Особенности решения задачи о конденсации пара, содержащего твёрдые частицы на ребре

ЦЕЛЬ. Оценить влияние на процесс конденсации загрязнений, содержащихся в паре и оседающих на поверхности охлаждаемых рёбер, для чего сформулировать математическую модель процесса, исследовать его свойства и получить количественные оценки характеристик.

МЕТОДЫ. Уравнения математической модели строятся на основе законов сохранения энергии и массы, их исследование и оценки проводятся с применением аналитических методов теории дифференциальных уравнений, методов теории подобия и размерностей, а также численных методов решения краевых задач.

РЕЗУЛЬТАТЫ. Сформулирована постановка задачи о конденсации пара, содержащего твёрдые частицы, на ребре. Выявлено наличие автомодельного решения, представляющегося в виде безразмерной функции одной переменной, единой для всех наборов исходных параметров. Получены соотношения, описывающие распределения толщины δ(x, τ) осадка и температуры ϑ(x, τ) на прямом ребре неограниченной высоты (l = ∞) при первоначально чистой поверхности (h0 = 0). Данные соотношения также практически точно описывают начальную стадию такого процесса на прямом ребре конечной высоты l, пока осадок заметной толщины не покроет поверхность ребра целиком, а также – начальные моменты в случае ребра на круглой трубе, пока ширина зоны осадка с заметной толщиной существенно меньше радиуса трубы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Использование этих распределений как начальных для рёбер ограниченной высоты вместо, например, введения равномерного начального слоя h0, позволит достигать высокой точности численных расчётов без чрезмерного сгущения сетки по координате и времени.

1. Голованчиков А.Б., Шурак А.А., Меренцов Н.А. Моделирование работы кожухотрубного теплообменника с учетом энерго- и ресурсосбережения // Химия. Экология. Урбанистика. 2021. (2021-1). С. 26–29.

2. Дмитриев А.В., Зинуров В.Э., Гумерова Г.Х. Оценочный расчет процесса теплообмена в камере сгорания при сжигании природного газа // Вестник технологического университета. 2018. № 2(21). С. 99–103.

3. Sun K., Lu L., Jiang H. A computational investigation of particle distribution and deposition in a 90 bend incorporating a particle–wall model // Building and Environment. 2011. Vol. 46, N6. pp. 1251–1262.

4. Lu H., Lu L. Effects of rib spacing and height on particle deposition in ribbed duct air flows // Building and Environment. 2015. Vol. 92. pp. 317–327.

5. Guo Z., Li N., Klemeš J.J., et al. Mechanisms and strategies for ash deposition reduction in flue gas heat exchanger // Clean Technologies and Environmental Policy. 2022. Vol. 24, N1. pp. 77–93.

6. Kapustenko P.O., Klemeš J.J., Matsegora O.I., et al. Accounting for local thermal and hydraulic parameters of water fouling development in plate heat exchanger // Energy. 2019. Vol. 174. pp. 1049–1059.

7. Xu Z., Sun A., Han Z., et al. Simulation of particle deposition in a plate-fin heat exchanger using a particle deposition model with a random function method // Powder Technology. 2019. Vol. 355. pp. 145–156.

8. Tang S.Z., Li M.J., Wang F.L., et al. Fouling and thermal-hydraulic characteristics of aligned elliptical tube and honeycomb circular tube in flue gas heat exchangers // Fuel. 2019. Vol. 251. pp. 316–327.

9. Davoudi E., Vaferi B. Applying artificial neural networks for systematic estimation of degree of fouling in heat exchangers // Chemical Engineering Research and Design. 2018. Vol. 130. pp. 138–153.

10. Jiang H., Lu L., Sun K. Simulation of particle deposition in ventilation duct with a particle–wall impact model // Building and environment. 2010. Vol. 45, N5. pp. 1184–1191.

11. Jiang H., Lu L., Sun K. Computational fluid dynamics (CFD) modelling of particle deposition in a two-dimensional turbulent channel air flow: study of influence factors // Indoor and Built Environment. 2012. Vol. 21, N2. pp. 264–272.

12. Han H., He Y.L., Tao W.Q., et al. A parameter study of tube bundle heat exchangers for fouling rate reduction // International journal of heat and mass transfer. 2014. Vol. 72. pp. 210–221.

13. Lu H., Lu L., Jiang Y. Numerical simulation of particle deposition in duct air flows with uniform, expanding or contracting cross-section // Energy and Buildings. 2016. Vol. 128. pp. 867–875.

14. Zhan F., Zhuang D., Ding G, et al. Numerical model of particle deposition on fin surface of heat exchanger // International Journal of Refrigeration. 2016. Vol. 72. pp. 27–40.

15. Li J., Du W., Cheng L. Numerical simulation and experiment of gas-solid two phase flow and ash deposition on a novel heat transfer surface // Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 113. pp. 1033–1046.

16. Guo K., Zhang N., Smith R. Design optimisation of multi-stream plate fin heat exchangers with multiple fin types // Applied Thermal Engineering. 2018. Vol. 131. pp. 30–40.

17. Hosseini S.B., Khoshkhoo R.H., Malabad S.M.J. Experimental and numerical investigation on particle deposition in a compact heat exchanger // Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 115. pp. 406–417.

18. Zhan F., Ding G., Zhuang D. Numerical model of particle deposition on wet fin surfaces of heat exchanger under dehumidifying conditions // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020. Vol. 149. pp. 119258.

19. Li M.J., Tang S.Z., Wang F.L., et al. Gas-side fouling, erosion and corrosion of heat exchangers for middle/low temperature waste heat utilization: A review on simulation and experiment // Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 126. pp. 737–761.

20. YaLing H.E., SongZhen T.A.N.G., FeiLong W.A.N.G., et al. Gas-side fouling, erosion and corrosion of heat exchanger for middle and low temperature flue gas waste heat recovery // Chinese Science Bulletin. 2016. Vol. 61, N17. pp. 1858–1876.

21. Wang F.L., Tang S.Z., He Y.L., et al. Heat transfer and fouling performance of finned tube heat exchangers: Experimentation via on line monitoring // Fuel. 2019. Vol. 236. pp. 949–959.