Тепломассообмен при течениях в дисперсных средах

Койбагаров Самат Хариевич,

кандидат технических наук, и.о. доцента кафедры техической физики и теплоэнергетики Семипалатинского государственного университета им. Шакарима.

В последнее время в связи с интенсификацией процессов переработки пищевых продуктов особо встает проблема значительного увеличения объема работы тепломассообменных аппаратов. Одним из методов ее решения является увеличения темпов термообработки за счет оптимизации и установления технологических параметров процесса.

В данной работе представлен анализ экспериментов по интенсивности водяного пара в дисперсной среде.

В результате анализа процесса вытеснения жидкости насыщенным водяным паром в работе тепломассообменных аппаратах устанавливалось «локальное термическое равновесие»[1], а связь давления и температуры пара может быть представлено на ос­новании уравнения Клапейрона-Клаузауса и в приближении с точностью до 1-2 %, до давлений 1 МПа, записана в следующем виде:

                                                                            (1)

где  - критическая температура и давление для насыщенного водяного пара.

Поступающий в слой пар создает градиент давления. Так как расход и влагосодержание связаны соотношением

,                                                                                                             (2)

можно сделать вывод, что вытеснение жидкости из ненасыщенной дисперсной среды связано с образованием волнового движения и зоны повышенной насыщенности на фронте вытеснения. Характерным является наличие некоторой предельной насыщенности (в нашем случае, как показали эксперименты, она составляет 5% по весу), при которой движение вытесняемого агента не влияет на движение вытесняющего.

Анализ показывает, что распространяется практически прямо­угольный температурный фронт с уменьшающейся с ростом зоны пара скоростью движения [4]. Качественно о темпе подъема температуры в данном сечении можно судить по величине критерия Кутателадзе:

.                                                                                                   (3)

В случав вытеснения воды паром величина критерия К_n = 19, при вытеснении жидкости в вид пара К_n = 0,82; т.е. чем меньше критерий, тем в более сильной степени размыт температурный фронт и тем меньшим будет темп подъема температуры.

Распределение температуры в зоне пара определяется распре­делением давления [2]. Последнее может быть получено из решения сис­тема следующих уравнений:

;                                                                               (4)

;                                                                                 (5)

;                                                                      (6)

;                                                                                                     (7)

, ;                                                                                          (8)

.                                                                                                              (9)

В данной формулировке предполагается, что весь поток вещест­ва фазового перехода сосредоточен на фронте вытеснения. В качест­ве граничных условий могут быть приняты давление на входе в слой дисперсной среды и давление на фронте вытеснения.

Квазистационарное приближение сформулированной задачи дает следующее распределение давления в зоне пара [3]:

,                (10)

где  - давление и температура на фронт вытеснения, Н - размер зоны пара,  - значения параметров на входе в дисперсный слой.

Расчет распределения давления по (10) хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Анализ экспериментальных данных при вытеснении жидкости показывает, что не существует отдельно движущихся перед фронтом пара конденсата и вытесняемой жидкости. Экспериментально не было обнаружено наличие зоны конденсата. Это дает основание предположит капельную конденсацию с образованием капель конденсата, как на самой поровой поверхности, так и в среде вытесняемой жидкости. Действительно, для консолидации капель необходимо определенное время. Оценка его в стационарном приближении Стокса дает следующее выражение:

,                                                                                              (11)

где R -размер капель,  - вязкость вытесняемой жидкости ,  - радиус пор,  - ускорение свободного падения.

Для конденсата с размером капель R = 10^{-6 м время их оседания на стенки пор в среде эмульсии составит приблизи­тельно 90 с. Очевидно, что эти величины значительно больше времени самого процесса вытеснения в проведенных экспериментах.}

Таким образом, выполненное исследование выявило принци­пиальные различия в процессах тепло- и массообмена при вытеснении паром таких жидкостей, как вода, жировая эмульсия.

Полученные данные представля­ются важными для понимания тепломассообменных процессов протекающих при кипении, нагрева в тепловых аппаратах в пластах при закачке водяного пара.

Обозначения

P – давление; Т – температура; - плотность дисперсной среды; j- влагосодержание; - теплоемкость жидкости; - плотность жидкости; ,  плотность воды, пара; ,  - насыщенность дисперсной среды паром, водой; e - пористость; ,  - проницаемость среда для пара, воды; ,  - вязкость пара, воды; , -теплота фазового перехода; m - молярный вес воды; λ_т - теплопроводность дисперсной среды; ,  - скорость фильтрации пара, воды.

Литература

1.                  Ганжа В. Л. Журавский Г. И. Экспериментальное исследование фильтрации водяного пара.- Инж. физ. журн., 1980, т; 38, № 5, с. 847 - 852.

2.                  Смирнов Г. Ф.Приближенный теория теплообмена при кипении на поверхностях. Теплоэнергетика, 1977, №9 с.-77-80.

3.                  Абраменко А. Н. и др. Теплообмен при испарении и кипении жидкости в пористых телах.- Инж.физ.журн., 1982, т.42. №2, с.218-227.

4.                  Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. М.. Энергоатомиздат, 1990.- 367 с.

Поступила в редакцию 23.11.2010 г.