и наблюдалась свободная поверхность керосина на предмет наличия неис-паршнпихся капель жидкого азота. Следует отмстить,что мелкие квпли жидкого азота на поверхности керосина хороио различим в силу того, что поток испарившегося азота, исходящий от них, раздувает отдельные газовые пузырьки. Крсч:э того, мелкие капли часто сливаются 2 более крупные, благодаря чему их наблюдение упрощается.

По мере подъема уровня керосина, количество неиспарившихся капель на свободной поверхности уменьшалось. Вгсота уровня керосина, на которой происходило полное испарение капель азота и температура керосина в данный момент фиксировались.

С цель» уменьшения систематической погрешности, вызванной наличием слабого тока керосина при заполнении емкости, а также наличием на поверхности керосина неиспаринтехся с предыдущего уровня капель азота, проводилось повторное измерение высоты полного испарения капель азота при сяйве керосина из емкости через вентиль Г7. Результаты прямого (на этапе заполнения емкости) к обратного (слиэ из емкости) измерений различались не более чем на 2 см. В качестве результирующего значения принималось среднее.

Следует отметить,что в процессе прямого и обратного измерений (время не более 2 мин.) температура керосина не изменялась в пределах погрешности измерений. Время заполнения емкости до высоты зоны испарения (около 30 см) составляло примерно 10 ман, что позволяло избегать влияния на результаты измерения наличия неиспарившихся о предыдущего слоя капель азота на поверхности (время испарения мелких капель на поверхности не превышает 30 сек.).

Далее в течение некоторого времени проводилось охлаждение керосина подаваемым жидким азотом и эксперимент повторялся по аналогичной методике, но при более низкой температуре керосина. .

В процессе эксперимента проводилась фотографическая съемка струи и капель жидкого азота в слс^ керосина. Съемка проводилась в момент всплытия капель. Использовался фотоаппарат "Зенит-ЕМ" со стандартным объективом "Гелаос-44", удлинительные кольца, ахроматическая насадка АН-2, красный светофильтр КФ-8, фотовспышка "Луч-70".

.Суммарная погрешность .(инструментальная и случайная с вероятностью 95$) измерения высоты зоны испарения не превышала

Ш.

Порядок работы установки, изображенной на рис.3, и методика эксперимента:

На установке проводилось измерение скорости испарения неподвижных капель жидкого азота на поверхности керосина. Для этой цели в лабораторный химический стакан I заливался керосин 2 объемом 0,5 л. На поверхность керосина опускалась пенопластовая оправа 3, внутри которой, на определенной высоте закреплено фторопластовое кольцо 4, имеющее внутреннее отверстие с диаметром 10 мм. Высота установки кольца 4 определялась таким обра-■ зом, чтобы за счет смачивания краев внутреннего кольца керосином образовалась сферическая лунка. Такое условие позволяло обеспечивать неподвижность капли жидкого азота на дно лунки и при атом удавалось избежать контакта жидкого азота с внутренней поверхностью фторопластового кольца, а следовательно- его интен-• оивного охлаждения и кристаллизации керосина на поверхности кольца.

Азот заливался во внутреннее отверстие кольца 4. Измерялось время полного испарения капли, начиная с момента стабилизации (при этом диаметр капли равнялся диаметру внутреннего отверстия кольца). Температура керосина измерялась с помощью жидкостного термометра (на рисунке не изображен). Замер вреюни испарения проводился о помощью секундомера.

На каждом уровне температуры.проводилось около 20 измерений времени испарения капли. Суммарная погрешность не превысила 12$ при доверительной вероятности 95%.

Для изучения зависимости геометрических размеров неподвижной капли от времени пенопластовая оправа 3 с кольцом 4 помещались в сосуд с плоскими стенками. Производилась фотографическая съемка испаряющейся капли в горизонтальной и вертикальной проекции в фиксированные моменты времени.

Полученные изображения увеличивались в 10 раз при проектировании на экран, что позволяло производить измерение размеров капель с хорошей точностью.

На основе данных экспериментов были рассчитаны значения безразмерного коэффициента теплопередачи при испарении неподвижной капли жидкого азота на поверхности керосина.

На рис.4 и 5 представлены зависимости высоты зоны испарения всплывающих капель азота в слое керосина, полученные на основании представленных теоретических моделей и из-эксперимента.

ВЫВОДЫ

I. Проведено исследование процесса теплообмена одиночной испаряющейся капли, всплывающей в слое внсоконипящей жидкости, имеющего место при барботаке криогенной жидкости в слое углево- ■ дородного ракетного топлива. Определено влияние на интенсивность теплопередачи формы испаряющейся капли, гидродинамических условий ее обтекания, теплового сопротивления пленочного кипения внутри двухфазной дисперсной частицы, кондуктивного тепломассо-переноса на границе раздела фаз.

2. В рамках теоретических исследований получены следующие результаты:'

а) разработана совокупность математических моделей процесса , учитывающий форму пленки испаряющейся жидкости и гидродинамические условия обтекания дисперсной частицы и обладающих большей общностью в сравнении с известными моделями. Получены решения соответствующих задач в теории пограничного слоя, критериальные зависимости между режимными параметрами процесса и проведены расчеты на их основе;/

б) разработана модель, учитывающая влияние пленочного кипения испаряющейся внутри всплывающей дисперсной частицы капли на теплообмен с окружающей жидкостью. Получено решение соответствующей задачи в теории пограничного слоя (при постановке граничного условия 3-го рода на внешней поверхности дисперсной частицы),отражающее аддитивность тепловых сопротивлений на границе раздела фаз;

в) разработаны модели кондуктивного тепломассопереноса на границе дисперсной частицы. Получены аналитические выражения для удельного теплового потока и критериальные зависимости для режимных параметров процесса, на основании которых проведена оценка влияния кондуктивного тепломассопереноса на интенсивность теплопередачи к испаряющейся дисперсной частице в. потоке жидкости;

г) получено численное решение для модели теплообмена неподвижной испаряющейся капли на плоской поверхности полупространства, на основании которого проведена оценка влияния конечных размеров капли на интенсивность теплопередачи при кипении на поверхности.

3. В рамках экспериментальных исследований получены следующие результаты:

а) зависимость высоты зоны полного испарения капель жидкого азота, всплывающих в опое керосина, от температуры последнего;

б) зависимость коэффициента теплопередачи при испарении капли жидкого азота, неподвижно расположенной на поверхности керосина, от температуры последнего;

в) фотографические изображения одиночных испаряющихся капель жидкого азота, всплывающих в слое керосина, на основании которых проведена оценка характерных^геометрических размеров двухфазных дисперсных частиц азота.

4. Результаты анализа теоретических и экспериментальных данных:

а) определено, что теоретические результаты хорошо совпадают с результатами экспериментов (отклонение не превышает I4&) для модели, учитывающей вязкий характер обтекания всплывающей дисперсной частицы, ограниченность пленки испаряющойся жидкости

• углом р =135°.при значении формпараметра £(_ «icT^m. Рекомендовано итоговое уравнение для безразмерного коэффициента теплопередачи (формула 7);

б) теоретически обнаружено и экспериментально подтверждено, что высота зоны полного испарения капель жидкого азота не превышает 0,3 м ;

в) выявлено,что значения коэффициента теплопередачи, получение в экспериментах по испарению неподвижной капли жидкого-азота, отличаются от' результатов известной модели об испарении пленки жидкости на поверхности полубесконечного пространства

на 25-3QJ, а от результатов численного решения задачи об испарении неподвижной капли конечных размеров на плоской поверхности 15$;

г) получено,что экспериментальные значения коэффициента теплопередачи для испаряющейся капли азота, всплывающей в слое керосина, превышает аналогичные значения для неподвижной .капли азота, испаряющойся на его поверхности, 2,5-2,7 раза. Отличие

i

объясняется более интенсивной конвекцией окружающей всплывающую частицу жидкости;

д)'выявлено, что влияние ковдуктивного тепломассопереноса на интенсивность теплопередачи к пузырьку азота, всплывающему в слое керосина несущественно.

5. По результатам работы рекомендованы зависимости для расчета процессов контактного теплообмена при барботаже криогенной жадности через слой углеводородного топлива.

6. На основании результатов исследования спроектирована и создана промышленная установка с интенсивным охлаждением и осушкой углеводородного топлива ракеты-носителя "Энергия" на космодроме Байконур, испытания которой прошли успешно.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Сорокин С. С. Теплообмен одиночного пузырька в потоке жидкости при барботаже. Доклад на Международной научно-практической конференции "Криогеника-ЭГ'.-М. :-1391.

2. Сорокин С.С., Макаров A.M. Теплообмен газового пузырька, имеющего пленку конденсата на донной части внешней поверхности, с потоком жидкости //Ракетно-космическая техника. Серия 1У. -1992.-Выпуск I.-С.81-92.

3. Сорокин С.О., Макаров A.M. Тепловое взаимодействие сложной дисперсной частицы с потоком жидкости //Ракетно-космическая техника. Серия 17.-1992.-Выпуск I.-C.92-I05.

4. Сорокин С.С., Макаров A.M. Теплообмен пузьфька, покрытого пленкой жидкости в кормовой части поверхности //Нефтяное и химическое машиностроение.-1994.-Я 2.-С.24-26.

5. Патент РФ Я 20I3I03 по заявка Я 5023009/26 от I5.II.9Ir. Установка для охлаждения и осушки жидких углеводородов. /С.С.Сорокин. Опубл.в Б.И.-1994.~„',р 10.

Модели двухфазных диспероных частиц, всплывающих г олое жидкости

1- паровой пузырёк;

2- испаряющаяся капля.

I / Рис. 2

Схема экспериментальной установки №1

I- сосуд Дьюарз. СД-25;2- жидкий азот;3- трубка подачи 'жидкого азота,<^4; 4- дренажный вентиль;5- вентиль надпува сосуда Дьюара;6- кокух;7- предохранительный клапан;8- жидкий азот;9г ванна для жидкого дзота (пенопласт)устройство ввода жидкого азота под слой керосина " г керосин; 12- ёмкость с прозрачными стенками размером 120х200х . 1&Л;13- измерительная линейна с пенрй деления 1мм; 14- линия . наполнения едкости 12 керосином; 15- термометр ртутный; 16-тер,ю:.'.етры сопротивления с регистрацией на самописцы; 17-вентиль слива керосина.

I- лабораторный химический стакан;2- керосин*,3- пенопластовая оправа для кольт 4;4- кольцо из фторопласта;5- капля жидкого азота,испаряющаяся в'лунке.

0,9

КМ

5 6 с %г 10 г

< *— v " \ \t~i--s *

д \г-¿1Ц- X Л. --йт/--- зт-л-рр-|1

ь-^--

250

230 [К]

Рис. 4 , , .

Зависимость высоты зоны полного испарения ГЦ1} капель

азота в слое керосина.Теоретические и экспериментальные

ЕриУЛрасч1те значений Ь(т) использовались значения А/и из:

I- (4) при £и =0;2- (4) при £и =Ю"5м;3- (С) при Ев =0^

4- (6) при ¿'в =10 м;5- (?) при Ес =0;6- (7) при ¿и =Ю м;

7- результатов экспериментов с испарением неподвижных капель азота на поверхности керосиня:

8- результатов задачи об испарении пленки жидкостина плос- • кой .поверхности полупространства (см.ЛсаченкоВ.П. .Кушны-рзв В.И. Струйное охлавдение/Энергоато.-.шздат.М. :1Э84 или материалы диссертации);

9- результатов численного решения задачи об испарении капли . ограниченных размеров на плоской поверхности полупространства;

Ю- экспериментальные данные по определению высоты зоны полного испарения капель азота в слое керосина.

См] 1,0

Ь(т)

•----- -(г----

' —- __ -- $ <

1 Г \

»-и г' ' 1 « 1-- * т

/ * ж/

250

280 [К]

Рис. 5

График зависимости Ь (Т'},расчитанный с использованием значений Л/и из:

1-6- (9),где =217 ВтДм^.К), о£о -из (4) ,(6) ,(7) .результаты расчёта по которым представлены на рис.4 аналогичными номерами; 7-10- зависимости,аналогичные представленным на рис.4 с такими же номерами.