Исследование процессов переноса в паровых пленках, образующихся при взаимодействии нагретых тел с криогенными жидкостями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Биглари Моджтаба

• Биглари Моджтаба
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Биглари Моджтаба

ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность темы.

Цель и задачи работы.

Научная новизна.

Автор выносит на защиту.

Практическая ценность.

Достоверность полученных результатов.

Апробация работы.

Публикации.

Структура диссертационной работы.

ГЛАВА 1 — ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ.

1.1. Состояние проблемы об исследованиях эволюции паровых пленок на шаровых (сферических) нагревателях.

1.2. Экспериментальные исследования взаимодействия горячих объектов с жидкостями.

ГЛАВА 2 — ОБЩЕЕ РАССМОТРЕНИЕ ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ.

2.1. Физическая модель процесса.

2.2. Основные уравнения, описывающие эволюцию паровой пленки.

2.2.1. Определение движения межфазной поверхности пар-жидкость.

2.2.2. Неравновесные эффекты на межфазной поверхности.

2.2.3. Влияние изменения температуры межфазной поверхности пар-жидкость.

2.2.4. Теплообмен через пленку, пара.

2.2.5. Перенос энергии в жидкости.

2.2.6. Итоговая система уравнений, описывающих эволюцию паровой пленки.

2.3. Методы решения системы уравнений, описывающих движение межфазной поверхности и перенос энергии в жидкости.

2.3.1. Решение уравнения движения межфазной поверхности.

2.3.2. Анализ погрешности.

2.3.3. Численное решение параболического уравнения теплопроводности.

2.3.4. Алгоритм решения.

2.3.5. Точность вычисления.

ГЛАВА 3 — СВЕРХТЕКУЧИЙ ГЕЛИЙ.

3.1. Кипение сверхтекучего гелия.

3.2 . Эволюция паровой пленки на поверхности горячего шара, погруженного в сверхтекучий гелий.

3.3. Результаты решения и их обсуждение.

3.3.1. Исследование влияния начальной толщины пленки пара.

3.3.2. Исследование влияния глубины погружения.

3.3.3. Исследование влияния размера горячего шара.

3.3.4. Исследование влияния начальной температуры металлического шара на частоту колебания.

3.4. Реализация режима без колебаний при постоянной тепловой нагрузке.

ГЛАВА 4 — ЖИДКИЙ МЕТАН.

4.1. Постановка задачи.

4.1.1. Описание движения межфазной поверхности пар-жидкость.

4.1.2. Теплообмен в пленке пара.

4.1.3. Теплообмен в жидком метане.

4.1.4. Анализ процесса замерзания.

4.1.5. Движение (падение) капли воды в жидком метане.

4.2. Система уравнений, описывающих движение межфазной поверхности и теплообмен в жидкости.

4.3. Решение системы уравнений и анализ полученных результатов.

4.3.1. Исследование влияния глубины погружения капли воды.

4.3.2. Исследование влияния начальной толщины пленки пара.

4.3.3. Исследование влияния размера капли воды.

4.3.4. Исследование влияния температуры капли воды.

4.3.5. Влияние начального давления пара в пленке.

4.4. Сравнение с экспериментальными данными.

ГЛАВА 5 — УСТОЙЧИВОСТЬ СТАЦИОНАРНОГО РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ ТОЛЩИНЫ ПАРОВОЙ ПЛЕНКИ НА ПОВЕРХНОСТИ ГОРЯЧЕГО ШАРА, ПОГРУЖЕННОГО В СВЕРХТЕКУЧИЙ ГЕЛИЙ.

5.1. Постановка задачи и метод решения.

5.2. Основные уравнения и их приведение к безразмерному виду.

5.2.1. Приведение уравнения Рэлея к безразмерному виду.

5.2.2. Приведение кинетического соотношения к безразмерному виду.

5.3. Результаты и их анализ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процессов переноса в паровых пленках, образующихся при взаимодействии нагретых тел с криогенными жидкостями»

Как известно, процесс кипения жидкостей является одним из интенсивных способов отвода теплоты, который широко используется в промышленности. Например, в котлах тепловых электростанции, испарителях систем охлаждения и многое другое.

Известны два вида кипения пузырьковое и пленочное. При пленочном кипении передача тепла от твердого тела к окружающей жидкости происходит (осуществляется) через разделяющую их паровую пленку. Эта паровая пленка образует сплошной, сравнительно однородный слой на поверхности тела.

Знание закономерностей пленочного кипения особенно важно при работе с криогенными жидкостями. Очень большие температурные перепады между находящимися при комнатной температуре твердыми телами и криогенными жидкостями часто приводят к возникновению пленочного кипения в процессе захолаживания. При работе с криогенными жидкостями пленочное кипение встречается настолько часто, что исследование и понимание механизма теплоотдачи при пленочном кипении очень важно. Необходимо обратить внимание на то, что при пленочном кипении на поверхности твердого тела характеристики поверхности нагрева не оказывают столь существенного влияния на интенсивность теплоотдачи, как при пузырьковом. Образование, рост и отрыв паровых формирований в этом случае происходит только на межфазной поверхности пар-жидкость. Поэтому исследование процессов тепломассопереноса через межфазную поверхность представляется особенно важным.

Актуальность темы

Образование паровых пузырьков и пленок на поверхности горячих тел, погруженных в жидкость, очень часто встречаются в промышленности. Так, например, такие процессы используются для размельчения камней в почках с помощью акустики, ультразвуковой чистки, лазерной хирургии и, наконец, в принтерах.

В некоторых случаях это явление отрицательно влияет на работу системы. В качестве примера при охлаждении сверхпроводящих магнитов в Не-И образование пленки пара на поверхности магнита уменьшает интенсивность теплоотдачи. В ядерной технологии, в процессе плавления металлов и производстве бумаги при сжижении природного газа образование пленки пара на горячей поверхности может приводить к катастрофическим последствиям (паровой взрыв).

Во всех таких ситуациях процессы переноса через межфазную поверхность могут реализовываться в неравновесных условиях, кроме того, возможно изменение температуры жидкости вблизи границы раздела фаз.

В настоящее время процесс эволюции паровой пленки на поверхностях горячих тел, погруженных в относительно холодные жидкости, с учетом неравновесных эффектов и эффектов изменения температуры межфазной поверхности исследован недостаточно полно и требует создания подходящей методики для такого исследования.

Цель и задачи работы

Целью настоящей работы была разработка модели эволюции паровой пленки на поверхности относительно горячих объектов, погруженных в криогенные жидкости, при их остывании с учетом неравновесных эффектов на межфазной поверхности пар-жидкость, а также с учетом изменения температуры межфазной поверхности. На базе разработанной модели провести исследование влияния различных параметров на эволюцию пленки пара. Для достижения этой цели в работе решены следующие задачи:

- проведено исследование эволюции паровой пленки на поверхности горячего шара, погруженного в Не-11 с учетом его остывания;

- исследована устойчивость паровой пленки на поверхности горячего шара, погруженного в Не-П;

- исследована эволюция паровой пленки, образующейся на поверхности капли воды, погруженной в жидкий метан.

Научная новизна

Получены новые данные о режиме расширения и схлопывания пленки пара на поверхности горячего шара, погруженного в Не-И, и определены режимы, при которых отсутствуют колебания паровой пленки.

Определена область устойчивости паровой пленки, образованной на поверхности нагретого тела, погруженного в сверхтекучий гелий. Получены новые данные об эволюции паровой пленки на поверхности капли воды, погруженной в жидкий метан, с учетом изменения температура межфазной поверхности пар-жидкость.

Автор выносит на защиту

Методику численного расчета тепломассопереноса на межфазной поверхности пар-жидкость в Не-П и в обычной криогенной жидкости (например, жидкий метан), учитывающую неравновесные эффекты на межфазной поверхности пар-жидкость, изменение температуры этой поверхности, ее движение, а также охлаждение горячего тела, погруженного в жидкость в результате теплоотдачи от него.

Практическая ценность

Разработанная методика численного расчета может быть использована при исследовании динамики паровой пленки, образующейся на поверхности горячих тел, погруженных в жидкость, и математическом моделировании явления парового взрыва в результате попадания горячих тел в относительно холодную жидкость.

Достоверность полученных результатов подтверждается проведенным многократным тестированием отдельных элементов используемых алгоритмов и всей задачи в целом. Кроме этого, достоверность некоторых полученных результатов подтверждается сравнением с экспериментальными данными по эволюции паровой пленки.

Апробация работы

Результаты настоящей работы докладывались и обсуждались на IX международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2003 г.); XIV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках» (Рыбинск, 2003 г.); V Минском международном форуме по тепло-и массообмену (Минск, 2004 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликованы две статьи и один тезис.

Структура диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 113 страницах машинописного текста, содержит 36 страниц с рисунками, список литературы включает 63 наименований.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Биглари Моджтаба

Заключение

Предложена методика расчета динамики паровых пленок при остывании относительно горячих объектов, погруженных в криогенные жидкости, на основе механики сплошной среды и молекулярно-кинетической теории. С учетом неравновесных эффектов на межфазной поверхности пар-жидкость определены зависимости радиуса пленки пара, скорости и температуры межфазной поверхности, давление пара внутри пленки, а также режимы охлаждения горячего шара от времени.

С помощью предложенной методики получены данные для Не-11 и жидкого метана.

Для Не-11 рассмотрено влияние различных параметров, таких как температура поверхности шара, начальная толщина пленки пара, глубина погружения и размер шара на характер протекания процесса. Выявлено, что при определенной глубине погружения существуют режимы охлаждения без колебаний. В этом случае, в ходе схлопывания пленки пара ее толщина изменяется линейно. Для каждого значения температуры и размера металлического шара существует единственное значение глубины погружения, при котором не происходит колебаний межфазной поверхности пар-жидкость.

При рассмотрении устойчивости пленки пара на поверхности шара, погруженного в Не-11, для случая, когда температура этого шара постоянна, определена область устойчивости стационарного решения и выявлено, что если стационарное решение существует, то оно устойчиво.

При рассмотрении поведения капли воды в жидком метане в отличие от Не-И не удалось получить колебательного режима движения межфазной поверхности. Выявлено, что процесс роста и схлопывания паровой пленки происходит очень быстро. Среди различных факторов, влияющих на механизм роста и схлопывания пленки пара, глубина погружения капли и начальная толщина пленки важнее других.

В отличие, от Не-П, для которого температура межфазной поверхности в ходе процесса не изменялась, для жидкого метана изменение этой температуры, особенно в начале процесса, значительно. В результате этого, повышение давления внутри пленки происходит более интенсивно. Поэтому рост паровой пленки происходит гораздо быстрее, что может быть причиной отсутствия колебательного режима при движении межфазной поверхности.

Решение задачи об эволюции паровой пленки на поверхности капли воды, погруженной в жидкий метан, показывает, что ситуация приближается к возможности возникновения парового взрыва.

На основе разработанной автором методики проведено сравнение с экспериментальными данными работы [47] для воды и получено удовлетворительное совпадение результатов, что свидетельствует о пригодности предложенной расчетной методики.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Биглари Моджтаба, 2004 год

1. Аметистов Е.В., Клименко В.В., Павлов Ю.М., Кипение криогенных жидкостей, М.: Энергоатомиздат, 1995,400с.

2. Аметистов Е.В., Григорьев В.А., Теплообмен с Не-П, М.: Энергоатомиздат, 1986, 144с.

3. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М., Численные методы, учебное пособие, М.: Наука, Гл. ред. Физ.-Мат. Лит., 1987, 600с.

4. Бартеньев О.В., Современный Fortran, М.: Диалог-МИФИ, 1998,397с.

5. Боярчук А.К., Головач Г.П., Справочное пособие по высшей математике, Т.5. Дифференциальные уравнения в примерах и задачах, М.: Издательство "УРСС",1999., 384с.

6. Варгафтик Н.Б., Филиппов Л.П., Тарзиманов А.А., Тоцкий Е.Е., Справочник по теплопроводности жидкостей и газов, М.: Энергоатомиздат, 1990, 352с.

7. Варгафтик Н.Б., Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей, М.: Издательство Физико-математической литературы, 1963, 708с.

8. Горбунов А.А., Дергунов И.М., Крюков А.П., Эволюция паровой полости при кипении сверхтекучего гелия, Труды второй российской национальной конференции по теплообмену, М.: Издательство МЭИ, 1998, Т.4., с.80-83.

9. Горбунов А.А., Дергунов И.М., Крюков А.П., Эволюция паровой пленки при взаимодействии горячих сферических объектов с водой, Труды третьей национальной конференции по теплообмену, М.: Издательство МЭИ, 2002, Т.4., с.253-256.

10. Дергунов И.М., Исследование эволюции паровых пленок на поверхностях нагретых тел, погруженных в жидкости, Диссертация кандидата технических наук, Москва, 2001,160с.

11. Домбровский JI.A., Зайчик Л.И., Динамика парового пузыря при тепловом взаимодействии горячей сферической частицы с окружающей водой, Т.В.Т., 2000, Том 38, №.6, с.975-984.

12. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С., Теплопередача, М.: Энергоатомиздат, 1981,416с.

13. Крюков А.П., Движение жидкости в канале с паром при наличии продольного теплового потока, Т.В.Т., 2000, Том.38, №.6, с.945-949.

14. Крюков А.П., Элементы физической кинетики, М.: Издательство МЭИ, 1995, 72с.

15. Лабунцов Д.А., Ягов В.В., Механика двухфазных систем, М.: Издательство МЭИ, 2000, 374с.

16. Лыков А.В., Теория теплопроводности, М.: издательство « Высшая школа », 1967, 600с.

17. Меламед В.Г., Сведение задачи Стефана к системе обыкновенных дифференциальных уравнений, Изв. АН СССР, Сер. Геофиз., №.7, 1958,с.848-869.

18. Муратова Т.М., Лабунцов Д.А., Кинетический анализ процессов испарения и конденсация, Т.В.Т., 1969, Т.7., №.5, с.959-967.

19. Постольник Ю.С., Тимошпольский В.И., Трусова И.А., Козлов С.М., Дубинина О.В., ИФЖ, 2001, Т.74., №.3. с.100-105.

20. Рыжиков Ю.И., Программирование на фортране Power Station для инженеров, Санкт-Петербург, Издательство «КОРОНА принт», 1999, 160с.

21. Сивухин Д.В., Общий курс физики, Т.З., М.: «Наука», 1983,687с.

22. Справочник по физико-техническим основам криогеники, Под. Ред. М.П. Малкова., М.: Энергоатомиздат, 1985, 431с.

23. Сычев В.В., Вассерман А.А., Загорученко В.А., Термодинамические свойства метана, М.: Издательство стандартов, 1979, 348с.

24. Теплопередача при низких температурах, Под ред. У. Фроста, перевод с английского В.В. Альтова, А.А. Васильева, М.: Издательство «Мир», 1977, 392с.

25. Фортран 90. международный стандарт, М.: Финансы и статистика, 1998,416с.

26. Фролов С.В., Кипинс B.JL, О времени промораживания прямоугольного брус и параллелепипеда, Вестник международной академии холода, №.2,2003.

27. Ястребов А.К., Крюков А.П., Решение уравнения Больцмана для задач теплопереноса в паровой пленке , Труды третьей российской национальной конференции по теплообмену, М.: Издательство МЭИ, 2002, Т.8., с.148-151.

28. Abe Y., Nariai Н., Hamada Y., The Trigger Mechanism of Vapor Explosion, Journal of Nuclear Science and Technology, Vol.39, No.8, p.845-853, (August 2002).

29. Asai A., Bubble Dynamics in Boiling Under High Heat Flux Pulse Heating, Transactions of the ASME, Journal of Heat Transfer, Vol.113, p.973-979, 1991.

30. Avedasian, C.T., Osbourne, W.S., McLeod F.D., Cureley C.M., Measuring Bubble Nucleation Temperature on the Surface of a Rapidly Heated Thermal1.kjet Heater Immersed in a Pool of Water, Proc. R. Soc., London, Ser.A., 455, p.3875-3899, 1999.

31. Bejan A., Convection Heat transfer, New York, John Wiley & Sons, Inc., 1984, 477p.

32. Bejan A., Heat Transfer, New York, John Wiley & Sons, Inc., 1993, 675p.

33. Berthoud G., Vapor explosion, Annual Review of Fluid Mechanics, Vol.32, 2000, p.573-611.

34. Bogoyavlenski V.A., Differential criterion of a bubble collapse in viscous liquids, Physical Review, Vol.60, No.l, p.504-508, July 1999.

35. Buhner K., Maurer G., Bender E., Pressure-enthalpy diagrams for methane, ethane, propane, ethylene and propylene, Cryogenics, Vol.21, No.3, p.157-164, 1981.

36. Burden R.L., Faires J.D., Numerical Analysis, Australia, Pacific Grove, CA, Brooks /Sole, 2001,841р.

37. Carslaw H.S., Jaeger J.C., Conduction of Heat in Solids, Oxford, Clarendon Press, (1946).

38. Conrado C., Vesovic V., The influence of chemical composition on vaporization of LNG and LPG on unconfined water surfaces, Chemical Engineering Science, Vol.55, 2000, p.4549-4562.

39. Dergunov I.M., Kryukov A.P., Gorbunov A.A., The vapor film evolution at superfluid helium boiling in microgravity conditions, Journal of Low Temperature Physics, 2000, Vol.119, No. 3/4, p.403-411.

40. Dresner L., Transient Heat Transfer in Superfluid Helium, Advances in Cryogenic Engineering, Vol.27, p.411-419,1982.

41. Dresner L., Transient heat Transfer in Superfluid Helium,Part II, Advances in Cryogenic Engineering, Vol.29, p.323-333, 1984

42. Friend D.G., Ely J.F., Hepburn I., Thermophysical Properties of Methane, Journal of Physical and Chemical Reference Data, Vol.18, No.2, p.583-638, 1989.

43. Furuya M., Matsumura K., Kinoshita I., A Linear Stability Analysis of a vapor Film in Terms of the Triggering of Vapor Explosion, Journal of Nuclear Science and Technology, Vol.39, No.10, p.1026-1032, (October 2002).

44. Glod S., Poulikakos D., Zhao Z., Yadigaroglu G., An investigation of micro scale explosive vaporization of water on an ultrathin Pt wire, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.45, p.367-379, 2002,.

45. Gorter C.J., Mellink J.H., On the irreversible process in liquid helium, Physica, Vol.15, ,p.285-304, 1949.

46. Hong Y., Ashgriz N., Andrews J., Experimental Study of Bubble Dynamics on a Micro Heater Induced by Pulse Heating, Transactions of the ASME, Journal of Heat Transfer, Vol.126, p.259-271, April 2004.

47. Iida Y., Okuyama K., Sakurai K., Boiling nucleation on a very small film heater subjected to extremely rapid heating, International Journal of Heat and Mass Transafer, Vol.37, No.17, p.2771-2780, 1994.

48. Inoue A., Ganguli A., Bankhoff S.G., Destabilization of Film Boiling Due to Arrival of a Pressure Shock. PartH: Analytical, Transactions of the ASME, Journal of Heat Transfer, Vol.103, p.465-471, August 1981.

49. Kryukov A.P., Van Sciver S.W., Calculation of recovery heat flux from film boiling in superfluid helium, Cryogenics, Vol.21, p.525-528, 1981.

50. Lee H.S., Merte H.Jr., The Origin of the Dynamic Growth of Vapor Bubbles Associated with Vapor Explosions, Proceedings of the ASME Heat Transfer Division, Vol. 1, p.3-13, ASME, 1996.

51. Lin H., Storey B.D., Szeri A.J., Inertially driven inhomogeneities in violently collapsing bubbles: the validity of the Rayleigh-Plesset equation, Journal of Fluid Mechanics, Vol.452, p. 145-162, 2002.

52. Lin L., Pisano A.P., Carey V.P., Thermal Bubble Formation on Polysilicon Micro resistors, Transactions of the ASME, Journal of Heat Transfer, Vol.120, p.735-742, 1998.

53. Matsumura K., Nariai H., Self-triggering mechanism of vapor explosion for the large-scale experiments involving fuel simultant melt, Journal of Nuclear Science and Technology, Vol.34, No.3, p.248-255, 1997.

54. McCann H., Clarke L.J., Masters A.P., An experimental study of vapor growth at the superheat limit temperature, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.32, No.6, p.1077-1093, 1989.

55. Milanez L.F., Simplified relations for the phase change process in spherical geometry, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.28, No.4, p.884-885, 1985.

56. Rayleigh O.M., On the pressure developed in liquid during the collapse of spherical cavity, Phy. Mag., Vol.34, No.200, p.94-98, 1917.

57. Seyfert P., Lafferrrandere J., Claudet G., Time dependent heat transfer in subcooled superfliud helium, Cryogenics, Vol.22, p.401-408, August 1982.

58. Stefan, Ann. Phys. and Chem., (wiedermann) (N.F.), 42, 269-286, 1891

59. Zhao Z., Glod S., Poulikakos D., Pressure and power generation during explosive vaporization on a thin film microheater, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.43, p.281-296, 2000.