Сomputational Modeling of Liquid Film Flow Regimes in Heat and Mass Transfer Devices at Low Reynolds Numbers

Abstract

Introduction. Heat and mass transfer devices based on flow of a thin layer of viscous fluid are widely used in numerous industry fields (chemical, petrochemical, energy, food, etc.). Falling film devices (film rectifiers, absorbers, steam generators, etc.) efficiency is related to large contact surface area and low liquid flow rate. Aim. Numerical study of wave characteristics of a thin layer of a viscous liquid both during free flow and during evaporation. Materials and methods. This work presents results of computational modeling of vertical water liquid film flow at low Reynolds numbers in the framework of partial differential equation of the state of the free surface of the liquid film. Equation coefficients include different physicochemical factors such as surface tension parameter and temperature gradients influence parameter. Analytic dependence of Marangoni parameter critical values is presented. Liquid film flow is investigated both at free flow and at evaporation of liquid. Temperature gradients influence causing increase of instability region and changing parameters of liquid film wave flow is taken into account. Utility developed in C++ is used for computation of wave characteristics and instability regions of liquid films. Results. Computational experiments were carried out for the vertical water film both at free flow and at evaporation. As a result of computational experiments liquid film flow regimes with a maximum value of the increment were selected; such regimes are shown in experimental studies of other researchers. Marangoni parameters critical values, at which destruction of film is possible, were calculated. Conclusion. Increment increases and phase velocity decreases under conditions of evaporation, and conditions are created for the destruction of the liquid film in heat and mass transfer devices and formation of “dry spot” on their surface. Liquid films flows investigation is relevant due to wide use of industrial falling film devices based on evaporating liquid films (evaporators, vaporizing apparatus); its results could be used in the design or modernization of existing equipment and in the design of technological processes in liquid films. Введение. Тепломассообменные аппараты, в которых реализуется течение тонких слоев вязких жидкостей, широко применяются в различных областях промышленности (химической, нефтехимической, энергетической, пищевой и др.). Эффективность использования пленочных аппаратов (пленочные ректификаторы, абсорберы, парогенераторы и др.) связана с большой поверхностью контакта при малых удельных расходах жидкости. Цель работы. Численное исследование волновых характеристик течения тонкого слоя вязкой жидкости в условиях свободного стекания пленки и испарения жидкости. Материалы и методы. В работе представлены результаты численного моделирования течения вертикальной жидкой пленки воды со свободной поверхностью при малых числах Рейнольдса в рамках дифференциального уравнения в частных производных для отклонения свободной поверхности пленки от невозмущенного состояния. Коэффициенты уравнения включают различные физико-химические факторы, в частности, параметр поверхностного натяжения, параметр влияния градиентов температуры. Представлена аналитическая зависимость для критических значений параметра Марангони. Течение жидкой пленки исследовано как при свободном стекании, так и при испарении. Учтено влияние в пленке жидкости градиентов температуры, приводящих к расширению области неустойчивости и изменяющих параметры волнового течения жидкой пленки (частоту, инкремент, фазовую скорость). Для расче- та волновых параметров, областей неустойчивости жидких пленок используется утилита, разработанная на языке C++. Результаты. Проведены вычислительные эксперименты для вертикальной пленки воды как в режиме свободного стекания, так и в процессе испарения. В результате вычислительных экспериментов выделены режимы течения жидкой пленки с максимальным значением инкремента, такие режимы зафиксированы в экспериментальных исследованиях других ученых. Рас- считаны критические значения параметра Марангони, при котором достигается эффект разрыва жидкой пленки. Заключение. В условиях процесса испарения происходит увеличение значений инкремента и снижение фазовой скорости, что ускоряет эффект разрыва жидкой пленки в тепломассообменных аппаратах и образование на их поверхности «сухого пятна». Ввиду широкого распространения промышленных пленочных аппаратов, в которых используется испаряющаяся пленка (испарители, выпарные аппараты), исследование течений жидких пленок актуально, его результаты могут быть использованы при конструировании или модернизации существующего оборудования, а также при разработке технологических процессов в жидких пленках.