Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Богомолов Александр Романович
ТЕПЛООБМЕН И ГИДРОДИНАМИКА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА В ЗЕРНИСТЫХ СЛОЯХ С РАЗЛИЧНЫМ КОНТАКТНЫМ УГЛОМ СМАЧИВАНИЯ
01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Барнаул - 2009
Работа выполнена в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Шиляев Михаил Иванович Официальные доктор технических наук, профессор оппоненты: Мильман Олег Ошерович доктор физико-математических наук, профессор Кузнецов Гений Владимирович доктор физико-математических наук, профессор Сагалаков Анатолий Михайлович
Ведущая организация: ГОУ ВПО Московский энергетический институт (Технический университет)
Защита состоится л5 июня 2009 года в л13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.004.03 при Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, пр.
енина, тел./факс 8(3852)2605e-mail: D21200403@mail.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова
Автореферат разослан л___ ___________ 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Свистула А.Е.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Закономерности переноса тепла и массы в насыщенных паром пористых средах и зернистых слоях при фазовых превращениях представляют значительный интерес для специалистов различных отраслей знания и техники ввиду своих многочисленных приложений.
Одним из примеров может служить способ интенсификации тепловой добычи нефти, связанный с закачкой водяного пара в нефтяной пласт (пористые структуры, образованные естественным путем). Важной характеристикой, определяющей взаимодействие углеводородной и водной жидкостей между собой и с пористой средой, является угол смачивания . Двухфазность фильтрующейся жидкости может приводить к увеличению неподвижной массы по сравнению с однофазной фильтрацией.
При этом, чем больше поверхностное натяжение между жидкостями, тем сильнее проявляется запирание.
В ряде производств получило широкое распространение использование искусственно созданных зернистых и пористых сред для интенсификации различных процессов переноса тепла и массы. Экспериментальные исследования при конденсации пара на поверхностях, плотно соприкасающихся с зернистым слоем, показывают как значительную интенсификацию по сравнению с гладкой трубой, так и снижение ее.
Перспективы применения зернистых слоев в качестве интенсифицирующего фактора связываются: 1) с гидродинамикой сконденсированной фазы при пленочном течении на охлаждаемой поверхности в поровых пристенных каналах для случая тонких пленок; 2) с закономерностями фильтрационного течения в случае толстых пленок;
3) с закономерностями двухфазного течения, характеризуемого соотношением сил поверхностного натяжения и массовых сил в отсутствие перепада давления. Для первого и третьего случая контактный угол смачивания на поверхности элементов зернистого слоя может оказывать существенное влияние на процессы переноса.
Разработка новых источников энергии, таких как бинарные циклы в геотермальных и океанских тепловых установках и системах использования сбросного тепла, весьма настоятельно требует создания высокоэффективных конденсаторов. Предложены многие методы интенсификации теплообмена при конденсации, однако лишь немногие из них подвергались оптимизации с точки зрения наиболее полного использования их возможностей.
В системах охлаждения электронных приборов, применяемых в наземных и космических установках, к которым предъявляются высокие требования по надежности и длительности срока службы, генерируемый пар должен быть сконденсирован и конденсат возвращен обратно в испаритель. Пространственные и энергетические ограничения в этих условиях предопределяют использование оборудования с минимальной площадью конденсационных поверхностей и минимальной массой.
Изучение основных закономерностей процессов гидродинамики и тепломассопереноса в пористых средах относится к числу сложных проблем теплофизики. Безусловны также трудности визуализации как потока, так и тепломассопереноса. Применение для изучения гидродинамики в зернистых слоях бесконтактных методов типа лазерно-доплеровской анемометрии возможно только при соответствующих оптических инструментах и жидкостях. В этой связи в каждом отдельном случае исследователь-экспериментатор вынужден проявлять известную долю изобретательности.
При теоретическом рассмотрении повышается роль физически адекватных моделей процесса и достоверных экспериментальных данных, показывающих возможности предлагаемых моделей и дополняющих их. С теоретической точки зрения это связано с трудностью разработки методов осреднения уравнений сохранения при наличии сложных многочисленных поверхностей раздела фаз, изменяющихся во времени, и привлечением физически обоснованных гипотез замыкания. При любом методе осреднения теряется некоторая информация, в связи с чем возникает необходимость использования эмпирических соотношений и приближений.
Большое внимание приобретают в этой связи области, прилегающие к теплопередающим поверхностям и играющие определяющую роль в формировании как структуры течения конденсата, так и процессов тепломассообмена, связанного с ним, которые накладывают ограничения на метод осреднения.
Зернистый слой, в определенных условиях оказывающий значительное интенсифицирующее или снижающее влияние на теплообмен при конденсации, что очень важно с практической точки зрения, требует более детального изучения. Особенно это касается различных условий смачивания поверхности зернистого материала.
Все выше сказанное обосновывает актуальность проведения исследования процессов гидродинамики и тепломассопереноса в зернистых средах при фазовых превращениях в пристенных слоях теплопередающих поверхностей.
Целью работы является установление механизмов и физических закономерностей процессов: 1) теплообмена при пленочной конденсации неподвижного пара на трубах различной ориентации, помещенных в зернистые слои с различными контактными углами смачивания 2) гидродинамики жидкости в зернистой среде в области контактов ее элементов между собой и с теплопередающей поверхностью.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем:
1. Впервые получены и обобщены экспериментальные данные по теплообмену при пленочной конденсации водяного пара на поверхностях горизонтального и вертикального цилиндров, помещенных в зернистые слои из стеклянных шариков с поверхностями как практически полностью смачиваемых (контактный угол около 17), так и частично смачиваемых (контактный угол около 87), а также при конденсации хладона R227 на наклонных трубах в гидрофильном зернистом слое. На вертикальной трубе в гидрофильной засыпке получена существенная интенсификация теплообмена по сравнению с гладкой трубой (в 5 раз), на горизонтальной трубе - заметно его снижение в 1,5 раза.
2. Получено теоретическое решение для течения жидкости и теплообмена при пленочной конденсации неподвижного пара в узкой пристенной вертикальной щели с проскальзыванием конденсата на боковых нетеплопроводных ребрах и в узком зазоре оребрения горизонтальной трубы. В предельном случае при полном проскальзывании конденсата на боковых ребрах вертикальной щели это решение переходит в известное решение для течения пленки на безграничной плоской стенке, а на горизонтальном цилиндре хорошо согласуется с экспериментальной зависимостью С.С. Кутателадзе.
При полном прилипании конденсата на боковых стенках вертикальной щели найденное решение сводится к решению В.Е. Накорякова для узкой щели.
3. Получено решение для процесса теплообмена при конденсации пара на вертикальной трубе, помещенной в зернистый слой с различным контактным углом смачивания, на основе перехода от модельной задачи процесса конденсации пара в узких щелях около плоской стенки к реальным процессам гидродинамики и теплообмена в поровых каналах вблизи теплопередающей поверхности трубы. Полученный теоретический результат хорошо согласуется с экспериментом в области течения конденсата в режиме тонкой пленки.
4. Получено решение для процесса теплообмена при конденсации пара на горизонтальной трубе, помещенной в зернистый гидрофильный слой, на основе перехода от модельной задачи процесса конденсации пара в узких зазорах оребрения горизонтальной трубы к реальным процессам гидродинамики и теплообмена в поровом канале вблизи теплопередающей стенки трубы. В результате анализа модели при выборе гидравлического диаметра пристенного порового канала показано, что по всему периметру течение конденсата не подчиняется режиму тонкой пленки. Скоординированная на это обстоятельство зависимость для теплообменного числа Нуссельта удовлетворительно согласуется с экспериментом.
5. Экспериментально исследована гидродинамика пленки жидкости на вертикальной пластине при ее натекании на сферу, моделирующая течение конденсата на теплопередающей поверхности в засыпке в режиме тонкой пленки ( h dш 1 ). Показано, что при числах Рейнольдса пленки Re = 50 - 375, соответствующих условиям проведения опытов по теплообмену при конденсации пара на вертикальной трубе, помещенной в зернистый слой, отток жидкости от вертикальной теплопередающей поверхности в сторону зернистого слоя незначителен (не более 6 %).
6. Экспериментально исследовано течение жидкости по вертикальному цилиндру и пластине, помещенных в зернистый слой, для случая толщин пленки, соизмеримых с размером элементов зернистого слоя ( h dш ). Показано, что за счет капиллярных сил происходит значительный отток жидкости от поверхности трубы и пластины вглубь зернистого слоя. Выделен режим перехода от безотрывного обтекания пленкой точки контакта сферы с теплопередающей поверхностью к началу заметного проявления капиллярных эффектов, определяющий поперечный лотсос части конденсата вглубь слоя, который наступает, когда относительная толщина пленки достигает значения h dш 0,1.
7. Проведены исследования гравитационного пленочного течения в модели кубической шаровой структуры и модели монослоя сферических тел в плоском канале.
В модели кубической упаковки впервые зарегистрированы четыре основных режима обтекания боковой точки контакта: безвихревое обтекание точки контакта, образование устойчивой вихревой пары, генерация неустойчивых вихревых образований и режим со струйным срывом пленки в области мениска. По картине и характеру течения в плоском канале в зависимости от контактного угла смачивания и расхода жидкости определены режимы струйного (по канальным образованиям) в случае гидрофильной засыпки и квазифильтрационного для гидрофобной засыпки.
8. Проведен анализ уравнений М.А. Гольдштика, сопоставлены коэффициенты в уравнении стационарной смешанной фильтрации с соответственными коэффициентами уравнения Эргана. Показано их несущественное для плотной случайной упаковки различие. На основе рассмотренных задач о фильтрационном течении через неподвижное и вращающееся пористое кольцо показано, что дополнительные нелинейные члены в уравнениях М.А. Гольдштика малы в сравнении с членами, определяющими гидравлическое сопротивление зернистой среды. В этом случае уравнения М.А.
Гольдштика сводятся к известным уравнениям фильтрации.
Совокупность полученных в диссертации результатов и сделанные на их основе обобщения и выводы являются основой для научного направления в теплопередаче, связанного с исследованием теплообмена при фазовых переходах в пористых средах с различными поверхностными явлениями, гидродинамики фильтрационного и пленочного течения, явлений капиллярности в зернистых слоях с различным контактным углом смачивания.
Достоверность полученных основных положений и выводов в диссертации подтверждается логически непротиворечивостью, согласованностью комплексного экспериментально-теоретического исследования проблемы, постановками специальных тестовых экспериментов, сравнением с экспериментальными и теоретическими результатами других авторов в предельных случаях, а также использованием отработанных методик экспериментов. Используемые экспериментальные методики обеспечивали независимый контроль опытных данных.
Практическая ценность и реализация результатов. Полученные экспериментальные результаты и теоретические решения, а также проведенный на их основе анализ процессов гидродинамики и теплообмена при пленочной конденсации на поверхностях, помещенных в зернистый слой с различным контактным углом смачивания, позволяют осуществлять обоснованный выбор оптимальных параметров технологических процессов и геометрических размеров теплообменных поверхностей.
Опубликованная по теме диссертации работа включена в электронную публикацию Springer New York, 233 Spring Street, New York, NY 10013, USA, 212-460-1500, Tel.: 800-SPRINGER, Fax: 201 348 4505, на сайте
По результатам исследования получен патент на полезную конструкцию № 2000530 Российская Федерация, МПК F 28 D 7/00, F 28 F 13/06, F 28 B 1/02. Кожухотрубный конденсатор / Афанасьев Ю. О., Богомолов А. Р., Петрик П. Т., заявитель и патентообладатель ИТ СО РАН. - № 4953239/06; заявл. 27.05.1991; опубл.
07.09.1993, Бюл. № 33-36. - 3 с.: 2 ил. Рекомендации по внедрению кожухотрубного конденсатора, межтрубное пространство которого заполнено зернистым слоем, использованы в лабораторных стендах по изучению процесса теплообмена при конденсации чистых паров с целью поддержания эффективной теплоотдачи (кипятильник ректификационной колонны и дефлегматор) в Кузбасском государственном техническом университете (г. Кемерово).
По результатам работы получен патент № 2091118, Российская Федерация, МПК C1 6 B01D5/00, Способ отделения неконденсирующихся газов и устройство для его осуществления / Афанасьев Ю.О., Петрик П.Т., Богомолов А.Р., опубл.
27.09.1997. - 2 с.п. ф-лы, 2 ил. Рекомендации по монтажу устройства и технологическому регламенту процесса непрерывного улавливания и удаления неконденсирующихся газов использованы предприятием ООО ЭЛЬТА (г. Кемерово) в технологическом процессе установки по регенерации отработанных масел в конденсаторе легкой фракции. Устройство также использовано Кузбасским государственным техническим университетом и Институтом теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН в экспериментальных стендах по исследованию процесса конденсации чистых паров.
Результаты работы использованы в монографии В.Е. Накорякова, А.В. Горина Тепломассоперенос в двухфазных системах, Новосибирск, 1994 г.
Результаты работы по теплообмену при конденсации на поверхностях в зернистых слоях внедрены в учебный процесс по курсу Тепломассообменное оборудование предприятий в виде лекционного материала для студентов специальности Промышленная теплоэнергетика Кузбасского государственного технического университета.
В проведенном анализе фильтрации во вращающемся пористом цилиндре показано одно из направлений практического использования полученных результатов, в частности, в поле микрогравитации как способа удаления конденсата от теплопередающей поверхности.
Результаты работы использованы при выполнении интеграционного проекта фундаментальных исследований СО РАН Процессы переноса перфторуглеродов и разработка научных основ синтеза новых перфтористых соединений с заданными свойствами, а также проекта РФФИ 07-08-96027 и гранта INTAS-OPEN-99-1107.
Апробация работы. Результаты работы докладывались автором на Всесоюзном семинаре Теплообмен и теплофизические свойства пористых материалов (Новосибирск, 1991), Первой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ, Москва, 1994), Международной теплофизической школе (Тамбов, 1995), II семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (Томск, 2001), XXVI Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2002), I научной школе - конференции Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики (Алушта, 2003), III семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (Барнаул, 2003), XXVII Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2004), XXVIII Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2005), International Topical Team Workshop, Two-phase systems for ground and space applications (Brussels, 2006), IV научной школеЦконференции Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики (Алушта, 2006), 2th International Topical Team Workshop, Two-phase systems for ground and space applications (Kyoto, 2007), XIII научно-технической конференции Энергетика, экология, надежность, безопасность (Томск, 2007), X международной научно-практической конференции Химия - XXI век. Новые технологии, новые продукты (Кемерово, 2008), 18th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2008, Praha, Czech Republic.
Публикации. Основное содержание работы
отражено в 51 печатных работах, в том числе в: журналах из списка ВАК - 23, 2-х патентов, материалах трудов конференций - 19.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 7 глав, введения и выводов. Работа содержит 290 страниц текста, в том числе 57 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 233 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулирована цель и новизна исследований, обсуждена их практическая значимость. Показана потребность и своевременность постановки и решения задач по экспериментальному и теоретическому изучению гидродинамики и теплообмена при пленочной конденсации на поверхностях различной пространственной ориентации, помещенных в различные по смачиваемости зернистые слои.
Первая глава содержит обзор опубликованных работ. На основе известных литературных данных анализируется состояние изученности гидродинамики и теплообмена при конденсации пара на гладких, рифленых и упакованных в зернистые слои поверхностях. Обсуждаются вопросы, нерешенные в предшествующих работах, сформулированы задачи исследования.
Первый раздел посвящен анализу области применения зернистых сред с различным контактным углом смачивания в технике и наличия их в природе. Отмечен широкий интерес, проявляющийся к исследованиям процессов переноса при фильтрации в зернистых средах, обусловленный необходимостью создания эффективных теплообменников, усовершенствования высокотемпературных ядерных реакторов при использовании шаровых твэлов. Показано, что в поровых каналах зернистых слоев, содержащих жидкость, либо в которых происходят фазовые превращения, наблюдаются капиллярные явления. При пленочном течении в местах контакта элементов засыпки друг с другом и с теплопередающей поверхностью в пристенном слое образуются застойные зоны, так называемые жидкие мениски, которые в зависимости от краевого угла смачивания могут быть вогнутыми или выпуклыми, в связи с чем это оказывает влияние на тепломассообменные процессы, происходящие в капиллярных структурах, которые в настоящее время недостаточно изучены.
Второй раздел содержит анализ режимов однофазного и пленочного течения жидкости в зернистых средах. Режимы течения в зернистых средах определяют закономерности тепломассопереноса. Достаточно подробный анализ режимов течения, имеющихся для них расчетных соотношений сделал R.M. Fand and els. М.А. Гольдштиком получен дополнительный параметр при выводе дифференциальных уравнений движения двухфазных систем, учитывающий нелинейные эффекты, связанные с пульсационным движением жидкости. Без оценки уровня проявления нелинейных эффектов, М.А. Гольдштик приравнял этот этот параметр нулю. Малоизученным является гидродинамическая обстановка в области жидкого мениска в окрестности контакта сферических тел, т.е. там, где при определенных условиях происходит появление отрывного течения в виде струй. Отсутствуют данные по механизму и характеру течения в этой области при пленочном и отрывном течении, границе перехода от одного режима к другому. Эти знания необходимы для понимания и установления закономерностей процессов теплообмена с фазовым переходом на поверхности, помещенной в зернистый слой.
Третий раздел посвящен анализу теоретических работ по пленочной конденсации пара на внешней поверхности. Результаты исследования различных аспектов динамики и теплообмена в стекающих пленках, начатые в работах Нуссельта, с успехом продолжены в известных работах такими учеными, как Г.Н. Кружилин, К.Д. Воскресенский, П.Л. Капица, Д.А. Лабунцов, W.M. Rohsenow, E.M. Sparrow and Gregg, M.M.
Chen, J.C.Y. Koh, I.G. Shekriladze, T. Fujii et al., J.H. Lienhard and V.K. Dhir, J.W. Rose, С.В. Алексеенко, В.Е. Накоряков, Б.Г. Покусаев, А.В. Горин и др.
Экспериментальные исследования систематизированы в ряде монографий, диссертаций и обзоров: С.С. Кутателадзе, В.П. Исаченко, С.В. Алексеенко, В.Е. Накорякова и Б.Г. Покусаева, И.И. Гогонина и А.Р. Дорохова, В.М. Будова.
В настоящее время накоплен определенный теоретический и экспериментальный материал по исследованию теплообмена при конденсации на наклонных трубах (Kamal-Eldin Hassan, Max. Jakob, G. Selin, T.W. Garret, J.L. Wighton, Бузник и др., Брайнин, Линецкий и Шейнкман, Линецкий, Толубинский и др.). Однако необходимо отметить, что предложенные расчетные зависимости для процессов теплообмена сложны (обобщения в безразмерных координатах громоздки), либо ограниченно применимы в определенном диапазоне изменяющихся параметров. До сих пор не предложено формулы для определяющего геометрического размера, учитывающего наклон трубы к горизонту.
Четвертый раздел содержит описание известных результатов исследований по интенсификации теплообмена при пленочной конденсации пара на внешней поверхности.
Обсуждены работы Katz and Geist, Е.Е. Слепян, Н.В. Зозули, В.А. Карху, В.П.
Боровкова, И.И. Гогонина, А.Р. Дорохова, О.А. Кабова, С.В. Хижнякова, A. Markovitz, B.B. Mikic, A.E. Bergles, J.D. Cary, J.H. Lienhard, V.K. Dhir, В.Г. Риферта и др., R. L.
Webb и др., В.К. Мигая и др., Г.А. Дрейцера, В.А. Бабенко и др., Y. Mori, A.S. Wanniarachchi, P.J. Marto, J.W. Rose и др., H. Honda, S. Nozu, A. Shekarriz and O.A. Plumb, T.
Adamek и др.
Полезным является исследование И. Гогонина и О. Кабова, которые ввели параметр для горизонтальных оребренных труб - безразмерное межреберное расстояние - позволяющий определять начало повышения эффективности теплообмена при конденсации пара по сравнению с гладкой трубой. Параметра, определяющего режим, при котором наступает интенсификация теплообмена при конденсации пара на поверхности в засыпке в сравнение с гладкой трубой, до настоящего времени не предложено.
Пятый раздел содержит анализ экспериментальных и теоретических исследований пленочной конденсации пара на поверхностях, упакованных в зернистую среду.
Ченг (P. Cheng) теоретически исследовал стационарную пленочную конденсацию пара на поверхности клина или конуса, помещенного в пористую среду. В. Накоряков рассмотрел задачу о конденсации пара на наклонной плоской поверхности, помещенной в пористую среду. Полученные результаты практически совпадают.
Анализ выше работ Горина и Цоя, Кумари и др. (Kumari), Кавиани (Kaviany), Пауликакоса (Poulikakos) Вайта и Тьена показал, что теоретические исследования, как правило, касались толстых пленок с использованием уравнения Дарси или Бринкмана для расчета профиля скорости течения конденсата. Известное понятие толстых ( h dш 1 ) и тонких ( h dш 1 ) пленок ввел В.Е. Накоряков. На практике очень часто трубчатые конденсаторы работают на тепловых нагрузках, при которых образуется тонкая пленка и имеет место различная смачиваемость поверхности конденсации.
Экспериментальными исследованиями по конденсации пара в зернистых слоях занимались Лазарев, Афанасьев и др., Пламб (Plumb) и др. Показана значительная интенсификация теплообмена на вертикальной трубе, которая объяснена ими так называемым лотсосом части конденсата от поверхности теплообмена в пористую среду. Экспериментальные исследования частично систематизированы в диссертациях Петрика (1995), Дворовенко (1997) и др. Однако работ, определяющих режимы, при которых происходит лотсос, в доступной автору литературе не обнаружено.
Недостаточное внимание уделено влиянию краевого угла смачивания поверхности зернистого слоя на процесс конденсации пара. C.B. Panchal и K.J. Bell провели анализ изотермического течения жидкости и конденсации пара на вертикальной оребренной поверхности при переменности величины контактного угла смачивания и пришли к выводу, что незначительное изменение контактного угла смачивания (0-40) не сказалось на результаты теплообмена при конденсации пара.
Теоретических исследований процесса теплообмена при конденсации пара на вертикальной трубе в засыпке для случая тонких пленок автору обнаружить не удалось, также как и влияния различной смачиваемости элементов засыпки на гидродинамику и теплообмен.
В заключение раздела сформулированы основные задачи исследования:
Теоретически и экспериментально исследовать влияние краевого угла смачивания на гидродинамику в зернистых средах в пристенных областях и на процесс конденсации пара на вертикальных, наклонных и горизонтальных трубах, помещенных в зернистый слой.
Экспериментально определить структуру и режимы гравитационного течения жидкости в зернистом слое и определить влияние поверхностного натяжения, способствующего течению сконденсированной фазы в радиальном направлении от поверхности конденсации.
Экспериментально изучить гидродинамику пленочного течения в регулярной упаковке шаров - модели зернистой среды в жидком мениске в окрестности характерной боковой точки контакта шаров.
В уравнениях движения жидкости в зернистом слое М.А. Гольдштика провести оценку величины М(), связывающую мгновенную пульсационную и среднюю скорость фильтрации и отвечающую за нелинейные эффекты, в условиях наиболее выраженного их проявления, в частности, при фильтрации во вращающемся пористом цилиндре. Сравнить коэффициенты в линейном и нелинейном членах стационарного уравнения фильтрации Гольдштика с аналогичными в уравнении Эргана и с соответствующими экспериментальными коэффициентами других авторов.
Вторая глава диссертации посвящена описанию техники экспериментов и методам исследования статических, гидродинамических и тепломассообменных процессов, используемых для выполнения задач исследования.
Разработка и создание экспериментальных участков по изучению гидродинамики пленки жидкости в присутствии засыпок обосновывались необходимостью установления механизмов и закономерностей ее течения, определяющих интенсивность процессов теплообмена при конденсации пара на горизонтальной и вертикальной трубах, помещенных в зернистый слой. Конструктивное оформление рабочих участков направлено на создание условий течения жидкости, моделирующих процесс течения пленки конденсата при соответствующем расположении труб, поверхность которых покрыта зернистым слоем.
Для изучения гидродинамики стекающих пленок и реализации условий, когда толщина их сравнима с размером зерна h dш на вертикальном цилиндре и вертикальной пластине в засыпке, был создан экспериментальный стенд, представляющий собой замкнутый циркуляционный контур (рис. 1). Эксперименты проводились в изотермических условиях при t = 20Ц23 C. В качестве зернистого слоя использовались стеклянные шарики d = 0,8; 1,1 и 3,2 мм. Краевой угол смачивания составлял = 17 - 19. В качестве рабочей жидкости использовалась дистиллированная вода. Погрешность измерения расхода объемным методом составляла не более 1 %. Использовалось 2 рабочих участка (рис. 2).
Рис. 1. Схема экспериментального стенда по изучению гидродинамики жидкости по вертикальной трубе и пластине в зернистом слое:
1 - рабочий участок; 2 - мерная колба; 3 - ротаметр;
4, 6 - регулирующие вентили;
5 - бак-сборник; 7 - насос;
8 - обратный клапан; 9 - бак постоянного уровня Участок № 1 (рис. 2, а) предназначен для изучения течения пленки при h dш по наружной поверхности вертикальной трубы, помещенной в зернистый слой. ЖидРис. 2. Схема рабочего участка:
а - вертикальная труба;
б - вертикальная пластина:
1 - штуцер; 2 - регулирующая труба; 3 - сальник; 4 - пористая труба; 5 - зернистый слой;
6 - кожух; 7 - сливной желоб;
8 - штуцер; 9 - сетка;
10 - сепаратор;
11 - концентрические конуса;
12 - концентрические кольца;
13 - регулирующая пластина;
14 - пористая пластина;
15, 16 - штуцер; 17 - сетка;
18 - сепаратор; 19 - зернистый слой;
20 - коробчатая обечайка кость подавалась под давлением через пористую вертикальную трубу с наружным диаметром 40 мм, что позволило смоделировать процесс пленочной конденсации пара на ее поверхности. Участок № 2 (рис. 2, б) служил для изучения течения пленки на вертикальной пластине, ширина которой составляла 60 мм.
В процессе экспериментов на рабочих участках № 1 и 2 производились измерения расхода жидкости в каждом отделении сепаратора и ее общий расход объемным методом. Для вертикальной трубы общий расход изменялся в пределах Q = 1310Ц6 3310Ц6 м3/с, а высота зернистого слоя - H = 0,05 0,48 м. Для вертикальной пластины: Q = 2,2510Ц6 16,910Ц6 м3/с, а высота слоя - H = 0,05 0,5 м.
Для изучения гидродинамики тонкой пленки h dш 1 на вертикальной поверхности, помещенной в зернистый материал, были проведены исследования течения жидкости на модели (рис. 3) - натекание пленки жидкости на сферу. Жидкость подавалась на пластину шириной 128 мм в виде тонкой пленки при помощи специального распределительного устройства. В ходе эксперимента определялось количество отводимой жидкости сферой за время : сфера № 1 диаметром d = 37,5 мм, = 56 и Ra = 0,9 мкм (пластик); сфера № 2 диаметром d = 40 мм, = 56 и Ra = 0,4 мкм (пластик); сфера диаметром d = 30 мм, = 87 и Ra = 0,05 мкм (металл). Общий расход жидкости изменялся от 10 до 110 мл/с. Все исследования проводились при темпеРис. 3. Течение жидратуре t = 20Ц23 С.
кости по вертикальКартина течения пленки в области точки конной стенке такта сфер и сфер с вертикальной поверхностью несомненно определяет тепломассообмен. В связи с этим, для экспериментального изучения гидродинамики пленочного течения в регулярной упаковке шаров - модели зернистой среды в жидком мениске в окрестности характерной боковой точки контакта шаров использовали рабочий участок, показанный на рис. 4. Для Рис. 4. Схема рабочего участка.
диагностики был применен метод Particle 1, 2 - инжекторы; 3, 4 - боковые точImage Velocimetry (PIV). Рабочий участок ки контакта; х - смещение инжекмоделировал один слой кубической упаковтора относительно оси симметрии ки. Жидкость подавалась через один или два инжектора с диаметром выходных отверстий 2 мм. Инжекторы располагались на расстоянии 2 мм от поверхностей шаров, что обеспечивало равномерное растекание жидкости по поверхности сферы. Стеклянные шары диаметром 18 мм и коэффициентом преломления n = 1,478 помещались между двумя плексигласовыми пластинами толщиной 10 мм. Экспериментальные исследования включали измерения скоростей: 1) в окрестности характерной боковой точки контакта при различных расходах жидкости; 2) в боковой точке контакта при асимметричном расположении инжекторов; 3) при асимметричном расходе при орошении упаковки из двух инжекторов. На рис.
5 изображена схема экспериментальной установки. В качестве рабочих жидкостей использовались этиловый спирт и дистиллированная вода. В жидкость добавРис. 5. Схема экспериментальной установки.
ялись трассеры - полые стеклян1 - бак постоянного уровня; 2 - вентили;
ные сферы средним диаметром 3 - ротаметры; 4 - инжекторы; 5 - рабочий участок; 6 - линза; 7 - видеокамера; 8 - систе- мкм. Исследуемая область освещалась импульсным Nd:YAGма обработки лазером (длина волны основной гармоники 1064 нм, использование нелинейного кристалла позволяет перевести излучение в видимый диапазон, при преобразовании во вторую гармонику длина волны 532 нм, энергия в импульсе 20 мДж, длительность импульса 10 нс). Пучок лазера при помощи анаморфотной системы преобразовывался в световой нож. Съемка осуществлялась с торца рабочего участка, причем крайняя пара шаров в упаковке использовалась в качестве элементов сложного шарового объектива, который давал панорамное изображение исследуемой области. Полевой угол оптической системы составлял 68, что позволяло производить съемку области размерами 1212 мм. Оценка дисторсии такой системы показала, что погрешность в измерении скоростей, связанная с пространственными искажениями, не превышает 1 %. Обработка полученных изображений точек контакта проводилась с использованием стандартного пакета Flow Manager 3.11. Область течения разбивалась на измерительные объемы, в каждом из которых при помощи корреляционных алгоритмов вычислялось наиболее вероятное смещение трассеров за промежуток времени между двумя вспышками лазерного ножа. С учетом 50 % перекрытия расчетных областей пространственная разрешающая способность применяемой методики составляла 0,27 мм/вектор.
Для изучения гидродинамики конденсата в поддонной части горизонтального цилиндра, помещенного в зернистый слой, когда эта область может быть затоплена, проведены исследования течения жидкости в плоском канале с двумерной Рис. 6. Плоский канал с двумерной укладкой монослоя сфер при точечном укладкой:
источнике в верхней части канала (рис. 6).
1, 2 - пластины из оргстекла;
Модель представляла собой щель, образо3 - зернистый слой; 4 - сепаратор ванную двумя параллельными друг другу пластинами из оргстекла 1, 2 размером 100100 мм, между которыми помещался тщательно уложенный монодисперсный слой частиц 3. Рабочая жидкость (дистиллированная вода, этанол) подавалась в центр верхней кромки щели через сопло. При проведении экспериментов определялся расход жидкости в каждом отделении сепаратора объемным методом. По полученным профилям течения определялась насыщенность зернистого слоя жидкостью. В качестве зернистого слоя использовались сферы различного диаметра, изготовленные из разных материалов: стеклянные шарики (гидрофильные =17Ц19 и гидрофобные = 873) диаметром dш =3,2 мм, металлические шарики диаметром dш = 8; 9,5 мм и пластмассовые шарики диаметром dш = мм. При проведении экспериментов применялись две укладки частиц: ромбоэдрическая и кубическая.
Для определения высоты капиллярного подъема жидкости зернистым слоем использовали установку, схема которой представлена на рис. 7. В качестве зерРис. 7. Схема к опреденистого материала использовались калиброванные лению высоты поднятия стеклянные шарики следующего ряда: dш = 0,8; 1,1; 2;
жидкости в засыпке 2,5; 3,2; 4; 4,5 мм с различным краевым углом смачивания. Рабочие жидкости - дистиллированная вода, этанол. Высота подъема жидкости определялась катетометром В-630 с точностью 0,015 мм. По измеренной высоте капиллярного поднятия hср определялся эквивалентный радиус порового канала rэ = 2cos ghср.
( ) Экспериментальные исследования по определению высоты столба жидкости, удерживаемой поровыми каналами, образованными слоем шариков, на горизонтальной трубе диаметром D = 16 мм при струйном натекании (точечное орошение) на верхнюю область трубы проводились на рабочем учаРис. 8. Схема к определению высоты стке, показанном на рис. 8. Опыты проведекапиллярного удерживания жидкости ны в изотермических условиях при темперав слое на горизонтальной трубе при туре рабочей жидкости 20Ц23 C. Использоточечном орошении валась ромбоэдрическая упаковка шаров в одном случае диаметром 2,5 и в другом - 4,5 мм.
Исследования по конденсации водяного пара на горизонтальных и вертикальных трубах в упаковке зернистого слоя проводили на автоматизированном стенде, схема которого представлена на рис.9. Одна из емкостей играла роль кипятильника 19, а вторая конденсатора 23. В полости кипятильника был установлен змеевик 20 из медной трубки (для конденсации водяного пара - электрический нагреватель 6 кВт), в который термостатом 16 подавалась горячая вода. В Рис. 9. Схема экспериментальной установки:
1 - бак постоянного уровня; 2 - подогреватель; 3, 22 - термопары; 4 - штуцера для вывода термопар;
5 - манометр; 6 - датчик давления Сапфир; 7, 13, 14, 17, 24 - вентили; 8 - рабочий участок; 9 - контрольная труба;
10 - сетка; 11, 18 - ротаметры; 12 - рабочая труба;
15 - зернистый слой; 16 - термостат с насосом; 19 - кипятильник; 20 - змеевик; 21 - шарнирная опора;
23 - конденсатор; 25 - расходомер качестве рабочего участка использовались две медные трубки наружным диаметром 8 мм и длиной 400 мм. В полость между чехлом и трубкой засыпался зернистый слой 15, состоящий из стеклянных шариков поочередно размером 0,8; 1,1 и 3,2 мм.
Другая трубка служила для проверки чистоты рабочего вещества. Рабочим веществом служила дистиллированная вода, фреон 113 и 227.Отвод тепла при конденсации от рабочего участка осуществлялся охлаждающей водой, поступающей из бака постоянного уровня 1. В ходе эксперимента измерялись следующие параметры: температура охлаждающей воды на входе и выходе из рабочего участка хромелькопелевыми термопарами; температура стенки рабочего участка при помощи десяти хромель-копелевых термопар, зачеканенных в двух сечениях трубки; давление в рабочем объеме датчиком давления Сапфир; расход охлаждающей жидкости расходомером РС-5.
Для исследования влияние краевого угла смачивания на гидродинамику и теплообмен при конденсации проводили модифицирование стеклянной поверхности на установке (рис. 10). Метод позволил производить замещение на молекулярном уровне полярной гидроксильной группы (ЦОН) на неполярную чисто углеводородную - ( - СН3). Экспериментальная установка состояла из реактора 1 длиной 750 мм, наружным диаметром 108 мм и толщиной стенки 3 мм, изготовленного из кварцевого стекла. В качестве теплоносителя использовался глицерин. Были обработаны поверхности стеклянных пластин размером 75252 мм, кварцевых трубок длиной 600 мм и диаметром 7.90,82 мм и стеклянных шариков диаметром dш = 0,8; 1,1 и 3,2 мм. Вначале образцы обрабатывались в течение 10 минут 35 % раствором соляной кислоты при температуре кипения (около 110 С). После промывки водой образцы подвергались сушке при температуре 105 С. Затем производилась обработка образцов в течение 12 часов при температуре около 70 С в атмосфере насыщенных паров диметилдихлорсилана (ДДС), залитого до нижнего уровня опорной решетки. ДДС удалялся и проводился Рис. 10. Схема установки для модифицирования стеклянных процесс промывки и сушповерхностей:
ки. Затем производилась А - подача воздуха в барботер; Б - загрузка реактивов;
заправка реактора хлороВ - загрузка - выгрузка образцов (изделий); Г - слив реактиформом (образцы находивов; 1 Цкорпус реактора; 2 - термостат; 3 - нагреватель; 4 - лись в жидкости) и с покомпрессор; 5 - барботер; 6 - опорная решетка;
мощью продувки воздухом 7 - гидрозатвор; 8, 9 - штуцера для ввода и вывода реактивов;
через барботер образцы 10 - штуцер подачи воздуха; 11 - штуцер сброса давления;
12 - люк для загрузки - выгрузки образцов; 13 - термокарман обрабатывались в течение 30 минут, чтобы удалить избыточный реактив ДДС. Избыточное давление в реакторе поддерживалось на уровне 1500 Па.
В третьей главе диссертации приведены результаты экспериментальных исследований теплообмена и гидродинамики при пленочной конденсации водяного пара на вертикальной трубе, упакованной в зернистый материал с различным контактным углом смачивания.
Результаты, полученные при измерении краевых углов смачивания стеклянных образцов после процесса гидрофобизации для исследуемых жидкостей, приведены в таблице.
Таблица Краевой угол смачивания поверхностей, Исходная поверхность Модифицированная Жидкость (необработанная) поверхность пластина трубка пластина трубка Вода 16 21 88 дистиллированная Спирт этиловый 7 11 19 Ацетон 3 1 10 Автором были проведены опыты по конденсации неподвижного водяного пара на вертикальной гладкой трубе и трубе, помещенной в зернистый слой. Зернистый слой состоял из стеклянных шариков диаметром 3,2 мм. Краевой угол смачивания в одном случае составлял 17Ц19, а в другом - 87Ц90. Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 11, а и б, в координатах Nu Nu = f Re и ( ) 1 Nu = f Re. Число Нуссельта рассчитывалось по зависимости Nu = 2 g ( ) ( ) ( ) и Nu = 0,95Re-1 3, а число Рейнольдса пленки определялось как Re = qH r. Сред( ) ний по высоте трубы Н коэффициент теплоотдачи рассчитывался по отношению измеряемого удельного теплового потока к температурному напору = q Ts - Tc.
( ) Значения безразмерного коэффициента теплоотдачи при конденсации, полученные для вертикальной трубы в засыпке в диапазоне чисел Рейнольдса от 70 до 380, превышают значения Nu для гладкой трубы в 2Ц5 раза (рис.11, а). Что касается случая с гидрофильной и гидрофобной засыпкой, для диапазона чисел Re = 70Ц150 коэффициент теплоотдачи соответствует закономерности Nu Re-1, а в диапазоне Re = 150Ц380 соответствует закономерности Nu Re-1 3. Переход от одной закономерности к другой происходит при числе Re 150.
Как видно из рис. 11, б, экспериментальные данные при Re > 150 для гидрофильРис. 11, а. Сравнение интенсивности ного зернистого слоя обобщаются зависимотеплоотдачи при конденсации водя ного пара на вертикальной трубе в стью Nu = 3,54Re-1 3. Для гидрофобного засыпке и гладкой трубе:
слоя сказывается эффект проскальзывания и 1 - труба в гидрофобном слое;
Nu = 2,92Re-1 3. При Re < 150 опытные зна2 - труба в гидрофильном слое чения коэффициентов теплоотдачи хорошо обобщаются зависимостью Nu = 92,5Re-1. Как следует из опытных данных, эффект проскальзывания конденсата в этой области не проявляется на теплообмене. Причиной этого может быть то, что теплопередающая поверхность пленки при невысоких значениях расхода конденсата незначительно соприкасается с поверхностью шаров засыпки при смачивании, и поэтому при частичном проскальзывании его эффект будет также слабо проявляться на теплообмене. Такая ситуация складывается в том случае, когда за счет сил поверхностного натяжения образуются застойные зоны, заполненные конденсатом в предельных, ограниченных, не вымываемых потоком, областях Рис. 11, б. Теплообмен при конденсации водяного пара на вертикальной трубе, упакованной в зернистый слой с различными свойствами поверхностей.
Трубы: 1 - гладкая, 2, 3 - в гидрофильной и гидрофобной засыпках соответственно; расчет по зависимостям: Nu = 0,95ReЦ1/3 (4), 1,04ReЦ1/3 (5), 3,54ReЦ1/3 (6), 92,5ReЦ1 (7), 2,92ReЦ1/3 (8) контакта шаров со стенкой, по которой стекает пленка. Отметим, что при достижении некоторых критических малых значений чисел Re следует ожидать автомодельность теплообмена от этого критерия в силу того, что в этих условиях сплошного пленочного течения на стенке образоваться не может.
При оценке эффективной толщины пленки, в нашем случае около 20Цмкм, видно, что толщина пленки мала в сравнении с гидравлическим диаметром канала, который равен dэ = 1,36 мм. Диапазон изменения относительной толщины пленки конденсата составлял h dш = 0,00375 0,01(тонкая пленка).
Рис. 12. Зависимость относительного отвода жидкости Для проверки предот Re при натекании пленки жидкости на сферу по положения ряда известных вертикальной поверхности авторов о существовании так называемого лотсоса нами экспериментально изучено течения пленки жидкости по вертикальной пластине с натеканием ее на сферическое тело при относительных толщинах пленки практически в таком же диапазоне, как и в условиях проводимых нами опытов по теплообмену h dш = 0,004 0,012.
Из графика 12 видно, что пленка при натекании на шары в диапазоне чисел Рейнольдса 50Ц3обтекает сферу и течет по пластине с незначительным оттоком конденсата около 5Ц6 %, соответствующих нашим условиям по теплообмену, а интенсификация теплообмена повышается более чем в раза. Так что при этих режимах и при тонких пленках отток жидкости зернистым слоем не может оказывать существенного влияния на теплообмен и им можно пренебречь в расчетах процессов тепломассопереноса. Характерная картина течения при числе Re = 125 показана на рис. 13.
Полагаем, что лотсос может значительно проявляться в случае толщин пленок, соизмеримых с размером шарика, т.е. при h dш. Для подтверРис. 13. Гидродинамика жидкости на вертикальной ждения этого положения были проведены опыты по поверхности с натеканием на течению жидкости на вертикальной трубе и вертисферу при Re = 1кальной пластине, упакованных в зернистый слой.
Экспериментальные результаты для вертикальной трубы представлены на рис. 14 в виде зависимости насыщенности зернистого слоя жидкостью от безразмерного расстояния от поверхности трубы при H = 100 мм и Q = 9,5 мл/с для шариков в одном случае диаметром 0,8 мм и в другом случае - 1,1 мм. Относительные толщины пленки при течении по вертикальной трубе изменялись в пределах h dш = 0,395 0,538 для слоя из шариков диаметром 0,8 мм и h dш = 0,287 0,362 - диаметром шариков 1,1 мм. Из графика видно, что для Рис. 14. Распределение насыщенности обоих слоев имеется область максимальпо толщине зернистого слоя при выной насыщенности. При увеличении соте слоя H = 100 мм; Q = 9,5 мл/с расстояния от поверхности вертикальной трубы насыщенность убывает, но в случае для зернистого слоя с dш = 1,1 мм она снижается практически до нуля, а для шариков с dш = 0,8 мм жидкость за счет капиллярных сил перемещается дальше от поверхности трубы в зернистый слой. Здесь r = r - r0 r1 - r0 - безразмерная толщина зернистого слоя.
( ) ( ) Результаты опытов по исследованию течения жидкости по вертикальной пластине, упакованной в зернистый слой из стеклянных шариков с dш = 1,1 мм. при условии, что толщина пленки h dш, представлены на рис. 15. Для высоты слоя Н = 3мм зависимость S от толщины слоя имеет волнообразный характер, максимальное значение насыщенности находится на некотором расстоянии от стенки. Относительные толщины пленки при течении по вертикальной пластине находились в пределах h dш = 0,205 0,44.
Таким образом, при толщинах пленки h dш наблюдается значительный лотсос части конденсата от теплопередающей поверхности, что обусловливает увеличение коэффициента теплоотдачи в результате уменьшения толщины пленки, как было показано в работах Лазарева и др.
Для установления границы перехода от безотрывного обтекания пленкой жидкости сферического тела по вертикальной поверхности к режиму лотсоса были проведены опыты с зернистым слоем 3,2 мм при толщинах пленки жидкости h dш = 0,07 0,138.
Зарегистрировано, что режим лотсоса наступает при толщинах пленки h dш > 0,1.
Нами представлены результаты экспериментального исследования гравитационного пленочного течения в модели кубической шаровой засыпки. Рабочий участок и эксперименРис. 15. Зависимость насыщенности S зернистого слоя тальная установка изожидкостью от толщины слоя (вертикальная пластина):
бражены на рис. 4 и H = 350 мм, d = 1,1 мм; Расход Q:
соответственно. В экс1 - 2,25; 2 - 3,33; 3 - 4,71; 4 - 6,78; 5 - 9,76; 6 - 14,1;
периментах по иссле7 - 16,9 мл/с дованию влияния расхода жидкости на течение в боковой точке контакта шаров в качестве рабочей жидкости использовался этиловый спирт, обладающий меньшим по сравнению с водой, краевым углом смачивания, что давало возможность получать более стабильные картины течения при малых расходах жидкости. Расход жидкости в экспериментах варьировался от 0,5 до 10 мл/с. В зависимости от расхода жидкости картина течения в окрестности боковой точки контакта может существенно изменяться (рис. 16). При Re 6,0 (рис. 16, а), наблюдается безвихревое обтекание точки контакта. Число Рейнольдса для пленочного обтекания одиночной сферы оценивали по формуле Re = Q dш, где Q - расход жидкости; - кинематическая вязкость. За точкой ( ) контакта образуется застойная зона, где скорость жидкости мала. При Re = 10,0Ц24,(рис. 16, b) в этой зоне формируется вихревая пара. В диапазоне Re = 24,0Ц83,0 (рис.
16, с) вихревая пара становится неустойчивой, что проявляется в осцилляции вихрей, амплитуда которой растет с увеличением расхода жидкости. При Re > 83,0 (рис. 16, d) в плоскости, перпендикулярной плоскости наблюдения, начинается срыв жидкости в виде стекающей между шарами свободной струи.
Распределения скорости измерялись в плоскости, перпендикулярной ограничивающим упаковку пластинам и проходящей через точку контакта. Схема измерительной ячейки изображена на рис. 17. Сечение А расположено выше точки контакта на 1 мм, сечение В проходит через центры вихревых структур. На рис. 18 показаны распределения осредненной продольной составляющей скорости для сечений А и В соответственно. Профили скорости приведены для трех расходов жидкости - Q = 0,5;
1,2 и 8 мл/с. Значения скорости нормированы на среднерасходную скорость, определяемую соотношением Vmax = Q r2, где r - радиус Рис. 16. Основные типы течений, наблюдаемые инжектора. Уменьшение отв характерной боковой точке при различных носительной максимальной расходах. Рабочая жидкость - этанол продольной скорости в сечении А с ростом расхода обусловлено перестройкой течения - с увеличением общего расхода жидкости ее расход через зону мениска возрастает незначительно и основная часть жидкости растекается по боковой поверхности шара. Тем самым показано, что область мениска обладает достаточно высоким гидравлическим сопротивлением. Распределения скорости в сечении В иллюстрируют смену режимов. При малых расходах Q = 0,5 мл/с (см. рис. 16, а) наблюдается начало перехода к вихревому режиму течения. Режим с Q = 1,2 мл/с характеризуется наличием явно выраженного вихря (см. рис. 16, b). Наконец, режим со струйным срывом пленки Q = 8,0 мл/с характеризуется соответствующим распределением скорости с ее максимумом вблизи симметрии мениска (см. рис. 16, d).
При рассмотрении режима с устойчивыми вихревыми образованиями, анализ полей скорости показывает, что даже небольшие смещения инжектора приводят к нарушению симметрии вихревой пары. Асимметрия орошения вносит изменения в интегральный расход жидкости в области над точкой контакта. При дальнейшем увеличении асимметрии (+ 3 и - 3 мм) орошения вихревые структуры разрушаются.
Другая реализация асимметричного орошения моделировалась при помощи пары инжекторов, подающих рабочую жидкость на смежные элементы шаровой упаковки. Распределение скорости жидкости в мениске практически совпадает с картинами течений, представленными на рис. 16. Вид профилей скорости для сечений А и В также аналогичен распределениям скорости для орошения через один инжектор с некоторым лишь количественным отличием. Таким образом, можно заключить, что структура течения в мениске определяется главным образом суммарным расходом жидкости из смежных инжекторов и не зависит от отношения расходов из них.
Таким образом, интенсификация теплообмена при конденсации пара на вертикальной трубе в зернистом слое в диапазоне изменения чисел Рейнольдса от 70 до 1обусловлена уменьшением толщины пленки за счет подтягивания жидкости в местах контакта поверхности охлаждения с шариками и при числах Re > 83 - срывом жидкости в виде стекающей под шарами на поверхности охлаждения струйками. В указанном диапазоне чисел Рейнольдса незначительный отвод жидкости, имеющий место при течении пленки по вертикальной поверхности при натекании на сферу, практически не оказывает влияния на увеличение коэффициента теплоотдачи. Достаточно интенсивный лотсос жидкости зернистым слоем от Рис. 17. Положение исследуемых сечений поверхности конденсации будет происходить при толщине пленки, сравнимой с размером зерна, и его необходимо принимать во внимание как механизм, улучшающий процесс конденсации пара на поверхностях в зернистых средах.
При теоретическом решении задачи по конденсации пара на поверхности, поРис. 18. Зависимость относительной скорости от расхода мещенной в порисжидкости:
тую среду для случая а - продольная компонента скорости в поперечном сечении толстой пленки А; b - продольная компонента скорости в поперечном сечежидкости, константы, нии B используемы в уравнении фильтрации Эргана, подвергаются до настоящего времени уточнению. М.А.
Гольдштик ввел параметр М в дополнительном инерционном члене в уравнение движения двухфазных систем, учитывающий пульсационное движение в единице объема зернистого слоя на среднюю кинетическую энергию движения. Нами проведена оценка влияния параметра М на процессы переноса в зернистых слоях и сделано сравнение с известными уравнениями движения и коэффициентами, полученными экспериментальным путем и рассмотрены частные случаи стационарной фильтрации.
Приведя уравнение М.А. Гольдштика при М = 0 к известному уравнению для стационарной смешанной фильтрации и сравнивая его коэффициенты с аналогичными, соответствующими уравнению Эргана в случае одномерного течения в отсутствии действия сил тяжести p L =1G+2G2 (потеря напора p на участке длины L), коэффициенты М.А. Гольдштика оказываются весьма близкими к коэффициентам 633 3 уравнения Эргана. Здесь 1G =, 2G = - коэффициенты М.А. Гольдштиdш 2 dш ка в уравнении стационарной смешанной фильтрации; где - динамическая вязкость фильтрующейся жидкости; dш - диаметр зерна; - параметр минимальной относительной площади проходного сечения; и - концентрации засыпки и фильтрующейся жидкости; - плотность жидкости Рассмотрены два случая: 1) когда кольцевая засыпка неподвижна (угловая скорость вращения = 0) и 2) когда она вращается по закону твердого тела ( 0 ) (рис.
19). Рассмотрение таких задач важно с точки зрения оценки дополнительных нелинейных членов в уравнении Гольдштика, когда они должны проявляться и, их необходимо было бы учитывать. Получено выражение для перепада давления на кольце, необходимого для обеспечения расхода Q:
1 + 2M p =- + a2 + a1 ln r1 - 1- . (1) 2 r12 r1 21GrЗдесь коэффициенты a1 =, a2 = 22Gr0 ; r 0 =r r0 =r 0 - скорость ради( ) r ального фильтрационного течения в кольцевой засыпке при r0 ; r 0 - угловая скорость вращения при r0.
Проведенные оценки показывают, что дополнительные нелинейные эффекты в уравнении М.А. Гольдштика (первое слагаемое справа) в сравнении с силой сопротивления зернистого слоя (второе и третье слагаемые справа) малы и, ими можно пренебречь, как это сделал М.А. Гольдштик, без анализа приняв М = 0.
Рассмотрен случай, когда перепад давления, создаваемый центробежными силами, является единственным и определяющим радиальное течение, т.е. затрачивается на Рис. 19. Схема течения жидкости преодоление внутреннего гидравлического через вращающуюся ( 0) и неподсопротивления среды. Показано, что вравижную ( = 0) кольцевую засыпку щающийся пористый элемент работает как насос.
В четвертой главе диссертации приведены результаты теоретических исследований теплообмена и гидродинамики при пленочной конденсации водяного пара в узких щелях и на вертикальной трубе, упакованной в зернистый материал с различным контактным углом смачивания.
Задача по гидродинамике течения пленки конденсата и теплопередаче в узкой щели при полном его прилипании к боковым нетеплопроводным стенкам решена В.Е.
Накоряковым. Такая постановка была рассчитана на переход от модельной задачи в щели к реальному зернистому слою вблизи теплопередающей поверхности. Однако такого перехода так и не было сделано.
В настоящей работе сформулирована подобная задача, но в более общем виде с условиями проскальзывания конденсата на боковых стенках (рис. 20).
Уравнение движения пленки конденсата 2x 2x g + =- ; (2) y2 z2 Уравнение теплообмена:
2T = 0 ; (3) yГраничные условия:
T = Tc, x x, y, z = 0 при y = 0; (4) ( ) x x, y, z ( ) T = Ts, = 0 при y = h(x);
y Рис. 20. Схема течения конденсата в вертикальной щели:
(5) 1 - охлаждаемая поверхность x x, y, z ( ) =x x, y, z при z = , (6) (торцевая стенка); 2 - ребро ( ) z (боковая стенка); 3 - конденсат где - коэффициент трения скольжения на бо(поверхность пленки) ковых поверхностях. Условия (4) соответствуют постоянству температуры и прилипанию конденсата на теплопередающей стенке.
Условие (5) определяет равенство температуры конденсата температуре насыщения паров и отсутствие напряжения на поверхности пленки. Равенство (6) отвечает за проскальзывание конденсата на боковых стенках. Профиль скорости конденсата поперек щели при решении был принят параболическим. В результате решения задачи (2)Ц(6) получено выражение для средней по поперечному сечению щели скорости конденсата с его проскальзыванием на боковых стенках:
gh2 1 - 1 +1e-2 -1+ x =- +1 . (7) 3 e-2 +1 Решение (7) в предельных случаях дает:
1 gh2 1 gx , x . (8) 0 3 3 Первый случай (8) соответствует полному проскальзыванию конденсата на боковых стенках (течение пленки по безграничной вертикальной плоскости), второй - полному прилипанию (решение В.Е. Накорякова).
Использование скорости по формуле (7) для получения общей зависимости для коэффициента теплоотдачи при конденсации пара в щели с проскальзыванием жидкости на боковых стенках затруднительно в виду неявной зависимости толщины пленки h(x) от других параметров процесса, входящих в нее, что в свою очередь осложняет и переход от щелевой модели к реальному зерновому слою у стенки трубы. Подойдем к решению поставленной задачи из общих гидравлических представлений о зернистом слое, опираясь на предельные соотношения (8) для скорости конденсата в пристенных поровых каналах.
Размер порового канала будем считать малым и эффективное течение конденсата ламинарным и безинерционным (рис. 21). Средняя скорость конденсата, когда гидравлическое сопротивление в поровом канале уравновешивается силой тяжести, будет равна 2gdг 2 =, (9) x т где т - коэффициент трения жидкости в канале при ламинарном течении любого поперечного сечения:
64xdг т =, Red =, (10) Red где - коэффициент формы канала, для прямоугольного сечения канала = 1,5. В свою очередь гидравлический диаметр определяется по общему правилу:
4F dг =, (11) где F - площадь поперечного сечения канала, - смоченный периметр. Смоделируем пристенный поровый канал прямоугольного сечения, периметром которого являются участок теплопередающей стенки трубы между соседними точками контакта шаров засыпки, на котором имеет место полное прилипание конденсата, боковые границы, определяющиеся поверхностями шаров засыпки, на которых конденсат частично проскальзывает, и свободРис. 21. Схема для определения порозноная граница поверхности пленки (рис. 21).
сти, эффективного диаметра каналов у Оценки показывают, что для опытов, провестенки трубы и гидравлического диаметра денных нами по теплообмену при конденсации пленки конденсата пара на вертикальной трубе, помещенной в засыпку, толщина пленки мала. Следовательно, из формулы (11) для модельного порового канала, для его гидравлического диаметра при полном прилипании жидкости на боковых стенках получим следующее выражение:
4h dг = 4h при h, (12) h + где F = 2h, = 2+ 2h. При h в модельном прямоугольном со свободной границей канале из (9) получим выражение для скорости x в виде:
1 gx =. (13) 3 Это выражение совпадает с решением В.Е. Накорякова.
При постоянстве теплового потока на стенке q = const уравнение теплообмена для пленки запишется в виде qx = rxh. (14) Поскольку dг = 4h из F = 2h =dг2 4, получим = 2h. (15) Подставляя (13), (15) в (14) и определяя коэффициент теплоотдачи как = h, получим для среднего значения числа Нуссельта по высоте трубы выражение 2 3 2 Nu = Re-1 3 = 3,54 Re-1 3, (16) которое хорошо согласуется с экспериментом при Re > 150 (с.16 автореферата).
Если в (13) подставить при полном проскальзывании скорость конденсата x по первому соотношению (8), то получим известную формулу Нуссельта, но с уточненным коэффициентом, 3 -1 Nu = 3Re = 1,04 Re-1 3. (17) ( ) При частичном проскальзывании конденсата на зернах засыпки можно положить = 2mh. (18) Условию предельных случаев отвечает зависимость 2-1 к +( ) m =. (19) 2 Следовательно, общее решение для теплообмена на трубе в засыпке при конденсации с учетом проскальзывания запишется в виде:
2 2-1 к +1 3 ( ) Nu = Re-1 3. (20) Зависимость (20) при к = 1 (вязкое течение) переходит в (16) и при к = 0 (полное проскальзывание на поверхности зерен) - в (17).
В работе проведены оценки и показано, что при Re < 150 правомерно принять 2 d, 2 dэ = dш = (21) 1- ш 4 4 31- где dэ - периметр поперечного сечения порового канала.
Как видно из (21), размер для такого режима гидродинамики и теплообмена в порах у стенки является предельной постоянной величиной, определяющейся только параметрами засыпки - размером зерен и порозностью. Решением уравнения тепло обмена при =dш = const, где =, будет следующая зависимость:
121- 2 dш gH Nu = 2Ga2 3 Re-1, GaH =. (22) H 3 H В нашем случае = 0,389 для пристенного порового канала, Н = 0,4 м, dш = 3,мм и число Нуссельта будет равно: как и в эксперименте Nu = 92,5Re-1, (23) что хорошо согласуется с экспериментом, рис. 11, б.
В пятой главе диссертации приведены результаты экспериментальных исследований теплообмена и гидродинамики при пленочной конденсации водяного пара на горизонтальной трубе, упакованной в зернистый материал с различным контактным углом смачивания.
На рис. 22, а представлены опытные данные по конденсации на гладкой горизонтальной трубе, которые удовлетворительно обобщаются зависимостью Nu = 1,1Re-1/ 3. Процесс конденсации водяного пара осуществляли в диапазоне температур насыщения Ts = 100 -140 С и температурного напора для гладкой трубы Т = 12Ц35 С, для трубы с гидрофильным слоем - Т = 6Ц45 С и с гидрофобным слоем - Т = 18Ц70 С. Для процесса конденсации на горизонтальной трубе в условиях хорошо смачиваемого зернистого слоя при = 17Ц19 имеет место три диапазона чисел Re, где закономерности теплообмена отличаются одна от другой. При Re = 3,5Ц8 с увеличением теплового потока безразмерный коэффициент теплоотдачи уменьшается пропорционально ReЦ1/3 с точностью до постоянной Nu = 0,717Re-1/ 3. В Рис. 22, а. Теплообмен при конденсации водяного пара на диапазоне чисел Re = 8 - горизонтальной трубе, погруженной в зернистый слой с 12 коэффициент теплоразличными свойствами поверхности отдачи не зависит от Re. В указанном диапа1 - расчет по зависимости Nu* = 0,95Re-1 3 ;
зоне с увеличением 2 - Nu = 1.1Re-13 ; 3 - Nu = 0.717Re-13 ; 4, 5, 6 - линии, теплового потока проосредняющие экспериментальные данные исходит скачкообразное снижение числа Nu.
Полагаем, что возникновение этого скачка происходит при переходе от режима течения конденсата по поровым каналам без полного их заполнения по сечению к состоянию полного заполнения и, как следствие, затопления зернистого слоя определенной высоты. При дальнейшем увеличении теплового потока, вплоть до Re = 22, безразмерный коэффициент теплоотдачи практически не изменяется и остается равным постоянной величине Nu* = 0,21, т.е. можно предположить, что количество конденсирующегося пара эквивалентно количеству удаляемого конденсата от поверхности охлаждения зернистым слоем, т.е., устанавливаются условия постоянства средней эффективной толщины пленки.
В условиях частичной смачиваемости поверхности зернистого слоя при = 87 - 90 процесс конденсации водяного пара характеризуется двумя режимами, и, соответственно, двумя закономерностями в исследуемом диапазоне чисел Рейнольдса от 4 до 20. В диапазоне чисел Re от 4 до 8 коэффициент теплоотдачи уменьшается пропорционально ReЦ1. Численные значения безразмерного коэффициента теплоотдачи находятся ниже значений, соответствующих процессу конденсации для гидрофильного слоя.
Начиная с чисел Рейнольдса Re > 8, с увеличением теплового потока безразмерный коэффициент теплоотдачи остается постоянным и равным 0,15 вплоть до чисел Рейнольдса Re = 20. Видно, что теплообмен в этом случае осуществляется хуже, чем в засыпке при хорошей смачиваемости поверхности зерен. Сравнение интенсивности теплоотдачи при конденсации водяного пара на Рис. 22, б. Сравнение интенсивности горизонтальной гладкой трубе и трубе, потеплоотдачи при конденсации водямещенной в зернистый слой с различным ного пара на горизонтальной гладкой контактным углом смачивания, представлено трубе и трубе, помещенной в зернина рис. 22, б. Меньший коэффициент теплостый слой:
отдачи для частично гидрофобного слоя по 1 - труба в гидрофобном слое;
сравнению с гидрофильным в исследуемом 2 - труба в гидрофильном слое диапазоне тепловых потоков на горизонтальной трубе, полагаем, связан с большей эффективной толщиной пленки в верхней части трубы из-за наличия выпуклых менисков и с режимом течения в поддонной части трубы.
Для проверки этих предположений нами проведены исследования по гидродинамике на горизонтальной трубе в зернистом слое и гидродинамике жидкости в плоском канале со сферическими частиРис. 23. Течение жидкости в засыпке цами различной смачиваемости, моделиГ= 0,943 кг/(мс):
рующих условия течения конденсата в а - dэ /l = 0,65 ; б - dэ / l = 1,нижней части трубы в засыпке.
Экспериментальные данные по капиллярному удерживанию жидкости в поровом канале зернистого слоя на горизонтальной трубе диаметром D = 16 мм, упакованной в монослой зернистого материала для случая струйного натекания на верхнюю область трубы на рабочем участке (рис.8) представлены на фотографиях (рис. 23). На рис. 23, а видно, что при dэ /l = 0,65 происходит практически полное затопление слоя по диаметру трубы (сферы dш = 2,5 мм, hзат = 16,6 мм), а на рис. 23, б показано, что при dэ /l = 1,21 происходит частичное затопление (сферы dш = 4,5 мм, hзат = 7,84 мм). Здесь l = cos -'' g - капиллярная постоянная жидкости; hзат - высота затопле' ( ) ния порового канала жидкостью на горизонтальной трубе; - поверхностное натяжение. Экспериментальные измерения высоты затопления хорошо согласуются со значением, рассчитанным через эквивалентный диаметр порового канала по уравнению Лапласа в условиях статического равновесия между силами тяжести и поверхностного натяжения, что подтверждено нашими экспериментами на стенде, показанном на рис. 7.
Эксперименты по гидродинамике показали хорошее согласии с опытными данными по теплообмену при конденсации пара на горизонтальной трубе в засыпке из гидрофильных шариков dш = 3,2 мм для фреона 12 и воды.
Результаты исследования по течению жидкости в канале со сферическими частицами при точечном источнике (рис. 1 - экспериментальный стенд, рис. 6 - рабочий участок) представлены на рис. 24. Краевой угол смачивания для различных поверхностей был 17о и 87о. Измерялись насыщенность зернистого слоя жидкостью и визуализировалась картина течения в канале. В случае с шариками, уложенными плотно по сторонам правильного шестиугольника Рис. 24. Профиль течения при максимальных расходах или по сторонам квадрата, жидкости (прямой ход): а - на гидрофильной, наблюдался режим струй б - на гидрофобной поверхности ного (канального) течения жидкости на гидрофильных шариках (рис.24, а) и квазифильтрационный режим на гидрофобных шариках (жидкость заполняет практически все свободное пространство и течет сплошным потоком (рис.24, б). Данное положение определяет как характер течения жидкости в поддонной части, так и закономерность теплообмена при конденсации на горизонтальной трубе в засыпке из гидрофобных и гидрофильных шариков.
В шестой главе диссертации приведены результаты теоретических исследований теплообмена при пленочной конденсации водяного пара на горизонтальной трубе, упакованной в зернистый материал с различным контактным углом смачивания и на поверхности гладкого горизонтального цилиндра.
Теплообмен при конденсации на горизонтальной трубе, помещенной в зернистый слой, рассматривался аналогичным образом, как и для вертикальной трубы.
Сначала формулировалась модельная задача по гидродинамике и теплообмену при конденсации в узкой щели оребрения горизонтальной трубы (рис. 25) с условиями проскальзывания конденсата на боковых стенках ребер. Средняя скорость жидкости по ширине щели при полном прилипании ее на боковых стенках получена в виде 1 gu = sin . (24) 6 Из гидравлических представлений о течении в поровом канале 1 u т =g sin . (25) dг 64 udг Принимая для прямоугольного канала т =, Re =, = 1,5, получим Re gdг u = sin . (26) 48 Сравнивая (24) и (26), будем иметь dг = 8. (27) Из рассмотрения характера течения пленки в пристенном поровом канале при полной смачиваемости боковых стенок правомерно предположить, что среднее значение толщины пленки по всему периметру трубы h сопоставимо с .
Тогда dг = 8h. Тот же результат получается из Рис. 25. Схемы течения конденсата рассмотрения гидравлического диаметра, исходя по поверхности горизонтальной из общего его определения (12), как среднее трубы значение двух приведенных случаев: тонкой пленки ( h ) dг = 4h и пленки с соизмеримыми размерами ( h ) dг 2h, что дает dг = 4h 2h = 8.
Рассматривая уравнение при постоянстве теплового потока на стенке и скорости (26), среднее значение числа Нуссельта по периметру трубы, получим в виде:
ql Nu = 0,8Re-1/ 3, Re =, l = 2r0. (28) r Скорректированный коэффициент при числе Re для Nu на эксперимент в формуле (28) имеет величину 0,717.
Получено решение для течения тонкой пленки конденсата по поверхности гладкого горизонтального цилиндра из общей постановки задачи о гидродинамике жидкости в узкой щели оребренной трубы в предельном случае полного её проскальзывания на боковых стенках. Найденное выражение для скорости u использовано в уравнении теплообмена при постоянстве теплового потока на стенке. Среднее значение Нуссельта в этом случае описывается зависимостью Nu = 1,1Re-1/ 3, (29) лучше согласующееся с экспериментом (рис. 22, а, линия 2), чем известное решение Нуссельта (рис. 22, а, линия 1).
Решение (29), хорошо согласующееся с опытными данными, свидетельствует о том, что приближение тонкой пленки для гладкого горизонтального цилиндра соответствует практически всему его периметру, в то время как для цилиндра, помещенного в зернистый слой, оно в полной мере не выполняется, что учтено в решении (28) через осредненную толщину пленки и корректировку коэффициента с помощью опытных данных. Это объясняется удерживанием заторможенной части жидкости силами поверхностного натяжения в зонах, прилегающих к точкам контактов зерен с поверхностью трубы, утолщающих пленку и особенно в нижней части ее периметра (рис. 25).
Как видно из рис. 22, а, решение (28) удовлетворительно согласуется с нашими экспериментальными данными для гидрофильной засыпки, а решение (29) хорошо подтверждается экспериментальной зависимостью для плоской стенки и трубы в отсутствии зернистого слоя, предложенной С.С. Кутателадзе:
Nu = 1,18Re-1/ 3.
В седьмой главе диссертации приведены результаты исследования теплообмена при пленочной конденРис. 26. Зависимость коэффициента сации на гладких трубах произвольтеплоотдачи от угла наклона ной ориентации и, помещенных в 1 - R 113, 2 - R 227, 3 - расчет по зернистый слой. Обработка экспеуравнению (30) риментальных данных для гладких труб представлена на рис. 26. Для расчета коэффициента теплоотдачи н для наклонной трубы предложена зависимость 1 nn sin cos н = A1 n +, (30) L D 32rg где A1 = 0,92. Данная зависимость в предельных случаях переходит в Ts - Tc ( ) уравнение для горизонтальной трубы при = 0 и для вертикальной трубы при = 90. При n = 3/4, как видно из рис. 26, экспериментальные данные удовлетворительно согласуются с рассчитанными по уравнению (30).
Для обобщения экспериментальных данных в координатах Nu = f Re в каче( ) стве определяющего геометрического размера гладкой наклонной трубы была предложена зависимость -3 sin 4 3 cos 4 3 Lн = . (31) D + L Модифицированный критерий Нуссельта для гладкой наклонной трубы рассчитывался по уравнению 1 н 2 Nu =. (32) g cos+ sin ( ) Экспериментальные данные при Re < 100 удовлетворительно обобщаются зависимостью Nu = 0,97Re-1 3. Полученная формула (30) позволила разработать методику расчета конденсатора с гладкими наклонными трубами.
Обработка экспериментальных результатов по теплообмену при конденсации пара в безразмерных координатах для наклонной трубы, помещенной в зернистый слой, позволила получить зависимость Nu = 5Re-1 2. (33) ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Впервые получены и обобщены экспериментальные данные по пленочной конденсации водяного пара на поверхности горизонтального и вертикального цилиндров, помещенных в зернистые слои при различных контактных углах смачивания.
Для вертикальной трубы в засыпке показана существенная интенсификация (в 5 раз) в сравнение с гладкой трубой, а для горизонтальной трубы - заметное ее снижение (в 1,5 раза). Гидрофобность засыпки оказывает снижающее действие на интенсивность теплоотдачи в обоих случаях: для вертикальной трубы - около 20 % и для горизонтальной трубы - около 30 %.
2. В результате экспериментальных исследований предложены обобщенные зависимости для расчета коэффициентов теплоотдачи при конденсации пара на наклонных гладких трубах, помещенных в зернистый гидрофильный слой.
3. Поставлены и решены задачи:
- о гидродинамике и тепломассообмене при пленочной конденсации пара в узких открытых прямоугольных вертикальных и межреберных на горизонтальном цилиндре каналах с проскальзыванием конденсата на боковых стенках;
Цперехода от модельных задач процесса конденсации пара в узких щелях к реальным процессам гидродинамики и теплообмена в поровых каналах вблизи теплопередающих стенок вертикальной и горизонтальной труб, помещенных в зернистые слои;
- получены решения для теплообмена, удовлетворительно согласующиеся с опытными данными и объясняющие физическую природу интенсификации теплопереноса на вертикальной трубе и его снижение на горизонтальной трубе и за счет гидрофобности.
4. Уточнены понятия режимов течения конденсата в условиях тонкой, толстой и соизмеримой по толщине с размером элемента засыпки пленки и определены границы их существования.
5. В модели кубической упаковки впервые:
- измерены мгновенные и осредненные поля скорости в мениске в окрестности боковых точек контакта;
- проведена классификация режимов течения жидкости в области контакта зерен, в результате выделены режимы безвихревого обтекания точки контакта, с образованием вихревой пары, с генерацией неустойчивых вихревых образований и струйным срывом пленки жидкости из области мениска;
- по профилям и характеру течения в зернистом слое, помещенном в плоском канале, в зависимости от контактного угла смачивания поверхности зерен и расхода жидкости определены режимы: квазифильтрационный для гидрофобной засыпки и струйный (по канальным образованиям) для гидрофильной.
6. На основе рассмотренных частных задач о фильтрационном течении жидкости в зернистом слое показано, что дополнительные нелинейные члены в уравнениях движения М.А. Гольдштика малы в сравнении с членами, определяющими гидравлическое сопротивление зернистой среды, и ими можно пренебречь.
7. Полученные в работе результаты экспериментальных и теоретических исследований могут быть использованы при разработке высокоэффективного экономичного оборудования для теплоэнергетики и других отраслей промышленности на основе утилизации сбросного пара при его конденсации на рабочих поверхностях этого оборудования, помещенных в зернистые слои. Реализация такого применения представлена в работе техническими решениями автора, защищенными патентами.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ В изданиях, рекомендованных ВАК 1. Петрик, П. Т. Теплообмен при конденсации пара на трубках, погруженных в зернистый слой / П.Т. Петрик, А.Р. Богомолов, Г.С. Сердаков, Ю.О. Афанасьев // Холодильная техника. - 1992. - № 7-8. - С. 16-18.
2. Петрик, П. Т. Теплообмен при конденсации на вертикальной трубе в зернистом слое / П.Т. Петрик, А.Р. Богомолов // Теплоэнергетика. - 1995. - № 3. - С. 47-49.
3. Petrik, P. T. Heat transfer during vapor condensation in a tube in a granular layer / P.T. Petrik, A.R. Bogomolov // Journal of Engineering Thermophysics. - 1995. - V. 5, No 2. - P. 195-203.
4. Петрик, П. Т. Теплообмен при конденсации на вертикальной трубе в зернистом слое / П.Т. Петрик, А.Р. Богомолов // Прикладная механика и техническая физика. - 1995. - Т. 36, № 6. - С. 102-107.
5. Дорохов, А. Р. Нестационарный теплообмен при пленочной конденсации пара на горизонтальной трубе / А.Р. Дорохов, В.С. Логинов, И.П. Озерова, П.Т. Петрик, А.Р. Богомолов, И.В. Дворовенко // Теплоэнергетика. - 1997. - № 3. - С. 69-71.
6. Петрик П. Т. Теплообмен при конденсации перфтората R236 на гладких трубах / П.Т. Петрик, А.Р. Богомолов, И.В. Дворовенко, П.В. Дадонов, И.П. Петрик // Вестник КузГТУ - Кемерово: КузГТУ, 1997. - № 1. - С. 81-83.
7. Петрик П. Т. Определение свойств жидкого хладна R236 / П.Т. Петрик, А.Р.
Богомолов, И.В. Дворовенко, Е.Ю. Старикова, И.П. Петрик, П.В. Дадонов // Вестник КузГТУ - Кемерово: КузГТУ, 1998. - № 1. - С. 31-33.
8. Петрик, П. Т. Влияние теплопроводности частиц зернистого слоя на теплообмен при конденсации пара на цилиндре / П.Т. Петрик, А.Р. Богомолов, Е.Ю. Темникова // Вестник КузГТУ - Кемерово: КузГТУ, 2000. - № 2. - С. 30-31.
9. Петрик, П. Т. Теплообмен при конденсации хладона R227 и R113 на наклонных трубах / П.Т. Петрик, А.Р. Богомолов, И.В. Дворовенко, П.В. Дадонов // Вестник КузГТУ - Кемерово: КузГТУ, 2000. - № 6. - С. 12-13.
10. Петрик, П. Т. Теплообмен при конденсации хладона R227 на наклонных трубах, помещенных в зернистый слой / П.Т. Петрик, И.В. Дворовенко, П.В. А.Р. Богомолов, Дадонов, Е.Ю. Старикова // Вестник КузГТУ - Кемерово: КузГТУ, 2001. - № 1. - С. 11-13.
11. Петрик, П. Т. Исследование теплообмена при конденсации фреонов на наклонной гладкой трубе / П.Т. Петрик, П.В. Дадонов, И.В. Дворовенко, А.Р. Богомолов // Вестник Международной академии холода. - 2001. - № 3. - С. 33-34.
12. Петрик, П. Т. Гидродинамика при конденсации на поверхности, покрытой сферическими частицами / П.Т. Петрик, А.Р. Богомолов, С.С. Азиханов, К.В. Гуцал, Е.Ю. Темникова // Вестник КузГТУ - Кемерово: КузГТУ, 2002. - № 6. - С. 71-74.
13. Богомолов, А. Р. Гидродинамика при двухфазном течении в канале со сферическими частицами / А.Р. Богомолов, П.Т. Петрик, С.С. Азиханов, О.А. Тубольцева // Вестник КузГТУ - Кемерово: КузГТУ, 2002. - № 6. - С. 74-76.
14. Богомолов, А. Р. Гидродинамика в конденсаторах в зернистом слое / А.Р.
Богомолов, С.С. Азиханов, К.В. Гуцал, Е.Ю. Темникова // Известия Томского политехнического университета. - Томск, 2002 - Т. 305, Вып. 2. - С. 66-71.
15. Богомолов, А. Р. О модифицировании стеклянных поверхностей / А.Р. Богомолов, П.Т. Петрик, С.С. Азиханов, Е.Ю. Темникова // Теплофизика и аэромеханика. - 2002. - Т.9, № 3. С. 477 - 481.
16. Bogomolov, A. R. Hydrodynamics of a two-phase flow in a duct with spherical particles / A.R. Bogomolov, P.T. Petrik, S.S. Azikhanov, O.A. TubolТtseva // Journal of Engineering Thermophysics. - Novosibirsk: Institute of Thermophysics. - 2003. - V.9, No 3. - P. 191-197.
17. Белоусов, А. П. Гидродинамическая структура двухфазного течения в окрестности точек контакта элементов шаровых засыпок / А.П. Белоусов, А.Р. Богомолов, Д.М. Маркович // Теплофизика и аэромеханика. - 2004. - Т. 11, № 3. - С. 429-440.
18. Петрик, П. Т. Режимы течения сконденсированной фазы от поверхности теплообмена, помещенной в зернистый слой / П.Т. Петрик, А.Р. Богомолов, С.С. Азиханов, О.А. Тубольцева // Ползуновский Вестник. - 2004. - № 1. - С. 66-68.
19. Шиляев, М. И. Анализ уравнений движения фильтрующейся жидкости в зернистой среде / М.И. Шиляев, А.Р. Богомолов // Теоретические основы химической технологии. - 2005 - Т. 39, № 4. - С. 373-378.
20. Богомолов, А. Р. Пленочная конденсация водяного пара на вертикальной трубе в пористой среде / А.Р. Богомолов, П.Т. Петрик, И.В. Дворовенко, А.А. Богомолов // Вестник КузГТУ. - 2006. - № 6. - С. 110-114.
21. Богомолов, А. Р. Влияние свойств поверхности зернистого слоя при конденсации водяного пара на горизонтальной трубе / А.Р. Богомолов, П.Т. Петрик, И.В.
Дворовенко, А.А. Богомолов // Вестник КузГТУ. - 2006. - № 6.2. - С. 90-95.
22. Bogomolov, A. R. Condensation of steam on a vertical tube in a granulated material / A. R. Bogomolov, P. T. Petrik, I. V. Dvorovenko // Microgravity Science and Technology. International Journal for Microgravity Research and Applications (ISSN 09380108). Ц2007. - T. XIX, No 3-4. - P. 93-95.
23. Шиляев, М. И. Конденсация на поверхности, помещенной в зернистый слой, с различным контактным углом смачивания / М.И. Шиляев, А.Р. Богомолов, П.Т.
Петрик // Теплофизика и аэромеханика. - 2008. - Т. 15, № 2. - С. 269-279.
Патенты 24. Пат. 2000530 Российская Федерация, МПК F 28 D 7/00, F 28 F 13/06, F 28 B 1/02. Кожухотрубный конденсатор / Афанасьев Ю. О., Богомолов А. Р., Петрик П. Т., заявитель и патентообладатель ИТ СО РАН. - № 4953239/06; заявл. 27.05.1991; опубл.
07.09.1993, Бюл. № 33-36. - 3 с.: 2 ил.
25. Пат. 2091118 Российская Федерация, МПК C1 6 B01D5/00, Способ отделения неконденсирующихся газов и устройство для его осуществления / Афанасьев Ю.
О., Петрик П. Т., Богомолов А. Р., заявитель и патентообладатель ИТ СО РАН. - № 93031449/25; заявл. 08.06.1993; опубл. 27.09.1997. - 2 с.п. ф-лы, 2 ил.
Статьи в других изданиях 26. Богомолов, А. Р. Гидродинамика течения пленки жидкости на вертикальной поверхности в зернистой среде / А.Р. Богомолов, П.Т. Петрик // Сибир. физ.-техн.
журнал. - 1993. - № 6. - С. 3-5.
27. Богомолов, А. Р. Конденсация на поверхности цилиндра, помещенного в зернистый слой / А.Р. Богомолов, П.Т. Петрик // Сибир. физ.-техн. журнал. - 1993. - № 6. - С. 6-10.
28. Богомолов, А. Р. Теплообмен при конденсации на поверхности вертикального цилиндра, погруженного в зернистый слой / А.Р. Богомолов, П.Т. Петрик, О.Н.
Цой // Химия и химическая технология: сб. научн. тр. - Кемерово: КузГТУ, 1995. - С.
60-66.
29. Петрик, П. Т. Гидродинамика течения пленки жидкости по поверхности, помещенной в зернистую среду / П.Т. Петрик, А.Р. Богомолов, Д.Л. Крутский // Химия и химическая технология: сб. научн. тр. - Кемерово: КузГТУ, 1995. - С. 56-60.
30. Боберь, Е. Г. Нестационарный теплообмен в конденсационном устройстве / Е.Г. Боберь, А.Р. Дорохов, В.С. Логинов, П.Т. Петрик, И.В. А.Р. Богомолов, Дворовенко, // Теплоэнергетика: экономичность, надежность, экология: сб. статей. - Томск:
ТПУ, 1997. - С. 3-6.
31. Петрик, П. Т. Теплообмен при конденсации хладона R227 на наклонных трубах, помещенных в зернистый слой / П.Т. Петрик, П.В. Дадонов, И.В. Дворовенко, А.Р. Богомолов // Инженерно-физический журнал. - 2004. - Т. 77, № 4, - С. 76-78.
32. Богомолов, А.Р. Исследование теплообмена при конденсации водяного пара на горизонтальной трубе, помещенной в зернистый материал из частиц с разной смачиваемостью поверхности / А.Р. Богомолов, П.Т. Петрик, С.С. Азиханов // Теплоэнергетика. - 2009. - № 7.
Материалы конференций 33. Афанасьев, Ю. О. Конденсация пара на цилиндре, помещенном в зернистый слой / Ю.О. Афанасьев, А.Р. Богомолов, П.Т. Петрик, // Теплообмен и теплофизические свойства пористых материалов: Матер. всесоюз. сем., 25-27 сент. 1991 г. - Новосибирск: Ин-т теплофизики СО РАН, 1992. - С. 197-205.
34. Петрик, П. Т. Теплообмен при конденсации на трубах, помещенных в зернистую среду / П.Т. Петрик, А.Р. Богомолов // Первая Российская национальная конференция по теплообмену (РНКТ). Испарение, конденсация, Т. 5, Москва, 1994. - Москва, 1994. - С. 126-131.
35. Петрик, П. Т. Автоматизированный стенд для исследования теплообмена при кипении и конденсации на поверхностях в зернистом слое / П.Т. Петрик, И.В.
Дворовенко, А.Р. Богомолов, И.П. Петрик // Международная теплофизическая школа: тез. докл., 25-30 сентября 1995 г., Тамбов. - Тамбов: 1995. - С. 67-68.
36. Богомолов, А. Р. Гидродинамика при двухфазном течении в щелевом канале с зернистым слоем // А.Р. Богомолов, П.Т. Петрик, С.С. Азиханов, О.А. Тубольцева // 26-й Сибирский теплофизический семинар: тез. докл., 2002 г. ЦНовосибирск, 2002. - С. 45-46.
37. Богомолов, А. Р. Гидродинамика в конденсаторах в зернистом слое / А.Р.
Богомолов, С.С. Азиханов, К.В. Гуцал, Е.Ю. Темникова // 2-ой семинар вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике, 24-27 октября 2001. - Томск:
ТПУ. Ц2002. - С. 66-71.
38. Богомолов, А. Р. Потери давления на трение для потоков через каналы малого диаметра / А.Р. Богомолов, П.Т. Петрик, С.С. Азиханов, О.А. Тубольцева // Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики: тез. докл., 29 сент.5 окт. 2003 г. - Алушта, 2003. www.triacon.org.
39. Петрик, П. Т. Режимы течения сконденсированной фазы от поверхности теплообмена, помещенной в зернистый слой / П.Т. Петрик, А.Р. Богомолов, С.С. Азиханов, О.А. Тубольцева // III семинар вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике: Тез. докл.; 18-20 сент., Барнаул, 2003 г. - Новосибирск, 2003.
С. 37.
40. Шиляев, М. И. Анализ уравнений движения фильтрующейся жидкости в зернистой среде / М.И. Шиляев, А.Р. Богомолов // XXVII Сибирский теплофизический семинар: Тез. докл., 1-5 окт. 2004 г., Новосибирск. - Новосибирск, 2004. - С.
402-403.
41. Богомолов, А. Р. Пленочное и струйное течение жидкости в шаровых засыпках А.Р. Богомолов, С.С. Азиханов // XXVIII Сибирский теплофизический семинар: Тез. докл., 12-14 окт. 2005 г., Новосибирск. - Новосибирск, 2005. - С. 35-36.
42. Богомолов, А. Р. Конденсация водяного пара на трубе, упакованной в зернистый материал с различными свойствами поверхности / А.Р. Богомолов, П.Т. Петрик, И.В. Дворовенко, А.А. Богомолов // XXVIII Сибирский теплофизический семинар: Тез. докл., 12-14 окт. 2005 г. - Новосибирск, 2005. - С. 37-39.
43. Богомолов, А. Р. Пленочное и струйное течение жидкости в шаровых засыпках / А. Р. Богомолов, С. С. Азиханов [Электронный ресурс]. // Сборник трудов XXVIII сибирского теплофизического семинара, 12-14 окт. 2005 г., Новосибирск. - Электрон. текстовые дан. - Новосибирск, 2005. - 1 электрон. диск (CD-ROM). - Систем. требования: Windows 95 и выше; дисковод CD-ROM48х. - Загл. с экрана. - Публичное пользование ограничено.
44. Богомолов, А. Р. Конденсация водяного пара на трубе, упакованной в зернистый материал с различными свойствами его поверхности / А. Р. Богомолов, П. Т.
Петрик, И. В. Дворовенко, А. А. Богомолов [Электронный ресурс]. // Сборник трудов XXVIII сибирского теплофизического семинара, 12-14 окт. 2005 г., Новосибирск. - Электрон. текстовые дан. - Новосибирск, 2005. - 1 электрон. диск (CD-ROM). - Систем. требования: Windows 95 и выше; дисковод CD-ROM48х. - Загл. с экрана. - Публичное пользование ограничено.
45. Bogomolov, A. Condensation of steam on a horizontal tube, packaged in a granulated material with different properties of a surface / A. Bogomolov, P. Petrik, I. Dvorovenko // Int. Topical Team Workshop, Two-phase systems for ground and space applications, book of abstracts, Brussels, Belgium, September 19-21, 2006. - Brussels, 2006. - P.
88-89.
46. Богомолов, А. Р. Конденсация водяного пара на вертикальной трубе, упакованной в зернистый материал с различными свойствами поверхности / А.Р. Богомолов, П.Т. Петрик, И.В. Дворовенко, А.А. Богомолов // Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики, 4-я науч. шк.-конф: Тез. докл., 18-24 сентября 2006. - Алушта, 2006. - С.125-127.
47. Bogomolov, A. R. Condensation of steam on a vertical tube in a granulated material / A. R. Bogomolov, P. T. Petrik, I. V. Dvorovenko // Two-phase systems for ground and space applications: The second international topical team Workshop, October 26-28, 2007, Kyoto, Japan. // Microgravity Science and Technology. International Journal for Microgravity Research and Applications. Ц2007. - T. XIX, No 3-4. - P. 93-95.
48. Азиханов, С.С. Гидродинамика конденсата на горизонтальной трубе в засыпке / С. С. Азиханов, П. Т. Петрик, А. Р. Богомолов // Энергетика, экология, надежность, безопасность: Материалы докладов XIII-й науч.-техн. конф., 5-7 декабря 2007 г. - Томск, 2007. - С. 89-92.
49. Азиханов, С. С. Капиллярное удерживание конденсата на горизонтальной трубе в засыпке / С.С. Азиханов, П.Т. Петрик, А.Р. Богомолов // Химия - XXI век.
Новые технологии, новые продукты: тр. X межд. научн.-практ. конф., 23-25 апр. 20г., Кемерово. - Кемерово: КузГТУ, 2008. - С. 120-122.
50. Shilyaev, M. I. Heat transfer at condensation of immobile vapor on tubes, placed a granular layer / M.I. Shilyaev, A.R Bogomolov, P.T. Petrik // Materials of 18th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2008, Praha, Czech Republic, 24-August 2008. - Praha, 2008. - P. 1637-1638.
51. Shilyaev, M. I. Heat transfer at condensation of immobile vapor on tubes, placed a granular layer / M.I. Shilyaev, A.R Bogomolov, P.T. Petrik // Materials of 18th International Congress of Chemical and Process Engineering, 24-28 August 2008, Praha, Czech Republic, CHISA 2008. - CD-ROM of Full Texts. - Praha, 2008. - 15 p.