Введение к работе
Актуальность темы. Высокий уровень энергозатрат и значительные
потери энергии, характерные для большинства отраслей промышленности, предопределяют актуальность энергосберегающей политики. Для успешного решения задач энерго- и ресурсосбережения необходимы новые способы интенсификации технологического процесса, более точные модели и методы расчета.
В последние годы в энергетике, химической, нефтехимической, горнодобывающей, пищевой и других отраслях промышленности находят применение тепломассообменные аппараты, в которых использовано пространственное (свободное) пленочное движение жидкости, взаимодействующей с газовой фазой. К числу достоинств этих аппаратов относятся простота образования поверхности контакта фаз, высокая тепловая эффективность, низкое аэродинамическое сопротивление, большая пропускная способность и надежность в эксплуатации. Области ее применения - процессы тепломассопереноса (абсорбция, ректификация, экстракция, увлажнение, конденсация, охлаждение и мокрая очистка газов), а также процессы сепарации, пеногашения, нанесения покрытий на гранулированный материал, смешения жидкостей и др.
Во многих технологических процессах сконцентрированные и распределенные потоки жидкости также могут быть трансформированы в свободные жидкостные пленки (струи). Такая струя имеет определенную форму, которая зависит от первичного импульса направленного потока, затраченной энергии на ее транспортировку и физико-химических свойств жидкости. По мере удаления от струеобразующего узла пленка уменьшается по толщине до определенного критического значения. Далее она теряет устойчивость и распадается с образованием полидисперсного потока капель. На соотношение длины сплошной и диспергированной частей струи влияют скорость движения жидкостного потока, конструкция пленочной форсунки, физико-химические свойства жидкости и другие факторы. Режимы течения пленочной и диспергированной струй существенно влияют на процессы тепломассообмена.
В настоящее время накоплены теоретические и практические данные, указывающие на возможность создания высокоэффективных тепломассообменных аппаратов с пространственным пленочным течением жидкости. В таких аппаратах пространственная жидкостная пленка, взаимодействующая с поперечным потоком газа, обладает высокими сепарирующими свойствами. При этом аэродинамическое и гидравлическое сопротивления аппарата имеют малые значения.
Внедрение высокоэффективных аппаратов с пространственным пленочным течением жидкости сдерживается из-за отсутствия необходимых теоретических и экспериментальных данных. Практически не исследованным является процесс теплообмена между пространственной пленкой жидкости и поперечным потоком газа. Неясными остаются вопросы взаимодействия парогазового потока и полидисперсного потока капель, на который распадается пленочная струя. В научной печати отсутствуют надежные количественные данные о механизме разрушения пленочной струи и его влиянии на процессы тепло- и массообмена. Недостаток сведений по гидродинамике пленочной струи, ее диспергированной части и парогазового потока при их взаимодействии существенно осложняет построение надежной расчетной модели.
Таким образом, исследования процессов гидродинамики и теплообмена при взаимодействии пленочной и диспергированной струй с поперечным потоком газа являются актуальными, поскольку в ходе этих исследований открываются новые возможности энерго- и ресурсосбережения в низкотемпературных технологических процессах промышленной теплоэнергетики и химической технологии.
Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследования процессов тепломассообмена при поперечном обтекании пространственной пленки жидкости газовым, паровым или парогазовым потоками, в том числе в условиях разрушения этой пленки на полидисперсный поток капель, и уточнение методик теплогидравлического расчета новых высокоэффективных контактных теплообменников с пространственным пленочным течением жидкости, предназначенных для утилизации теплоты уходящих газов.
В ходе выполнения работы решались следующие основные задачи:
разработка лабораторного стенда и проведение экспериментальных исследований течения пространственной пленки жидкости с целью уточнения ее основных динамических параметров и условий разрушения;
исследование аэродинамических характеристик газового потока при взаимодействии с пространственной пленкой жидкости;
разработка, анализ и экспериментальная проверка физико- математической модели теплообмена в пространственной пленке жидкости, взаимодействующей с парогазовым потоком;
разработка модели гидродинамики диспергированной струи, взаимодействующей с поперечным потоком газа, и исследование на базе этой модели уноса капель, образованных в результате разрушения пространственной пленки жидкости;
разработка физико-математической модели тепломассообмена при взаимодействии диспергированной струи с поперечным парогазовым потоком и ее экспериментальная проверка;
разработка и создание лабораторного стенда и экспериментальное исследование тепломассообмена при взаимодействии пленочной и диспергированной струй с поперечным парогазовым потоком в широком диапазоне динамических и геометрических параметров;
анализ и обобщение результатов лабораторных исследований тепломассообмена при взаимодействии пленочной и диспергированной струй с поперечным парогазовым потоком;
разработка методов повышения теплотехнических характеристик тепломассообменного аппарата за счет использования пространственных пленок жидкости, установленных поперечно направлению движения газового потока, и применения рециркуляции жидкости;
разработка и опытно-промышленные испытания тепломассообменного аппарата с пространственным пленочным течением жидкости, предназначенного для утилизации теплоты уходящих газов;
анализ опытно-промышленных испытаний аппаратов с пространственным пленочным течением жидкости;
обобщение результатов лабораторных и промышленных исследований.
Работа выполнена в соответствии с программой ГКНТ и Министерства
образования РФ «Человек и окружающая среда», «Экологически чистая ТЭЦ», межвузовской научно-технической программой «Энерго-ресурсо-сберегающие технологии добывающих отраслей промышленности», утвержденной приказом Министерства образования РФ от 16 марта 1998 года № 717, и в соответствии с федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гг.», разработанной по распоряжению Правительства Российской Федерации от 25 января 2001 г. № 105Р по приоритетному направлению: «Энергетика и энергосбережение» (в рамках мероприятия 1.6 «Проведение проблемно- ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области энергетики и энергосбережений»).
Научная новизна работы:
Уточнены физические представления о динамике пространственной пленки жидкости и получены новые данные о критериях ее разрушения.
Определены особенности течения газа при поперечном обтекании пространственной пленки жидкости в ограниченном пространстве аппарата. Установлено, что толщина пограничного слоя в газе сравнима с поперечными размерами пленочной струи и практически не зависит от распределения скорости газа на входе аппарата. Численными исследованиями выявлено наличие устойчивой вихревой зоны со слабой циркуляцией газа и установлено отрицательное влияние этой зоны на интенсивность теплообмена.
Предложены экспериментально обоснованные модели теплообмена в пространственной пленке жидкости, имеющие аналитические решения. Впервые получены локальные характеристики теплообмена в пространственной жидкостной пленке, определены поле температуры и локальные значения числа Нуссельта. Показано, что пространственная пленка жидкости в зависимости от безразмерных параметров Ре.ж. и Ьф нагревается на сплошном участке до момента ее распада на «60-90 % от максимально возможного нагрева.
Разработана и экспериментально подтверждена новая аналитическая модель тепломассообмена между пространственной пленкой жидкости и поперечным парогазовым потоком. Впервые, применительно к аппаратам с пространственным пленочным течением жидкости, проведен анализ краевой задачи и определен перечень безразмерных параметров, описывающих процессы тепло- и массообмена.
Получены новые критериальные зависимости, обобщающие результаты экспериментальных исследований по тепло- и массообмену между пространственной пленкой жидкости и поперечным парогазовым потоком в широком диапазоне изменения динамических и геометрических параметров. При этом установлено, что при взаимодействии жидкостной пленки с парогазовым потоком интенсивность процессов тепло- и массообмена существенным образом зависит от Pег, Ре.ж. и геометрической характеристики пленочной форсунки Ьф. Показано существование автомодельного режима тепломассообмена относительно числа Вебера при условии гт<5,\5гф. Определено влияние числа Вебера на интенсивность процессов тепломассообмена при гт > 5,15Гф в виде: Nuk ~ We"019 и Nud ~ We"0'19.
Впервые проведен анализ аэродинамического взаимодействия поперечно движущегося потока газа с диспергированной струей, образованной в результате разрушения пространственной пленки жидкости. На основе анализа разработана новая модель гидродинамики диспергированной струи, взаимодействующей с поперечным парогазовым потоком. Выявлены ранее неизвестные гидродинамические условия минимального уноса капель, образованных в результате разрушения пленочной струи.
Разработана и экспериментально обоснованна новая модель конвективного тепломассообмена между диспергированной струей и поперечным парогазовым потоком. Расчетным путем показано, что интенсивность тепло- и массообмена между газом и полидисперсным потоком капель существенным образом зависит от чисел Рейнольдса, Вебера и геометрических характеристик камеры.
Установлено опытно-промышленными испытаниями, что безнасадочный контактный теплообменник с пространственным пленочным течением жидкости и рециркуляцией нагреваемой воды имеет высокую тепловую эффективность, малое аэродинамическое сопротивление и высокие сепарирующие характеристики.
Получены новые критериальные зависимости, обобщающие в широком диапазоне изменения физических характеристик теплоносителей и геометрических размеров камеры результаты лабораторных и промышленных испытаний контактных теплообменников с пространственным пленочным течением жидкости и рециркуляцией нагреваемой жидкости.
Практическая ценность работы:
получены многочисленные экспериментальные данные по течению пространственной пленки жидкости и условиям ее разрушения, которые могут быть использованы при проектировании тепломассообменных аппаратов;
установлены геометрические и гидродинамические условия, позволяющие проектировать аппарат с минимальным вертикальным размером контактной камеры;
получены аналитические решения упрощенной задачи теплообмена в пространственной пленке жидкости, которые могут служить основой для расчета смесительных аппаратов при оптимизации их конструкции;
уточнены на основе новых опытных данных методики расчета тепломассообменных аппаратов с пространственным пленочным течением жидкости;
выявлены важные для практики режимы работы контактных теплообменников, обеспечивающие минимальный каплеунос, в том числе при предельных для контактных камер скоростях движения газов;
предложен способ увеличения тепловой эффективности и (или) уменьшения габаритов контактного теплообменника путем рециркуляции нагреваемой жидкости;
разработаны новые конструкции контактных теплообменных аппаратов с пространственным пленочным течением жидкости, обладающие повышенной тепловой эффективностью, пониженным аэродинамическим сопротивлением и высокими сепарирующими характеристиками.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в научно-исследовательских и производственных организациях, в том числе ОАО «Калужский турбинный завод», ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», СКТБ «Сектор», а также в учебном процессе ряда высших учебных заведений.
Результаты диссертационного исследования включены в отчеты по научно-исследовательским работам и использованы в проектировании промышленных котельных.
Автор внес личный вклад в определение общей цели, постановку и решение задач исследования; в разработку физико-математических моделей конвективного тепломассообмена при нагреве пленочной и диспергированной струй газовым, паровым или парогазовым потоками; в проектирование и изготовление экспериментальных установок; в непосредственное проведение, обработку и анализ лабораторных исследований; в разработку и проведение испытаний опытно-промышленного образца контактного теплообменника с пространственным пленочным течением жидкости; в составление оригинальных программ по регрессионному анализу экспериментальных данных; обобщение экспериментальных данных; в написание статей по теме исследования. Численные расчеты задач, сформулированных в параграфе 2.3, выполнены под научным руководством автора аспирантом А.А. Хоревым, в параграфах 5.3 и 6.3 - аспирантом О.В. Долгушиной.
Автор защищает:
результаты экспериментального исследования течения пространственной пленки жидкости и условий ее разрушения;
результаты исследования аэродинамических характеристик при взаимодействии газового потока с пространственной пленкой жидкости в ограниченном пространстве аппарата;
предложенные модели теплообмена в пространственной пленке жидкости, имеющие аналитические решения, в том числе в условиях взаимодействия с паровым или парогазовым потоками;
предложенные критериальные соотношения для расчета коэффициентов тепло- и массоотдачи при взаимодействии пространственной пленки жидкости с поперечным парогазовым потоком;
новую физико-математическую модель гидродинамики диспергированной струи, взаимодействующей с поперечным потоком газа в активной зоне аппарата с пространственным пленочным течением жидкости;
новую физико-математическую модель конвективного тепломассообмена между диспергированной струей, образованной в результате разрушения пространственной пленки жидкости, и поперечным парогазовым потоком;
результаты аналитического и экспериментального исследований по влиянию рециркуляции нагреваемой жидкости на теплотехнические показатели контактных теплообменников;
результаты опытно-промышленных испытаний контактных теплообменников с пространственным пленочным течением жидкости;
предложенные критериальные зависимости, обобщающие результаты лабораторных исследований и промышленных испытаний контактных теплообменников с пространственным пленочным течением жидкости и рециркуляцией нагреваемой жидкости.
Достоверность результатов обусловлена применением современных физических представлений и математических методов анализа, использованием метрологически поверенных приборов, выполнением тестовых опытов и соответствием их результатов данным других исследователей, удовлетворительным согласованием теоретических и экспериментальных данных, использованием современных технических и программных средств для сбора и обработки информации, использованием традиционных и проверенных методов в проведении численных расчетов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в 82 печатных работах, в том числе 17 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, монографии и докладывались на Отраслевом совещании главных энергетиков (Киев, 1988 г.); VII Всесоюзной конференции «Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах» (Ленинград, 1990 г.); 3-й Всесоюзной конференции по проблемам энергетики теплотехнологии «Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехнологии» (Москва, 1991 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России» (Магнитогорск, 1998 г.); Российском Национальном симпозиуме по энергетике (Казань, 2001 г.); на IV Международной теплофизической школе (Тамбов, 2001 г.); на Международной научно-практической конференции «80 лет Уральской теплоэнергетике. Образование. Наука» (Екатеринбург 2003 г.); на XXVII Сибирском теплофизическом семинаре, посвященном 90-летию академика С. С. Кутателадзе (Новосибирск, 2004 г.); на XV Международной конференции по химической термодинамике в России (Москва, 2005 г.); Всероссийской научно- практической конференции «Фундаментальные науки и образование» (Бийск, 2006 г.); Национальной конференции по теплоэнергетике (Казань 2006 г.); 7-й Всероссийской научно-практической конференции «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России» (Магнитогорск, 2006 г.); Всероссийской школе-конференции «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании» (Уфа, 2007 и 2008 гг.); на 14-й Всероссийской научной конференции студентов и молодых ученых Екатеринбург - Уфа (Уфа, 2008 г.); на IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009 г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Теоретические основы энергетических технологий» (Томск, 2010 г.), на XXII юбилейном семинаре с международным участием «Струйные, отрывные и нестационарные течения» (Санкт-Петербург 2010 г.) и целом ряде межвузовских научных конференций.
I Международный симпозиум по фундаментальным и прикладным проблемам науки (Миасс, 2010 г.) на основании обсуждения доклада принял решение о признании результатов научных исследований автора в качестве основы для подготовки и защиты диссертации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, приложений и списка литературы, включающего 321 источника, изложена на 343 страницах, включает 75 рисунков и 10 таблиц.
Ключевые слова: гидродинамика, теплообмен, массообмен, пространственная пленка жидкости, диспергированная струя, полидисперсный поток капель, газ, пар, парогазовый поток, контактный теплообменник, рециркуляция нагреваемой жидкости, экспериментальные исследования, опытно-промышленные испытания.
