автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Тепловые процессы в испарительно-конденсационном пульсационном отсеке нагнетательного устройства с тепловым приводом

РГ

5 ... О'З',

?2мЛП5?3

грузинский технический университет

На правах рукописи УДК 536.717

Эмад АСд Эль-Лзтиф Зль-Нвгири

тепловые процессы в испарительно-кондбнсашюнном пульсационном отсеке нагнетательного устройства с тепговш' пришлом

05.I4.05 ~ Теоретические основа теплогехн^и. .

АВТОРЕФЕРАТ . диссертации ма соискание ученой степени

кандидата технических.наук " ,

N •

с

я

.Тбилиси. 1993

Работа выполнена на кафедре теплофизики Грузинского технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Швкриладзе И. Г.

Официальные оппоненты - доктор технических наук Кудзивб А. Г.

кандидат технических наук, доцент Мачавариани Е. С.

Ведущая организация —Институт механики машин АН Грузии.

Зашита диссертации состоятся марта 1993 г. в 1часов

на заседании специализированного совета К 057.01.14 в Грузинском техническом университете в г. Тбилиси, "ул. МЛостава, 77, административный корпус, этаж 3, маши актовый зал. •

........■. - »

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Грузинского технического университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направить по адресу: 380075, Тбилиси-75, ул. МЛостава, 77,

Ученый совет ГТУ.

Автореферат разослан 'у<л" Февраля 1997 г,

Учении секретарь' специализированного совета " 057.01.14, доцент —-^СМзмэвармнп

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Достижения в области исследования теплообмена при фазовых превращениях и, в частности, при испарении и конденсации в значительной мере определяют уровень эффективности оборудования и аппаратуры ряда отраслей техники. Особо четко подобная зависимость прослеживается в теплоэнергетике, холодильном" и криогенной технике, в химической технологии. Не составляет исключения в . этом плане и оборудование для использования возобновляемых нетрадиционных, источников энергии, включая энергию солнечного излучения. Одным из £шшх направлений гелиотехники, в -частности, является . создание . водсперекачиваюшвго . оборудования, использующего солнечную энергию. Среди разнообразных конструктивных решении этой важной проблемы, преялагаесых инженерами многих стран 9 мира, имеются и такие, в которых процессы испарения и конденсации применяются для непосредственного преобразования тепловой энергии солнечного излучения (иш любого другого источника тепла срднего и даже довольно низкого температурного потенциала) в работу нагнетания воды, В подобных конструкциях нагнетателя выпадают ряд-стадии преобразования энергии, реализуемых в наиболее интенсивно разрэбативаемых вариантах (например, преобразовав® солнечного излучения в электрическую энергию в гелиозпектрогенераторе и преобразование электрической энергии в механическую-' работу в электроприводе насоса), система» в целом Силбко упрощается, появляются ' возможности улучшения не ; только стоимостных "и массогабаритных показателей, но и повышения надежности, что для автономно функшонирупших установок является проблемой первостепенной важности.

Внимания заслуживает .в этом плане конструкция исларот^л^ндусоуденсационного мембранного насоса (ИККН), предложенног^'^г"-Грузинском техническом университете профессором ^Оекрк'ладзе.^Зтот," по-видимому, наиболее простой из известных устройв^^яй»" тепловой двигатель-насос Состоит всего из двух отсеков, примыкающих мембране, являющейся единственной подвижной деталью всего устройства. В одном из 'отсеков реализуется испарительно-конденсаштоиный термодинамический цикл преобразования „ тепловой энергии, 1)одаваемой на неподвижную внешную границу отсека, в работу периодических возвратно-поступательных движений У.емСранм, з другом же отсеке эта хе мембрана осуществляв' процесс нэгть'/'ния

жидкости, мато чем отличзвдиися от реализуемых' в обычьых насосах. мембранного типа. Реализация эффективных конструкции нагнетателя этого вида может привести к созданию весьма простых и надежных устройств, что обуславливает актуальность работ этого направления. . Изучение возможности реализации ЙКМК и: исследование протекавших в нем тепловых процессов* доставит предмет данной диссертационной работы. ' : " ',•-';.'.."'

Цель работы,-' решение следующих задач: ■

разработка конструкции и создание действующего макета ИКМН с целью подтверждения реализуемости праитоженного принципа нагнетание, к исследование их характеристик. ... ■ "

анализ термодинамического цикла . ИНМН (нагнетательного устройства с испарительно-конденсациснным пульсаиионным приводом),., определение условий его эффективного ссудествления.

аналитическое исследование испарения .и конденсации в пулъеацюнном отсеке, изучение ,: рощ рекимов протекания нестационарных процессов 'теплообмена в ^ формировании расходной характеристики нагнетательного устройства.

Научная новизна. Разработан, осуществлен и испытан действующий макет ИКМН, впервые позволивший продемонстрировать реализуемость предложенного принципа, нагнетания иидюсти. Впервые -выполнен анализ •' термодинамического цикла нагнетательного устройства. с испарктельно-конденсационным пупьсаиионкым приводом, определены' достижимые наиболее высокие уроены его эффективности и пути их. реализации. ■ Впервые- выполнено аналитическое; исследование -нестационарных процессов теплообмена при испарении и конденсации в пульсэиионном. отсеке' пагнетательного устройства рассматриваемого;' вида и определены наиболее подходящие "режимы их организации. ,

Практическая ценность. Результаты разработки и испытании ИКМН оставят основу для дальнейшей работы то созданию более совершенных ' образцов нагнетателя. При,. этом, естественно, максимально будут использованы и результаты анализа термодинамических циклов и нестационарных процессов . теплообмена при испарении и конденсации. Результаты работы найдут применения также при проведении студентами учебных и исследовательских работ. Предусматривается передача созданного в пределах^ работы .макета нагнататега в учебную П5с..-.оаторию кафедры теплофизик)© Грузинского технического /ч'/ь-.^рслтета. - -

Структура и ЪбРрм рз&пты.. Диссертация' состоит из введения, четырех. глав, выводов, списка использованной литературы из 75 наименовании, 45 рисунков. Приложения включают программы для ЭВМ и: результаты расчета. Оббей основного текста составляет ПО 'Лтр.

Автор выносит на защиту:

1. Результаты разработки и испытаний макета ННЖ (испарительно-конденсационкого мембранного, иаооегД' продемонстрировавшие реализуемость нового принципа нагно-анил жидкости.

2. Результаты анализа термодинамического цикла нагнетательного устройства с испарительнл-нонденсашонным пульсаписнным привсом определяющие условия его эффективного осуществления.

3. Результаты аналитического исследования испаоеннл ч конденсации в пульсаиионном отсеке, позволившие " выявить роль режимов протекания процессов теплообмена в формировании расход'-';.;;

'' характеристики нагнетательного устройства.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дается анализ современник достижении.в области разработки и применения солнечных водопереначив»щ>1х устройств и дается оценка перспектив использования нагнетателей, реализующих процесс ' напосредственного преобразования у.адзкрпо.генииальнои ■ тепловой энергии в работу нагнетания воды. ' ' /

Проведенный обзор информационных материалов показывает, что проб'лема создания эффективного водоперекзчиваюшего оборудования, применяющего сошечную энергию, является одной из наиболее бткннх среди задач использования нетрадиционных источников энергии. Демонстрируется это обстоятельство и наличием на уровня ООН и Международного банка реконструкции, и развития специальном программы по разработке, создание и распространению солн-чнык

водоперекачиваюших устройств в развивавшихся странах. Осне.вн?у направления развития этого вида оборудования начиная с семи/коятнх годов были связаны с комбинированием фотоэлектрических гелиоэлектрогенерагоров со • снабженными гшектро.гопвгдог механическими насосами различных типов и с разработкой. систеп тепловой двигатель на паре (генерируемом в солнечной установке^.-. • механический насос. •

V

е

В результате многолетных НИОКР и испытаний многих образцов в натурных условиях к концу восьмидесятых годов был достигнут определенный промежуточный рубеж, который позволил сделать выводы о погнои технической (но не экономической) готовности насосов с фотоэлектрическим приводом для применения в иригационных целях, о необходимости дальнейшей технической доводки таких же систем для литьевого водоснабжения, а также оборудования типа паровой двигатель - механический насос.

Параллельно с указанными основными направлениями" постепенно нарастает интерес и расширяются работы по созданию оборудования,, предназначенного для непосредственного преобразования тепла низкого потенциала в работу нагнетания воды. Преследуемые при этом цели очевидны - реализация цикла преобразования тепловой энергии а работу нагнетания жвдкоъти в едином устройстве ножет привести к уменьшению потерь энергии за счет. сокращения стадии преобразования ■•энергии и упрощению системы в целом..

Предложенные' конструкции этого вида основаны на различных принципах преобразования тепла а работу нагнетания, начиная с эршфтного (или парлифтного) и инжекторного способов нагнетания и кончая применением материалов с пастью формул. Заметный интерес представляет в этом плане и разработанный в последние годы так называемый термодинамический цикл тепловой трубы, реализующий процессы испарения, и конденсации. промежуточного тела системы, в едином рабочем пространстве. 'Сопоставительный анализ различных устройств этого вида, показывает, что к числу наиболее простых из нлх следует' ' - отнести ' предложенное ИГНекриладзе испаритепьно-конденсмотонн&й мембранный Насос,' реализция и исследование которого представляется актуальной задачей. Одновременно с физической реализацией предложенного принципа нагнетания жидкости определенный интерес представляет и исследование термодинамических и. теплообменных процессов, протекающих в устройстве этого . типа. Исходя из подобной направленности диссертационной работы,' в конце первой главы сформулированы конкретные задачи соответствующих исследований.

Во второй главе даются результаты разработки и испытаний макетов нагнетательного устройства с испарительно-конденсационным пульсационным приводом, продемонстрировавшие реализуемость нового пряниипа нагнетания жидкости.

£

;- Принципиальная схема ИКМН представлена на рис. I. Мембранный

насос содержит камеру I с клапанами для всасывания 2 и нагнетания 3

. жидкости и мембрану Й, которая делит камеру на два отсека -

испарительно-конденсационный 5 и всасывание-нагнетательный 6.

Внутренней поверхность отсека 5, отделенная »мембраной. 4 от

перекачиваемой жидкости, покрыта капиллярной структурой 7 в виде

системы канавок или металлической сетки. Наружная поверхность того

же отсека 5 находится в контакте с источником тепла 3. Капиллярная

структура 7, при этом, в рабочих условиях пропитана жилкой фазой

• рабочего тепа ИКМН. ■ • • ^ ■

О

До начала работы в . ^зсосе . рабочее тело отсутствует. :■ Пространство между мембраной 4 и поверхностью отсека 5 откачано и . мембрана 1 прилегает н" структуре 7. В первую очередь ^внлочае гея ; источник тепла 8, в качестве которого Митет быть использован л.-чОои ' выделяющий тепло объект, например, приемник солнечного излучения. '-, . После этого в указанное пространство ввоц'лоя жидкая фаза рабочего тела, которая засасывается структурой . 7. Далее, из-за предварительного прогрева структуры .7, происходит быстрое испарение рабочего тела, совершается работа расширения, мембрана Ч - отдвигзется вглубь камеры I, открывается клапан 3 и происходит ' нагнетание перекачиваемой жидкости. Фаза нагнетания^родолжается до , высыхания структуры 7. Касса рабочего - тела , подбирается таким образом, что н моменту высыхания структуры 7 м^мйрана; 'не успевает , войти в контакт со стенкой отсека"^. • - :

Из-за разности. температур шаду источником тепла 8' и перёкачиваемой жидкостью, (температура последней, конечно, всегда низа), идет и процесс конденсации пара рабочего тела на мембране 4. .Этот процесс в конечном счете приводит1, к падении давления в испа£'ит^№ко-ко.чденсац".!онном отсеке 5. С этого момента мембрана 4 . в обратном направлении. Далее закрывается нлзлвн

от|р^ется ••'клапан 2 и происходит всасывание новой порции ? Дтгерё^^г^Й^ ®1Дкостй. Образовавшаяся в этот -процессе хидкзя фаза ' рабочего, тела ,снаи'зла, естественно, ' остается на поверхности йг конденсации, т.е. на мембране 1, в конце фазы всасывания, однако, .из-за. образовавшегося вследствие. конденсации вакуума, мембрана Ч . прихо'дит в. контакт со структурой 7. и основная часть жидкой фазы рабочего тела, точно ■так-жз, как это было при вводе рабсччго тела.

снова оказывается в предварительно перегретой.• структуре

о

а

структуры 7 вновь начинается процесс испарения рабочего тела и вновь насос переходит в фазу нагнетания. Далее фазы чередуются последовательно, ' обеспечивая перекачивание жидкости за счет тепловой энергии источника тепла 8.

ИКШ/ таким образом, использует мембрану кац обычным средством всасывания и нагнетания жидкости, так и в качестве поверхности, конденсации пара рабочего тела. Это обстоятельство превращает нагнетание жидкости в наиболее естественное техническое приложение реализуемого в этой тепловой машине специфичного термодинамического цикла. • -

Экспериментальный 'макет И!МН, разработанный и созданный нами в целях изучения возможности Типизации описанного выше принципа перекачивания жидкости; изображен на рис. 2.

Источником нагрева - в макете служит элекгрошгреватель I, размешенный в .теплопроводе 12. Систем-, крепления 3 насосного отсека - 6 с клапанами.7 * 8 позволяет легко, менять мембрану 5, проверять состояние капиллярной структуры 9. Через нанал 10 производится . вакуумированш испаритегтьно-конденсациончого отсека и заправка системы: рабочим телом, в качестве которого в проведенных опытах применялись вода, этиловый спирт и ацетон. Перекачиваемой средой во всех экспериментах служила водопроводная вода, »^меюшая комнатную . температуру. . ■'

Результаты экспериментальной отработки да^ета^лредставлены на рис. 3. Расходную характеристик^, при этом,'^»©.лбеь.'снять лишь в сравюггельно узком диапазоне мощности . электронагревателя при подобранной экспериментальным путем массе рабочего тела в испарительно-конденсационном отсеке. Представленные результаты впервые продемонстрировали' реализуемость предложенного принципа перекачивания жидкости.. Одновременно. эти яе результаты (например, значение КПД) указывают на необходимость проведения ■•'ч'сошдн^р^й'г^- оббема , " теоретических, экспериментальных и ;;оп^нотк?й^тр/кторск'их работ с" ,' целью создания эффективных

В третьей, гл^ве диссертационной работы представлены результаты анализа термодинамического ' цикла, реализуемого ' в испарительно-конденсационном отсекэ • ИКМН. При приниятии ряда допущений, глав^ымиз которых является допущение о наличии процесса конденсации! пара 'рабочего тела на ^мбране только., на стадиях

«ДН«А» ■» _ ОДН» □ Дм. <,0 щ _ АДМ»С.йт у /

у

■ V

¿о -4о 50

Р. УЛН

Рис.. 3. .Расходные' характеристики . экспериментального макета ИКМН (рабочая хидксспъ этиловый спирт).

I

: ;Рис..4. Идеализированный термодинамически цикл ИКМН.

изохорного , и изобарно-изотермического • сжатия, в первую очередь - анализируется . идеализированная термодинамический цикл ИККН, принимающий в координатах P-V и T-S вид, изображенный на рис. 4. УчеУ отмеченного выше существенного отрицательного влияния на эффективность цикла конденсации пара рабочего тела на ста,:№ нагнетания жидкости (в процессе - изобарно-изотермического расширения) производится в сопоставлении с этим идеализированном циклом.

В процессе 1-2 производится сжатие рабочего тела от давления Р<ып давления Р^^. при постоянном обеме

испарительно-конденсационного отсека. При этом, постольку давление в отсеке выше давления источника воды, всасывающий клапан зякрыт, нагнетательный клапан lim открывается при достижении необходимого

г

для этого давления в конце процесса. Считаем, что этот процесс протекает по линии насыщения, рабочее тело же целиком находится в жидком' состоянии. Температура . жидкости, соответственно, в конце процесса достигает температуры насыщения, соответствующей Р^^.

В процессе 2-3 -производится изобарно-изотермическии подвод тепла к рабочему телу. При этом рабочее твло испаряется,- мембрана выгибается и совершатся работа расширения. За счет этой работы вода через нагнетательный клапан направляется 'потребителю. В конце идеального процесса 2-3, - подразумевавшего кроме всегда прочего и отсутствие конденсации■ пара рабочего■ тела на^мбрейе, рабочее тело целиком находится в состоянии сухого, насыщенном пара придавления нагнетания Р^. '• " . .

В процессе 3-4 производится частичная конденсация пара рабочего тела при постоянном о'бееме. При. этом осуществляется отбор тепла. В начат процесса, в связи с началом спада давления, нагнетательный клапан закрывается, в конце же, в связи со снижением давления до Р(м>1, открывается всасывающий клапан. В конце процесса рабочее тело представляет . собой паро-жидкостнуи смесь с определенном уровнем паросодврхания при давлении всасывания Р,.J)t.

В процессе 4-1 прогЬводится - изобарно-изотермическии отвод .тепла с полной конденсацией паровой фазы рабочего тела. При' этом происходит всасывание новой; порции воды.-Устройство - возвращается к начальному состоянию. "•' .' -

Термическое КПД .описанного'..-выше идеального цикла_.. определяется для единицы массы рабочего ; тела по "■-известной

зависимости • с

а

; , ; ; : ,'.; п>

, где подведенное тепло представляет собой сумму теп лот,

подводимых в изохорном процессе <ч1.2> и изобарно-изотермическом процессе (чг_5>. ■

Соответственно.

Ч<шщ Сиг - V * {1>3 - V , <2)

Аналогично, для отведенного в цинга тепла ч^ будем иметь

- V * <ь4 _ V '

Проведя соответствующие преобразования с учетом особенностей протекания термодинамических" процессов в области влажного пара, для значений подведенного и отведенного в ци:ше теплог получаем

• - Ь^Э - ¿Р <4>

Для термического КПД цикла, соответственно, будем иметь

сьз * V - г» ^ Если учесть, что величина ^др существенно меньше по сравнению с с«>3 - ь^ (особенно при низких давлениях ■ насыщения), уравнение (6) может быть сведено к следующему еще более простому виду

Оч ДР

7гд з-2--<7>

^Для расчета КПД реального цикла ИКМН в проведенный анализ нужно Евести поправки, учитывавшие основные отклонения этого цикла от принятой идеальной схемы. Выше мы хотя и предполагали, что

процесс испарения протекает гораздо быстрей процесса конденсации, частичное протекание последнего одновременно с испареним все же заметно снижает эффективность цикла ИКМН. Чисто качественный анализ показывает, что подобное снижение ^связано с необратимым потоком через систему соответствующей части тепла, не совершающей работу расширения.. На диаграммах цикла:-это обстоятельство отразится в перемещении точки 3 от линии сухого насыщенного пара (рис. 5) в область влажного пара и возникновении зависимости КПЗ от величины х3. Исходя из этого обстоятельства будем иметь

Ь, т Ь + X, Г • • (8)

3*3 ли» ■ • •

' Подставляя эти. величины в уравнение (6), после некоторых преобразований для КПД реального цикла ИКМН будем иметь

ЗС Су" - V 3 ДР 7 - ---—2---2;- (10)

Легко заметить, что уравнение (10) удовлетворяет предельным ' переходам. Тан, при = 0. =0, а при = I уравнение (10)

переходит в уравнение (6).

На рис. 6 представлены типичные результаты расчета КПД по зависимости (б) для случая использования воды в качестве, рабочего тела ИКМН. Как это следует из приведенных кривых, теоретически ' достижимые максимальные . значения КПД составляют порядка 6-7 '/.. Учитывая простоту конструкции ИКМН и достигаемые пока на практике реальные значения КПД гелионасосов (в пределах 1-3 '/. ), можно предположить, что рассматриваемый цикл теплового двигателя-насоса вполне может оказаться конкурентоспособным. Однако, как было указано выше, эффективная реализация цикла требует достижения максимального увеличения отношения времени полной конденсации всей массы рабочего тела на мембране к времени ее полного испарения на капиллярной поверхности нагрева. -.

На рис .7 представлены типичные кривые завкоуаости отношения КПД реального цикла к КПД по уравнению <6) оугдз&росодержания в конце процесса изобарно-изотермического расиирэййя для воды и

S)

л i

1 / ■хЗЬаг "

у, \ N i л

Ч'

• 1Ш.

i - Pniri.1 bir i - hirt.4 tar l - f»iri.3 tur

- • I i

' I

» .1 Л Л .4 .5 .S .7 .i & í

i Л .1 .3 .4 Л .6 .7 Л .9 Jt

Fue. 7. Отношение к. п. д. практического цикла к к. n:

идеализированного цикла в зависимости'от паросодер-жэния рабочей жидкости-в, конце ' стадии нагнетания.1

а) - рабочая жидкость боба; • ~

б) - рабочая жидкость зтиловъй спирт. '.. '•/"'

этилового спирта в качестве рабочих тел лри различных режимах нагнетания. Как это. следует из представленных■ гривых, учитывая связь паросодержания с конденсацией на стадии нагнетания, начиная примерно с пятикратного превьааения времени конденсации над временем испарения спад КПД в связи с частичной конденсацией рабочего тела на стадии нагнетания Имеет вполне терпимый масштаб. Результаты анализа термодинамического цикла ЙКМН, таким образов, позволяют определить конкретные пути достижения максимальной эффективности рассматриваемого вида теплового двигателя-насоса.

■ В четвертой таре диссертационной работы . представлены результаты аналитического исследования испарения - и конденсации в пульсационном отсеке ИШ, раскрывающие, роль режимов протекания нестационарных , процессов теплообмена в- формировании расходной характеристики нагнетательного устройства. ...

Анализ процесса - испарения: на капиллярной поверхности пульсационного отсека . ИКМН-< основывается на .ряде . допущений. Считается, что теплопроводность этои поверхностивысока и позволяет пренебречь.градиентом температуры в ней по сравнению с перепадом на испарение. • Поскольку нагрев поверхности идет непрерывно, процесс испарения же. имеет характер кратковременных импульсов, затрачиваемое на испарение тепло целиком определяется по нестационарному охлаждению поверхности в этом процессе. С целью достижения минимальных времен испарения в качестве капиллярной поверхности выбирается резьбовидная структура из материала с высокой теплопроводностью (из. меди, например) и при анализе соответствующей задачи нестационарного'.теплообмена применяются известные теоретические зависимости для коэффициента теплоотдачи при испарении жидкости на резьбоэидной капиллярной поверхности. Одновременно, поскольку испарение идет до полного- высыхания мгновенно . подаваемой .на поверхность начальной дозы-- жидкости?, учитывается и постоянный рост коэффициента теплоотдачи.в связи с постепенным заглублении менисков в канавкм. . ' ' , ч..

, Дифференциальноеуравнение, описывающее охлаждение поверхности .в соответствии; с' понятыми предположениями, имеет -следующий вид,

<вО * Л> <Т - Т«,! . - - ср V Ц (II)

Здесь выражение б аеррэп скобке определяет возрастающий во Времени коэффициент теплоотдачи '.'' -при испарегии, характерные

параметры которого, берутся из известных исследований этого процесса.

Начальное условие рассматриваемой задачи имеет вид при * * о т ■

СI" 1

и при * • Сц • Т - Т^ , ЛТУЛх - О

Процесс охлаждения идет в течении времени полного испарении жидкости - , которое и является основной искомой величинои.

Проинтегрировав (II) с учетом начальных условия (12) и проведя некоторые преобразования, . для закона изменения температуры поверхности испарения во времени получаем, следующее уравнение

' -тг * А° Т ( * , \

т -

Далее, учитывая теплоту, полного испарения заданной первичной массы рабочей жидкости, для исномого значения времени полного испарения имеем

2 р Ср V СТ„ - Т*,Э >.Ср.У

с,- --2-2- (14)

Ъ «о- ст» - у - ™

Учитывая возможные конкретные варианты исполнения поверхности испарения', для дискообразной и ■ цилиндрической поверхностей, соответственно, получаем

г.р.ср.5 2 "о -Тв1> Р б

т„/„\ " - 1» -=-3- <15)

и<д> «о ' г "о

г р. ср. г а ст0 - тб1э р.ср.^.а2 - - - 1п -:-п—-- ас,у

4,(4/4 Л СТ- - Т».Э р.Ср./.а" - = т.г

и О 1 Я гтих:с

Полученные уравнения позволяют рассчитывать времена полного испарения в пупьсационном отсеке ИКМН при различных конструктивных и режимных параметрах, определять требования к интенсивности процессов теплообмена. '

Анализ процесса конденсации на мембране также характеризуется определенными особенностями. Котя температуры, как со стороны насыщенного пара, так и со стороны перекачиваемой жидкости (являющейся одновременно охлаждающим агегу>м в. циым теплоьпго двиггзтйля), при конденсации в течении отдельных стядии ым-'мши-* 1пи к^гдат-пни-д практически постоянны, сам прошсс реп

а

нестационарен, поскольку протекает при переменном во времени площади конденсации. . При анализе' _ .• соответствующей задачи -нестационарного теплообмена термическими сопротивлениями самой мембраны и пленни ' конденсата по сравнению с -термическим сопротивлением теплоотдачи от мембраны к перекачиваемой жидкости пренебрегаем. * Кроме того, пренебрегаем и конденсацией на стадии изохорного сжатия, поскольку длительность этой стадии по сравнению со стадиями всасывания и нагнетания вессма мала (составляет промежуток времени, затрачиваемый на перестройку клапанов).

При принятых предположениях площадь ■ поверхности мембраны в ИКМН дисковой конструкции определяется следующей зависимостью

А «

*o(i tsLti ; (17)

2 х

и

Полная время конденсации определяется зависимостью Тепловой поток на конденсацию на стадии нагнетания равен

Г ■"■ *•*„ . '

°к1 " _ J CT»i - V1 * si»'-—) <I9>

Отсюда масса сконденсировавшеяся на этой стадии пара равна

гсп + а>.a.p.cp.v.cr«, - т*£> стп - т»,> p.cp.v

m . . ......>- -> 1« ■■■иД"'-1-Т- <20)

* «л ст. - Т*,Э р.Ср.Ч~».Г-

™ тл* О 1 мх

Дпя массы пара, .конденсирующейся на стадии всасьвания (в процессе изобарно-изотермического сжатия), соответственно, получаем

Мп * га А2 я сг%1 - т«Г| с» - - 0 -и <21>

На основе полученных зависимостей после ^которых преобразований для времени, полной конденсации пара получаем--СТ5, - Ти) V I ' я.т.г '.'

-----1—--г^ ♦-^--- ' (22)

СТ^- т«>. ^^ Стч 2:.а.А6СТ»2 - Тиз,

Для интересующего • нао I, соотношения ' времен , конденсации и испарения в конечном.счетам0&' учетом (20).) получаем ,

МГ

CTi -ТиЭг

_1 mifi

CTs.-Tw3r

2 ITULX

- <T0-T. 3,0Q»V.

Xr, i

.-Л

-1

(2.3)

Анализ полученных данных показывает;, часо для реализации эффективных режимов работы ЩОТ на поверхнротичиапарения необходимо иметь на порядок и более .высокие по сраш^дой^с поверхностью

Г9

теплоотвода от. мембраны к перекачиваемой жидкости коэффициенты теплоодачи. Анализ располагаемых литературных данных показывает, что достижение подобных уловии технически возможно. В частности, для этой цели ■ можно ипользовоЛ-ь - резьбовидные поверхности из високотеплопровадных материалов при весьма малых (порядка десятой доли миллиметра) геометрических размерах капиллярных канавок. Полученные результаты вполне могут составить основу для конструирования последующих, более эффективных образцов ИКМН.

ВЫВОДИ ■ •

1. Разработан, создан и испитан действующий экспериментальный . макет испарительно-конденсационного мембраннего насоса (ИКМН),

основанного на новом принципе нагнетания ®1дкссти. Впервые продемонстрирована реализуемость предложенного принципа нагнетания ■при использовании тепла низкого потенциала, включая температурный • уровень плосних - солнечных коллекторов. Получены расходные характеристики экспериментальныого макета, перекачивающего воду при . обичных температурах окружающей среды-. Показана возможность использования в качестве рабочего тела двигательной части устройства■ воды, этилового, спирта и ацетона. Выявлены основные . направления дальнейшего совершенствования предлагаемого паровой машины-насоса с целью повышения его эффективности.

2. Выполнен анализ термодинамического цикла нагнетательного устройства с испарительно-конденсаиионным пульсашонным приводом,

. определены достижимые наиболее высокие уровны его эффективности и пути их . реализации. Установлено, что основным условием максимального использования возможностей цикла является достижение сильного,превышения времени полной конденсации массы рабочего тела , цикла над временем ее полного испарения. Достижимые при этом теоретически уровни эффективности цикла совместно с простотой ИКМН вполне мбгут обеспечить его конкурентоспособность с известными солнечными водоперекачиваюкими устройствами.

. 3. Выполнено аналитическое исследование -.теплообмена при испарении и конденсации в пульсаиионном отсеке, изучена роль •■ режимов протекания нестационарных процессов теплообмена в формировании расходной характеристики нагнетательного устройств.-!. Количественно определены требования к коэффициентам теплоотдачи на поверхностях испарения и конденсации. Пон.£^но, что задач* злрегуттирования соотношения времен испарения и нонленсаи/ш

<5У

технически вполне ;тепгема.

Результаты проведенной разработки макета ИКШ и анализа термодинамического цикла и нестационарных процессов теплообмена при испарении и конденсации, сотавляют' основу дальнейшей. работы по созданию более совершенных образцов нагнетателя. Результаты работы, кроме того, найдут применения при проведении студентами учебных и исследовательских работ. Предусматривается передача созданного в пределах работы макета нагнатателя в учебную лабораторию кафедры теплофизики Грузинского технического университета.

Принятые обозначения - ^ - начальная плотадь поверхности мембраны» м2; А - лловадь поверхности теплообмена мембраны, м2; в - константа; Ср - теплоемкость нагревательного диска» Дк/нг К; . а - диаметр цилиндрического нагревателя, м; а - эквивалентный диаметр нагревательного диска» м; б - расход нагнетаемой воды, л/час; ДН - гидравлический напор, м, ь энтальпия, кДж/кг; I -длина цилиндрического нагревателя, м; <* - масса рабочей жидкости,' кг; ? - мощность нагревателя, Вт; г - давление нагнетания, к/и ; Р^^ - давление всасывания» н/ьс; др - •

ч»<м " подведенное в цикле количество тепла, кЛж/кг, чге- -отведенное в цикле количество тепла, к/к/кг; - гтах~ теплота парообразования рабочей жидкости при ртах . кДк/кг, г^ - теплота парообразования рабочей жидкости при р„ил> кЛж/кг; тс -.температура капиллярной поверхности в начале испарения. К; т»1 - температура насыщения рабочей жидкости при ^^^ , К; тв2- температура насыщения рабочей жидкости при р,^ . К; т^- температура нагнетаемой жидкости» К; и - внутренная энергия рабочей жидкости, кДж/кг, V -.'■•Оьеи нагревательного диска, м3; * -' удельный объем рабочей жидкости, м3/кг; - удельный обЪеи сухого пара рабочей жидкости» при р«., , м /кг; х - степей сухости пара рабочей жидкости;

«о - коэффициент теплоотдачи на капиллярной поверхности» Вт/м* К, я - коэффициента теплоотдачи на мембране, Вт/ма К; б -толиина нагревательного- диска,- м, р - ллотность материала нагревательного диска, кг/м5, - продолжительность процесса испарения, с. - полная продолжительность цикла» с; у^ -

термическое КПД идеализированного цикла-, термическое КПД .

реального цикла. - • , . . '