автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Теоретическое и экспериментальное исследование и разработка обобщенной методики теплообмена при пузырьковом кипении криогенных жидкостей в условиях вынужденного движения

АННОТАЦИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.'.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ

§ I. Модели пузырькового кипения. II

§ 2. Влияние 'состояния и свойств теплоотдающей поверхности на теплообмен при пузырьковом кипении.

2.1. Центры парообразования и зароздение паровой фазы.

2.2. Влияние теплофизических свойств материала тепло-отдающей поверхности.

§ 3. Решшы течения двухфазной смеси в трубах.

§ 4. Пузырьковое и конвективное 'кипение в канале. Режимные параметры, влияющие' на реализацию того или иного вида кипения.

§ 5. Соотношения, не учитывающие возможность существования двух различных видов кипения при выкраденном течении в канале.

§ 6. Уравнения, учитывающие зависимость коэффициента теплоотдачи от .вида кипения в канале.

§ 7. Кипение с недогревом.

§ 8. Экспериментальные работы по изучению процесса гашения криоагентов при вынужденном движении в трубах.

ГЛАВА II. ОБОБЩЁННОЕ СООТНОШЕНИЕ ДЛЯ ПУЗЫРЬКОВОГО КИПЕНИЯ КРИОГЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ В КАНАЛАХ -

§ I. Сравнение известных экспериментальных данных с некоторыми расчётными соотношениями по теплообмену.

§ 2. Криогенные жидкости как ^обособленная группа теплоносителей.

§ 3. Отбор экспериментального материала для анализа.

§ 4. Математическое описание процесса.

§ 5. Регрессионный анализ.:. >

§ 6. О выборе критерия, учитывающего влияние теплофи-, зических свойств стенки.*.

§ 7. Приближённая теория пузырькового кипения в трубах при вынужденном движении и обобщённое соотношение.

ГЛАВА III. ЭКСПЮМВДТАЛЪЕАЯ УСТАНОВКА. И МЕТОДИКА ИССЛЩЗВАНШ

§ I. Принципиальная схема установки. НО

§ 2. Экспериментальный участок.

§ 3. Методика экспериментального исследования.

§ 4. Обработка экспериментальных данных и погрешность эксперимента.

§ 5. Схема измерений и автоматизация эксперимента.

ГЛАВА 1У. ЭКСПЕРШЕНТАЛЬКЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

§ I. Зависимость теплоотдачи от теплового потока;.

§ 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи от давления в системе.

§ 3. Зависимость теплоотдачи от паросодержания.

§ 4. Влияние материала стенки трубы на коэффициент теплоотдачи прп пузырьковом кипении криоагентов в условиях вынужденного движения.

§ 5. Обобщение результатов эксперимента.

ВЫВОДЫ.

ШШОЖШ.

режима и повышение надёжности работы которого даёт большой эконо

• • • мический эффект и имеет огромное народохозяйственное значение.

Надёжность различного рода радиоэлектронных, кибернетических устройств, стабильность сверхпроводящего состояния обмоток мощных магнитов связаны, чаще всего, с поддержанием расчётного температурного режима, выход за пределы которого может привести к аварии. В последнее время как способ высокоинтенсивного отвода теплоты от охлаждаемого объекта всё чаще применяются процессы кипения. Тал, например, процесс кипения является самым эффективным способом охлаждения радиоэлектронной аппаратуры и позволяет обеспечивать нормальный режим работы далее при весьма значительных мощностях рассеивания в системе [I] . Широкое применение получили сверхпроводящие магниты погружного типа, где охлаждаемые обмотки находятся в кипящем гелии, что обеспечивает интенсивный теплосъём. Кроме того, основным типом ядерного реактора для производства электроэнергии в будущем будет реактор, охлаждаемый кипящей водой, и надёжный отвод теплоты является важным звеном в вопросе обеспечения абсолютной надёжности таких установок. •

Таким образом, в технике находят всё более широкое применение процессы и технологии, где охлаждение различного рода объектов происходит за счёт кипения жидкостей и требование экономичности систем и агрегатов, их эксплуатационной надёжности, оптимизации режимов функционирования делают необходимым получение достоверд ной количественной.информации по вопросу гидродинамики и теплопередачи в двухфазных потоках. Приближённые оценки и применение грубых и неточных расчётных рекомендации совершенно непригодны при детальном проектировании больших и сложных систем. Этим объ ясняется всё 'возрастающий интерес учёных к этой области теялооб . мена. у

Вопросами .изучения процессов кипения в последние десятилетия занимались ведущие специалисты в области тепло- и массообмена, но несмотря на значительный интерес исследователей и большие усилия в этом направлении, нет единой теории кипения, и никому пока не удалось представить надёжное универсальное соотношение, которое удовлетворило бы инженеров и проектировщиков. Применение для расчета кипения в каналах известных методик приводит, как правило, к существенным ошибкам, о чём говорят результаты сравнений, приведенных в диссертации. Особенно большие трудности встречаются при теоретическом анализе процессов кипения, который возможен лишь в отдельных простейших случаях.

В настоящее время имеется большое количество публикаций по вопросу гидродинамики двухфазных систем и теплообмена при кипении, но подавляющее большинство из них относится к исследованию обыч-■ ных жидкостей, в то время как изучение процессов кипения криоа-геитов приобретает всё возрастающую научную и практическую ценность. Исследования по криоагентам имеют, в основном, эмпирический характер и в настоящее время опубликовано всего около 20 работ, посвящённых этому вопросу. В литературе, доступной широко--'му кругу, имеются экспериментальные данные по азоту, аргону, водороду, неону и гелию.

В работе проведено теоретическое и экспериментальное исследование теплообмена при пузырьковом кипении криогенных жидкостей в условиях вынужденного движения, представлена обобщенная методика расчета теплоотдачи.

В работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Дана обобщенная методика для расчета теплоотдачи при пузырьковом кипении криоагентов в условиях вынужденного движения в канале. Проведено теоретическое исследование процесса.

2. Проведен статистический анализ для получения критериального уравнения, с хорошей точностью описывающего процесс пузырькового кипения криоагентов при вынужденном течении в канале.

3. Представлена приближенная теория пузырькового кипения криогенных жидкостей в каналах при вынужденной циркуляции.

4. Проведено экспериментальное исследование кипения азота в вертикальном канале для получения данных по влиянию на процесс различных режимных параметров, а также по влиянию тешюаизическкх свойств материала поверхности нагрева.

Результаты, полученные в работе, могут быть использованы для более строгих и обоснованных теплотехнических расчетов систем и аппаратов с использованием процессов пузырькового кипения испарения криогенных жидкостей в каналах в условиях вынужденно:'; циркуляции.

Автор выражает глубокую благодарность кандидату технических наук старшему научному сотруднику В.В.Клименко за постоянные научные консультации в течение всего времени выполнения данной ф работы.

- У 4

У С Л V

I ¿ V

I". 5 р X с е Ь х £ оС

6 * рч я

А, лГ тл пс а, н

О В Н Ы Е ОБОЗНАЧЕНИЯ

- время, с;

- длина, м;

- диаметр, м;

- динамическая вязкость жидкости, кг ; с м

- динамическая вязкость газа,^ О кг м

- кинематическая вязкость жидкости кг м

- давление, Па;

Вт

- коэффициент теплопроводности,—^

- коэффициент поверхностного натяжения,

- краевой угол смачивания;

- капиллярная постоянная, м;

- массовое паросодержание;

- объёмное паросодержание;

- истинное паросодержание;

- коэффициент теплоотдачи, ■Вт •

- массовый расход, ьг с

- плотность теплового потока,

ЗПГ'. м кг . г

- плотность жидкости,

КТ"1

- плотность газа, ^гт-; м01

- радиус, м;

- отрывной диаметр пузыря, м;

- скорость,-—-;

- температура, К;

- плотность центров.парообразования,

Дж м

- теплоемкость, ^ ^ ;

- теплота парообразования,

- температуропроводность, М; с

- ускорение свободного падения,-Дт-;

I с

- частота отрыва пузырей, шероховатость, м;

I ( - энтальпия

А?* " ^ Я —Д} число Архимеда;

Д/а.-*^ -'•число Нуссельта; л

Рг*а<х - число Прандтля;

Ро а \ ~лГ - число Реинольдса; ь \ - число Пекле;

• - число Фурье; Ьолмодифицированное число кипения;

I гл

Кьг—Р - безразмерный параметр;

К , (ирцу* - безразмерны!! параметр;

Л/ — относящийся к теплоотдающей стенке; эффективный; к - конвективный; без кипения; на линии насыщения; кр — критический; б.о. — относящийся к большому объёму; относящийся к жидкости; н.к> — начало кипения;

Ьн, — внутренний;

ЗКС ' — экспериментальный;

ГР — относящийся к условиям на границе раздела; п — относящийся к пару;

Ьх . — относящийся к параметру на входе;

Ь — построенный по капиллярной константе;

Р - расчетный; остальные обозначения приводятся в тексте.

8. Результаты работы используются в конкретных инженерных расчетах в КВТ АН СССР, НПО "Криогенмаш", НПО "Гелиймаш".

1. Теплотехнический справочник* Общие вопросы. Том 3,- под ред. Григорьева В.А.,. .Зорина В.М. , М.,.: Энергия 1981. - 551 сь

2. Теплопередача в двухфазном потоке.- под ред. Д.Баттерворса, Г.Хьштта. Перевод с английского В.В.Ягова, А.К.Городова,А.П.Крюкова.под ред. Д.А.Лабунцова,. М., Энергия ISQ0. 325с.

3. Кутепов A.M., Стерман Л.С., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании, М., Высшая школа, 1977. -352с.

4. Теория тепломассообмена. под ред. А.И.Леонтьева, М., Высшая щола,. 1979. - 495 с.

5. Лабунцов Д.А. Приближенная теория теплообмена при развитом пузырьковом-кипении. Известия АН СССР, Энергетика и транспорт,.!^, IS I, с. 58-71.

6. Кутателадзе С.С», Леонтьев А.И. Теплообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М., Наука, 1972.-315 с.

7. Judd R.Lo and Merte H. Evaluation of nucleate boiling heat flux predictions at varying levels of subcooling and acceleration, Int. J. Heat Mass Transfer 15, 1075,1972.

8. Григорьев B.A., Павлов Ю.М., Аметистов -E.В. Кипение криогенных жидкостей. М.: Энергия, 1977.-288 с.

9. Moore F.D., Mesier H.Б. The measurement of rapid surface temperature fluctuations during nucleate boiling of water. American Institute of Chemical Engineering Journal, 1961, v. 7, И 4, p. 620-624.

10. О влиянии материала поверхности нагрева на теплообмен при пузырьковом кдпешш в условиях принудительного движения в большом.объеме /Стюшин Н.Г. В кн.: Вопросы теплообмена при изменении агрегатного состояния вещества. M.-JI, 1953, с.I73-I82. .

11. Аладьев И;Т., Яшнов В.И. Влияние смачиваемости на кризис кипения. В кн.: Конвективная теплопередача в однофазном и двухфазном потоках. М.-Л., Энергия, 1964, с.249-278.

12. Аметистов Е.В., Григорьев В.А., Павлов Ю.М. О влиянии теп-лофизических свойств материала поверхности нагрева на .интенсивность теплоотдачи при кипении воды и этанола.-Теплофизика высоких температур, 1972, т.10, №4, с.908-910.

13. Исследование теплопередачи при кипении азота /Григорьев A.B., Павлов Ю.М., Аметистов Е.В. и др. Тр. /Моск. энерг. ин-т, 1975, вып. 268, с.43-52.

14. Скорость роста пузырей при кипении в области умеренных и высоких давлений /Павлов Ю.М., Потехин O.A. Тр. /Моск. энерг. ин-т, I960, вып. 478, с.43-54.

15. Клименко В.В., Григорьев A.B. Приближенная теория пузырькового кипения в трубах при вынужденном движении. -Известия АН СССР, Энергетика и транспорт, 1983, № 6, с.II6-125.

16. Влияние давления на внутренние характеристики кипения азота и кислорода. /Кириченко Ю.А., Пцбульский В.В., Долгой М.Л., Еусанов К.В., Колован И.М./ Инж.-физ. яурн., 1975, т.28,4, с.581-588.

17. Кириченко Ю.А., Левченко Н.М. Исследование внутренних характеристик. кипения водорода. 1МГФ, 1976, J6 4, с.103-108.

18. Павлов Ю.М., Потехин С.А., Фролова Г.М. Изучение механизмакипения гелия с помощью высокоскоростной щносъемки. Теплоэнергетика, 1980, ^ 4, с.16-19.- т

19. Еутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. М., Энергия, 1976, 296 с.25« Schicht H.H. Flow patterns for an adiabatic two-phase flow of water and air within a horizontal tube. -Verfahrenstechnik, 1969, Bd.5, No.4, p.153-161.

20. Dengler C.E., Addoms J.M. Heat transfer mechanism for vaporization of water in a vertical tube. CEP Symposium Series, 1956, v.52, No.18, p. 95-103»

21. Gurrieri S.A., Talty R.D. A study of heat transfer to organic liquids in single-tube, natural circulation vertical tube boilers. CEP Symposium Series, 1956, v.52, Ho.18, p. 69-77.

22. Burnout and nucleation in climbing film flow / Hewitt G.F., Kearsey H.A., Lacey P.M.C., Pulling D.J. -UK Report AERE -- R4-374-, 1963.'

23. Mohr V., Runge R. Forced convection boiling of neon in horizontal tubes. Heat transfer in boiling, Hemisphere, 1977, P.307-343.

24. Теплопередача к двухфазному потоку /Боришанский В.М., Андреевский A.A., Крючков А.Г. и др. Теплоэнергетика, 1969, JS 5, с.58-61.

25. Collier J.B., Pulling D.J. Heat transfer to Two-Phase ' Gas-Liquid Systems., Pt. II: Further Data on Steam-Water Mixtures, U.K. Re.pt. AERE-R-3809, 1962.

26. Кутателадзе C.O. Основы теории теплообмена. Изд. 5-е - М.: Атошядат, 1979. - 416 с.

27. Лабунцов Д.А. Обобщенные зависимости для теплоотдачи при пузырьковом кипении жидкостей. Теплоэнергетика, I960 , гё 5, с.76-81.

28. Стерши Л.С. Исследование теплообиена при кипении жидкости в трубах. ЖГФ, 1954, т.24, вып.П, с.204б-2053.

29. Elimenko V.V., Sudarchikov A.M. Investigation of forced flow boiling of nitrogen in a long vertical tube. -Cryogenics, 1983, v.23, N0.7, p.379-385.

30. Klimenko V.V. Heat transfer intensity of forced flow boiling of cryogenic liquids in tubes. Cryogenics, 1982, v.22, No.11, p.5*69-576.

31. Лабунцов Д.А. Вопросы теплообмена при пузырьковом кипении жидкостей. Теплоэнергетика. 1972, № 9, c.I4r-I9.Chen J.С. A correlation for Boiling heat transfer to caturated liquids in convective flow,. ASME Paper, No. 63-HT-34, 1963.

32. Forster H.K,, Zuber N, Dynamics of vapour bubbles and. boiling heat transfer.-AIChE Journal, 1955»v. 1,NoA,p.531-535»

33. Берглес, Росеноу. Определение теплопередачи при поверхностном кипении в условиях принудительной конвекции. Теплопередача, 1964, т.86, № 3, с.83-93.

34. W.H.McAdams,et.al., Heat Transfer and High Hates to water with surface Boiling. Industrial and Engineering Chemistry, vol.41, 194-9, p.194-5-1953.

35. В.г.Пронько, Л.ПоШевченко, В.Г.Баранов. Определение условий .начала поверхностного кипения криогенной жидкости, Химическое и нефтяное машиностроение, 1974, № 12, с.50-51.

36. Moles F.D. and Shaw J.E.G. Boiling heat transfer to subcboledliquids under conditions of forced convection.Trans. Ins t.Chem., Engrs., 1972, 50, p.76-84.'

37. Lewis J.P., Goodykoontz J.H., Kline J.P. Boiling heat transfer to liquid hydrogen and nitrogen in forced flow.-NASA Technical Note D-1314, September 1962.

38. Ро&жин Л.П., Усюкин И.П. Экспериментальное исследование кипения азота в условиях вынужденного движения в горизонтальной трубе, Кислородная промышленность. М., Гипрокислород.1968, № 2,,с.25-33.

39. Епищов В.З. Схемы установок регазификации и исследование• теплообмена и гидравлического сопротивления в испарителях сжиженного природного газа Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. М., МИНХ и ГП, 1974.

40. Papell S.S., Hendricks H.C. Boiling incipience and convective boiling of neon and nitrogen. Advances in Cryogenic Engineering, 1978, v.23, p.284-294.

41. Долгой M.Л., Троянов A.M., Пузырьков Ю.А. Исследование теплообмена при вынужденном движении азота в горизонтальном канале, — в сб.: Теплообмен при низких температурах. Киев, Наукова думка, 1979, с.25-32.

42. Ogata H., Sato S. Forced convection heat transfer to boiling helium in a tube. Cryogenics, 1974» v. 14, N0.7, p«375-380.

43. Экспериментальное исследование теплообмена при кипении азота и гелия в каналах /Григорьев В.А., Антипов В.И., Павлов Ю.М., Клименко А.В. Теплоэнергетика, 1977, № 4, с .11-14.

44. Петухов B.C., Жуков В.М., Шильдкрет В.М. Экспериментальное исследование теплообмена, кризисов и гидравлических сопротивлений при кипении гелия в условиях вынужденного течения. -Отчет ИВТ АН СССР J6 161/79, M., 1979, 126 с.

45. Collier J.G. Convective boiling and condensation.-McCraw Hill, 1972, 421 p.j

46. Stephan K., Abdelsalam M. Heat transfer correlation for natural convection boiling. Int.Journal of Heat and Mass Transfer, 1980, v.23, No.1, p.73-87.

47. MFouling,,-Vorgänge bei der Verdampfung von Argon imwaagerecht durchströmten Rohr /Muller H.M., Hechler G., Steiner D*'t.Schlunder E.V. Wörme- und Stoffttbertragung, 1982, Bd.19, No.1, S.47-53.

48. Филиппов 'Д.П. Подобие свойств вещеотв.-М.: изд0 МГУ,1978.-256 е.\

49. Клименко В.ВГригорьев A.B., Методика расчета теплообмена при кипении • криогенных жидкостей в каналах в условиях вынужденного движения. Отчет МЭИ № 17114-84, M.f 1984, 71 с.

50. Кутателадзе С.С. Анализ подобия и модели в термогидродинамике газожидкостных систем. IMR&, 1980, J& 5, с.24^33.

51. Клименко В .В.' Исследование переходного и пленочного кипения криогенных жидкостей, Дисс. на соиск. уч.степени канд.техн. наук, М., МЭИ, 1975.-151 с„

52. Jakob М. Heat transfer, v.I, Ch.29» Wiley, New York,W9, 758 p. 1

53. Kutateladze S.S. Boiling heat transfer.- Int.Journal of Heat and Mass Transfer, 1961, v.4, No.1, p.31-4-5»

54. Кириченко Ю.А. Вопросы динамики паровых пузырей при кипешш.-Препринт ФТИНТ АН УССР, Харьков, Л971 26 с.

55. Минченко Ф.П. К вопросу о теплообмене при пузырьковом кипении. Энергомашиностроение, I960, № 6, с.17-21.

56. Cooper М.&, Correlation for nucleate "boiling formulation using reduced properties.- Physicochemical Hydrodynamics, 1982, No.2, p.89-111.

57. Krevelen D.W., Hoftijzer P.I. Studies of gas-bubble formation. Calculation of interfacial area in bubble contactor.- Chemical Eng.Progress, 1950, v.46, No.1, p.29 55. . - .

58. Клименко В.В., Сударчиков A.M., Григорьев A.B.'Экспериментальная установка для исследования неадиабатных двухфазных потоков-криоагентов. Тр. /Моск. Энерг. ин-т., 1981, вып.534, с.30-41,

59. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Изд. 2-е, под ред. Малкова МЛ., М.: Энергия 1973.-392 о.

60. Рабинович С.Г. Погрешности измерения. Л.: Энергия, 1978. 378 с.

61. Закигаев Л.С., Кишьян A.A., Романиков Ю.И. Методы планирования и^обработки результатов физического эксперимента• М.: Атошздат, 1978, 231 о.

62. Клименко jB.B., Сударчиков A.M. Теплообмен при вынужденном течении жидкого азота в канале.-Тр0 /Моск.Энерг. ин-т, 1983, вып. 616, с.36-39. *

63. Клименко В.В., Сударчиков A.M. Некоторые особенности пузырькового кипения на внутренне! поверхности трубы. -Тр. /Моск. Энерг. ин-т, 1983, вып. 616, с.40-45.

64. Клименко В.В. Теплоотдача при кипении в условиях вынужденного движения в канале. Тепломассообмен - УЛ. Труды УП Всесоюзно! конференции по тепло-массообмену. Шнек, 1984, т.4, 4ÜI, с.99-103.