Тепломасообмін і гідродинаміка парогазорідинних потоків в каналах з сітчастим покриттям

Експериментальне дослідження процесу тепло- і масообміну при адіабатному закипанні рідини в апараті насадкою дозволило визначити вплив режимних параметрів (величини перегріву, масової швидкості) і геометричних характеристик каналів насадки, а також розташування її в робочій камері на інтенсивність процесу.

Наявність насадки приводила до збільшення теплового напруження в робочій камері в 1,2…1,44 разу в порівнянні з апаратом без насадки. Зміна величини перегріву t_р з 5 ⁰С до 23 ⁰С приводить до збільшення інтенсивності тепловіддачі в 1,83 разу, а зростання масової витрати (w) з 0,88 до 3,608 кг/(м²с) збільшує в 2,2 рази.

Теплове напруження робочої камери q_v стабілізується при довжині насадки L_н = 610^-2 м і при подальшому її збільшенні залишається практично постійним у досліджуваному діапазоні масових швидкостей (w) і перегрівах рідини t_р. З іншого боку, зміна довжини насадки з L_н = 210^-2 м до 1410^-2 м приводить до значного зниження інтенсивності тепловіддачі.

Змінюючи положення насадки в робочій камері вдається використовувати особливості процесів тепло- і масообміну на початковій ділянці і отримати максимальне значення теплового напруження в об'ємі робочої камери q_v.

Узагальнення експериментальних даних, представленних на рис. 18 дозволило отримати емпіричну залежність для визначення теплообміну на поверхні каналів з сітчастим покриттям насадки контактного апарату при адіабатному закипанні перегрітої рідини в широкому діапазоні зміни режимних параметрів і геометричних характеристик з похибкою 7%:

.(87)

У якості характерного лінійного розміру приймається величина

,(88)

а швидкість відведення пари від дзеркала випаровування визначається з рівняння теплового балансу на насадці:

.(89)

У сьомому розділі представлені результати промислового використання контактних апаратів з сітчатим покриттям стінок каналів насадок.

1. Система підготовки паливного газу ГТУ ГПА. Разом із створенням нових потужних і економічних ГТУ актуальним є завдання підвищення економічності і надійності існуючого парку газоперекачуючих агрегатів. При вирішенні цієї задачі перспективними є шляхи підвищення ефективності використання паливного газу ГТУ, а також вторинних енергоресурсів, що утворюються при експлуатації агрегатів на компресорних станціях магістральних газопроводів.

Наявність в паливному газі газового конденсату і води в краплинному вигляді приводить до підвищення нерівномірності температурного поля в камері згорання, утворенню нагару на пальникових пристроях, ерозійному зносу лопаткового апарату і прискоренню корозійних процесів.

Виходячи з вищесказаного, для надійної роботи ГТУ ГПА необхідно запобігти потраплянню в камеру згорання рідких вуглеводнів і води в краплинному вигляді.

Для реалізації поставленого завдання була розроблена система підготовки паливного газу. Вона призначена для отримання гомогенного палива шляхом випаровування газового конденсату та води у вигляді крапель, що знаходяться у природному газі, з послідуючою сепарацією важких вуглеводневих фракцій та механічних домішок. Ця система підготовки паливного газу може бути застосована для газоперекачуючих агрегатів магістральних газопроводів з газотурбінним приводом типу ГТ-750-6, ГТК-10, ГТН-25 та ін., які широко використовуються на компресорних станціях.

2. Для газоперекачуючих агрегатів, встановленних на сховищах підземного зберігання газу, умови експлуатації яких відрізняються підвищенним вмістом механічних часток був розроблений фільтр-сепаратор. Він має фільтр тонкого очищення та масообмінну частину. Таким чином, в цьому апараті булі поєднані принципи механічного очищення та масообмінні з метою отримання паливного газу необхідної якості.

Дослідно-промислове випробування системи підготовки паливного газу на ГПА ГТ-750-6 і ГТК-10 показало ефективність використання контакних тепло- і масообмінних апаратів

3. Іншим напрямом використання контактних апаратів з сітчастим покриттям каналів регулярних насадок з'явилося розробка тепломасообмінного устаткування для фракціювання газового конденсату методом одноразового випаровування при адіабатному закипанні. З цією метою були розроблені дослідно-промислові установки, одна з яких могла експлуатуватися в автономному режимі, а в іншій - для технологічних цілей використовувалася теплота відпрацьованих газів ГТУ.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі наведено теоретичне узагальненя та нове рішення науково-технічної проблеми, що полягає в розробці наукових положень, пов'язаних з пасивною інтенсифікацією процесів тепло- і масообміну в двофазних парогазорідинних потоках. При цьому досягнута кінцева мета роботи-проведено наукове-технічне обгрунтування вибору методів інтенсифікації процесів тепло- і масовіддадачі з врахуванням гідродинаміки контактуючих фаз на основі сучасних досягнень теорії тепло- і масообміну, а також механіки рідини і газу.

На основі виконаного фізичного і аналітичного моделювання гідродинаміки та тепло- і масообміну в газорідинних системах вперше одержані наступні наукові результати:

1. Встановлено вплив фізико-хімічних та капілярних властивостей рідини і поверхні з сітчастим покриттям на гідродинаміку плівкової течії. Для ламінарного режиму течії плівки було виявлено чотири області. Область І відповідє руху плівки при затопленому сітчастому покритті. Область ІІ характеризується автомодельністю товщини плівки по відношенню до щільності зрошування. Подальше зменшення щільності зрошування приводить до стрибкоподібної зміни товщини плівки, що дозволяє виділити цей ефект в область ІІІ. В області IV спостерігається квазістабільний режим течії. Нижня границя області IV визначається початком процесу розриву плівки. Отримані залежності, які дозволяють визначити товщину плівки рідини у досліджуваному діапазоні зміни конструктивних характеристик сітчастого покриття і режимних параметрів, а також мінімальну щільність зрошування в момент розриву плівки.

2. Аналітичне дослідження процесу розриву плівки при її течії на поверхні з сітчастим покриттям дозволило отримати рішення системи диференціальних рівнянь з початковими умовами у вигляді системи параметричних рівнянь. Чисельним методом була розрахована мінімальна товщина плівки залежно від геометричних характеристик сітки, величина якої показує адекватність моделі розриву плівки у співставленні з експериментальними результатами.

3. Експериментально встановлений вплив динаміки газового потоку, геометричних розмірів і поверхневих властивостей сітчастого матеріалу на мінімальну щільність зрошування і товщину плівки рідини. В результаті узагальнення експериментальних даних була отримана залежність мінімальної щільності зрошування від швидкості газового потоку Re і геометричних характеристик сітки Bo. Встановлено, що в діапазоні щільності зрошування, коли товщина плівки відносно стабільна, залежить від капілярних властивостей сітчастого покриття і не виходить за його межі, втрата стійкості руху рідини відбувається при швидкостях газового потоку 8…12 м/с, що в 2…3,5 рази вище ніж в традиційних конструкціях контактних апаратів.

4. Експериментальне дослідження процесів тепло- і масообміну при випарному охолодженні рідини і охолодженні газу дозволило встановити нелінійний характер зміни коефіцієнтів тепловіддачі і масовіддачі _р по довжині досліджуваного каналу і дослідити вплив параметрів контактуючих фаз.

На підставі отриманих результатів були визначені довжини початкових теплових ділянок залежно від режимних параметрів контактуючих фаз і геометричних характеристик каналу. При випарному охолодженні плівки рідини і вимушеної конвекції газового потоку встановлено, що зміна температури рідини на вході в канал в діапазоні = 40...80 ⁰С приводить до збільшення коефіцієнтів тепловіддачі і масовіддачі _р в 2,2...2,5 рази, а зміна щільності зрошування в діапазоні Г = 0,0235...0,0871 кг/(мс) інтенсифікує процеси тепло- і масообміну приблизно в 2 рази.

Найбільший вплив на випарне охолодження рідини має швидкість газового потоку, причому, в перехідній області тепловіддача більш інтенсивна, ніж при ламінарному режимі.

У результаті узагальнення експериментальних даних дослідження процесу випарного охолодження плівки рідини при вимушеній конвекції повітря були отримані емпіричні залежності для початкової теплової ділянки при ламінарному режимі течії і в перехідній області локальної і середньої тепловіддачі і масовіддачі, а також для ділянки стабілізованого теплообміну.

5. Визначено вплив на інтенсивність тепловіддачі і масовіддачі при охолодженні повітря ізотермічною плівкою його параметрів, при цьому зростання швидкості повітря в діапазоні w = 1,2…6,72 м/с приводило до збільшення коефіцієнтів тепловіддачі і масовіддачі _р приблизно в 2,4 рази, а зміна вхідної температури від 50 ⁰С до 150 ⁰С збільшувала коефіцієнти тепловіддачі і масовіддачі _р приблизно в 1,5 рази. Щільність зрошування в досліджуваному діапазоні і постійній температурі плівки в каналі не впливає на процеси тепло- і масообміну.

У результаті узагальнення експериментальних даних дослідження процесу охолодження газового потоку ізотермічною плівкою рідини у всьому діапазоні зміни параметрів були отримані емпіричні залежності для початкової теплової ділянки локальної і середньої тепловіддачі і масовіддачі, а також на ділянці стабілізованого теплообміну.

6. Дослідження процесу випарного охолодження рідини при природньої конвекції газу дозволило визначити вплив режимних параметрів контактуючих середовищ і геометричних характеристик каналу на інтенсивність міжфазної взаємодії. Збільшення початкової надлишкової температури від 20 ⁰С до 60 ⁰С приводило до збільшення коефіцієнтів тепловіддачі і масовіддачі _р приблизно в 2,4 рази, а зміна щільності зрошування в діапазоні Г = 0,332 10 ^-2 ... 2,349 10^-2 кг/(мс) - до підвищення інтенсивності процесу в 2,7 рази.

Збільшення еквівалентного діаметру каналу d_е у досліджуваному діапазоні змін надлишкової температури і щільності зрошування Г приводить до зростання тепловіддачі і масовіддачі _р в 1,35…1,6 рази.

Узагальнення експериментальних даних дослідження процесу випарного охолодження гравітаційної плівки у вертикальних каналах в умовах природньої конвекції газу дозволили отримати емпіричні залежності на початковій тепловій ділянці для локальної і середньої тепловіддачі і масовіддачи. Для розрахунку процесів тепло- і масообміну на ділянці стабілізованого теплообміну допускається користуватися отриманими залежностями, але при цьому за визначальний розмір необхідно приймати довжину початкової теплової ділянки.

7. З'ясовано експериментально, при наявності початкового перегріву робочої рідини, що приводить до адіабатного закипання її в контактному апараті, вплив конструктивних характеристик апарату і величини перегріву на процеси тепло- і масообміну. Наявність насадки призводила до збільшення теплового напруження в робочій камері q_v в 1,2…1,44 рази в порівнянні з апаратом без насадки. Зміна величини перегріву t_р з 5 ⁰С до 23 ⁰С приводить до збільшення інтенсивності тепловіддачі в 1,83 рази, а збільшення масової витрати (w) з 0,88 до 3,608 кг/(м²с) збільшує в 2,2 рази. Теплове напруження робочої камери q_v стабілізується при довжині каналів насадки L_н = 610^-2 м і при подальшому їх збільшенні залишається практично постійним у всьому досліджуваному діапазоні масових швидкостей (w) і перегрівах рідини t_р. З іншого боку, зміна довжини каналів насадки з L_н = 210^-2 м до 1410^-2 м приводить до зниження інтенсивності тепловіддачі в 3,4 рази.

8. На підставі одержаних результатів експериментального і аналітичного дослідження процесів гідродинаміки, тепло- і масообміну в контактних апаратах з сітчастим покриттям каналів розроблені методики розрахунку з врахуванням особливостей процесів в двофазних кільцевих системах за допомогою яких розроблено устаткування, яке впроваджене:

- в систему підготовки паливного газу ГПА з газотурбінним приводом типу ГТ-750-6, ГТК-5, ГТК-10, що дозволило забезпечити необхідну якість паливного газу, згідно ТУ заводів-виробників на наявність рідкої фази;

- в систему підготовки паливного газу ГПА фільтру-сепаратора для забезпечення ТУ заводів-виготівників на наявність рідкої фази і механічних домішок;

- розроблена малогабаритна установка для отримання легких фракцій газового конденсату з використанням теплоти продуктів згорання ГТУ ГПА;

- розроблена малогабаритна автономна установка для отримання легких фракцій газового конденсату.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ по ТЕМі ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дикий Н.А. Исследование процессов тепло и массообмена в парогенераторах с пористыми насадками геотермальных электростанций / Н.А.Дикий, В.Е.Туз, В.Д.Белодед, А.В.Шурчков // Прмышленная теплотехника. - 1987. - т.9, №6. - С.40-44.

У публікації автору належить:

- аналіз результатів та основні висновки експериментальних досліджень процесів тепло- і масопереносу в парогенераторах геотермальних електростанцій з використанням пористих насадок

2. Колоскова Н.Ю. Тепломассоперенос при адиабатном испарении жидкости в насадочном аппарате/ Н.Ю.Колоскова, Н.А.Дикий, В.Е.Туз, И.В.Солдаткин// Сб. научных трудов Рижского политехн. ин-та: “Кипение и конденсация”. - Рига. - 1987 - С. 72 -78.

- аналіз результатів експериментальних досліджень процесу тепломасопереносу при адіабатному випаровуванні рідини у насадковому апараті.

3. Дикий Н.А. Исследование процесса испарения жидкости в тепломассо-обменном аппарате с сетчатой насадкой / Н.Ю.Колоскова, В.Е.Туз, И.Н. Кузьменко// Екотехнологии и ресурсосбережение. - 1997. - №2. - С.61- 64.

- аналіз результатів експериментальних досліджень процессу випаровування рідини в тепломасообмінному апараті з сітчастою насадкою.

4. Туз В.Е. Исследование гидродинамических характеристик контактных аппаратов с пористыми насадками/ В.Е.Туз, Н.Ю.Колоскова, Ель-Таллаа// Промышленная теплотехника. - 1997. - т.19, №2-3. - С.57 - 59.

- аналіз результатів експериментальних досліджень гідродинамічних характеристик контактних апаратів з пористими насадками

5. Дикий Н.А. Термодинамика и расчет неизотермического испарителя/ Н.А.Дикий, И.Н.Кузьменко, Н.Ю.Колоскова, В.Е.Туз// Промышленная теплотехника. - 1997. - Т. 19. - № 4-5. - С. 85-87.

- розробка методики розрахунку неізотермічного випаровувача.

6. Ель-Таллаа. Нагрев плёнки жидкости, стекающей по внутренней поверхности вертикальной трубы при конденсации на ней чистого пара/ Н.А.Дикий, Я.Е.Трокоз, Н.Н.Голияд, В.Е.Туз // Екотехнологии и ресурсосбережение. - 1997. - №4. - С.43- 47.

- обробка і аналіз результатів експериментальних досліджень процесу нагріву плівки рідини, яка стікає по внутрішній поверхні вертикальної труби при конденсації на ній чистої пари

7. Ель-Таллаа Нагрівання плівки охолоджувача, що зрошує внутрішню поверхню вертикальної труби, під час конденсації на ній чистої пари/ Ель-Таллаа, М.О.Дикий, М.Н.Голіяд, Я.Є.Трокоз, В.О.Туз, // сб. Наукові вісті НТУУ”КПІ”, серія “Теплоенергетика”, - К.: НТУУ”КПІ”. - 1997.- С. 28 -31.

- аналіз результатів експериментальних досліджень процесу нагрівання плівки охолоджувача, що зрошує внутрішню поверхню вертикальної труби, під час конденсації на ній чистої пари.

8. Дикий Н.А. Моделирование тепломассообмена при испарении пленки жидкости в одиночном канале/ Н.А.Дикий, В.Е.Туз, Я.Е.Трокоз, И.Н.Кузьменко // Промышленная теплотехника. - 2000.- т.22. №3. - С.17-18.

- аналіз математичної моделі тепломасообміну при випаровуванні плівки рідини в каналі.

9. Туз В.Е. Математическая модель тепломассопереноса при испарении с сетчатой насадки/ В.Е.Туз, И.Н.Кузьменко, Н.А.Дикий, Я.Е.Трокоз// Екотехнологии и ресурсосбережение. - 2001. - №1. - С. 75 - 77.

- аналіз математичної моделі тепломасопереносу при випаровуванні з сітчастої насадки

10. Дикий М.О. Тепломасообмін за адіабатного зволоження повітря в сітчастому каналі/ М.О.Дикий, В.О.Туз, І.М.Кузьменко // Енергетика: економіка, технології, екологія. - 2004. - № 1. - С. 32-37.

- аналіз результатів та основні висновки експериментальних досліджень процесу тепломасообміну за адіабатного зволоження повітря в сітчастому каналі

11. Туз В.Е. Теплообмен и устойчивость плёночного течения теплоносителя в каналах с сетчатым покрытием/ В.Е.Туз, Н.Л.Лебедь// НТЖ. - Технологические системы. Серия: «Научные разработки и результаты исследований». - 2002. - вып.1, №2(13). - С. 155 - 158.

- аналіз результатів та висновки експериментальних досліджень процесу випаровування плівки рідини в каналах із сітчастим покриттям стінок.

12. Письменный Е.Н. Влияние конструктивных характеристик щели на теплообмен при гравитационном стекании плёнки/ Е.Н.Письменный, Н.А.Дикий, В.Е.Туз, Н.Л.Лебедь // Промышленная теплотехника. - 2004. - Т. 26, №6. - С.58 - 62.

- аналіз результатів та основні висновки експериментальних досліджень з визначення впливу конструктивних характеристик щілинного каналу з сітчастим покриттям стінок на процес випаровування гравітаційно стікаючої плівки рідини.

13. М.О.Дикий. Гідродинаміка плівки на сітчастій структурі/ М.О.Дикий, В.О.Туз, І.М.Кузьменко, Н.Л.Лебедь // Промышленная теплотехника. - 2005. - Т. 27, № 4. - С. 23-26.

- аналіз результатів експериментального дослідження процесу течії плівки рідини на сітчастій поверхні в залежності від геометричних характеристик сітки.

14. Diky N.A.. Heat and Mass Transfer and Hydrodynamics of Liquid Evaporation in Contact Apparatus with a Porous Packing/ N.A.Diky, N.Yu.Koloskova, V.E.Tuz, V.V.Dubrovskaya// I.J.Experimental Thermal and Fluid Science. - 1996. - Vol.13, №2. - pp. 85 -91.

- проведення, обробка і аналіз результатів експериментальних досліджень гідродинаміки при випаровуванні рідини у контактних апаратах з пористою насадкою

15. Туз В.Е. Тепло- и массообмен в каналах с сеточным покрытием плёнки жидкости при противоточном движении газа/ В.Е.Туз, Е.Н.Письменный, Н.Л.Лебедь// Восточно-европейский журнал передовых технологий. -- 2009. -- № 4/б(40). -- С. 63-68

- обробка і аналіз результатів експериментальних досліджень процесу тепло- і масообміну при випаровуванні рідини в апаратах контактного типу при протитоковому русі теплоносіїв.

16. Безродный М.К. Экспериментальное исследование устойчивости течения гравитационной плёнки жидкости в тепломассообменных аппаратах систем комбинированного теплоснабжения на базе тепловых насосов/ Безродный М.К., Морозов Ю.П., Туз В.Е., Лебедь Н.Л. // Відновлювальна енергетика -- 2009. -- № 4/(19). -- С. 17-20

- обробка і аналіз результатів експериментальних досліджень стійкості течії гравітаційної плівки рідини в апаратах контактного типу з пористими насадками.

17. Туз В.О. Динаміка взаємодії плівки рідини та газового потоку у вертикальних каналах тепломасообмінного обладнання ГТУ компресорних станцій/ Туз В.О., Білодід В.Д., Лебедь Н.Л. // Проблеми загальної енергетики. Наук.зб. -- 2009. -- С. 46-49

- аналіз результатів експериментальних досліджень динаміки взаємодії плівки рідини та газового потоку у вертикальних каналах тепломасообмінного обладнання ГТУ КС.

18. Письменний Є.М. Використання тепломасообмінних апаратів з сітковим покриттям стінок в системі підготовки паливного газу ГТУ ГПА/ Письменний Є.М., Туз В.О., Лебедь Н.Л.// Нафтова та газова промисловість -- 2009. -- № 5(247). -- С. 39-40

- розробка запропонованої конструкції контактного апарату з сітковим покриттям стінок каналів насадок та експериментальне підтвердження ефективності роботи пристрою.

19. Безродний М.К. Дослідження стійкості течії гравітаційної плівки рідини у тепломасообмінних апаратах системи підготовки паливного газу ГТУ/ Безродний М.К., Туз В.О., Лебедь Н.Л.// Нафтова та газова промисловість -- 2009. -- № 4(246). -- С. 44-46.

- проведення, обробка і аналіз результатів експериментальних досліджень стійкості течії гравітаційно стікаючої плівки рідини при протитоковому русі газу в каналах з сітчастим покриттям стінок.

20. Безродный М.К. Аналитическая модель разрыва плёнки жидкости при гравитационном течении по вертикальным поверхностям с сеточным покрытием/ Безродный М.К., Письменный Е.Н., Туз В.Е., Лебедь Н.Л.// Промышленная теплотехника -- 2009. -- т.31, № 6 -- С. 21-27

- розробка аналітичної моделі розриву плівки рідини при гравітаційній течії по вертикальним поверхням з сітчастим покриттям.

21. Безродный М.К. Экспериментальное исследование гидродинамики плёночного течения в каналах с сеточным покрытием/ Безродный М.К., Письменный Е.Н., Туз В.Е., Лебедь Н.Л. // Промышленная теплотехника -- 2009. -- т.31, № 7 -- С. 139-143

- проведення, обробка і аналіз результатів експериментальних досліджень гідродинаміки плівкової течії в каналах з сітчастим покриттям.

22. А.с. №1562022. Насадка для массообменных колон/ Н.А.Дикий, Н.Ю.Колоскова, В.Е.Туз, В.В.Дубровськая, В.А.Сазонов, А.Е.Варецкий (СССР). - №1562022; заявл. 18.12.88; опубл. 20.10.90, Бюл. №17.

- розробка запропанованої конструкції та експериментальне підтвердження ефективності роботи пристрою.

23. А.с. №1729557. Парожидкостный сепаратор/ Дикий Н.А., Колоскова Н.Ю., Туз ВЕ. Орлянский В.В., Дубровская В.В., Шкляр В.И. (СССР). - №172955; заявл. 09.08.90; опубл. 13.09.92, Бюл. №16.

- розробка запропанованої конструкції та експериментальне підтвердження ефективності роботи пристрою.

24. Goliyad N. The Condensation of Pure Vapor on Coolant Film Flowing Down the Adiabatic Inner Surfase of the Vertical Tube/ N.Goliyad, Ya.Trocoz, L.Ostrovsky, V.Tuz// International and Exhibit “Heat Exchangers for sustainable development”. - Lisbon, Portugal. - 1998. - pp. 545-549.

- аналіз результатів та висновки експериментальних досліджень процесу тепломасообміну при конденсації чистої пари на плівці, що стікає по внутрішній поверхні вертикальної труби з адіабатними стінками.

25. Дикий Н.А. Тепломассоперенос при испарении жидкости в каналах с пористыми стенками/Н.А.Дикий, В.Е.Туз, Я.Е.Трокоз, И.Н.Кузьменко // сб. трудов ІІІ Минского международного форума. - Минск. - 2000. - Т.5. - С. 340 - 343.

- обробка і аналіз результатів експериментальних досліджень процесу тепломасопереносу при випаровуванні рідини в каналах з пористими стінками.

26. Письменный Е Н Теплообмен в щелевом канале с сетчатыми стенками при охлаждении гравитационно стекающей пленки жидкости в случае естественной конвекции воздуха /Е.Н.Письменный, В.Е.Туз, Н.Л.Лебедь// сб.трудов ІІІ РНКТО. - М.: Изд-во МЭИ. - 2002. - Т.4. - С. 324 - 326.

- аналіз результатів експериментальних досліджень процесу випаровуванні плівки рідини в каналах із сітчастим покриттям стінок у випадку природньої конвекції.

27. Дикий Н.А. Устойчивость плёночного течения в канале с сетчатыми стенками/ Н.А.Дикий, В.Е.Туз, И.Н.Кузьменко, Я.Е.Трокоз// сб.трудов ІІІ РНКТО. - М.: Изд-во МЭИ. - 2002. - Т.5. - С. 203 - 204.

- аналіз та основні висновки результатів експериментальних досліджень стійкості плівкової течії теплоносія в каналі з сітчастими стінками.

28. Письменный Е Н Тепломассообмен в насадке перекрёстноточного контактного аппарата /Е.Н.Письменный, В.Е.Туз, Н.Л. Лебедь// сб.трудов ІV РНКТО. - М.: Изд-во МЭИ. - 2006. - Т.5. - С. 157 - 160.

- аналіз результатів експериментальних досліджень з визначення впливу конструктивних характеристик щілинного каналу з сітчастим покриттям стінок на процес випаровування гравітаційно стікаючої плівки рідини при перехресній течії теплоносіїв.

29. Дикий Н.А. Экспериментальное исследование тепло- и массообмена при испарении плёнки жидкости в аппаратах контактного типа с пористими насадками/ Н.А.Дикий, Н.Ю.Колоскова, В.Е.Туз// сб. трудов ІІ Минського международного форума. - Минск. - 1992. - С. 129 - 132.

- проведення, обробка і аналіз результатів експериментальних досліджень процесу тепло- і масообміну при випаровуванні рідини в апаратах контактного типу з пористими насадками.

30. Туз ВЕ. Модернизованная система приготовления топливного газа для компрессорных станций/ В.Е.Туз, Я.Е.Трокоз, И.Н.Кузьменко // сб. трудов Международной н.-пр. конф. “Региональные проблемы энергосбережения в производстве и потреблении энергии”. - К. - 1999. - С. 199.

- розробка основних положень модернізованої системи приготування паливного газу для КС

Перелік умовних позначень

число Нуссельта;

дифузійне число Нуссельта;

число Грасгофа;

плівкове число Рейнольдса;

число Рейнольдса для газу;

число Прандтля;

дифузійне число Прандтля;

число Кутателадзе, критерий фазового переходу; - число Бонда;

- критерій стійкості;

- плівкове число Фруда.

АНОТАЦІЇ

Туз В.О. Тепломасообмін і гідродинаміка парогазорідинних потоків в каналах з сітчастим покриттям. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. - Інститут технічної теплофізики НАН України.

Метою роботи є на підставі комплексних теоретичних і експериментальних досліджень процесів тепломасообміну і гідродинаміки в кільцевих парогазорідинних потоках при протитечійному русі і фазових переходах науково обгрунтувати і розробити методики розрахунку процесів в контактних апаратах з сітчастим покриттям стінок каналів.

Досліджена гідродинаміка гравітаційної плівкової течії у вертикальних каналах з сітчастим покриттям стінок. Виявлений нелінійний характер зміни товщини плівки при ламінарному режимі течії рідини, обумовлений капілярними ефектами в вічках сітки. Визначені границі гідродинамічних кризових явищ, пов'язаних з перевертанням циркуляції плівки під дією газового потоку в каналах з сітчастим покриттям, що дозволило значно розширити верхній діапазон роботи контактних апаратів.

Аналітично вирішена система рівнянь, за допомогою якої описується процес розриву плівки при течії у вертикальних каналах з сітчастим покриттям і експериментально встановлена нижня границя робочого діапазону. Комплексно досліджувались процеси тепло- і масообміну пов'язані з фазовими переходами при випарному охолодженні неізотермічної плівки у разі вимушеного руху і природньої конвекції газу, при охолодженні газу ізотермічною плівкою і адіабатному закипанні перегрітої рідини в каналах насадки контактного апарату.

Визначений вплив режимних параметрів контактуючих фаз і геометричних характеристик елементів апарату, отримані емпіричні залежності для розрахунку інтенсивності теплообміну і масообміну на початкових ділянках і ділянках стабілізованого теплообміну залежно від режиму течії газу.

Ключові слова: гідродинаміка, тепломасообмін, двофазні системи, плівкові апарати, пасивні інтенсифікатори.

Туз В.Е. Тепломассообмен и гидродинамика парогазожидкостных потоков в каналах с сетчастым покрытием. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.14.06 - Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Институт технической теплофизики НАН Украины.

Развитие пограничных слоёв в плёнке и газе приводит к необходимости выделения начального теплового участка и участка стабилизированного тепло- и массообмена. Данный аспект не учитывается в инженерных методиках расчёта контактных аппаратов.

Целью настоящей работы является исследование интенсификации процессов тепло- и массообмена кольцевых парогазожидкостных потоков, которые служат основой ряда технологических процессов в энергетике, химической, нефтяной, газовой и пищевой промышленностях. Одним из перспективных методов пассивной интенсификации процессов, происходящих в контактных аппаратах, является использование гладких поверхностей с сеточным покрытием. Исследование плёночного течения на таких поверхностях при противоточном взаимодействии с газовым потоком позволило значительно расширить диапазон работы аппаратов, ограниченный гидродинамическими кризисами, связанными с началом опрокидывания течения плёнки и её разрывом, сопровождающимся образованием сухих пятен.

В диапазоне плотностей орошения, когда толщина плёнки не выходит за пределы сетчастой структуры и зависит от её капиллярных свойств, потеря устойчивости движения жидкости происходила при значительно больших скоростях газового потока, по сравнению с каналами, имеющими гладкие стенки. Это позволяет расширить диапазон нагрузки противоточных контактных аппаратов и довести скорость газового потока до 8…12 м/с, что в 2…3,5 раза выше по сравнению с традиционными конструкциями. На основании экспериментальных данных с использованием теории устойчивости получено выражение для предельной скорости газа при противотоке, которая зависит от основных параметров плёночного течения и газовой фазы, а также от геометрических характеристик сетчастого покрытия.

В результате исследования физической модели процесса разрыва плёнки получена система параметрических уравнений, позволяющая численными методами определить толщину плёнки в момент разрыва. Полученные результаты удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.

Для учёта влияния состояния поверхности и материала сетчастого покрытия были проведены исследования краевого угла смачивания, которые позволили учесть особенности физико-химической и микрогеометрической поверхности образцов.

Разрыв плёночного течения с образованием сухих пятен в значительной степени зависит от касательного напряжения на границе контакта фаз, определяемого динамикой взаимодействия плёнки и газового потока. Установлено влияние динамики газового потока, геометрических размеров и поверхностных свойств сетчастого материала на минимальную плотность орошения и толщину плёнки жидкости. На основании данных исследования получены эмпирические зависимости.

Сложный характер изменения интенсивности процессов тепло- и массообмена при испарительном охлаждении жидкости и вынужденном движении газа в условиях неизотермичности плёнки приводит к необходимости разделения длины канала на начальный тепловой участок и участок стабилизированного теплообмена. Это характерно для ламинарного режима движения газа и для переходной области. Определено влияние режимных параметров контактирующих сред на интенсивность процесса и получены эмпирические зависимости.

В процессе охлаждения газа при контакте с изотермичной плёнкой также установлена нелинейность интенсивности процессов тепло- и массообмена, позволившая выделить начальный тепловой участок и участок стабилизированного теплообмена с учётом режима течения газа, получить соответствующие эмпирические зависимости.

Использование результатов экспериментального исследования процессов испарительного охлаждения жидкости и газа при неизотермичной и изотермичной плёнке в каналах с сеточным покрытием и уравнений конвективного тепло- и массообмена при соответствующих граничных условиях с учётом неравномерности интенсивности процессов по длине канала позволяет решить систему дифференциальных уравнений, которые описывают физическую модель процесса.

В периоды пуска и останова оборудования характер протекания процессов тепло- и массообмена меняется. Исследование процесса испарительного охлаждения жидкости при естественной конвекции газа позволило определить влияние режимных параметров контактирующих сред и геометрических характеристик канала на интенсивность межфазного взаимодействия, выделить начальный тепловой участок, получить соответствующие эмпирические зависимости.

Наличие начального перегрева рабочей жидкости, которое может реализовываться в ряде технологических процессах, приводит к адиабатному вскипанию её в контактном аппарате. При исследовании методов пассивной интенсификации определено влияние конструктивных характеристик аппарата и величины перегрева на процессы тепло- и массообмена. Установлено, что использование сетчастого покрытия способствует значительной интенсификации процесса и позволяет сократить массогабаритные показатели оборудования.

Результаты данной диссертационной работы использованы при конструировании оборудования, которое внедрено на ряде КС УМГ «Киевтрансгаз» ДП «Укртрансгаз»:

- в систему подготовки топливного газа ГПА с газотурбинным приводом типа ГТ-750-6, ГТК-10, что позволило обеспечить качество топливного газа в соответствии с ТУ заводов-изготовителей на наличие жидкой фазы;

- малогабаритная автономная и установка, использующая теплоту продуктов сгорания ГТУ ГПА, для получения лёгких фракций газового конденсата.

Ключевые слова: гидродинамика, тепломассообмен, двуфазные системы, плёночные аппараты, пассивные интенсификаторы.

Tuz V.: Heat transfer and hydrodynamics of steam-gas-liquid flows in channels with a mesh cover. Thesis, National Technical University of Ukraine "KPI", Kyiv, Ukraine, 2010.

A thesis submitted to the Department of Technical thermophysics and industrial heat-power engineering in conformity (05.14.06) with the requirements for the degree Doctor of Technical Sciences.

The purpose of this work is to scientifically ground and develop the methods of the calculation of processes in contact apparatus with net coverage of walls of channels on the basis of complex theoretical and experimental researches of the processes of hydrodynamics and heat-mass exchange in the ring two-phase systems at the counterflow and phase transitions.

Hydrodynamics of gravity film flow in the vertical channels with net coverage of walls was researched in the work. Nonlinear character of the film thickness changes at the mode of laminar flow liquid that is caused by capillary effects in the checker opening of net found out. There also were defined the limits of the hydrodynamic crisis phenomena, related to the kicking of film circulation affected by the influence of gas flow in channels with net coverage, that considerably allowed to extend the overhead range of work of contact apparatus.

The system of equalizations by which the process of breaking of the film is described at a flow in the vertical channels with net coverage is analytically decided, and the lower limit of working range is experimentally determined. The processes of heat and mass exchange related to the phase transitions at the evaporation cooling of the non-isothermal film at the case of the forced motion and the natural convection of gas, in the cooling gas by the isothermal film and adiabatic boiling up of the overheated liquid in the channels of the nozzle of contact apparatus were complex analyzed.

The influence of the regime parameters of contacting phases and geometrical characteristics of the apparatus' elements were determined in this work and empiric dependences for the calculation of intensity of heat and mass exchange in the initial areas and areas of stabilized heat exchange depending on the mode of flow of gas were also received.

Keywords: hydrodynamics, heat-mass exchange, two-phase systems, film apparatus, passive intensifiers.

Размещено на Allbest.ru

...