автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Теплоотдача при кипении вакуумных масел в условиях работы пароструйных насосов

ВВЕДЕНИЕ.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЙ.II

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА.

ПРИ КИПЕНИИ 2ВДКОСТЕЙ В ВАКУУМЕ.

1.1. Особенности пузырькового кипения жидкостей в условиях вакуума.

1.2. Влияние материала и толщины поверхности нагрева на теплоотдачу при кипении жидкостей.

1.3. Влияние уровня жидкости над поверхностью нагрева на теплоотдачу при кипении. л.

Выводы.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ.

2.1. Основные задачи исследования.

2.2. Обоснование выбора и характеристика исследуемых жидкостей. .V.

2.3. Описание экспериментальных установок и методики измерений.

2.3.1, Установка для исследования теплоотдачи при кипении на горизонтальных трубках и методика измерений.

2.3.1.1. Описание экспериментальной установки.

2.3.1.2« Методика измерений.

2.3.2. Установка для исследования теплоотдачи при кипении на плоской горизонтальной поверхности и методика измерений.

2.3.2.1. Описание экспериментальной установки.

2.3.2.2. Методика измерений.

2.3.3. Установка для исследования теплоотдачи в условиях работы серийного диффузионного ва -куумного насоса и методика измерений.

2.3.3.1. Описание экспериментальной установки.

2.3.3.2. Методика измерений.

2.3.3.3. Визуальное наблюдение за процессом кипения в диффузионном вакуумном насосе. •.

2.4. Проведение пробных измерений.

2.5. Оценка погрешностей измерений и обработка экс -периментальных данных.

2.5.1. Обще положения. •. •.

2.5.2. Оценка погрешности измерения коэффициента теплоотдачи плоских поверхностей при кипении.

2.5.3. Оценка погрешности измерения коэффициента теплоотдачи при кипении на трубках.

2.5»4. Анализ результатов расчета.

2.5.5. Математическая обработка результатов экспе риментов.•.

Выводы.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ 0БСУ2ЩЕНИЕ.

3.1. Теплоотдача при кипении вакуумных масел на горизонтальных трубках.

3.1.1. Зависимости коэффициента теплоотдачи при ки -пении вакуумных масел от плотности теплового потока.

3.1.2. Влияние давления на процесс кипения вакуумных масел.

ЗД.2.1. Визуальные наблюдения процесса кипения.

3.1.2.2. Кривые кипения вакуумных масел.

3.1.2.3. Зависимость интенсивности теплоотдачи при кипении вакуумных масел от давления. Ю

ЗД.2.4. Некоторые аспекты механизма пузырькового кипения вакуумных масел.

3.1.3. Влияние материала поверхности нагрева на теплоотдачу при кипении вакуумных масел.». 1X

3.1.4. Расчетные соотношения для определения интен -сивности теплоотдачи при кипении вакуумных масел на горизонтальных трубках*.

3.2. Исследование теплоотдачи при кипении на плоской горизонтальной поверхности.

3.2.1. Зависимости коэффициента теплоотдачи при кипе нии от плотности теплового потока.1. Х

3.2.2. Влияние давления на теплоотдачу при кипении вакуумных масел. .V.

3.2.2.1. Визуальные наблюдения цроцесса кипения.

3.2.2.2. Влияние уровня жидкости над поверхностью нагрева на интенсивность теплоотдачи при кипении вакуумных масел.

3.2.3. Влияние материала поверхности нагрева на теп -лоотдачу при кипении на горизонтальной плоской поверхности. • . ••••• • •

3.2.4. Расчетные соотношения для определения интен -сивности теплоотдачи при кипении вакуумных масел на плоской горизонтальной поверхности нагрева.

3.3. Экспериментальное исследование теплообмена в кипятильнике диффузионного вакуумного насоса.

3.3.1. Результаты исследования интенсивности теплоотдачи в разных зонах кипятильника насоса.1.

3.3.2. Влияние материала греющей поверхности на теплообмен и рабочие характеристики насоса.•••.••••.

3.3.3. Сравнение результатов измерения интенсивности теплообмена в кипятильнике насоса и на плоской горизонтальной поверхности.• •••. • .*

3.3.4. Визуальные наблюдения за процессом кипения в насосе.•.

3.3.5. Зависимости для расчета интенсивности теплоотдачи в диффузионном вакуумном насосе.

Выводы.

Интенсивное развитие вакуумной техники, сфера применения которой непрерывно расширяется, вызывает необходимость даль -нейшего совершенствования средств создания высокого и сверх -высокого вакуума» Наиболее широкое распространение среди них получили пароструйные вакуумные насосы, предназначенные для получения и поддержания в различных откачиваемых объектах остаточных давлений от I до 10Па* Это связано с целым рядом их достоинств, таких как исключительная простота конструкции, малая трудоемкость изготовления, низкая стоимость, высокая надежность работы и практически неограниченный срок службы. Тем не менее до настоящего времени отсутствуют сведения о теплообмене в кипятильнике пароструйных насосов, поэтому при их проектировании тепловые расчеты производятся весьма цриб -лиженно.

Кипение вакуумных масел в кипятильнике, являющееся одним из основных рабочих процессов в пароструйных вакуумных насо -сах, происходит при давлениях 50*2000 Па*1 Число работ, посвященных исследованию процесса кипения жидкостей при столь низких давлениях, невелико;1 Теплообмен же при кипении вакуумных жидкостей в условиях работы пароструйных насосов ранее не изучался. Поэтому исследование теплоотдачи при кипении ваку -умных масел имеет большое значение;

Область низких давлений привлекает в настоящее время внимание исследователей процесса кипения. Достаточно отметить, что большинство работ, посвященных кипению в вакууме выполнено в последние 15 лет; Возрастающий интерес исследователей к этой области связан не только с потребностями ряда отраслей промышленности, в которых используется кипение при давлениях, суще -ственно ниже атмосферного. Это связано и с тем, что первые исследования кипения жидкостей в вакууме показали, что со снижением давления происходит не простое уменьшение интенсивности теплообмена, но сам процесс кипения приобретает качественно новые особенности по сравнению с кипением в условиях атмосферного давления; Со снижением давления из-за увеличения критического радиуса парового пузырька создаются значительные труд -ности в образовании паровой фазы на поверхности нагрева, что приводит к существенному изменению внутренних характеристик процесса кипения - скорости роста, отрывного диаметра, частоты отрыва паровых пузырьков и др.

При этом растягивается переходный режим кипения, характеризующийся неустойчивостью, нестабильностью цроцесса парообразования и нестационарностью теплообмена;' Закономерности кипе -ния жидкостей в. переходном режиме в настоящее время исследованы еще недостаточно; Поэтому изучение процесса кипения в переходном режиме в условиях низких давлений, дальнейшее накопле -ние экспериментальных данных в этой области представляет большой самостоятельный интерес;

В связи со всем вышесказанным основными задачами данной работы являлись экспериментальное исследование кипения вакуумных масел в условиях работы пароструйных насосов, которое в основном осуществляется в переходном режиме, изучение влияния-некоторых факторов, таких как теплофизические свойства материала поверхности нагрева и уровня жидкости над ней на этот процесс и исследование теплообмена в кипятильнике серийного диффузионного вакуумного насосав

Проведение исследований было соцряжено с рядом трудное -тей, связанных с весьма низкими для этого процесса давлениями, при которых цроводились опыты; Протекание цроцесса кипения вакуумных масел в переходном режиме,4 вследствие нестационарности теплообмена создавало определенные сложности при проведении измерений и обработке опытных данных. Кроме того, исследованные вакуумные масла представляют собой сложные многокомпонентные смеси, закономерности теплообмена при кипении которых отличаются от таковых при кипении чистых жидкостей,

В качестве объектов исследования использовались вакуумные масла ВМ-1, ВМ-5 и ВМ-3, как наиболее широко распространенные в качестве рабочих жидкостей большинства диффузионных и бус -терных вакуумных насосов»

В результате исследований получены экспериментальные данные по теплоотдаче при кипении указанных вакуумных масел на горизонтальных трубках, плоских поверхностях, изготовленных из разных материалов, и непосредственно в кипятильнике диффузионного вакуумного насоса типа Н250/2500;

Обнаружены интересные особенности кипения вакуумных масел в переходном режиме;1

Отмеченные выше особенности кипения масел в условиях вакуума не позволили цровести обобщение экспериментальных дан -ных по теплоотдаче по существующим критериальным уравнениям.1 По результатам исследования предложены расчетные соотношения для определения интенсивности теплоотдачи при кипении вакуумных масел в диапазоне рабочих давлений и тепловых натрузок в пароструйных вакуумных насосах;,'

Полученные результаты были использованы при анализе эффективности работы существующих и проектировании новых конструк -ций пароструйных вакуумных насосов на Казанском производственном объединении "Вакууммаш", что подтверждается справкой об использовании результатов, приложенной в конце диссертации;

Исследования проводились в соответствии с координационным планом АН СССР на 1981-1985 г.®.1 по проблеме 1.9; "Теплофизи -ка" раздел 1.9.1.6. Тепло- и массообмен при двухфазных тече -ниях, при кипении и конденсации.

Настоящая работа состоит из трех глав и приложения. Пер -вая глава посвящена обзору и критическому анализу теоретиче -ских и экспериментальных работ по исследованию процесса кипе -ния жидкостей в условиях вакуума, а также работ, посвященных изучению воцросов влияния толщины, теплофизических свойств материала поверхности нагрева и уровня жидкости над ней на теп -лоотдачу при кипении. Показано наличие противоречивых сведений по влиянию уровня жидкости на теплоотдачу при кипении в вакууме, а также отсутствие работ по исследованию процесса кипения вакуумных масел в условиях работы пароструйных насосов; Во второй главе поставлены основные задачи исследования, опи -саны экспериментальные установки по изучению цроцесса кипения вакуумных масел на тонкостенных трубках, плоской горизонталь -ной поверхности нагрева и непосредственно в кипятильнике се -рийного диффузионного вакуумного насоса? Приведена методика проведения опытов и сделана оценка погрешности экспериментов;

В третьей главе анализируются полученные эксперименталь -ные данные«' Обсуждаются воцросы влияния давления, материала теллоотдающей поверхности, уровня кипящей жидкости на тепло отдачу при кипении вакуумных масел, а также особенности теплообмена в кипятильнике серийного диффузионного вакуумного насоса. По результатам исследования сделаны выводы и даны рекомендации.

В приложении приведены теплофизические свойства иссле -дованных масел, таблицы с опытными данными и справка о внедрении полученных результатов.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю профессору Усманову Айтугану Гарифовичу и доценту Хайруллину Ирику Хафизовичу за повседневную помощь и ценные советы при выполнении работы.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Аг - критерий Архимеда; Ср - изобарная теплоемкость; ^ - частота отрыва паровых пузырьков; & - энергия Гиббса;

К - высота слоя жидкости над поверхностью нагрева; N11* - модифицированный критерий Нуссельта для кипения; Р - давление;

Р|, - давление, равное суше гидростатического давления столба жидкости и внешнего давления в системе;

- давление на входном сечении диффузионного вакуум -ного насоса;

- критерий Прандтля;

- плотность теплового потока;

Кр - критическая плотность теплового потока; Ре* - модифицированный критерий Рейнольдса. для кипения й Кр - критический радиус парового пузырька; Ъ - теплота парообразования;

- быстрота действия вакуумного насоса;

- температура; Р 5 Т т, ук - температура жидкости; н - температура насыщения; т.

Тех - температура поверхности нагрева; дТ - температурный напор;

- число Якоба; 2 - число центров парообразования; 0( - коэффициент теплоотдачи;

5 - толщина стенки поверхности нагрева; Л - коэффициент теплопроводности;

- плотность;

- коэффициент кинематической вязкости;

6 - коэффициент поверхностного натяжения.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ ЖИДКОСТЕЙ В ВАКУУМЕ

В данной главе рассматриваются особенности процесса кипения жидкостей в вакууме, сделан обзор имеющихся работ по этой теме. Проведен анализ теоретических и экспериментальных работ, посвященных вопросам влияния теплофизических свойств материа -ла, толщины поверхности нагрева и уровня жидкости над ней на теплоотдачу при кипении в условиях атмосферного и пониженных давлений.

Выводы

1. Впервые получены экспериментальные данные по теплоотдаче при кипении вакуумных масел ВМ-1, ВМ-3 и ВМ-5 в диапазоне давлений 0,067-5,6 кПа, плотностей теплового потока 5-130 кВт/ м2, уровней жидкости 5-55 мм на горизонтальной трубке »плоской поверхности, и в серийном диффузионном вакуумном насосе Н250/ 2500 на двух материалах греющей поверхности /12Х18Н10Т и Сталь 20/. Эти данные могут быть использованы при расчете и проектировании пароструйных вакуумных насосов;

2. Кипение вакуумных масел в диапазоне рабочих давлений и тепловых нагрузок пароструйных вакуумных насосов полностью осуществляется в переходном режиме, который характеризуется неустойчивостью кипения, паузами в процессе парообразования, значительными колебаниями температуры поверхности нагрева и нестационарностью цроцесса теплообмена.

3.' Обнаружено существование двух режимов неустойчивого кипения вакуумных масел, названных как "режим периодических вскипаний" и "режим изолированных пузырей". Каждому из них соответствует свой уровень интенсивности теплообмена.1

4. Опыты подтвердили тлеющиеся теоретические положения о вырожденки влияния теплофизических свойств материала поверх -ности нагрева на теплоотдачу при кипении в условиях низких давлений;

5; Влияние уровня жидкости на интенсивность теплообмена при кипении в вакууме наблюдается в условиях, когда гидроста -тическое давление столба жидкости соизмеримо с внешним давлением в системе. Получена эмпирическая зависимость, учитываю -щая это влияние;

6. Интенсивность теплообмена и рабочие характеристики насоса при использовании двух материалов днища с существенно отличающимися теплофизическими свойствами оказались одинаковыми. Поэтому с позиций условий теплообмена использование легированных сталей для изготовления днища цредставляется нецелесообразным;

7. Теплообмен в диффузионном насосе имеет свои особен -ности, связанные с конструктивным оформлением днища кипятильника, В частности, наличие узких кольцевых зазоров в местах посадки лабиринтных колец создает благоприятные условия для зарождения паровой фазы на поверхности нагрева и улучшает теплообмен. Последнее указывает на возможность интенсификации теплообмена в кипятильниках пароструйных вакуумных насосов.

8. Исследованные вакуумные масла являются сложными многокомпонентными смесями, а процесс их кипения в основном происходит в переходном режиме; Поэтому в настоящее время получить обобщающе соотношения для описания теплообмена не представ -ляется возможным.1

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленной программой проведено исследование теплообмена при кипении ряда вакуумных масел;1 В опытах реализованы режимные параметры, соответствующие условиям работы пароструйных вакуумных насосов (диффузионных и бустерных) ♦ На двух модельных установках и на серийном диффузионном насо -се, приспособленном для выполнения необходимых измерений, по -лучен большой объем опытных данных,1 Этот экспериментальный материал может быть использован при расчете и проектировании новых перспективных средств создания вакуума;' В частности, дан -ные, полученные при кипении на горизонтальной трубке, могут использоваться для расчета теплообмена при нагреве ТЭНами, погруженными непосредственно в рабочую жидкость насосов;' Эти же данные можно рекомендовать для расчета теплоотдачи от наг -ревателей бустерного насоса;

Особенности процесса кипения в диффузионном насосе, свя -занные с созданием благоприятных условий для образования паровых пузырьков в местах установки лабиринтных колец, указывают на возможность искусственно интенсифицировать процесс теплообмена;1 Если учесть, что кипение вакуумных масел в основном происходит в переходном режиме, для которого характерны низкие коэффициенты теплоотдачи, то переход в режим стабильного пузырькового кипения может позволить значительно улучшить теплообмен;

Необходимо учесть, что в условиях интенсивного теплооб -мена снижается температурный напор, создаваемый нагревателем в номинальном режиме работы насоса, что в свою очередь позволяет уменьшить тепловые потери и продлить срок работы масла за счет более медленного термического разложения.

Нельзя исключать также, что информация по условиям теплообмена может способствовать созданию новых конструктивных ре -шений.

Рассмотренные в работе две характерные формы образования паровых пузырей в переходном режиме кипения указывают на су -шествование определенных закономерностей и в этом режиме; Возможно, что их дальнейшее изучение позволит получить отсутст -вующие в настоящее время расчетные соотношения по коэффициентам теплоотдачи для этой области.

Результаты исследований переданы заинтересованной организации - Казанскому научно-производственному объединению "Ва -кууммаш" и в настоящее время уже используются в инженерной практике.1

1. Лабунцов Д.А; Теплообмен при пузырьковом кипении жидкости; - Теплоэнергетика, 1959, J& 12, с.19-26.2, Мамонтова H.H. Кипение некоторых жидкостей при пониженных давлениях;1 Журнал ПМТФ, 1966, № 3, с.140-144.

2. Ягов В.В., Городов А.К. , Лабунцов Д.А; Экспериментальное исследование теплообмена при кипении жидкостей при пони -женных давлениях в условиях свободного движения. ИФ1, 1970, т.18, № 4, c.624-630.f

3. Орлов В.К. , Савельев В;Н; Интенсификация теплообмена при кипении криогенных жидкостей при давлениях ниже атмосфер -ного. Теплоэнергетика. 1980, J& 4, с.62-64.

4. Pazt Ц, lntlofIa.JU.TzQ,nsfe?r(966)ü'9lp9954ok6.15; Jt.Z.Po ntez a not С.?. 3faLgh.Sou.not emission and ieat tzansjez in lour pzessuze pool íoitiny.

5. Майоров В.В., Петряев О.С. Экспериментальное исследование теплообмена при кипении перфторбутилового эфира на поверх -ности из двуокиси олова Известия вузов. Энергетика; 1976, В 7, с.97-103.

6. Лабунцов Д.А., Ягов В.В. К вопросу о скорости роста пар о -вых пузырей при кипении; Труды/МЭИ, - Вып.268, 1975, с. 3-15.

7. Городов А.К., Кабаньков О.Н., Комов А.Т., Мартынов Ю.К., Ягов В.В. Экспериментальное исследование динамики паровых пузырей при кипении воды и этанола в области низких давлений. Труды/МЭИ. - Вып.268, 1975, с.33-42.

8. С.Д&х.ван Штрален, В. Зийл, Д.А.де Вриз;1 Скорость роста пузырьков в водных бинарных системах при субатмосферных давлениях.5 В сб.: Тепломассообмен -У, т.З, ч.1. - Минск, 1976, с.306-127.

9. П.Гриффитс, Дж.Уоллис. Роль состояния поверхности при пу -зырьчатом кипении; В сб.: Вопросы физики кипения'.1 М:,Мир, 1964, с .99-137;'

10. Бэнков С.Г.* Вскипание на твердой поверхности в отсутствие растворенной газовой фазы; В сб.1: Вопросы физики кипения; М.1: Мир, 1964, с.80-98.

11. Кутателадзе С.С;1 Основы теории теплообмена; М;: Наука, 1970, с.659.30; Городов А.К;, Ягов В.В. Влияние материала поверхности нагрева на теплоотдачу при кипении в области давлений ниже атмосферного; -Труды/МЭИ. Вып.347, 1977, с.113-1X8.

12. Глинкин В.А., Жаворонков В.А;, Хайруллин И.Х. Коэффициенты поверхностного натяжения вакуумных жидкостей.-В сб;: Тепло-и массообмен в химической технологии: Казань, КХТИ, 1984, с.67-68.

13. Эррера 0., Лабунцов Д.А., Аметистов Е.В. Экспериментальное исследование теплообмена при кипении азота на поверхности одиночного цилиндрического ребра. Теплоэнергетика. 1977, ih 6, с .77-78.

14. Павлов Ю.М., Потехин С.А.', Парамонов A.B. Теплообмен и кризис пузырькового кипения гелия в большом объеме. Труды/ МЭИ.1 - Вып.427, 1979, с.ГО-15.

15. Григорьев В.А;, Дудкевич А.С. Кипение криогенных жидкостей в тонкой пленке; Теплоэнергетика, 1970, № 12, с.54-57.

16. Григорьев В.А;, Павлов Ю.М., Аметистов Е.В; Экспериментальное исследование влияния теплофизических свойств материала поверхности нагрева на интенсивность теплоотдачи цри кипе -нии; Труды/МЭИ; - Вып.198, 1974, с.3-20.

17. Потехин С.А. Исследование теплообмена и кризисов при кипении гелия.1 Дис. .канд. техн.наук. М., 1981.

18. Клименко A.B. Экспериментальное и теоретическое исследование влияния некотррых факторов на теплообмен при кипении криогенных жидкостей. Дис.канд.техндаук.1 М., 1975.

19. Григорьев В. А., Павлов Ю.М., Аметистов Е.В., Клименко В.В., Клименко A.B. Влияние толщины нагревательного элемента на интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении.- Труды/ МЭИ. - Вып.268. 1975, с.53-62.

20. Григорьев В.А., Павлов Ю.М., Аметистов Е.В., Клименко В.В., Клименко A.B." Исследование теплоотдачи при кипении азота.1- Труды/МЭИ. Вып.268, 1975, с.43-52.

21. Григорьев В.А. , Павлов Ю.М. , Аметистов Е.В.1 Кипение крио -генных жидкостей. М;1: Энергетика, 1977, с.288.

22. Марто, Маулсон, Мейнард.'1 Пузырчатое кипение азота в боль -шом объеме при различных условиях на поверхности.1 Труды Амер.общ.инж.мех. сер.С.1 - Теплопередача, 1968, № 4, с.75-84V

23. Магрини, Нанни. Влияние толщины и тенлофизических свойств стенки на коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипениив большом объеме. Труды Амер.общ.инж.мех. , сер.' С. - Теплопередача. 1975, № 2, с.15-21.

24. Гайдаров Ш.А. 0 влиянии шероховатости и материала нагревателя на теплоотдачу цри кипении жидкости в большом объеме при естественной конвекции. В межвуз. сб.: Тепло- и массо-обмен в хим.технол. -Межвуз.сб. Казань, КХТИ, 1977, с.31-37.

25. Ягов B.B., Городов А.К. Влияние теплофизических свойств материала поверхности нагрева на скорость роста паровых пузырей при кипении в области низких давлений.1 Труда/МЭИ.- Вып.347. 1977, с.ЮО-112.

26. XMshiKauTA алЖ л№.Жи<й<Ж Hboihnfjat ¿oW XiguLd Zwds. Jbuli^lS.M.t. 1967,10^38 p 328 -338.

27. Садыков А.1., Сагдеев Д.И., Зарипов З.И., Путиловский Ф.Д., Мухамедзянов Г.Х. Теплофизические свойства вакуумных масел.1- Межвуз.сб.: Тепло- и массообмен в хим.технол., Казань, КХТИ, 1978, вып.6, с.6-8.

28. Румшинский Л.'З. Математическая обработка результатов эксперимента.1 М;1: Наука, 1971, с. 192.

29. Спиридонов В.П., Лопаткин А.Д. Математическая обработка физико-химических данных;' М.: МГУ, 1970, с.219.

30. ГОСТ 11.002-73. Правила оценки анормарности результатов наблюдений; М.: Стандартов, 1982.

31. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике.' М;, Наука, 1969, с.872.

32. Подсушннй А.М., Стаценко В.Н., Якубовский Ю.В.1 Влияние добавок ПАВ на изменение теплоотдачи в судовых горизонтальных трубных испарителях Судовые энергетические установки, Владивосток, 1980, с.65-73.

33. Варгафтик Н.Б., Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.1, 1963, с.708.

34. Сю Г. О предельных размерах впадин на поверхности нагрева, являющихся активными центрами парообраз ования.-Труды/Амер.1 общ.инж.мех., сер.С. Теплопередача, 1962, т.84, № 3, с.18-29.