автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Теплообмен и гидродинамика при кипении хладагентов в кольцевых каналах при постоянной температуре теплопередающей поверхности

Условные обозначения

Введение

Глава I* Современное состояние вопроса и постановка задачи исследования

1.1. Анализ работ,посвященных исследованию теплообмена при кипении жидкостей в стесненных условиях

1.2. Анализ работ,посвященных исследованию тепло-• обмена при кипении хладагентов в щелевых каналах

1.3. Анализ работ,посвященных изучению гидродинамики при кипении жидкостей в щелевых и кольцевых каналах

1.4. Выводы и постановка задачи исследования

Глава 2. Теоретическое исследование теплообмена и гидродинамики при кипении хладагентов в кольцевых каналах открытой схемы питания при постоянной температуре теплопередающей стенки

2.1. Механизм передачи тепла при кипении

2.2. Схема процесса кипения

2.3. Основные допущения

2.4. Математическое описание процесса

Глава 3. Экспериментальная установка для исследования кипения хладагентов в кольцевых каналах открытой схемы питания и постоянной температуре теплопередающей поверхности 59 3.1. Основные требования, предъявляемые к экспериментальной установке

3.2. Экспериментальная установка. Описание работы и ее основные элементы

3.3. Анализ погрешностей измерения и обработки экспериментальных данных

Глава 4. Экспериментальное исследование кипения сореона-12,фреона-22 в кольцевых каналах при постоянной температуре теплопередающей поверхности и открытой схеме питания канала жидкостью. Сравнение экспериментальных и расчетных данных.

4.1. Истинное объемное паросодержание при кипении

R-I2 и R-22 в кольцевых каналах

4.2. Теплообмен при кипении R-I2 в кольцевых каналах открытой схемы питания при постоянной температуре теплопередающей поверхности

4.3. Теплообмен при кипении R-22 в кольцевых каналах открытой схемы питания при постоянной температуре теплопередающей поверхности

4.4. Обобщение экспериментальных и расчетных данных при кипении R-I2, R-22 в кольцевых каналах открытой схемы питания при постоянной температуре теплопередающей поверхности

Выводы

Введение

Повышение в оптимальных пределах единичной мощности машин и оборудования при одновременном уменьшении их габаритов, металлоемкости, энергопотребления и снижении стоимости на единицу конечного продукта является одним из требований одиннадцатой пятилетки. Для осуществления этого требования необходимо применять в технологических циклах физические процессы, обеспечивающие оптимальные параметры производства. Так в микробиологической промышленности из биореакторов необходимо отводить тепло, выделяемое в процессе микробиологического синтеза. При этом для увеличения производства требуется поддерживать определенную температуру культуральной среды. Как видно из рисунка изменение температуры на пять градусов в ту или иную сторону приводит к уменьшению производства биомассы в два раза [ 3 ] .

Задачу термостабилизации способны решить высокоэффективные теплообменные устройства с фазовыми переходами на основе тепловых труб. В этих теплообменниках реализуются процессы кипения и конденсации, являющиеся наиболее эффективными с точки зрения передачи тепла. Поэтому изучение, в частности, процесса кипения и влияния на него различных факторов имеет огромное значение как для понимания процесса кипения в целом, так и для объяснения высоких теплопередающих свойств теплообменников на основе тепловых труб.

На кафедре "Теплопередача и термодинамика" МВТУ им.Н.Э.Баумана проводится цикл работ по повышению интенсивности теплообмена при кипении путем организации процесса кипения жидкости в узких щелевых каналах, ширина зазора которых соизмерима с отрывным диаметром пузырька пара.

Скорость образования пенищллина ед. за 20 ч. на 1г сухого мицелия

Рис.1 Влияние температуры на образование пенициллина

Применение "щелевого эффекта" в теплообменник устройствах с фазовыми переходами обещает увеличение эффективности этих теплообменников.

С научной точки зрения представляет определенный интерес изучение процесса теплообмена и гидродинамики при кипении жидкости в кольцевом щелевом канале зоны охлаждения теплообменника с фазовыми переходами, где процесс кипения происходит при конденсационном обогреве.

Таким образом, вопросы, связанные с изучением теплообмена при кипении жидкостей при конденсационном обогреве и температурных уровнях, применяемых в микробиологической промышленности, являются чрезвычайно важными и актуальными и являются .определяющими при выборе темы настоящей работы.

- 119 -Выводы

1. Создана физическая модель процесса кипения в кольцевых щелевых каналах при постоянной температуре теплопередающей поверхности и открытой схемв питания канала жидкостью.

2. Получены расчетные зависимости истинного объемного паросодер-жания и характеристик теплообмена при кипении в кольцевых щелевых каналах с открытой схемой питания и постоянной температуре теплопередающей поверхности.

3. Экспериментально подтверждена правильность физической модели процесса кипения в кольцевых каналах открытой схемы питания при постоянной температуре теплопередающей поверхности. Подтверждены расчетные зависимости по истинному объемному паро-содержанию и коэффициенту теплоотдачи. В качестве рабочей жидкости использовался фреон-12 и фреон-22 при температурах насыщения =263К, 273К, 283К.

4. Установлено, что для значений ширины кольцевого канала В=0,5мм, В=0,8мм коэффициент теплоотдачи не зависит от температуры насыщения.

5. Установлено, что коэффициент теплоотдачи при кипении R-I2,

R -22 в кольцевых щелевых каналах с открытой схемой питания и постоянной температуре теплопередающей поверхности ниже коэффициента теплоотдачи для аналогичных условий, но при постоянной плотности теплового потока.

6. Показано,что использование кольцевых щелевых каналов дает возможность существенно повысить интенсивность теплообмена при кипении R-I2, R-22 в области умеренных тепловых нагрузок.

7. Полученные расчетные зависимости могут быть использованы при создании теплообменных аппаратов с фазовыми переходами,основным элементом которых является гладкостенные тепловые трубы. В качестве рабочей жидкости данных теплообменных аппаратов используются R-I2, R-22.

1. Азарсков В.М. Исследование теплообмена при кипении фреонов в щелевых каналах пластинчатых теплообменников. Дис. . канд. техн.наук. - Л., 1973. - 183 с.

2. Азарсков В.М., Земсков Б.Б., Малышев А.А. Исследование кипения фреона-ПЗ в вертикальных щелевых каналах. В кн. Холодильные машины и устройства, 1976, с. 48-52.

3. Аиба Ш., Хемфри А., Миллис Н. Биохимическая технология и аппаратура. Перевод с английского. М.: Пищевая промышленность, 1975. - 287 с.

4. Бартоломей Г.Г., Алхуров М.С. Определение истинного паросодержания при барботаже на участке стабилизации. Теплоэнергетика, 1967, ЖЕ2, с. 80-81.

5. Богданов С.Н., Иванов О.П., Куприянова А.В. Холодильная техника. Свойства веществ. I.: Машиностроение, 1976. - 168 с.

6. Гартнер Р.Ф., Уэстуэтер Да. В кн.: Вопросы физики кипения. М.: Мир, 1964, с. 301-330.

7. Григорьев В.А., Крохин Ю.И., Куликов А.С. К вопросу об определении толщины пленки жидкости под пузырем при кипении в ка-пилярных каналах. Труды / МЭИ, 1974, вып. 200, с. 8-16.

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

9. Григорьев В.И., Крохин Ю.И. Истинные скорости фаз и паросо-деркание двухфазного потока при кипении жидкости в щелевых каналах. Теплофизика высоких температур, 1972, т. 10,с. 145-148.

10. Данилова Г.Н. Влияние давления и температуры насыщения на теплообмен при кипении фреонов. Холодильная техника, 1965, J52, с. 69-80.

11. Данилова Г.Н., Малзогин Г.И., Малков Л.С. Экспериментальное исследование теплообмена при кипении аммиака в вертикальных кольцевых каналах. Холодильная техника, 1975, $9, с. 32-37.

12. Джад, Хуан. Модель теплоотдачи при кипении в большом объеме, учитывающая испарение микрослоя. Труды / Амер.общ.инж.-мех., серия С, Теплопередача, 1976, М, с. 96-102.

13. Ддад, Фатх. Влияние давления на теплоотдачу при испарении микрослоя. Труды / Амер.общ.инж.-мех., серия С, Теплопередача, 1978, И, с. 52-58.

14. Зубер Н., Финдлей Г. Средняя объемная концентрация фаз в системах с двухфазным потоком. Труды / Амер.общ.инж.-мех., серия С, Теплопередача, 1965, М, с. 29-47.

15. Иванов М.Е., Быков В.П. Исследование частоты прохождения пузырей и газосодержания в барботажном слое. Теоретические основы химической технологии, 1970, т.4, Н, с. 239-244.

16. Ковалев С.А., Гешеле В.Д. Методика и некоторые результаты исследования теплообмена при кипении жидкости в щели. Теплофизика высоких температур, 1975, т.13, Щ, с. I3I-I36.

17. Коваленко В.Ф., Жидков И.А., Скрипин В.Н. и др. Исследование теплоотдачи в плоских щелевых каналах при кипении под вакуумом. Труды / Николаевского кораблестроительного института, 1975, вып. 104, с. 48-52.

18. Козлов В.М. Исследование процесса гидродинагжки пленок жидкого поглотителя в моделях каналов регулируемого ядерного реактора. Дис. . канд. техн. наук. М., 1973. - 191 с.

19. Константинов С.М., Приходченко В.А. Теплоотдача при кипении обезжиренного молока, сыворотки и сахарных растворов в кольцевых каналах. Известия ВУЗов. Пищевая технология, 1978, М, с. 104-106.

20. Константинов С.М., Приходченко В.А. Расчетная зависимость теплоотдачи при кипении в кольцевых каналах. Известия ВУЗов. Пищевая технология, 1977, Г£, с. I08-III.

21. Корнеев А.Д. Исследование гидродинамики и теплообмена при кипении в щелевых каналах. Дис. . канд. техн. наук. М., 1974. - 119 с.

22. Корнеев С.Д. Исследование гидродинамики и теплообмена при кипении в щелевых каналах в условиях моделирования ослабления силы тяжести. Дис. . канд. техн. наук. М., 1977.127 с.

23. Кружилин Г.Н. Теплоотдача от поверхности нагрева к кипящей однокомпонентной жидкости при свободной конвекции. Известия АН СССР, Отделение технических наук, 1948, с. 967-980.

24. Курбанов Х.К. Исследование влияния физических свойств жидкости на гидродинамику и теплообмен при кипении в щелевых каналах. Дис. . канд. техн. наук. М., 1978. - 129 с.

25. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. 5-е изд. пере-раб. и доп. - М.: Атомиздат, 1979. - 416 с.

26. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И., Кирдяшкин А.Г. К теории теплообмена при пузырьковом кипении. Инженерно-физический журнал, 1965, т.8, М, с.7-10.

27. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидрод1шалика газожидкостных систем. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергия, 1976.296 с.

28. Лабунцов Д.А., Евдокимов О.П., Тишин И.В. и др. Аналитическое исследование процесса кипения в трубках малого диаметра.-Известия ВУЗов. Машиностроение, 1970, с. 68-73.

29. Лабунцов Д.А. Приближенная теория теплообмена при развитом пузырьковом кипении. Известия АН СССР, Отделение технических наук, Энергетика и транспорт, 1963, Ж, с. 58-70.

30. Левин Г.М. 0 влиянии Форш поперечного сечения кипятильных труб на парообразование в контурах низкого давления. Журнал технической физики, 1951, т.21, J35, с. 552-563.

31. Левин Г.М., Бакалин Ю.И. Теплообмен при кипении воды в кольцевой щели контура с естественной циркуляцией. Известия ВУЗов. Энергетика, 1963, Ж2, с. II9-I22.

32. Леонтьев А.И., Кирдяшкин А.Г. 0 возникновении паровой фазы на горизонтальной поверхности нагрева. Инженерно-физический журнал, 1969. т. 16, JS6, с. III0-III5.

33. Майкик, Росеноу. Новая корреляция данных по кипению в большом объеме, учитывающая характеристики греющей поверхности.-Труды / Амер.общ.инж.-мех., серия С, Теплопередача, 1969, Js2, с. 45-51.

34. Мироненко А.В. Исследование теплообмена в двухфазном термосифоне с концентрическими вставками. Дис. . канд. техн. наук. М., 1977. - 166 с.

35. Мусвик Б. Исследование процесса гидродинамики и теплообмена опускного дисперсно-кольцевого течения. Дис. . канд. техн. наук. М., 1975. - 255 с.

36. Новиков П.А., Любин Л.Я., Снежко Э.К. Тепло- и массообмен при неразвитом кипении в теплопередающих щелевых каналах. -Инженерно-физический журнал, 1976, т.31, Ж>, с. 1024-1032.

37. Олэндер , Уотте . Аналитическое выражение толщины микрослоя при парообразовании в условиях пузырькового кипения. -Труды / Амер.общ.инк.-мех., серия С. Теплопередача, 1969,т.91, М, с. 149-151.

38. Повицкий А.С., Любин Л.Я. Основы динамики и тепло- массооб-мена жидкостей и газов при невесомости. М.: Машиностроение, 1972. - 251 с.

39. Роговая И.А., Олевский В.М., Рунова Н.Г. Измерение толщиныи профиля пленки жидкости. Приборы и техника эксперимента, . 1968, М, с. 183-185.

40. Рогозянов В.А., Мизерецкий Н.Н., Шихов Г.Л. 0 механизме процесса кипения аммиака в вертикальных каналах с малой шириной щели. Труды / ВНИИ мясной промышленности, 1976, Ж35, с.80-84.

41. Смирнов Г.Ф., Коба А.Л., Афанасьев Б.А. и др. Теплообмен при кипении в щелях, капилярах и других стесненных условиях.

42. В кн. Теплообмен. У. Шнек, 1976, т.З, ч.1, с. 193-197.

43. Рассохин Н.Г., Швецов Р.С. Экспериментальное исследование теплоотдачи при пузырьковом кипении воды в кольцевых каналах. Теплоэнергетика, 1966, 1Ю, с. 51-57.

44. Рассохин Н.Г., Аттенштадт К., Мельников В.Н. Экспериментальное исследование теплоотдачи при кипении в кольцевых каналах воды. Труды / МЭИ, 1965, вып. 63, с. 81-82.

45. Рычков А.И., Хохлов В.К. Исследование теплообмена при кипении в теплообменных аппаратах с кольцевым пространством. -Труды / МИХМ, 1959, т.19, с. 65-78.

46. Сагань И.И., Тобилевич Н.Ю., Ткаченко С.И., Петренко Ю.Д. Теплообмен при кипении воды в вертикальных кольцевых каналах. Известия ВУЗов, Пищевая технология,1971, Ж,с.I27-I3I.

47. Тарасова Н.В. Теплоотдача при кипении воды и пароводяной смеси в кольцевых каналах. Труды / ЦКТИ, 1965, вып.57.

48. Теория тепломассообмена: Учебник для ВУЗов / С.И.Исаев, И.А.Кожинов, В.И.Кофанов и др.; под ред. А.И.Леонтьева. -М.: Высшая школа, 1979. 495 с.

49. Теплопередача в двухфазном потоке. Перевод с английского.Подред. Баттерворса Д., Хьюитта Г. М.: Энергия, 1980, - 328 с.

50. Тобилевич П.Ю., Еременко Б.А. Исследование особенностей теплоотдачи при кипении в трубах. В кн.: Гидродинамика и теплообмен при кипении в котлах высокого давления. М.: Изд. АН СССР, 1955, с.186-205.

51. Толубинский В.И, К теории теплообмена при кипении. Известия Вров, Энергетика, Ж, 1959, с. 15-22.

52. Ярышев Н.А. Теоретические основы измерения нестационарных температур. -Л.:Энергия,1967.- 300 с.

53. Aoki S.,I none A.,Aritomi М. and Sakamoto Expepimental atud# on the Boiling phenomena within a narrow gap.-Int.I. Heat Mass Transfer,1982,vol.25, H 7,pp.985-990.

54. Cooper M.G.jLIo^'d A.I.P. Transient Iocai Heat flux in Nucleate Boijing.proceedings of the Third Ihternational Heat Transfer Conference, Chicago, 1966,v.111,pp.193-263.

55. Cooper M.C.,Lloyd A.I.P. The Microlayer in Nucleate Pool Boiling.-Int.I.of Haat and Magg Transfer,1963,vol.12,N8, pp.895-913.

56. Moor F.D.,Megler R.B. The Measurement of Rapid Surface Temperat^rre Fluctuations during Nucleate Boiling of Water. -AIGhe I.,1961,vol.7,N4,pp.620-624.

57. Nighikawa K.,Ishifcaghi B.Int.-I.Heat-Magg Transfer,1969,vol. 12,N8,pp.863-893.

58. Sachs P.,long R.A. A Correlation for Heat Transfer in Stratified Two-Phaae Plow With Vaporization.-Int.I.Heat Magg Transfer,1961,vol.2,pp.222-230.

59. Shi-Chune Уао and Yung Chang. Pool Boiling Heat Transfer in a Confined gpace.-Int.I.Heat Magg Transfer,19S3,vol.26, pp.841-848.