Экспериментальные исследования процессов теплои массообмена при испарении топливной пленки с твердой поверхности Текст научной статьи по специальности «Физика»

- расход газа от 0,37 до 0,40 л/с, то есть относительный расход газа - объемный коэффициент инжекции - составляет 2,5.. .2,7;

- размер насадки - 12^12^2 мм;

- относительный объем насадки - 0,06 (6%).

Проведение процесса при величинах, превышающих указанные значения, не приводит к значительной интенсификации процесса.

К преимуществу использования подвижной насадки (по сравнению с применением магнитного поля) можно отнести:

- незначительный нагрев реакционного объема (для магнитного поля температура повышается на 15-20°С);

- очень низкие значения удельной потребляемой мощности 0,5-1 кВт/м3 (для магнитного поля 100300 кВт/м3).

ЛИТЕРАТУРА

1. Леонтьев В.К., Сугак А.В., Москвичев Ю.А., Шалы-гин Е.В., Никифоров П.А. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2008. Вып. 11. С. 14-16; Leontyev V.K., Sugak A.V., Moskvichyov Yu.A., Shaly-gin E.V., Nikiforov P.A. // Khimicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie. 2008. N 11. P. 14-16 (in Russian).

2. Леонтьев В.К., Гирба Е.А., Леонтьев А.В., Рябков И.А. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2003. Т. 46. Вып. 9. С. 123-125;

Leontyev V.K., Girba E.A., Leontyev A.V., Ryabkova I.A. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2003. V. 46. N 9. P. 123-125 (in Russian).

3. Золотов Ю.А., Дорохова Е.Н. Фадеева В.И. Основы аналитической химии. Методы химического анализа. Изд. третье. М.: Высшая школа. 1999. 494 с.;

Zolotov Yu.A., Dorokhov E.N., Fadeeva V.I. Basics of analytical chemistry. Methods of chemical analysis. M.: Vyssh. Shkola. 1999. 494 p. (in Russian).

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии

УДК 532.529

А.П. Семерня, Г.И. Лепехин, П.В. Мишта, Е.А. Беднарская

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА ПРИ ИСПАРЕНИИ ТОПЛИВНОЙ ПЛЕНКИ С ТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТИ

(Волгоградский государственный технический университет) e-mail: mapt@vstu.ru

Получены критериальные уравнения при экспериментальном изучении темпа испарения пленок чистых углеводородных жидкостей с постоянной поверхности в зависимости от скорости и температуры воздушного потока, температуры поверхности испарения и теплофизических свойств жидкости.

Ключевые слова: топливная пленка, испарение, массобмен, пленочный аппарат

Исследование испарения жидкости слож-номолекулярного состава, каким является нефтяное топливо, требует строгого математического решения уравнений переноса импульса, энергии и массы при анализе проблем тепломассопереноса в турбулентном пограничном слое. При решении такой системы уравнений возникает ряд трудностей, которые можно преодолеть методами подобия [1-4], исходя из критериев подобия, пользуясь которыми можно описать процесс.

Для исследования процессов тепло- и мас-сообмена часто применяется экспериментальный метод моделирования, позволяющий получить

достоверные данные об изучаемом явлении при равенстве определяющих критериев для объекта и модели.

Количественная оценка процессов испарения в быстродействующих тепловых машинах в настоящее время встречает ряд трудностей, которые преодолеваются изучением испарения топливной пленки в идеализированных условиях на чистых углеводородных жидкостях.

Экспериментальное исследование процессов тепло- и массообмена при испарении пленки жидкости проводилось на экспериментальной установке [5] и заключалось в следующем.

Исследуемые углеводородные жидкости, тщательно очищенные, проходили через испарительную камеру экспериментальной установки, позволяющей измерять температуры поверхности испарения Т„ и воздушного потока Тш, массу т испарившейся жидкости с постоянной кольцевой поверхности Е пленки за время п в зависимости от скорости воздушного потока w, а также теплофи-зических свойств жидкости.

Значение коэффициента массообмена определялось из соотношения

т

ß = -

(1)

АоРг

где Ас - разность концентраций.

Концентрация паров жидкости на поверхности определялась по уравнению состояния в предположении, что при испарении жидкость находится в термодинамическом равновесии со своим паром

с =А-.

Концентрацией паров жидкости в набегающем потоке воздуха пренебрегали.

Коэффициент конвективного теплообмена а подсчитывался на основании приравнивания конвективной доли теплового потока к теплу фазового перехода с учетом тепловых потерь ( г ■ т ) + ^ g

а =

Fr(Tm- Tw )

T - T T - T

= exp

H2

ax

W.

erf

Wx)

, (3)

пература поверхности стенки в испарительной камере определяет и температуру всей толщины топливной пленки толщиной 5=(10 - 20)40-6 м, создаваемой при скорости воздушного потока w<100 м/с без появления процесса брызгоуноса.

В качестве модельных жидкостей выбраны жидкие углеводороды, теплофизические свойства которых хорошо изучены: «-декан СН3(СН2)8СН3; М=142,27-10"3 кг/моль; Ткип=174°С; а-метилнафта-лин, С10Н7СН3; М=14240-3 кг/моль; ТКИп=244,7°С; «-гексадекан, СН3(СН2)12СН3; М=19840-3 кг/моль; Ткип=281°С.

Обработка полученных экспериментальных результатов проведена в критериальном виде для критериев Нуссельта как для явления теплообмена, так и для явления массообмена при испарении топливных пленок.

В качестве линейного размера для их расчетов принимался диаметр испарительной камеры, а за определяющую температуру - температура Тх воздушного потока.

В результате обработки результатов эксперимента по теплообмену получено критериальное уравнение вида

Кид=10-2Яе0'8К03, (4)

где K = -

■(To- Tw )

- критерий фазового перехо-

(2) да; Re =

wdp И

- критерий Рейнольдса.

где гт - количество тепла, затраченного на испарение; - сумма тепловых потерь через стенки камеры.

Для обработки экспериментальных данных необходимо знать температуру поверхности пленки со стороны воздушного потока, так как она определяет значение давления насыщенных паров РМ1.

Экспериментальное определение температуры поверхности пленки со стороны газа вследствие ее микроскопического размера (прилипания) затруднено. Поэтому значение Тм, для данной экспериментальной установки находили расчетным путем, на основании решения дифференциального уравнения теплопереноса, решение которого имеет вид:

( \ . /... \( I-А

В результате исследований процесса массообмена получено критериальное уравнение

Nu = 2 -10-2 Re08 K-0,6

fp V

P

(5)

Относительные максимальные погрешности при определении чисел Нуссельта как по теплообмену, так и массообмену не превышают ±15%. На рис. 1, 2 приведены опытные данные при сравнении их с критериальными уравнениями (4) и (5) в шкале десятичных логарифмов. . Nun

Ig

где а - коэффициент температуропроводности

пленки, Н = - коэффициент, зависящий от

2 8

да

теплопроводности жидкости и воздуха А,ш, а также толщины пленки 5.

Анализ решения (3) показывает, что тем-

Re™ ■2.2

-3.0

-3.8

-1.

О 0.2 0.4 0.6

lg К

Рис. 1. Зависимость теплообмена от критерия K. х - и-декан;

А - а-метилнафталин; о - и-гексадекан Fig. 1. Dependence of heat transfer on the criterion K. х - и-decane; А - а-methylnaphthalene; о - и-hexadecane

r

С

dm dz

= -ßF Ac,

(6)

которое после подстановки коэффициента массо-обмена Р и разности концентраций Ас, учитывает граничные условия в явном виде и позволяет детально проанализировать процессы испарения в реальных условиях.

Окончательная запись уравнения Фика после указанных преобразований имеет вид

dm dz

= 2 -1Q-

wdp

P

PU' DI^F (7)

d RT

Рис. 2. Зависимость теплообмена от PJPw для различных жидкостей. х - и-декан; А - а-метилнафталин; о - и-гексаде-

кан; * - 20о-фракции дизельного топлива Fig. 2. The dependence of the heat transfer on PJPw for different liquids. х - n-decane; А - methylnaphthalene; о - n-hexadecane;

* - 20°, the fraction of diesel fuel

Исследования позволили установить, что процесс массообмена при испарении углеводородов различных молекулярных масс М и химического строения можно рассчитывать по зависимости (5).

Результаты исследования испаряемости дизельного топлива с малыми относительными погрешностями также укладываются в эту зависимость несмотря на то, что испарение 20°-ой фракции топлива заключалось в сравнении двух кривых фракционных разгонок топлива: одна получена для дизельного топлива, а другая после фракционной разгонки неиспарившейся части дизельного топлива, которое прошло через испарительную камеру экспериментальной установки.

В основу зависимости массы m испарившейся жидкости во времени п с постоянной поверхности F, позволяющее использовать полученные результаты эксперимента по массообмену, положено уравнение Фика

г (T.- Tw )_

Зависимость (7), включающая технологические параметры и теплофизические свойства топливных пленок, а именно, коэффициент диффузии D, давление насыщенных паров Pw, удельную теплоту парообразования r, теплоемкость cT, плотность р и вязкость ц воздушного потока позволяет предложить инженерный метод расчета интенсивности процессов испарения топливных пленок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гухман А.А. Введение в теорию подобия. М.: Высшая школа. 1973. 295 с.;

Gukhman AA Introduction to the theory of similarity. M.: Vysshaya Shkola. 1973. 295 p. (in Russian).

2. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло- и массообмена. М. : Высшая школа. 1974. 328 с.;

Gukhman A.A. Application of similarity theory to the study of heat and mass transfer. M.: Vysshaya Shkola. 1974. 328 p. (in Russian).

3. Мишта П.В., Осокин В.А., Рябчук Г.В. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2005. Т. 48. Вып. 9. С. 117; Mishta P.V., Osokin V.A , Ryabchuk GV. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2005. V. 48. N 9. Р. 117 (in Russian).

4. Ковалев Н.С., Мишта П.В., Беднарская Е.А., Лепехин Г.И., Рябчук Г.В. // Изв. Волгоград. гос. тех. ун.-та. 2010. Т. 1. № 3. С. 99-101;

Kovalev N.S., Mishta P.V., Bednarskaya E.A., Lepekhin G.I., Ryabchuk G.V. // Izvestiya Volgogradskogo gosudar-stvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2010. V. 1. N 3. P. 99-101 (in Russian).

5. Семерня А.П. Межвузовский сборник научных трудов. Волгоград. 1979. C. 113-116;

Semernya A.P. Inter University Collection of Scientific Transactions. Volgograd. 1979. P. 113-116 (in Russian).

-0,6

0.8