Введение к работе
Актуальность темы. Процессы испарения жидкости представляют большой практический интерес, поскольку широко распространены в теплоэнергетике и химических технологиях. Знание закономерностей тепломассообмена при испарении необходимо для правильной организации процессов генерации пара, сушки, горения жидких топлив и т.д.
Во многих случаях испарение в высокотемпературный паровоздушный поток (с температурой более 200 С) является более эффективным, как по интенсивности процесса испарения, так и по качеству высушиваемого материала. Ещё в 1953 году было показано, что испарение в перегретый пар значительно интенсивнее, чем в сухой воздух, если температура основного потока выше некоторой критической температуры, названной температурой инверсии. В связи с чем перегретый пар стал активно использоваться в качестве сушащей среды во многих отраслях промышленности: пищевой, текстильной, деревообрабатывающей и др. Одно из новых направлений развития современной энергетики - использование биотоплива, технология производства которого включает в себя сушку паровоздушным потоком.
Хотя сушка паровоздушной смесью (перегретым паром) широко используется в промышленности, теоретическое описание процесса далеко от завершения. Практически во всех работах, как экспериментальных, так и теоретических анализируется испарение воды в смесь воздуха и водяного пара, как наиболее распространённый с практической точки зрения случай. Однако даже для воды диапазон полученных значений температуры инверсии довольно широк - от 160 до 390 С. Работы, в которых рассматривается испарение жидкостей отличных от воды, единичны. Исследователи не пришли к единому мнению о физических причинах существования температуры инверсии. Так же в литературе неоднозначно описано влияние параметров набегающего потока, геометрии испаряющей системы, теплофизических свойств пара и воздуха на значение температуры инверсии.
Теоретическое описание тепломассопереноса при испарении жидкости в высокотемпературный паровоздушный поток требует учёта многих факторов, а именно, наличия поперечного потока вещества, существенной неизотермичности потока, неоднородности состава, теплофизических свойств жидкости и паровоздушной смеси, газодинамики течения.
Часто анализ влияния различных факторов можно упростить, используя подобие между процессами тепло- и массообмена. При испарении воды в воздушный поток широко используется аналогия Рей- нольдса, что оправдано, т.к. интенсивность поперечного потока вещества в этом случае не велика. Кроме того в этих условиях число Льюиса близко к единице. Анализ подобия при испарении других жидкостей в паровоздушный поток рассматривается в единичных работах и выполнен при сравнительно невысоких температурах внешнего потока.
Цель работы заключается в исследовании тепломассообмена в ламинарных и турбулентных пограничных слоях при адиабатическом испарении жидкости в паровоздушный поток с использованием аналитических и численных методов, а также в анализе влияния различных факторов на температуру инверсии при испарении жидкости в паровоздушную смесь и чистый перегретый пар.
Основные задачи исследования.
Разработка программы численного моделирования процессов тепломассопереноса в дозвуковом ламинарном и турбулентном пограничном слое при вдуве инородного газа (газовой смеси) через проницаемую поверхность и при адиабатическом испарении жидкости в паровоздушный поток.
Численное исследование подобия между процессами тепло- и массообмена в ламинарных и турбулентных пограничных слоях при вдуве газа и при адиабатическом испарении жидкости с плоской пластины.
Численное исследование температуры инверсии при адиабатическом испарении воды, этанола, ацетона и бензола с плоской пластины в собственные перегретые пары, в воздух и их смеси.
Разработка аналитической методики расчёта температуры инверсии с использованием полученных данных о подобии законов тепло- и массообмена. Анализ влияние режима течения, паросодержания, давления газа набегающего потока на значение температуры инверсии.
Научная новизна работы.
Впервые проведено численное исследование подобия процессов тепло- и массообмена при наличии поперечного потока вещества в широком диапазоне изменения числа Льюиса, что позволило обосновать применение модифицированной аналогии Рейнольдса для определения температуры поверхности при испарении жидкости в паровоздушный поток.
С использованием подобия законов тепло- и массообмена разработана новая аналитическая методика расчёта температуры инверсии при адиабатическом испарении жидкости в паровоздушный поток.
Впервые проведено численное исследование температуры инверсии при адиабатическом испарении этанола, ацетона и бензола с плоской пластины в собственные перегретые пары, в воздух и их смеси.
На основе полученных результатов аналитического и численного исследования впервые показано влияние режима течения, паросо- держания и давления газа в набегающем потоке на значение температуры инверсии при испарении воды, ацетона, бензола и этанола.
Впервые получены соотношения, позволяющие определить условия максимума теплового и диффузионного потоков на стенке при наличии поперечного потока вещества.
Практическая значимость работы.
Разработанная методика расчёта может быть использована в инженерной практике для определения температуры инверсии в конкретных условиях и соответствующей организации сушки паровоздушной смесью (перегретым паром).
Результаты проведённых исследований подобия процессов тепломассообмена при испарении и вдуве представлены в виде простых соотношений пригодных для использования в инженерных расчётах элементов конструкций энергоустановок.
Предложенные соотношения для определения максимумов теплового и диффузионного потоков на стенке позволяют проводить оценки эффективности охлаждения проницаемых поверхностей.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась применением широко известных численных методов и моделей, верифицированных на задачах совместного тепломассопереноса в неизотермических условиях при наличии поперечного потока вещества. Проведена верификация результатов численных и аналитических исследований на основе известных теоретических и экспериментальных данных других авторов.
На защиту выносятся результаты.
Результаты численного исследования подобия между процессами тепло- и массообмена в ламинарных и турбулентных пограничных слоях при вдуве газа и при адиабатическом испарении жидкости с плоской пластины в широком диапазоне изменения числа Льюиса.
Результаты численного исследования температуры инверсии при адиабатическом испарении воды, этанола, ацетона и бензола с плоской пластины в собственные перегретые пары, в воздух и их смеси.
Метод аналитического расчёта температуры инверсии с использованием данных о подобии законов тепло- и массообмена при адиабатическом испарении жидкости.
Результаты численного и аналитического исследования влияния режима течения, паросодержания и давления газа в набегающем потоке на значение температуры инверсии.
Соотношения, определяющие значения максимумов теплового и диффузионного потоков на проницаемой стенке как при ламинарном, так и при турбулентном режиме течения.
Личный вклад соискателя. Диссертационная работа выполнялась в лаборатории термохимической аэродинамики ФГБУН Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН. Автору принадлежат разработка методики численного исследования газодинамики и тепломассообмена в ламинарном и турбулентном пограничном слое при адиабатическом испарении жидкости и вдуве инородного газа через проницаемую поверхность; отладка и тестирование программ реализующих данную методику. Автор самостоятельно провел численные исследования подобия процессов тепло- и массо- обмена в ламинарных и турбулентных пограничных слоях при вдуве газа и при адиабатическом испарении жидкости с плоской пластины; получил данные по тепловым и диффузионным потокам на стенке проницаемой пластины при вдуве газа; провёл аналитическое и численное исследование задачи температуры инверсии при адиабатическом испарении жидкости в паровоздушный поток; проанализировал влияние режима течения, паросодержания, давления газа набегающего потока на значение температуры инверсии.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались: на семинарах лаборатории термохимической аэродинамики под руководством академика РАН Волчкова Э.П.; на VII Всероссийской конференции молодых учёных «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», г. Новосибирск, 2002; на XXVI, XXVII, XXVIII Сибирском теп-
лофизическом семинаре, г. Новосибирск, 2002, 2004, 2005; на III, IV, V Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-3, РНКТ-4, РНКТ-5), г. Москва, 2002, 2006, 2010; на XV, XVI Школе- семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», г. Калуга, 2005; на XII Международном семинаре «Переносные явления в двухфазных потоках», Солнечный берег, Болгария, 2008; на IX Международной конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», г. Алушта, Украина, 2011.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 3 статьи в реферируемых журналах (из перечня ВАК).
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации 127 страницы, включая 47 рисунков и 7 таблиц. Библиография состоит из 136 наименований.
