Комплексное изучение взаимосвязи самоорганизации течений и неравновесного межфазного тепломассообмена в условиях многомасштабного взаимодействия применительно к разработке высокоэффективных технологий в дистилляции и энергетическом оборудовании

Проект направлен на проведение фундаментальных исследований взаимосвязи самоорганизации течения и неравновесного межфазного тепломассообмена при двухфазных газожидкостных течениях в современном технологическом оборудовании, которое характеризуется применением разнообразных способов интенсификации процессов межфазного тепломассообмена. Известно, что наиболее действенным способом повышения эффективности, производительности энергетического оборудования является воздействие на процессы тепломассообмена на микроскопических масштабах и аккумулирование воздействия с переносом на макромасштаб. Сложность такого масштабирования обусловлена возникновением каскадных процессов самоорганизации течения и его обратного влияния на процессы тепломассообмена как на микроскопическом масштабе, так и на макромасштабе. Задачей проекта является изучение процессов самоорганизации противоточного газожидкостного пленочного течения многокомпонентных и однокомпонентных потоков в сложных канальных системах современных дистилляционных колонн со структурированными насадками и крупномасштабными испарителями-конденсаторами в криогенной, нефтяной и химической промышленности. При таких течениях реализуется целый каскад многомасштабных явлений, характеристики которых оказывают существенное влияние на развитие каскадных процессов самоорганизации потоков и интенсивность тепломассообмена в различных технологических и природных процессах. При выполнении проекта будет рассмотрен ряд объектов в рамках указанных подходов. Одним из объектов исследований является противоточное течение бинарных смесей жидкости и пара в сложных канальных системах, которое является характерным режимом течения смесей жидкости и пара при дистилляции на так называемых “структурированных насадках”, которые имеют рекордные характеристики по удельной поверхности. Эффективность тепломассообмена, разделения смесей при струйном орошении в таких условиях определяется динамикой растекания, волнового пленочного течения жидкости по поверхности сложной геометрии, сложной гидродинамикой течения пара в перекрестных, связанных друг с другом, каналах, развитием неустойчивости течения жидкости и пара на макромасштабе, которая может быть обусловлена, в том числе, и обратным влиянием интенсивности массообмена на развитие гидродинамических процессов. В конечном итоге, развитие значительной неравномерности распределения параметров потоков по сечению канальной системы и формирование крупномасштабных структур приводит, например, в дистилляционных колоннах большого диаметра со структурированными насадками к резкому снижению эффективности разделения смесей. Целями данного раздела проекта являются выявление фундаментальных закономерностей развития таких процессов и разработка способов подавления связанных с ними негативных факторов, создание оптимальных форм тепломассообменной поверхности для обеспечения максимальной эффективности разделения смесей, снижения относительных гидравлических потерь. На основе проведения комплексных экспериментальных исследований будут установлены непосредственные взаимосвязи между неравномерностью распределения параметров потоков и эффективностью разделения смесей, гидравлическими потерями, критическими условиями захлебывания на структурированных насадках при различных степени орошения и способе орошения жидкости. Важнейшим направлением исследований в рамках данного проекта будет развитие методов математического и физического моделирования многомасштабных процессов, приводящих к формированию крупномасштабных структур при противоточном течении бинарных смесей жидкости и пара в сложных канальных системах структурных насадок, разработанных в ходе выполнения проекта РНФ № 14-49-00010 (этап 2014-2016 гг.). Совместное использование методов математического моделирования и экспериментов, проведенных на колоннах различного диаметра позволит определить влияние масштабного фактора и разработать подходы к подавлению обратного влияния многомасштабной неустойчивости на массообменные процессы в дистилляционных колоннах. Авторами проекта в ходе выполнения проекта РНФ № 14-49-00010 (этап 2014-2016 гг.) был разработан принципиально новый подход для значительного повышения эффективности разделения смесей жидкостей при дистилляции на структурированных насадках. Основная идея предлагаемого авторами проекта подхода основана на создании динамического управления (по заданным законам во времени и по сечению колонны) параметрами орошающей струйным образом жидкости на входе в структурированную насадку. Опыты проводятся на не имеющей аналогов в мире крупномасштабной исследовательской модели дистилляционной установки- стенде «Большая Фреоновая колонна», оснащенном уникальным комплексом измерительных методик. Экспериментальное измерительное оборудование стенда дает возможность в реальных условиях разделения смесей исследовать закономерности противоточного течения жидкости и пара, эффективность разделения, гидравлические потери в структурированных насадках с одновременной регистрацией эволюции перераспределения локальных характеристик потоков жидкости и пара по сечению и высоте тепломассообменного аппарата. В ходе выполнения исследований по проекту РНФ № 14-49-00010 (этап 2014-2016 гг.) были получены результаты по значительному повышению эффективности разделения смесей в колонне диаметром 0.9 м при создании динамического управления (по заданным законам во времени и по сечению колонны) параметрами орошающей струйным образом жидкости на входе в структурированную насадку в области малых и средних значений скоростей пара и жидкости. В рамках данного проекта (этап 2017-2018 гг.) будут продолжены экспериментальные исследования по тестированию данного метода повышения эффективности разделения смесей в колонне диаметром 0.6 м с использованием специальной вставки в «Большую Фреоновую колонну». Проведение данных исследований даст возможность детально изучить возможности данного метода управления структурой орошения насадки в области более высоких расходов жидкости и пара, вплоть до захлебывания колонны, а также изучить эффекты масштабного фактора при различных законах орошения насадки для колонн различного диаметра (0.6 и 0.9 м). С целью изучения особенностей пленочного течения жидкости по структурированным поверхностям различной геометрии, условий и динамики разрыва пленки, формирования несмоченных зон, закономерностей течения потока пара будут продолжены экспериментальнорасчетные исследования на единичных элементах насадки при различных расходных характеристиках для жидкости и газа. Будут проведены экспериментальные исследования по изучению растекания жидкости в единичных элементах структурированных насадок с другими видами микротекстуры на их поверхности. С использованием жидкостей с различными физическими свойствами будет установлены механизмы развития крупномасштабной неустойчивости по сечению структурной упаковки и формирования крупномасштабных структур, разработаны методы подавления развития крупномасштабной неустойчивости, вызванной локальным захлебыванием противоточного газожидкостного потока. Данный взаимосвязанный блок исследований необходим как для определения степени влияния неравномерности распределений жидкости и пара, обоснованного выбора и задания параметров динамической системы управления орошением жидкости, так и для создания более эффективных тепломассообменных поверхностей структурированных насадок. Вторым объектом экспериментальных исследований будут являться пленочные течения смесей жидкости по обогреваемым вертикальным цилиндрам с новыми типами микроструктурирования теплоотдающей поверхности. Будут получены новые опытные данные по эффективности теплообмена, критическим тепловым потокам и их взаимосвязи с динамикой пленочного течения жидкости в режимах испарения и кипения с использованием микроштырькового (игольчатого) структурирования поверхности. Третьим объектом экспериментальных и теоретических исследований будут экспериментальные и теоретические исследования течения жидкостей и их смесей в потоке пара в многоканальных системах со структурированными поверхностями, для которых процессы самоорганизации течения также играют определяющее значение. Такие течения реализуются в современных компактных пластинчато-ребристых испарителях-конденсаторах разделительных колонн, пленочных теплообменниках различного назначения. Закономерности гидродинамики и тепломассообмена в условиях волновых пленочных течений жидкостей и их смесей по структурированным поверхностям при испарении, кипении и конденсации, когда существенное взаимосвязанное влияние оказывают капиллярные, термоконцентрационные и термокапиллярные эффекты, микрохарактеристики кипения и испарения, обмен массовыми потоками жидкости и газа через отверстия в стенках каналов, изучены весьма слабо. В ходе выполнения работ по проекту будут проведены комплексные расчетно-экспериментальные исследования локальных гидродинамических и теплообменных характеристик для указанных выше режимов течения в широком диапазоне изменения степени орошения, расхода пара, параметров структурирования и покрытий теплообменной поверхности. Принципиальным отличием предлагаемых работ, от выполненных ранее, является проведение экспериментов для нисходящего парожидкостного течения, которые наиболее широко встречаются в современном теплообменном оборудовании. При этом будет использовано оборудование, разработанное в ходе выполнения проекта РНФ № 14-49-00010 (этап 2014-2016 гг.), что позволит в одинаковых условиях сопоставить интенсивность тепломассообменных процессов для восходящего и нисходящего течений в двухфазных компактных теплообменниках. Теоретическое и экспериментальное исследование взаимосвязи режимов течения и локального теплообмена при испарении и конденсации легкокипящих хладонов и их смесей в каналах с поперечным размером существенно меньше капиллярной постоянной позволит установить закономерности фазовых переходов в условиях определяющего влияния эффектов стесненности и капиллярных сил. Основное внимание будет уделено исследованию влияния режима течения, плотности теплового потока, массовой скорости, и приведенного давления на локальный коэффициент теплоотдачи и процесс самоорганизации течения на масштабах большого числа сообщающихся каналов. Будет развита теория теплообмена при испарении и конденсации в условиях опускного течения в прямоугольном канале с зазором много меньше капиллярной постоянной, проведено сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными. Реализация международной научной группой в ходе выполнения проекта предлагаемых подходов и идей будет носить по своей новизне, несомненно, приоритетный в мире характер.