2.7.9. Эффекты, связанные с тепломассообменом

1. Явление конвекции газа под действием температурных напряжений (термострессовая конвекция) заключается в том, что при состоянии газа как сплошной среды существует движение газа, вызванное температурными напряжениями и обусловленное неоднородностью и асимметрией поля температур в этом газе (открытие СССР № 261). Движение газа как сплошной среды может быть вызвано следующими факторами: движением тел, погруженных в газ, либо созданием извне перепада давления в газе (вынужденная конвекция); действием на газ архимедовых сил при наличии в нем переменного температурного поля (свободная конвекция); неоднородностью температуры поверхности тела, находящегося в газе (температурное скольжение). По данному открытию следует, что возможна еше одна причина конвекции газа, не зависимая от перечисленных факторов, - неоднородность и асимметрия поля температур в газе. В результате действия термострессовой конвекции, возникают силы между нагретыми и охлажденными относительно газа телами и значительно изменяют сопротивление частиц, движущихся в газе по мере роста, температуры. Этот эффект необходимо учитывать при анализе процессов горения капель и твердых частиц топлива (скорости их движения в газе и интенсивности тепломассообмена), при сушке материалов и очистке газов [36].

2. Закономерность изменения теплоотдачи на стенках каналов с дискретной турбулизацией потока при вынужденной конвекции заключается в том, что в определенном диапазоне соотношений размеров и расположений турбулизаторов рост теплоотдачи больше роста гидравлического сопротивления, по сравнению с аналогичным гладким каналом (открытие СССР № 242). Всегда считалось, что рост интенсивности теплообмена за счет турбулизации потока теплоносителя связан с дополнительными повышенными затратами энергии, подводимой к теплоносителю. Но, если в каналах образуются турбулентные вихри, которые переносятся вдоль стенок канала и слабо диффундируют в ядро потока, это приводит к более быстрому росту теплоотдачи, по сравнению с ростом потери давления теплоносителя. Технология изготовления таких теплообменных поверхностей предусматривает нанесение на них поперечных выступов и кольцевых канавок. При этом рост теплоотдачи в переходной области течения достигает 2,8 раза, а в турбулентной области - 1,51,7 раза. На основе открытия создан эффективный метод интенсификации теплообмена в трубчатых и пластинчатых теплообменных аппаратах, позволяющий в 1,52 раза уменьшить объем и массу теплообменников при неизменных тепловой мощности и гидравлическом сопротивлении, которые реализованы в оригинальных конструкциях теплообменников (а. с.775608, 276039, 568829, 612142, 731265).

3. Явление скачкообразного увеличения, тепло- и массообмена между газовой и жидкой фазами в пористых средах или при предельных скоростях потоков, соответствующих переходу газовой фазы в дисперсную, а жидкой - в сплошную (в режиме инверсии фаз) с сохранением их противоточного движения может реализовываться в абсорбционных и дистиляционных колоннах (открытие СССР № 141). Обычно считалось, что растворение газа в жидкости происходит в месте их соприкосновения только в результате молекулярной диффузии. Поэтому необходимо увеличивать поверхность раздела фаз, например, с помощью насадок (шаров, колец Рашига и др.). Однако абсорбционные колонны с насадкой работоспособны лишь для спокойного движения жидкости и газа, то есть когда массообмен идет только в поверхностном слое. Если увеличивать скорость, то на гладкой пленке жидкости возникают вихри проникающие вглубь. Энергия газового потока начинает превышать энергию поверхностного натяжения жидкости, четкий раздел поверхности фаз исчезает, возникает режим эмульгирования (инверсии фаз), сопровождающийся резким увеличением массообмена. За счет перемешивания потоков процесс идет настолько интенсивно, что величиной молекулярной диффузии можно пренебречь [36].

4. Явление высокой химической активности продуктов неполного сгорания, обусловленной образованием сверхравновесной концентрации химически активных частиц (свободных атомов и радикалов) при горении богатой углеводородной смеси (открытие СССР № 142). При горении углеводородовоздушной смеси, в которой для полного сгорания не хватает примерно 50 % кислорода, образуются стабильные продукты неполного сгорания (СО, Н₂ и небольшое количество СО₂ и H₂О). Но, одновременно с этими продуктами образуются нестабильные химически активные свободные радикалы и атомы, концентрация которых в сотни и тысячи раз выше величин характерных для термодинамически равновесных условий, а также для случаев горения бедной и стехиометрической смесей. Продолжительность химически активного состояния частиц с момента их возникновения составляет 1015 мс, затем происходит рекомбинация, но за это время они успевают инициировать разветвленные химические реакции и резко сокращают период задержки воспламенения рабочей смеси. Возникает лавинная активация горения – ЛАГ-процесс, приводящая к значительному (в 34 раза) увеличению скорости сгорания, к повышению на 1015 % ее полноты и к улучшению стабильности горения. Возможно применение форкамерно-факельного инициирования воспламенения и стабилизации горении при организации ЛАГ-процесса для сжигания природного газа в печах в целях технологического и термического нагрева металла, что позволяет создать химически равновесную нейтральную среду с сокращением окисления и потерь металла на угар [36].

5. Эффект Джоуля-Томсона (дроссель-эффект) заключается в изменении температуры газа при его адиабатическом дросселировании, т.е. протекании через пористую перегородку, диафрагму или вентиль. Эффект называется положительным, если температура газа при дросселировании понижается, и отрицательным, - если она повышается. Для реальных газов существует точка инверсии - значение температуры, при которой изменяется знак эффекта (для воздуха - выше комнатной температуры он охлаждается).

6. Эффект псевдокипящего слоя - используется псевдожидкость в виде взвеси твердых частиц в потоке газа, поступающего снизу, причем перемещающиеся частицы эффективно переносят тепло (во много раз лучше, чем медь). Например, псевдожидкость, омывающая деталь со скоростью 1 м/с, осуществляет теплообмен столь же эффективно, как чистый газ движущейся со сверхзвуковой скоростью. Псевдоожижение с равным успехом можно использовать как для передачи тепла, так и для "передачи" холода. Применение псевдожидкости в печах для нагрева металла позволяет интенсифицировать теплообмен и снизить расход топлива.

7. Тепловая труба - теплообменная система, состоящая из закрытой металлической трубы, внутренняя стенка которой выложена слоем капиллярно-пористого материала, пропитанного легко испаряющейся жидкостью. На горячем конце жидкость испаряется и отбирает теплоту, пары сами перемещаются к холодному концу, где конденсируются и отдают теплоту, а образовавшаяся жидкость по пористому материалу возвращается обратно к горячему концу трубы. Через тепловую трубу диаметром в сантиметр можно прогнать тепловую мощность порядка 10 кВт при разности температур на концах трубы всего в 5 °С (чтобы пропустить эту же мощность через медный стержень такого же диаметра, на его концах нужен был бы перепад температур 150000 °С [78]. Важность тепловой трубы как высокоэффективного теплопроводящего устройства можно сравнить со значением изобретения полупроводниковых приборов. Тепловые трубы имеют высокую эквивалентную теплопроводность (отношение передаваемого теплового потока к площади поперечного сечения тепловой трубы и перепаду температуры на единице ее длины), вследствие чего тепловые трубы можно условно назвать сверхтеплопроводящими устройствами. Возможна также трансформация плотности теплового потока, то есть концентрация или деконцентрация, на участке теплосброса, по сравнению с участком теплоподвода, это позволяет, например, на наружной поверхности тепловой трубы развить эффективное оребрение, так как температуры оснований всех ребер практически одинаковы, чего невозможно достичь на цельнометаллическом радиаторе. Тепловая труба обеспечивает также сглаживание пиков температуры и выравнивание температуры поверхности элементов, неравномерно выделяющих теплоту [79-83]. Например, в электродуговом нагревателе газов (а. с. 1011031*) для повышения КПД и улучшения условий работы электродов предлагается использовать тепловые трубы для охлаждения теплонапряженных элементов.