№ 5
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 663.64
© 2008 г. НИКОЛАЕВ H.A., ВОЙНОВ H.A., МНХАЛКНН A.C., НИКОЛАЕВ Ал.Н.
ДИНАМИКА ПЛЕНОЧНОГО ТЕЧЕНИЯ В КАНАЛАХ С КРУПНОМАСШТАБНОЙ ШЕРОХОВАТОСТЬЮ ПРИ БОЛЬШИХ ЧИСЛАХ РЕЙНОЛЬДСА
Приведены результаты экспериментального исследования пленочного течения в каналах с крупномасштабной шероховатостью при больших числах Рейнольдса.
Для охлаждения используется оборотная вода крупнотоннажных энергетических установок трубчатых насадок, в которых реализуется пленочное течение жидкости.
Как показали проведенные исследования, в условиях турбулентного пленочного течения жидкости достигаются высокие коэффициенты теплоотдачи, что позволяет повысить эффективность охлаждения оборотной воды и сократить габариты аппаратов (градирен).
Установлено, что уже на небольшом расстоянии от места формирования пленки жидкости происходит деструкция пленочного течения и его переход в струйное, приводящее к сокращению теплопередающей поверхности между взаимодействующими фазами, что фактически нивелирует достигаемый эффект интенсификации теплопе-реноса в турбулентной пленке жидкости.
В этой связи перспективно использование для стабилизации пленочного течения по длине канала регулярной крупномасштабной шероховатости в виде поперечных или наклонных выступов [1].
Применение регулярной крупномасштабной шероховатости на внутренней стенке контактных каналов позволит полностью исключить деструкцию пленочного течения и обеспечить равномерное течение жидкости по периметру канала на любой его длине.
Однако исследования закономерностей пленочного течения жидкости в каналах с искусственной крупномасштабной шероховатостью крайне ограничены, что затрудняет проектирование эффективных насадок, использующих пленочное течение для целей теплообмена.
Очевидно, что форма выступов шероховатости, их высота и расстояние между выступами будут оказывать существенное влияние на характер пленочного течения. В работе [2] были рассмотрены особенности течения пленки жидкости по вертикальной поверхности с поперечными выступами и показано, что в этих условиях за кромкой выступа образуется интенсивный турбулентный след, внешняя граница которого направлена в сторону свободной поверхности, внутренняя - стенка впадины. Одновременно во впадинах между выступами возникает циркуляционное течение жидкости (рис. 1). В том случае, когда расстояние между выступами невелико, ни турбулентный след, ни циркуляционное течение не получают полного развития. С увеличением расстояния между выступами достигается распространение турбулентного следа и зоны циркуляционного течения на всю глубину впадины. При дальнейшем увеличении расстояния между выступами происходит постепенное затухание турбулентного следа, и только часть впадины оказывается занятой циркуляционным током. Оба рассмотренных эффекта безусловно влияют на интенсивность теплопереноса в пленке жидкости.
iU 1
N
V~7-
N
¿О
/ /
N
h
h
h
Рис. 1. Схема течения жидкости по поверхности с крупномасштабной шероховатостью
Рис. 2. Зависимость средней толщины пленки воды Ош от соотношения ¡/к: vж = 1 • 10-6 м2/с: 1 - Яепл = = 30000; 2 - 45000
Рис. 3. Зависимость средней толщины пленки жидкости на поверхности канала с крупномасштабной шероховатостью от RenJI при s/h = 10; 1 - гладкая стенка; 2 - h = 1,0 мм; 3 - 1,85 мм; 4 - 3,0 мм; 5 - 5,0 мм; 6 - 6,0 мм
Следует также ожидать изменения средней толщины пленки жидкости, стекающей по стенке канала с крупномасштабной шероховатостью и, как следствие, количества жидкости, находящейся в зоне контакта с газовой фазой. Исследование удерживающей способности каналов с крупномасштабной шероховатостью и средней толщины пленки проводились ранее [3-7], но они ограничены малыми нагрузками по жидкости (Яе < 5000), а в промышленных установках необходимо достижение значения чисел Рейнольдса 30000-80000. В связи с этим была экспериментально измерена средняя толщина пленки жидкости, стекающей по стенке канала с крупномасштабной шероховатостью, и ее зависимость от характерных размеров выступов шероховатости при высоких значениях чисел Яепл.
sm/srj
3 2 1
4 6 h, мм
Рис. 4. Зависимость относительной толщины пленки жидкости Ош /8 гл от высоты выступов при s/h — 10, уж — 1 • 10-6 м2/с: 1 - Re — 30000; 2 - 45000; 3 - 75000
0
Исследования проводились в каналах диаметром 47,5 мм и длиной 1,6 м, выполненных из пластмассы, с поперечными выступами по всему периметру канала высотой 1,0; 1,85; 3,0; 5,0 и 6,0 мм, располагавшихся на различных расстояниях друг от друга. В опытах был использован простой и надежный метод отсечки питания [8].
Результаты измерения средней толщины пленки воды при температурах 20, 40 и 55°С подтвердили существенное влияние размеров выступов шероховатости на характер течения пленки жидкости, что качественно подтверждается результатами предшествующих исследований. При увеличении соотношения расстояния между выступами к их высоте (s/h) средняя толщина пленки жидкости постепенно возрастает, достигая максимальной величины при соотношении s/h — 8^12, а дальнейшее увеличение s/h привело к ее уменьшению (рис. 2). С увеличением высоты выступов шероховатости h при сохранении постоянного значения s/h средняя толщина пленки жидкости возрастает, асимптотически приближаясь для любого фиксированного значения ReHn к постоянной величине (рис. 3).
Сравнение экспериментальных значений средней толщины пленки, полученных в канале с крупномасштабной шероховатостью и рассчитанных по известному уравнению для условий пленочного течения по гладкой поверхности, показало (см. рис. 4),
что при фиксированных значениях высоты выступов относительное значение 8ш/8гл не зависит от числа ReHn.
8гл = 0,1359Яе7л12, (1)
где 0 — (v^i/g )1/3; 8гл - средняя толщина пленки на гладкой поверхности; уж - кинематическая вязкость жидкости, м2/с; ReHn — 4д/уж, где q - удельный расход жидкости, м3/м • с.
В заключении следует отметить, что при соотношении расстояния между выступами шероховатости к их высоте s/h — 8^12 достигается максимальное значение средней толщины пленки и количества удерживаемой в канале жидкости во всем исследовавшемся интервале чисел ReHn.
ЛИТЕРАТУР А
1. Николаев Ал. Н, Воинов H.A., Николаев H.A. Закономерности пленочного течения в каналах с крупномасштабной шероховатостью // Теоретические основы химической технологии. 2001. < 2. С. 208.
2. Николаев H.A., Харин В.Ф. Гидродинамические закономерности пленочного течения жидкости по шероховатой поверхности // Теоретические основы химической технологии. 1974. Т. 8. < 5. С. 712.
3. Воронцов Е.Г. Влияние вида и размеров упорядоченной шероховатости на течение пленки жидкости // Ж. прикл. химии. 1978. Т. 51. < 4. С. 773.
4. Харин В.Ф., Николаев H.A., Николаев A.M. Влияние шероховатости стенки на толщину пленки жидкости при гравитационном стекании // Изв. вузов. Химия и химическая технология. 1972. Т. 15. < 9. С. 1406.
5. Квурт Ю.П., Холпанов Л.П., Малюсов В.А., Жаворонков H.M. О закономерностях пленочного течения в каналах с регулярной шероховатостью // Докл. АН СССР. 1984. Т. 274.
< 4. С. 88.
6. Дорошенко В.В., Логачевский В.И., Кириллов В.Х., Гайдай В.Г. Особенности пленочного течения жидкости в каналах с регулярной шероховатостью // Инж.-физич. ж. 1988. Т. 54.
< 5. С. 739.
7. Квурт Ю.П., Холпанов Л.П., Малюсов В.А. Толщина пленки жидкости в каналах с регулярной шероховатостью // Теор. основы хим. технологии. 1986. Т. 20. < 4. С. 479.
8. Овчинников A.A., Николаев H.A. Основы гидромеханики двухфазных сред. Казань: Изд. "Мастер-лайн", 1998. 122 с.
Казань Поступила в редакцию
20.04.2007
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.