автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Теплоотдача к эмульсиям с низкокипящей дисперсной фазой

/ / / ¿/У

. Российская академия наук Уральское отделение ИНСТИТУТ ТЕПЛОФИЗИКИ

На правах рукописи УДК. 536.423.1

/

ГАСАНОВ Байрамали Мехрали оглы

ТЕПЛООТДАЧА К ЭМУЛЬСИЯМ С НИЗКОКИПЯЩЕЙ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗОЙ

Специальность 05.14.05. - теоретические основы теплотехники

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор физико-математических наук,

профессор В. Г. Байдаков

ЕКАТЕРИНБУРГ-1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................5

1. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ

1.1. Способы повышения теплоотдачи при кипении...................9

1.2. Интенсификация теплообмена за счет изменения

состава теплоносителя....................................................14

1.3. Перегретая жидкость............................................. ........22

1.4. Перегрев жидкости при ее нагреве....................................24

2. ИССЛЕДУЕМЫЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛИ

2.1 Дисперсные системы, их классификация...........................28

2.2. Способы приготовления эмульсий....................................30

2.3. Дисперсионный анализ исследуемых эмульсий..................32

2.4. Основные характеристики исследуемых эмульсий..............35

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТОВ

3.1. Исследование теплообмена при атмосферном давлении .... 37

3.1.1.Схема экспериментальной установки ........................37

3.1.2. Измеряемые величины и их погрешности..................39

3.1.3. Методика проведения опытов...................................41

3.2. Экспериментальная установка для исследования теплообмена при давлениях до 3.6 МПа............................42

3.2.1. Схема экспериментальной установки........................42

3.2.2. Рабочая камера......................................................43

3.2.3.Система создания и регулирования давления............ 44

3.2.4. Методика проведения опытов...................................46

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛООТДАЧИ В ЭМУЛЬСИЯХ 4.1. Температурная и концентрационная зависимости

коэффициента теплоотдачи.............................................48

2

4.2. Задержка начала кипения................................................55

4.3. Явление растянутого режима пузырькового кипения............57

4.4. Влияние ПАВ на теплоотдачу к эмульсиям.........................58

4.5. Особенности теплоотдачи к расслаивающемуся теплоносителю (диэтиловый эфир + вода).........................60

5. ОБОБЩЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПРИ КИПЕНИИ ЭМУЛЬСИЙ С НИЗКОКИПЯЩЕЙ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗОЙ 5.1. Методы расчета коэффициента теплоотдачи, плотности

теплового потока и критических плотностей теплового потока

при пузырьковом кипении жидкостей................................65

5.1.1. Теплоотдача и плотность теплового потока................65

5.1.2. Кризис кипения.......................................................72

5.2. Модель пузырькового кипения эмульсии с низкокипящей дисперсной фазой..........................................................76

5.3. Описание процесса теплоотдачи при кипении эмульсий в рамках метода размерностей...........................................78

5.4. Критериальное уравнение для коэффициента теплоотдачи..................................................................83

5.5. Описание теплообмена с использованием условия баланса тепловых потоков...........................................................86

5.5.1. Плотность теплового потока при пузырьковом кипении эмульсий.......................................................................86

5.5.2. Кризис пузырькового кипения в эмульсиях................92

5.6. Выводы .........................................................................94

6. РАСЧЕТ ПРЕДПОЛАГАЕМОГО ЭКОНОМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭМУЛЬСИЙ В КАЧЕСТВЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ТИРИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ 6.1. Система охлаждения тиристорного преобразователя.........96

6.2. Расчет повышения номинальной мощности преобразователя

при использовании эмульсии в качестве охлаждающей

среды............................................................................99

6.3. Расчет экономии электроэнергии на прокачивание

теплоносителя через систему охлаждения тиристорного преобразователя.......................................................... 101

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................... 106

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................... 109

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................ 121

ВВЕДЕНИЕ

При проектировании теплообменных аппаратов принципиальным моментом является выбор метода интенсификации теплообмена. Наиболее часто используются такие методы как оребрение теплоот-дающей поверхности, нанесение на них пористых покрытий, введение различных турбулизаторов потока и др. Большинство из перечисленных методов связано с дополнительной обработкой поверхности теплообмена. К числу методов интенсификации теплообмена не требующих изменения конфигурации теплоотдающей поверхности можно отнести воздействие на пограничный теплопередающий слой электрическим или ультразвуковым полями, радиоактивным излучением, введение в теплоноситель различных добавок. Генерация в теплоносителе электрических и ультразвуковых полей требует установки в теплообменнике дополнительной аппаратуры. При введении в жидкий теплоноситель добавок такой необходимости нет. В качестве добавок используются растворимые и нерастворимые в теплоносителе жидкие и газообразные вещества. Введение добавок приводит к изменению те-плофизических свойств теплоносителя, прежде всего его вязкости и поверхностного натяжения, а также к образованию дополнительных центров кипения.

Принципиально иной подход к решению проблемы интенсификации теплоотдачи к жидкому теплоносителю связан с введением в него нерастворимой низкокипящей жидкости и образование из полученной смеси эмульсии, причем внутренней, дисперсной фазой в этой эмульсии является вводимая добавка [1]. При нагреве эмульсии капельки дисперсной фазы перегреваются в дисперсионной среде и вскипают не только на поверхности нагревателя, но и в прилегающем тепловом пограничном слое, чем дополнительно турбулизируют пограничный

слой теплоносителя и повышают интенсивность теплоотдачи. Уже при малых концентрациях дисперсной фазы (~ 0.1 об. %) наблюдается существенная интенсификация теплоотдачи. Кроме того, введение низкокипящей жидкости расширяет температурный интервал пузырькового кипения теплоносителя.

Для практического использования предлагаемого способа необходимо подобрать жидкости пригодные в качестве добавок, а также определить интервалы концентраций, температур и давлений, в которых проявляется эффект интенсификации теплоотдачи. Решению этих взаимосвязанных задач посвящена настоящая работа.

Цель работы: экспериментальное исследование теплоотдачи к эмульсиям с низкокипящей дисперсной фазой, выбор оптимальных режимов теплообмена, выработка рекомендаций по практическому использованию исследованных эмульсий.

Научная новизна:

- для интенсификации теплообмена предложено использовать эмульсии, в которых дисперсная фаза имеет температуру кипения более низкую, чем дисперсионная среда;

- найдены режимы теплообмена, которые характеризуются существенно большим температурным интервалом пузырькового кипения по сравнению с чистыми теплоносителями;

- экспериментально исследована теплоотдача для ряда теплоносителей, представляющих собой эмульсии с низкокипящей дисперсной фазой, и определены режимы теплообмена, при которых коэффициент теплоотдачи а в 1.2 - 4.0 раза превышает значения, наблюдаемые при работе с чистыми теплоносителями;

- изучено влияние поверхностно-активных веществ (ПАВ) на интенсивность теплоотдачи к эмульсиям;

- предложена модель пузырькового кипения эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой, на основе которой получены расчетные уравнения для коэффициента теплоотдачи, плотности теплового потока и критической плотности теплового потока;

- выполнена критериальная обработка результатов исследования коэффициента теплоотдачи к эмульсиям в режиме пузырькового кипения.

Практическая ценность:

- полученные экспериментальные данные и расчетные соотношения по теплоотдаче к эмульсиям с низкокипящей дисперсной фазой могут быть использованы при проектировании теплообменных аппаратов с жидкостной системой охлаждения.

Диссертация состоит из пяти глав. Первая глава содержит обзор литературы по методам интенсификации теплообмена при кипении, а также краткие сведения о явлении перегрева жидкости.

Во второй главе описаны способы приготовления эмульсий и приводятся основные характеристики выбранных для исследования теплоносителей.

Третья глава посвящена описанию конструкций двух экспериментальных установок и методики измерения коэффициента теплоотдачи.

В четвертой главе представлены результаты исследования теплоотдачи от тонких проволок к чистым жидкостям (ПЭС-5, вода, диэти-ловый эфир) и к эмульсиям (вода/ПЭС-5, вода/ПМС-300, хладон-113/вода) при атмосферном давлении, а также к эмульсии диэтиловый эфир/вода при давлениях от 0.1 до 3.5 МПа.

В пятой главе описаны известные и предложенная нами модели процесса пузырькового кипения, приводятся уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи, плотности теплового потока и критической плотности теплового потока при пузырьковом кипении эмульсий с

низкокипящей дисперсной фазой. Здесь же дана критериальная обработка полученных экспериментальных данных.

В шестой главе представлены результаты расчета эффективности использования эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой в системе охлаждения тиристорных преобразователей.

1. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ

1.1. Способы повышения теплоотдачи при кипении

Одним из важнейших требований к теплообменным аппаратам и устройствам является большая величина теплосъема при малой массе и габаритах. Эффективный путь достижения этого требования - интенсификация теплообмена и в частности теплообмена при кипении. Наиболее распространенными методами интенсификации теплообмена являются оребрение поверхности; применение турбулизаторов потока; нанесение на поверхность различных покрытии, таких как металлические сетки, плазменное напыление; увеличение скорости обтекания поверхности теплоносителем; воздействие на пограничный слой электрическим или ультразвуковым полями, радиоактивным излучением.

Оребренные поверхности широко используются для интенсификации теплообмена при кипении. Они позволяют увеличить коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении, или, что то же самое, увеличить плотность теплового потока, снимаемого кипящей жидкостью. Для увеличения коэффициентов теплоотдачи ребрам придается такая форма, чтобы жидкость находящаяся в межреберных зазорах была максимально перегрета. Это облегчает процесс вскипания жидкости при низких температурных напорах. Удаление пара из межреберных зазоров затруднено. С отрывающимися пузырьками пар лишь частично уходит из межреберного зазора. Поэтому сразу после вскипания в межреберном зазоре формируется устойчивый паровой объем, который стабилизирует процесс парообразования при низких температурных напорах [2].

В промышленности наибольшее распространение получили оребренные поверхности типа "СЕ\Л/А-Т". В работе [3] исследовалась интенсификация теплоотачи при кипении воды в большом объеме на модифицированной поверхности "ОЕ\А/А-Т". Модифицированная поверхность "вЕША-Т" это поверхность с Т - образными ребрами, пространство между которыми заполнено пористым материалом. Опытная поверхность имела 740 ребер на один метр длины. При ц = 80 кВт/м2 теплоотдача на модифицированной поверхности "ОВЛ/А-Т" в 1.5 раза выше по сравнению с обычной поверхностью "ОЕУУА-Т" и 2.3 раза - по сравнению с гладкой поверхностью.

В работе [4] приведены данные по теплообмену при кипении хладонов на гладкой и оребренной поверхностях. Ширина межреберного зазора § изменялась от 0.33 до 1.7 мм, высота прямоугольного ребра составляла 2 мм, толщина 1мм. При пузырьковом режиме кипения теплообмен на оребренных поверхностях в 2 - 4 раза интенсивнее, чем на гладкой поверхности.

Возникновение пленочного кипения на оребренной поверхности не сопровождается резким скачком температуры поверхности, как это происходит при кипении на гладкой поверхности. Объясняется это тем [4,5], что имеет место заметная область изменения теплового потока, когда пленочный и пузырьковый режим кипения устойчиво сосуществуют на поверхности ребра.

В ряде работ [4-7] исследовалось влияние ширины межреберной впадины на интенсивность теплообмена. На поверхностях с малым расстоянием между ребрами (до 1.5 мм) теплообмен при пузырьковом режиме кипения протекает существенно интенсивнее. Предельные значения тепловых потоков намного меньше, чем при кипении на поверхностях с большим расстоянием (свыше 2мм) между ребрами.

Для охлаждения поверхности с успехом используется сочетание оребрения с нанесением на ребра покрытий с низкой температуропроводностью. Такие ребра называются неизотермическими [8]. За счет снижения температуры стенок ребер, по сравнению с температурой основания, на части поверхности ребер удается получить переходное и пузырьковое кипение с большим коэффициентом теплоотдачи.

Одним из перспективных методов интенсификации теплообмена является применение турбул и заторов, выполненных в виде накатанных труб [9-15]. Технология изготовления таких труб достаточно проста. На наружной поверхности трубы накаткой наносятся периодически расположенные кольцевые канавки. Это приводит к тому, что на внутренней стороне трубы образуются кольцевые диафрагмы с плавной конфигурацией. Кольцевые диафрагмы и канавки турбулизируют поток в пристенном слое и обеспечивают интенсификацию теплообмена снаружи и внутри труб. Основным недостатком накатанных труб является то, что при протекании теплоносителя в таких трубах, за счет уменьшения внутреннего диаметра, увеличивается гидравлическое сопротивление [11].

В работе [13] приведены данные по интенсификации теплообмена при течении масла в накатанной трубе. Согласно [13] средняя теплоотдача от накатанной трубы на 25 - 37 % выше, чем от гладкой, причем разница тем сильнее, чем больше глубина канавок и чем меньше шаг их размещения.

Использование накатанных труб выгодно отличается от других методов интенсификации: не изменяет существенно технологию сборки теплообменных аппаратов, позволяет достичь двухсторонней интенсификации. Такие трубы применимы в стандартных пучках, так как наличие канавок не влияет на наружный диаметр труб.

Для интенсификации теплообмена часто применяются пористые покрытия. В качестве таких покрытий используют металлические сетки [16], плазменное напыление на теплоотдающую поверхность другого материала [17, 18]. Объединяющим столь разнородные покрытия являются два обстоятельства: размер характерной элементарной ячейки (поры) много меньше размеров тела или аппарата, но элементарные ячейки взаимодействуют в гидравлическом и тепловом отношениях. Интенсификация теплообмена в пористых структурах происходит за счет турбулизации потока в пористом теле, существенного увеличения площади теплоотдающей поверхности и вследствие инициирования большого числа (по сравнению с гладкой поверхностью) центров кипения [19,23].

Пористые покрытия получили распространение в аппаратах с естественной конвекцией или с естественной циркуляцией, где их применение не сопровождается увеличением мощности на прокачку теплоносителя.

Интенсифицировать теплообмен можно воздействуя на жидкость вибрацией, ультразвуком, электрическим полем. Вибрация жидкости приводит к возникновению струйных пульсирующих течений и сопровождается утоньшением теплового пограничного слоя на охлаждаемой поверхности. Следствием такого воздействия будет рост коэффициентов теплоотдачи.

В работе [24] показано, что наиболее сильно вибрация жидкости сказывается на интенсивности теплоотдачи при пленочном кипении и на начальном участке пузырькового кипения. При этом достаточно мало интенсифицируется режим развитого пузырькового кипения.

При высоких плотностях теплового потока, когда на поверхности нагрева существует достаточно протяженные участки нестабильных и стабильных паровых пленок, наблюдается значительная интенсифи-

кация теплоотдачи при вибровоздействии на теплоноситель. Рост коэффициента теплоотдачи при пленочном кипении обусловлен значительным утоньшением паровой пленки и ее разрушением под действием вибрации жидкости над поверхностью нагрева [24, 25].

В работе [26] показывается, что ультразвуковая вибрация в насыщенной жидкости снижает интенсивность кипения, а в недогретой жидкости - улучшает кипение. Критическая плотность теплового потока при кипении как насыщенной, так и недогретой жидкости под воздействием вибрации возрастает слабо.

Электрические поля также интенсифицируют теплообмен при кипении [27-29]. Интенсификация связана с изменением гидродинамики потоков, при этом существуют различные механизмы воздействия электрического поля на теплообмен. Основное влияние электрического поля на процесс кипения связано, во первых, со стягиванием "сухих" пятен поверхностными электрогидродинамическими сила�