автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Теплообмен при кипении углеводородных топлив и масел в условиях естественной конвекции



^АЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

¿У1 УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ШИГАБИЕВ Талгат Нигметзянович

УДК 621.1.016:536.42

ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ И МАСЕЛ В УСЛОВИЯХ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ

Специальность:05.14.05 - теоретические основы теплотехники

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Казань-1999

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 6

ВВЕДЕНИЕ 7

1. ОСОБЕННОСТИ КИПЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ 16

1.1. Возможности и перспективы реализации потенциального хладоресурса углеводородных топлив. 17

1.2. Фазовые превращения углеводородных топлив 19

1.3. Теоретические представления об особенностях кипения смесей 21

1.4 Основы теории парожидкостного равновесия 25

1.5 Начало кипения 26

1.6 Экспериментальное изучение начала кипения 29

1.7 Экспериментальное изучение плотности центров парообразования 32

1.8 Скорость роста пузырей в смесях 36

1.9 Теоретические модели роста пузыря 38

1.10 Отрывной диаметр пузырька в смесях 40

1.11 Теплообмен при кипении смесей 43

1.12 Частота отрыва пузырей в смесях 44

1.13 Влияние состава смеси на коэффициент теплоотдачи 48

1.14 Влияние недогрева смеси до температуры насыщения на коэффициент теплоотдачи 50

1.15 Влияние давления на коэффициент теплоотдачи при кипении смесей 52

1.16 Некоторые особенности теплообмена при кипении многокомпонентных смесей 54

1.17 Расчет коэффициента теплоотдачи при кипении смесей 55

1.18 Теплооотдача при кипении многокомпонентных смесей

63

1.19 Выводы к первой главе 66

2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК КИПЕНИЯ ТОПЛИВ 68

2.1 Описание экспериментальной установки 68

2.2 Методика эксперимента 74

2.2.1 Измерение диаметра и длины экспериментальной трубки 75

2.2.2 Термопары и их градуировка 75

2.2.3 Определение удельной тепловой нагрузки поверхности нагрева 76

2.2.4 Измерение температур 76

2.3 Предварительные эксперименты 77

2.4 Методика проведения экспериментов с учетом коксоотложений и процесса фракционирования 86

2.5 Анализ точности экспериментов 88

2.5.1 Расчет погрешности измерений коэффициента теплоотдачи 90

2.5.2 Оценка погрешности результатов измерений теплопроводности 92

2.6 Выводы ко второй главе 93

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ

КОКСООТЛОЖЕНИЙ 95

3.1 Структура коксоотложений 95

3.2 Шероховатость поверхности нагрева 108

3.2.1 Характеристика шероховатости поверхности 108

3.2.2 Измерения шероховатости поверхности нагрева 113

3.3 Пористость отложений 113

3.4 Выводы к третьей главе 120

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ПРОЦЕССА КИПЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕНА 121

4.1 Внутренние характеристики процесса кипения топлив в отсутствии фракционирования 121

4.2 Внутренние характеристики процесса кипения реактивных и моторных топлив с учетом фракционирования 124

4.3 Теплообмен при кипении моторных и реактивных топлив с учетом их фракционирования 134

4.3.1 Сравнение опытных данных с уравнением Д.А.Лабунцова 135

4.3.2 Исследование теплоотдачи при кипении моторных и реактивных топлив с учетом процесса фракционирования 141

4.4 Моделирование процесса роста парового пузырька 145

4.5 Выводы к четвертой главе 152

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОКСООТЛОЖЕНИЙ НА ПРОЦЕСС ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ РЕАКТИВНЫХ И

МОТОРНЫХ ТОПЛИВ И МАСЕЛ 154

5.1 Влияние коксоотложений на теплообмен при кипениии 154

5.1.1 Моделирование процесса теплообмена между греющей поверхностью и паровым пузырьком 159

5.1.2 Исследование теплоотдачи с учетом коксоотложений 167

5.2 Кинетика образования кокса 171

5.3 Выводы к пятой главе 175

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 176

ПРИМЕЧАНИЕ 179

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 181

ПЕРЕЧЕНЬ АКТОВ ВНЕДРЕНИЙ И ДРУГИХ ДОКУМЕНТОВ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ОСВОЕНИЮ РАЗРАБОТОК ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 194

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

р', р"

и,

v

АТ = Т - Тс

Ла =

ст

q

с'р'ЛТ

гр

» !

я.

Ре. =

д и»

г-р"-а'

]Чи = а1Г IX

а,а

- плотности жидкой и паровой фаз;

- характерная скорость;

- кинематическая вязкость;

- температурный напор;

- удельная теплота парообразования;

- поверхностное натяжение;

- плотность теплового потока;

- число Якоба, характеризующее скорость роста парового пузырька

- масштабный зародышевый размер;

- число Пекле, характеризующее соотношение между движением жидкости, обусловленным процессом парообразования и температуропроводностью жидкой фазы

- число Нуссельта;

- температура кипения топлива;

- исходная температура кипения топлива.

коэффициенты температуропроводности жидкой и паровой фаз топлив

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к проблеме повышения топливной экономичности энергетических и силовых установок, работающих на углеводородных топливах неуклонно возрастает во всех промышленно развитых странах. Решение этой проблемы может быть осуществлено путем увеличения хладоресурса и удельной работоспособности углеводородных топлив и реализации их в термодинамическом цикле установок.

Моторные и реактивные топлива и масла представляют собой наиболее подходящий теплоноситель в силовых и энергетических установках летательных аппаратов, использование которого позволяет обеспечить требуемый температурный режим элементов конструкции. В настоящее время эти топлива и масла используются для охлаждения лишь в жидкой фазе, что весьма ограничивает реализуемый хладоресурс (< 600 кДж/кг). Существенное увеличение возможностей охлаждения (увеличение хладоресурса до 1000 кДж/кг) может быть достигнуто за счет увеличения предельных температур нагрева топлив и учета теплоты парообразования. Кипение топлив может иметь место как в баках высокоскоростных летательных аппаратов (ЛА), так и в топливно-воздушных, топливно-газовых теплообменниках и каналах регенерирующего охлаждения. Кипение масел может происходить в условиях охлаждения и смазки газотурбинных и турбопоршневых двигателей, при этом процессы кипения топлив и масел могут протекать как при почти неизменном фракционном составе системы, так и в условиях фракционирования с отгоном более легких фракций. Аналогичные процессы имеют место в аппаратах нефтеперерабатывающей промышленности.

Проблема использования кипящих топлив и масел в силовых энергетических и технологических установках требует решения ряда задач, среди которых ключевой является определение закономерностей теплообмена в условиях кипения.

Актуальность темы

Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической проблемы - обеспечить эффективное использование моторных и реактивных топлив и масел в высоконапряженных силовых, энергетических и технологических установках.

Исследования носят межотраслевой характер и проведены в соответствии с Координационным планом НИР Академии наук по комплексной проблеме «Теплофизика и энергетика» на 1986-1990 гг. (разделы 1.9.1.3., 1.9.1.9., 1.9.1.10.); Межотраслевых программ «Химическая регенерация тепла для повышения экономичности, надежности и экологической чистоты силовых и транспортных средств» и «Разработка и исследование углеводородных топлив с целью повышения эффективности процессов сгорания и снижения загрязненности окружающей среды»; темы «Федерация - МАП» на 1991-1995 гг. комплексной программы Минвуза РСФСР «Человек и окружающая среда», а также по договорам с ЦИАМ им. П.И.Баранова.

Цель работы

Целью работы является разработка научных основ применения процессов кипения моторных и реактивных топлив и масел для обеспечения эффективного их использования в силовых, энергетических и технологических установках. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

- исследовать особенности теплоотдачи при кипении моторных и реактивных топлив и масел в условиях естественной конвекции как при исходном фракционном составе, так и при их фракционировании;

- исследовать влияние коксоотложений на теплоотдачу при кипении моторных и реактивных топлив и масел;

- сформировать математические модели процессов кипения моторных и реактивных топлив и масел, разработать методы расчета этих процессов и получить обобщающие уравнения;

- внедрить полученные результаты в авиационную, нефтехимическую и другие отрасли экономики, а также в учебные курсы теплоэнергетической и нефтехимической специальностей ВУЗов.

Научная новизна

Научная новизна и значимость работы состоит в том, что в ней впервые комплексно исследованы процессы кипения моторных и реактивных топлив и масел, которые обладают рядом особенностей по сравнению с однокомпонентными жидкостями и бинарными смесями. Впервые учтены различия в природе нефтей, непостоянство углеводородного состава топлив и масел одной и той же марки, связанное с нефтехимическими процессами их переработки. Учтены колебания фракционного состава, и прежде всего температур начала и конца кипения, что потребовало от автора получения информации о теплофизических свойствах (ТФС) топлив и масел конкретной партии, а также ТФС определенных фракций (известные справочные данные далеко не всегда соответствовали данным, полученным автором, и в ряде случаев приводили к заметным погрешностям). Впервые учтено, что при

нагреве топлив и масел происходит снижение их термоокислительной стабильности и что в большинстве случаев приводит к образованию кокса на стенках каналов, что, в свою очередь, влияет на теплотдачу.

Автором получены новые данные:

-по закономерностям теплоотдачи при кипении моторных и реактивных топлив и масел в условиях естественной конвекции как при фракционировании, так и без него;

-по закомерностям образования коксоотложений, их структуре и свойствам при кипении моторных и реактивных топлив и масел;

-по закономерностям теплоотдачи при кипении топлив и масел в условиях образования коксоотложений;

-по влиянию предварительного термоокисления при нагреве топлив и масел на закономерности теплоотдачи;

-по внутренним характеристикам процесса кипения топлив и

масел.

Предложены новые соотношения для расчета теплоотдачи с учетом коксоотложений при кипении топлив и масел в условиях естественной конвекции.

Практическая ценность

Результаты работы послужили основой для создания в ЦИАМ:

-методик расчета систем охлаждения двигателей посредством кипящих топлив и масел;

-методик расчета ресурса элементов двигателей, охлаждаемых кипящими топливами, в условиях образования коксоотложений;

-методик расчета теплового состояния топливных баков ЛА в условиях интенсивного наружного нагрева и выкипания легких фракций топлива.

-на основе вышеперечисленных методик расчета произведена реконструкция систем охлаждения авиационных двигателей, учитывающая уточненные данные по ТФС фракций моторных и реактивных топлив.

Реализация основных положений диссертации

Материалы работы внедрены:

-в Центральном институте авиационного моторостроения в комплексе работ по повышению охлаждающей способности реактивных топлив в условиях фазовых превращений;

-в АО «Оргсинтез» при проектировании теплообменного и закалочно-испарительного оборудования по переработке нефтепродуктов;

-в учебных курсах авиадвигателестроительной, теплоэнергетической и нефтехимической специальностей вузов (МГФТУ, КГТУ, МАИ и др.).

Достоверность полученных данных

Достоверность полученных данных по теплообмену и коксоотложениям при кипении топлив и масел обеспечивалось применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения и обработки данных, анализом точности измерений, повторяемостью результатов, а также воспроизводимостью результатов по теплоотдаче при кипении однокомпонентных жидкостей и бинарных смесей и применением

статистических методов оценки погрешностей и обработки экспериментальных данных.

На защиту выносится

Автор защищает новые результаты теоретических и экспериментальных исследований кипения многокомпонентных жидкостей, методик расчета теплообмена при кипении моторных и реактивных топлив и масел в условиях естественной конвекции, внедрение которых в практику способствует повышению эффективности и ресурса силовых, энергетических и технологических установок, а также высокоэффективному рациональному использованию горюче-смазочных материалов (ГСМ) в технике.

Автор защищает также результаты математического моделирования процесса роста парового пузырька и теплообмена между поверхностью нагревателя и пузырьком. Результаты моделирования показали влияние изменения теплопроводности материала нагревателя, вследствие коксоотложений, на процесс теплообмена.

Апробация работы

Основные результаты доложены на научно-технических конференциях, в т.ч. на:

-научно-технических конференциях КХТИ (Казань 1973 -1993 гг., 1998г.);

-II Межотраслевой научно-технической конференции по проблеме химической регенерации тепла в летательных аппаратах и силовых установках (Москва 1991 г.);

-II Минском международном форуме по тепломассообмену (Минск 1991 г.);

-научно-технической конференции «Экологическая защита городов » (Москва 1996 г.);

-11 международном симпозиуме по физике кипения и конденсации (Москва 1997 г.).

- 3 International Workshop "Transport phenomena in Two-Phase Flows", Bulgaria, -1998.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе 4 монографии.

Список научных трудов автора

1.Т.Н.Шигабиев, Ф.М.Галимов. Теплоотдача при кипении углеводородных топлив в условиях естественной конвекции// Инженерно-физический журнал.-1995.-т.68.-№3.-С.438-443.

2.Ф.М.Галимов, Т.Н.Шигабиев, А.Г.Усманов. Теплообмен при кипении реактивных топлив в условиях естественной конвекции.// В сб.Тепло- и массообмен в химической технологии.- Казань.-1991.-С.14-21.

3.Т.Н.Шигабиев, Ф.М.Галимов. Кипение смесей. Казань.-1994,- 134с.

4.Т.Н.Шигабиев, Л.С.Яновский, Ф.М.Галимов, В.Ф.Иванов. Тепло- и массообмен при фазовых превращениях топлив и масел.-Казань,- 1995.- 58с.

б.Т.Н.Шигабиев и др. Исследование теплообмена при кипении реактивных и моторных топлив./Научно-технический отчет №1.-4,- 1992.

6.Т.Н.Шигабиев, Ш.А.Гайдаров. Теплообмен при кипении жидкостей в условиях естественной конвекции,- Казань.- 1991,-264с.

7.Т.Н.Шигабиев. Теплообмен при кипении бинарных смесей под давлением./ Автореферат дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. - Казань.-1974,- 16с.

8-Т.Н.Шигабиев, Ф.М.Галимов. Теплоотдача при кипении реактивного топлива ТС-1. .// В сб. Тепло- и массообмен в химической технологии. - Казань,- 1989.- С. 117-120.

Э.Т.Н.Шигабиев. Влияние давления на теплообмен при кипении бинарных смесей жидкостей // Инженерно-физический журнал,- 1985.-t.XLIX,- № 4,- с.679.

Ю.Т.Н.Шигабиев, Ф.М.Галимов. Обобщение опытных данных по теплоотдаче при кипении реактивных топлив // В сб. Тепло- и массообмен в химической технологии. - Казань.- 1990.

11.Ф.М.Галимов, Т.Н.Шигабиев. Влияние длительности кипения реактивного топлива ТС-1 на состояние поверхности нагрева.// В сб.Тепло-и массооб.в хим. технологии.-Казань.-1991- С.11-14.

12.Т.Н.Шигабиев, Ф.М.Галимов. Теплообмен при кипении многокомпонентных смесей углеводородов в условиях естественной конвекции.// Химическая промышленность -№11.-1992.

13.Т.Н.Шигабиев. Особенности теплообмена при кипении углеводородных топлив // В сб. Тепло- и массообмен в химической технологии. - Казань.- 1992.

14.Т.Н.Шигабиев, Ф.М.Галимов. Теплообмен при кипении реактивных топлив в диапазоне давлений 0,1-1,1 Мпа.// Промышленная теплотехника.- т.16.- №1,-1994.

1 б.Т.Н.Шигабиев, Ф.М.Галимов. Влияние процесса фракционирования на коэффициент теплоотдачи при кипении

углеводородных топлив в условии естественной конвекции// Химическая промышленность -№2.-1995.

16. Ф.М.Галимов, Т.Н.Шигабиев. Теплообмен при кипении автомобильных бензинов и дизельных топлив в условии естественной конвекции// В сб. Тепло- и массообмен в химической технологии. - Казань.- 1993.

17.Т.Н.Шигабиев, Л.С.Яновский, Ф.М.Галимов, В.Ф.Иванов. Эндотермические топлива и рабочие тела силовых и энергетических установок. - Казань.-1996,- 264с.

18.T.N.Shigabiev, F.A.Garifoullin. Influence of coke deposition on the boiling process./ Proc.3 Intern.Workshop on "Transport Phenomena in Two-Phase Flows".- Bulgaria.-1998.

1. ОСОБЕННОСТИ КИПЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ

СМЕСЕЙ

Процессы кипения моторных и реактивных топлив и масел реализуются в высокотеплонапряженных агрегатах силовых, энергетических и теплотехнических установок. Каких-либо данных по внутренним характеристикам: плотности центров парообразования, отрывном диаметре и частоте отрыва пузырей и по теплоотдаче при кипении топлив и масел, являющихся многокомпонентными неазеотропными смесями, в литературе нет, а возможность использования существующих моделей теплообмена, основанных на опытных данных при кипении однокомпонентных и бинарных жидкостей, для топлив и масел требует экспериментальной проверки. Кроме того, процессы кипения топлив и масел осложняются также и тем, что на поверхности кипения образуются коксоотложения, которые влияют на теплопередачу как за счет роста термического сопротивления стенки, так и за счет влияния на теплоотдачу посредством изменения состояния поверхности. Основным факт�