автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Исследование теплообмена в конденсаторе с трубами в зернистом слое

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса о конденсации на поверхностях

1.1 Теплообмен при конденсации на гладких наклонных трубах.

1.2 Теоретические и экспериментальные исследования теплообмена при пленочной конденсации на поверхностях, помещенных в зернистую среду.

ГЛАВА 2. Экспериментальная часть.

2Л Экспериментальные методы исследования теплоотдачи при пленочной конденсации.

2.2 Описание экспериментального стенда и методика проведения опытов на гладкой трубе и трубе, помещенной в зернистый слой при различных углах наклона.

2.3 Методика проведения измерений.

2.4 Выбор рабочего вещества.

2.5 Автоматизированная методика сбора и обработки информации.

2.6 Оценка погрешности определения коэффициента теплоотдачи.

ГЛАВА 3. Результаты экспериментальных исследований теплообмена при конденсации на гладкой трубе.

ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований теплообмена при конденсации хладона R227 на трубе в зернистом слое.

ВЫВОДЫ.

В последнее время уделяется большое внимание исследованию тепло-массообменных процессов в зернистых средах, что связано с широкой областью применения таких процессов в различных инженерных приложениях. Зернистые материалы применяются в аппаратах насадочного типа для увеличения пс; ерхности контакта фаз, в химических реакторах с зернистым слоем катализат ора, в регенеративных теплообменниках, в ядерных реакторах и других а п аратах [61, 62].

В v.-плоэнергетике расширяется использование глубинного тепла Земли, кото," )е извлекают методом "подземного котла". Широкое распространение пол; чили методы интенсификации нефтеотдачи нефтяных пластов и увеличения добычи вязких сортов нефти, основанные на паротепловом воздействии на пласты [39]. Из работ Петрика П.Т., Богомолова А.Р. известно, что зернистый слой может оказывать интенсифицирующее влияние на теплообмен при конденсации. Для установления возможности применения зернистых < юев как интенсификаторов теплообмена в промышленных тепло-обменнипах необходимо более детальное изучение данного процесса.

Исследование процессов переноса при фильтрации в зернистых средах относите : к числу наиболее сложных задач теплофизики. Это связано с наличием дополнительных масштабов длины, структурой расположения элементов зерн итого слоя, как правило, неупорядоченной, различием в теплофизи-ческих с- шствах частиц и фильтрующегося рабочего вещества. Это обуславливает н !деление ряда составных, более простых задач, к которым можно отнести задачу о пленочной конденсации на теплообменных поверхностях, находящихся в зернистой среде.

В и .стоящее время имеется ограниченное количество работ, посвященных исс; идованию теплообмена при конденсации пара на поверхности, помещение ' в зернистый слой. Впервые эти процессы были рассмотрены в работах П. (енга [31, 32], В.Е. Накорякова [28,29, 40], Петрика П.Т. [36, 37, 41 ].

Данная работа посвящена экспериментальному изучению теплообмена при плен >чной конденсации на поверхности гладких труб и труб, помещенных в зепнистый слой. Опыты проводились при разных углах наклона рабочего уча. : ка к горизонту и в присутствии различных зернистых сред.

В г рвой главе рассматривается современное состояние вопроса о теплообмен' при пленочной конденсации на гладких наклонных трубах и по-верхнос ' х, помещенных в зернистой среде.

Вы юлненный анализ работ других авторов по теплообмену при пленочной и >нденсации на гладких наклонных трубах показал, что имеющиеся зависим( ти для расчета коэффициента теплоотдачи либо сложны, либо не могут быть применены для всех углов наклона трубы. Кроме того, отсутствуют 061 Мщения в безразмерных координатах для наклонных труб; нет реко-мендаци по расчету характерного геометрического размера. Также в доступной нам литературе не было обнаружено данных по исследованию теплообмена прг пленочной конденсации на наклонных трубах, помещенных в зернистый е.: ой.

На основе анализа теоретических и экспериментальных работ выполнена по< ановка задач настоящего исследования.

Во '.торой главе приведена методика проведения опытов по теплообмену при конденсации на наклонной трубе; описаны экспериментальные стенды, примененные в исследованиях и методика измерений; обоснован выбор раб( .его вещества, в качестве которого использовался хладон R227 и R113; огосана методика сбора и обработки информации с помощью ЭВМ. Сделан 1.;ализ погрешности измерений при определении коэффициента теп-лоотдач i,.

В третьей главе рассматриваются результаты экспериментальных ис-следоваг ой теплообмена при конденсации на гладкой наклонной трубе. Представлена методика расчета конденсатора имеющего некоторый угол наклона к i >ризонту.

Четвертая глава посвящена результатам экспериментальных исследований тс: :лообмена при конденсации на наклонной трубе в зернистом слое. Предста; чена методика расчета конденсатора с трубами, помещенными в зернисть ч слой.

В чиной работе представлены и выносятся на защиту следующие новые резу ,таты:

1. Ml оды экспериментального исследования и экспериментальное оборудован! для проведения опытов по теплообмену при фазовых превращениях в зерт! ■!стых средах.

2. Ре льтаты экспериментального исследования теплообмена при пленочной г пденсации чистого пара на гладкой наклонной трубе.

3. Ре льтаты экспериментального исследования теплообмена при пленочной ь щденсации на наклонной трубе, помещенной в зернистый слой.

Ра. >та выполнялась в Кузбасском государственном техническом университет и Кузбасской региональной лаборатории прикладной теплофизики Институ а теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН.

Нг чный руководитель - доктор технических наук, профессор Петрик Павел Трофимович.

Af op выражает благодарность канд. техн. наук И.В. Дворовенко и канд. тс к наук А.Р. Богомолову за участие в обсуждении методики эксперименте; и полученных результатов.

ВЫВОДЫ

1. Разработана методика и экспериментальное оборудование для проведения экспериментальных исследований теплообмена при конденсации на трубах различной ориентации, помещенных в зернистый слой.

2. Впервые выполнены экспериментальные исследования по теплообмену при конденсации неподвижного пара хладона R227 на гладкой трубе и трубе, помещенной в зернистый слой, расположенной под различным углом наклона к горизонту, в широком диапазоне изменения определяющих параметров. Показано, что хладон R227 может быть использован как рабочее вещество в конденсаторах холодильных машин.

3. Предложена зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи при конденсации на трубе, расположенной под различным углом наклона к горизонту.

4. Получена зависимость для обобщения экспериментальных данных по конденсации на трубах различной ориентации в безразмерных коорди натах Nu =f(Re).

5. Получена зависимость для расчета количества жидкости, отводимой засыпкой от поверхности теплообмена, при конденсации на трубе, помещенной в зернистый слой.

6. На основании выполненных исследований разработана методика расчета конденсатора с трубами, помещенными в зернистый слой, интенсифицирующего теплообмен.

1. Nusselt W. Die oberflachenkondensation des Wasserdampfes. // Zeitschrift VD1.1916,- bd 60. s. 541-546, 568-575.

2. Кутателадзе С. С. Опыт применения теории подобия к процессу теплоотдачи от конденсирующегося насыщенного пара // ЖТФ, 1937. т.7, вып. 3. -с. 282.

3. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979.

4. Лабунцов Д.А. О влиянии на теплоотдачу при пленочной конденсации пара зависимости физических параметров от температуры // Теплоэнергетика, 1957. №2. -с. 49-51.

5. Лабунцов Д.А. Обобщение теории конденсации Нуссельта на условия пространственно-неравномерного поля температур теплообменной поверхности. в кн.: Теплообмен и гидравлическое сопротивление. Труды МЭИ, 1965. - вып. 63. - с. 79-84.

6. Кружилин Г.Н. Уточнение нуссельтовской теории теплообмена при конденсации // ЖТФ, 1937.-вып. 20/21-с. 2011-2017.

7. Воскресенский К.Д. Расчет теплообмена при пленочной конденсации с учетом зависимости физических свойств конденсата от температуры. М.: Изд-во АН СССР,ОТК,- 1948.

8. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. М.: Энергия, 1977. -240 с.

9. Лабунцов Д.А. Теплоотдача при пленочной конденсации чистых паров на вертикальных поверхностях и горизонтальных трубах // Теплоэнергетика, 1957. -№ 7.-с. 72-80.

10. Hassan К., Jakob М. Laminar film condensation of pure saturated vapours on inclined circular cylinders // Trans. ASME. 1958. - vol. 80 - № 4. - p. 887-894.

11. Selin G. Heat transfer by condensing pure vapours outside inclined tubes. // International Development Heat Transfer. Part II. ASME. New York, 1961. -p. 275-289.

12. Гогонин И.И. Гидродинамика и теплообмен при конденсации неподвижного пара на горизонтальном цилиндре. // Изв. АН СССР, серия технических наук. -1986.-№ 10.

13. Garrett T.W., Wighton J.L. The effect of inclination on thr heat transfer coefficient for film condensation of the steam on an inclinad cylinder. // Internet. J. Heat and Mass transfer. 1964. - vol. 7. -№ 11.

14. Бузник B.M., Смирнов Г.Ф. Влияние угла наклона пучка труб на теплообмен при конденсации // Сб. холодильная техника и технология. 1968. - № 7.

15. Шейнкман А.Г., Липецкий В.Н. Гидродинамика и теплообмен при пленочной конденсации неподвижного пара на наклонной трубе. // Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт. 1969. - № 1. — с. 136-142.

16. Хаимов В.А., Храбров П.В., Назаров В.Н. Удерживающая способность наклонной конденсирующей трубы. // ИФЖ, 1984. т. XLVL. - № 2. - с. 181184.

17. Бродов Ю.М. Экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена при конденсации водяного пара на наклонных трубах. Авто-рефер. дис. канд. техн. наук. Свердловск: УПИ, 1972. - 25с.

18. Риферт В.Г., Трокоз Я.Е. Теплообмен при пленочной конденсации неподвижного пара на профилированной поверхности // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1987. № 6 - с. 92-101.

19. Риферт В.Г., Леонтьев Г.Г., Чаплинский С. И. Интенсификация теплообмена при конденсации хладогентов на вертикальной трубе // Холодильная техника, 1976. -№ 5.-с. 29-32.

20. Риферт В.Г., Леонтьев Г.Г., Барабаш П.А. Экспериментальное исследование теплообмена при конденсации водяного пара на вертикальной трубе с продольно-проволочным оребрением // Теплоэнергетика, 1974. № 6. - с. 33-36.

21. Мори, Хидзиката, Хирасава Оптимизация характеристик конденсаторов с внешними конденсационными поверхностями // Теплопередача, 1981. -т.103. -№ 1.-е. 116-124.

22. Gregorig R. Haufkondesation an feingewelten oberfachen bei Berucksichtig der Oberflachen Spannungen // ZAMMP, 1954. b.5. - № 1. - s.36.

23. Афанасьев Ю.О., Дворовенко И.В., Лазарев С. И., Петрик П.Т., Сердаков Г.С. Влияние зернистого слоя на пленочную конденсацию // Теплообмен в парогенераторах. Материалы Всесоюз. Конф. Новосибирск, 1988.-с. 366-372.

24. Джейн, Бэнкофф Ламинарная пленочная конденсация на вертикальной стенке с постоянной скоростью отсасывания // Теплопередача, Сер. С., 1964. -т. 86,-№4.-с. 18-27.

25. Линхард, Дир. Приближенный расчет пленочной конденсации при ламинарном течении конденсата с учетом откоса // Теплопередача, Сер. С. , 1972. т. 94. -№3.-с. 82-84.

26. Френкел, Бэнкофф Ламинарная пленочная конденсация на стенке пористой горизонтальной трубы с постоянной скоростью отсасывания // Теплопередача, сер. С., 1965.-т. 87.-№ 1.-е. 115-123.

27. Накоряков В.Е., Мухин В.А., Петрик П.Т. Теплообмен при конденсации неподвижного пара в узких щелях. В кн.: Тепломассоперенос при испарении, Новосибирск, 1982. - с. 61-69.

28. Накоряков В.Е., Сердаков Г.С. , Мухин В.А., Петрик П.Т. Пленочная конденсация на наклонной поверхности в пористой среде // Теплофизика и гидродинамика.

29. Мухин В.А., Накоряков В.Е., Петрик П.Т., Сердаков Г.С. Конденсация пара на наклонной пластине, помещенной в пористую среду // Журн. прикл. механика и техн. физ. 1985. -№ 5.-е. 85-90.

30. Cheng P. Film condensation along an inclined surface in a porous medium // Int. J. Heat Mass Transfer., 1981 vol. 24. -№ 6. - p. 983-990.

31. Cheng P., Chui D.K. Transient film condensation with lateral massflux about a body of arbitrary shape in a porous medium // Int. J. Heat Mass Transfer., 1984 -vol. 27.-№ 5.-p. 795-798.

32. Lui C.Y., Ismail K.A.R., Ibinuma C.D. Film condensation with lateral massflux about a body of arbitrary shape in a porous medium // Int. J. Heat Mass Transfer., 1984-vol. 11.-p. 377-384.

33. Горин A.B., Накоряков B.E., Цой O.H. Теплообмен при конденсации неподвижного пара на пластине, погруженной в зернистый слой // ИФЖ, 1988. т. 54.-№2.-с. 181-188.

34. Gorin А.V., Tsoy O.N. Film condensation on a surface embedded in a porous medium // Evaporative Cooling Systems of Electronic Equipment: International Seminar, August, 1991. p. 19-20. - Novosibirsk, USSR.

35. Богомолов A.P., Петрик П.Т., Цой O.H. Пленочная конденсация на поверхности вертикального цилиндра, погруженного в зернистый слой // Материалы конфер. препод, и студ. Кузбасс, политех, института, Кемерово. 1993.

36. Афанасьев Ю.О., Богомолов А.Р., Петрик П.Т. Конденсация пара на цилиндре, помещенном в зернистый слой // Теплообмен и теплофизические свойства пористых материалов: Мат-лы всесоюз. семин. Новосибирск, 1992. -с. 197-205.

37. Cheng P. Heat transfer in geothermal system // Advances in Heat Transfer, 1978. -vol. 14.-p.l-105.

38. Мухин В.А. Экспериментальное исследование процессов переноса в пористых средах: Дис. дор. техн. наук : 10.04.14. / Новосибирск, 1989. 482с.

39. Накоряков В.Е., Мухин В.А., Дворовенко И.В. Процессы пленочной конденсации и пленочного кипения в зернистой среде // Вторая Всесоюз.конфер. Теплофизика и гидродинамика процессов кипения и конденсации. -Рига. декабрь, 26-28, 1988.-е. 15-16.

40. Петрик П.Т. Теплообмен при конденсации пара на охлаждаемой наклонной пластине, помещенной в зернистый слой: Дис. докт. техн. наук: 15.14.05. / Кемерово, 1985. 147с.

41. Plumb О.A., Burnett D.B., Shekarriz A. Film condensation on a vertical flat plate in a packed bed // Journal of Heat Trasfer, 1990/- vol. 112. p. 235-239.

42. Гогонин И.И., Дорохов А.Р., Сосунов В.И. Теплоотдача при конденсации неподвижного пара на пучке гладких горизонтальных труб // Теплоэнергетика, 1977.-№ 4.-с. 33-36.

43. Мильман О.О., Буевич А.В. Изменение температуры стенки при исследовании процессов конденсации на поверхности // Теплоэнергетика, 1972. -№ 7.-е. 93.

44. Гогонин И.И., Дорохов А.Р., Сосунов В.И. Теплообмен при пленочной конденсации неподвижного пара. Новосибирск, 1980. - 44 с. - (Препринт / СО АН СССР, Инст-т теплофизики; № 48-80).

45. Гогонин И.И., Дорохов А.Р., Сосунов В.И. Теплообмен при конденсации на вертикальной трубе//ИФЖ, 1978. т. 35. - № 16.-е. 1050-1058.

46. Гогонин И.И., Дорохов А.Р. Теплообмен при конденсации фреона-21 на горизонтальных гладких и оребренных трубах // Холодильная техника, 1970. -№ 11.-е. 31-34.

47. Берман Л.Д., Туманов Ю.А. О влиянии скорости пара на механизм и интенсивность теплообмена при пленочной конденсации на горизонтальной трубе // Энергомашиностроение, 1964. -№ 5. с. 24-26.

48. Шекриладзе И.Г. К вопросу анализа процессов ламинарной пленочной конденсации движущегося пара // ИФЖ, 1977. т. 32. - № 2. - с. 221-225.

49. Гогонин И.И., Дорохов А.Р. Теплообмен при конденсации движущегося пара фреона-21 на горизонтальной трубе // ЖПМТФ, 1971. № 2.

50. Шкловер Г.Г. и др. Исследование теплообмена при течении конденсатной пленки//Теплоэнергетика. 1983.-№3.— с. 13-16.

51. Forgusson R.M., Oakden I.С. Heat transfer coefficient for water and steam in a surface condenser // The Transaction of the Chemical Engineering Congress of the World Power Conference, 1936. p.326.

52. Гогонин И.И., Дорохов А.Р. Экспериментальное исследование при конденсации движущегося пара фреона-21 на горизонтальных цилиндрах // ЖПМТФ, 1976.-№2.-с. 133.

53. Берман Л.Д., Фукс С. Н. Влияние примеси воздуха на теплоотдачу при конденсации движущегося пара. М.: Известия ВТИ, 1952.-№ 11.-е. 11-18.

54. White R.E. Condensation of Refrigerant vapors Apparatus and film coefficients for Freon-12. Trans. ASME, 1948. - vol. 70. - № 6. - p. 689.

55. М.И. Брайнин, B.H. Липецкий, А.Г. Шейнкман. Гидродинамика ламинарного течения тонкой пленки жидкости по наклонному цилиндру. // Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт. 1967. - № 3. - с. 115-120.

56. Петрик П.Т., Богомолов А.Р., Сердаков Г.С. , Афанасьев Ю.А. Теплообмен при конденсации пара на трубах, помещенных в зернистый слой // Холодильная техника, 1992. -№ 7, 8.-е. 16-18.

57. Афанасьев Ю.О. Исследование процессов тепломассопереноса при конденсации компонента из смесей в широком диапазоне изменения концентраций: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.14.05/Томский политехи, ун-т.-Томск, 1992.- 18 с.

58. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971.-784 с.

59. Лыков А.В. Тепломассообмен: Справочник. -М.: Энергия, 1978. 479 с.

60. Справочник по теплообменникам: в 2-х т. Т. 1 / Перевод с англ. под ред. О.Г. Мартыненко и др. М.: Энергоиздат, 1987.-361с.

61. Афанасьев Ю.О., Богомолов А.Р., Петрик П.Т. Кожухотрубчатый конденсатор //ПатентРФ №502000530, 1993.

62. Петрик П.Т., Дворовенко И.В., Дадонов П.В., Петрик И.П., Каськов А.А., Якутии К.В. Теплообмен в пристенной зоне при фильтрации через зернистый слой//Вестн. КузГТУ. 1997. -№1. - с.83-86.

63. Петрик П.Т., Дворовенко И.В., Дадонов П.В., Гуцал К.В., Азиханов С.С. Гидродинамика при фильтрации жидкости в зернистый слой от вертикальной трубы//Вестн. КузГТУ, 1998. №1.- с. 29-31.

64. Петрик П.Т., Богомолов А.Р., Дворовенко И.В., Дадонов П.В., Теплообмен при конденсации хладона R227 и R113 на наклонных трубах // Вестн. КузГТУ, 2000. №6. -с. 12-13.

65. Петрик П.Т., Богомолов А.Р., Дворовенко И.В., Дадоиов П.В. Теплообмен при конденсации R227 на трубах, помещенных в зернистый слой. // Вестн. КузГТУ, 2001. №1. - с. 11-13.

66. Петрик П.Т., Дадонов П.В., Дворовенко И.В., Богомолов А.Р. Исследование теплообмена при конденсации фреонов на наклонной гладкой трубе // Вестн. международной академии холода, 2001. -№3. с.33-34.

67. Дадонов П.В. Теплообмен при конденсации перфтората R236 на гладких трубах // Тезисы VI Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», г.Новосибирск, 2000г. с.138-139.