Determining the parameters of demarcation of heat exchange modes in the film during vaporization

Abstract

Introduction. The purpose of the research is to analytically determine the parameters of the separation of two characteristic modes of heat transfer to the boiling film under the condition of its cyclic mixing by large waves, which takes place in the long pipes of film evaporators of the sugar industry. Materials and methods. Analytical methods of analysis of heat transfer processes in flowing laminar and turbulent films of liquids during vaporization are applied in the study. Results and discussion. Mathematical modeling of the temperature field in a liquid flowing down the vertical surface of a boiling film with a developed wave structure in the presence of an accompanying vapor flow at the time of the appearance of a temperature gradient at the film-vapor interfacial surface was carried out. The perturber of cyclic temperature fluctuations in the film in long channels are large low-frequency waves that roll along the interfacial surface. The limiting curve for separating heat transfer modes in the film is obtained on the basis of the approximate solution of the differential equation of heat conduction with a convective term for both laminar and turbulent modes of film motion using the algebraic form of dependence for turbulent viscosity in the film provided under the condition of zero temperature gradient on the surface of the film. As a result of solving the problem, an analytical expression was obtained, which is the initial condition of the boundary value problem of heat transfer in a boiling film, which arises at the moment of stirring the film by a large wave. It was found that with a change in the volume density of irrigation from 0.0001 to 0.0005 m2/s, the length of the film run, during which the heat exchange mode changes, is 50–140 mm for laminar films and 10–35 mm for turbulent films, respectively. Conclusions. From the equations of convective heat conduction for laminar and turbulent films under the condition of zero temperature gradient on the surface of the film, expressions are obtained that are the initial conditions of the boundary value problem of heat exchange in a boiling film, which occurs at the time of mixing of the film by a large wave.Вступ. Мета дослідження – аналітичне визначення параметрів поділу двох характерних режимів теплообміну киплячої плівки за умови її циклічного перемішування великими хвилями, що відбувається в довгих трубах плівкових випарних установок цукрової промисловості. Матеріали та методи. У роботі застосовано аналітичні методи аналізу процесів теплообміну в текучих ламінарних і турбулентних плівках рідин при пароутворенні. Результати та обговорення. Проведено математичне моделювання температурного поля в рідині, що стікає по вертикальній поверхні киплячої плівки з розвиненою хвильовою структурою за наявності супутнього потоку пари в момент виникнення градієнта температури на поверхні розділу плівка-пар. Збурювачем циклічних коливань температури в плівці в довгих каналах є великі низькочастотні хвилі, які котяться вздовж міжфазної поверхні. Граничну криву поділу режимів теплообміну в плівці отримано на основі наближеного розв’язку диференціального рівняння теплопровідності з конвективним членом як для ламінарного, так і для турбулентного режимів руху плівки з використанням алгебраїчної форми залежності для турбулентної в’язкості в плівка, забезпечена за умови нульового градієнта температури на поверхні плівки. В результаті розв’язання задачі отримано аналітичний вираз, який є початковою умовою крайової задачі теплообміну в киплячій плівці, що виникає в момент перемішування плівки великою хвилею. Встановлено, що при зміні об’ємної щільності зрошення від 0,0001 до 0,0005 м2/с довжина прогону плівки, під час якого змінюється режим теплообміну, становить 50–140 мм для ламінарних плівок і 10–35 мм для плівок. турбулентні фільми відповідно. Висновки. З рівнянь конвективної теплопровідності для ламінарної та турбулентної плівок за умови нульового градієнта температури на поверхні плівки отримано вирази, які є початковими умовами крайової задачі теплообміну в киплячій плівці, що відбувається при час перемішування плівки великою хвилею.