Автореферат (Исследование процессов тепломассообмена при испарении и кипении в простых и мезоскопических системах монодисперсных микросфер и мезотрубок)

23ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыРазработка перспективных технологий жизнеобеспечения, конверсииэнергии, в частности, солнечной, а также сохранения и управления воднымиресурсами, требует изучения различных аспектов тепломассообмена прииспарении и кипении свободных объемов жидкости. Как правило, в новыхразработках и технологиях участвуют различные мезоскопические структуры (микросферы, мезотрубки, мезоскопическая гранулированная среда ит.п.), размер отдельных компонент которых от сотен нанометров до сотенмикрометров.

Часто введение такой мезоскопической среды заметно меняетсвойства системы, в частности, характеристики тепломассообменныхпроцессов. Настоящая работа посвящена процессам тепломассообмена прииспарении, кипении и конвективного тепломассообмена различных жидкостей в мезоскопической структуре микросфер и мезотрубок.Несмотря на значительное число исследований в указанных областях(группы Спарроу, Боуэра и Сейлора, Уварова, Селаты и др.), имеется рядважных вопросов, которые изучены недостаточно подробно.

В первуюочередь речь идет об испарении со свободной поверхности ограниченногообъема жидкости. Экспериментальному изучению и теоретическому обоснованию процессов испарения в этой ситуации уделено недостаточноевнимание. В частности, кривые испарения со свободной поверхности относятся в основном к неограниченным поверхностям (озера, моря, океан), атеоретическая интерпретация связана с построением полуэмпирическихсоотношений, в которые входят средняя температура жидкости, средняятемпература и влажность воздуха, средняя скорость продольного (вдольповерхности жидкости) ветра. Даже в этом случае, нет удовлетворительногосогласия между опытом и моделями, не говоря уже о физическойинтерпретации и физических механизмах процессов испарения.

Помимоэтого, возникновение необходимости изучения испарения жидкости изпористых и гранулированных сред приводит к новым задачам –исследованию процессов испарения при наличии гранулированной фаза.Полученные в последние годы результаты показали, что в этой области ещемного неизвестных эффектов и не до конца изученных закономерностей.Изучение интенсивных процессов испарения со свободной границы,особенно при наличии мезоскопической гранулированной среды, приводитпри высоких тепловых нагрузках (например, при нагреве снизу) к режимуиспарения с образованием паровой (или газовой) фазы, что приводит ксвоеобразному режиму кипения в гранулированной среде (или, псевдокипения, в случае генерации пузырьков растворенного в жидкости газа).Большой научный и прикладной интерес имеется также в изучениитеплообмена в тонких мезоскопических трубках, которые могут являтьсяэлементами микротеплообменников для разного рода устройств в системахжизнеобеспечения.

Некоторые вопросы теплообмена в таких мезотрубкахизучены недостаточно, так что экспериментальное исследование тепло-4обмена и построение корреляций числа Нуссельта как функция числаРейнольдса с поправками на безразмерный диаметр мезотрубокпредставляется актуальной.Все перечисленные проблемы являются также актуальными дляпрактических применений, связанных с проблемами охлаждения зданийметодами испарительного охлаждения, в системах конверсии солнечнойэнергии и системах получения питьевой воды (системы опреснения).Цель работы. Исследование процессов испарения и кипения в системах сосвободными границами, в мезоскопической среде микросфер, а такжеоднофазного теплообмена в мезотрубках.Основные задачи исследования:1.

Разработка и создание экспериментальных установок для исследованиятепломассообмена при испарении со свободных поверхностей, также вмезоструктурах микросфер и мезотрубок.2. Изучение процессов испарения со свободных поверхностей сосудов,выполненных из пробирок или чашек Петри, при вариации температурынагревателя, влажности окружающей среды, влиянии геометрииограждающих испарительный объем дополнительных контейнеров, влияниятипа жидкостей (дистиллированная вода, спирт и изооктан). Изучениевлияния мезоструктуры микросфер на скорость испарения со свободныхповерхностей.3. Получение корреляций экспериментальных данных и основныхзависимостей для испарение со свободных поверхностей; представлениеновых корреляций для числа Шервуда как функции числа Рэлея.4.

Проведение компьютерного моделирования процессов испарения,выявление роли конвекции в паровоздушной смеси и ее роли для скоростииспарения.5. Исследование нового режима пузырькового кипения в мезоструктуремикросфер, связанного с ролью динамической твердой фазы (микросфер) режима «прыгающих» пузырей. Получение основных зависимостей дляопределение границ такого кипения, выявление основных особенностей ввиде «прыгающих» пузырей.6. Исследования однофазного теплообмена в наборе параллельныхмезотрубок; представление корреляций для числа Нуссельта как функциичисла Рейнольдса и относительного диаметра мезотрубок.7. Анализ эффективности некоторых систем с мезоструктурами на примереиспарительного охлаждения с использованием полученных в работекорреляций и зависимостей.Методы исследования и достоверность полученных результатов:Методика исследования состояла в разработке и созданииэкспериментальных установок для изучения процессов испарения и кипенияв системах со свободными границами, в мезоскопической среде микросфер, атакже однофазного теплообмена в мезотрубках, проведении исследований иполучения корреляций, разработке и расчете моделей процессов, оценке5использования полученных результатов на практике.

Достоверностьрезультатов исследований обусловлена использованием современных методовизмерений, оценками ошибок полученных результатов, сравнениемрезультатов с имеющимися данными и корреляциями других исследователей.Основные положения, выносимые на защиту:1. Экспериментальные установки для исследования тепломассообмена прииспарении со свободных поверхностей, также в мезоструктурах микросфер имезотрубок.2.

Экспериментальные данные для скоростей испарения при малых высотахслоя жидкости и построение корреляционных зависимостей для чиселШервуда как функции чисел Рэлея Sh  B  Ram для этих режимов, сравнение симеющимися данными и корреляциями других исследователей.3. Влияние мезоскопической среды в виде микросфер на скорости испарения(влияние размеров микросфер, окружающих контейнеров, типа жидкостей(вода, спирт, изооктан)), скорости испарения при непрерывном движениифронта испарения в жидкости и мезоскопической среде.4. Новый эффект (режим) пузырькового кипения в недогретой жидкости сосвободной поверхностью при наличии микросфер, как динамической твердойфазы, названный «режимом прыгающих пузырей», установление основныхзакономерностей и построение моделей отдельных механизмов явления.5.

Изучение теплообмена в наборе параллельных мезотрубок и новыекорреляции для числа Нуссельта как функции числа Рейнольдса иотносительного диаметра мезотрубок, как основы для инженерных расчетовтеплообмена в мезоскопических теплообменниках.6. Оценки применимости полученных закономерностей для целейпрактического применения в технологиях жизнеобеспечения (испарительноеохлаждение) и конверсии солнечной энергии.Научная новизна работы1.

Разработка и создание экспериментальных установок для исследованиятепломассообмена при испарении со свободных поверхностей, также вмезоструктурах микросфер и мезотрубок.2. Получение экспериментальных данных для скоростей испарения прималых высотах слоя жидкости и области сравнительно малых чисел Рэлея –от 104  Ra  106 , в которой имеют место ламинарный и переходный режимыестественной конвекции. Получение зависимости чисел Шервуда от чиселРэлея для этих режимов Sh  B  Ra m ; сравнение с имеющимися данными икорреляциями других исследователей.3. Изучение влияния мезоскопической среды в виде микросфер на скоростииспарения.4.

Впервые обнаружен и исследован новый эффект пузырькового кипения внедогретой жидкости со свободной поверхность, названный «режимомпрыгающих пузырей».65. Исследования теплообмена в системе параллельных мезотрубок икорреляции для числа Нуссельта как функции числа Рейнольдса иотносительного диаметра мезотрубок.Практическая значимость работы1. Разработаны экспериментальные методики и установки для изучениятепломассообмена в мезоскопической среде из микросфер и мезотрубок.2.