Экспериментальное исследование тепломассопереноса с фазовыми переходами в каплях сложного состава

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Экспериментальное исследование тепломассопереноса с фазовыми переходами в каплях сложного состава

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

кандидата технических наук

Мисюра Сергей Яковлевич

Новосибирск - 2013

Работа выполнена в Федеральном Государственном Бюджетном Учреждении Науки Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: доктор технических наук, академик РАН Накоряков Владимир Елиферьевич

Официальные оппоненты:

Пухначёв Владислав Васильевич, доктор физико-математических наук, чл.-корр. РАН, Федеральное государственное бюджетное учреждения науки Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева Сибирского отделения РАН, главный научный сотрудник.

Низовцев Михаил Иванович, доктор технических наук, старший научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН, заведующий лабораторией.

Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики УрО РАН, г. Екатеринбург.

Защита состоится «11» декабря 2013 г. в 9-30 на заседании диссертационного совета Д 003.053.01 на базе Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять по адресу: 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 1, учёному секретарю совета. Телефон (383) 330-71-21, факс (383) 330-84-80, e-mail: dissovet@itp.nsc.ru

Автореферат разослан «___» ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.ф.-м.н. Кузнецов Владимир Васильевич

Общая характеристика работы

тепломассообмен испарение капля метан

Актуальность темы. В настоящее время испарение отдельных навесок жидкостей (капель) широко применяется в охлаждении промышленных энергетических аппаратов, в микробиологии и медицине, а также в космических технологиях. В связи с авариями на атомных станциях существенно возрос интерес к исследованиям тепломассообмена при возникновении кризиса кипения. Кипение капель имеет множество принципиальных отличий от кипения больших объёмов жидкостей. При высокотемпературном кипении капель процесс тепломассообмена в капле и на её поверхности является существенно нестационарным, неизотермичным и трёхмерным. В этом случае нельзя пренебрегать краевыми эффектами - тепломассообменом на краях капли. Имеется ограниченное количество работ по влиянию физико-химических и геометрических свойств стенки на высокотемпературное испарение капель диаметром более 5 мм, а также при наличие пузырькового кипения. При этом экспериментальные данные характеризуются существенными количественными расхождениями. В технических аппаратах кризис кипения обычно сопровождается образованием неустойчивой плёнки пара и характеризуется переходным режимом. Из-за наличия возмущающих факторов (пульсаций скорости, давления, температуры) жидкость непрерывно касается высоко нагретой стенки и разбивается на множество капель разного диаметра. Представляет несомненный интерес исследование поведения капель в переходном режиме в широких диапазонах температур стенки, размеров капель, концентраций компонентов в растворах.

При стекании плёнок в десорберах часто имеет место потеря устойчивости плёнки и её распад на струи и капли. Большой научный и практический интерес представляет исследование тепломассообмена капель растворов на нагретой стенке, а также процесса десорбции в мини и микроканалах. Высокотемпературная десорбция водно-солевых растворов в миниканалах практически не изучена и может применяться в двух и трёх ступенчатых десорберах абсорбционных термотрансформаторов.

Огромные природные запасы газовых гидратов являются перспективным, альтернативным и экологически чистым источником энергии. При горении газовых гидратов на поверхности образца образуется тонкая плёнка воды и капли, влияющие на механизм выделения газа. Исследования диссоциации гидратов метана и явления «самоконсервации» (аномально низкие скорости распада) касаются задач по транспортировке и хранению сырья, а также задач по выявлению физических механизмов распада. Необходимы дополнительные экспериментальные исследования из-за недостатка данных по диссоциации газовых гидратов в широком диапазоне тепловых потоков и диаметров гранул.

Целью работы является экспериментальное исследование тепломассообмена при высокотемпературном и нестационарном испарении и десорбции капель в широком диапазоне размеров капель, температур стенки и концентраций компонентов в водных растворах.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1.Разработка методики измерения мгновенных скоростей десорбции капель и определение концентрации солей (LiBr, NaCl, CaCl₂) для нестационарных процессов в диапазоне массовой концентраций соли 0ч0.6.

2.Изучение тепломассообмена капель в диапазоне диаметров капель 3ч20 мм, температур стенки 80ч250 єС, в интервале толщин стенки 1ч40 мм, в диапазоне класса шероховатости стенки 6ч12, а также использование материалов с различной теплопроводностью. Исследование режимов кипения капли при неустойчивой контактной линии и быстрого изменения площади смачивающей поверхности капли.

3.Исследование кризиса кипения капель воды в диапазоне диаметров капель 3ч20 мм. Исследование неизотермической десорбции водно-солевых растворов капель на нагретой стенке и в миниканалах при наличии кризиса кипения. Изучение различных режимов кипения раствора соли LiBr в миниканалах с диаметром от 2 до 10 мм с целью определения наиболее интенсивного режима десорбции.

4.Проведение экспериментального исследования капель водно-спиртовых смесей для определения перегрева стенки и концентрации компонентов смеси, при которых реализуется максимальный критический тепловой поток.

5.Исследование диссоциации гидратов метана и «самоконсервации» при отрицательных температурах в широком диапазоне тепловых потоков 65ч1300 Вт/м² и диаметров гранул 2ч10 мм.

Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением с известными результатами и формулами теории тепломассообмена и теории кризиса кипения, соответствием с известными экспериментальными методами. Методические погрешности определены в соответствии с тепловым и энергетическим балансом и инструментальными погрешностями.

Научная значимость и новизна работы состоит в следующем:

1.Автором разработана экспериментальная методика определения мгновенных значений концентраций соли при нестационарной высокотемпературной десорбции капель.

2.Впервые проведено комплексное исследование по одновременному влиянию на процесс испарения и десорбции капель нескольких факторов: диаметра капли, толщины стенки канала и его шероховатости, теплопроводности материала.

3.Выявлены семь различных режимов десорбции в миниканалах и исследована эффективность их десорбции. Автором впервые показано, что эффективность эмульсионного режима в 10-15 раз выше других режимов.

4.Установлено, что для нестационарного кипения капель водно-спиртовых смесей, максимальный критический тепловой поток достигается при массовой концентрации этилового спирта около 25ч30 %. Ранее был исследован критический тепловой поток только для больших объёмов жидкостей и для стационарного режима кипения.

5.Автором впервые получены экспериментальные зависимости для скорости диссоциации газовых гидратов в широком диапазоне тепловых потоков и диаметров гранул.

Положения, выносимые на защиту:

1.Экспериментальная методика определения концентрации соли при нестационарной десорбции капель водных растворов солей.

2.Результаты экспериментальных исследований по испарению капель водных растворов спирта и по десорбции капель водных растворов солей.

3.Результаты экспериментального изучения переходного режима и кризиса кипения капель.

4.Результаты исследований по десорбции водного раствора соли LiBr в миниканалах разного диаметра.

5.Результаты экспериментальных исследований по изучению диссоциации гидратов метана и двойного гидрата с изопропанолом.

Практическая значимость и реализация результатов:

1.Показано, что кризис кипения капель на высоконагреваемых поверхностях приводит к многократному понижению коэффициента теплоотдачи (уменьшение в десятки раз). Установленные особенности и зависимости, по влиянию физико-химических и геометрических свойств стенки на теплообмен и испарение капель жидкости, позволят проводить более точное проектирование теплообменных аппаратов.

2.Применение капельного орошения поверхностей теплообменников с концентрацией спирта в растворе капли около 25ч30 % позволит существенно увеличить критический тепловой поток, а также интенсифицировать теплообмен на 10ч15 %.

3.Применение эмульсионного режима при высокотемпературной десорбции водных растворов солей позволит использовать более эффективные многоступенчатые десорберы в абсорбционных термотрансформаторах. Эффективность повысится на 10ч20 %. Реализация в мини каналах эмульсионного режима в 15 раз повышает скорость десорбции и противодействует нарастанию кристаллогидратного слоя на стенках каналов.

4.Экспериментальные результаты по диссоциации газовых гидратов показали, что эффективность хранения и транспортировки гидратов метана существенно повышается, если диаметры гранул имеют размер 8 мм и более.

Личный вклад. Автором лично разработана методика определения концентраций компонентов водных растворов солей, проведены комплексные исследования кипения и десорбции капель в широком диапазоне размеров навесок, температур стенки и концентраций компонентов бинарных растворов. Проведена модернизация экспериментальной установки. Использовались методики с применением гравиметрических, объёмных и тепловизионных методов, а также оптического профилометра. Концентрация соли измерялась как денсиметром, так и оптическим методом. Автором лично получены экспериментальные данные, произведена их обработка и анализ, а также подготовлены научные статьи.

Апробация работы. Содержание и основные результаты исследований докладывались и обсуждались на пяти конференциях, в том числе на 4-ой Всероссийской конференция с участием зарубежных учёных «Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения», Бийск, 5-10 июля, 2011 г, где автор выступал с пленарным докладом.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, состоящих из параграфов, заключения и списка литературы. Работа содержит 145 страниц текста, 3 схемы установки, 45 графиков и схематических рисунков, 36 рисунков с экспериментальными графиками, списка литературы из 164 наименований и списка литературы автора.

Публикации. Всего автором опубликовано 34 научные работы; по теме диссертации опубликовано 18 научных работ. По теме диссертации опубликовано 14 статей в рецензируемых журналах, входящих в перечень, рекомендованный ВАК. Общее количество статей перечня ВАК - 19.

Краткое содержание работы

Во введении показана актуальность выбранной темы, сформулированы цели, задачи и методы исследования, определена новизна, научная и практическая ценность.

В первой главе проведён анализ современного состояния вопроса, сформулированы проблемы и возможные пути их решения. Рассмотрены задачи: динамика капли без испарения; кипение чистых жидкостей; кипение растворов с летучими компонентами; режимы кипения водно-солевых растворов с образованием трёх фаз (жидкость-пар-кристаллогидраты).

В разделе 1.1 рассмотрена динамика капли на ненагреваемой поверхности и без учёта теплоты испарения. Показано, что динамика испарения зависит от формы капли, которая изменяется со временем.

В разделе 1.2 рассмотрено поведение капли на поверхности стенки с учётом теплоты испарения. При небольших перегревах стенки охлаждением поверхности капли можно пренебречь. Для высоких перегревов решение ищется в неизотермической постановке. В работе Hua Hu, G. Larson предлагается аппроксимационное эмпирическое выражение для зависимости локальной скорости испарения от контактного угла и расстояния от оси капли. Данный подход получил название - модель «Lens». Другой подход, получивший широкое применение - модель «NEOS», основан на решении уравнения Герца - Кнудсенна из кинетической теории. Большинство работ по исследованию капель на твёрдой поверхности («сидящих» капель) - проведено для температур до 60ч80 єС и для маленьких навесок воды (диаметр капли менее 5 мм). Можно также отметить ограниченность существующих работ относительно влияния стенки - не учитывается геометрия нагревателя на испарение капли. При квазиплоской поверхности капли неправильно рассматривать поведение капли по аналогии с испарением плёнки из-за существенного влияния краевых эффектов.

В разделе 1.3 рассмотрено испарение капель при «плёночном» режиме - испарение при кризисе теплообмена, когда между каплей и стенкой образуется плёнка пара. Низкая теплопроводность паровой прослойки приводит к снижению коэффициента теплоотдачи в десятки раз. При высоком тепловом потоке и высокой скорости его нарастания реализуется «взрывное вскипание». В работах Б.П. Авксентюка, С.П. Актёршева, В.В. Овчинникова изучалось вскипание сильно перегретых жидкостей, находящихся в метастабильном состоянии. Гидродинамическая теория С.С. Кутателадзе является одной из самых успешных и широко применяемых на практике. Он рассмотрел устойчивость двухфазного несжимаемого поверхностного слоя на неограниченной горизонтальной поверхности с учётом влияния кинетической энергии газа, гравитационных и поверхностных сил и получил выражение для критического теплового потока, ввёл критерий устойчивости, значение которого зависит от геометрии нагревателя и капиллярной постоянной жидкости. В.М. Боришанским была уточнена формула С.С. Кутателадзе путём ввода дополнительного критерия, учитывающего вязкость жидкости. Можно также отметить известные модели, описывающие переход к кризису кипения: модель Якоба, Г.Н. Кружилина, Д.А. Лабунцова, В.И. Толубинского, И.И. Новикова, E.A. Farber, C.A. Aikin, W.H. McAdams, E.R.G. Eckert. Модель устойчивости межфазной поверхности рассмотрена N. Zuber. Метастабильное состояния исследовано в работах В.П. Скрипова. Выражения для контактного угла использует A.W. Adamson. Выражения с применением модели изотермы адсорбции Ленгмюра приводится в работе A. Segev, S.G. Bankoff. И.И. Гогониным предложена критериальная зависимость, связывающая теплообмен на стенке с её теплофизическими свойствами и шероховатостью. Крайне мало опытных данных по одновременному влиянию нескольких параметров на испарение капель: толщины стенки и её шероховатости, температуропроводности материала.

В разделе 1.4 рассмотрена десорбция водно-солевых растворов. В последние десятилетия широкое распространение в энергетике получили абсорбционные тепловые преобразователи (тепловые насосы и холодильные машины). Преобразователь имеет четыре основные элемента: абсорбер, испаритель, конденсатор и генератор (десорбер). Проведённые экспериментальные исследования в данной работе важны для описания режимов в десорберах. В работах В.Е. Накорякова и С.Л. Елистратова показано, что процесс разрушения стенок связан с «взрывным» поведением капель на высоко-нагретой стенке. Повышение температуры в десорбере позволяет применять многоступенчатые схемы, которые исследованы Л.С. Тимофеевским, А.В. Бараненко, А.Г. Долотовым. Термотрансформаторы с использованием многоступенчатых схем генерации водяного пара существенно повышают общую энергетическую эффективность. Для описания процессов в абсорбере и десорбере необходимо решать не только уравнение энергии, но и уравнение диффузии. Наиболее успешная и простая неизотермическая теория абсорбции разработана Н. И. Григорьевой и В.Е. Накоряковым.

В разделе 1.5 рассмотрено испарение растворов с летучими компонентами. Смеси находят применение в двигателях транспортных средств, работающих на экологически чистых спиртобензиновых смесях. В последние годы роль капельного испарения резко возросла для охлаждения изделий микроэлектроники. В работах С.С. Кутателадзе, Г.И. Бобровича, И.И. Гогонина отмечался аномальный рост теплоотдачи при определённых концентрациях смесей и механизм интенсификации связывался с существенным ростом скорости парообразования. W. Fritz связывает увеличение критического теплового потока с падением поверхностного натяжения и с уменьшением краевого угла смачивания и.

Во второй главе проведено детальное исследование поведения капель на поверхностях металлических участков, изготовленных из разных материалов с различной толщиной стенки и в диапазоне температур стенки от 60 до 250 °С. Этот температурный интервал включает в себя режим испарения без кипения, режим пузырькового кипения и плёночное (паровое) кипение при температуре Лейденфроста. Измерения проведены в широком интервале диаметров капли 3ч20 мм. Обнаружены новые эффекты. Впервые выявлен колебательный режим кипения с периодическим отрывом линзообразной капли (не сферической) от стенки с выбросом пара из-под капли.

В разделе 2.1 приведена схема модернизированной экспериментальной установки для определения мгновенных скоростей испарения и концентраций соли в каплях растворов.

В разделах 2.2 - 2.4 представлено влияние объёма навески, геометрических и физических свойств стенки на процесс испарения капли. Существенно расширен диапазон размеров капель, что привело к различным формам поверхности навесок. Использовались рабочие участки из разных материалов: нержавеющая сталь, дюралюминий, медь техническая, медь без примесей кислорода, а также медь с позолоченным напылением. Установлено, что чем ниже коэффициент температуропроводности материала, тем выше захолаживание стенки и ниже плотность потока испарения. Влияние геометрии канала на процесс испарения проведено в интервале толщин стенки от 1 мм до 40 мм. Показано, что тонкие стенки приводят к существенному захолаживанию поверхности материала под каплей и к смене режимов кипения, что не наблюдается для толстостенных конструкций. Интенсивность испарения при уменьшении толщины стенки падала в десятки раз. Изучено влияние шероховатости поверхности стенки на динамику испарения в интервале 6ч14 класса шероховатости. Измерения и анализ структуры шероховатости стенки проведёны с использованием электронного микроскопа и 3-D методов обработки изображений. Сравнение данных с результатами других авторов показало, что различные физические и геометрические свойства материала приводят к существенному расхождению кривых и к затягиванию кризиса теплообмена.

В разделе 2.5 впервые проведено комплексное изучение динамики процесса парообразования внутри капли. Приводятся экспериментальные зависимости по изменению количества пузырьков и их среднего диаметра от времени испарения при различной температуре стенки Т_ст, изменение от времени объёмной паровой фазы.

В разделе 2.6 исследовано поведение навесок воды на полированной позолоченной поверхности. Анализ шероховатости поверхности проводился с применением оптического профилометра «Zygo» (Рис. 1).

Рис. 1. 3D модель поверхности полированной позолоченной стенки.

Показано, что благоприятные условия для вскипания реализуются только в характерных микропорах с определённой смачиваемостью. Полировка и напыление существенно изменили плотность активных центров парообразования. Выявлены при кипении капли упорядоченные двухфазные ячеистые структуры. Тепловизионные фотографии пузырьковых структур при кипении бидистиллированной капли воды показаны на рис. 2. Значения температуры корректировались с учётом калибровочной кривой излучательной способности воды, учитывающей оптическую толщину, температуру и высоту капли. Приведено изменение массы испаряющейся капли бидистиллята на полированной поверхности (d₀ = 11 мм). Для Т_ст = 60; 80; 90 єС кривые испарения хорошо аппроксимируются прямыми линиями, что говорит о примерном постоянстве скорости испарения dm/dt. При Т_ст = 210 єС (плёночный режим кипения) производная dm/dt уменьшается.

Рис. 2. Тепловизионные фотографии пузырькового кипения в капле.

В разделе 2.7 представлены различные режимы кипения капли, которые существенно отличаются от кипения в большом объёме воды (большая высота уровня жидкости). Новая методика измерения текущей массы капли позволила выделить 5 характерных этапов испарения при интенсивном кипении (Рис. 3). Для каждого из этапов скорость испарения существенно различается и изменяются граничные условия на стенке. Для построения физической модели высокотемпературного испарения необходимо рассматривать раздельно все пять участков, а не один, как считалось ранее.

Рис. 3. Различные временные режимы испарения капли (Т_ст = 115 єС).

В разделе 2.8 исследована диссоциация газовых гидратов в диапазоне тепловых потоков 65ч1300 Вт/м² и диаметров гранул 2ч10 мм, а также диссоциация при горении. В наших опытах использовались порошки природного и искусственного гидрата метана, а также порошки двойных гидратов с изопропанолом. Искусственный порошок газового гидрата и двойной гидрат с изопропанолом получался в реакторе-кристаллизаторе (гидратная камера) при давлении 50 бар и температуре +1 єС. л. Впервые установлено, что при горении скорость диссоциации гидрата метана увеличивается в 9 раз, по сравнению с разложением без горения. Впервые показано, что процесс диффузионного горения газового гидрата носит нестационарный характер, т.е. скорость распространения пламени изменяется из-за изменения скорости диссоциации по времени. Неоднородный и нестационарный характер разрушения газового гидрата обусловлен неоднородным составом гранул и внутренней пористостью в гранулах. Исследовано явление «Самоконсервации» (аномально низкие скорости диссоциации из-за образования прочной корки льда без пор). Тепловизионные измерения и скоростная видеосъемка позволили обнаружить при горении бурлящие двухфазные структуры на поверхности двойного гидрата с изопропанолом, состоящие из капель воды и пузырьков метана. Образование третьей фазы (тонкой плёнки воды) существенно изменяет механизм диссоциации газового гидрата.

В третьей главе исследовалось поведение капель водных растворов солей на греющей поверхности в широком диапазоне температур поверхности и концентраций солей, проведено исследование высокотемпературной десорбции в миниканалах.

В разделе 3.1-3.2 приведены экспериментальные данные по десорбции капли водного раствора LiBr с применением видио и тепловизионой съёмки. Кристаллизация начинается на краях капли и далее плёнка растёт в направлении центра. Рост кристаллогидратов неоднороден и зависит от направления. При температуре выше 150 єС происходит процесс «взрывного» разрушения навески сразу же при нанесении капли на поверхность, часть жидкости удаляется и капля вновь возвращает себе плоскую форму.

В разделе 3.3 анализируются данные по полному времени десорбции. Изменение времени десорбции капли водного раствора LiBr от Т_ст при различной массовой концентрации раствора LiBr (V₀ = 46 мкл) показано на рис. 4. При Т_ст до 160 єС кривые имеют резкий наклон. При Т_ст выше 180 єС время начала кристаллизации практически не зависит от Т_ст.

Рис. 4. Изменение времени десорбции капли водного раствора LiBr от Т_ст (время десорбции измеряется до начала кристаллизации плёнки).

В разделе 3.4 анализируется динамика неизотермической десорбции капель растворов NaCl, CaCl₂, LiBr и воды. Процессы высокотемпературной нестационарной десорбции капель водно-солевых растворов с образованием кристаллогидратов не могут быть описаны в рамках существующих теорий абсорбции и нуждаются в предварительном экспериментальном исследовании в широком диапазоне определяющих параметров.

Процессы кристаллизации для разных водных растворов NaCl, CaCl₂, LiBr существенно различаются. Для раствора NaCl на поверхности капли не образуется сплошной твёрдой плёнки - кристаллы соли имеют объёмный вид. Для CaCl₂ и LiBr образуется сплошная тонкая плёнка. Причём для LiBr на больших временах обнаружено необычное явление - площадь первоночальной поверхности пленки многократно увеличивается, а толщина плёнки уменьшается. На рис. 5 приведены кривые десорбции при начальной Т_ст = 130 єС. Видно, что имеется несколько режимов с различными скоростями десорбции. Однако, в отличие от воды, в заключительной стадии десорбции растворов имеется не рост, а многократное уменьшение интенсивности десорбции (падение интенсивности в десятки раз). Уменьшение скорости десорбции связано с ростом концентрации соли со временем и приближением средней объёмной концентрации капли к равновесной, а также с понижением равновесного парциального давления пара на поверхности.

Рис. 5. Испарение капель дистиллированной воды и десорбция водных растворов солей (Т_ст = 130 єС, V₀ = 300 мкл).

Особым является поведение испаряющихся капель растворов при высоких температурах стенки, когда капля отделяется от поверхности нагрева тонкой пленкой водяного пара. Из-за высокого теплового потока происходит резкое увеличение концентрации соли в донной поверхности сфероида. При определённой критической концентрации пар не удерживает сфероид в висящем состоянии и жидкость касается стенки, что и приводит к быстрому «взрывному» распаду сфероида.

В разделе 3.5 приведены экспериментальные данные по изменению концентрации соли от времени. Измерения текущей массы капли водного раствора соли позволили определить изменение концентрации соли по времени, происходящее в результате десорбции раствора.

На Рис. 6 показаны кривые концентрации соли LiBr в зависимости от времени и начальной концентрации соли C_LiBr0. Измеренные значения концентрации (перед образованием кристаллогидратной плёнки) показали, что концентрация соответствовала равновесным кривым - точке кристаллизации при заданных температуре и давлении. Как видно из рисунка, производная от концентрации по времени возрастает с уменьшением начальной C_LiBr0. На больших временах происходит образование кристаллогидратной плёнки, процесс десорбции существенно замедляется и состоит из нескольких видов: 1) переноса в жидкости под кристаллической коркой; 2) перенос в твёрдой корке; 3) десорбция с поверхности корки. Автором была предложена простая методика расчёта скорости десорбции для нестационарного режима и при существенном изменении парциального давления пара. Методика является дальнейшим развитием теории неизотермической абсорбции Н.И. Григорьевой и В.Е. Накорякова. Выражения для потока массы с учётом неизотермичности и конвективной составляющей соответствуют (1), где r_a - теплота абсорбции (десорбции), C_e - равновесная концентрация воды при Т₀, C₀ - начальная концентрация раствора, D - коэффициент диффузии.

,(1)

Рис. 6. Изменение концентрации водного раствора LiBr от времени при различной начальной концентрации С_LiBr0; Т_ст = 80 єС (V₀ = 100 мкл).

Неучёт неизотермичности в (1) при абсорбции приводит к двукратному завышению теории по сравнению с экспериментом. В диссертации показано, что для нестационарной высокотемпературной десорбции можно пренебречь неизотермичностью, а учитывать только конвективную составляющую в уравнении движения или, для упрощения решения, конвективную составляющую в граничных условиях. Теоретический расчёт потока массы при десорбции удовлетворительно согласуется с экспериментом.

В разделе 3.6-3.6.1 исследованы режимы десорбции в миниканалах с диаметром 2ч10 мм в широком диапазоне тепловых потоков. Тепловой поток на стенке был постоянен и его величина регулировалась путём изменения мощности тока. На сегодняшний день хорошо исследованы только течения: газ-жидкость (без кипения); пар-жидкость (кипение). Данные по десорбции (пар-жидкость-кристаллогидраты) в микро и миниканалах практически отсутствуют. Можно отметить работы Е.А. Чиннова, О.А. Кабова, A.M. Barajast, S.G. Kandikar, A.E. Dackler. В работах В.В. Кузнецова и А.С. Шамирзаева предпринята попытка описания режимов для воды в микро и миниканалах с привлечением моделей по конвекции и пузырьковому кипению. Изучение условий появления кристаллогидратной плёнки и поиск путей, предотвращающих её появления, важная техническая задача. Увеличение температуры в десорбере термотрансформатора и рост КПД цикла напрямую связан с исследованием кризисных режимов растворов солей. При увеличении теплового потока были зафиксированы следующие режимы десорбции: 1) пузырьковое кипение; 2) пробковый режим; 3) расслоенный режим; 4) колебательный расслоенный режим; 5) плёночный переходной режим; 6) эмульсионный режим; 7) режим запирания потока из-за непрерывного роста кристаллогидратной плёнки. Измерение разницы концентраций на входе и выходе рабочего участка ДС = С_вых - С_вх позволило сравнить различные режимы кипения по эффективности десорбции. Чем выше ДС, тем выше эффективность десорбции. Эффективность будет функция от ДС = ДС(б, S, ДT), т.е. зависит от разности температур между стенкой и жидкостью ДT, коэффициента теплоотдачи б, площади межфазной поверхности (пар-жидкость) S. Показано, что эмульсионный режим как раз соответствует данным условиям - для него характерно испарение мелкодисперсных капель. Высокочастотные пульсации давления предотвращают объединение и рост размеров капель. Дальнейший рост теплового потока приводит к запиранию потока и нарастанию на стенке толстого слоя соли. Экспериментальные данные настоящей работы показали, что ДС_max для эмульсионного режима превосходит ДС пузырькового режима кипения в 15 раз и расслоенного режима в 13 раз.

Применение эмульсионного режима в технических аппаратах является перспективным и позволит поднять температуру в двух и трёхступенчатых десорберах, увеличить скорость десорбции и повысить термический КПД. Однако, близость с режимом запирания потока создаёт повышенный риск аварийной ситуации. Необходимы дальнейшие исследования в данной области по поиску механизмов, предотвращающих спонтанный переход эмульсионного режима в режим быстрого роста кристаллогидратного слоя.

В четвертой главе исследуется поведение водно-спиртовых смесей при различной температуре стенки и концентрации спирта в смеси.

В разделе 4.1 анализируются экспериментальные данные по переходной зоне кризиса теплообмена. Для азеотропных смесей критические температуры зависят от текущей концентрации и изменяются от времени. На рис. 7 показаны зависимости полного времени испарения капель водного раствора этанола от Т_ст. Наиболее растянутый переходной режим соответствует начальной концентрации спирта С₀ = 27 %.

В разделе 4.2 приводятся данные по изменению массы капель смеси от времени. На рис. 8 показано поведение кривых для концентраций: (а) С₀ = 27 % и (б) С₀ = 64 %. Из-за разности теплот испарения компонентов, скорость испарения смеси также непостоянна и падает со временем. Изменение скорости испарения капель спирта от времени при различной начальной концентрации С₀ (V₀ = 100 мкл) приведено на рис. 9.

В разделе 4.3 исследован теплообмен капли на нагретой поверхности стенки. Экспериментальная методика позволяла определить как осредненные, так и локальные значения тепловых потоков и коэффициентов теплоотдачи при испарении капель. Зависимости коэффициента теплоотдачи (б) для сфероидального состояния навески водного раствора спирта показаны на Рис. 10.

Рис. 7. Полное время испарения капель водного раствора этанола от температуры стенки (V₀ = 100 мкл).

Рис. 8. Изменение массы капли раствора этанола от времени: а) С₀ = 27 %, V₀ = 100 мкл, б) С₀ = 64 %, V₀ = 100 мкл.

С ростом Т_ст при плёночном кипении, тепловой поток возрастает и увеличивается толщина паровой прослойки, что приводит к монотонному понижению коэффициента теплоотдачи. С ростом концентрации спирта б падает. Коэффициент теплоотдачи при этом зависит от нескольких факторов - он уменьшается с ростом диаметра сфероида (диаметр капли спирта больше, чем диаметр для капли воды из-за уменьшения поверхностного натяжения), а также понижается из-за уменьшения теплоты испарения раствора спирта по сравнению с чистой водой. Увеличение же скорости испарения спирта обусловлено существенным понижением удельной теплоты испарения Экспериментальные данные качественно хорошо коррелируют с формулой С.С. Кутателадзе, описывающей испарение сфероида жидкости над плёнкой пара. Таким образом, теплоотдача сфероида водного раствора спирта определяется несколькими ключевыми параметрами и зависит от их суммарного эффекта.

Рис. 9. Скорость испарения капель водного раствора спирта (V₀ = 100 мкл).

Рис. 10. Изменение коэффициента теплоотдачи для сфероида (V₀ = 100 мкл).

Получены экспериментальные кривые по поведению коэффициента теплоотдачи б при испарении капли в режиме пузырькового кипения (сидящая капля) и для переходного режима при изменении начальной концентрации спирта С₀ и Т_ст. Важной особенностью кривой при С₀ = 27 % является заметное увеличение критического теплового потока.

В заключении сформулированы основные результаты:

- Прямые измерения массы навесок жидкостей позволили определить мгновенные скорости испарения капель на высокотемпературной поверхности. Показано, что скорость испарения капель в сфероидальном состоянии резко уменьшается в заключительной стадии испарения. Скорость испарения капель двухкомпонентных летучих жидкостей, а также скорость десорбции растворов солей изменяется по времени и зависит от концентрации компонентов.

- Разработанная методика позволила получить экспериментальные кривые по изменению концентрации соли и равновесному парциальному давлению пара от времени в широком диапазоне температур стенки и начальных концентраций растворов. Данная методика исключает непосредственный забор жидкости из капли. С ростом концентрации соли скорость десорбции и равновесное парциальное давление пара уменьшается в десятки раз.

- Впервые проведен комплексный анализ одновременного влияния на скорость испарения жидкости нескольких факторов: размера и формы навесок, геометрических и физико-химических свойств стенки. Существенно был расширен диапазон изменения параметров. Показано, что все исследованные факторы играют существенную роль при высоких тепловых потоках.

- Впервые подробно исследована переходная область кризиса кипения капель в широком диапазоне начальных размеров навесок. Показано, что верхний и нижний температурный интервал переходного процесса зависит от геометрических и физико-химических свойств стенки и можно существенно отодвигать кризис теплообмена в сторону более высоких температур и тепловых потоков, что может эффективно использоваться на практике.

- Исследованы различные режимы кипения водного раствора соли LiBr в миниканалах диаметра от 2 до 10 мм. Впервые получен устойчивый «эмульсионный» режим десорбции с одновременным наличием трёх фаз: мелкодисперсные капли жидкости-пар-твёрдые частицы кристаллогидратной фазы. Показано, что при реализации «эмульсионного» режима интенсивность десорбции может быть в 15 раз выше, чем для пузырькового и слоистого режимов. В дальнейшем «эмульсионный» режим может быть использован в высокотемпературных многоступенчатых десорберах.

- Впервые проведено экспериментальное исследование теплообмена капель водно-спиртовых смесей в широком диапазоне размеров капель, температур стенки и начальной концентрации спирта. Установлено, что при массовой концентрации спирта 25ч30 % достигается максимальный критический тепловой поток.

- Впервые исследована неизотермическая диссоциация газовых гидратов в широком диапазоне величин тепловых потоков 65ч1300 Вт/м² и диаметров гранул 2ч10 мм. Неизотермическая диссоциация, в отличие от изотермической, подразделяется на 4-5 характерных режимов с различными скоростями распада. Показано, что на поверхности гранул газовых гидратов при их горении образуется плёнка и капли воды, которые необходимо учитывать при описании диссоциации.

Всего опубликовано 34 научных работ, из них по теме диссертации 18 и 14 статей в рецензируемых журналах, входящих в перечень, рекомендованный ВАК (общее количество статей перечня ВАК - 19).

Основные результаты работы представлены в публикациях

Основные статьи:

1.Misyura, S.Ya., Terekhov, V.I., Lebedev, V.P., Lemanov, V.V., Effect of flow turbulence on film cooling efficiency, International Journal of Heat and Mass Transfer, V. 38, №11, 1995, Р. 2117-2125.

2.Misyura S.Y., Nakoryakov V.E., Elistratov S.L., Peculiarities of Nonisothermal Desorption of Drops of Lithium Bromide Water Solution on a Horizontal Heated Surface, Journal of Engineering Thermophysics, V. 20, №4, 2011, Р. 1-6.

3.Misyura S.Y., Nakoryakov V.E., Elistratov S.L., Evaporation of water solution droplets on a horizontal heating surface, International Journal of Energy & Technology, 4 (9) (2012), P. 1-7.

4.Misyura S.Y., Nakoryakov V.E., Elistratov S.L., The behavior of water droplets on the heated surface, Int. J. of Heat and Mass Transfer, 55, (2012), Р. 6609-6617.

5.Misyura S.Y., Nakoryakov V.E., Elistratov S.L., Nonisothermal desorption of droplets of complex composition, Thermal Science, V. 16, № 4, 2012, Р. 997-1004.

6.Мисюра С.Я., Накоряков В.Е., Елистратов С.Л., Влияние концентрации растворов солей на процесс десорбции капли, Известия Вузов. Серия: Проблемы энергетики, 1-2, 2013, С. 14-17.

7.Мисюра С.Я., Накоряков В.Е., Елистратов С.Л., Особенности испарения капель воды на нагреваемой поверхности. Доклады Академии Наук, 2013, том 448, № 3, С. 293-296.

8.Nakoryakov V.E., Misyura S.Y., The effect of nonisothermal condition on dissociation of methane hydrate at negative temperatures, Modern Science, Coll. of Research Paper, №3(5), 2013.

9.Misyura S.Y., Nakoryakov V.E., Elistratov S.L., Boiling crisis in droplets of ethanol water solution on the heating surface, Journal of Engineering Thermophysics, Vol. 22, № 1, 2013, P. 1-7.

10.Misyura S.Y., Nakoryakov V.E., Elistratov S.L., Combustion of methane hydrates, Journal of Engineering Thermophysics, Vol. 22, № 2, 2013, P. 87-92.

11.Misyura S.Y., Nakoryakov V.E., Elistratov S.L., Methane combustion in hydrate systems: water-hydrate and water-hydrate-isopropanol, Journal of Engineering Thermophysics, Vol. 22, № 3, 2013, P. 169-173.

12.Misyura S.Y., Effect of heat transfer on the kinetics of methane hydrate dissociation, Chemical Physics Letters, V. 583, 2013, P. 34-37.

13.Misyura S.Y., Nakoryakov V.E., The features of self-preservation for hydrate systems with methane, Chemical Engineering Science, V. 104, 2013. P. 1-9.

14.Misyura S.Y., Nakoryakov V.E., Nonstationary combustion of methane with gas hydrate dissociation, Energy and Fuels, 2013, P. 1-9.

Доклады в материалах конференций:

1.Мисюра С.Я., Накоряков В.Е., Об особенностях испарения капель воды и водно-спиртовых смесей на поверхности нагрева // Матер. 4-я Всероссийская конференция с участием зарубежных учёных «Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения», Бийск, 5-10 июля, 2011.

2.Мисюра С.Я., Накоряков В.Е., Десорбция водных растворов солей // Матер. III Всероссийской конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий», Томск, 4-6 октября, 2012, - С. 54.

3.Мисюра С.Я., Накоряков В.Е., Елистратов С.Л., Диффузионное горение метана // Матер. IV Всероссийской конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» Томск, 10-12 октября, 2013.

4.Мисюра С.Я., Накоряков В.Е., Елистратов С.Л., Влияние характерных скоростей на кинетику диссоциации природного и искусственного гидрата метана, двойных гидратов с добавками спирта и соли // Матер. ХХV Конференция «Современная химическая физика», Туапсе, 20 сентября-01 октября, 2013.

Размещено на Allbest.ru