Киреев Виктор Николаевич
Научный руководитель: Урманчеев Саид Федорович, к.ф.-м.н., доцент
Башкирский Государственный Университет, г.Уфа
, РоссияТечения жидкой серы достаточно часто встречаются в каналах аппаратов различных химических производств. В частности, в теплообменных устройствах на установках Клаус-процесса, предназначенных для обессеривания отходящих газов, где в результате конденсации капель серы из газокапельного потока в канале теплообменника возникает слой жидкой серы, стекающий в специальные приемники. Однако режим течения оказывается неустойчивым при изменениях, связанных с подачей паров серы или охлаждающей жидкости.
При этом на поверхности слоя жидкой серы образуется всплеск (горб), который при определенных условиях может перекрыть сечение канала и вывести данный канал из рабочего цикла. Описанное явление не получило адекватной оценки, так как механизм образования всплеска недостаточно изучен.
В представленной работе на основе математического моделирования сделана попытка выявления особенностей течения жидкой серы.
Зависимость вязкости жидкой серы от температуры носит аномальный характер с ярко выраженной пикообразной формой в интервале температур от 423К до 623К (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость вязкости жидкой серы от температуры
Рассматривается установившееся течение жидкости, с вязкостью зависящей от температуры, в канале при заданном перепаде давления. Будем считать, что температура втекающей в канал жидкости равна
, а
стенки канала поддерживаются при температуре
.
Пренебрегая изменением плотности жидкости, а
также изменением ее теплоемкости и
теплопроводности, представим математическую
модель процесса в рамках уравнений Навье –
Стокса с уравнением энергии, записанным
относительно температуры :
где
- вектор скорости (м/с), 
- плотность жидкости (кг/м3), 
- давление (кг/(м? с2)), 
-
коэффициент теплопроводности (кг?
м/(с3? К)), 
- удельная теплоемкость при
постоянном давлении (м2/(с2? К)).
В уравнении энергии слагаемое, характеризующее работу сил давления и вязкости не было принято во внимание.
Результаты численного моделирования показывают, что несмотря на явное различие в распределении изолиний продольной и поперечной скоростей, связанном с несимметричной относительно пикового значения зависимостью вязкости серы от температуры (рис.1), течение серы выходит на режим Пуазейля. Любопытным представляется обнаруженный факт возникновения поперечной скорости в начальной фазе течения, причиной которого, очевидно, следует считать наличие пространственного дугообразного распределения вязкости – “вязкого колпака”
Далее рассматривается задача, имитирующая течение жидкой серы в канале теплообменника, когда на верхней границе ставилось условие равенства нулю касательных напряжений, аналогичное условию на свободной поверхности.
Расчеты, проведенные для трех значений толщины слоя жидкости продемонстрировали смещение координаты максимума поперечной скорости на поверхности слоя по потоку в зависимости от увеличения его толщины. При этом значения максимумов быстро уменьшаются.
Выполненные исследования позволяют сделать вывод о существовании причин возникновения всплеска жидкой серы при ее течении в канале теплообменника. Очевидно, что они обусловлены возникновением поперечной составляющей скорости потока в результате проявления температурной аномалии вязкости серы в неоднородном температурном поле.
e-mail: asf@asf.e-burg.ru