WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Макарова Софья Николаевна

ТЕПЛОМАССООБМЕН ПРИ АДИАБАТИЧЕСКОМ ИСПАРЕНИИ ЖИДКОСТИ В ПАРОВОЗДУШНЫЙ ПОТОК

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН

Научный консультант: доктор технических наук, академик РАН Волчков Эдуард Петрович

Официальные оппоненты:

Павленко Александр Николаевич, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, ФГБУН Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН, заведующий лабораторией Фёдоров Александр Владимирович, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБУН Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН, заведующий лабораторией

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный энергетический университет»

Защита состоится 27 июня 2012 г. в 9 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 003.053.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в ФГБУН Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, пр. Ак. Лаврентьева, 1 (факс (383) 330-84-80).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУН Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН Автореферат разослан «11» мая 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук В.В. Кузнецов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность темы. Процессы испарения жидкости представляют большой практический интерес, поскольку широко распространены в теплоэнергетике и химических технологиях. Знание закономерностей тепломассообмена при испарении необходимо для правильной организации процессов генерации пара, сушки, горения жидких топлив и т.д.

Во многих случаях испарение в высокотемпературный паровоздушный поток (с температурой более 200 °С) является более эффективным, как по интенсивности процесса испарения, так и по качеству высушиваемого материала. Ещё в 1953 году было показано, что испарение в перегретый пар значительно интенсивнее, чем в сухой воздух, если температура основного потока выше некоторой критической температуры, названной температурой инверсии. В связи с чем перегретый пар стал активно использоваться в качестве сушащей среды во многих отраслях промышленности: пищевой, текстильной, деревообрабатывающей и др. Одно из новых направлений развития современной энергетики – использование биотоплива, технология производства которого включает в себя сушку паровоздушным потоком.

Хотя сушка паровоздушной смесью (перегретым паром) широко используется в промышленности, теоретическое описание процесса далеко от завершения. Практически во всех работах, как экспериментальных, так и теоретических анализируется испарение воды в смесь воздуха и водяного пара, как наиболее распространённый с практической точки зрения случай. Однако даже для воды диапазон полученных значений температуры инверсии довольно широк – от 160 до 390 °С. Работы, в которых рассматривается испарение жидкостей отличных от воды, единичны. Исследователи не пришли к единому мнению о физических причинах существования температуры инверсии.

Так же в литературе неоднозначно описано влияние параметров набегающего потока, геометрии испаряющей системы, теплофизических свойств пара и воздуха на значение температуры инверсии.

Теоретическое описание тепломассопереноса при испарении жидкости в высокотемпературный паровоздушный поток требует учёта многих факторов, а именно, наличия поперечного потока вещества, существенной неизотермичности потока, неоднородности состава, теплофизических свойств жидкости и паровоздушной смеси, газодинамики течения.

Часто анализ влияния различных факторов можно упростить, используя подобие между процессами тепло- и массообмена. При испарении воды в воздушный поток широко используется аналогия Рейнольдса, что оправдано, т.к. интенсивность поперечного потока вещества в этом случае не велика. Кроме того в этих условиях число Льюиса близко к единице. Анализ подобия при испарении других жидкостей в паровоздушный поток рассматривается в единичных работах и выполнен при сравнительно невысоких температурах внешнего потока.

Цель работы заключается в исследовании тепломассообмена в ламинарных и турбулентных пограничных слоях при адиабатическом испарении жидкости в паровоздушный поток с использованием аналитических и численных методов, а также в анализе влияния различных факторов на температуру инверсии при испарении жидкости в паровоздушную смесь и чистый перегретый пар.

Основные задачи исследования.

Разработка программы численного моделирования процессов тепломассопереноса в дозвуковом ламинарном и турбулентном пограничном слое при вдуве инородного газа (газовой смеси) через проницаемую поверхность и при адиабатическом испарении жидкости в паровоздушный поток.

Численное исследование подобия между процессами тепло- и массообмена в ламинарных и турбулентных пограничных слоях при вдуве газа и при адиабатическом испарении жидкости с плоской пластины.

Численное исследование температуры инверсии при адиабатическом испарении воды, этанола, ацетона и бензола с плоской пластины в собственные перегретые пары, в воздух и их смеси.

Разработка аналитической методики расчёта температуры инверсии с использованием полученных данных о подобии законов тепло- и массообмена. Анализ влияние режима течения, паросодержания, давления газа набегающего потока на значение температуры инверсии.

Научная новизна работы.

Впервые проведено численное исследование подобия процессов тепло- и массообмена при наличии поперечного потока вещества в широком диапазоне изменения числа Льюиса, что позволило обосновать применение модифицированной аналогии Рейнольдса для опре деления температуры поверхности при испарении жидкости в паровоздушный поток.

С использованием подобия законов тепло- и массообмена разработана новая аналитическая методика расчёта температуры инверсии при адиабатическом испарении жидкости в паровоздушный поток.

Впервые проведено численное исследование температуры инверсии при адиабатическом испарении этанола, ацетона и бензола с плоской пластины в собственные перегретые пары, в воздух и их смеси.

На основе полученных результатов аналитического и численного исследования впервые показано влияние режима течения, паросодержания и давления газа в набегающем потоке на значение температуры инверсии при испарении воды, ацетона, бензола и этанола.

Впервые получены соотношения, позволяющие определить условия максимума теплового и диффузионного потоков на стенке при наличии поперечного потока вещества.

Практическая значимость работы.

Разработанная методика расчёта может быть использована в инженерной практике для определения температуры инверсии в конкретных условиях и соответствующей организации сушки паровоздушной смесью (перегретым паром).

Результаты проведённых исследований подобия процессов тепломассообмена при испарении и вдуве представлены в виде простых соотношений пригодных для использования в инженерных расчётах элементов конструкций энергоустановок.

Предложенные соотношения для определения максимумов теплового и диффузионного потоков на стенке позволяют проводить оценки эффективности охлаждения проницаемых поверхностей.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась применением широко известных численных методов и моделей, верифицированных на задачах совместного тепломассопереноса в неизотермических условиях при наличии поперечного потока вещества. Проведена верификация результатов численных и аналитических исследований на основе известных теоретических и экспериментальных данных других авторов.





На защиту выносятся результаты.

Результаты численного исследования подобия между процессами тепло- и массообмена в ламинарных и турбулентных пограничных слоях при вдуве газа и при адиабатическом испарении жидкости с плоской пластины в широком диапазоне изменения числа Льюиса.

Результаты численного исследования температуры инверсии при адиабатическом испарении воды, этанола, ацетона и бензола с плоской пластины в собственные перегретые пары, в воздух и их смеси.

Метод аналитического расчёта температуры инверсии с использованием данных о подобии законов тепло- и массообмена при адиабатическом испарении жидкости.

Результаты численного и аналитического исследования влияния режима течения, паросодержания и давления газа в набегающем потоке на значение температуры инверсии.

Соотношения, определяющие значения максимумов теплового и диффузионного потоков на проницаемой стенке как при ламинарном, так и при турбулентном режиме течения.

Личный вклад соискателя. Диссертационная работа выполнялась в лаборатории термохимической аэродинамики ФГБУН Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН. Автору принадлежат разработка методики численного исследования газодинамики и тепломассообмена в ламинарном и турбулентном пограничном слое при адиабатическом испарении жидкости и вдуве инородного газа через проницаемую поверхность; отладка и тестирование программ реализующих данную методику. Автор самостоятельно провел численные исследования подобия процессов тепло- и массообмена в ламинарных и турбулентных пограничных слоях при вдуве газа и при адиабатическом испарении жидкости с плоской пластины;

получил данные по тепловым и диффузионным потокам на стенке проницаемой пластины при вдуве газа; провёл аналитическое и численное исследование задачи температуры инверсии при адиабатическом испарении жидкости в паровоздушный поток; проанализировал влияние режима течения, паросодержания, давления газа набегающего потока на значение температуры инверсии.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались: на семинарах лаборатории термохимической аэродинамики под руководством академика РАН Волчкова Э.П.; на VII Всероссийской конференции молодых учёных «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», г. Новосибирск, 2002; на XXVI, XXVII, XXVIII Сибирском теп лофизическом семинаре, г. Новосибирск, 2002, 2004, 2005; на III, IV, V Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-3, РНКТ-4, РНКТ-5), г. Москва, 2002, 2006, 2010; на XV, XVI Школесеминаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», г. Калуга, 2005; на XII Международном семинаре «Переносные явления в двухфазных потоках», Солнечный берег, Болгария, 2008; на IX Международной конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», г. Алушта, Украина, 2011.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 3 статьи в реферируемых журналах (из перечня ВАК).

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации 127 страницы, включая 47 рисунков и 7 таблиц. Библиография состоит из 136 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимого исследования, сформулирована цель работы и определён круг задач подлежащих решению, отмечена научная новизна и практическая ценность работы, кратко описана структура диссертации.

В первой главе рассматривается современное состояние исследуемой проблемы. Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований тепломассопереноса при адиабатическом испарении жидкостей и вдуве газа через проницаемую плоскую поверхность. Особое внимание уделено обзору работ по изучению температуры инверсии, при достижении которой интенсивность испарение жидкости в паровоздушную смесь становиться равной интенсивности испарения в сухой возРис. 1. К определению температуры дух (см. рис. 1). Подробно инверсии.

проанализировано влияние различных факторов на значение температуры инверсии. Обращено внимание на физические противоречия и ограниченность результатов исследований.

Анализ литературы показал, что решение для температуры инверсии может быть получено в рамках теории пограничного слоя с использованием аналогии между тепло- и массообменом. Показана недостаточная изученность вопроса подобия между процессами тепло- и массопереноса в пограничных слоях переменного состава.

Во второй главе сформулирована математическая постановка задачи и описывается метод численного исследования газодинамики и тепломассообмена пригодный как при адиабатическом испарении жидкости, так и при инородном вдуве газа через проницаемую плоскую поверхность.

Приведена система дифференциальных уравнений, описывающих газодинамику и тепломассообмен в стационарном двумерном пограничном слое, уравнения используемых моделей турбулентности.

Приводятся граничные условия и соотношения для расчёта свойств многокомпонентных газовых смесей. На примере обобщённого уравнения пограничного слоя рассмотрен метод численного интегрирования, включая преобразование координат, получение дискретного аналога уравнения и метод его решения.

В третьей главе приводятся результаты численного исследования влияния интенсивности поперечного потока вещества на подобие процессов тепло- и массообмена. Поскольку при испарении жидкости число Льюиса может меняться в широком диапазоне (например, для бензола от 0,44 до 2,72) моделировалась задача квазиоднородного вдува газовой смеси в слаборазбавленную газовую смесь близкого состава. При этом числа Льюиса сохраняется постоянным по толщине пограничного слоя и за счёт состава смеси может изменяться в широком диапазоне. Интенсивность вдува задаётся произвольно от нулевого до критического.

Показано, что при числе Льюиса Le равного единице подобие между процессами тепломассопереноса выполняется во всём диапазоне вдувов (см. рис. 2). Так же отмечено, что в ламинарном пограничном слое с увеличением параметра вдува jw Rex происходит нарушение аналогии тем сильнее, чем больше отличие числа Льюиса от единицы, и использование которой в области больших вдувов может привести к значительным погрешностям.

При анализе тепломассопереноса в турбулентном пограничном слое, как правило, принимается гипотеза, основанная на введении постоянных по толщине пограничного слоя турбулентных чисел Прандтля и Шмидта. Более того, турбулентные числа Прандтля и Шмидта не слишком отличаются от единицы. Однако тепловые и диффузионные потоки определяются вблизи стенки, где существенную роль оказывают молекулярные процессы переноса. Видно, что в турбулентном пограничном слое влияние числа Льюиса менее выраженное, чем в ламинарном. При малых параметрах проницаемости b соотношение теплового и диффузионного чисел Стантона описывается через степенную зависимость от числа Льюиса.

а б Рис. 2. Связь теплового StT и диффузионного StD чисел Стантона при квазиоднородном вдуве воздушно-бензоловой смеси в ламинарный (а) и турбулентный (б) поток.

Также рассмотрены особенности изменения тепловых и диффузионных потоков на стенке проницаемой пластины при вдуве газа в пограничный слой. Результаты работы показали, что тепловой и диффузионный потоки на стенке проницаемой пластины в зависимости от интенсивности поперечного потока вещества могут иметь максимум в отличие от касательного напряжения трения, которое с увеличением вдува всегда снижается.

На основе интегральных соотношений теории пограничного слоя получены аналитические соотношения для определения максиmax мумов теплового и диффузионного потоков и соответстqmax JD w ( ) w вующие им параметры проницаемости bmax,bmax как при ламинарном, T D так и при турбулентном режиме течения:

- cp0 1 qmax = St00u0cp0 T '- T0 max +, ( ) w max cp ' bT T (1) bTкр max bT = ;

1+ cp ' cp0 bTкр - 1 JD max = StD00u0 +, bmax = bDкр 1+ bDкр, (2) ( ) ( ) w bmax max D D D где St0,StD0 – тепловое и диффузионное числа Стантона, полученные на непроницаемой стенке и при jw 0, соответственно; T,D – относительные функции тепло- и массообмена, учитывающие проницаемость стенки; bTкр,bDкр – параметры проницаемости, при которых происходит оттеснение теплового и диффузионного пограничных слоёв; индексы: 0 – условия на внешней границе пограничного слоя, ' (апостроф) – параметры вдуваемого газа.

Анализ предложенных формул (1) и (2) показал, что при числе Льюиса равном единице и близких значениях теплоемкостей вдуваемого газа cp ' и основного течения cp0, тепловой и диффузионный потоки на стенке проницаемой пластины достигают максимума при одmax ном и том же значении параметра проницаемости ( bT = bmax ). При D инородном вдуве, как правило, имеется существенное отличие чисел Прандтля и Шмидта, как следствие, положения максимумов теплового и диффузионного потоков не совпадают. Результаты численного моделирования в целом подтверждают выводы сделанные на основании аналитического исследования.

В четвёртой главе приводятся результаты численного исследования влияния числа Льюиса на подобие процессов тепло- и массообмена при адиабатическом испарении воды, этанола, ацетона и бензола с плоской пластины в ламинарный и турбулентный паровоздушный поток.

Показано, что при изменении числа Льюиса в диапазоне от 0,до 2,72 связь теплового и диффузионного чисел Стантона с достаточной точностью выполняется через степенную функцию от числа Льюиса (см. рис. 3):

– для ламинарного режима течения в виде StT StD =1 Lew ;

– для турбулентного режима течения в виде StT StD =1 Le0,6.

w Температура стенки при адиабатическом испарении жидкости в паровоздушную смесь может быть определена исходя из подобия процессов тепло- и массообмена следующим образом:

1-( ) KП w r =, (3) сp0 t0 - tw Len KП w -( ) KП ( ) ( ) w где концентрация пара на поверхности испарения KП w однозначно ( ) связана с температурой поверхности tw по уравнению кривой насыщения паров жидкости.

а б Рис. 3. Соотношение теплового StT и диффузионного StD чисел Стантона при испарении бензола в ламинарный (а) и турбулентный (б) паровоздушный поток. t0, 0C: 1 – 50; 2 – 100; 3 – 200; 4 – 300; 5 – 500.

Какой из показателей степени при числе Льюиса точнее описывает подобие в данном случае, можно оценить по результатам расчёта температуры стенки tw при испарении различных жидкостей в сухой воздух и паровоздушную смесь в сравнении с результатами экспериментальных и численных исследований (см. рис. 4). Расчёты по формуле (3), отображённые в виде линий на графике, выполнены для двух крайних случаев – n=0 и n=1. Случай n=0 соответствует, полной аналогии между процессами тепло- и массообмена StT = StD. При n=отношение теплового и диффузионного чисел Стантона обратно пропорционально числу Льюиса StT StD =1 Lew.

Получено, что при использовании подобия в виде (3) для определения температуры поверхности испарения жидкости показатель степени при числе Льюиса слабо влияет на её значение. Лучшее соответствие как экспериментальных, так и численных данных с результатами расчётов по формуле достигается при использовании аналогии через число Льюиса, определённое по параметрам на стенке, для ламинарного режима течения в степени 1, для турбулентного в степени 0,6.

а б Рис. 4. Температура поверхности при испарении жидкости в сухой воздух (а) и паровоздушную смесь (б): линии – результаты расчёта по формуле (3):

пунктирная n=0, сплошная n=1; экспериментальные данные:

1, 4, 6 – Downing C.G.; 2, 5, 7 – Лукашов В.В.; 3 – Полищук Д.И.

В пятой главе приводятся результаты аналитического и численного исследования температуры инверсии при адиабатическом испарении различных жидкостей (воды, этанола, бензола и ацетона) в ламинарный и турбулентный пограничный слой на плоской пластине.

На основе интегральных соотношений теории пограничного слоя предложена методика расчёта температуры инверсии, при которой интенсивность испарения жидкости в паровоздушную смесь jсм (или w в перегретый пар) равна интенсивности испарения в сухой воздух jВ :

w – при одинаковых массовых скоростях паровоздушного потока 0u0 = idem n m В ( ) jсм cсм t0 - tсм rВ Pr0 µсм см w pw 0 T = ; (4) jВ cВ0 - tВ см 0 T rсм Pr0 µВ В t0 w ( ) w p – при одинаковых скоростях паровоздушного потока u0 = idem n m 1-m В ( ) jсм cсм t0 - tсм rВ Pr0 µсм Mсм см w pw 0 T =, (5) jВ cВ0 - tВ см 0 В rсм Pr0 µВ MВ T t0 w ( ) w p где r – удельная теплота парообразования, M – молекулярный вес.

Видно, что для определения температуры инверсии по предложенным соотношениям (4) и (5) помимо свойств паровоздушной смеси и сухого воздуха, необходимо знать температуру на поверхности испарения и относительную функцию теплообмена. Температура поверхности испарения, как было показано, может быть определена исходя из подобия процессов тепло- и массообмена (3). Относительная функция теплообмена при ламинарном режиме течения может быть вычислена по аппроксимации, предложенной Хартнеттом Д.:

T =, 1+ bT1 bTкр при турбулентном режиме течения по формуле КутателадзеЛеонтьева в следующем виде:

T =, (6) 1+ 2bT1 bTкр где bT1 = jw 0u0StT = cp0 t0 - tw / r – тепловой параметр проницае( ) ( ) Рис. 5. Относительная функция теплообмена при испарении различных жидкостей в турбулентный поток сухого воздуха (светлые точки) и перегретого пара (темные точки): линия – расчёт по формуле (6);

точки – результаты численного моделирования:

вода – 1, 5; этанол – 2, 6; ацетон – 3, 7; бензол – 4, 8.

мости, рассчитанный по числу Стантона, определённому в условиях испарения жидкости.

Показано, что в случае испарения воды значение относительной функции теплообмена близко к единице и при аналитическом определении температуры инверсии может не учитываться (см. рис. 5). При испарении легколетучих жидкостей (ацетона, этанола, бензола) значение относительной функции теплообмена T может достигать 0,5, что оказывает существенное влияние на значение температуры инверсии и требует учёта при построении аналитической модели.

Полученное решение для температуры инверсии записывается в относительной форме, что позволяет достаточно просто проводить анализ влияния различных факторов (паросодержания, режима течения, давления) на значение температуры инверсии. Интересным представляется то, что температура инверсии вообще не зависит от значения массовой скорости паровоздушного потока, что противоречит ранее сделанному выводу Yoshida T. и Hyodo T о монотонном снижении температуры инверсии с увеличением скорости потока.

Рис. 6. Отношение массовых скоростей испарения воды в перегретый пар и сухой воздух. Линии: сплошная – численные данные, пунктирная – расчёт по формуле (4); точки: 1 – Chow L.C., Chung J.N.;

2 – Trommelen A.M., Crosby E.J.; 3 – Nomura T., Hyodo T.;

4 – Хаджи М., Чжоу Л.С.; 5 – Schwartze J.P., Brcker S.

Важно подчеркнуть также, что подход, используемый при выводе предложенных соотношений для определения температуры инверсии, можно легко распространить на случай другой геометрии.

Показано, что в точке инверсии при испарении воды разброс экспериментальных и теоретических данных не превышает 10%, что говорит о пригодности данного метода расчёта для использования в инженерной практике (см. рис. 6). Однако при испарении других жидкостей отличных от воды может достигать 25%, что, по-видимому, связано с погрешностью в определении относительной функции теплообмена.

Значения температуры инверсии при испарении рассматриваемых жидкостей в поток перегретого пара и сухого воздуха, рассчитанные по соотношению (4), в зависимости от режима течения представлены в таблице.

Значения температуры инверсии при испарении различных жидкостей, °С.

режим течения вода этанол ацетон бензол ламинарный 257 207 298 - турбулентный 204 164 169 2Интересно отметить, что в случае испарения бензола при ламинарном режиме течения в диапазоне от 100 до 500 °С температура инверсии не достигается, что согласуется с расчётными данными Hasan M. и др.

Получено, что увеличение паросодержания потока приводит к уменьшению температуры инверсии, как в случае одинаковых скоростей u0 = idem, так и в случае одинаковых массовых скоростей 0u0 = idem паровоздушного потока (см. рис. 7). При этом более суРис. 7. Температура инверсии в зависимости от концентрации водяного пара в набегающем потоке. Линии – расчёт по формулам: (4), (5); точки – численные данные (ламинарный режим – сплошная линия, точки 1, 2; турбулентный режим – пунктирная линия, точки 3, 4).

щественное снижение происходит при одинаковых массовых скоростях потока.

Влияние режима течения на температуру инверсии неоднозначно. При одинаковых скоростях паровоздушного потока температура инверсии для турбулентного режима течения выше, чем для ламинарного, а при одинаковых массовых скоростях – напротив ниже.

Важно отметить, что условия сравнения интенсивностей испарения в паровоздушную смесь и сухой воздух при одинаковых скоростях u0 = idem или одинаковых массовых скоростях потока 0u0 = idem в большой степени влияют на значение температуры инверсии, чем все остальные факторы (паросодержание, режим течения).

Так, например, при турбулентном течении температура инверсии при испарении воды в перегретый пар и сухой воздух для u0 = idem составляет 445 °С, что вдвое выше, чем для 0u0 = idem – 207 °С.

Как известно, увеличение давления приводит к увеличению температуры насыщения паров жидкости, что в свою очередь должно оказывать влияние и на температуру инверсии. Получено, что увеличение давления газа набегающего потока приводит к росту температуры инверсии пропорционально росту температуры кипения, как при ламинарном, так и при турбулентном режиме течения (см. рис. 8).

Рис. 8. Влияние давления газа набегающего потока на значение температуры инверсии при испарении воды в перегретый пар и сухой воздух: расчёт по формуле (4).

Некоторые исследователи полагают, что основная причина существования температуры инверсии заключается в различии теплоёмкостей перегретого пара и сухого воздуха. Однако при температурах ниже точки инверсии скорость испарения в сухой воздух выше, чем в перегретый пар, хотя при этом при этом теплоёмкость перегретого пара по-прежнему выше. Немаловажным является наличие необходимого температурного напора между поверхностью испарения и внешней границей пограничного слоя.

В приложении приведены данные по коэффициентам полиномиальных зависимостей, описывающих термодинамические и переносные свойства чистых газов, используемые при численных и аналитических исследованиях.

ВЫВОДЫ 1. Выполненное численное исследование подобия процессов тепло- и массообмена в ламинарных и турбулентных пограничных слоях при наличии поперечного потока вещества позволило обосновать применение модифицированной аналогии Рейнольдса для определения температуры поверхности при испарении жидкости в паровоздушный поток.

2. На основе теории пограничного слоя получена новая аналитическая зависимость для определения температуры инверсии, при выводе которой использованы новые данные о подобии законов тепло- и массообмена. Достоверность полученной зависимости подтверждена результатами численного исследования температуры инверсии при адиабатическом испарении воды, ацетона, бензола и этанола и известными экспериментальными данными.

3. Результаты численного и аналитического исследования показали, что увеличение паросодержания потока приводит к уменьшению температуры инверсии, как при ламинарном, так и при турбулентном режиме течения, что связано с ростом теплоёмкости паровоздушного потока.

4. Показано, что при одинаковых массовых скоростях потоков паровоздушной смеси и сухого воздуха температура инверсии для турбулентного режима течения ниже, чем для ламинарного, что связано с большей интенсивностью конвективного подвода тепла к поверхности испарения.

5. Показано, что увеличение давления приводит к росту температуры инверсии пропорционально росту температуры кипения испаряющейся жидкости, как при ламинарном, так и при турбулентном режиме течения.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Volchkov E.P., Makarov M.S., Makarova S.N. Heat and mass diffusion fluxes on a permeable wall with foreing-gas blowing // Inter.

J. Heat Mass Transfer. – 2012. – №55. – P. 1881–1887 (из перечня ВАК).

2. Волчков Э.П., Леонтьев А.И., Макарова С.Н. Температура инверсии при адиабатическом испарении жидкости в паровоздушную смесь // Теплофизика и аэромеханика. – 2007. – Т.14. – №4. – С. 521–533 (из перечня ВАК).

3. Volchkov E.P., Leontiev A.I., Makarova S.N. Finding the inversion temperature for water evaporation into an air-steam mixture // Inter.

J. Heat Mass Transfer. – 2007. – №50. – P. 2101–2106 (из перечня ВАК).

4. Волчков Э.П., Макаров М.С., Макарова С.Н. Определение тепловых и диффузионных потоков на проницаемой стенке при инородном вдуве в пограничный слой // Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. – 2011. – Т.7, №2. – С. 102–107.

5. Волчков Э.П., Макаров М.С., Макарова С.Н. Об определении тепловых и диффузионных потоков на стенке проницаемой пластины при инородном вдуве // Труды пятой Российской национальной конференции по теплообмену. – М., 2010. – Т.2. – С. 94–98.

6. Volchkov E.P., Makarova S.N. Finding the inversion temperature for adiabatic evaporation of liquid into an air-steam mixture // Proc. of 12th workshop on Transport phenomena in two-phase flow. – Sofia:

DTM, 2008. – P. 63–78.

7. Волчков Э.П. Макарова С.Н. Теоретическое исследование температуры инверсии при испарении различных жидкостей // Труды четвёртой российской национальной конференции по теплообмену. – М., 2006. – Т.5. – С. 73–76.

8. Макарова С.Н. Численное исследование явления температуры инверсии при испарении // Тезисы докладов XXVIII Сибирского теплофизического семинара. – Новосибирск: Изд-во Института теплофизики СО РАН, 2005. – С. 148–149.

9. Макарова С.Н. Подобие законов тепло- и массообмена в пограничном слое при адиабатическом испарении // Труды XV Школысеминара молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках». – М., 2005. – Т.1. – С. 242–244.

10. Макарова С.Н. Подобие процессов тепломассообмена в ламинарном пограничном слое при испарении // Тезисы докладов XXVII Сибирского теплофизического семинара. – Новосибирск: Изд-во Института теплофизики СО РАН, 2004. – С. 235–236.

11. Волчков Э.П., Макарова С.Н. Температура инверсии при испарении различных жидкостей в сухой воздух и их перегретые пары // Тезисы докладов 2-ой Школы-конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики». – Алушта, 2004. – С. 62–66.

12. Макарова С.Н. Подобие процессов тепломассообмена в ламинарном пограничном слое при испарении // Материалы VI Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика процессов горения и охрана окружающей среды». – Рыбинск, 2004. – С. 199–200.

13. Макарова С.Н. Исследование подобия тепломассообмена и трения в пограничном слое при инородном вдуве // Труды третьей российской национальной конференции по тепломассообмену. – М., 2002. – Т.8. – С. 36–39.

14. Макарова С.Н. Исследование подобия тепломассообмена и трения в пограничном слое при инородном вдуве // Тезисы докладов XXVI Сибирского теплофизического семинара. – Новосибирск:

Изд-во Института теплофизики СО РАН, 2002. – С. 168–169.

15. Макарова С.Н. Исследование подобия тепломассообмена и трения в пограничном слое при инородном вдуве // Тезисы докладов VII Всероссийской конференции молодых учёных «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики». – Новосибирск: Изд-во Института теплофизики СО РАН, 2002. – С. 21–22.

Подписано в печать 18.04.2012. Заказ № 26.

Формат 60x84/16. Объём 1 уч.-изд. лист. Тираж 100 экз.

_____________________________________________________________________ Отпечатано в Институте теплофизики СО РАН 630090, г. Новосибирск, пр. Ак. Лаврентева,






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.