Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Математическое описание движения тонкого слоя жидкости по криволинейной поверхности . 15
1.1 Уравнение неразрывности для толщины слоя жидкости 15
1.1.1 Параметризация поверхности жидкости. 15
1.1.2. Эволюционное уравнение для толщины слоя конденсата 16
1.2. Уравнение движения пленки конденсата в приближении теории смазки 18
1.2.1 Уравнения движения жидкости и анализ масштабов 18
1.2.2 Вывод эволюционного уравнения 21
1.3. Некоторые классические задачи о пленочной конденсации пара. 22
1.3.1. Конденсация неподвижного пара на вертикальной стенке. 22
1.3.2. Конденсация неподвижного пара на поверхности
горизонтального цилиндра 23
1.3.3. Конденсация неподвижного пара на криволинейном ребре. 25
1.4. Метод численного решения эволюционного уравнения. 26
1.4.1 Дискретизация и аппроксимация уравнений. 26
1.4.2 Метод Ньютона с численной линеаризацией. 28
1.4.3 Проективный алгоритм метода Ньютона. 31
Приложение к Главе 1. Математические выражения для геометрических параметров поверхностей. 33
Глава 2. Интенсификация конденсации пара на криволинейных ребрах . 39
2.1 Конденсация пара на криволинейных ребрах, учет теплопроводности в ребре. 40
2.2 Оптимизация формы ребра. 59
2.3 Исследование влияние уровня заполнения межреберной канавки и сил Ван-Дер Ваальса на процесс стационарной конденсации пара на ребрах. 70
2.4. Экспериментальное и численное исследование конденсации пара FC72 на дисковидном ребре 77
Глава 3. Конденсация пара в трубах и каналах с продольным оребрением 85
3.1 Результаты расчетов стационарной и нестационарной конденсации движущегося пара этилового спирта в круглой трубе 85
3.2. Экспериментальное исследование конденсации движущегося пара этилового спирта в круглой трубе. 90
3.3 Модель конденсации пара в трубе с продольным оребрением с учетом теплопроводности в стенке трубы 95
3.4 Результаты экспериментов, выполненных в условиях параболических полетев. 125
Глава 4. Термографические исследования неизотермических пленок жидкости 134
4.1 Методика термографического исследования неизотермических пленок жидкости. 134
4.2 Исследование температурного поля на поверхности пленки жидкости, стекающей по пластине с локальными источниками тепла 144
4.3 Исследование движения слоя вязкой несжимаемой жидкости и вязкого несжимаемого газа в канале прямоугольного сечения с локальным нагревателем. 153
4.4. Исследование течения пленки воды стекающей под действием гравитации вдоль вертикальной поверхности с локальным источником тепла размером 6х50 мм. 163
4.4.1 Экспериментальный стенд и рабочий участок 163
4.4.2. Результаты экспериментов 168
Глава 5. Эффекты Марангони и температурной зависимости вязкости в неизотермических пленках жидкости 182
5.1 Влияние зависимости вязкости и поверхностного натяжения от температуры на течение локально нагреваемой пленки жидкости 182
5.1.1 Математическая модель. 182
5.1.2 Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными. 189
5.2 Термокапиллярный эффект в локально нагреваемом горизонтальном слое жидкости. 195
5.2.1. Стационарная осесимметричная задача. 195
5.2.2. Импульсный нагрев. 214
Заключение. 220
Список литературы 221
- Эволюционное уравнение для толщины слоя конденсата
- Исследование влияние уровня заполнения межреберной канавки и сил Ван-Дер Ваальса на процесс стационарной конденсации пара на ребрах.
- Модель конденсации пара в трубе с продольным оребрением с учетом теплопроводности в стенке трубы
- Исследование течения пленки воды стекающей под действием гравитации вдоль вертикальной поверхности с локальным источником тепла размером 6х50 мм.
Введение к работе
Актуальность работы. Конденсация пара это явление фазового перехода из газообразного состояния в жидкое или твердое, которое часто встречается в повседневной жизни и технике. В большинстве используемых теплообменных устройств реализуется пленочная конденсация пара, поэтому всестороннее исследование пленочной конденсации пара представляется важным. Снижение толщины пленки конденсата в конденсаторах пара позволяет интенсифицировать процесс теплообмена. При использовании оребренных поверхностей в конденсаторах пара интенсификация достигается как за счет увеличения поверхности теплообмена, так и за счет действия сил поверхностного натяжения. Математическое моделирование пленочной конденсации пара с учетом капиллярных эффектов позволяет найти оптимальные формы поверхностей, обеспечивающие высокую интенсивность теплообмена, а также снизить материалоемкость и размеры конденсаторов пара.
Одной из проблем космической энергетики является сброс избыточного тепла со спутниковой аппаратуры в окружающее пространство. Для отвода тепла используются двухфазные испарите л ьно-конденсационные системы. Известно, что длина гладкого конденсатора, работающего в условиях микрогравитации должна быть в несколько раз больше, чем конденсатора такой же производительности, работающего в наземных условиях. Поэтому создание высокоэффективных конденсаторов пара является важной задачей для производства систем термостабилизации космических аппаратов.
Пленки жидкости широко используются в технологических процессах, так как обеспечивают высокую интенсивность тепло-массопереноса и значительную поверхность контакта фаз при малых удельных расходах жидкости. Пленочные течения специально создаются в различных аппаратах химической технологии, пищевой, фармацевтической промышленности, в криогенной индустрии. Тонкие пленки жидкости могут также возникать при движении двухфазных потоков в каналах испарительно-конденсационных систем. Отличительной чертой жидких пленок являются: существенное влияние капиллярных эффектов, неустойчивость течений, нелинейность и трехмерность процессов, а также многообразие форм свободной границы раздела. Существенное влияние на движение тонких пленок производит эффект Марангони, вызванный градиентом температуры или градиентом концентрации компонентов на границе раздела жидкость-газ. До настоящего времени расчетные модели большинства пленочных процессов в неизотермических условиях не учитывают всех факторов и требуют дальнейшего развития и экспериментальной проверки. Особое значение имеют экспериментальные данные по микроструктуре пленочных течений, позволяющие проводить прямую проверку гипотез, сформулированных при построении теоретических моделей.
Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование пленочной конденсации пара на поверхностях сложной формы и исследование неизотермических пленочных течений с локальным нагревом.
Основные задачи исследования.
Создание модели пленочной конденсации пара на поверхностях сложной формы и в каналах.
Оптимизация форм ребер для пленочной конденсации пара на основе разработанной теоретической модели.
Моделирование пленочной конденсации пара в продольно оребренной трубе с учетом процесса теплопроводности в стенке трубы.
Экспериментальное исследование пленочной конденсации в круглой трубе и проверка разработанной теоретической модели.
Исследование течения локально-нагреваемой пленки жидкости в условиях существенного влияния термокапиллярной конвекции на основе информации о распределении температуры на поверхности жидкости и численных расчетов.
Моделирование термокапиллярной конвекции в локально-нагреваемом горизонтальном слое жидкости.
Научная новизна.
-
Впервые разработана трехмерная нестационарная модель пленочной конденсации пара на криволинейной поверхности, учитывающая массовые силы, поверхностное натяжение и трение на поверхности пленки конденсата. Данная модель обобщает известные ранее модели пленочной конденсации пара. Выведено эволюционное уравнение для толщины слоя конденсата. Разработаны численные алгоритмы для решения эволюционного уравнения.
-
Впервые выполнена оптимизация формы криволинейных двухмерных ребер для пленочной конденсации чистого пара. Решена задача вариационного исчисления для нахождения функции кривизны кривой определяющей профиль оптимального ребра. Получены новые формы оптимальных с точки зрения интенсивности конденсации ребер с конечной кривизной на вершине ребра.
-
Выполнено моделирование пленочной конденсации пара в продольно оребренной трубе с учетом процесса теплопроводности в стенке трубы. Показано, что величина коэффициента теплопроводности материала трубы существенно влияет на интенсивность конденсации.
-
Впервые рассчитаны времена установления стационарного режима конденсации в круглых трубках при внезапном переходе от земной гравитации к микрогравитации и наоборот. Выполнено экспериментальное исследование конденсации пара этанола в круглой трубе при различных углах наклона трубы к горизонту. Численное моделирование пленочной конденсации чистого пара в круглой трубе с использованием разработанной модели дает хорошее согласие с результатами экспериментов. Получено, что зависимость величины коэффициента теплоотдачи от угла наклона имеет максимум при 20-30.
-
Создана методика термографического исследования гравитационно стекающих жидких пленок. Разработано специальное программное
обеспечение для обработки термограмм, полученных на различных ИК камерах.
-
Впервые систематически исследованы термокапиллярные эффекты в пленках жидкости с локальным нагревом со стороны подложки с использованием метода инфракрасной термографии. Измерены длина волны и амплитуда деформаций мелкомасштабных структур при выходе теплового пограничного слоя на поверхность стекающей пленки жидкости.
-
Впервые выполнены численные расчеты плоскопараллельного стационарного движения пленки жидкости по пластине с локальным источником тепла в приближении тонкого слоя с учетом термокапиллярного эффекта и температурной зависимости вязкости, а также перераспределения теплового потока в нагревательном элементе. Показано, что в горизонтальном вале жидкости при образовании регулярных структур имеет место термокапиллярное возвратное течение.
-
Обнаружено, что при импульсном локальном нагреве горизонтального слоя жидкости в начальный момент времени вокруг термокапиллярного углубления формируется вал жидкости. Вал наблюдается и в расчетах и в экспериментах и объясняется вытеснением жидкости из центра на периферию.
Практическая ценность заключается в том, что разработанная модель конденсации пара на криволинейных поверхностях может быть использована при проектировании высокоэффективных конденсаторов пара для космических и наземных аппаратов. Разработанная методика измерения температуры поверхности жидких пленок позволяет получать качественно новую информацию при исследовании процессов в неизотермических пленках жидкости. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы при создании и апробации новых методов расчета двухфазных течений.
Достоверность полученных результатов полученных данных
подтверждена сравнением с экспериментальными и теоретическими результатами других авторов, оценками величин ошибок измерений, постановками специальных тестовых экспериментов, использованием специально разработанных методик экспериментов, а также публикацией результатов исследований в рецензируемых научных журналах, в том числе рекомендуемых ВАК для публикации материалов докторских диссертаций.
Автор защищает:
-
Трехмерную нестационарную модель пленочной конденсации пара на криволинейных поверхностях учитывающую капиллярные эффекты.
-
Алгоритмы численных решений уравнений описывающих нестационарную пленочную конденсации пара на криволинейных поверхностях.
-
Результаты оптимизации формы ребер для интенсификации пленочной конденсации пара с учетом процесса теплопроводности в материале ребра.
-
Результаты расчетов пленочной конденсации пара движущегося в каналах круглого сечения и в каналах с продольным оребрением.
-
Методику термографического исследования неизотермических пленок жидкости.
-
Результаты экспериментальных и теоретических исследований локально-нагреваемых неизотермических пленок жидкости.
-
Результаты расчетов термокапиллярных течений и деформаций локально-нагреваемого горизонтального слоя жидкости.
Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором. Автору принадлежат: теоретическая модель, алгоритмы расчета, результаты численных расчетов, анализ результатов расчетов при исследовании пленочной конденсации пара на криволинейных поверхностях, постановка задачи, аналитические и численные решения при оптимизации форм ребер для пленочной конденсации пара. В работе по экспериментальному и теоретическому исследованию конденсации пара в каналах автору принадлежат результаты численных расчетов и сравнение с экспериментальными данными. В работах по термографическому исследованию неизотермических пленок жидкости автору принадлежат методика термографического исследования, результаты экспериментов и их анализ. Представление изложенных в диссертации и выносимых на защиту результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано с соавторами.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на многочисленных международных и российских конференциях и семинарах: общеинститутские семинары ИТ СО РАН, ИГиЛ СО РАН, ИМ СО РАН; научные семинары отдела физической гидродинамики ИТ СО РАН; Всероссийская конференция с участием зарубежных ученых "Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения", г. Бийск, 2005, 2008, 2011; II, III, V Российская национальная конференция по теплообмену (Москва, МЭИ, 1998, 2002; 2010 гг.); XXVIII-XXIX Всероссийская конференция «Сибирский теплофизический семинар» (Новосибирск, ИТ СО РАН, 2005; 2010 гг.); 1-7 International Symposium on TWO-PHASE SYSTEMS FOR GROUND AND SPACE APPLICATIONS, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 гг.. ELGRA Symposium, Antwerpen , Belgium, 2011; 16th Int. Heat Pipe Conference, Lyon, France, 2012;
Публикации. По теме диссертации опубликованы 44 работы, в том числе 22 - в ведущих отечественных и зарубежных журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов докторских диссертаций, 22 в сборниках трудов конференций. В публикациях в полной мере отражены основные научные результаты работы. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из пяти глав, заключения и библиографического списка из 163 наименований, включая 25
работ автора. Полный объем работы - 235 страниц, включая 105 рисунков и 2 таблицы.
Эволюционное уравнение для толщины слоя конденсата
Практическая ценность заключается в том, что разработанная модель конденсации пара на криволинейных поверхностях может быть использована при проектировании высокоэффективных конденсаторов пара для космических и наземных аппаратов. Разработанная методика измерения температуры поверхности жидких пленок позволяет получать качественно новую информацию при исследовании процессов в неизотермических пленках жидкости. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы при создании и апробации новых методов расчета двухфазных течений.
Достоверность полученных результатов полученных данных подтверждена сравнением с экспериментальными и теоретическими результатами других авторов, оценками величин ошибок измерений, постановками специальных тестовых экспериментов, использованием специально разработанных методик экспериментов, а также публикацией результатов исследований в рецензируемых научных журналах, в том числе рекомендуемых ВАК для публикации материалов докторских диссертаций.
Автор защищает:
1. Трехмерную нестационарную модель пленочной конденсации пара на криволинейных поверхностях учитывающую капиллярные эффекты.
2. Алгоритмы численных решений уравнений описывающих нестационарную пленочную конденсации пара на криволинейных поверхностях.
3. Результаты оптимизации формы ребер для интенсификации пленочной конденсации пара с учетом процесса теплопроводности в материале ребра.
4. Результаты расчетов пленочной описание движения тонкого слоя жидкости по криволинейной конденсации пара движущегося в каналах круглого сечения и в каналах с продольным оребрением.
5. Методику термографического исследования неизотермических пленок жидкости.
6. Результаты экспериментальных и теоретических исследований локально-нагреваемых неизотермических пленок жидкости.
7. Результаты расчетов термокапиллярных течений и деформаций локально-нагреваемого горизонтального слоя жидкости.
Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором. Автору принадлежат: теоретическая модель, алгоритмы расчета, результаты численных расчетов, анализ результатов расчетов при исследовании пленочной конденсации пара на криволинейных поверхностях, постановка задачи, аналитические и численные решения при оптимизации форм ребер для пленочной конденсации пара. В работе по экспериментальному и теоретическому исследованию конденсации пара в каналах автору принадлежат результаты численных расчетов и сравнение с экспериментальными данными. В работах по термографическому исследованию неизотермических пленок жидкости автору принадлежат методика термографического исследования, результаты экспериментов и их анализ. Представление изложенных в диссертации и выносимых на защиту результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано с соавторами.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на многочисленных международных и российских конференциях и семинарах: общеинститутские семинары ИТ СО РАН, ИГиЛ СО РАН, ИМ СО РАН; научные семинары отдела физической гидродинамики ИТ СО РАН; Всероссийская конференция c участием зарубежных ученых “Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения”, г. Бийск, 2005, 2008, 2011; II, III, V Российская национальная конференция по теплообмену (Москва, МЭИ, 1998, 2002; 2010 гг.); XXVIII-XXIX Всероссийская конференция «Сибирский теплофизический семинар» (Новосибирск, ИТ СО РАН, 2005; 2010 гг.); 1-7 International Symposium on TWO-PHASE SYSTEMS FOR GROUND AND SPACE APPLICATIONS, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 гг.. ELGRA Symposium, Antwerpen , Belgium, 2011; 16th Int. Heat Pipe Conference, Lyon, France, 2012;
Публикации. По теме диссертации опубликованы 44 работы, в том числе 22 – в ведущих отечественных и зарубежных журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов докторских диссертаций, 22 в сборниках трудов конференций. В публикациях в полной мере отражены основные научные результаты работы.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из пяти глав, заключения и библиографического списка из 163 наименований включая 25 работ автора. Полный объем работы – 235 страниц, включая 105 рисунков и 2 таблицы Глава 1. Математическое поверхности.
Рассматривается течение слоя вязкой несжимаемой жидкости по регулярной криволинейной поверхности S, рис 1. Пусть r(%,Q=(x(%,Q,y(%,Q,z(%,Q) параметризация криволинейной поверхности, на которой происходит пленочная конденсация пара и движется слой сконденсированной жидкости. Векторы г1=(дх1д% ,ду/д ,дг/д ) и компоненты которых есть частные производные по и , являются касательными векторами к поверхности S, n=r1xr2/\r1xr2\ есть вектор единичной нормали к этой поверхности. Пусть h(t, %,Q толщина слоя жидкости в момент времени t, тогда r{t,%,} = r + hn будет параметризацией свободной поверхности жидкости S. В слое жидкости положение точки будем описывать координатами (%,,rj), где , координаты на поверхности, а г/ расстояние от поверхности, отсчитываемое вдоль нормали п. Единичной нормалью к поверхности пленки будет вектор n = r1xr2/\r1xr2\. Согласно уравнению Юнга-Лапласа перепад давления на искривленной границе раздела жидкость во многих случаях определяется через сумму главных кривизн поверхности, которая равна поверхностной дивергенции нормали Н = Vw = кх + к2 = l/i + 1R2, или следу тензора ассоциированного со второй квадратичной формой поверхности [Пухначев]. В книгах по дифференциальной геометрии величина Н еще упоминается как удвоенная средняя и иногда как Эйлерова кривизна поверхности [Погорелов]. Сводка необходимых формул по дифференциальной геометрии и их вывод приведены в Приложении 1 к Главе 1.
Исследование влияние уровня заполнения межреберной канавки и сил Ван-Дер Ваальса на процесс стационарной конденсации пара на ребрах.
В этом случае а = 1 , 6 = 0, с = и уравнение кривой (- А)2 совпадает с полученным в работе [Adamek, 1981] оптимальным профилем. Заметим, что в случае заданной конечной кривизны к0, оптимальные кривые, описываемые уравнением (2.2.31), не попадают в семейство кривых рассмотренном в работе [Adamek, 1981]. Оптимизация неизотермического ребра Оптимальное ребро определяется итерационным методом с использованием следующего алгоритма вычислений: 1. Начальная форма ребра считается по формуле (2.2.31) для Tw(s)=T0. 2. Решается уравнение теплопроводности в теле ребра. 3. Вычисляется максимальная разность между полученным распределением температуры поверхности ребра и распределением температуры, полученным в предыдущей итерации. Если разность меньше заданной точности, выполняется переход на шаг 5 завершающий итерационный процесс. 4.
Для полученного распределения температуры Tw(s) определяется форма оптимального ребра по формуле (7) или (8). Переход на шаг 2. 5. Запись результатов расчета. Результаты расчетов. Выполнена оптимизация конденсации водяного пара на ребре для различных значений начальной кривизны ребра и для различных значений материала ребра при следующих режимных параметрах: 7 =373.15 К, 7о=372.15 K, =0м"1 , 1=0.677 Вт/Км, ц=0.000294 кг/мс, 2270381 Дж/кг, а =0.0598 Н/м, р= 961.7 кг/м5, SI=0.002м, Pг=Pатм. Формы оптимальных ребер для различных значений начальной кривизны ребра изображены на Рис. 2.17. а. Различие между формами ребер, значениями толщины пленки и расхода конденсата с ребра для оптимальных неизотермических ребер с различной начальной кривизной меньше, чем между формами оптимальных изотермических ребер при тех же параметрах. Это связано с тем, что при оптимизации формы неизотермического ребра учитываются два важных условия: 1) ребро должно быть достаточно широким, чтобы тепловое сопротивление ребра было минимальным, так как при этом обеспечивается максимально возможный отвод тепла с поверхности ребра, 2) градиент капиллярного давления должен быть таким, что обеспечивается максимально возможный отток конденсата с ребра. С увеличением начальной кривизны ребра ширина ребра уменьшается (условие 2), но учет теплопроводности при оптимизации препятствует черезмерному утончению ребра (условие 1). Получаемые оптимальные неизотермические ребра имеют меньшие различия при варьировании начальной кривизны, чем изотермические, так как при оптимизации последних учитывается только 2-е условие.
Формы оптимальных ребер с различной теплопроводностью материала ребра изображены на Рис. 2.17 b. С уменьшением теплопроводности ширина ребра и толщина пленки жидкости на ребре увеличиваются, при этом наименьшую ширину ребра и наибольшую толщину пленки имеет ребро оптимизированное для изотермического случая.
Толщина пленки монотонно возрастает вдоль ребра, а на вершине ребра мала, 1-2 мкм и там соответственно очень высокие значения коэффициента теплоотдачи 6-Ю5, Рис 2.18, 2.19. Средние значения коэффициента теплоотдачи вдоль всего ребра для кривых 1,2,3 составляют 14700 22100 и 60400 Вт/м2К соответственно.
На Рис. 2.20 изображены рассчитанные распределения расхода конденсата вдоль полученных оптимизированных ребер, формы которых приведены на Рис 2.17. Расчеты выполнены для различных значений теплопроводности материала ребра. Кривые 1a 1 b - это расчет для оптимального медного ребра (кривая 2 Рис.2.17.). Кривая 2 - это расчет для медного ребра, оптимизированного при 7V(s)=const то есть «оптимального изотермического ребра» (кривая 1 Рис. 2.17.). Кривая 2 на Рис. 2.20. лежит существенно ниже чем кривые 1a, 1b, что говорит о том, что ребро, оптимизированное с учетом теплопроводности материала работает гораздо лучше, чем оптимизированное без этого учета. Еще в большей степени это проявляется для алюминия, здесь значения потока конденсата отличаются почти в два раза (кривые 3a, 3b и кривая 4 на Рис. 2.20). Кривые 1a и 3a - это результат расчета потока конденсата полученный при оптимизации формы поверхности пленки конденсата при совместном решении задач уравениий на ребре, форма которого совпадает с полученной оптимальной формой поверхности пленки конденсата. Отличие составляет менее 1.5%, что позволяет говорить, что предложенный алгоритм действительно позволяет находить оптимальные ребра. Расчеты показали, что при оптимизации формы ребра с учетом теплопроводности материала ребра поток конденсата в несколько раз больше по сравнению с потоком конденсата для ребра, имеющего форму оптимального изотермического ребра и конечную теплопроводность (Рис. 2.18, кривые 2-3,4-5). С увеличением теплопроводности стенки поток конденсата увеличивается, при этом наибольший поток дает оптимальное изотермическое ребро (Рис. 2.18, кривые 1,2,4). Максимальный поток сконденсированного пара, который можно получить при оптимизации формы ребра с учетом теплопроводности и при фиксированных значениях длины ребра, конечной и начальной кривизны, угла поворота ребра, это поток конденсата с оптимального изотермического ребра, т.е. Hmm(Sl,K0,Kl,cD,T,T0,Aw) = mcc(Sl,K0,Kl,cD,T,T0). Таким образом, оптимальное Ах- 00 изотермическое ребро в семействе оптимальных неизотермических ребер с одинаковыми значениями длины, начальной и конечной кривизны, угла поворота ребра но с разной теплопроводностью является пределом оптимизации, т.е. имеет минимальную ширину и максимальный поток конденсата с ребра.
Модель конденсации пара в трубе с продольным оребрением с учетом теплопроводности в стенке трубы
При конденсации пара полагаем, что сконденсировавшийся пар скапливается в межреберных впадинах, постепенно полностью их заполняя. При этом уменьшается расход пара в центральной части. Полагаем, что для области течения жидкости 3L выполняются все такие же условия, как и для области течения пара 2v. неизвестных констант. Из решения этих уравнений получаем зависимости для констант, которые из-за громоздкого вида здесь не приводятся. Теплообмен и замыкающие соотношения.
Считается, что при конденсации в оребренной трубе при кольцевом и ручейковом режимах течения имеют место 2 режима теплообмена. В первом режиме, соответствующем кольцевому течению в начальной части канала, предполагается, что на всем смоченном периметре трубы выпадает гладкая пленка конденсата постоянной толщины. Влиянием гравитации и капиллярных сил пренебрегаем. Теплообмен в этом режиме аналогичен теплообмену при конденсации потока пара на горизонтальной пластине. Считаем, что теплообменные поверхности развернуты в плоскость. Средняя скорость пара в канале равна скорости потока пара набегающего на пластину. Средние скорости пара в центральной части трубы и в межреберных канавках различны. Соответственно отдельно рассматриваются теплообменные поверхности в межреберных впадинах и на торцах ребер.
Скорости компонент в жидкой фазе обозначаем и и v, а в паровой фазе U и V. Температура обозначается Т. Для у 8 (8 - толщина пленки конденсата в начальной части канала) уравнения сохранения могут быть записаны следующим образом: при j=oo, U=U0. Задача (3.3.36) - (3.3.41) решена в работе [Cess, 1954]. Во втором режиме предполагается, что боковая поверхность ребра имеет три секции (Рис. 1). Предполагается, что торец ребра имеет постоянный радиус кривизны Ro (область течения жидкости IV). Капиллярные силы существенно превосходят силы трения пара о жидкость (трение считается равным нулю). Для расчета процесса конденсации в этой зоне использовалась модель предложенная Markowitz et al. [1972] для ребра постоянной кривизны. Изменение капиллярного давления вдоль ребра происходило только из-за утолщения пленки конденсата. Разность давлений на искривленной поверхности раздела жидкость-пар для 0 Ч я /2 определяется как:
Из уравнения движения ламинарной пленки конденсата в приближении пограничного слоя и уравнения теплового баланса на границе раздела с учетом линейного профиля температуры в пленке следует уравнение:
Определение границы между первым и вторым режимами теплообмена, т.е. между кольцевым и ручейковым режимом течения, основано на предположении, что суммарная толщина пленки жидкости на оребренной поверхности трубы в конце первого режима теплообмена равна суммарной толщине пленки в начале второго режима теплообмена. Первоначальный уровень заполнения межреберной впадины Н считается равным толщине пленки жидкости внизу боковой поверхности ребра во втором режиме теплообмена.
Во второй области теплообмена расчет параметров процесса происходит последовательно по участкам Az. Из решения гидродинамической задачи, для фиксированного суммарного массового расхода вещества в канале мы можем определить расход сконденсировавшейся жидкости в канавках для любого уровня заполнения канавок Н. То есть нам известна функция Gt(H) = Gt(H,G), которая рассматривается как функция переменной Я, при фиксированном G. В то же время расход жидкости в канавках определяется из решения задачи теплообмена как Gl(z) = Glc+f dG[(H(C)) , (3.3.52) где dGt(H( ))- количество конденсата, выпадающего в единицу времени на участке канала + d , при высоте заполнения канавки H(g), Glc- есть расход конденсата на начальном участке канала [0, z0 ], рассчитанный по модели для кольцевого режима течения. Получаем уравнение для H(z)
Геометрические параметры внутритрубного оребрения. По разработанной модели, выполнены расчеты средней и локальной интенсивности теплообмена, перепада давления, скорости движения пара и конденсата, паросодержания и других параметров при конденсации пара воды в трубе с 16 ребрами, геометрия которых соответствует условиям задачи, Рис.
Результаты расчетов представлены на рис. 3.3.3-3.3.6. Ширина межреберной впадины и высота ребер на рис. 2-5 составляет 1 и 3 мм соответственно (Rin=4 мм, RF=7 мм). Модель предсказывает короткий участок кольцевого движения, окончание которого хорошо видно по излому в зависимости среднего коэффициента теплоотдачи от координаты Z, рис. 2 e, и относительно длинный участок ручейкового движения.
Увеличение расхода пара, Рис. 3.3.4., приводит к увеличению длины участка ручейкового движения конденсата, перепада давления и небольшому уменьшению среднего коэффициента теплоотдачи. По Рис. 3.3.3. g и 3.3.4 с можно проанализировать влияние изменения расхода пара на зависимость перепада давления вдоль трубы на участках кольцевого и ручейкового движения конденсата. В конце трубы перепад давления на единице длины существенно уменьшается, что вызвано уменьшением скорости жидкости и пара. При увеличении расхода примерно в два раза перепад давления возрос в 5.2 раза. При этом длина рассматриваемого участка трубы возросла с 1.1 м до 2.7 м, т.е в 2.4 раза. Для G=0.011 kg/s перепад давления на рассматриваемом участке трубы составляет 0.33 бар, что приводит к заметному изменению температуры насыщения вдоль трубы равному 3 К, рис. 3 b .
Исследование течения пленки воды стекающей под действием гравитации вдоль вертикальной поверхности с локальным источником тепла размером 6х50 мм.
Существование теплового излучения за пределами видимого спектра было открыто Уильямом Гершелем в 1800 г. [Госсорг 1988]. С помощью термометра, помещаемого за красным участком солнечного спектра при прохождении излучения через диспергирующую призму, Гершель обнаружил невидимое глазом излучение, несущее энергию и проявляющееся своим тепловым воздействием. Впоследствии он доказал, что это излучение, названное инфракрасным, подчиняется тем же законам, что и видимый свет.
Затем в 1830 г. появились первые приемники инфракрасного излучения на основе принципа работы термопары, которые стали называть термоэлементами. Появление в 1880 г. терморезистивных материалов, т.е. материалов, электрическое сопротивление которых изменяется в зависимости от температуры (болометры), позволило существенно улучшить чувствительность приемников инфракрасного излучения.
В период 1870-1920 гг. прогресс в технологии обеспечил разработку первых фотонных приемников, основанных на прямом взаимодействии между фотонами излучения и электронами материала приемника. Природа обнаружения излучения здесь другая - речь идет уже не о возникновении электрического сигнала в ответ на тепловое воздействие, а о непосредственном преобразовании излучения в электрический сигнал. Эти приемники, фоторезисторы или фотодиоды, имеют гораздо большее быстродействие и более высокую чувствительность, чем тепловые приемники.
В период 1930-1944 гг. Были разработаны приемники на основе сульфида свинца (PbS), в основном для военных целей. Эти приемники чувствительны в спектральном диапазоне 1.5-3 мкм. В 1940-1950 гг. рабочий диапазон был расширен на среднюю инфракрасную область (3-5 мкм), когда появился приемник из антимонида индия (InSb), а в 1960 гг. началось применение в более длинноволновом диапазоне 8-14 мкм приемников КРТ (кадмий-ртуть-теллур (HgCdTe)). Приемники этих типов требуют охлаждения.
Фотонные приемники благодаря высокой чувствительности и быстродействию позволили разработать высокопроизводительные термографические и тепловизионные системы, основанные на обнаружении инфракрасного излучения, испускаемого телами в интервале длин волн 2-15 мкм.
Высокая производительность термографических систем заключается в способности получать термограммы наблюдаемой поверхности в реальном времени. Как правило ИК система состоит из камеры, регистрирующей электромагнитное излучение в инфракрасном диапазоне, испускаемое объектом (температура поверхности которого измеряется) и преобразуется в электронный видеосигнал. Излучение от объекта проходит сквозь среду (обычно атмосферу), через объектив, и попадает на приемник ИК излучения, одноэлементный, или матрицу приемников, а затем преобразуется в электрический сигнал. ИК системы первого поколения, до сих пор широко используемые и обычно снабженные одноэлементным приемником излучения, нуждаются в механизме сканирования.
Температурное поле, получаемое современными ИК системами содержит огромное количество мгновенных полей зрения. Обычная термограмма (тепловое изображение) представляется как матрица данных, содержащая 20000-400000 элементов или более, поэтому для обработки термограмм и получения количественной информации необходимо использование вычислительной техники. Могут применяться процедуры и алгоритмы обработки цифровых изображений, в частности улучшения и восстановления изображений. ИК система является двумерным температурным датчиком позволяющем проводить точные измерения температурных полей при наличии высоких температур, тепловых потоков, градиентов температуры. Пространственное и температурное разрешения в основном зависят от типа камеры и используемой оптики.
Термография успешно применяется для измерения параметров конвективного теплообмена как в стационарном, так и в нестационарном случаях. По сравнению с обычными датчиками, использование ИК систем при измерениях в процессах конвективного теплообмена обладает преимуществом с нескольких позиций. ИК система - двумерный бесконтактный датчик, не допускающий ошибок измерений, которые вносят провода термопар или терморезисторов. Хотя точность измерений зависит от значения коэффициента излучения исследуемой поверхности, однако, ошибка в определении коэффициента излучения обычно приводит к незначительной ошибке в измерениях температуры. Температуру поверхностей с низким коэффициентом излучения (полированные металлические поверхности) измерять с помощью инфракрасной термографии не рекомендуется.
При неизотермической абсорбции сильно растворимых газов и паров в стекающих жидких пленках тепломассоперенос определяется температурой границы раздела, то есть температурой поверхности пленки. Без измерения этой температуры коэффициент массоотдачи не может быть определен без дополнительных предположений относительно теплопереноса. Контактные методы измерения не позволяют определить температуру поверхности пленки без нарушения характера течения жидкости. В [Niederkruger and Yuksel 1987] предложен бесконтактный метод измерения, использующий инфракрасный пирометр. С помощью разработанной методики измерялись температура поверхности пленки в абсорбционной колонне.
[Ito et al. 1995] исследовали влияние нагрева стенки на неустойчивость течения пленки по вертикальной поверхности. Посредством инфракрасной термографии было установлено, что перед и после гребня волны имеет место резкое изменение температуры поверхности жидкости. Появление разрыва пленки объясняется действием эффекта Марангони, который вызывает движение жидкости из впадин на гребень волны. После прохождения гребня волны возникает область с повышенной температурой. Предполагается, что испарение воды в данной области ускоряет образование сухого пятна. С помощью усовершенствованного метода измерения температуры водяной пленки посредством инфракрасной термографии [Takarada and Ikeda, 1997] были измерены удельные коэффициенты тепло и массопереноса между влажным воздухом и поверхностью пленки конденсата при условиях вынужденной конвекции. Основное усовершенствование заключалось в тщательной калибровке, и тестировании метода. Было проведено исследование по влиянию на результаты измерений температуры методом ИК термографии температуры и влажности воздуха, а также других факторов, каких-либо эффектов не было обнаружено. При калибровке термографические измерения сопоставлялись с измерениями с помощью интерферометра Маха-Зендера (MZI). Однако ни в одной из работ не был выполнен анализ влияния неизотермичности пленки поперек слоя на точность термографического измерения температуры, поскольку влияние излучения внутренних слоев жидкости не рассматривалось
