Usage the transfer properties in heating and evaporable cooling of the fluid film during design stage of heat and mass exchangers
In designing the heat-mass-exchange apparatuses of power units the changing characteristics of the heat exchange process along the length of the contact surface in order to improve the efficiency of equipment.In contact of the gravitational film with moving gas-vapor mixture, in addition to hydrodyn...
Збережено в:
| Дата: | 2014 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/537 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | System Research in Energy |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
System Research in Energy| _version_ | 1871104015605956608 |
|---|---|
| author | Tuz V.E. Lebed N.L. |
| author_facet | Tuz V.E. Lebed N.L. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Tuz V.E.",
"institution": null
},
{
"author": "Lebed N.L.",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Tuz V.E. |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:41Z |
| description | In designing the heat-mass-exchange apparatuses of power units the changing characteristics of the heat exchange process along the length of the contact surface in order to improve the efficiency of equipment.In contact of the gravitational film with moving gas-vapor mixture, in addition to hydrodynamic and thermal boundary layers the diffusion boundary layer is also formed. In this case, the heat and mass transfer coefficients depend on the direction and value of the cross-flow mass.The solution of the combined differential equations describing heat and mass transfer processes in the system, is conducted with known values of middle surface heat and mass transfer coefficients. To obtain accurate result it is necessary to take into account the averaging of factor values at the initial area and the heat exchange area. To do this it is necessary to define the limits of the initial areas.Experimental study of heat and mass transfer processes in evaporative liquid and gas cooling allowed to establish a non-linear change of heat transfer coefficients and heat and mass transfer along the length of the channel.Based on the obtained results the dependencies were defined that allow to determine the length of the initial heat area depending on the operating conditions of the contacting phases and geometric channel characteristics. |
| first_indexed | 2026-03-24T02:02:08Z |
| format | Article |
| fulltext |
42 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 4 (39)
УДК 532.529 В.О. ТУЗ, д-р техн. наук, проф., Н.Л. ЛЕБЕДЬ, канд. техн. наук, доцент
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»,
пр. Перемоги, 37, м. Київ, 03037, Україна
ВИКОРИСТАННЯ ОСОБЛИВОСТЕЙ ПРОЦЕСІВ ПЕРЕНОСУ ПРИ НАГРІВІ І ВИПАРНОМУ
ОХОЛОДЖЕННІ ПЛІВКИ РІДИНИ НА СТАДІЇ ПРОЕКТУВАННЯ ТЕПЛОМАСООБМІННИХ АПАРАТІВ
Наведено результати експериментального визначення довжини почат-
кової теплової ділянки при нагріві і випарному охолодженні плівки
рідини залежно від режимних параметрів контактуючих фаз і геомет-
ричних характеристик каналу.
К л ю ч о в і с л о в а: плівка рідини, газовий потік, інтенсивність тепло-
обміну, початкова теплова ділянка.
ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ
ОБ’ЄКТІВ І СИСТЕМ ЕНЕРГЕТИКИ
Для інтенсифікації процесу тепломасообміну в
контактних апаратах енергетичних об’єктів
використовують активні і пасивні методи. До
пасивних методів інтенсифікації тепломасо-
обміну відносять використання поверхонь зі
штучною шорсткістю, пористих поверхонь і
поверхонь з сітчастим покриттям. Крім того,
інтенсифікація тепломасообміну відбувається
за рахунок зміни режимних параметрів контак-
туючих фаз – активні методи. Діапазон режим-
них параметрів визначається умовами стійкості
течії, а саме, верхня границя визначається умо-
вами захлинання, а нижня – існуванням стій-
кої плівки рідини, тобто мінімальною густиною
зрошення.
У нинішній час під час проектування тепло-
масообмінних апаратів використовують серед-
ньо інтегральні характеристики процесів пере-
носу. Необхідно зазначити, що інтенсивність
процесів суттєво змінюється по довжині
поверхні контакту. У більшості робіт, присвяче-
них дослідженню теплообміну, відзначають
особливості процесів на початковій і стабілізо-
ваній ділянках [1–5]. На початковій тепловій
ділянці температурний градієнт зменшується
значно швидше, ніж різниця температур. В
результаті, як визначається з рівняння тепло-
віддачі, на початковій ділянці коефіцієнт теп-
ловіддачі значно зменшується і при стабілізо-
ваній течії стає практично сталою величиною.
Це особливо важливо для розрахунку процесів
тепло- і масообміну в каналах контактних апа-
ратів, у яких розрахунок, зазвичай, ведеться без
виділення початкової ділянки.
Таким чином, при проектуванні тепломасо-
обмінного обладнання енергетичних установок
рекомендується враховувати наявність почат-
кової ділянки та організовувати процес в обла-
сті інтенсивного переносу. Для цього необхідно
визначити довжину початкової ділянки.
Особливості процесів тепло- і масообміну в
каналах контактних апаратів.
В практиці дослідження процесів тепло- і
масообміну двофазних середовищ при вимуше-
ній конвекції важко дотримуватись класичних
випадків, що характеризуються умовами
qс = const або tс = const. Зміна характеристик
контактуючих фаз значно ускладнює дослід-
© В.О. ТУЗ, Н.Л. ЛЕБЕДЬ, 2014
43ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 4 (39)
Використання особливостей процесів переносу при нагріві і випарному охолодженні плівки рідини на стадії проектування
тепломасообмінних апаратів
ження. Аналогія між процесами тепло- і масо-
обміну, яка часто використовується на практи-
ці, є тільки наближеною. Дослідження [6, 7]
виявили, що навіть при порівняно невеликих
поперечних потоках маси відбувається пере-
розподіл температури і швидкості в межовому
шарі порівняно з випадком, не ускладненим
масообміном, а інтенсивність процесу зале-
жить від відносної витрати рідини, яка випари-
лася. Необґрунтованим є також виключення з
критеріальних залежностей чисел подібності,
що характеризують фазовий перехід.
При контакті гравітаційної плівки з рухо-
мою парогазовою сумішшю, крім гідродина-
мічного і теплового межових шарів, утворюєть-
ся і дифузійний межовий шар. При цьому, кое-
фіцієнти тепловіддачі і масовіддачі залежать від
напряму і величини поперечного потоку маси
[8]. На підставі цього не зовсім обґрунтованою
є пропозиція використання залежностей для
розрахунку процесів тепло- і масообміну, які
відбуваються при випаровуванні рідини або
конденсації пари з парогазової суміші, наведе-
них в [9].
Для процесу взаємодії плівки рідини і газу
характерна наявність двох послідовно розташо-
ваних ділянок. На першій, при 0 < х < хпт (хпт –
кінцева координата початкової теплової ділян-
ки) товщина теплового межового шару, що
утворюється від поверхні, до стінки, менша від
товщини плівки. Температура теплоносія в
межовому прошарку стала і дорівнює початко-
вій температурі рідини tр’. На другій частині
ділянки, при х > хпт має місце рівність товщи-
ни плівки і теплового межового шару в ній, а
температура рідини в пристінному шарі асимп-
тотично знижується і прагне в кінці цієї ділян-
ки до температури мокрого термометра, яка
відповідає параметрам газу на вході в канал.
Одночасно, в газовому потоці при конвек-
тивному процесі перенесення теплоти і маси
відбувається розвиток теплового межового
шару від температури плівки рідини на межі,
яка дорівнює tр, до температури tг в ядрі пото-
ку.
Наявність двох межових шарів у плівці ріди-
ни і газі істотно ускладнює розрахунок процесів
тепло- і масообміну.
Математична модель процесу перенесення
теплоти і маси в даному випадку в осереднених
параметрах має вигляд [10]:
– середньовитратні
значення швидкостей і температур рідини і
газу, а також густина пари.
Таким чином, розрахунок зводиться до
рішення представленої системи рівнянь за
таких граничних умов:
У загальному випадку знайти аналітичне
рішення системи вельми складно.
Використання чисельних методів дозволяє
отримати розв’язання для таких випадків.
Рішення системи рівнянь можливе при відомих
значеннях середньоповерхневих коефіцієнтів
тепловіддачі α і масовіддачі βр. Більш точне
рішення можливо отримати враховуючи при
осередненні значення коефіцієнтів α і βр на
початковій ділянці і ділянці стабілізованого
теплообміну. Для цього необхідно визначити
межі початкових ділянок.
Вивчення процесів тепло- і масообміну при
випарному охолодженні плівки рідини та при
охолодженні газу гравітаційною плівкою в
каналах з сітчастим покриттям здійснювалося
на експериментальному стенді [10].
Конструкція стенда і експериментальних діля-
нок дозволяла виявити вплив конструктивних
розмірів каналу і режимних параметрів газово-
го потоку і плівки рідини на інтенсивність про-
цесу.
Дослідження проводилися в каналах діамет-
рами dе = 0,0125–0,022 м і довжиною L = 1 м з
сітчастим покриттям з розміром вічка
S = 0,5·10-3 м, виготовленою із сталі Х18Н10Т, в
широкому діапазоні зміни режимних парамет-
(1)
(2)
(3)
де
(4)
44 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 4 (39)
В.О. ТУЗ, Н.Л. ЛЕБЕДЬ
рів: температура рідини на вході в канал
tр’ = 40–80°С; щільність зрошування
Г = 0,0235–0,0871 кг/(м·с); швидкість газового
потоку w = 0,39–8,94 м/с; температура газового
потоку tг’ = 50–150°С.
Аналіз результатів досліджень у вигляді
залежностей α = f (w; Г; ϑр’; L) і βр = f (w; Г; ϑр’;
L) (див. рисунок) підтвердив існування нерів-
номірності інтенсивності тепло- і масовіддачі.
Необхідно зазначити, що як і для випарного
охолодження плівки при вимушеній конвекції
газу, так і для охолодження газу ізотермічною
плівкою спостерігається характерна зміна
інтенсивності тепло- і масообміну по довжині
каналу. Використовуючи вираз [11]:
(5)
де αх і αх+1 – локальні коефіцієнти тепловідда-
чі на початковому і кінцевому перетинах даної
елементарної ділянки довжини каналу, можна
умовно розділити довжину каналу за ступенем
інтенсивності процесів.
Враховуючи особливості процесів у контакт-
них апаратах, довжину початкової теплової
ділянки доцільно визначати залежно від режим-
них параметрів контактуючих фаз за умови, що
зміна коефіцієнта тепловіддачі на початковій
ділянці (5) не перевищуватиме його середнього
значення на цій ділянці більш ніж на 1%.
Баланс теплоти на цій ділянці враховував,
що кількість теплоти, яка виділилася при
випарному охолодженні плівки, витрачалася на
нагрів повітря, нагрів водяної пари, що
міститься в повітрі, і на утворення пари:
qδ = qг + qпг +qп. (6)
Зміна по довжині каналу локальних та середніх коефіцієнтів тепловіддачі
при випарному охолодженні плівки рідини та охолодженні газу:
1, 2 – локальний і середній коефіцієнти тепловіддачі при охолодженні газу, температура рідини на
вході 20°С, густина зрошення 0,0746 кг/(м·с), температура газу на вході 150°С, швидкість повітря 5,33 м/с;
3, 4 – локальний і середній коефіцієнти тепловіддачі при випарному охолодженні плівки рідини,
температура рідини на вході 80°С, густина зрошення 0,0688 кг/(м·с),
температура газу на вході 22,2°С, швидкість повітря 4,9 м/с
ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 4 (39)
Використання особливостей процесів переносу при нагріві і випарному охолодженні плівки рідини на стадії проектування
тепломасообмінних апаратів
При охолодженні парогазового потоку теп-
лота витрачалась на випаровування рідини з
поверхні плівки:
qг + qпг = qδ. (7)
Розрахункова різниця температур на ділянці
визначалася як середньологарифмічна між тем-
пературою плівки і повітря в даних перетинах.
Досліджуваний діапазон швидкостей газо-
вого потоку включав ламінарний режим при
Re < 2230 і перехідну область 2230 < Re < 104
(максимальне значення Re = 7900). Для кожно-
го з цих режимів довжина початкової теплової
ділянки з врахуванням (5) функціонально
визначається по залежності:
ВИСНОВКИ
1. При проектуванні тепломасообмінних
апаратів енергетичних установок з метою під-
вищення ефективності обладнання слід врахо-
вувати особливості зміни характеристик проце-
су тепло- і масообміну по довжині поверхні
контакту.
2. Експериментальне дослідження процесів
тепло- і масообміну при випарному охолодженні
рідини і охолодженні газу дозволило встановити
нелінійний характер зміни коефіцієнтів тепло-
віддачі α і масовіддачі βр по довжині каналу.
На підставі отриманих результатів були
визначені довжини початкових теплових ділянок
залежно від режимних параметрів контактуючих
фаз і геометричних характеристик каналу.
3. Рішення системи рівнянь перенесення
теплоти і маси при випарному охолодженні
рідини і охолодженні газу можливе при відомих
значеннях середньоповерхневих коефіцієнтів
тепловіддачі α і масовіддачі βр. Більш точне
рішення можливо отримати враховуючи при
осередненні значення коефіцієнтів α і βр на
початковій ділянці і ділянці стабілізованого
теплообміну. Для цього необхідно знати межі
початкових ділянок, які визначаються згідно з
отриманими залежностями (8)–(11).
1. Жукаускас А. Теплоотдача в ламинарном
потоке жидкости / А. Жукаускас, И.
Жюгжда. – Вильнюс: Минтис, 1969. – 261 с.
2. Собин В.М. Теплообмен в стекающей
плёнке жидкости на термическом началь-
ном участке / В.М. Собин // ИФЖ. – 1980. –
Т. 39, №4. – С. 592–596.
3. Сергеев Г.И. Исследование теплообмена
при плёночном течении жидкости на терми-
ческом начальном участке / Г.И. Сергеев,
Л.В. Тышкевич // ТОХТ. – 1979. – Т. 13, №1.
– С. 108–110.
4. Воронцов Е.Г. Исследование длины вход-
ных участков охлаждающих плёнок / Е.Г.
Воронцов // Теор. основы хим. биотехноло-
гии. – 1994. – Т. 28, № 4. – С. 307–312.
5. Крылов В.С. Нелинейный массоперенос
/ В.С. Крылов, Х. Бояджиев. –
Новосибирск: ИТ СО РАН, 1996. – 231 с.
6. Кутателадзе С.С. Тепломассообмен и
волны в газожидкостных системах / С.С.
Кутателадзе, В.Е. Накоряков. –
Новосибирск: ВО «Наука», 1984. – 302 с.
7. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных
сред. Часть ІІ / Р.И. Нигматулин. – М.:
Наука, 1987. – 360 с.
8. Эккерт Э.Р. Теория тепло- и массообмена:
Пер. с англ. / Э.Р. Эккерт, Р.М. Дрейк. – М.-
Л.: Гоэнергоиздат, 1961. – 489 с.
9. Берман Л.Д. Тепло- и массообмен в паро-
газовой фазе при интенсивном испарении
жидкостей / Л.Д. Берман // Теплообмен и
гидродинамика. – Л.: Наука, 1977. – С. 116–130.
10. Письменный Е.Н. Тепло- и массообмен в
каналах с сеточным покрытием плёнки жид-
кости при противоточном движении газа /
Е.Н. Письменный, В.Е. Туз, Н.Л. Лебедь //
Восточно-европейский журнал передовых
технологий. – 2009. – № 4/б(40). – С. 63– 68.
11. Теория тепломассообмена / Под ред.
А.И. Леонтьева. – М.: МГТУ им. Баумана,
1997. – 683 с.
Надійшла до редколегії 01.12.2014
(8)
(9)
(10)
(11)
45
|
| id | systemreorg-article-537 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:17:22Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/15/bee5c106b7fcb97e4412f62f6fc34315.pdf |
| spelling | systemreorg-article-5372026-07-18T12:57:41Z Usage the transfer properties in heating and evaporable cooling of the fluid film during design stage of heat and mass exchangers Використання особливостей процесів переносу при нагріві і випарному охолодженні плівки рідини на стадії проектування тепломасообмінних апаратів Tuz V.E. Lebed N.L. film of the liquid, gas flow, heat transfer rate, initial heat area. плівка рідини, газовий потік, інтенсивність теплообміну, початкова теплова ділянка. In designing the heat-mass-exchange apparatuses of power units the changing characteristics of the heat exchange process along the length of the contact surface in order to improve the efficiency of equipment.In contact of the gravitational film with moving gas-vapor mixture, in addition to hydrodynamic and thermal boundary layers the diffusion boundary layer is also formed. In this case, the heat and mass transfer coefficients depend on the direction and value of the cross-flow mass.The solution of the combined differential equations describing heat and mass transfer processes in the system, is conducted with known values of middle surface heat and mass transfer coefficients. To obtain accurate result it is necessary to take into account the averaging of factor values at the initial area and the heat exchange area. To do this it is necessary to define the limits of the initial areas.Experimental study of heat and mass transfer processes in evaporative liquid and gas cooling allowed to establish a non-linear change of heat transfer coefficients and heat and mass transfer along the length of the channel.Based on the obtained results the dependencies were defined that allow to determine the length of the initial heat area depending on the operating conditions of the contacting phases and geometric channel characteristics. При проектуванні тепломасообмінних апаратів енергетичних установок з метою підвищення ефективності обладнання слід враховувати особливості зміни характеристик процесу тепломасообміну по довжині поверхні контакту.При контакті гравітаційної плівки з рухомою парогазовою сумішшю, крім гідродинамічного і теплового межових шарів, утворюється і дифузійний межовий шар. При цьому, коефіцієнти тепловіддачі і масовіддачі залежать від напряму і величини поперечного потоку маси.Рішення системи диференціальних рівнянь, що описує процеси тепломасопереносу в системі, виконується при відомих значеннях середньоповерхневих коефіцієнтів тепловіддачі і масовіддачі. Більш точний результат можливо отримати враховуючи при осередненні значення коефіцієнтів на початковій ділянці і ділянці стабілізованого теплообміну. Для цього необхідно визначити межі початкових ділянок.Експериментальне дослідження процесів тепло- і масообміну при випарному охолодженні рідини і охолодженні газу дозволило встановити нелінійний характер зміни коефіцієнтів тепловіддачі і масовіддачі по довжині каналу.На підставі отриманих результатів були визначені залежності, які дозволяють визначити довжину початкової теплової ділянки залежно від режимних параметрів контактуючих фаз і геометричних характеристик каналу. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2014-11-27 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/537 System Research in Energy; No. 4 (39) (2014): The Problems of General Energy; 42-45 Системні дослідження в енергетиці; № 4 (39) (2014): Проблеми загальної енергетики; 42-45 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/537/473 Copyright (c) 2014 Tuz V.E., Lebed N.L. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | film of the liquid gas flow heat transfer rate initial heat area. Tuz V.E. Lebed N.L. Usage the transfer properties in heating and evaporable cooling of the fluid film during design stage of heat and mass exchangers |
| title | Usage the transfer properties in heating and evaporable cooling of the fluid film during design stage of heat and mass exchangers |
| title_alt | Використання особливостей процесів переносу при нагріві і випарному охолодженні плівки рідини на стадії проектування тепломасообмінних апаратів |
| title_full | Usage the transfer properties in heating and evaporable cooling of the fluid film during design stage of heat and mass exchangers |
| title_fullStr | Usage the transfer properties in heating and evaporable cooling of the fluid film during design stage of heat and mass exchangers |
| title_full_unstemmed | Usage the transfer properties in heating and evaporable cooling of the fluid film during design stage of heat and mass exchangers |
| title_short | Usage the transfer properties in heating and evaporable cooling of the fluid film during design stage of heat and mass exchangers |
| title_sort | usage the transfer properties in heating and evaporable cooling of the fluid film during design stage of heat and mass exchangers |
| topic | film of the liquid gas flow heat transfer rate initial heat area. |
| topic_facet | film of the liquid gas flow heat transfer rate initial heat area. плівка рідини газовий потік інтенсивність теплообміну початкова теплова ділянка. |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/537 |
| work_keys_str_mv | AT tuzve usagethetransferpropertiesinheatingandevaporablecoolingofthefluidfilmduringdesignstageofheatandmassexchangers AT lebednl usagethetransferpropertiesinheatingandevaporablecoolingofthefluidfilmduringdesignstageofheatandmassexchangers AT tuzve vikoristannâosoblivostejprocesívperenosuprinagrívííviparnomuoholodženníplívkirídininastadííproektuvannâteplomasoobmínnihaparatív AT lebednl vikoristannâosoblivostejprocesívperenosuprinagrívííviparnomuoholodženníplívkirídininastadííproektuvannâteplomasoobmínnihaparatív |