Помощь студентам в учебе
ИСПАРЕНИЕ НЕОДНОРОДНЫХ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТЕЙ В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНОГО НАГРЕВА
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ
ПРОГРЕВА И ИСПАРЕНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТЕЙ . 14
1.1. Теоретические и экспериментальные исследования процессов прогрева и
испарения неоднородных капель жидкостей 15
1.1.1 Математическое моделирование процессов прогрева и испарения
неоднородных капель жидкостей 15
1.1.2 Экспериментальные исследования процессов прогрева и испарения
неоднородных капель жидкостей 19
1.2 Определение компонентного состава неоднородных капель растворов, суспензий и эмульсий 24
1.3. Выводы по первой главе 28
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА
КАПЕЛЬ РАСТВОРОВ, СУСПЕНЗИЙ И ЭМУЛЬСИЙ 30
2.1. Определение компонентного состава капель растворов, суспензий и
эмульсий методом LIF 32
2.1.1. Экспериментальные исследования одиночных капель 32
2.1.2. Экспериментальные исследования совокупности капель суспензий
в составе аэрозольного потока 42
2.1.3. Основные выводы по результатам экспериментального
определения компонентного состава капель методом LIF 56
2.2. Определение компонентного состава капель растворов, суспензий,
эмульсий методом IPI 57
2.2.1. Экспериментальный стенд и методика исследований 57
2.2.2. Результаты и обсуждение 58
2.2.3. Основные выводы по результатам экспериментального
определения компонентного состава капель методом IPI 63
2.3. Определение компонентного состава капель растворов, суспензий и эмульсий методом теневой макросъемки 64
2.3.1. Экспериментальный стенд и методика исследований 64
2.2.4. Результаты и обсуждение 66
2.3.3. Основные выводы по результатам экспериментального определения компонентного состава капель методом теневой
макросъемки 69
2.4. Выводы по второй главе 69
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СКОРОСТЕЙ ИСПАРЕНИЯ КАПЕЛЬ РАСТВОРОВ, СУСПЕНЗИЙ И ЭМУЛЬСИЙ 71
3.1. Компонентный состав исследовавшихся капель растворов, суспензий и
эмульсий 71
3.2. Влияние теплофизических свойств капель суспензий, эмульсий и
растворов на скорость их испарения 72
3.2.1. Экспериментальный стенд и методы исследований 72
3.2.2. Результаты и обсуждение 74
3.3. Влияние схемы нагрева капель растворов, суспензий и эмульсий на
скорость их испарения 79
3.3.1. Экспериментальные стен и методики исследований 79
3.3.2. Результаты и обсуждение 83
3.4. Влияние концентрации капель воды в аэрозольном облаке на скорости их
испарения 90
3.4.1. Экспериментальный стенд и методики исследования 90
3.4.2. Результаты и обсуждение 92
3.5. Выводы по третьей главе 97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 100
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 102
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ
ПРОГРЕВА И ИСПАРЕНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТЕЙ . 14
1.1. Теоретические и экспериментальные исследования процессов прогрева и
испарения неоднородных капель жидкостей 15
1.1.1 Математическое моделирование процессов прогрева и испарения
неоднородных капель жидкостей 15
1.1.2 Экспериментальные исследования процессов прогрева и испарения
неоднородных капель жидкостей 19
1.2 Определение компонентного состава неоднородных капель растворов, суспензий и эмульсий 24
1.3. Выводы по первой главе 28
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА
КАПЕЛЬ РАСТВОРОВ, СУСПЕНЗИЙ И ЭМУЛЬСИЙ 30
2.1. Определение компонентного состава капель растворов, суспензий и
эмульсий методом LIF 32
2.1.1. Экспериментальные исследования одиночных капель 32
2.1.2. Экспериментальные исследования совокупности капель суспензий
в составе аэрозольного потока 42
2.1.3. Основные выводы по результатам экспериментального
определения компонентного состава капель методом LIF 56
2.2. Определение компонентного состава капель растворов, суспензий,
эмульсий методом IPI 57
2.2.1. Экспериментальный стенд и методика исследований 57
2.2.2. Результаты и обсуждение 58
2.2.3. Основные выводы по результатам экспериментального
определения компонентного состава капель методом IPI 63
2.3. Определение компонентного состава капель растворов, суспензий и эмульсий методом теневой макросъемки 64
2.3.1. Экспериментальный стенд и методика исследований 64
2.2.4. Результаты и обсуждение 66
2.3.3. Основные выводы по результатам экспериментального определения компонентного состава капель методом теневой
макросъемки 69
2.4. Выводы по второй главе 69
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СКОРОСТЕЙ ИСПАРЕНИЯ КАПЕЛЬ РАСТВОРОВ, СУСПЕНЗИЙ И ЭМУЛЬСИЙ 71
3.1. Компонентный состав исследовавшихся капель растворов, суспензий и
эмульсий 71
3.2. Влияние теплофизических свойств капель суспензий, эмульсий и
растворов на скорость их испарения 72
3.2.1. Экспериментальный стенд и методы исследований 72
3.2.2. Результаты и обсуждение 74
3.3. Влияние схемы нагрева капель растворов, суспензий и эмульсий на
скорость их испарения 79
3.3.1. Экспериментальные стен и методики исследований 79
3.3.2. Результаты и обсуждение 83
3.4. Влияние концентрации капель воды в аэрозольном облаке на скорости их
испарения 90
3.4.1. Экспериментальный стенд и методики исследования 90
3.4.2. Результаты и обсуждение 92
3.5. Выводы по третьей главе 97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 100
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 102
Традиционно разработка новых и модернизация используемых в настоящее время высокотемпературных технологий требует решения наиболее значимых задач, в частности, интенсификации физико-химических и тепломассобменных процессов. Среди перспективных можно выделить технологии создания теплоносителей на базе дымовых газов, капель и паров воды [1-4], смесей для размораживания сыпучих сред [5,6], термической и огневой очистки жидкостей [7-10], полидисперсного пожаротушения [11-13], горения суспензионных, жидких и эмульсионных топлив [14-18], очистки теплонагруженных поверхностей [19-21] и др.
В технологических процессах нередко используется неочищенная от растворенных и мелких нерастворенных в ней примесей вода [22], либо она смешивается в определенной концентрации со специализированными добавками [23,24]. В зависимости от технологий и причины попадания в воду данных веществ их принято считать примесями или добавками. К примеру, при термической очистке эти вещества - примеси, поскольку не было их специализированного введения в жидкость. В технологиях пожаротушения, горения топлив, создания теплоносителей соответствующие вещества являются добавками. В диссертации принята соответствующая терминология.
Большое количество промышленных производств сопровождается выработкой технологических и сточных вод (промстоков) [25]. Вещества, входящие в соостав таких промстоков, а именно гликоли, амины, метанол, газовый конденсат, сероводород и различные соли, сильно ухудшают экологическую обстановку. Очистка промстоков, как правило, реализуется в несколько этапов: многоступенчатая фильтрация, химическая нейтрализация примесей, термическая очистка. Среди высокотемпературных методов очистки воды можно выделить выпаривание (концентрирование примесей), сушку (распыление жидкости в среде горячего воздуха или дымовых газов), термическое окисление (выжигание горючих примесей) [26-28]. Перечисленные методы реализуются при взаимодействии распылённого потока жидкости и высокотемпературных газов (воздуха, продуктов сгорания топлив, газовых смесей) [25]. Как правило, в их основе лежит принцип фазовых превращений жидкости (парообразования) [10,26,27,29-31].
Исследования процессов прогрева и испарения капель в пламенной зоне при доминировании конвективного и радиационного теплообмена крайне важны в развитии топливных технологий на основе водных суспензий, эмульсий и технологий полидисперсного пожаротушения. Наиболее актуальными считаются результаты исследований процессов сжигания распыленных капель топливной суспензии и эмульсии в камерах сгорания двигателей и котельных агрегатов [32,33]. Прогрев и испарение капель суспензий существенно влияют на эффективность их зажигания и горения и, как следствие, на концентрации выбросов, в частности СО и N('X [2-4]. Установлено [34], что тушение лесных пожаров на больших площадях без специализированного распыления (сплошным потоком жидкости) неэффективно, поскольку большая часть тушашей жидкости уходит грунт, не испарившись. Эксперименты [34] показали, что испаряется менее 15 % общего объема тушащей жидкости. Для эффективности пожаротушения необходимо специализированное распыление сбрасываемой воды [34], также использование специализированных добавок к воде с целью интенсификации прогрева и испарения последних [35-38].
Введение в жидкость твердых включений [39-41] значительно интенсифицируют процесс прогрева и испарения капель, также фазовые превращения на границе раздела сред «жидкость-газ». Введение добавки в виде металлических и углеродистых частиц повышает критическую плотность теплового потока от теплообменной поверхности при испарении суспензии [42]. Также установлена интенсификация процессов прогрева и испарения капель растворов и суспензий [44-46] вследствие введение в их состав твёрдых добавок в виде наночастиц серебра, алюминия, меди и др. металлов В области повышенных температур (более 800 К) механизм фазовых превращений крайне сложен [40] и недостаточно изучен. Поэтому параметры реализации, требуемые
для высокотемпературных практических приложений, определяются по
результатам анализа экспериментальных данных [43].
В последние годы приобретает все большую значимость идея использования композиционных жидких топлив, например, в виде суспензий на базе типичного отхода углеобогащения (фильтр-кека), жидкой биодобавки в виде рапсового масла, биомассы (опилок), жидкой негорючего связующего (воды) [47]. Предпочтительными добавками для жидких биотоплив являются растительные масла или продукты их термохимической конверсии [48,49]. Помимо растительных масел в качестве добавки могут выступать ациклические углеводороды или их производные, спирты, отработанные масла, биомасса, муниципальные отходы и др. [50]. Помимо жидких компонентов для синтеза биотоплив можно использовать такие твердые отходы различных отраслей промышленности, как скорлупа кедрового ореха и подсолнечника, продукт пиролиза сосны, рисовая шелуха, арахисовая скорлупа, стебель бамбука, кукурузный отход, пальмовый жмых и др. [50]. Одним из важнейших факторов, влияющих на эффективность сгорания топлива любого происхождения, является процесс их распыления. Композиционные жидкие топлива имеют высокую вязкость. Обзор результатов исследований биотоплив [50] показал, что в последнее десятилетие активно исследуется их распыление с целью поиска оптимальных параметров этого процесса при варьирования их компонентного состава и, как следствие, изменении физико-химических свойств. Но на данный момент общая теория в области рационального распыления биотоплив не выстроена, в том числе и по причине разнообразия состава топлив и их свойств, сложности обеспечения равномерного прогрева, испарения и горения [50].
Важной фундаментальной задачей в процессе распыления топливных суспензий, эмульсий, тушащих составов и других жидкостей с добавками является контроль распределения компонентов в струе. К примеру, при распылении топливной суспензии в струе распыленного топлива регистрируются компоненты как в раздельном, так и в смешанном виде. Идентификация структуры топливных струй с различным компонентным составом (тип, концентрация добавок) дает возможность прогнозирования условия их эффективного зажигания и горения с учетом их разделения и измельчения. Определяя компонентный состав распыленных каплях тушащей жидкости, можно судить о том степени интенсификации их прогрева и испарения и, как следствие, о эффективности применения этой добавки в определенной концентрации. В настоящее время в научной литературе недостаточно экспериментальных исследований, направленных на определение компонентного состава распыленных капель жидкости. Адаптивные методики идентификации типа и концентрации примесей и добавок в каплях в процессе их распыления пока не разработаны.
Широкое применение капельных потоков в условиях повышенных (более 500 К) температур обусловлено возможностью существенной минимизации времени процессов нагрева или охлаждения, а также использованием нескольких механизмов теплопереноса: конвективный, кондуктивный, радиационный, смешанный. Эти факторы позволяют расширить диапазоны варьирования параметров технологических процессов. Однако, стоит отметить, что большинство экспериментальных и теоретических работ в данной научной области не учитывают влияние таких факторов как концентрация капель в потоке и их компонентной состав. Любое изменение компонентного состава жидкости приводит к изменению ее теплофизических свойств: плотности, теплоемкости, теплопроводности. Пока недостаточно экспериментальных данных о скоростях испарения капель воды с типичными примесями и добавками при различных схема и темпах нагрева. Это обусловлено с тем, что для соответствующих процессов характерны высокие скорости и довольно большая совокупность влияющих факторов: размеры капель, концентрации основных компонентов, добавок и примесей, температура жидкости и газовоздушной среды, подводимый тепловой поток, схема нагрева и др. Для разработки адекватных моделей необходимы достоверные экспериментальные данные, которые можно получить при комбинированном применении современных контактных и бесконтактных методов регистрации основных параметров многофазных и многокомпонентных систем.
Целью диссертационной работы является определение скоростей испарения неоднородных капель жидкостей с идентификацией в них примесей и добавок на основе результатов экспериментальных исследований при воспроизведении условий теплообмена, соответствующих работе теплогенерирующих блоков, агрегатов и систем.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка методики экспериментальных исследований состава капель, а также определение характеристик испарения при варьировании параметров исследуемых процессов: температуры внешней среды, начальной температуры и размеров капель, их компонентного состава, плотности теплового потока, схемы и темпа нагрева.
2. Создание экспериментальных стендов, реализующих совместное применение контактных и бесконтактных оптических методов измерений, с возможностью одновременной регистрации совокупности параметров исследуемого процесса, в том числе размеров, формы, скорости и траектории движения, компонентного состава капель.
3. Адаптация бесконтактных оптических методик (лазерная индуцированная флуоресценция, интерферометрия, теневая макросъемка) для идентификации твердых и жидких компонентов в распыленном аэрозольном потоке, установление состава капель и аэрозольного спрея.
4. Экспериментальное определение скоростей испарения капель воды с технологическими добавками (на примерах твердой, растворимой и нерастворимой) при различных схемах нагрева с доминированием конвективного, радиационного, кондуктивного, а также в условиях смешанного теплообмена.
5. Анализ влияния типа и концентрации примесей и добавок в каплях растворов, суспензий, эмульсий на значения скоростей их испарения.
6. Математическая обработка результатов экспериментов с получением обобщенных выражений для прогнозирования значений скоростей испарения неоднородных капель жидкостей при разных схемах и темпах нагрева.
7. Разработка рекомендаций по использованию полученных
экспериментальных результатов при совершенствовании высокотемпературных газопарокапельных топливных, теплообменных и оросительных технологий.
Научная новизна. Разработана методика определения значений скорости испарения жидкости в составе аэрозоля при известных значениях скорости испарения одиночных капель. Определены диапазоны изменения скоростей испарения капель воды с типичными (растворимыми и нерастворимыми) примесями и добавками при различных схемах нагрева с доминированием конвективного, радиационного, кондуктивного, а также в условиях смешанного теплообмена. Установлено влияние типа и концентрации примеси и добавки, схемы и темпа нагрева, температуры внешней среды, теплового потока на характеристики испарения капель. Предложен подход к прогнозированию скорости испарения капель при известном компонентном составе. Получены аппроксимационные выражения в безразмерном виде, связывающие скорости испарения жидкости с концентрациями и свойствами примесей и добавок. Предложенный подход к определению компонентного состава неоднородных капель жидкостей обеспечивает возможность одновременной регистрации совокупности параметров: размеры капель, скорость их движения, дисперсность аэрозоля, температура капель и газовоздушной среды и др.
Теоретическая и практическая значимость. Полученные экспериментальные результаты и сформулированные при их математической обработке выражения, связывающие скорости испарения с входными параметрами, являются основой для разработки и модернизации высокотемпературных газопарокапельных теплотехнологий: формирование теплоносителей на базе дымовых газов, капель и паров воды; размораживание сыпучих сред; термическая и огневая очистка жидкостей; полидисперсное пожаротушение; горение суспензионных, жидких и эмульсионных топлив; очистка теплонагруженных поверхностей и др. Предложен универсальный подход к определению компонентного состава неоднородных капель жидкостей в составе спреев при разных условиях теплообмена, отличающийся от известных применением комбинации оптических методов: теневая фотография, лазерно- индуцированная флуоресценция, интерферометрия.
Степень достоверности полученных экспериментальных результатов. Достоверность полученных в ходе экспериментальных исследований результатов подтверждается оценками систематических и случайных погрешностей результатов измерений, удовлетворительной повторяемостью опытов при идентичных начальных значениях параметров, использованием малоинерционных и высокоточных оптических методов, программноаппаратных кросскорреляционных комплексов, а также удовлетворительной корреляцией с известными заключениями других исследователей по тестовым задачам.
Связь работы с научными программами и грантами. Диссертационное исследование выполнено в рамках проекта Министерства науки и высшего образования № 075-15-2020-806 (в консорциуме вузов и институтов РАН, возглавляемом Институтом теплофизики СО РАН). Тема диссертации соответствует приоритетному направлению развития науки в Российской Федерации «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», а также находится в сфере критических технологий федерального уровня: «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии».
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Разработан подход к идентификации типа и концентрации твердых и жидких примесей в каплях, отличающийся от известных применением комбинации бесконтактных оптических методов: лазерно-индуцированная флуоресценция, интерферометрия, теневая фотография. Предложенный подход адаптирован для регистрации характеристик изменения состава отдельных капель и спреев.
2. Наличие твердых частиц в составе капель жидкостей даже с концентрацией до 1 % способствует повышению скоростей испарения более чем на 10 %. Наличие жидких примесей в составе капель воды даже с концентрацией до 5 % способствует изменению скоростей прогрева и испарения более чем на 20 %. Получено математическое выражение для определения скорости испарения капель при известных теплофизических характеристиках и концентрации компонентов.
3. Условия теплообмена капель жидкости с твердыми, растворимыми и нерастворимыми добавками существенно влияют на диапазоны изменения скоростей испарения. В частности, определены значения этих характеристик при доминировании разных схем теплообмена: конвективного (в потоке продуктов сгорания) 0,025-0,08 кг/(м2-с), радиационного (в муфельной печи) 0,15-0,5 кг/(м2-с), кондуктивного (на твердой поверхности) 0,5-1,5 кг/(м2-с), смешанного (в пламени) 0,02-0,1 кг/(м2-с).
4. Скорости испарения капель, как элементов аэрозоля, в высокотемпературной газовой среде главным образом зависят от их концентрации и начальных размеров. Получено математическое выражение для определения скоростей этих процессов при известных радиусах капель в составе аэрозоля и одиночной капли с учетом скорости испарения последней.
Личный вклад автора состоит в постановке и планировании экспериментальных исследований, разработке методик, создании стендов, проведении экспериментов, обработке результатов, оценке неопределенностей измерений, анализе и обобщении полученных результатов, разработке рекомендаций по практическому использованию результатов, формулировке защищаемых положений и выводов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных мероприятиях: Шестнадцатая всероссийская (восьмая международная) научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2021» (ИГЭУ им. В.И. Ленина, г. Иваново, 7.04.2021 г.); XXII Всероссийская научная конференция с
международным участием "Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии" (ТГУ, г. Томск, 12-14 октября 2021 г.).; III International Scientific Conference «Sustainable and Efficient Use of Energy, Water and Natural Resources» (г. Санкт-Петербург, 19-24 апреля 2021 г.); XVIII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (г. Томск, 27-30 апреля 2021 г.); XXVII
Международный научного симпозиума студентов, аспирантов и молодых ученых имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 3-7 апреля 2023 г.); Всероссийская конференция «XXXIX Сибирский теплофизический семинар» (г. Новосибирск, 28-31 августа 2023 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работах, в том числе 2 статьи в журнале из списка, рекомендованного ВАК РФ: «Письма в Журнал технической физики»; 3 статьи в
высокорейтинговых журналах (входят в 1-2 квартили Web of Science) «Powder Technology» (ИФ=5,134), «Fuel» (ИФ=6,609), «Energies» (ИФ=2,676); 6 тезисов докладов на конференциях.
Благодарности. Особую благодарность автор выражает научному руководителю д.ф.-м.н., профессору П.А. Стрижаку за помощь при постановке задачи, выборе методов решения, анализе и обобщении результатов, а также сотрудникам лаборатории тепломассопереноса ТПУ (Р.С. Волкову и Д.С. Романову) за помощь при проведении исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 151 наименование. Диссертация изложена на 121 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 8 таблиц.
В технологических процессах нередко используется неочищенная от растворенных и мелких нерастворенных в ней примесей вода [22], либо она смешивается в определенной концентрации со специализированными добавками [23,24]. В зависимости от технологий и причины попадания в воду данных веществ их принято считать примесями или добавками. К примеру, при термической очистке эти вещества - примеси, поскольку не было их специализированного введения в жидкость. В технологиях пожаротушения, горения топлив, создания теплоносителей соответствующие вещества являются добавками. В диссертации принята соответствующая терминология.
Большое количество промышленных производств сопровождается выработкой технологических и сточных вод (промстоков) [25]. Вещества, входящие в соостав таких промстоков, а именно гликоли, амины, метанол, газовый конденсат, сероводород и различные соли, сильно ухудшают экологическую обстановку. Очистка промстоков, как правило, реализуется в несколько этапов: многоступенчатая фильтрация, химическая нейтрализация примесей, термическая очистка. Среди высокотемпературных методов очистки воды можно выделить выпаривание (концентрирование примесей), сушку (распыление жидкости в среде горячего воздуха или дымовых газов), термическое окисление (выжигание горючих примесей) [26-28]. Перечисленные методы реализуются при взаимодействии распылённого потока жидкости и высокотемпературных газов (воздуха, продуктов сгорания топлив, газовых смесей) [25]. Как правило, в их основе лежит принцип фазовых превращений жидкости (парообразования) [10,26,27,29-31].
Исследования процессов прогрева и испарения капель в пламенной зоне при доминировании конвективного и радиационного теплообмена крайне важны в развитии топливных технологий на основе водных суспензий, эмульсий и технологий полидисперсного пожаротушения. Наиболее актуальными считаются результаты исследований процессов сжигания распыленных капель топливной суспензии и эмульсии в камерах сгорания двигателей и котельных агрегатов [32,33]. Прогрев и испарение капель суспензий существенно влияют на эффективность их зажигания и горения и, как следствие, на концентрации выбросов, в частности СО и N('X [2-4]. Установлено [34], что тушение лесных пожаров на больших площадях без специализированного распыления (сплошным потоком жидкости) неэффективно, поскольку большая часть тушашей жидкости уходит грунт, не испарившись. Эксперименты [34] показали, что испаряется менее 15 % общего объема тушащей жидкости. Для эффективности пожаротушения необходимо специализированное распыление сбрасываемой воды [34], также использование специализированных добавок к воде с целью интенсификации прогрева и испарения последних [35-38].
Введение в жидкость твердых включений [39-41] значительно интенсифицируют процесс прогрева и испарения капель, также фазовые превращения на границе раздела сред «жидкость-газ». Введение добавки в виде металлических и углеродистых частиц повышает критическую плотность теплового потока от теплообменной поверхности при испарении суспензии [42]. Также установлена интенсификация процессов прогрева и испарения капель растворов и суспензий [44-46] вследствие введение в их состав твёрдых добавок в виде наночастиц серебра, алюминия, меди и др. металлов В области повышенных температур (более 800 К) механизм фазовых превращений крайне сложен [40] и недостаточно изучен. Поэтому параметры реализации, требуемые
для высокотемпературных практических приложений, определяются по
результатам анализа экспериментальных данных [43].
В последние годы приобретает все большую значимость идея использования композиционных жидких топлив, например, в виде суспензий на базе типичного отхода углеобогащения (фильтр-кека), жидкой биодобавки в виде рапсового масла, биомассы (опилок), жидкой негорючего связующего (воды) [47]. Предпочтительными добавками для жидких биотоплив являются растительные масла или продукты их термохимической конверсии [48,49]. Помимо растительных масел в качестве добавки могут выступать ациклические углеводороды или их производные, спирты, отработанные масла, биомасса, муниципальные отходы и др. [50]. Помимо жидких компонентов для синтеза биотоплив можно использовать такие твердые отходы различных отраслей промышленности, как скорлупа кедрового ореха и подсолнечника, продукт пиролиза сосны, рисовая шелуха, арахисовая скорлупа, стебель бамбука, кукурузный отход, пальмовый жмых и др. [50]. Одним из важнейших факторов, влияющих на эффективность сгорания топлива любого происхождения, является процесс их распыления. Композиционные жидкие топлива имеют высокую вязкость. Обзор результатов исследований биотоплив [50] показал, что в последнее десятилетие активно исследуется их распыление с целью поиска оптимальных параметров этого процесса при варьирования их компонентного состава и, как следствие, изменении физико-химических свойств. Но на данный момент общая теория в области рационального распыления биотоплив не выстроена, в том числе и по причине разнообразия состава топлив и их свойств, сложности обеспечения равномерного прогрева, испарения и горения [50].
Важной фундаментальной задачей в процессе распыления топливных суспензий, эмульсий, тушащих составов и других жидкостей с добавками является контроль распределения компонентов в струе. К примеру, при распылении топливной суспензии в струе распыленного топлива регистрируются компоненты как в раздельном, так и в смешанном виде. Идентификация структуры топливных струй с различным компонентным составом (тип, концентрация добавок) дает возможность прогнозирования условия их эффективного зажигания и горения с учетом их разделения и измельчения. Определяя компонентный состав распыленных каплях тушащей жидкости, можно судить о том степени интенсификации их прогрева и испарения и, как следствие, о эффективности применения этой добавки в определенной концентрации. В настоящее время в научной литературе недостаточно экспериментальных исследований, направленных на определение компонентного состава распыленных капель жидкости. Адаптивные методики идентификации типа и концентрации примесей и добавок в каплях в процессе их распыления пока не разработаны.
Широкое применение капельных потоков в условиях повышенных (более 500 К) температур обусловлено возможностью существенной минимизации времени процессов нагрева или охлаждения, а также использованием нескольких механизмов теплопереноса: конвективный, кондуктивный, радиационный, смешанный. Эти факторы позволяют расширить диапазоны варьирования параметров технологических процессов. Однако, стоит отметить, что большинство экспериментальных и теоретических работ в данной научной области не учитывают влияние таких факторов как концентрация капель в потоке и их компонентной состав. Любое изменение компонентного состава жидкости приводит к изменению ее теплофизических свойств: плотности, теплоемкости, теплопроводности. Пока недостаточно экспериментальных данных о скоростях испарения капель воды с типичными примесями и добавками при различных схема и темпах нагрева. Это обусловлено с тем, что для соответствующих процессов характерны высокие скорости и довольно большая совокупность влияющих факторов: размеры капель, концентрации основных компонентов, добавок и примесей, температура жидкости и газовоздушной среды, подводимый тепловой поток, схема нагрева и др. Для разработки адекватных моделей необходимы достоверные экспериментальные данные, которые можно получить при комбинированном применении современных контактных и бесконтактных методов регистрации основных параметров многофазных и многокомпонентных систем.
Целью диссертационной работы является определение скоростей испарения неоднородных капель жидкостей с идентификацией в них примесей и добавок на основе результатов экспериментальных исследований при воспроизведении условий теплообмена, соответствующих работе теплогенерирующих блоков, агрегатов и систем.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка методики экспериментальных исследований состава капель, а также определение характеристик испарения при варьировании параметров исследуемых процессов: температуры внешней среды, начальной температуры и размеров капель, их компонентного состава, плотности теплового потока, схемы и темпа нагрева.
2. Создание экспериментальных стендов, реализующих совместное применение контактных и бесконтактных оптических методов измерений, с возможностью одновременной регистрации совокупности параметров исследуемого процесса, в том числе размеров, формы, скорости и траектории движения, компонентного состава капель.
3. Адаптация бесконтактных оптических методик (лазерная индуцированная флуоресценция, интерферометрия, теневая макросъемка) для идентификации твердых и жидких компонентов в распыленном аэрозольном потоке, установление состава капель и аэрозольного спрея.
4. Экспериментальное определение скоростей испарения капель воды с технологическими добавками (на примерах твердой, растворимой и нерастворимой) при различных схемах нагрева с доминированием конвективного, радиационного, кондуктивного, а также в условиях смешанного теплообмена.
5. Анализ влияния типа и концентрации примесей и добавок в каплях растворов, суспензий, эмульсий на значения скоростей их испарения.
6. Математическая обработка результатов экспериментов с получением обобщенных выражений для прогнозирования значений скоростей испарения неоднородных капель жидкостей при разных схемах и темпах нагрева.
7. Разработка рекомендаций по использованию полученных
экспериментальных результатов при совершенствовании высокотемпературных газопарокапельных топливных, теплообменных и оросительных технологий.
Научная новизна. Разработана методика определения значений скорости испарения жидкости в составе аэрозоля при известных значениях скорости испарения одиночных капель. Определены диапазоны изменения скоростей испарения капель воды с типичными (растворимыми и нерастворимыми) примесями и добавками при различных схемах нагрева с доминированием конвективного, радиационного, кондуктивного, а также в условиях смешанного теплообмена. Установлено влияние типа и концентрации примеси и добавки, схемы и темпа нагрева, температуры внешней среды, теплового потока на характеристики испарения капель. Предложен подход к прогнозированию скорости испарения капель при известном компонентном составе. Получены аппроксимационные выражения в безразмерном виде, связывающие скорости испарения жидкости с концентрациями и свойствами примесей и добавок. Предложенный подход к определению компонентного состава неоднородных капель жидкостей обеспечивает возможность одновременной регистрации совокупности параметров: размеры капель, скорость их движения, дисперсность аэрозоля, температура капель и газовоздушной среды и др.
Теоретическая и практическая значимость. Полученные экспериментальные результаты и сформулированные при их математической обработке выражения, связывающие скорости испарения с входными параметрами, являются основой для разработки и модернизации высокотемпературных газопарокапельных теплотехнологий: формирование теплоносителей на базе дымовых газов, капель и паров воды; размораживание сыпучих сред; термическая и огневая очистка жидкостей; полидисперсное пожаротушение; горение суспензионных, жидких и эмульсионных топлив; очистка теплонагруженных поверхностей и др. Предложен универсальный подход к определению компонентного состава неоднородных капель жидкостей в составе спреев при разных условиях теплообмена, отличающийся от известных применением комбинации оптических методов: теневая фотография, лазерно- индуцированная флуоресценция, интерферометрия.
Степень достоверности полученных экспериментальных результатов. Достоверность полученных в ходе экспериментальных исследований результатов подтверждается оценками систематических и случайных погрешностей результатов измерений, удовлетворительной повторяемостью опытов при идентичных начальных значениях параметров, использованием малоинерционных и высокоточных оптических методов, программноаппаратных кросскорреляционных комплексов, а также удовлетворительной корреляцией с известными заключениями других исследователей по тестовым задачам.
Связь работы с научными программами и грантами. Диссертационное исследование выполнено в рамках проекта Министерства науки и высшего образования № 075-15-2020-806 (в консорциуме вузов и институтов РАН, возглавляемом Институтом теплофизики СО РАН). Тема диссертации соответствует приоритетному направлению развития науки в Российской Федерации «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», а также находится в сфере критических технологий федерального уровня: «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии».
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Разработан подход к идентификации типа и концентрации твердых и жидких примесей в каплях, отличающийся от известных применением комбинации бесконтактных оптических методов: лазерно-индуцированная флуоресценция, интерферометрия, теневая фотография. Предложенный подход адаптирован для регистрации характеристик изменения состава отдельных капель и спреев.
2. Наличие твердых частиц в составе капель жидкостей даже с концентрацией до 1 % способствует повышению скоростей испарения более чем на 10 %. Наличие жидких примесей в составе капель воды даже с концентрацией до 5 % способствует изменению скоростей прогрева и испарения более чем на 20 %. Получено математическое выражение для определения скорости испарения капель при известных теплофизических характеристиках и концентрации компонентов.
3. Условия теплообмена капель жидкости с твердыми, растворимыми и нерастворимыми добавками существенно влияют на диапазоны изменения скоростей испарения. В частности, определены значения этих характеристик при доминировании разных схем теплообмена: конвективного (в потоке продуктов сгорания) 0,025-0,08 кг/(м2-с), радиационного (в муфельной печи) 0,15-0,5 кг/(м2-с), кондуктивного (на твердой поверхности) 0,5-1,5 кг/(м2-с), смешанного (в пламени) 0,02-0,1 кг/(м2-с).
4. Скорости испарения капель, как элементов аэрозоля, в высокотемпературной газовой среде главным образом зависят от их концентрации и начальных размеров. Получено математическое выражение для определения скоростей этих процессов при известных радиусах капель в составе аэрозоля и одиночной капли с учетом скорости испарения последней.
Личный вклад автора состоит в постановке и планировании экспериментальных исследований, разработке методик, создании стендов, проведении экспериментов, обработке результатов, оценке неопределенностей измерений, анализе и обобщении полученных результатов, разработке рекомендаций по практическому использованию результатов, формулировке защищаемых положений и выводов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных мероприятиях: Шестнадцатая всероссийская (восьмая международная) научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2021» (ИГЭУ им. В.И. Ленина, г. Иваново, 7.04.2021 г.); XXII Всероссийская научная конференция с
международным участием "Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии" (ТГУ, г. Томск, 12-14 октября 2021 г.).; III International Scientific Conference «Sustainable and Efficient Use of Energy, Water and Natural Resources» (г. Санкт-Петербург, 19-24 апреля 2021 г.); XVIII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (г. Томск, 27-30 апреля 2021 г.); XXVII
Международный научного симпозиума студентов, аспирантов и молодых ученых имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 3-7 апреля 2023 г.); Всероссийская конференция «XXXIX Сибирский теплофизический семинар» (г. Новосибирск, 28-31 августа 2023 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работах, в том числе 2 статьи в журнале из списка, рекомендованного ВАК РФ: «Письма в Журнал технической физики»; 3 статьи в
высокорейтинговых журналах (входят в 1-2 квартили Web of Science) «Powder Technology» (ИФ=5,134), «Fuel» (ИФ=6,609), «Energies» (ИФ=2,676); 6 тезисов докладов на конференциях.
Благодарности. Особую благодарность автор выражает научному руководителю д.ф.-м.н., профессору П.А. Стрижаку за помощь при постановке задачи, выборе методов решения, анализе и обобщении результатов, а также сотрудникам лаборатории тепломассопереноса ТПУ (Р.С. Волкову и Д.С. Романову) за помощь при проведении исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 151 наименование. Диссертация изложена на 121 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 8 таблиц.
Основные результаты диссертационных исследований и сформулированные по ним выводы состоят в следующем:
1. Разработаны методики и созданы стенды для определения компонентного состава неоднородных капель жидкостей, а также исследования характеристик их испарения при интенсивном нагреве с применением высокоскоростной регистрирующей аппаратуры и оптических методов диагностики многофазных сред. Стенды отличаются условиями нагрева капель (с доминированием кондуктивного, конвективного, радиационного и смешанного теплообмена), а также диапазонами воспроизводимых тепловых потоков: 21-45 кВт/м2 в муфельной печи, 9-28 кВт/м2 в потоке продуктов сгорания, 41-89 кВт/м2 на разогретой подложке, 41-89 кВт/м2 в пламени спиртовой горелки.
2. Эксперименты на разработанных стендах позволили установить влияние схемы и темпа нагрева (в потоке продуктов сгорания, на разогретой подложке, в муфельной печи, в пламени горелки), температуры греющей среды, теплофизических характеристик капель, концентрации и типа добавок к ним на значение скоростей их испарения.
3. По результатам выполненных экспериментов обосновано, что комбинированное применение трех оптических методик (LIF, IPI, SP) позволяет установить компонентный состав капель, а также распределение компонентов в составе спрея. При обобщении результатов исследований предложен способ идентификации примесей в каплях и компонентов спреев.
4. При математической обработке результатов экспериментов установлены зависимости скоростей испарения капель жидкостей от температуры и подведенного теплового потока с учетом раздельного и совместного влияния совокупности параметров, в частности, начального размера и формы капли, концентрации и свойств примесей и добавок.
5. По результатам комплексного исследования условий и характеристик испарения совокупности капель жидкостей получены математические выражения для прогнозирования значений скоростей испарения аэрозолей при известных скоростях таких процессов для одиночных капель и концентрации дисперсной фазы в спрее.
6. Определены синергетические и коллективные эффекты, вызванные раздельным и совместным влиянием твердых и жидких примесей в каплях на характеристики испарения капель и спреев.
7. Сформулированы рекомендации по применению результатов выполненных исследований для развития технологий зажигания облака капель жидких топлив, а также технологий термической и огневой очистки жидкостей от загрязняющих их нерегламентированных примесей.
1. Разработаны методики и созданы стенды для определения компонентного состава неоднородных капель жидкостей, а также исследования характеристик их испарения при интенсивном нагреве с применением высокоскоростной регистрирующей аппаратуры и оптических методов диагностики многофазных сред. Стенды отличаются условиями нагрева капель (с доминированием кондуктивного, конвективного, радиационного и смешанного теплообмена), а также диапазонами воспроизводимых тепловых потоков: 21-45 кВт/м2 в муфельной печи, 9-28 кВт/м2 в потоке продуктов сгорания, 41-89 кВт/м2 на разогретой подложке, 41-89 кВт/м2 в пламени спиртовой горелки.
2. Эксперименты на разработанных стендах позволили установить влияние схемы и темпа нагрева (в потоке продуктов сгорания, на разогретой подложке, в муфельной печи, в пламени горелки), температуры греющей среды, теплофизических характеристик капель, концентрации и типа добавок к ним на значение скоростей их испарения.
3. По результатам выполненных экспериментов обосновано, что комбинированное применение трех оптических методик (LIF, IPI, SP) позволяет установить компонентный состав капель, а также распределение компонентов в составе спрея. При обобщении результатов исследований предложен способ идентификации примесей в каплях и компонентов спреев.
4. При математической обработке результатов экспериментов установлены зависимости скоростей испарения капель жидкостей от температуры и подведенного теплового потока с учетом раздельного и совместного влияния совокупности параметров, в частности, начального размера и формы капли, концентрации и свойств примесей и добавок.
5. По результатам комплексного исследования условий и характеристик испарения совокупности капель жидкостей получены математические выражения для прогнозирования значений скоростей испарения аэрозолей при известных скоростях таких процессов для одиночных капель и концентрации дисперсной фазы в спрее.
6. Определены синергетические и коллективные эффекты, вызванные раздельным и совместным влиянием твердых и жидких примесей в каплях на характеристики испарения капель и спреев.
7. Сформулированы рекомендации по применению результатов выполненных исследований для развития технологий зажигания облака капель жидких топлив, а также технологий термической и огневой очистки жидкостей от загрязняющих их нерегламентированных примесей.
