автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Интенсификация теплообмена в зоне генерации пара на основе оребрения теплопередающей поверхности рекуператора

На правах рукописи

Карасев Сергей Владимирович

Интенсификация теплообмена в зоне генерации пара на основе оребрения теплопередающей поверхности рекуператора.

Специальность: 05 14 04 — Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Московском государственном текстильном университете имени А. Н. Косыгина на кафедре «Промышленная теплоэнергетика»

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

1. Доктор технических наук, профессор Ерошенко Владимир Михайлович

2. Кандидат технических наук Пирогов Евгений Николаевич

Ведущая организация: Московский Энергетический Институт (Технический Университет)

Защита состоится «Д/» Ц^^С^иА 2005 года в Час на заседании

диссертационного совета Д.212.139.03 в Московском государственном текстильном университете им. А. Н. Косыгина по адресу: 119991, Москва, Малая Калужская ул., д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного текстильного университета имели А. Н. Косыгина. Автореферат разослан ¡М^^ТУ 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Доктор технических наук, профессор

Корнеев Сергей Дмитриевич

д.т.н. профессор

Введение

В настоящее время в самых различных отраслях промышленности получили широкое применение рекуперативные теплообменные аппараты, в которых происходит кипение одною из теплоносителей. Данная разновидность теплообменников используются в тепло технологических установках текстильной, пищевой, микробиологической и в других отраслях промышленности. Эффективность передачи теплоты в подобных теплообменных аппаратах в ряде случаев существенно зависит от интенсивности теплоотдачи в зоне кипения теплоносителя. Особо актуальной задача интенсификации теплоотдачи в зоне кипения становится в случае, когда коэффициент теплоотдачи от греющею теплоносителя превышает или соизмерим с коэффициентом теплоотдачи в зоне кипения, а термическое сопротивление теплопередающей стенки сравнительно невелико. Подобная ситуация характерна для теплообменников, в которых греющим теплоносителем является водяной пар, вода и другие вещества характеризующиеся высокой интенсивностью теплоотдачи. Кроме того, задача интенсификации теплоотдачи в зоне кипения чрезвычайно важно для теплообменных аппаратов, в которых происходит кипение различных хладагентов.

Представляет особый интерес вариант интенсификации теплоотдачи в юне кипения теплоносителя путем оребрения поверхности теплообмена. Причем, если величина щелевого зазора между ребрами не будет превышать капиллярной постоянной кипящей жидкости, го это позволит получить преимущества характерные для кипения в капиллярных каналах традиционной геометрии. Наряду с этим следует ожидать увеличения диапазона режимных параметров работы рекуператора снабженного подобным оребрением в зоне кипения в сторону больших тепловых нагрузок, так как плотность теплового потока от поверхности ребра к кипящей жидкости будет существенно меньше плотности теплового потока подводимого к основанию ребер.

Общая характеристика работы

Целью настоящей работы является

• Теоретическое и экспериментальное исследование теплообмена в зоне генерации пара рекуперативного теплообменника с оребрением теплопередающей поверхности для обоснованного выбора конструктивных и геометрических параметров оребренной поверхности при проектировании теплообменных аппаратов.

Основными задачами работы являются

• Разработка соотношений для расчета теплоотдачи при кипении жидкости в капиллярных каналах на оребренной поверхности теплообмена.

• Экспериментальное исследование теплообмена при кипении на оребренной теплопередающей поверхности и его сопоставление с результатами теоретическою анализа.

Научная новизна работы включается в следующем.

• Разработаны расчетные соотношения для определния коэффициента теплоотдачи при кипении на оребренной поверхности с величиной зазора между ребрами не превышающей капиллярной постоянной кипящей жидкости

• Получены опытные данные по интенсивной и теплоотдачи при кипении на оребренных поверхностях различной геометрии

• Выполнен сравнительный анализ результатов эксперимента с теоретическими данными выявивший их удовлетворительное согласование и показавший применимость разработанных расчетных соотношений при конструировании рекуператоров с оребрением в зоне кипения теплоносителя.

• Показано что оребрение поверхности кипения позволяет расширить диапазон применения капиллярных щелевых каналов в сторону увеличения тепловых нагрузок.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Результаты работы позволяют обоснованно выбрать геометрические параметры оребренной поверхности теплообмена рекуперативного аппарата в зоне кипения теплоносителя. Полученные расчетные уравнения позволяют определить значения коэффициента теплоотдачи при кипении на оребренной поверхности при различных значениях высоты и толщины ребер, величины щелевых зазоров между ними, а так же от теплофизических свойств кипящей жидкости при различных значениях плотности теплового потока подводимого к греющей стенке.

Результаты работы будут использованы и учебном процессе по курсу «тепло массообменные процессы и установки». Экспериментальную установку предполагается использовать при проведении научно исследовательских работ студентов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием современных методов исследования, тщательным анализом возможных погрешностей измерений, сопоставлением результатов экспериментов с опытными данными других авторов и согласованием полученных экспериментальных данных с результатами теоретического исследования.

Апробация работы: Основные результаты и положения работы докладывались на:

• Всероссийской научно - технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» Текстиль 2003;

• Всероссийской конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности Текстиль 2004» Москва 2004.

Публикации: по теме диссертации опубликованы 6 работ в научных изданиях.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы из 75 наименований. Основное содержание работы изложено на 119 страницах содержит 39 рисунков и 6 таблиц.

Основное содержание работы

Первая глава содержит сведения о методах интенсификации теплообмена за счет использования оребрепия теплопередающей поверхности, а так же за счет организации кипения нагреваемого теплоносителя в капиллярных каналах.

Исследования процесса кипения жидкости в капиллярных щелевых каналах, выполненные различными авторами, показали следующее: 1 Если процесс кипения организован в канале с величиной щелевого зазора не превышающей капиллярной постоянной кипящей жидкости, то интенсивносгь теплоотдачи существенно отличается от интенсивности теплоотдачи при кипении в «большом объеме».

2. В определенном диапазоне геометрических и режимных параметров уменьшение величины щелевого зазора приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи при кипении в 3 - 7 раз.

3. Одновременно с ростом коэффициента теплоотдачи с уменьшением величины щелевого зазора наблюдается уменьшение плотности теплового потока, соответствующей началу закипания жидкости.

4 При прочих равных условиях, уменьшение величины щелевого зазора приводит к уменьшению критической тепловой нагрузки, за которой следует снижение интенсивности теплоотдачи при кипении в щелевом канале. 5. Существенное влияние на интенсивность теплоотдачи при кипении жидкости в щелевом канале может оказывать не только величина щелевого зазора, но и целый ряд других факторов

• высота и ширина канала,

• его ориентация по отношению к плоскости горизонта,

• является ли канал тоскопараллельным или цилиндрическим,

• каким образом организовано питание канала жидкостью,

• каким образом производится эвакуация пара из канала.

Для создания инженерно обоснованной конструкции зоны кипения теплоносителя с интенсифицирующей теплоотдачу оребренной поверхностью теплообмена необходимо знать, как повлияют перечисленные выше факторы на эффективность работы теплообменного аппарата в целом

Чадами интенсификации теплообмена за счет использования оребренных поверхностей при неравномерном распределении коэффициента теплоотдачи по поверхности ребра рассматриваются уже в течение достаточно продолжительною времени Зависимость локального коэффициента теплоотдачи от локального превышения ,9 температуры ребра над температурой теплоотводящей среды характерна для таких видов теплоотдачи как естественная конвекция, изучение и особенно кипение Обычно эту

зависимость выражают в степенной форме вида а = аО^е, показатель

степени п зависит от вида теплообмена, а коэффициент а определяется комплексом теплофизических свойств теплоотводящей среды.

Распределение температуры вдоль ребра и тепловая проводимость ребра в основании могут быть найдены в результате решения одномерной задачи теплопроводности для ребра. Такое решение задачи теплопроводности, позволяет рассчитать тепловой поток, передаваемый ребром, и коэффициент его усиления за счет ребра при заданных размерах ребра (высоте /, площади А и периметре Р поперечного сечения ребра), коэффициенте а и показателе степени п в степенном законе локального теплообмена на ребре, а также известном превышении температуры ребра в основании над однородной температурой теплоотводящей среды. Решение такого рода задач может быть получено в виде зависимости безразмерной пространственной координаты X = х / / от текущего безразмерною превышения температуры ребра при заданном значении показателя степени п в степенном законе локального теплообмена на ребре, или в гак называемой «обратной» форме. Пространственная координата выражается через несобственный определенный интеграл от Т при заданных значениях п и безразмерного превышения температуры у вершины ребра это решение можно

записать в виде:

где теплофизический параметр ребра:^

а Я - коэффициент теплопроводности материала ребра. Для ребра в целом при относительное превышение температуры в основании ребра

и из предыдущего соотношения следует, что

Для инженерного расчета достаточно иметь простые, приближенные выражения для расчета теплового параметра ребра в замкнутой форме. Поэтому, важной задачей является получение простых и удобных соотношений для теплового расчета ребер и сребренных поверхностей с нелинейной зависимостью локального коэффициента теплоотдачи от местного превышения температуры ребра над температурой теплоотводящей среды, описываемой степенной функцией общего вида произвольным значением показателя степени. Поэтому разработка физически обоснованных и математически простых соотношений для таких расчетов имеет большое практическое значение.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу и разработке расчетных соотношении необходимых тля конструирования и расчета оребренной поверхности теплообмена в зоне кипения теплоносителя

Рассмотрен вариант интенсификации теплообмена путем применения в зоне кипения оребренной поверхности При этом жидкость будет кипеть в пространстве образованном смежными ребрами. Если расстояние между ребрами не будет превышать капиллярной постоянной кипящей жидкости, то подобная геометрия поверхности теплообмена должна позволить получить преимущества характерные для кипения жидкости в капиллярных каналах традиционной конструкции

ь+5 ,!

Рис 1 Исполнение зоны кипения с оребренной поверхностью теплообмена

При сравнительно небольшой ЕЫСОТС ребер паровые пузыри могут удаляться в «большой объем» жидкости из капиллярных щелевых каналов за счет сил поверхностного натяжения так как высота ребер зоны кипения сравнима с отрывным диаметром паровою пузыря, что может позволить отдалить наступление кризиса теплообмена при кипении жидкости в межреберном пространстве что является одним из основных различий, по сравнению с кипением жицкости в капиллярных плоскопараллельных вертикальных тупиковых щелевых каналах

Выделим на основании зоны кипения, как показано на рисунке 1, участок шириной Ь+6 и дтиной 1 к которому подводится тепловой поток (3„ Здесь Ь -ширина канала, образованною ребрами а 5 - толщина ребра. Сделаем допущения, что теплота подводимая к основанию рабочего участка, полностью передается боковым поверхностям ребер и расходуется на процесс парообразования

Учитывая то, что высота ребра II много больше ширины ребра б, можно пренебречь тепловым потоком, проходящим через верхнюю поверхность ребра тогда площадь поверхности ребра можно записать в следующем виде

гдеН высота ребра 1 длина ребра

Площадь поверхности, к которой подводиюя тепловой поток 0,,, передаваемый одному ребру, можно записать в следующем виде-

Ро «,=(* + *)/, ' (5)

где Ь+5 — ширина выделенного участка, а I длина ребра.

Теплоту, подводимую к выделенному участку юны кипения можно загшсагь следующим выражением:

0„=Чои.И> + 8)1. (6)

Подводимый тепловой поток, со1ласно принятым допущениям, передается кипящей жидкости, главным образом через боковую поверхность ребра, тогда можно записать:

<3,, =0Р, (7)

Где С>р можно представить как:

<2Р =9,^=^2///, (8)

где Рр - площадь боковой поверхности ребра, Я- средняя по высоте ребра плотность теплового потока.

Среднюю по высоте ребра плотность теплового потока молено определить по формуле:

Ь + 6

ЯР=Чос»-^-. (9)

Для описания процесса теплообмена при кипении жидкое [ и на оребренной поверхности и при условии, что канал, образованный двумя ребрами, является капиллярным, и высота ребер не превышает отрывного диаметра парового пузыря, воспользуемся формулой предложенной в работе [32]:

_ лМЯ"

-7-V- С°)

Для нахождения среднего по высоте коэффициента теплоотдачи ребра необходимо проинтегрировать уравнение (10) по высоте ребра тогда получим выражение:

' Я.

ар=0.75

( ' V Щ Н V'3

РмР,Ь г 1

(II)

Тепловой поток, передаваемый ребром можно записать ь виде.

@Р ~ , (12) где Е - эффективность ребра, которую определяем по формуле

л/2 ВТ)

Е= *

«-4Ш ' °3)

8

Для определения эффекта от применения оребрения для интенсификации процесса кипения жидкости, то есть сравнить коэффициент теплоотдачи при кипении жидкости в «большом объеме» с коэффициентом теплоотдачи при кипении жидкости на оребренной поверхности теплообмена воспользуемся приведенным коэффициентом теплоотдачи от оребренной поверхности , который можно рассчитать из следующего выражения:

(И)

пи

где

приведенный коэффициент теплоотдачи от гладкой стенки, тепловой поток, передаваемый через гладкую поверхность к кипящей жидкости, - температура основания ребра.

Раскрывая уравнение (14) получим формулу для нахождения приведенного коэффициента теплоотдачи:

а

1.5

АХ

/

Р.РУ'-

, Я ' Ь + 8'

(15)

или выразив через плотность теплового потока, проходящего через основание, получим итоговое уравнение для расчета теплоотдачи при кипении на оребренной поверхности:

(

<ЩЖ„ - н

а:

1.19

(16)

Для расчета коэффициент теплоотдачи при кипении на не оребренной поверхности воспользуемся уравнением, полученным Д.А. Лабунцовым:

: 0.075

где

а,

1-101

=

рр

з/з

2/J

1/3

(17)

(18)

плотности жидкости и пара, - температура насыщения.

Построив графики зависимости /к Н ребра, мы сможем наглядно увидеть эффективность применения оребрения, а так же сможем проанализировать влияние геометрических параметров исполнения зоны кипения на эффективность применения оребрения.

На рис. 2 и 3 представлены расчетные зависимости, иллюстрирующие влияние на эффективность оребрения. высоты и толщины ребра. Видно, что сначала с ростом толщины ребра происходит увеличение эффекта от применения оребрения, что обусловлено падением разности температур по высоте ребра, но в дальнейшем мы ьидим снижение эффекта от применения оребрения, что связано со снижением коэффициента оребрения поверхности теплообмена. Коэффициент оребрения можно определить как:

Данные iрафики построены для оребреннои поверхности выполненной из алюминия марки АК-4, с расстоянием между ребрами 1 5 мм

Рис 4 Влияние ширины канала образованного двумя ребрами на эффективность оребрения

Из представленных, на рис 4 данных видно, что с уменьшением ширины канала эффект oт применения оребрения увеличивается Однако чем уже канал, тем быстрее наступает кризис теплообмена а

Рис 5 Влияние плотности теплового о потока на эффективность применения оребрения

Анализируя влияние плотности теплового потока на эффект от применения оребрения можно сказать следующее. Как видно из рис 5 с увеличением плотности теплового потока эффект от применения оребрения падает.

Выражение для нахождения осредненного по высоте ребра коэффициента теплоотдачи (15) можно привести к критериальному виду. То есть записать его

в безразмерном виде с помощью чисел подобия. Для чисел подобия характерным размером является ширина щелевою канала Ь Уравнение (15) в критериальном виде можно записать как'

Третья глава посвящена описанию экспериментальной установки для исследования кипения жидкости на оребренных поверхностях.

Ш. 21 гз 24

Рис. 6 Схема экспериментальной установки для исследования процесса кипения жидкости на оребренной поверхности теплоотдачи.

Секция N«1 Секция №2 <-'>ци>: МйЗ

Рис. 7. Схема рабочего участка экспериментальной установки. Основные элементы установки рабочий сосуд (!), рабочий участок (2), основной нагреватель(З), гипсометр (17), система подвода жидкости (22,23),

цементы электрической схемы (7-10,14,15), блок контрольно измерительных приборов (5,6,12,13,15,20,24,25)

Для экспериментальной проверки полученных расчетных соотношений по определению приведенных коэффициентов теплоотдачи была разработана установка, схема, которой представлена на рисунке 6

Рабочий участок (2) экспериментальной установки был выполнен из алюминия марки АК-4 и состоял из трех секций. На рисунке 7 представлена схема рабочего участка экспериментальной установки Первая и третья секции рабочего учаска представляют собой оребренные поверхности с шириной канала 2 и 1 5 мм соответственно Вторая секция представляла собой гладкую стенку

Перед началом проведения серии опытов по определению приведенных коэффициентов теплоотдачи были проведены тарировочные опыты В них была экспериментально определена величина теплопотерь от рабочего сосуда.

Все опыты проводились при величинах межреберных зазоров соответственно равных 1,5 и 2 мм, высоте ребра равной 16 мм и при вертикальном положении ребер

Плотность тепловою потока менялась за счет изменения мощности подаваемой на основной нагреватель Па основании показаний определялась разность температуры основания ребра и температуры насыщения кипящей жидкостию.

Четвёртая глава содержит анализ результатов экспериментального исследования кипения воды при атмосферном давлении на оребренных поверхностях нагрева, их сопоставление с теоретическими результатами и данными работ других авторов. Так же в ней приведены варианты конструктивных решений рекуперативных теплообменных аппаратов с интенсификацией теплообмена в зоне генерации пара на основе оребрения теплопередающей поверхности.

Рис. 9. Сопоставление опытных и расчетных данных в безразмерном виде

Как видно из рисунка 8 опытные данные удовлетворительно согласуются с расчетными кривыми, построенными в соответствии с уравнением (16), что является подтверждением правильности полученных расчетных соотношений. При этом приведенный коэффициент теплоотдачи выше в капиллярном канале шириной 1.5 мм. Следовательно, полученные в данной работе расчетные соотношения удовлетворительно описывают процесс кипения жидкости в вертикальных тупиковых каналах образованных ребрами, высот которых не превышает отрывного диаметра парового пузыря.

На рис.9 приведено сопоставление опытных данных с расчетными в безразмерном виде. Видно, что разработанная расчетная зависимость (20)

удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными.

Рис 10. Сопоставление опытных данных настоящей работы с опытными данными полученными другими авторами.

На рис. 10 проведено сопоставление данных настоящей работы с данными других авторов по исследованию кипения в «большом объеме» и в капиллярных каналах. Можно заметить, что кипение в капиллярных каналах (зависимости 1,2) позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи в 3-6 раз по сравнению с кипением в «большом объеме». Организация процесса кипения на оребренной поверхности (зависимости 3,4) позволяет получить не только дополнительный выигрыш по величине приведенного к гладкой стенке коэффициента теплоотдачи, но и увеличить допустимое значение плотности передаваемого теплового поюка по сравнению с капиллярными каналами традиционной геометрии.

Выводы

• На основе физической модели процесса кипения в капиллярных щелевых каналах получены уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи при кипении жидкости на оребренной поверхности теплообмена с величиной зазора между ребрами не превышающей капиллярной постоянной кипящей жидкости.

• Выполнено экспериментальное исследование теплообмена при кипении воды на оребренных поверхностях различной геометрии.

• Исследовано влияние геометрии оребрения на интенсивность теплоотдачи при кипении жидкости в межреберном пространстве.

• Установлено, что организация кипения на оребренной поверхности позволяет повысить интенсивность теплоотдачи при кипении жидкости в 3 - 6 раз по сравнению с кипением жидкости в "большом объеме".

• Выявлено, что использование оребрения поверхности кипения позволяет расширить диапазон возможного применения капиллярных каналов в область больших значений плотности теплового потока.

• Сопоставление экспериментальных и расчетных данных подтвердило справедливость основных положений заложенных в модель процесса.

Основное содержание диссертации отражено в публикациях

1. Корнеев С.Д., Костюков A.M., Карасев СВ. «Инженерный метод расчета предельной плотности теплового потока при кипении жидкости в капиллярных каналах» Энергосбережение и водоподгоговка №1 2004г с. 90-91.

2 Корнеев С Д. Карасев СВ., Костюков A.M. «Экспериментальное исследование предельной плотности теплового потока при кипении жидкости в капиллярных каналах» Энергосбережение и водоподготовка № 2 2004г. с 86.

3. Корнеев С.Д. Карасев СВ. «Расчет предельной плотности теплового потока при кипении жидкости в капиллярных каналах» Тез. докл. Всероссийская научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» Текстиль 2003гс. 214-215.

16 05. 1Ш

4. Костюков A.M., Карасев С.В. «Варианты конструктивных решений теплообменник аппаратов с кипением теплоносителя в кольцевом зазоре». Тез. докл. Всероссийская научно - техническая конференция «Современные технологии и оборудование Текстильной промышленности» (Текстиль 2002) с. 166- 167.

5. Корнеев С.Д. Костюков A.M., Карасев СВ. «Интенсификация теплообмена в парогенерирующем теплообменнике путем организации кипения теплоносителя в наклонных щелевых каналах». Тез. докл. Всероссийская научно - техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности». (Текстиль 2003г) с. 225 - 226.

6. С.Д. Корнеев, СВ. Карасев, ВА Кирсанов, И.Н. Маркова «Оптимизация геометрии поверхности теплообменных аппаратов в зоне кипения теплоносителя». Тез. докл. Всероссийская научно - техническая конференция «Современные технологии и оборудование Текстильной промышленности» Текстиль 2004 с. 178 - 179.

ИД №01809 от 17.05.2000

Подписано в печать 01.03.05 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,0 Заказ 98 Тираж 80

МГТУ им. А.Н. Косыгина, 119991, Москва, ул. Малая Калужй

Содержание.

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1 Анализ методов интенсификации теплообмена при кипении жидкости.

Глава 2 Теоретическая модель кипения жидкости на оребренной поверхности теплообмена.

Глава 3 Экспериментальная установка и методы исследования.

§ 3.1 Экспериментальная установка и ее основные элементы.

§ 3.2 Тарировочные опыты.

§ 3.3 Методика исследования кипения жидкости в щелевых каналах,образованных ребрами.

§ 3.4 Анализ погрешностей измерений и обработки экспериментальных данных.

Глава 4 Анализ Экспериментальных и теоретических данных.

§ 4.1 Результаты исследования процесса теплообмена при кипении жидкости в тупиковых каналах, образованных ребрами.

§ 4.2 Сопоставление результатов экспериментального исследования кипения жидкости в тупиковых щелевых каналах с теоретическими данными.

§ 4.3 Сопоставление опытных данных по исследованию кипения жидкости настоящей работы с опытными данными других авторов.

§ 4.4 Варианты конструктивного исполнения теплообменных аппаратов с организацией кипения теплоносителя на оребренной поверхности.

Выводы.

В настоящее время в самых различных отраслях промышленности получили широкое применение рекуперативные теплообменные аппараты, в которых происходит кипение одного из теплоносителей. Данная разновидность теплообменников используются в теплотехнологических установках текстильной, пищевой, микробиологической и в других отраслях промышленности. Эффективность передачи теплоты в подобных теплообменных аппаратах в ряде случаев существенно зависит от интенсивности теплоотдачи в зоне кипения теплоносителя. Особо актуальной задача интенсификации теплоотдачи в зоне кипения становится в случае, когда коэффициент теплоотдачи от греющего теплоносителя превышает или соизмерим с коэффициентом теплоотдачи в зоне кипения, а термическое сопротивление теплопередающей стенки сравнительно не велико. Подобная ситуация характерна для теплообменников, в которых греющим теплоносителем является водяной пар, вода и другие вещества, характеризующиеся высокой интенсивностью теплоотдачи. Кроме того, задача интенсификации теплоотдачи в зоне кипения чрезвычайно важно для теплообменных аппаратов, в которых происходит кипение различных хладагентов.

К числу известных методов повышения интенсивности теплоотдачи в зоне кипения следует отнести нанесение на поверхность кипения капиллярно - пористого покрытия. Этот метод применим в тех случаях, когда капиллярная структура покрытия со временем не засоряется продуктами, возникающими за счет разложения в процессе эксплуатации аппарата самой кипящей жидкости или в результате химического взаимодействия между жидкостью и капиллярной структурой. Так же подобное засорение капиллярной структуры,нанесенной на греющую стенку может возникать за счет отложения твердых включений, поступающих в рекуператор с потоком кипящей жидкости. Если учесть эти обстоятельства, то использование капиллярно - пористого покрытия поверхности кипения в большом ряде технических задач практически не применимо.

Другим перспективным методом интенсификации теплоотдачи при кипении нагреваемого теплоносителя является организация процесса кипения в узких каналах с величиной щелевого зазора, соизмеримой с капиллярной постоянной кипящей жидкости. Данный метод интенсификации теплоотдачи при кипении позволяет получить примерно такой же выигрыш в части повышения коэффициента теплоотдачи, что и кипение на капиллярно - пористом покрытии, но менее чувствителен к загрязнениям поверхности теплообмена различными отложениями. Недостатком непосредственного использования кипения в капиллярных каналах является снижение плотности теплового потока, при которой наступает кризис теплообмена. Это ограничивает диапазон тепловых нагрузок, при которых возможно использование капиллярных щелевых каналов в зоне кипения.

Представляет особый интерес вариант интенсификации теплоотдачи в зоне кипения теплоносителя путем оребрения поверхности теплообмена. Причем, если величина щелевого зазора между ребрами не будет превышать капиллярной постоянной кипящей жидкости, то это позволит получить преимущества, характерные для кипения в капиллярных каналах традиционной геометрии. Наряду с этим, следует ожидать увеличения диапазона режимных параметров работы рекуператора, снабженного подобным оребрением в зоне кипения в сторону больших тепловых нагрузок, так как плотность теплового потока от поверхности ребра к кипящей жидкости будет существенно меньше плотности теплового потока, подводимого к основанию ребер.

Целью настоящей работы является:

• Теоретическое и экспериментальное исследование теплообмена в зоне генерации пара рекуперативного теплообменника с оребрением теплопередающей поверхности для обоснованного выбора конструктивных и геометрических параметров оребренной поверхности при проектировании теплообменных аппаратов.

Основными задачами работы являются:

• Разработка соотношений для расчета теплоотдачи при кипении жидкости в капиллярных каналах на оребренной поверхности теплообмена.

• Экспериментальное исследование теплообмена при кипении на оребренной теплопередающей поверхности и его сопоставление с результатами теоретического анализа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Разработаны расчетные соотношения для определения коэффициента теплоотдачи при кипении на оребренной поверхности с величиной зазора между ребрами не превышающей капиллярной постоянной кипящей жидкости.

• Получены опытные данные по интенсивности теплоотдачи при кипении на оребренных поверхностях различной геометрии.

• Выполнен сравнительный анализ результатов эксперимента с теоретическими данными, выявивший их удовлетворительное согласование и показавший применимость разработанных расчетных соотношений при конструировании рекуператоров с оребрением в зоне кипения теплоносителя.

• Показано, что оребрение поверхности кипения позволяет расширить диапазон применения капиллярных щелевых каналов в сторону увеличения тепловых нагрузок.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

Результаты работы позволяют обоснованно выбрать геометрические параметры оребренной поверхности теплообмена рекуперативного аппарата в зоне кипения теплоносителя. Полученные расчетные уравнения позволяют определить значения коэффициента теплоотдачи при кипении на оребренной поверхности при различных значениях высоты и толщины ребер, величины щелевых зазоров между ними, а так же от теплофизических свойств кипящей жидкости при различных значениях плотности теплового потока, подводимого к греющей стенке.

Результаты работы будут использованы в учебном процессе по курсу «тепло - массообменные процессы и установки». Экспериментальную установку предполагается использовать при проведении научно -исследовательских работ студентов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием современных методов исследования, тщательным анализом возможных погрешностей измерений, сопоставлением результатов экспериментов с опытными данными других авторов и согласованием полученных экспериментальных данных с результатами теоретического исследования.

Апробация работы: Основные результаты и положения работы докладывались на:

• Всероссийской научно - технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» Текстиль 2003

• Всероссийской конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности Текстиль 2004». Москва 2004.

Публикации: по теме диссертации опубликованы 6 работ в научных изданиях.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы из 75 наименований. Основное содержание работы изложено на 119 страницах содержит 39 рисунков и 6 таблиц.

Выводы

На основе физической модели процесса кипения в капиллярных щелевых каналах получены уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи при кипении жидкости на оребренной поверхности теплообмена с величиной зазора между ребрами, не превышающей капиллярной постоянной кипящей жидкости.

Выполнено экспериментальное исследование теплообмена при кипении воды на оребренных поверхностях различной геометрии.

Исследовано влияние геометрических параметров оребрения на интенсивность теплоотдачи при кипении жидкости в межреберном пространстве.

Установлено, что организация кипения на оребренной поверхности позволяет повысить интенсивность теплоотдачи при кипении жидкости в 3-6 раз по сравнению с кипением жидкости в «большом объеме».

Выявлено, что использование оребрения поверхности кипения позволяет расширить диапазон возможного применения капиллярных каналов в область больших значений плотности теплового потока.

Сопоставление экспериментальных и расчетных данных подтвердило справедливость основных положений,заложенных в модель процесса.

112

1. Вопросы теплопередачи и гидравлики двухфазных сред. Под ред. Кутателадзе С.С. М-Л., 1961. с. 270.

2. Лабунцов Д.А. Приближенная теория теплообмена при развитом пузырьковом кипении. Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, №1., 1963. с. 58-71.

3. Harper D.R., Brown W.B. Mathematical Equations for Heat Conduction in the Fins of Air-Cooled Engines. NACA Rep., 1922, № 158.

4. Murray W.M. Heat transfer through an annular disc or fin of uniform thickness. Trans. ASME., J. Appl. Mech., 1938, vol. 60, A78.

5. K.A.Gardner Efficiency of extended surface. Trans. ASME. 1945, Vol. 67, pp. 621-631.

6. K.A.Gardner Discussion in Proceedings of the General Discussion on Heat Transfer, pp. 214—215. Inst Mech. Engrs -ASME, London 1951.

7. Kraus A.D., Snider A.D., Doty L.F. An efficient algorithm for evaluating arrays of extended surface. Trans. ASME, ser. C, J. of Heat Transfer. 1978, Vol. 100, pp. 288-294.

8. Kern D.Q., Kraus A.D. Extended Surface Heat Transfer, McGraw Hill, New York, 1972. (Русский перевод: Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена. М., Энергия, 1977).

9. Kraus A.D., Sixty-five years of extended surface technology. Appl. Mech. Rev. 1986,v.41,pp. 321-364.

10. Lai F.S., Hsu Y.Y. Temperature distribution in a fin partially cooled by nucleate boiling. A.I.Ch.E. 1967, v. 13, pp.817-821.

11. Дулькин И.Н., Ракушина Н.И., Ройзен Л.И., Фастовский В.Г. Теплообмен при кипении воды и фреона-113 на неизотермической поверхности. ИФЖ, 1970, т. 19, № 4, с. 637-645.

12. Cumo М., Lopez S., Pinchera G.C. Numerical calculation of extended surface efficiency. Chem.Engng.Progr.Symp.Ser., 1965, v 61, p. 225-233.

13. Haley K.W., Westwater J.W. Boiling heat transfer from single fins. Proc. 3rd Int. Heat Transfer Conf., Chicago, 1966, Vol.3, pp. 245--253.

14. Ройзен Л.И., Дулькин И.Н. Тепловой расчет оребренных поверхностей. М., Энергия, 1977.

15. Unal Н.С. Determination of the temperature distribution in an extended surface with a non-uniform heat transfer coefficient, Int. J. Heat Mass Transfer. 1986, v. 28, pp. 2279-2284.

16. Unal H.C. A simple method of dimensioning straight fins for nucleate pool boiling, Int. J. Heat Mass Transfer. 1987, v. 29, pp. 640-644.

17. Unal H.C. An analytic study of boiling heat transfer from a fin, Int. J. Heat Mass Transfer. 1987, v. 30, pp. 341-349.

18. Tchebichev P.I. Sur integration differentielles irrationals. J. Liouville. 1853, Vol. XVIII.

19. Sen A.K., Trinh S. An exact solution for the rate of heat transfer from a rectangular fin governed by a power law-type temperature dependence, Trans. ASME, J. Heat Transfer, 1986, v. 108, pp. 457-459.

20. Liaw S.P., Yeh R.H. Fins with temperature dependent surface heat flux-—I. Single heat transfer mode, Int. J. Heat Mass Transfer, 1994, v 37, pp. 1509-1515.

21. Liaw S.P., Yeh R.H. Fins with temperature dependent surface heat flux-—II. Multi-boiling heat transfer, Int. J. Heat Mass Transfer 1994, v 37, 1517-1524.

22. Mehta B.N., Aris R. A note on a form of Emden Fowler equation. J. Math. Anal. Appl. 1971, v.36, pp.611-621.

23. Mehta B.N., Aris R Communications on the theory of diffusion and reaction VII: The isothermal p-th order reaction. Chem. Eng. Sci. 1971, v. 26, pp. 1699-1712.

24. Snider A.D., Kraus A.D. Correcting for the variability of the heat transfer coefficient in extended surfaceanalysis. In Heat Transfer 1982 (Ed. by U. Grigull et al.), Vol.6, pp. 239--243, Hemisphere, Washington, 1982.

25. Рассохин Н.Г., Швецов P.C. Исследование теплообмена при кипении воды в кольцевых каналах. «Теплоэнергетика», №9,1966. с. 52-55.

26. Аверин Е.К., Кружилин Г.Н. Теплоотдача при кипении воды в условиях вынужденной циркуляции. В кн. «Теплообмен при высоких тепловых нагрузках и других специальных условиях». Под редакцией Арманда А.А., М. Госэнергоиздат, 1959. с. 56 94.

27. Рычков А.И., Хохлов В.К. Исследование теплообмена при кипении в теплообменных элементах с кольцевым пространством. «Труды МИХМ», т. 19,1959.-с. 34-37.

28. Сагань Н.И., Тобиличев П.Ю. Теплообмен при кипении воды в вертикальных кольцевых каналах. Изв. ВУЗов, «пищевая технология», №1, 1971, с. 24 26.

29. Григорьев В.А., Крохин Ю.И., Куликов А.С. Теплообмен при кипении в вертикальных щелевых каналах. Труды МЭИ, вып.141, 1972. с. 58-68.

30. Григорьев В.А., Крохин Ю.И., Куликов А.С. К вопросу об определении толщины пленки жидкости под пузырем при кипении в капиллярных каналах. Труды МЭИ. Вып. 200, 1974. с. 8 - 16.

31. Складнев А.А., Карпов A.M., Корнеев А.Д., Корнеев С.Д., Александров B.C. Исследование высокоэффективныхтеплоотводящих устройств лабораторных ферментов. Труды Академии наук ГДР, 1979. с. 275 - 279.

32. Корнеев А.Д. Исследование гидродинамики и теплообмена при кипении в вертикальных щелевых каналах. Автореферат канд. дис. -М. МВТУ, 1974.-с. 16.

33. Корнеев С.Д. Интенсификация теплообмена при кипении в капиллярных щелевых каналах. М. МГТУ им. Косыгина 2001. с. 39 -49.

34. Васильев JI.JL, Конев С.В., Штульц П., Хорват J1., Экспериментальное исследование теплообмена при кипении жидкости в высокотеплопроводных капиллярных структурах. Инженерно физический журнал т.42. №6. 1982. с. 893 898.

35. Jakob М., Zinke W. Heat transmission in the evaporation of liquids at vertical and horisontal surfaces, Z. Phusic, 36, p. 267 280, 1935.

36. Moore F.D., Mesler R.B. the measurument of rapid suffase temperature fluktuations during nucleate boiling of water. A.I., Ch.E.J., v.7,N4, h. 620 -624, 1969.

37. Воутсинос C.M., Джад P.JI. Исследование испарения микрослоя с помощью лазерной интерферометрии. Труды америк. Общества инженеров механиков, сер. С. Теплопередача, №1, 1975. с. 54 62.

38. Кутателадзе С.С. Гидромеханическая модель кризиса теплообмена в кипящей жидкости при свободной конвекции. ЖТФ, 1950. Т.20. Вып. 11. с. 1389- 1392.

39. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. М. Атомиздат, 1979.

40. Ягов В.В. Развитие представлений о механизме кризиса кипения в большом объеме. Вестник МЭИ. №1. 2003. С. 11 20.

41. Ягов В.В., Пузин В.А. Приближенная физическая модель кризиса кипения при вынужденном течении насыщенной жидкости. Теплоэнергетика 1985. №3. с. 2 5.

42. Васильев JI.JI., Конев С.В., Штульц П., Хорват Л., Экспериментальное исследование теплообмена при кипении жидкости в высокотеплопроводных капиллярных структурах. Инженерно физический журнал т.42. №6. 1982. с. 893 898.

43. Ягов В.В. Физическая модель и расчетное соотношение для критических тепловых нагрузок при пузырьковом кипении жидкости в большом объеме. Теплоэнергетика. 1988. №6. с. 53 59.

44. Захаров С.В., Павлов Ю.М. Физическая модель кризиса кипения в каналах в области высоких приведенных давлений. Вестник МЭИ. №4. 2002. с. 5-11.

45. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. «Теплообмен» Москва издательство МЭИ 2001г.

46. Ганин Е.А., Корнеев С.Д., Корнюхин И.П., Щербаков В.И. «теплоиспользующие установки в текстильной промышленности». Москва, Легпромбытиздат, 1989г.

47. Исаченко В.П., Осипов В.А., Сукомел А.С., «Теплопередача» Москва, Энергия 1981 г.

48. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С., «Задачник по теплопередаче» Москва, Энергия 1980г.

49. Ривкин С. Л., Александров А. А. «Теплофизические свойства воды и водяного пара», Москва 1961г.

50. Емельяненко О.В. «Измерение температуры поверхности тел термопарой с контролируемым подогревом» ИФЖ т.4 №1, 1960.

51. Вавилов В.П., Климов А.Г. «Тепловизоры и их применение» Интел универсал 2002г.

52. Вавилов В.П. «Тепловые методы не разрушающего контроля» спр. М. Машиностроение 1991г.

53. Кутателадзе С.С, Стырикович И.А., «Гидродинамика газожидкостных систем» Энергия 1976г.

54. Леонтьев А.И., Кирдяшкин А.Г. «О возникновении паровой фазы на горизонтальной поверхности нагрева», ИФЖ т. 16, № 6, 1969г.

55. Лабунцов Д.А. «Вопросы теплообмена при пузырьковом кипении жидкости», Теплоэнергетика № 9, 1972г.

56. Шукри М., Джад Р., «Исследование активации центров парообразования при кипении насыщенной жидкости», Труды американского общества инженеров механиков, сер. С, «Теплопередача», № 1,1975г.

57. Чернобыльский К.И., Тананайко Ю.М., «Теплообмен при кипении жидкостей в кольцевой щели», ЖТФ, т. 26, № 10, 1956г.

58. Исаченко В.П. «Теплообмен при конденсации» М.Энергия 1977г.

59. Леонтьев А.И., Миронов Б.М., Корнеев С.Д., Курбанов Х.К. «Исследование теплообмена при кипении водных растворов этанола в щелевом канале» Известия ВУЗов «Машиностроение», № 3, М, 1977г. -с.85-87.

60. Курбанов Х.К, «Исследование влияния физических свойств жидкости на гидродинамику и теплообмен при кипении в щелевых каналах»Автореф. Канд. дис. -М.:МВТУ, 1978. 16с.

61. Тонг Л. «Кризис кипения и критический тепловой поток» М. Атомиздат, 1976. с 99.

62. Данилова В.И., Вельский В.К. «Исследование теплоотдачи при кипении Ф-113иФ-12на трубах различной шероховатости» Холодильная техника, 1965, №4, с. 24 28.

63. Стырикович М.А., Поляков Г.М. «О критической тепловой нагрузке при кипении жидкостей в большом объеме», Изв АН СССР, ОТН, № 5, 652, 1951 г.

64. Ярышев Н.А. «Теоретические основы измерения нестационарных температур», Энергия ,1967 г.

65. Zuber N. «On the stability of boiling heat transfer» Trans. Of ASME 1958. vol. 80.№3.p711 -720.

66. Толубинский В.И. «Теплообмен при кипении» Киев 1980г. с. 315

67. Леонтьев А.И., Миронов Б.М., Корнеев А.Д., Рудь Г.М. «Приближенная теория теплообмена и гидродинамики при кипении жидкости в вертикальных щелевых каналах» Труды МВТУ, вып. 2, №195, М., 1975г.-С.43-48.

68. Корнеев С.Д., Костюков A.M., Карасев С.В. «Инженерный метод расчета предельной плотности теплового потока при кипении жидкости в капиллярных каналах» Энергосбережение и водоподготовка №1 2004г с. 90 91.

69. Корнеев С.Д., Карасев С.В., Костюков A.M. «Экспериментальное исследование предельной плотности теплового потока при кипении жидкости в капиллярных каналах» Энергосбережение и водоподготовка № 2 2004г. с 86.