Исследование процесса пленочной конденсации из парогазового потока на неоднородно охлаждаемых поверхностях тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

список ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 ГИДРОДИНАМИКА.

1.2 КОНДЕНСАЦИЯ.

2. СОПРЯЖЕННАЯ ЗАДАЧА ТЕПЛ ОМА С С О О БМЕНА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ НАТЕПЛОПРОВОДНОЙ ПЛАСТИНЕ.

2.1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

2.2 ЧИСЛЕННЫЙ МЕТОД.

2.3 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ. СОПОСТАВЛЕНИЕ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ДАННЫМИ.

Выводы К ГЛАВЕ 2.

3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНДЕНСАЦИИ НА ПЛАСТИНЕ И В ПЛОСКОМ КАНАЛЕ НА ОСНОВЕ УРАВНЕНИЙ НАВЬЕ-СТОКСА.

3.1 П0СТАН0В!С'Л ЗАДАЧИ.

3.2 ЧИСЛЕННЫЙ МЕТОД.

3.3 РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТОВЫХ РАСЧЕТОВ.

3.4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНДЕНСАЦИИ НА ПЛОСКОЙ ПЛАСТИНЕ.

3.5 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНДЕНСАЦИИ В ПЛОСКОМ КАНАЛЕ.

3.6 ТЕЧЕНИЕ ПЛЕНКИ КОНДЕНСАТА В ПЛОСКОМ ПОЛУБЕСКОНЕЧНОМ КАНАЛЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СИЛ ТРЕНИЯ.

3.7 ВЛИЯНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ВЕКТОРА СИЛЫ ТЯЖЕСТИ НА ТЕЧЕНИЕ В КАНАЛЕ.

3.8 АНАЛИЗ НЕОБХОДИМОСТИ УЧЕТА НЕИЗОТЕРМИЧНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ КОНДЕНСАЦИИ. 58 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

4. ТРЕХМЕРНАЯ ЗАДАЧА КОНДЕНСАЦИИ В ПЛОСКОМ ЮА.НАЛЕ, СОПРЯЖЕННАЯ С ЗАДАЧЕЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ В СТЕНКЕ.

4.1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

4.2 ЧИСЛЕННЫЙ МЕТОД.

4.3 РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТОВЫХ РАСЧЕТОВ.

4.4 ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ КАНАЛА ТЕПЛООБМЕННИКА НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ПРО1.;ЕССЛ

КОНДЕНСАЦИИ.

Выводы К ГЛАВЕ 4.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ МАЛУЮ НЕОДНОРОДНОСТЬ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ КОНДЕНСАЦИИ.

5.1 ОБТЕКАНИЕ ОХЛА>1 <ДАЕМОЙ ПЛАСТИНЫ ПОТОКОМ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА.

5.2 ТЕЧЕНИЕ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА В КАНАЛЕ С ТЕПЛОПРОВОДНОЙ СТЕНКОЙ.

Выводы к ГЛАВЕ 5.

Теплообменные процессы, сопровождающиеся конденсацией, широко распространены в технике. Аппараты, реализующие фазовый переход, являются более экономичными в сравнении с теплообменниками, работающими с однофазной средой. Такие аппараты используются в энергетических установках, в системах жизнеобеспечения и регулирования. Работа таких устройств характеризуется сложным сопряженным характером протекающих тепломассообменных процессов. Это связано с тем, что поверхности теплообмена чаще всего нагреты неравномерно и не являются изотермичными. Это в свою очередь оказывает влияние на процессы в потоке газа либо жидкости, омывающем данную поверхность. Таким образом, взаимное влияние процессов переноса энергии в твердом теле и омывающем его потоке и обуславливает сложность постановки и решения данной задачи.

Теплообменные устройства, реализующие процесс конденсации, используются и в условиях пониженной гравитации, в частности, в системах жизнеобеспечения жилых отсеков космических аппаратов. Поддержание оптимальных параметров атмосферы в отсеках космической орбитальной станции, в том числе влажностного режима, является в настоящее время актуальной проблемой в области космической техники. Существующие на данный момент системы очистки атмосферы основаны либо на использовании регенерируемых поглотителей, либо на прямой конденсации паров воды на охлаждаемых поверхностях и последующем отводе ее пористым гидрофильным материалом. Последний способ является наиболее экономичным и целесообразным. Однако, опыт эксплуатации орбитального комплекса "Мир" показал, что на поверхностях и трактах данных систем имеет место образование и разрастание колоний микроорганизмов. Это обстоятельство негативно сказывается на эффективности и надежности работы указанных систем и представляет опасность для здоровья экипажа орбитальной станции.

В Центре Келдыша была разработана новая система удаления избыточной влаги из воздуха [1.55]. Осушитель работает по обычной схеме: вентилятор прокачивает влажный воздух через теплообменник- конденсатор, где часть водяного пара конденсируется, затем конденсат отделяется, а осушенный и охлажденный воздух возвращается в атмосферу космического аппарата. В данной модели осушителя используется центробежный вентилятор, который одновременно является влагоотделителем. Схема модели осушителя показана на рис. 1.1. Модель состоит из теплообменника 1 и вентилятора-влагоотделителя 2. С лопастей вентилятора влага сбрасывается в капиллярное заборное устройство 3, откуда отсасывается во влагосборник. Осушенный воздух выводится через радиальный диффузор в атмосферу.

Для разработки модели осушителя в работе [1.55] были использованы следуюидие исходные данные: температура воздуха на входе в осушитель to = 20°С; влажность воздуха на входе в осушитель ср = 84 %; температура хладагента на входе в теплообменник two = 5°С; количество сконденсировавшейся влаги в единицу времени на всей теплообменной поверхности теплообменника-конденсатора - 150 г/чао;

Согласно техническому заданию, на основе которого был разработан данный осушитель, конструкция теплообменника-конденсатора должна удовлетворять следующим основным требованиям: внутренние поверхности теплообменника должны периодически очищаться от всевозможных органических и неорганических загрязнений.

Для этого он должен легко разбираться. Этому условию удовлетворяет теплообменник с плоскими щелями, образованными съемными пластинами, охлаждаемыми по краям. скорость воздуха в щелях теплообменника должна быть 4-5 м/с. толщина пластин теплообменника должна быть такой, чтобы поток тепла был равномерно распределен по поверхности каждой пластины (неравномерность не более 25 %).

Требованию простоты разборки и очистки отвечает теплообменник, представляющий собой комплекс плоских пластин. С учетом этого была разработана схема теплообменника-конденсатора изображенная на рис. 1.1. В качестве поверхности конденсации был выбран канал прямоугольного сечения, охлаждаемый по ребру. Из таких щелевых каналов состоит рабочая часть теплообменника. Схема охлаждения выбрана таким образом, что поле температуры в стенке канала неоднородно и формируется в процессе тепломассообмена с потоком влажного воздуха.

Ширина и вь|Сота теплообменника выбирались таким образом, чтобы проходное сечение теплообменника соответствовало входному отверстию сепаратора. То есть эти размеры определяются конструктивными особенностями осушителя. Остальные геометрические характеристики конструкции, как то: количество каналов, их высота и длина, толщина стенки канала, были получены в результате инженерных расчетов. ' '

Таким образом, на основе инженерных расчетов и исходя из особенностей конструкции осушителя, были приняты следующие геометрические характеристики каналов теплообменника: длина канала 1х = 0.3 м; половина ширины канала 1г = 0.033 м; половина высоты канала 1у = 0.001 м. половина толщины стенки канала 5уу = 0.001 м В данной работе будем решать сопряженную задачу конденсации и проводить параметрические исследования, опираясь на геометрические, технические и физические характеристики, принятые для данного теплообменника. Таким образом, диапазон варьируемых величин невелик и определяется харакгеристиками теплообменника-конденсатора. В процессе работы будет проведена оценка правильности выбранных геометрических характеристик и даны рекомендации по выбору оптимальных размеров каналов теплообменника.

Согласно вышеизложенному, исследование процесса конденсации будет проводиться в каналах прямоугольного сечения и на плоских поверхностях. В главе 2 на основе модели пограничного слоя решена сопряженная задача конденсации из потока влажного воздуха на пластине охлаждаемой по одной стороне. В главе 3 на основе двумерных уравнений Навье-Стокса проведены исследования процесса конденсации на пластине и в канале. Также в главе 3 показано, как влияет течение воздуха на движение и толш.и-ну пленки конденсата в плоском полубесконечном канале. В главе 4 решена сопряженная задача конденсации в трехмерном канале конечного размера и распространения тепла в стенке канала. Изучено влияние неоднородности поля температур конденсирующей поверхности на интенсивность процесса конденсации. В пятой главе на основе проведенных ранее расчетов проводится исследование условий, обеспечивающих малую неоднородность температуры поверхности конденсации.

Цель работы.

1. Разработка физической и математической модели процесса пленочной конденсации из потока влажного воздуха на пластине и в плоском канале, сопряженного с процессом теплопроводности в омываемой поверхности.

2. Проведение параметрического исследования сопряженной задачи и изучение зависимости интенсивности процесса от параметров потока на входе в расчетную область, теплофизических свойств стенки и конфигурации расчетной области.

3. Оценка правильности выбранных геометрических характеристик теплообменника-конденсатора и выработка рекомендаций по выбору оптимальных размеров каналов теплообменника.

4. Исследование условий, при которых неоднородности температуры в стенке являются малыми. Получение критериев подобия, определяющих переход к этому режиму.

Научная новизна. Проведено математическое моделирование процесса конденсации на охлаждаемой пластине и в плоском канале из движущегося потока влажного воздуха на основе уравнений Навье-Стокса в приближении Буссинеска.

Решена трехмерная задача конденсации в канала сопряженная с зада- \ чей теплопроводности в стенке.

Проведено исследование условий, при которых неоднородности температуры омываемой поверхности являются малыми. Получены критерии подобия, определяющие переход к этому режиму. На основе обобщения результатов проведенных расчетов найдена область параметров, где реализуется указанный режим.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы доложены на секции НТО Центра Келдыша, на Х11 \/ научной конференции МФТИ, на объединенном научно-исследовательском семинаре "Численное моделирование процессов тепло- и массообмена" и научно-исследовательском семинаре "Механика невесомости и гравитационно-чувствительные системы" в ИПМ РАН.

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликованы четыре научно-технических отчета и тезисы доклада на Х11 \/ научной конференции, посвященной 50-летию создания МФТИ [1.5б]-[1.60]. Одна статья принята к печати в Инженерно-физхическом журнале.

1. Обзор литературы.

Задача исследования процесса конденсации влаги из движущегося влажного воздуха включает в себя две задачи - исследование гидродинамики потока и изучение самого процесса конденсации. В первой главе представлен краткий обзор работ, в которых изучалось ламинарное движение парогазовой смеси над пластиной и в каналах прямоугольного сечения. Большое внимание уделено численным исследованиям процессов естественной и вынужденной конвекции. Во второй главе - обзор литературы, где описывается процесс конденсации из движущейся парогазовой смеси.

1.1 Гидродинамика.

Движение несжимаемой вязкой жидкости над пластиной и плоском канале описано в большом количестве литературы и достаточно подробно изучено экспериментально.

Классическая задача об обтекании плоской полубесконечной пластины потоком вязкой несжимаемой жидкости давно привлекает к себе внимание исследователей. Будучи интересна сама по себе, она также служит в качестве теста для пробных расчетов вновь создаваемых приближенных и численных методов. Аналитическое решение [1.2] - [1.4], [1.6] было получено еще Х.Блазиусом путем интегрирования уравнений пограничного слоя. Им же была получена кривая распределения скоростей в ламинарном пограничном слое. В работе [1.6] представлены также результаты экспериментальной проверки теории пограничного слоя.

Численное исследование обтекания пластины предпринималось в работах [1.16] - [1.18], где уравнения Навье-Стокса решались в форме Геймгольца i - система). В большинстве из них отмечено две трудности, которыми осложняется расчет. Во-первых, это сложность в постановке граничного условия на передней кромке, так как здесь имеет место разрыв в граничном условии. Вторая трудность, свойственная многим задачам о течении в неограниченных областях, обусловлена необходимостью ограничивать расчетную область конечными пределами.

Большинство исследований течения вязкой несжимаемой жидкости в канале относится к турбулентному движению в каналах круглого сечения [1.49]-[1.52]. Это связано с тем, что подобные процессы и конструкции наиболее распространены в технике. Однако, в последнее время все чаще возникает необходимость расчета теплообменных систем, в которых ламинарная форма движения жидкости является преобладающей. Например, компактные теплообменные аппараты.

Ламинарное течение в плоских каналах исследовалось либо аналитически для частных случаев [1.3] - [1.6], [1.22] - [1.24], либо численно [1.11] -[1.16], [1.20], [1.33], [1.34], [1.42], [1.43]. Экспериментальное подтверждение полученных теоретических результатов затруднено, так как практически сложно получить идеальное ламинарное движение жидкости. В частности, в работе [1.29], где приведены результаты экспериментального исследования структур свободноконвективного движения жидкости, отмечается, что ламинарный режим течения наблюдается только в очень узком диапазоне изменения параметров. Также теоретическое и экспериментальное исследование теплообмена для ламинарного режима течения внутри тонкой вертикальной трубки с источником тепла в нижней области были выполнены Остроумовым ГА. [1.30]. Исследования свободноконвективного теплообмена через короткий горизонтальный канал с различной температурой по концам проведены в

1.31]. Характеристики тепло- и массоотдачи в прямоугольном канале с резким поворотом на 180° экспериментально определены авторами работы [1.41].

Впервые задача о течении жидкости в начальном участке трубы вдали от входа была решена в [1.25]. Осевая скорость была представлена в виде суммы из решения Пузейля и возмущающего члена. В результате решение может быть применено лишь на большом расстоянии от входа в трубу.

В работах [1.3] - [1.5] аналитически на основе приближенных уравнений Навье-Стокса было получено решение для течения на начальном участке плоского канала и показано, что движение можно считать установившимся на некотором расстоянии от входа в канал и этот гидродинамический участок стабилизации можно рассчитать, зная число Рейнольдса и геометрические харакгеристики канала. Длина начального участка определяется выражением где к - коэффициент, зависящий от геометрии проходного сечения трубы. Подчеркивается также [1.5], что участок тепловой стабилизации в несколько раз отличается от гидродинамического. Эта же задача была решена в [1.6] на основе сопряжения решения, полученного путем подхода спереди методами пограничного слоя, с решением, полученным методом подхода сзади, и переходящим в параболическое решение при больших х.

Численные исследования течения в канале были получены как для приближенных [1.13], [1.20] так и для полных [1.12], [1.14] - [1.16], [1.26] уравнений уравнений Навье-Стокса.

В настоящее время накоплен значительный опыт численного моделирования процессов гидродинамики и тепломассообмена. Современные вычислительные методы базируются на различных моделях сплошной среды, описывающих процессы переноса массы, импульса и энергии в газовом потоке. Обычно используются модели пограничного слоя и параболизирован-ные и полные уравнения Навье-Стокса.

Наиболее распространенным методом, применяемым для численного решения уравнений математической физики, является метод сеток. Для построения сеточных аппроксимаций наиболее часто используется метод конечных разностей. В настоящее время существует большое количество разностных схем для уравнений Навье-Стокса [3.1]- [3.7], [3.9]- [3.11], особенностью которых является наличие различных сеточных параметров, рациональный выбор которых часто представляет значительную проблему.

Нестационарные двумерные уравнения Навье-Стокса в приближении Буссинеска в координатах вихрь-функция тока решены для различных случаев в работах [3.8], [3.13]- [3.15]. В частности, в [3.13] изучено влияние различных способов аппроксимации граничных условий на точность и устойчивость разностных схем для задач тепловой конвекции. Выявлены некоторые причины неустойчивости неявных разностных схем для системы уравнений конвекции и разработана методика расчета граничных условий, обеспечивающих устойчивый счет при больших числах Рэлея. Также в [3.13] исследовано соотношение между явными и неявными схемами. Необходимо отметить, что подавляющее большинство расчетов в указанных работах проведено в Е,, Ц1 -координатах, тогда как в предложенной работе задача решена в и,\/,Р - координатах.

В работе [1.20] подробно рассматриваются теплообменные процессы, протекающие при ламинарном течении в трубах прямоугольного и круглого сечения. Учитывается переменность теплофизических свойств жидкости, диссипация энергии и влияние свободной конвекции. Для нас наиболее интересны разделы, описывающие теплообмен на начальном участке плоских прямоугольных каналов при граничных условиях первого рода. Физические свойства жидкости считаются постоянными, следовательно, теплообмен не оказывает влияния на течение. Найдены средние по длине значения Ми, проведено сравнение с экспериментальными данными. Получено, что вдали от входа, где профили скорости мало отличаются от параболических, число Нуссельта принимает постоянное значение Ми=7.54.

В работе [1.12] решение задачи о течении вязкой несжимаемой жидкости в плоском канале получено для полных уравнений Навье-Стокса в л, \1/ -координатах для чисел Рейнольдса 100<Ре<8000. Исследовано влияние граничных условий на входе в канал на развитие течения на начальном участке. Отмечается, что при определенном задании граничных условий профили продольной составляющей скорости имеют небольшие «перегибы» и «вспучивания». Это объясняется тем, что скорость во входном сечении имеет разрыв: с одной стороны скорость на входе задается равной единице, а с другой

- на стенке скорость равна нулю. Производная — в окрестности этой точки дх неограничена. Влияние разрыва в граничных условиях достаточно быстро затухает. Если при заданном числе Рейнольдса расчеты проводить с более крупным шагом по оси х, то перегибы в профилях скоростей отсутствуют, так как мы сразу попадаем в область, далекую от входного сечения. Подобное явление отмечено также в работе [1.16]. В работах [1.14], [1.15] «перегибы» в профилях скорости не наблюдались.

Создано много численных алгоритмов для решения гидродинамических задач. В частности, в работе [1.34] был исследован теплообмен в стабилизированных ламинарных и турбулентных течениях в каналах разного сечения. Также на основе уравнений Навье-Стокса и энергии в естественный

Также на основе уравнений Навье-Стокса и энергии в естественных (и,\/,Р) переменных создан алогоритм решения задач гидродинамики в сложных областях [1.33], [1.48]. Основное внимание в данной работе уделено технологии эффективного проектирования моноблочных ортогональных сеток и построению быстродействующих конечно-объемных схем. Описание некоторых других разностных схем приведено в [1.53], [1.54].

Новый относительно простой метод решения ряда задач гидродинамики и теплообмена, использующий автомодельные переменные, описан в [1.47]. Для решения уравнений используются конечно-разностные методы и численное интегрирование с применением электронных таблиц. В качестве примеров рассмотрены: теплообмен в ламинарном пограничном слое на непрерывно движущейся поверхности и ламинарная естественная конвекция около изотермической вертикальной пластины.

Численное исследование трехмерной нестационарной задачи смешанной конвекции воздуха в горизонтальном канале прямоугольного сечения с постоянным тепловым потоком снизу проводилось авторами работы [1.28]. В статье [1.42] проведен детальный анализ течения при ламинарной смешанной конвекции в горизонтальном канале квадратного сечения методом конечных элементов. Полученные численные результаты сравнивались с экспериментальными данными.

На формирование течения существенное влияние могут оказывать эффекты «вдува» и «отсоса» на границах [1.36], [1.44] - [1.46]. Подобные численные исследования были проведены авторами [1.36], где показано, что наличие «вдува» и «отсоса» влияет на структуру течения и теплообмен в канале.

Теплоотдача при двумерном ламинарном течении жидкостей с переменными и постоянными теплофизическими свойствами в вертикальной трубе изучалась в [1.26], [1.39], [1.40] на основе численного решения уравнений Навье-Стокса. Подобные исследования проводились и в работе [1.27] для течения воды в горизонтальном канале при наличии вынужденной и естественной конвекции. При численном решении уравнений в приближении Бусси-неска и учете непостоянства плотности среды было получено, что при заданном числе Ре с увеличением числа Грасгофа начальный гидродинамический участок уменьшается. Стационарное течение вязкой несжимаемой жидкости с переменной плотностью в плоском канале, на границах которого заданы условия прилипания и теплообмена, рассматривается в [1.32].

Отметим, что в описанных ранее работах не учитывается влияние тепло и массообменных процессов, протекающих в среде, на температурный режим стенок каналов. Но сопряженная задача о теплопереносе в стенке канала и в протекающей по нему жидкости привлекает в настоящее время большое внимание. Так, в [1.35] рассмотрена подобная задача с учетом эффекта автономности. В данном случае рассматривается эффект пространственной автономности, реализующийся при течении теплоносителя в канале при переменных по длине граничных условиях на его боковой поверхности. В работе [1.38] сформулирована задача о сопряженном теплообмене при стержневом течении жидкости. Методом возмущений получены уравнения энергии, в которых исключены условия сопряжения для жидкости и твердой стенки. Установлены математические критерии, определяющие условия термического равновесия жидкости и стенки.

В последние годы широкое распространение получил метод конечных элементов [3.16], [3.17]. Применение МКЭ к задачам о течении вязкой жидкости нашло отражение в работах [3.12], [3.18], где, в частности, подчеркивается, что этот метод позволяет эффективно аппроксимировать криволинейные границы области и легко учитывать различные типы граничных условий.

1.2 Конденсация

С процессами конденсации из влажного воздуха приходится часто сталкиваться в системах кондиционирования и в холодильной технике. Процессы тепло- и массообмена являются взаимосвязанными и суммарный тепловой поток от парогазовой смеси складывается из конвективного теплопереноса и теплоты фазового перехода. Как было показано в [2.8], [2.10]- [2.14] эти компоненты суммарного теплового потока являются величинами одного порядка, поэтому тепловую задачу необходимо решать совместно с диффузионной. При этом задача о теплообмене при конденсации пара из парогазовой смеси в полной постановке должна рассматриваться как сопряженная. Результирующий коэффициент теплоотдачи зависит от двух термических сопротивлений - диффузионного сопротивления и сопротивления конденсата. Однако, большинство проведенных экспериментов по теплоотдаче влажного воздуха в каналах [2.11]- [2.15] показывают, что сопротивлением образующегося на поверхности конденсата можно пренебречь. В частности, это связано с тем, что в большинстве случаев наблюдался капельный режим конденсации. Применение капельной конденсации позволяет существенно интенсифицировать теплообмен [2.1], [2.]. В настоящий момент ведутся работы по созданию и длительному поддержанию капельной конденсации водяного пара [2.16]-[2.19].

Известны следующие подходы к решению задачи о конденсации пара при наличии неконденсируемого компонента. Следуя пленочной теории, в самом простом приближении решаются уравнения сохранения массы компонентов. В итоге получается выражения для плотности потока массы, в который входят коэффициент диффузии и толщина диффузионного пограничного слоя [2.1], [2.20], [2.21], [2.24]. Можно решать полную систему сохранения массы в целом или одного из компонентов, энергии и импульса. [2.22], [2.8], [2.9].

В работе [2.8] представлены результаты анализа тепло- и массообмена при конденсации пара из влажного воздуха. Расчетная модель основана на решении интегральных соотношений энергии и диффузии для пограничного слоя с использованием аналогии процессов тепломассопереноса. Проанализировано влияние температурных и концентрационных граничных условий на соотношение компонентов теплового потока на стенке. Установлены соотношения между компонентами тепловых потоков на поверхности с фазовым переходом. Показано, что при малых концентрационных напорах определяющим является конвективный перенос теплоты. С ростом градиента концентрации теплота фазового перехода становится преобладающей.

Проводились также экспериментальные работы по изучению процесса конденсации из парогазовой смеси [2.23], [2.25].

Исследование пленочной конденсации чистого пара отражено в многочисленных литературных источниках [2.1], [2.3]- [2.5], [2.26]- [2.28], однако эта тема лежит за пределами области нашего исследования.

Выводы к главе 5.

Исследована зависимость теплового режима пластины и стенки канала от их геометрических и физических характеристик. Найдены параметры, отвечающие за температурный режим стенки и область значений этих параметров, в которой стенку можно считать изотермической. В качестве критерия изотермичности было принято малое отклонение максимальной температуры стенки от начальной Тл'лл <0.1. По результатам проведенной работы можно сделать следующие выводы:

1. Температурный режим плоской пластины, обтекаемой потоком влажного воздуха и охлаждаемой по одному ребру, зависит только от относительного удлинения пластины Ах/ и безразмерного параметра уЛ2(Л + 1) включающего в себя геометрические и физические характеристики пластины, а таюке начальные значения температур и плотностей.

2. При степени удлинения пластины лд-/ >1 больше единицы пластину можно считать изотермичной, если АААуАА +1)<0.1.

3. Температурный режим теплопроводной стенки канала, зависит от числа

Рейнольдса, отношения — и безразмерного параметра Л4(Л3 +1).

4. Найдена область параметров, в которой теплопроводную стенку канала можно считать изотермической. Расчеты проводились для 166<Ре<1000 и безразмерного параметра Ю""'л < АЛЛА-Л +1)<10~\

Заключение. в ходе диссертационной работы были получены следующие результаты:

1. Сформулирована физическая модель процесса тепломассообмена при пленочной конденсации водяного пара из потока влажного воздуха, движущегося над пластиной и в канале прямоугольного сечения, применительно к условиям, характерным для работы бортового теплообменника-осушителя. Предположения, положенные в основу данной модели, подтверждены результатами дополнительных расчетов.

2. Разработана трехмерная математическая модель процесса тепломассообмена в парогазовом потоке, сопряженная с задачей теплопроводности в стенке. Проведенные расчеты подтвердили работоспособность методики для рассматриваемого класса задач.

3. Получено, что для пластины фиксированной площади, охлаждаемой по одной стороне, существует такое соотношение длины и ширины, при котором суммарный поток массы конденсата максимален. Это соотношение сторон не зависит от влажности набегающего потока.

4. Показано, что безразмерная толщина пленки конденсата, движущейся под действием сил трения и давления в канале, на участке установившегося течения потока определяется выражением А-(<л~со) = 0 и не за

2 рвисит от числа Рейнольдса для канала.

5. Были изучены условия, определяющие степень температурной неоднородности пластины, обтекаемой потоком влажного воздуха и охлаждаемой по одному ребру. Получено, что переход к режиму, когда пластину можно считать изотермической, зависит только от относительного удлинения пластйны и безразмерного параметра л42(л1 + 1) включающего в себя геометрические и физические характеристики пластины, а также начальные значения температур и плотностей. При степени удлинения пластины •ллл больше единицы пластину можно считать изотермичной, если л 2(4+ 1 )ло.1 .

6. Были изучены условия, определяющие степень температурной неоднородности стенки канала, в котором протекает влажный воздух. Получено, что переход к режиму, когда стенку канала можно считать изотермической, зависит от величины двух безразмерных комплексов: Ал(АА+1) И — ТКе. В рассмотренном диапазоне чисел Рейнольдса и безразмерной ширины канала стенку можно считать изотермической, если Ал {Ал + О - 0-0075.

7. Проведен общий анализ влияния размеров канала теплообменника-конденсатора на интенсивность процесса конденсации. Даны рекомендации по выбору геометрических характеристик теплообменника, обеспечивающих необходимый расход конденсата при минимальной массе конструкции. В частности было получено, что принятые ранее: значения толщины стенок канала теплообменника-конденсатора, могут быть уменьшены в два раза до величины 2-SfY = 0.001м; значения длины канала можно уменьшить на треть, до величины

1х= 0,2м.

8. Исследовано влияние направления вектора силы тяжести на характер процессов протекающих в канале. Получено, что для наземной отработки и последующего сравнения с вертикальное расположение расчетными данными оптимальным является канала.

1. Под ред. Леонтьева Теория тепломассообмена. 1979г.

2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика // Наука. 1986г.

3. Эккерт Э.Р., Дрейк P.M. Теория тепло-и массообмена. // Госэнерго-издат. 1961 г.

4. ПовхИ.П. Техническая гидромеханика // Машиностроение 1969г.

5. Тадеуш Хоблер Теплопередача и теплообменники // 1961г.

6. ШлихтингГ. Теория пограничного слоя //Наука. 1974г.

7. Полежаев В.И., Верезуб H.A. и др. Конвективные процессы в невесомости 1991 г,

8. Гухман A.A. Введение в теорию подобия. 1973 г.

9. Левин В.Г. Физико-химическая гидродинамика 1959 г.

10. Под ред. Мышкиса Д.Д. Гидромеханика невесомости // Наука 1976 г.

11. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. Часть 1. // Наука. 1976 г.

12. Кускова Т.В. Численное исследование двумерных течений вязкой несжимаемой жидкости. // Некоторые методы применения сеток в газовой динамике. Сб.работ ВЦ МГУ, 1971г.

13. Симуни Л.М. Движение вязкой жидкости в плоской слабоволнистой трубе. // Изв. ДН СССР, МЖГ, 1968г. №1

14. Симуни Л.М. Движение вязкой несжимаемой жидкости в плоской трубе. //ЖВМ и МФ, 1965г. №6

15. Булеев Н.И., Тимухин Г.И. Течение вязкой несжимаемой жидкости на входном участке плоского канала //ПМТФ, 1976г. №8

16. Петриш1ев B.C. Численное решение некоторых двумерных задач гидродинамики и теплообмена. Канд.дисс, Обнинск, 1968г.

17. Варжанская Т.О., Чудов Л.Д. Обтекание плоской полубесконечной пластины вязкой несжимаемой жидкостью. // Некоторые методы применения сеток в газовой динамике. Сб.работ ВЦ МГУ, 1971г.

18. Браиловская И.Ю., Кускова Т.В., Чудов Л.А. Разностные методы решения уравнений Навье-Стокса. // Вычислительные методы и программирование., сб.работ ВЦ МГУ. 1968г.

19. Лыков А.В. Тепломассообмен, (справочник)// Энергия. 1972г.

20. Петухов Б.С. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. // Энергия. 1967г.

21. Кутателадзе С.С, Основы теории теплообмена. // Атомиздат 1979г.

22. Садиков И.Н, Теплообмен в начальных участках плоского и прямоугольного каналов. // ИФЖ, 7, №9, 1964г.

23. Садиков И.Н. Ламинарный теплообмен в начальном участке прямоугольного канала. // ИФЖ, 8, №4, 1965г.

24. Садиков И.Н. Движение вязкой жидкости в начальном участке плоского канала. // ИФЖ, 12, №2, 1967г.

25. Boussinesq J. Comptes Rendus de I'Ac. d. Sc, 113. 9-15,49-51, 1891 r

26. Рассохин Н.Г., Ян Ч.Л., Динь Ч.Н. Численное исследование теплоотдачи при ламинарном течении в трубе с большим температурным напором на основе двумерной модели. // РНКТ-1, т.1, 1994 г.

27. Галиев И.М., Зубков П.Т. Плоское конвективное течение воды в горизонтальном канале. // РНКТ-2, т.З, 1998г.

28. Huang CO., Lin T.F. Vortex flow and thermal characteristics in mixed convection of air in a horizontal rectangular duct: effects of the Re and Gr numbers. // Int J. Heat Mass Transfer. 1995. №38, p. 1661-1674.

29. Опанасенко A.H. Свободноконвективный тепломассоперенос через канал с различной ориентацией в поле тяжести, соединяющий замкнутые полости с различной температурой // РНКТ-2, т.З, 1998г.

30. Остроумов Г.А. Свободная конвекция в условиях внутренней задачи. // М.Л.: Гос. Изд. научно-технической литературы, 1952.

31. De Salve at al. Natural convection heat and mass transfer in a horizontal pipe with different end temperatures. // Proceedings of the Tenth International Heat Transfer 1994. Brighton UK, V.7, p. 149-153.

32. Аристов C.H., Зеленина В.Г. Влияние теплообмена на Пузейлевское течение термовязкой жидкости в плоском канале. // Изв. РАН МЖГ, 2000г., №2.

33. Чуданов В.В. Интегральный подход к решению задач вычислительной гидродинамики в сложных областях. // Изв. РАН Энерг., 1999г., №6.

34. Цой В.П., Цой П.В. и др. Многообразие синтеза нестационарного теплообмена в каналах и теплопроводности в телах сложной формы. // Тепломассообмен ММФ-2000,4-й Минский международный форум, Т.1.

35. Прокопов В.Г., Фиолко Н.М. и др. Сопряженный теплоперенос в каналах в зонах автономности. // Тепломассообмен ММФ-2000, 4-й Минский международный форум, Т.1.

36. LeevKuan-Tzong, Van Wei-Mon Mixed convection heat transfer in horizontal rectangular ducts with wall transpiration effects. // Int. J. Heat Mass Transfer. 1998 - 41 №2, p. 411 -423

37. Olsson Carl-Olof, Sunden Bengt. Experemental study of flow and heat transfer in rib-roughened rectangular channels. // Exp. Thernn. and Fluid Sci. 1998 - 16, №4, 0.349-365.

38. Al-Nimr A.M. A simplified approach to soling conjugate heat transfer problems in annular and dissimilar parallel plate ducts. // int. J. Energy Res.1 998-22, №12, c.1055-1064.

39. Shin Sehyun, Kim Byung-Suk. Numerical heat transfer in a rectangular duct for a non-Newtonian fluid with shear rate-dependent thermal conductivity and temperature dependent viscosity. //Appl. Mech. and Eng. 1998 - 3, №2 - 0323-337.

40. Chang P.Y., Chou F.C., Tung C.W. Heat transfer mechanism for Newtonian and non-Newtonian fluids in 2:1 rectangular ducts. // Int. J. Heat Mass Transfer. 1998 - 41 №23, p. 3841-3856.

41. Hirota Masafumi and ., Nihon kikai gakkai ronbunshu. //Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. 1998 - 64, № 625 -c2977-2985. (яп.)

42. Sillekens J.J., Rindt C.C. Development of laminar mixed convection in a horizontal square channel with heated side walls. // Int. J. Heat and Fluid flow. 1998 - 19 - №3, p. 270-281.

43. Шинкевич Т.О. и др. Теплообмен при ламинарном течении вязкой жидкости в трубах и коаксиальных каналах с местной закруткой пото-ка.//РНКТ-2, т.2, 1998г.

44. Майорова А.И., Свириденков A.A. Охлаждение стенки пористой трубы при наклонном вдуве воздуха. // РНКТ-2, т.2, 1998г.

45. Осипов М.И., Гущин A.B. Сопряженный тепломассообмен в пористой стенке со вдувом охладителя. // РНКТ-2, т.2, 1998г.

46. Трдатьян С.А., Климов A.A. Переход ламинарного течения в турбулентное при направленном вдуве через перфорированную поверхность в ламинарный пограничный слой. // РНКТ-2, т.2, 1998г.

47. Antar Mohamed. Упрощенный метод решения некоторых задач гид- i родинамики и теплообмена. // Int. J. Energy Res. 1998 - 22, №14 -01291-1298.

48. Егоров И.В. Математическое моделирование теплообмена с помощью полной системы уравнений Навье-Стокса. // РНКТ-2, т.2, 1998г.

49. Зудин Ю.Б. Метод расчета теплообмена при турбулентном течении жидкости в области сверхкритических давлений. // Изв. РАН Энерг. -1 9 9 8-№6.

50. Соколов Н.П. Теоретическое исследование гидродинамики и теплообмена в плоскопараллельном канале при развитом турбулентном течении с различными гидродинамическими и тепловыми условиями на стенках. // РНКТ-2, т.2, 1998г.

51. Астрахов A.B. и др. Моделирование нестационарных процессов тепломассообмена с использованием интегральной теории. // РНКТ-2, т.2, 1998г.

52. Валуева Е.П. Теплообмен при пульсирующем турбулентном течении сжимаемого газа в канале. // РНКТ-2, т.2, 1998г.

53. Черкасов С. Г. Теоретическое исследование стационарного течения вязкой несжимаемой жидкости в каналах ромбовидного сечения. // НИИТП НПО № 1574, 1993 г.

54. Черкасов С. Г. модифицированный численный метод для расчета тепловой конвекции в вертикальном цилиндрическом сосуде. // Численные методы механики сплошной среды. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1984г., Т.15, №5.

55. Эксперименты на ОС «Мир» Войтешонок В.С, Гришин В.М., Егоров С.Д. и др. Отчет/Центр Келдыша инв. № 3097 1999г

56. Подготовка космических экспериментов на установке «Волна-2А» Амирханян Н.В., Войтешонок В.С, Егоров С.Д. и др. Отчет/Центр Келдыша инв. № 3005 1999г.

57. Комплексные исследования в обеспечение разработок баковых систем КА и разгонных блоков и систем жизнеобеспечения ОС. Анализ и обобщение результатов. Амирханян Н.В., Войтешонок В.С, Егоров С.Д. и др. Отчет/Центр Келдыша инв. № 3273 2000г.

58. Разработка схем экспериментальных установок и методик расчета в обеспечение развития методов определения теплового режима в баках. Амирханян Н.В., Войтешонок В.С, Злоцовский A.M. и др. Отчет/Центр Келдыша инв. № 3420 2001г.

59. Подготовка космических и модельных экспериментов для исследования внутрибаковых процессов и процессов конденсации влаги. Развитие методик расчета. Амирханян Н.В., Войтешонок В.С, Голов B.C. и др. Отчет/Центр Келдыша инв. № 3480 2001г.

60. Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук. Тезисы докладов на XLIV научной конференции, посвященной 50-летию создания МФТИ. Ч.З. 2001г.2. Конденсация

61. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. // Энергия. 1977г.

62. Левин В.Г. Физико-химическая гидродинамика. // 1959г.

63. Артеменко СВ., Вуз Н.В. Расчетный анализ пленочной конденсации неподвижного пара на сребренной поверхности. // РНКТ-2, Студенческая секция. 1998 г.

64. Банный О.В., Вуз Н.В. Численное моделирование пленочной конденсации в плоской щели. РНКТ-2, Студенческая секция. 1998 г.

65. Смирнов Г.Ф. Вуз Н.В. Конденсация на профилированных поверхностях при негравитационном течении пленки. // ММФ-96, т4., часть 2. 1996

66. Алексеенко С. В., Накоряков В. Е., Покусаев Б. Г. Волновое течение пленок жидкости. // Наука. Новосибирск. 1992 г.

67. Под ред. Шекриладзе И. Г. Тепловые трубы для систем термостабилизации. // Энергоатомиздат. 1991 г.

68. В.И. Терехов, В.В.Терехов, К.А.Шаров Анализ конвективного тепломассообмена при течении влажного воздуха в каналах. // РНКТ-2, т.4,'1 998г

69. Крюков А.П., Шишков И.Н. Конденсация смесей при наличии трудно-конденсируемого компонента. // РНКТ-1, т.5, 1994г.

70. Пчелкин Ю.Н. //Теплоэнергетика, 1961 г, №6.

71. Семеин В.М. //Теплоэнергетика, 1956г, №4.

72. Бакластов A.M., Сергазин Ж.Ф. // Изв. ВУЗов, Энергетика, 1 965, №2.

73. Смольский Б.М., Новиков П.А. // ИФЖ, 1971, Т.21, №1.

74. Ш1ербаков Л.А., Новиков П.А. //ИФЖ, 1972, Т.23, №4.

75. Хозе А.Н., Патрикеев В.Н. // Теплофизика и гидрогазодинамика процессов кипения и конденсации. Т.З, Конденсация, Ч.1, Рига, 1986.

76. Гавриш А.С. и др., Перспективы использования нового стимулятора капельной конденсации в опреснительных и энергетических установках. // Промышленная теплотехника, Т.14, №1-3, 1992.

77. Сардак А.И., Гавриш А.С. и др Влияние концентрации фторосодер-жаш1его дисульфида на теплообмен при капельной конденсации. // Промышленная теплотехника, Т. 15, №2, 1993.

78. Gavrish A.S., Rife rt V.G. Investigation of transition mode phenomenon from dropwise to filmwise steam condensation. // Proc. Int'l. Symp. on the Physics of Heat Transfer in Boiling and Condensation. Vol.1, 1997.

79. Гавриш А.С. Влияние концентрации стимулятора и коррозионной устойчивости конденсационной поверхности на теплообмен при капельной конденсации водяного пара. // // РНКТ-2, т.4, 1998г

80. Леонтьев А.И. Инженерные методы расчета трения и теплообмена на проницаемой поверхности. // Теплоэнергетика. №9, 1972.

81. Теплопередача в двухфазном потоке. Под. ред. Д.Баттерворса и Г.Хьюита. // Энергия. 1980.

82. Бояджиев X., Бешков В. Массоперенос в движущихся пленках жидкости. // Механика. Изд. МИР. 1988.

83. Анисимов СВ., Смирнов Ю.Б. Теплообмен при конденсации пара и паровых смесей на гладких и сребренных трубах. // Тепломассообмен ММФ-96, 3-й Минский международный форум, Т.4., Ч.2

84. Chen Han-Taw, Zen Lan. Effect on noncondensable gas on laminar film condensation along a vertical plate fin. // Int. J. Heat and Fluid flow. 1998 -1 9 - № 4 , p. 374-381.

85. Morrison J.N.A., Philpott C, Deans J. Augmentation of steam condensation heat transfer by addition of methylamine. // Int. J. Heat Mass Transfer. 1998 - 41 №22, p. 3679-3683.

86. Авраменко A.A., Изгорева И.А., Кобзарь С.Г. Теплообмен при конденсации с учетом теплоты трения. // Пром. теплотехн. 1998 -20,№5

87. Риферт В.Г., Усенко В.И. анализ режимов течения фаз и методов расчета теплообмена при конденсации внутри горизонтальных труб. // Пром. теплотехн. 1998 - 20,№2

88. Moser K.W., Webb R.L. А new equivalent Reynolds number model for condensation in smooth tubes. // Trans. ASME J. Heat Transfer 1998 -120, №2-0.410-417.1. Численные методы

89. Самарский A.A. Николаев E. С. Методы решения сеточных уравнений. // Наука. 1978 г.

90. Самарский А.А. Вабищевич П. Н. Численные методы решения задач конвекции-диффузии. //Эдиториал УССР. 1999 г.

91. Самарский А.А. Попов Ю. П. Разностные методы решения задач газовой динамики. // Наука. 1980 г

92. Грунд Ф. Программирование на языке ФОРТРАН 4. 1976 г.

93. П. Роуч Вычислительная гидродинамика. //МИР 1980г.

94. Черкасов С.Г. Исследование некоторых разностных схем для расчета температурного поля в двумерных задачах естественной конвекции. // Отчет инв. №797 1982г.

95. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. // Энергоатомиздат. 1984.

96. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов Л.А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена, // Наука, 1984.

97. Котляр Я.М., Совершенный В.Д., Стриженов Д.С. Методы и задачи тепломассообмена.// Машиностроение. 1987.

98. Котляр Я.М. Методы математической физики и задачи гидроаэродинамики. // Высшая школа. 1991

99. Пирумов У.Г., Росляков ГС. Численные методы газовой динамики. // Высшая школа. 1987.

100. Полежаев В.И., Федосеев А.И. Метод конечных элементов в задачах гидромеханики, телло- и массообмена. // Препринт 160. ИПН. 1980.

101. Полежаев В.И., Грязнев В.Л. Исследование некоторых разностных схем и аппроксимаций граничных условий для численного решения уравнений тепловой конвекции.// Препринт 40. ИПН. 1974.

102. Полежаев В.И., Бунэ A.B., Дубовик К.Г., Федюшкие А.И. Тесты и модификации конечно-разностных схем для двумерных уравнений На-вье-Стокса.// Препринт 260. ИПН. 1985.

103. Стренг Г., Дж. Фикс. Теория метода конечных элементов. // МИР 1977.

104. Корнеев В.Г. Схемы метода конечных элементов высоких порядков точности. // ЛГУ 1977.

105. Бейкер А. Дж. Алгоритм метода конечных элементов для решения уравнений Навье-Стокса. // Сб. Механика №14, 1977.1. Теплообменник-конденсатор2. Вентилятор1. Рис 1.1

106. Пластина 1х = 0,5м, 12=0,2м, То=293 К, Тууо=273 К. Влажность 100%, поток массы 12,95 г/час Изолинии потока массы конденсата г/млч.

107. Пластина 1х = 0,5м, 12=0,2м, То=293 К, Тууо=273 К. Влажность 80%, средний поток массы 89,5 г/мл час Изолинии потока массы конденсата г/млч.

108. Зависимость интенсивности среднего потока массы от параметров пластины приразличном расположении стоков теплаг/ч*м1800 -|охлаждение с одной стороны--— охлаждение с двух сторонМ1.S=0.1 22 S=0.2 м м3.8=0.4 2о.о