ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2013, том 47, № 4, с. 402-409
УДК 532.52:532.54
РАЗВИТИЕ КОНВЕКЦИИ В ПРИСТЕННОМ ЗЕРНИСТОМ СЛОЕ ПРИ ЕГО НЕСТАЦИОНАРНОМ НАГРЕВЕ © 2013 г. Б. Г. Покусаев, С. П. Карлов, Д. А. Некрасов, Н. С. Захаров
Московский государственный машиностроительный университет NicolaZaharov@yandex.ru Поступила в редакцию 27.12.2012 г.
На основе разработанного и реализованного оптического метода поляризации полей температур приведены результаты экспериментов по визуализации полей температур и развития конвективных течений в процессе нестационарного кондуктивного нагрева стенки ячейки, включающей слой шариков засыпки, помещенных в жидкость. В условиях варьирования теплофизических свойств жидкости, частиц (шариков) зернистого слоя, а также величины подводимого теплового потока изучен механизм влияния шаровой засыпки на время и характер формирования свободной конвекции вблизи обогреваемой снизу стенки. Предложена расчетная модель процесса.
Б01: 10.7868/80040357113040088
ВВЕДЕНИЕ
Микропористые зернистые среды широко применяются в аппаратах химической технологии (например, каталитические реакторы), энергетике, нефте- и газодобыче и т.д. [1]. Развитая межфазная поверхность контакта твердой фазы с газом или жидкостью, особенности гидродинамики приводят к существенной интенсификации тепло- и массообмена в таких средах. Одной из интересных с научной точки зрения [2] и важных прикладных задач является изучение закономерностей нестационарного прогрева пристенного слоя жидкости в присутствии зернистого слоя. Такая проблема возникает, например, при вскипании теплоносителя в пористых и зернистых средах. Важным фактором здесь является необходимость учета механизма свободной конвекции в процессе прогрева пристенного слоя жидкости, включая стадию образования первых паровых пузырьков. В таких условиях, при определенных соотношениях скорости разогрева поверхности, размерах частиц и материале засыпки, конвекция начинает существенно влиять как на общую динамику протекания процессов, так и на механизмы парообразования в частности [3, 4]. В этих работах было показано, что, начиная со скоростей разогрева поверхности ~800 К/с и ниже, расчетные значения времени индукции, профили температур на момент вскипания и количество паровых зародышей на единицу поверхности существенно отличаются от экспериментальных величин. Это объяснялось тем, что в указанном диапазоне скоростей разогрева в расчетных методиках необходимо учитывать механизм свободной конвекции в системе нагреватель—жидкость—элемент за-
сыпки, далее — ячейка. Исследования также показали, что конвекцию необходимо рассматривать при определенных соотношениях скорости разогрева и размеров характерной ячейки.
В [5] приведены теоретические методики учета конвекции, как при развитом кипении, так и в условиях нестационарного теплоподвода. Однако отсутствуют работы как теоретические, так и экспериментальные, посвященные проблеме нестационарного вскипания в присутствии зернистого слоя. В настоящей работе развит экспериментальный метод фиксации начала развития свободной конвекции и на основе проведенных исследований предложен алгоритм учета конвекции в ранее разработанном [4] программном комплексе для моделирования формирования пульсаций давления, возникающих в среде вследствие вскипания теплоносителя.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
Для исследования тепло- и массообменных процессов, в том числе сопряженных с фазовыми переходами (кипение, испарение и т.п.), успешно используются оптические методы. Эти методы обладают, наряду с высокой информативностью, отсутствием контакта с измеряемым объектом, широким набором экспериментальных методик, а также возможностями исследовать процессы на различных масштабах от молекулярных до аппаратных. Классическая работа [6] посвящена применению оптических методов, основанных на зависимости показателя преломления сплошных сред от температуры и концентрации, в экспери-
ментальных исследованиях тепло- и массообме-на. В ней представлены результаты применения оптических интерференционных методов для изучения тепловых полей в стационарных условиях и при возникновении конвекции в области пограничного слоя и во всем исследуемом объеме. При этом по результатам расшифровки интерференционной картины рассчитывались температурные поля и линии тока. В большинстве случаев исследовались плоские двумерные слои цилиндрической симметрии.
Для зернистых слоев характерна трехмерная пространственная структура, что требует использования томографических методов. Для максимальной реализации возможностей оптических методов в таких условиях в работе [7] было предложено использовать иммерсионную томографию. Результаты использования этих методов для определения параметров движения пузырьков в зернистом слое и структуры потоков при тепло- и массообмене в затопленных зернистых слоях представлены в [8]. В условиях модельной среды заполненного иммерсионной жидкостью зернистого слоя здесь наблюдалось также развитие во времени нестационарного температурного поля. Причем это температурное поле фиксировалось, как в объеме жидкой фазы, так и внутри прозрачной твердой фазы. Дополнительные возможности обеспечило применение метода голографической интерферометрии, который позволяет исключить влияние первоначальных оптических неоднород-ностей структуры объекта исследования, повысить точность и надежность определения изменений свойств неоднородностей за счет температуры. Непрерывные интерференционные полосы, которые в данных условиях визуализировали линии равных температур, наблюдавшиеся и в жидкости, и в твердой фазе, претерпевают излом на границе раздела. Величина этого излома определяется не только различием коэффициентов температуропроводности жидкой и твердой фаз, шаровой формой отдельного зерна, но и конвекцией, которая деформирует структуры теплового поля в пограничном слое и в объеме жидкости.
Отметим, что наблюдение возникновения и развития конвективных потоков здесь возможно одновременно двумя способами. В первом способе момент возникновения конвективного движения линии тока могут визуализироваться по наблюдениям частиц-трассеров, которые обладают нейтральной плавучестью и двигаются со скоростью потока жидкости. Современным эффективным способом измерения поля скоростей в подобных условиях является метод Р1У (измерение скорости по изображениям частиц). При развитии конвекции за счет движения жидкости изменяется температурное поле в объеме и в пограничных слоях, по этим изменениям во втором способе стандартными методами [6] определяет-
ся структура линий тока. Очевидный локальный характер первого способа дополняется интегральными возможностями второго. Второй способ и лег в основу измерений, выполненных в настоящей работе.
Дальнейшим развитием оптических методов исследования микроструктуры потоков в зернистых слоях может явиться предложенный в [9] метод оптической когерентной томографии. Сохраняя преимущество описанных оптических методов, оптическая когерентная томография расширяет возможности в области больших градиентов температур, вплоть до достижения точек фазового перехода.
Экспериментальная установка представляет собой стенд для проведения исследования температурных полей в зернистых слоях, погруженных в жидкость (рис. 1). Она включает устройство, которое обеспечивает нагрев исследуемого объема жидкости при различных уровнях тепловых потоков.
Набор сменных нагревательных элементов включает электронагреватель, теплообменник и термоэлектрический элемент. Два последних дают возможность как импульсного нагрева, так и охлаждения снизу оптической кюветы с исследуемой системой — зернистым слоем, заполненным жидкостью. Использовалась оптическая кювета размером 5 х 10 мм и высотой 15 мм с толщиной слоя жидкости по ходу лучей 5 х 10-3 м. В тепловых экспериментах в качестве зернистого слоя использовались прозрачные стеклянные шарики диаметром 5 х 10-3 м, а в качестве жидкой фазы — вода, изопропиловый спирт, хлористый метилен и иммерсионная жидкость с показателем преломления, равным показателю преломления материала частиц (стекло) зернистого слоя.
В состав экспериментальной установки входят датчики температуры, с помощью которых измерялась температура в отдельных точках исследуемого объема жидкости и на медной греющей поверхности.
Иммерсионная жидкость представляет собой водный раствор смеси неорганических солей — роданистого аммония и йодистого аммония. В зависимости от состава изменялся показатель преломления раствора и его значение подбиралось равным nD = 1.5178. Ранее [8] эксперименты по исследованию гидродинамики течений внутри зернистого слоя, заполненного иммерсионной жидкостью, проводились при постоянной температуре. Для нестационарных условий при наличии температурных градиентов возникает необходимость учета зависимости основных физических характеристик иммерсионной жидкости (плотности, вязкости, поверхностного натяжения и показателя преломления) от температуры. Характерные значения для иммерсионной жидкости при 25°С: р = 1390.54 кг/м3, | = 2.0640 мПа с, а = 42.4 мН/м. Сравнение табличных значений и проведенных
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — лазер; 2 — отражающие зеркала; 3 — полупрозрачное зеркало — делитель лазерного пучка; 4 — линзы; 5 — исследуемый объект — оптическая кювета; 6 — голограмма; 7 — видеорегистратор; 8 — сменный термоэлемент; 9 — система электропитания; 10 — термостат; 11 — система контроля; 12 — компьютер.
измерений для иммерсионной жидкости и воды в диапазоне температур от 20 до 30°С показало, что относительные изменения этих величин в пересчете на один градус в указанном диапазоне температур составляют значительные изменения для вязкости и поверхностного натяжения и малые для плотности (таблица).
Если сравнивать температурные зависимости физических параметров иммерсионной жидкости и воды, которая часто является и рабочей фазой, и модельной средой в тепловых процессах, установлено, что вязкость иммерсионной жидкости изменяется в меньшей степени, а поверхностное натяжение в большей, в сравнении с
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.