автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Теплообмен и внутренние характеристики парообразования при кипении холодильных агентов на интенсифицированных поверхностях

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ХОЛОДА И ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

• ТЕПЛООБМЕН И ВНУТРЕННИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ- ПАРООБРАЗОВАНИЯ ПРИ КИПЕНИИ ХОЛОДИЛЬНЫХ АГЕНТОВ НА ИНТЕНСИФИЦИРОВАННЫХ

ПОВЕРХНОСТЯХ

Специальность 05.14.05 - теоретические основы

теплотехники

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ВЕРХОВСКИЙ ВАДИМ ВЛАДИМИРОВИЧ

научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Данилова Галина Николаевна

Санкт-Петербург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ...........................................6

ВВЕДЕНИЕ.......................................................8

Глава I. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ КИПЕНИЯ НА

ИНТЕНСИФИЦИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ..................... . 1 5

1.1. Классификация интенсифицированных поверхностей теплообмена.............................................. 16

1.2. Модельные представления о процессе кипения на

. интенсифицированных поверхностях ........................23

1.2.1. Модели для 1ШП11ллярно-пористый'Шв^хностей.........23

1.2.2. Модели для оребренных поверхностей_____...30

1.2.3. Модели для поверхностей с искусственными центрами парообразования........................................................36

1.2.4. Модели для шероховатых поверхностей.................40

1.2.5. Модели для несмачиваемых поверхностей...............43

1.3. Выгоды по обзору и постановка задач исследования____....45

Глава II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ НА ПОВЕРХНОСТИ КИПЕНИЯ И МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ........47

2.1. Описание экспериментального стенда......................47

2.2. Тепловое проектирование рабочего участка (тепломера)....49

2.2.1. Анализ погрешности для упрощённой модели рабочего участка............................................. 50

2.2.2. Анализ эффективности тепловой изоляции и выбор способа её учета.....— ............................ 53

2.2.3. Влияние толщины тепловой изоляции...................58

2.2.4. Влияние глубины заделки термопар................... .60

2.2.5. Оценка применимости упрощенной модели рабочего участка.............................................62

2.2.6. Выводы по результатам теплового проектирования......66

2.3. Методика обработки экспериментальных данных.............67

2.3.1. Общее описание методики.............................67

2.3.2. Метод комплексов....................................68

2.4. Выводы по главе..........................................71

Глава III. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ ХОЛОДИЛЬНЫХ АГЕНТОВ НА РАЗЛИЧНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ ТЕПЛООБМЕНА............................ 72

3.1. Методика проведения экспериментов.......................72

3.2. Кипение на гладкой поверхности - апробация установки....73

3.3. Исследование теплообмена при кипении на поверхностях

с искусственными центрами парообразования.........................75

3.4. Исследование теплообмена при кипении на шлкооребренной поверхности....................................................79

3.5. Сравнительная характеристика исследуемых поверхностей теплообмена....................................................87

3.6. Сопоставление результатов экспериментов с данными

других исследователей...................................92

3.7. Оценка погрешности проведённых измерений................ 94

3.8. Выводы..................................................97

Глава IV. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КИПЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЯХ

С ИСКУССТВЕННЫМИ ЦЕНТРАМИ ПАРООБРАЗОВАНИЯ. ........... 99

4.1. Общее описание модели................................... 99

4.1.1. Силы, действующие на пузырь в процессе его роста. ...99

4.1.2. Физико-математическая модель........................102

4.2. Внутренние характеристики кипения холодильных

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................146

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................. .148

Приложение 1. Программа для обработки опытных данных по

кипению жидкости в большом объёме................173

Приложение 2. Результаты экспериментов (журнал измерений)......185

Приложение 3. Описание тепломера и методики его изготовления...214 Приложение 4. Описание конструкции и технологии изготовления интенсифицированной поверхности теплообмена с фиксированными центрами парообразования.......... 216

Приложение 5. Свойства модельных жидкостей.................... .222

агентов типа HCFC....................................... 106

4.2.1. Краткий анализ существующих способов измерения внутренних характеристик кипения....................106

4.2.2. Общие сведения об оптических и оптико-электронных методах исследования................................ 107

4.2.3. Измерение внутренних характеристик кипения оптическим методом..................................110

4.2.4. Моделирование одиночного центра парообразования.....115

4.2.5. Зависимость частоты отрыва пузырей от температурного напора на поверхности кипения.......................119

4.2.6. Сопоставление полученной зависимости f(ÄTcx) с другими моделями определения частоты отрыва пузырей.122

4.2.7. Формула для расчёта среднего отрывного диаметра пузырей...:........................................... 125

4.2.8. Оценка погрешности измерения внутренних характеристик кипения...............................126

4.2.9. Обсуждение полученных результатов по

внутренним характеристикам кипения.............................128

4.3. Сопоставление q экспериментальных и рассчитанных по внутренним характеристикам кипения.............................130

4.4, Выводы по результатам исследования......................132

Глава V. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ПРИМЕНЕНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................133

5.1. Методика расчёта коэффициента теплоотдачи при кипении на поверхности с искусственными центрами парообразования...133

5.2. Методика расчёта коэффициента теплоотдачи при кипении

на мелкооребренных поверхностях.........................136

5.3. Алгоритм расчёта интенсифицированного испарителя........140

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

а - температуропроводность, м2/с; Ср - удельная теплоёмкость, ДЖ/(кг - К); с - константа;

0 - диаметр пузыря, м;

Бо - отрывной диаметр пузыря, м;

Оц - диаметр устья центра парообразования, м;

ЗЗвл - диаметр зоны влияния, м;

Г - частота отрыва пузырей, с-1;

Р - площадь поверхности, м2;

Рвт - выталкивающая сила, Н;

РПн ~ сила поверхностного натяжения, Н;

Ршс - сила инерции жидкости, Н;

РИп ~ сила инерции пузыря, Н;

РБ - сила, обусловленная вязкостью жидкости, Н;

£ - ускорение свободного падения, м/с2;

Зг - критерий Грасгофа;

Ьр - высота ребра, м;

1а - критерий Якоба;

1 - расстояние между центрами парообразования, м; Ь - длина медного стержня, м;

ш - масса, кг; гпо- масса пузыря, кг; М - молярная масса;

п - плотность искусственных центров, м~2; N11 - критерий Нуссельта; Ъ - плотность теплового потока, Вт/м2; Ркр~ критическое давление; рн- давление насыщения;

0к~ тепловой поток на поверхности кипения, Вт; Обок- тепловой поток на поверхности изоляции, Вт; Он- мощность нагревателя, Вт; Рг - критерий Прандтля;

г - удельная теплота парообразования, Дж/кг; ги- радиус изоляции, м;

гс- радиус медного стержня, м; К - радиус пузыря, м; Ра - критерий Релея;

Р2- высота микронеровностей поверхности нагрева, мкм;

Бр - межрёбеное расстояние, м;

-Ь - температура;

Ткр~ критическая температура, К;

Тн- температура насыщения, К;

и - скорость подъёма жидкости, м/с;

V? - объёмная плотность , Вт/м3;

ДТст ~ температурный напор. К;

а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2*К);

В - коэффициент объёмного расширения, К-1;

Вл- постоянная Лабунцова;

5 - толщина перегретого слоя жидкости, м; 5Р- толщина ребра, м;

- погрешность определения Ок; |1 - толщина теплового пограничного слоя, м; р ■.■- плотность, кг/м3;

6 - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; й - перегрев, К;

X - время, с;

- время роста, с; 8 - угол смачиваемости;

V - кинематический коэффициент вязкости, м2/с; А - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К);

Индексы:

п - пар;

ж - жидкость;

эф - эффективный;

э - экспериментальный;

р - расочётный.

ВВЕДЕНИЕ

Потребности в сокращении затрат энергии и материалов, равно как и экономические причины, привели в последние годы к дополнительным усилиям по созданию более эффективного теплообменного оборудования. Цель этих усилий состоит либо в уменьшении габаритов теплообменников, которые должны обеспечивать передачу требуемого количества тепла, либо в увеличении тепловой производительности существующих теплообменников. Более эффективная теплоотдача может понадобиться также для предотвращения перегрева или разрушений систем при заданной интенсивности тепловыделений.

Попытки увеличить "нормальные" коэффициенты теплоотдачи зафиксированы давно. Одной из первых была работа Джоуля, опубликованная в 1861 г. Джоуль сообщал о существенном увеличении термической проводимости, или коэффициента теплоотдачи, при конденсации пара в трубе с навитой на нее проволокой, помещенной в охлаждающую водяную рубашку.

С тех пор прошло много лет, а количество работ, опубликованных по этому вопросу, включая статьи, доклады, диссертации и патенты, увеличивалось с возрастающей скоростью. Наибольшее число публикаций приходится на последние £0-25 лет. Этот возрастающий интерес показывает, что интенсификация теплоотдачи в настоящее время является Бажной специальной областью изучения и развития теплообмена.

Методы интенсификации теплоотдачи можно подразделить на пассивные и активные. Пассивные методы включают специальную физико-химическую обработку поверхностей, использование шероховатых и развитых поверхностей, способов воздействия на поверхностное на-

тяжение и др. К активным методам относят такие как механические воздействия, вибрацию поверхностей теплообмена, пульсации потока жидкости, использование электростатических полей, вдув и отсос теплоносителя. Два или более из этих методов могут быть использованы одновременно (комбинированная интенсификация).

В настоящее время интенсифицированные поверхности теплообмена нашли применение в различных областях науки и техники. Так значительное число задач по охлаждению полупроводниковых приборов сверхвысоких частот (СВЧ) может быть решено на основе применения испарительных систем охлаждения с кипящей жидкостью, эффективно обеспечивающих тепловой режим элементов радио-электронной аппаратуры (РЭА). Применение методов интенсификации теплообмена в зоне кипения (самой теплонапряжённой зоне устройства охлаждения) оказывается весьма перспективным как с точки зрения повышения эффективности системы и соответствующего уменьшения её массогабаритных характеристик, так и для создания- в ряде случаев реальной возможности использования испарительного охлаждения того или иного объекта.

Наиболее перспективным способом совершенствования испарителей холодильных машин также является применение интенсифицированных поверхностей теплообмена, причем ставится задача интенсифицировать теплоотдачу как со стороны кипящего хладагента, так и со стороны хладоносителя. Предпочтительными оказываются пассивные способы интенсификации теплоотдачи, т.к. положительный эффект достигается без дополнительных энергозатрат и появляется возможность создания аппаратов с малым заполнением хладонооителем.

Совершенствование осноеных характеристик испарителей особенно актуально для фреоновых холодильных машин, где в качестве ма-

териала теплообменной поверхности обычно используются дорогостояще медь и медные сплавы. Большое значение имеет также стоимость фреонов, особенно в связи с необходимостью отказа от озоноактив-ных хладагентов и переходом на альтернативные рабочие агенты.

В условиях отсутствия государственной поддержки и тяжёлого экономического поожения в отрасли холодильного машиностроения (бытового, торгового и промышленного) и в химической промышленности необходим особый подход к решению проблемы перехода на экологически безопасные хладагенты в России.

Прежде всего необходимо в полной мере использовать переходные хладагенты (НСРС), ориентируясь на разрешённые сроки применения [65,1543 и отстаивая их неизменность на международном уровне, несмотря на то, что ряд стран Западной Европы на законодательном уровне принял для себя более ранние сроки отказа от НСРС дифференцированно для нового и действующего холодильного оборудования. А также необходимо свести в холодильном машиностроении к минимуму затраты, связанные с изменением конструкций холодильного оборудования и переоснащением производственной базы в связи с применением новых хладагентов.

Проведенные в СПбГАХПТ исследования показали, что существует реальная возможность увеличения коэффициента теплоотдачи в области малых плотностей теплового потока в несколько раз, что может существенно снизить массогабаритные, энергетические и стоимостные характеристики теплообменной аппаратуры и, особенно, испарителей.

Теоретические предположения и известные из литературы опытные данные, несмотря на их большой объём, не позволяют однозначно решить вопрос о превосходстве какого-либо способа интенсификации теплоотдачи при кипении. В этой связи насущной необходимостью яв-

ляется проведение экспериментов и построение физико-математических моделей кипения, позволяющих сделать сравнительный физически обоснованный анализ тех или иных способов увеличения коэффициента теплоотдачи. Особенно это относится к озонобезопасным и переходным холодильным агентам, информации о которых очень не хватает.

Одним из таких методов оценки интенсивности теплоотдачи при кипении является метод, построенный на описании процесса с помощью внутренних характеристик парообразования. Описание процесса кипения на гладких и интенсифицированных поверхностях с помощью внутренних характеристик кипения наталкивается на ряд трудностей таких, как трудоёмкость проведения измерений существующими методами, низкая точность измерений, большие временные затраты. Всё это потребовало привлечения новых нетрадиционных для холодильной техники средств измерения - оптико-электронных приборов. В результате совместной» работы специалистов в области теплофизики, оптики и электроники был предложен новый оптический метод измерения внутренних характеристик кипения.

Отмеченные вопросы рассматриваются в диссертационной работе и являются составной частью одного из направлений многолетних исследований кафедры теоретических основ тепло- и хладотехники СПбГАХ и ПТ по интенсификации теплоотдачи при кипении хладагентов в большом объёме.

Выполненный автором диссертации обзор и анализ литературных данных показал, что к числу эффективных по теплообмену и надёжных по прочности относятся поверхности с искусственными центрами парообразования и мелкооребренные поверхности. Вместе с тем предложенные некоторыми исследователями физические и математические модели процесса теплообмена при кипении на интенсифицированных по-

верхностях хорошо описывают, в осноеном, экспериментальные данные их авторов. Наиболее обоснованные физические представления основаны на применении внутренних характеристик процессса парообразования, которые для хладагентов (кроме РИЗ) отсутствуют.

Цели исследования. Экспериментальные исследования эффективности теплообмена и процесса парообразования при кипении модельных жидкостей из группы фторхлоруглеводородных соединений на поверхностях с искусственными центрами парообразования и мелкоореб-ренных поверхностях. Разработка физико-математической модели процесса.

Для реализации этих целей были решены следующие задачи:

- Предложено тепловое проектирование, разработана и реализована конструкция тепломера для измерения коэффициента теплоотдачи на различных поверхностях теплообмена.

- Разработаны и созданы рабочие участки поверхностей с искусственными центрами и мелкооребренной, а также для изучения частоты и диаметра отрыва паровых пузырей на одиночном центре.

- Предложен и экспериментально реализован оригинальный метод измерения внутренних характеристик парообразования.

- Проведены эксперименты по определению коэффициента теплоотдачи при кипении РИЗ, Р123а, Р141Ь на гладкой поверхности, поверхности с искусственными центрами и мелкооребренной поверхности.

- Экспериментально найдены отрывные диаметры и частота отрыва пузырей для элементарной ячейки интенсифицированной поверхности.

Научная новизна. В результате проведённой научно-исследовательской работы получены следующие результаты:

1. Физико-математическая модель, позволяющая прогнозировать интенсивность теплообмена при кипении хладагентов группы НСРС.

2. Новый оригинальный оптический метод измерения частоты и диаметра отрыва паровых пузырей.

3. Методика обработки экспериментальных данных по теплообмену, основанная на решении обратной задачи теплопроводности, представленная в виде программы для ЭВМ на языке Си.

4. Новые экспериментальные данные об интенсивности теплоотдачи при кипении трёх хладагентов на поверхности с одиночными центрами и мелкооребренной поверхности.

5. Новые экспериментальные данные о частоте и диаметре отрыва паровых пузырей при кипении в большом объёме на одиночном искусственном центре парообразования для трёх модельных жидкостей (КПЗ, Ш.41Ь, И123а).

Практическая значимость. Результаты исследований могут быть использованы для совершенствования испарителей холодильных машин, а такж%;на разл�