автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка и исследование теплообменников на коллекторных тепловых трубах

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи УДК 536.24

Ван Цзиньлянъ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБНЕНН№ЮВ НА КОЛЛЕКТОРНЫХ ТЕПЛОВЫХ ТРУБАХ

Специальность 05.14.04 - Прошиленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск, 1993

Работа выполнена на кафедре "Промышленная теплоэнергетика и теплотехника" Белорусской государственной политехнической академии , а также в АНК " Института тепло- и иассообыена им. А. В. Лыкова" АН Беларуси.

Научный руководитель - кандидат технических наук, с.н.с.

С. В. Конев

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

Ведущее предприятие - Белорусский теплоэнергетический

институт, г. Минск.

Защита состоится ^" .ЯИ&>-/>А 1994 г. в часов на

заседании специализированного совета К 056.02.09 при Белорусской государственной политехнической академии по адресу: 220027 Республика Беларусь, г.Минск, проспект Ф. Скорины, 63, корп. 2. К. 201.

С диссертацией ыокно ознакомиться в библиотеке Белорусской государственной политехнической академии.

Отзыв на автореферат просъба присылать в двух экземплярах с заверенной подписьп на имя ученого секретаря специализированного совета.

В. П. Бубнов

доктор технических наук, профессор, Л. Л. Васильев

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета, д. т. н., проф.

<Г . А. Д. Качан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Интенсивное развитие ряда отраслей техники, дефицит энергоресурсов, проблемы охрани окружающей среди потребовали создания новых теплообменник устройств и аппаратов, облагающих вь. .окой тепловой эффективностью, надежностью и энергоемкостью. Одним из перспективных современных рекуперативных теплообменник устройств являются теплообменники на основе тепловых труб, определенными преимуществами среди которых обладает теплообменники на коллекторных тепловых трубахС КТТ J раздельного типа.

В. некоторых странах ухе начаты исследования КТТ и теплообменников на их основе, а такхе применение их для утилизации низкопотенциальной тепловой энергии. Несмотря на то, что в странах СНГ имеется существенный задел в теоретических исследованиях отдельных процессов тепло- и массообмена, детального анализа и исследования работы КТТ и теплообменников на их основе не проведено. Поэтому настоящая работа актуальна, особенно применительно к развитию эффективных и энергоемких теплообменник аппаратов для энергетики, химической, автомобильной и других отраслей техники.

Перспективы применения теплообменников на КТТ для утилизации тепловой энергии обусловлены такими преимуществами, как:

- удобство при стыковке с крупногабаритным теплообменным оборудованием;

- надежное разделение массовых потоков горячего и холодного трактов;

- возможность передачи тепловой энергии на значительные расстояния;

- реализация теплопереноса между одним и несколькими трактами;

Для конкретного проектирования и изготовления эффективных и надежных теплообменных аппаратов на основе КТГ необходимо изучение процессов гидродинамики и теплопереноса в КТТ, а также эксплутационных характеристик работы теплообыеников на КТТ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучение процессов переноса энергии и вещества в КТТ, разработка методики расчетов теплообменников на КТТ и исследование характеристик работы теплообменника на КТТ.

НАУНАЯ НОВИЗНА. С целыз улучшения эксплуатационных параметров и повышения тепловой эффективности проведено кошшесиое исследование особенностей гидродинамики и теп^опереноса в КТТ, и определены характеристики работы теплообменика на КТТ.

Установлены основные закономерности течения пара близкого к состоянию насыщения при изменении величины поперечного сечения. Проанализированы характеристики пульсации при циркуляции теплоносителя в КТТ. Разработана теоретическая модель работы КТТ, учитывающая ряд факторов тепло- и массопереноса при циркуляции теплоносителя.

Теоретически и экспериментально исследованы процессы кипения в испарителе и конденсации в охлаадаемей зоне КТТ. Рассмотрено влияние степени заполнения теплоносителя в КТТ и определено ее рациональное значение. Проанализированы основные ограничения теплопередаоадей способности КТТ. Разработана методика расчета теплообменников на КТТ.

■ НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

1. Математическая модель КТТ, учитывающая циркуляцию рабочего вещества и особенности, связанные с расширением потока в раздающем коллекторе.

2. Методика расчета коллекторной тепловой трубы и теплообменников на их основе.

3. Совокупность экспериментальных данных по стационарным и динамическим режимам КТТ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. По результатам работы создана методика расчетов КТТ и теплообменников на их основе и разработана программа численных расчетов на ЭВМ. Полученные теоретические и экспериментальные данные использованы ■ при разработке теплообменников на КТТ в соответствии о Республиканской научно-технической программой " Разработка' научных проблем энергосбережения и создания экологически безопасных энергетических

источников и технологий" ( Энергетика 2, раздел Энергетика 68), применительно к биохимической технологии для Научно-производственного внедреческого предприятии "Знергия'Чг. Москва), а также в автомобильной промышленности для Хозрасчетного центра "Политехник" Сг.Минск).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты проведенных исследований докладывались на следующих конференциях:

1. Восьмая международная конференция по тепловой труба, г. Пекин, 1992 г.;

2. Вторая ыекдународная конференция по динамике газа и жидкости, г. Пекин, 1993 г,;

3. Второй международный научно-технический семинар "Охлаждение электроники. Внедрение наукоемких технологий", г. Новосибирск, 1S93 т..

ПУБЛИКАЦИИ, Материалы диссертационной работа изложены в пяти публикациях.

ОБЪЕЛ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения, и содержит 103 страницы машинописного текста, 71 иллюстрация, 4 таблицы. Список использованной литературы включает 91 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ Р/ЕОТЫ

Во введении показана актуальность работы, определены цели и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу современного состояния рассматриваемых вопросов и формулировке задач исследования.

Исследование КТТ началось сравнительно недавно, следствием чего является ограниченное количество публикаций. Отсутствует единая теория тепло- и массообмена и методика расчета КТТ.

В результате анализа существующей литературы показано, что исследования носят частный, отрывочный характер.. Показано, что в КТТ образуются колебания скорости течения из-за возникновения

роста и всплытия пузырей; течение пара макет быть' однофазным и двухфазным; конструкции КТТ, в основном, функционирует в режиме термосифона, однако наличие фитиля позволяет использовать их при работе против поля тяжести. С прикладной точки зрения КТТ находят применения в электротехнике и энергетике.

Для обеспечения развития теории и практики коллекторных тепловых труб и теплообменников на их основе сформулированы основные направления исследований, а именно: создание общей теоретической модели работы КТТ с раздельными каналами для пара и жидкости, уделяя основное внимание особенностям, имеющимся в сборных и раздающих коллекторах; разработка методики расчета теплообменника на КТТ; экспериментальное исследование особенностей переноса в рассматриваемом типе теплопередаюцих устройств.

Во второй главе диссертации приведены результаты теоретического аьализа гидродинамики и теплообмена в КТТ. При рассмотрении циркуляции теплоносителя в КТ'Г приняты следующие допущения:

- стационарный режим работы КТТ;

- состояние рабочего вещества на выходе испарителя - пар, а на выходе коденсатора - жидкость;

- паровой и жидкостный потоки - адиабатны;

- теплоноситель несжимаем.

При теоретическом рассмотрении в качестве движущей силы принята разность плотностей жидкой и паровой фаз теплоносителя при воздействии гравитационных сил. Механизм движения теплоносителя в КТТ рассмотрен в виде естественной циркуляции двухфазного потока в замкнутом контуре. С учетом стационарного режима циркуляции и исходя из баланса давления,

*Рдв- 9 t V Pcm3 h = s *рГ(1 , CID

получены выражения для массового потока и передающей мощности:

■ - /Ьр* ~ pnJ 9 саз Е Ai

Q = гх /Срж ' V з ДЬ с2а3

В результате анализа показано, что резкое сужение сечен««

парового канала в сборной коллекторе испарителя приводит к существенному ограничению передаваемого теплового потока, а в раздающем коллекторе конденсатора может приводить к переходу пара в метастабильное состояние и образованию тумана.

Исходя из рассмотрения гидродинамики течения теплоносителя в коллекторах С секциях ) с притоком и оттоком массы через стенку, при принятых д "лущениях др/дг = 0 и 13 << I для цилиндрических координат Си =1 и е = 0) получены выражения для распределения давления в раздающем коллекторе,

ua - ua( i u*. G. . i v aL

Р = Р f р "> + р г -ÜL-IE--£ £ ■ * . * иа.

«i »о ¿ »■' G - ¿ G тс 1

СЗ)

и сборном коллекторе,

i u* G. ■ t x. üL. P = P + p » + p £ ak * tí! k . k ua. Ctí al го K 2 в - h G ^ "i-

o k

Как правило, падение давления в каналах формируется силами трения, ускорения и гравитации, т. е.

АР, * ¿Ря , (5)

где а а

•р -„ ak „ t le

2

я /о I С ^ хСрж/рп~п:)с1г

Изменение паросодержания теплоносителя вдоль канала определяется следующими уравнениями: для конденсатора

х > о & = -' х ' ш г»П7,

х = 0, |Ц » О

i С6)

для испарителя х > о

Уравнения СЗ - 7) определяют гидравлическую характеристику течения теплоносителя в испарителе и конденсаторе. Рис.1 численно иллюстрирует процессы в различных компановках С Ф-, П-, г-схемы) испарителя и конденсатора КТТ.

В КТТ важное место занимает степень заполнения теплоносителем объема конструкции, 4 = Нж /* Ид. В испарителе • высота заполнения хидким теплоносителем определяется изменением плотности теплового потока, как показано на рис.2. При нагреве уровень жидкости повышается вследствие зарождения пузырей в каналах. При малых плотностях теплового потока уровень паро-ладкостной смеси недостаточен для заполнения верхней части испарителя Срис.26). Лля существенных значений плотности теплового потока в каналах наступает развитое кипение, сопровождающееся увеличением количества пузырей, вследствие чего паро-жидкостная смесь заполняет каналы полностью Срис.Йв). Такое состояние является предельным, так как дальнейший рост д ведет к заполнению двухфазной смесью верхнего коллектора и парового канала (ряс.Зг), что в свои очередь увеличивает гидравлическое сопротивление и ухудшает теплообмен в КТТ. Рассматриваемая модель определяет рациональную степень заполнения теплоносителем, как функцию q и ряда параметров,

ф = Н, рж, рп, ^ а, д) С8)

В результате предложена формула для расчета величины объема заполнения теплоносителем для нормальной работы КТТ,

\ = СО,2 - 0,5) Ук + Укх + (0,03 - 0,1) ^ С9)

Из теоретического анализа получено, что основными ограничениями в КТТ раздельного типа являются звуковой предел, а также ограничение по кипений.

Показано, что испарительная и конденсационная секции могут быть разнесены на значительное расстояние до 100 м, определяемое разницей уровней ¿Ь. и теплопотерями по паровому и жидкостному каналам, что в свою очередь зависит также от степени заполнения.

В третьей глава представлена методика расчета теплообменников на КТТ, основой которой является тепловая эффективность, определяемая как условиями замкнутой циркуляции массообменого контура , так и спецификой многоканальное™ коллекторных секций. С учетом этого, для фазовых переходов первого рода величина водяного

X I

а) б) в)

ш - схема п - схема г • схема

а)

& 9»

£ зов

«| 04 1« • ■ >0

!о ,г •< • « •• I» 1/1.

Рис.1. Основные варианты компоновки и эпюры статического давления по длине коллекторов в испарителе Са) и конденсаторе С <33.

у

-ю-

эквивалента промежуточного теплоносителя существенно больше, чем для внешних потоков С >> Уг> и с учетом подхода для

теплообменных систем с принудительной циркуляцией промежуточного теплоносителя, получены выражения для определения эффективности теплообменников на КТТ.

Для случая Ут < Ух,

1

"гГ 1 1 I 1

^ 1-ехрС- ^ ) 1-ехрС-

Для случая Уг > Их,

г _ _1 _

" 1 .... 1 I 1

^ 1-ехрС- ^ ) 1-ехрС-

СЮ)

СИ)

Ш анализа следует, что для расчета рассматриваемых теплопередающих устройств, как и для обычных теплообменников существует два подхода: исходя из коэффициента теплопередачи как функции среднелогарифмического напора ¿Тш и тепловой эффективности, зависящей от единицы переноса тепла С ). Показано, что для теплообменников на КТТ подход с - КШ имеет преимущества по сравнению с методом К - ¿Тэт, вследствие , как правило, существенного различия в величине теплообменных поверхностей испарителя и конденсатора. Для представления НТи в виде КШ = .КГ/У и отношения водяных эквивалентов !? = ^^ получена обобщенная форма записи СЮ) и (И),

с = га, ши г ш ^ с 12)

О качестве иллюстрации рассмотренной методики проведены численные расчеты, некоторые из результатов которых приведены на рис.3. " "

Для реальных процессов в теплообменниках на КТТ и с учетом потерь тепловой энергии по паровому и жидкостному каналам получено скорректированное выражение для тепловой эффективности:'

С- = еС! - (13)

В четвертой главе приведена описание техники и методики экспериментов, результаты исследований и оценка достоверности

полученных дачных, включая сравнение о теоретическими неделями и численными расчетами.

Для экспериментов разработана универсальная установка, позволявшая изучать как динамику, ' к я стационарные режимы переноса энергии и вещества внутри кольцевой КТГ, а также теплотехнические параметры КТГ с теплообменник иребренными секциями. В качестве теплоносителей использовались НзО, СгНэОН, СаГзСЬ. В процессе теплотехнических и визуальнных исследований контурных КТТ и теплообменников на их основе пси использовании вышеуказанных теплоносителей изучались гидродинамика и теплообмен при расширении парового потока, режимы течения, температурные распределения и максимальные тепловые потоки.

В первую очередь исследована работоспособность замкнутой циркуляции в КТТ в зависимости от теплофизических параметров ' различных теплоносителей, результаты которых представлены на рис.4, 5. Полученные зависимости Т - f(Q) и Т - fCL) показывают, что в КТТ имеют место перепады температур, в основном, э парозой фазе зоны конденсации, что определяется существенными значениями водяного эквивалента теплоносителя. При этем, . з качестве положительного фактора, экспериментально выявлена возможность существенного повышения передаваемого теплового потока за счет использования энтальпии потоков путем перегрева пара и переохлаждения жидкости. Результаты визуальных исследований на стеклянных образцах с различной степень» расширения показали появление существенных перепадов температур при конденсации вплоть до появления тумана.

Серия экспериментальных исследований теплообменника на КТТ проведена с использованием секций с высокоэффективным подрезанным оребрениями. На рис.6 представлены результаты сравнения эксперимегальныя данных и численного расчета характеристик работы теплообменника на КТТ С теплоноситель - 'НгО) при условии регулирования массовой скорости воздушного потока в мелреберном пространстве конденсаторной секции С 0 - 0,09 кг/с). Показано удовлетворительное совпадение экспериментальных данных с числеными расчетами по предложенной методике. Среднее рассогласование составляет 16%. Для работы теплообменника на КТТ при изменении мощности нагревателя перед испарительной секцией С 0 - 5 кВт)

т, 'с

т, "С. 60

60

б)

40 20

0

20 40 60 , 80 100 120 0 ,Вт

Рис.4, Зависимости температурного поля в КТТ от теплового потока: а - НяО; б - СаНвОН С Номер, термопар, » - N1; * - N2; ♦ - КЗ; N4; » - N5 )

,'С

: 1 т

- V2

- 1 , 1 1 .1 .. 1 1

Ь., м

т, ъ

Рис.3. Распределение температур теплоносителя вдоль контура циркуляции: а - НаО; б ■- СаНвОН С 1 - 0 = 151 Вт; 2 - 0 = 110 Вт; 3 - 0 = 77 Вт;.К - 0 = 60 Вт; 3 - О = 40 Вт; 6 - 0 = 45 Вт; 7 - 0 = 77 Вт; 8 - 0 = 110 Вт)

Рис. е. Характеристики работы экспериментального теплообменника на КТТ для теплоносителя воды ори иэменгении массового расхода ъоэдушнего потока через конденсатор: а - Ти = ГСЭЭ; б - Тк* ГС<3}; в - « - К0); г - 0 « ГСЯ.

среднее рассогласование не превышло 18

Исследование влияния степени заполнения теплоносителем на работу .теплообменника на КТТ позволило получить рациональную величину Фопт= 35 л 55%, зависящую от объема испарителя. При Ф > Фопт за счет интенсивного кипения паро-хидкая смесь входит в паровой канал, увеличивая гидравлическое сопротивление, причем теплопередающая. способность теплообменника снижалась. При Ф < Фопт, низкое значение Ф приводит к возникновению кризиса кипения в верхней зоне испарителя из-за уменьшения нагреваемой поверхности.

Глава пятая посвящена разработке теплообменников на КГТ для утилизации низ кспотенциальнсй тепловой энергии, замкнутых химических циклов, а также для обеспечения тепловых режимов оборудования.

На основе теоретических и экспериментальных исследований, методики расчета проведена разработка двух калориферов утилизаторов на КТТ для обеспечения замкнутого цикла биохимического производства при одновременной утилизации низкопотенциальной тепловой энергии, необходимой для процесса микробиохимического синтеза для ПВП "Энергия", г. Москва. Калориферы состоят из двух теплообменных секций С испаритель и конденсатор), паровой и жидкостной труб, соединяющих эти секции. Конструкции калориферов разрабатывались по методике, приведенной в главе 3 с численными расчетами эксплутационных параметров, в соответствии с созданной программой для ЭВМ. Калорифер N0.1 выполнен из одного модуля КТТ, а калорифер N0.2 - из двух модулей. Каждая секция модуля выполнена из набора стальных оребренных труб С 22 х 2 мм), в качестве промежуточного теплоносителя использовался аммиак, тракты - покрыты теплоизоляцией толщиной 5 мм. Проведено экономическое обоснование использования разработанных калориферов - утилизаторов на КТТ. Показано, что при средных эксплутационных условиях окупаемость теплообменника составляет 3-5 месяцев.

Применительно к автомобильной промышленности также разработаны теплообменники двух типов с высокоэффективными подрезанными оребрением: компактный и с разнесенными тепло-обменными секциями для Хозрасчетного центра "Политехник" г. Минск.

выводы

1. Проведен анализ работы теплообменников на коллекторных тепловых трубах для утилизации тепловой энергии, создания экологически безопасных замкнутых циклов и обеспечения тепловых режимов оборудования.

2. Предложена модель работы и проведено теоретическое исследование особенностей гидродинамики и теплопереноса в КТТ 9 учетом условия замкнутости массообменного контура и коллекторной структуры теплообыенных секций. Представлен численный расчет компоновков Ф-, П-. Z- схем теплообнеников на КТТ, особеное внимание уделено степни заполнения теплоносителя.

' 3. Разработана методика расчета теплообменников на КТТ, позволявшая рассчитывать как геометрические параметры, так и тепловую эффективность. Методика реализована в виде программы расчета на ПЭВМ.

4. В результате экспериментальных исследований подтверждены аналитические выводы, выяснены особенности работы КТТ, связанные с конструктивными особенностями для ряда теплоносителей, а именно "контурностью" системы и "коллекторностью" теплообменных секций. Рассогласование расчета и экспериментальных данных не превышло ' 18%. Экспериментальные данные по степени заполнения теплоносителем обобщены в эмпирическую зависимость.

5. Результаты комплекса исследований использованы при разработке теплообменников на КТТ в соответствии с Республиканской научно-технической программой " Энергетика - 2": Разработка научных проблем энергосбережения и создания . ' экологически безопасных энергетических источников и технологий, а также для химической и автомобильной промышленностей.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. С. В. Конев, Ван Цзиньлянь Коллекторные тепловые трубы // Препринт No. Г, АНК ИГМО им. А. В. Лыкова, 1992, С. 1-44,

2. S. V. Konev, J. .L. Wang Exploration of heat exchanger on the basis of the collector heat pipe // Proceedings of the 8-th International Heat Pipe Conference, September 14-19 , 1992, pp.586-589, Beijing, China.

3. J. L. Wang, S, V. Konev Preliminary investigation of two phase natural circulation in a separate heat pipe // Proceedings of . the Second International Conference of Fluid

- Mechanics, 1993, p.6, Beijing, China.

4. С. В. Конев, Ван Цзиньлянь Математическая модель стационарных

■ процессов в конденсаторе коллекторой тепловой трубы // Тепло-и массоперсйос: модели, теоретические и эксприменталыше исследования -Минск, 1993, С.72-77 -СС6. науч. тр./ АНК ИТМО им. А. В. Лыкова АНБ ).

5'. J. L. Wang S. V. Konev Investigation of collector evaporator - condenser systems for the electronics cooling // Proceedings of the 2-nd International Seminar "Electronics cooling, high intensive technologies", July, 1993, p.15, Novosibirsk, Russia.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ в, т — массовой расход; р — плотность; и; — скорость; А — площадь сечения;' Р — давления; 0 — тепловой поток; г* — скрытая теплота парообразования; Ь, Н — высота; А1 — коэффициент; х — степень сухости; — диаметр; V — коэффициент сопротивления; ц

— вязкость; п — периметр; Ф — степень заполнения теплоносителем; а — сила напряжности; V — объем; я — плотность теплового потока; Ь,Т — температура; И — отношение водяных эквивалентов; К — коэффициент теплопередачи; Г — теплообменная площадь; W — водяной эквивалент; с - тепловая эффективность; N111

— число единиц теплопереноса. ИНДЕКСЫ: и — испаритель; к — конденсатор; п — пар; к — жидкость; 1 — номер; кж — канал жидкости; г - горячий поток; х — холодный поток.