автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Влияние физико-химических процессов на теплотехнические характеристики двухфазных термосифонов

'Г Б ОД

б ЛЬи Ш''} КИ1ВСЬКИЙ ПОЛ1ТЕХН1ЧНИЙ 1НСТИТУТ

На правах рукопису РУДЕНКО Олександр 1горович

«

УДК 536.248.2:620.193.2: 669.14

ВШШ Ф13ИК0-Х1М1ЧНИХ ПР0ЦЕС1В НА ТЕПЛ0ТЕХН1ЧН1 ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВОФАЗНИХ ТЕРМОСИФОН IВ

05.14.05 - Теоретичн! основи теплотехнши

АВТОРЕФЕРАТ дисертацП на здобуття вченого стуленя кандидата технШних наук

Ки'1 в - 1994

Дисертац1его е рукопис.

Робота виконана на кафедр1 атомних електростаншй та 1нженерно1 теплоф!з,ики Кшвського под1техн1чного 1нституту.

Науковий кер1вник:

доктор техн1чних наук, професор Семена М.Г.

0ф1ц1йн1 опоненты:

доктор технгчних наук, професор Ф?дотк1н 1.М.

кандидат технгчних наук, ст. наук. с1пвроб1тник Волков С.С.

Ведуча орган1зац1я:

1нститут техн1чно'1 теплоф1эики НАН Укра1ни

Захист дисертацп Б1дбудеться " 29 " грудня 1994 р. о 17 годин 1 на эас!данн1 спеипал1зовано1 вчено"! ради К 068.14.07 у Ки1всъкому пол1техн1чному 1нститут1 за адресою 252056, м.Ки1 в, 56, пр-т Перемоги, 37, корпус, Б, аудиторгя 406.

3 дисерташею можна ознайомитися у 616л1отец1 Кшвського пол1-техн1чного 1нституту.

Автореферат роз1сланий " 29 " листопада 1994 р.

В.П.Рохал1н

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОВОТИ Актуальн1схь теш. 0дн1ею з основних задач розвитку сучаснсц теплообмпшо! техн!ки е гпдвищення одинично! потузкност!, економгч-ност! та якост1 продукцИ, що випускаеться при одночасному зниженн! П габарит1в 1 металоемкост!. Усп1шне р!шення ц!е"а задач 1 неможливе без розробки та створення таких пристроив як двофазт термосифони (ДТС). Маючи иизький терм1чний оп1р та спроможн1сть передавати вели-к1 теплов! потоки, вони дозволяютъ по-новому реал1зувати в!дв1д тепловой енергП, термастаб1л1зац1ю, а в деяких випадках е единою мож-лив1стю для вир1шення р!зноман1тних 1нженерних задач. Використання ДТС 1з нержав!ючо"1 стал! з водою е найб!лып доцгльним 1 ефективним у якост! елемент!в, що передають теплоту, разномастного теплообм1нно-го устаткування, що функц1онуе в агресивних середовищах.

Широке влровадження у виробництво ДТС з даним сполученням конс-трукцШо'го матер1алу 1 теплонос!я стримуеться 1з-за обмеженост1 вЬ домостей про вплив ф1зико-х1м!чних процес!в на ч^нлотех^чн! характеристики вказаних пристроив в умовах 1х тривалого функцшнування, що ускладиюе вир!шення задам конструювання та розрахунку теплотех-Шчних характеристик ДТС 1 теплообмгнних систем на баз! для три-вало! ефективно'! експлуатац! 1.

Мета роботи. Метою дисертащйно! роботи е досл1дження впливу ф13ико-х1м1чних процессе на теплотехн1чн1 характеристики ДТС 1з нер-жав1ючо'1 стал1 в водою в умовах 1х тривалого функц1онування, створення методики розрахунку температуршх пол1в ДТС для р1зного чалу 1х експлуатацп та розробка способу захисту внутршньо! поверхн1 ДТС в!д д 11 кореш иного процесу для збиьшення ¡х ресурсу.

Методи дослхдження. ■ Для досл!дження теплотехтчних характеристик ДТС в умовах '¡х тривалого функцшнування використовувались тео-

ретичний та експериментальний методи. Вивчення яисного 1 к1льк1сно-го складу продуктов корог11 проводилось за допомогою IX мас-спектро-метричного та х1м1чного др1бного анал1з1в. Швидк1сть корозП зал1за у вод1 та И характер визначались ваговим методом та методом поляри-за!Дйного опору. Для визначення загально'* к1лькост1 водню були вико-ристан1 теоретичний та анал1тичний методи. 3'метою досл!дження законом 1рностей дифуэП водню крхзъ сПнку ДТС застосовувався теоретичний метод. Обробка та узагальнення результат!в ус1х. експеримент1в здшснювалось методами математичного анал1зу за допомогою ЛЭОМ.

Наукова новизна. Бперше проведено експериментальне дсюл1дження впливу ф1&ико-хлм1чних процес1в на 1нтенсивнз.сть теплообм!ну у зонах . нагр1ву 1 . конденсавд! ДТС п!д час 1х тризалого функцюнування та представлен! розрахунков1 залежностГ. Виявлено законом1рност1 1 показано вплив дифузП водню на ам1ну температурних тшв ДТС в эалеж-ност! в1д р!зних параметр1в. Вивчено особливост1 газовшйлення Л вперше одержано узагальнюкш р!вняння для розрахунку доежини пробки газу, що не конденсуеться (НКГ), -та загально! кхлькост! водню, що вшиляеться в ДТС. Розроблена методика визначення к1лькосг1 водню, то залишаеться .• у внутршн1й порожнин! ДТС. Запропоновано' модель ко-роз1йного процесу у закрит!й системД нержав1юча сталь-вода, а також вивчено вплив продукт!в короэП на теплообмш у . зонах нагр1ву. та конденсацп ДТС. Розробленйй спос1б захисту внутршньо! поверхн! ДТС 13 нержав!ючо'£ стал1 э водою в!д корозП. На основ1 анализу даних експериментальних дослгджень створено методику розрахунку температурних пол1в ДТС для р1зних пер1од1в часу 1х функщонуванш.

Декларацхя особистого внеску. Особистим внеском дисертанта у розробку наукових результат1в е вс1 положения, що виносяться на аа-хист. '

У дисертацП захишаються:

1. ЕкспериментальШ дан1 про вплив ф1зико-ххмгчних процесгв на теплотехн1чн1 характеристики ДТС 1з нержав шчоЧ стал1 з водою, отри-ман1 в умовах '¡х довготривалого функц!онуваиня.

г. Виявлен! закономхрност! та емп1ричн! залежност!, що описують дифуз1ю водню кр1зь ст!нку ДТС, а також експериментальн1 дан! про И вплив на зм!ну температурних пол1в ДТС в залежност1 В1Д часу 1х функц!ояування, геометричних та режимних параметр1в.

3. Модель ,коро81йного процесу у вакрит!й систем! нержавИоча сталь-вода та експериментальн! дан! про характер впливу продукт!в короаН на геплообм1н у зонах натр!ву та конденсацП ДТС у час!.

4. Узагальнююч! залежност! для визначення довжини пробки НКГ в залежност! в!д часу функц!онування, геометричних та режимних пара-метр!в ДТС, а також результати експериментального ! теоретичного визначення к1лькост! водню, що залмпаеться у внутр1шн!й порож.нин1 та загально! к1лькост1 водню, що вид!ляеться в умовах довготривало! ро-боти ДТС,

5. Методика пЦготовки даних та розрахунку температурних пол1в ДТС для р!зних пер!од!в часу 1х функц!онування.

Практичне значения. На основ1 проведених досл1джень отриман! нов! дан1 про вплив ф!зико-х!м!чних процес!в на теплс1техн!чн! характеристики ДТС !з нержав!ючо! стал! з водою в умовах !х тривалого функц!онування, як1 дозволяють використовувати 1х для розрахунку та конструювання як окремих термосифон1в, так ! теплообм!нних систем на 1х баз!. Розроблений спос!б захисту внутршньо'! поверхн! ДТС в!д ко-роз1иного процесу ! на п1дстав1 результате проведених досл1джень запропонован! способи прискорених ресурсних випробувань та вивчення сумхсност! матер1ал!в, що застосовуються для виготовлення ДТС.

Реал!зац1я роботи. Результати роботи використан! при розробц!

та cTBopeHHi теплових труб (TT) BMiHHO'i пров1дност1 для систем тер-морегулювання у НВО "Прикладная механика" (м. Красноярськ), а також при розробц! сер!йних теплообМ1нник1в-угилi затор!в на експеримен-тальному ливарно-мехатчному завод1 (м. Борислав).

Апробац1я роботи. Матер1али дисертацП допов1дались: 1) на кон-ференц!ях "Застосування теплових труб у народному господарств1", м. КиЗв, 1984 р. i "Ресурсозбер!гаюче обладнання на бае! теплових труб", м. Ки'1в, 1987 р.; 2) на конференцП молодих вчених 1 фах1вд1в в 1нститут1 техн1чно1 теплофхзики HAH Укра'1ни, м. Кюв, 1986 р.; 3) на конференциях "Досв1д експлуатац!'i i шляхи удосконалення судового теплообм1нного обладнання ", м. Севастополь, 1987, 1988, 1991 p.p.; 4) на мажнароднай конференц11 " Проблеми корозЛ та протикороз1йного захисту конструкц!йних матер!ал1в. Короз1я - 94", м. Льв1в, 1994 р.

Публ1кац11. За матер!апами дисертацП опубл1ковано 5 наукових статей та отримано 4 авторських св1доцтва.

Структура та обсяг роботи. Дисергац1я складаеться з вступу, п'яти глав, зак1нчення, списка л!тератури (67 найменувань) та додат-к1в. Основний матер1ал роботи викладено на 159 стор1нках машинописного тексту, 1люстровано 46 матонками та 6 таблицами.

ЗМ1СТ РОБОТИ

У BCTyni обгрунтовано актуальн1сть теми дисертацП, коротко пе-рерахован! 1снуюч1 результата по цьому питанию i основн! положения, як1 автор виносить на вахист.

У перш1й глав1 проведений л1тературний огляд ро61т, присвячених вивченню можливост1 використання нержавшчоТ стал! i води в якост! конструкщиного магер!алу i теплоносхя для ДТС, та вадзначена перс-пективнасть цього сполучення.

Анал1э експериментальних 1 Теоретичних досл1джень у цдй облает! показав, що основним процесом, эначно впливаючим на теплотехн1чн1 характеристики ДТС при 1х довготривал1й експлуатацП е процес утво-рення НКГ - вод ню, щр вид^ляеться в результат! короэхино! взаемодП материалу ст1нки з теплонос!ем. В!дзначено, що утворення твердих та газоподЮних продукт!в корозП носить нергвномгрний характер 1 про-т!кае, в основному, за електрох1м1Чним механ!змом. Розглянут! емпЬ ричн1 1 анал1тичн1 залежност!, оапропонован1 для визначення кыькос-т! водню, що залишаеться у внутр1шньому об'ем! ДТС. Проте суперечн1 дан1 р1зних досл!дник1в в^дносно параметров, що присутн! б цих за-лежностях, не дозволяють обгрунтовано рекомендувати чиюсь методику.

В1дом1 результати з питания дослдаення впливу ф1зико-х1м!чних процес1в на теплотехн!чн1 характеристики ДТС в умовах 1х тривалого функцюнування обмежен1 вивченням зм1ни температури пари в залежнос-т1 в!д часу функщонування 1 К1Лькост1 НКГ, а також вим1рюванням температурних пол1в 1 перепадов температури по вс1й довжин1 ДТС або у эон1 конденсат1. Експериментальн! дан1 про вплив продуктгв корозП на 1нтенсивн1сть теплообмену у зонах натр!ву 1 конденсат 1 ДТС при 1х довготривадому функд1онування в!дсутн!. Вкрай нечислен! дан! про вм1ну довжини пробки НКГ носять приватний характер ! не дозволяють розрахувати ефективу довжину 1 площу внутр1шньо1, поверхн! зони конденсац!I, в!льну в!д НКГ.

Експериментальн1 даш про вплив дифузП водню на характер змгни температурних пол1в ДТС в умовах IX тривалого функц1онування нечислен!. В!дсутн! рекомендацн, що'дозволяють визначити кыьюсть водню, дифундуючого кр1зь станку ДТС у процес! 1х функц!онування.

Розглянут! р1зн! методи боротьби з вид1ленням НКГ. Але, пози-тивн1 результати вказаних метод1в мають обмежений характер, !х эа-хисний механ!зм недостатньо вивчений, а сам! методи в б!лыюст1 ви-

падк1в - не технолог1чн1.

На основ! анализу л1тературних дан их по розглянупй проблем! були сформульован1 мета 1 задач! дослгдження.

У друМй глав! наведен! принципов! схеми установки ! експери-ментальних камер, виготовлених для проведения випробувань ДТС, а та-кож вивчення впливу ф1эико-х1М1чних процес!в на '¡х теплотехнгчн! характеристики та розпод!л температурних пол1в в умовах тривалого функЩонування.

П1дв1д теплоти до зон нагр!ву вивчаемих ДТС 1 камер, виготовлених 13 нержавшчо! стал! 12Х18Н10Т, зд1йснювався нагр!вачами з н!х-рому. В1дв1д теплоти в1д зон конденсацп ДТС 1 камер здшснювався звичайною конвекщею. Температурн1 поля вим!рювались м!дь-константа-новими термопарами, привареними до стчнки.

—I -2

Дослдаено 54 ДТС довжиною 3,5-10 м, диаметром 1,2-10 м

-2 ~3

! 2,0-10 м з товщиною ст1нки 1-10 м. Довжина зон нагр1ву 1 кон-

денсацП для ус1х ДТС - 1-10 4м 1 1,5-10",м в1Дпов!дно. Теплонсхпй -дистильована деаерована вода з рН 6,85 1 концентращею розчиненого кисню с0а - 5-10~ кг/м3 . К1льк1сть заправленого тешюшс1я - 15. % в1д внутр1шнього об'ему ДТС. Експерименти проведен! у д!апазон1 зм1-ни параметр!в: 1) - (3,23. . .6,78)-10* Вт/м1 ; 2) РНАС -- (2,92... 17,54)-105 Па; 3) 1р - (134... 204) ± 2 °С;'4)*С - 1.. .8635 годин.

Дослдаення корозшно! поведении нержавшчо!' стал! у вод! в умовах функШонування ДТС проводились у спец1альних камерах. В кож-н!й камер! розташовувалось по два аразки з конструкщиного матер1алу ДТС, як! були короз!йними датчиками, Досл1ди проводились у д1апазон! зм!ни параметр1в: 1) .Ьр - 40... 135 ' С; 2) Рнл(г (1,01. . .3,35)-10* Па; 3) «С - 1...1000 годин. Теплонос1Й - дистильована деаерована вода з параметрами, вадповдоими вод!, що використовувалась у ДТС.

Дов!рчий !нтервал вим1рювання температурних пол!в ДТС у експе-

риментах зкпнювався в1д ± 0,71 до ± 0,75 е0 з дов1рчою 1мов1рн1стю 0,94. В1дносна похибка вим1рюваяня перепаду температури по довжин1 ДТС знаходилась у д1апазо!П 3,6...17,5 X, довжини пробки НКГ - 5... 26 %, коеф1щент1в теплов1ддач1 - 10...31 %. Анализ НКГ 1 визначення кыькосп водню, що залишаеться у ДТС п1сля р1зних перюд1в часу 1х функц!онування, зд1йснювався мас-спектрометричним способом, выноска похибка вим1рювань якого не перевищувала ± 10 X.

У трет!й .глав! викладен! результата досл1дження короз1йного процесу у ДТС 1з нержав1ючо'1 стал1 з водою в умовах 1х тривалого функц!онування. Зроблено анал!з впливу рхзних фактор1в, впливаючих на проходження короз!йного процесу як у в1дкритих, • так 1. закритих системах з метою створення теоретично! модел1 короз1иного процесу, прот1каючого у ДТС. Показано, що основним кородуючим елементом у ДТС е зал1зо, на яке приходиться ^ 70 % складу нержав1ючо! стал1.

В1дпов1дно з теоретичними даними М.П. Жука процес електрох1м!ч-ио! корозП е термодинам 1чно можливим, ягадо виконуються умови:

ц!али металу, кисневого та водневого електрод!в, В.

Розрахунки по зазначенгй методиц! (1),(2) з використанням результате, одержаних у дисертавдтпй робот! показали (табл.),. що у д1апазон1 температур 20...210йС 1 рН 6,85 вже з самого початку функ-цгонувания ДТС мае м1сце процес електрох1м1чно'1 корозП з кисневою (3) та водневою (4) деполяризавдями.

р1?!Новажи1 потен-

(1) (2)

Таблиця

Р1вноважн1 електродн! потенЩали зал1за (Ре1+), кистевого та водневого електрсупв.

1 I Робоча |температура,°С , а '[а^+нчо" 1 1 1 ...... 1 |АН/О4,Ь !/нУнг,В 1

| 20 1 I -0,614 1 | 0,806 1 1 | -0;214 |

| 134 |. -0,682 | 0,964 | -0,298 |

I 154 I -0,694 | 0,992 | -0,312 |

I 184 I -0,712 | 1,033 I -0,334 |

I 204 1 . , , . I -0,724 1 | 1,061 I | -0,349 | I 1

Ре + 0,5 02+ Н20--Ре(0Н]г , (3)

Ге + 2Иг0 --- Ре[0Н]2+ На (4)

Проведен1 досл1дження показали, що з часом, по м!р1 зменшення концентрации розчиненого кисню в теплоносП, швидк1сть процесу (3) поступово зменшуеться, наближаючись до нуля, що тпдтверджуется в1д-сутн1стю кисню на спектрах НКГ вже п1сля ~ 100 годин безперервного функц1онування ДТС в усьому доел1дженому д1апазон! робочих температур. У той же час процёс (4) мае безперервний характер, тому що н+/нг бУДе зав,жди позитивнее, н1ж Внасл1док цього реак-

ция (4) поступово стае дом1нуючою для всього короз]иного процесу.

Доведено, що короз!йний процес у закрит1й систем! мае складний характер 1 залежить в1д ряду факторов (^Т , рН , с^та 1нш.), эм1на яких приводить до того, що утворення продукт1в корозГ] в1дбуваеться з р1зною 1нтенсивн1стю у час1, тобто нер1вном1рно. У початковий ле-рход функц!онування ДТС в1дзначено б1льш штенсивне газовид!лення,

що обумовлено низьким значениям рН теплоносгя та вгдсутнхстю гальму-ючого впливу поки ще невелико! к1лькост1 продукт!в .корозП. Подальше п!двшцення рН теплонос!я ! нагромадження продукт!в реакщй сприяе спов!льненню корозП та зниженню швйдкост! вид1лення водню. Багато-компонентн!сть нержавШчо! стал! сприяе тому, ЩО на П поверхн! мо-куть частково в!дбуватись ! процеси х1м1чно'1 корозП, що супровод-жуються утворенням комплексних сполучень на основ! Ы1-Сг -Ре, як! мають кристалеву репйтку типу "шп1нель".

Досл1дження законом1рностей короз!йного процесу у закрит1й систем! методом .поляриэащиного опору також п1дтвердили, що процес корозП у ДТС в!дбуваеться безперервно, але нер1вном!рно. У початко-вий пер!од функц!онування ДТС спостер!гаеться бгльш висока швидкгсть корозП з 1нтенсивним вид!леиням водню, але у поаШдуючому, через визначен! пром!дки часу в залежност! в!д робочо'1 температури, твид-к!сть процесу знижуеться внасл1док зм!ни короз1йних властивостей системи нержав!юча сталь-вода.

Анал1а даних як!сного складу утвореного НКГ ! х!м!чного анал!зу в!дпрацьованого теплонос1я показав, що в ус1х досл!джених ДТС основ-ним газопод!бним компонентом пробки е водень, а основним кородуючим елементом нержав1ючо1 стал! - зал!во, як! вид1ляються в результат! короз1йного процесу.

Отже, експериментально доведено, що описана модель задов!льно в!дтворюе короз!йний процес у ДТС !з нержав!ючо1 стала з водою в процес1 1х довготривалого функц1онування.

На п!дстав! . анал1зу досл!джень короз!йного процесу в ДТС зроб-лено висновок, що найб1льш прийнятним методом захисту внутрШньо! поверхн! ДТС В1Д короз!йного впливу теплонос!я е утворення на най р!вном1рного, м!цно зчепленого з Шею поверхнею тару, що перешкоджае прямому контакту основного металу корпусуз водою. Для цього був роз-

роблений спосхб захисту внутргшньо! поверхн! ДТС 1з нержавшчо! ста-л1 8 водою, що полягае у створенн1 на н!й суц1льно'1 окисно! пл!вки, яка мае високу адгезаю з металевою основою в результат! терм1чно'1 обробки при визначених температурно-часових режимах (а.с. СССР N 1392120).

Результати екслериментального досл!дхення впливу методу захисту внутр!шньо! поверхн1 В1Д корозП на теплотехн1чн! характеристики ДТС при Тх тривалому фунгацонуванн! показали (мал.1), що перепад температуря м!ж крайними перер1зами зон нагр1ву 1 конденсацп в ДТС, по-верхня яких захищена за розробленим методом , значно менше, тх у ДТС «без захисту поверхн! ! захищених за методикою В. К. Глазуново'1 та !нш. При цьому 1 к!льк1сть водню, що вид!лився в ДТС теля р!чних випробувань б!льш як у 2,1 1 1,6 раз1в менше, н!ж у ДТС без захисту поверхн1 та вахищених ва методикою В. К. Глазуново! та !нш.

У чегверт!й глав1 наведен! експериментальн! дан! досл1дження процесгв газовид1лення в ДТС.

В результат! анализу даних проведених досл1джень виявлено, що в початковий пер!од часу функц!онування ДТС мае м!сце р!зке зб1льшення довжин пробок НКГ внасладок посиленого вщцлення водню, яке пот!м спов!льнювалось. Але на протяз! всього перюду випробувань не було в!дм!чено стабШзацп розм!р1в пробки, що пояснюеться незагасаючим характером вид1лення водню •! знаходиться у в1дпов!дност1 з наведено» моделлю короз1йного процесу.

На п!дстав1 отриманих результат!в зроблено висновок, що кошпй робоч!й температур!, незалежно в!д геометричних розм!р1в ч, отже, плоцЦ поверхн1, що кородуе, в1дпов!дае визначений пергод часу чг, , що характеризуешься б1лыи гнтепсивнт газоввдплевням !, в!дпов!дно, б1льш Днтенсивним зб!льшенням"пробки НКГ. До того ж, при.менипй ро-' боч!й температур! То зб!льшуеться, а при.б^ьипй - зменшуетъея, що

•

"о< ОО с

• ■

о

•*• »1* о-1 • -< • -1 —

*ю*е 4 влю' а

Мал.1. Зм1на середкього перепаду температури вздовж ДТС В1Д часу функцюнування: 1 - метод захисту автора; 2 -метод захисту В. К. Глазуново'1; 3 - без захисту внутрш-ньо! поверхн!.

Мал.2. Уэагальнення експериментальних даних по зм1н1 довжини пробки НКГ у початковий (а) та тривалий (б) пер1оди часу функцюнування ДТС: 1 - 1р- 134+2°С, с16н- 1-10"*М; 2 - 1р - 154±2°С, с1вн= 1-10"1м; 3 - 1р- 1541"°С, с1йн- 1.8.10"'м; 4 - "Ер -184±2'С, с1Вн- 1 • ш"* м; 5 - 204+2вС, с1вн- 1-10*гм; б - уэагальнення р1вняннями (6) та (?) в1дпов1дно.

знаходиться у в1дпов!дност! 18 законом1рностями впливу температури на швидк1сть короз1йного процесу м!ж металом корпусу ДТС та теплоно-с1ем.

• 0триман1 дан1 показують, що «С0 е функщею тгльки робочо! температури, не залежить в1д геометричних розм!р1в ДТС 1 визначаеться

13 р1ВНЯННЯ

<с0 = *V4'63 (5)

Анал!з фактор!в, що впливають на змз.ну довжини пробки НКГ показав, що П розм1р е функц!ею багатьох зм!нних величин, залежн1сть в1д яких носить складний 1 невизначений характер. Так, на формування пробки НКГ суттево впливае не тальки робоча температура, але 1 тиск насичення, який функщонально зв'язаний з робочою температурою. Кр1м цього, при функцюнуванн! гермегичних систем приШдвшцених температурах ("Ь > 100 °С) 1 тиску насичення спостер1гаеться дифузхя водню 1з внутршнього об'ему кр!зь ст!нку ДТС. Отже, к!льк!сть водню 1, в1дпов1дно, довжина пробки НКГ у ДТС, що мають р1зну товщину ст1нки при однакових геометричних та режимних параметрах, також може бути р1зною.

В результат! узагальнення досл1дних даних про зм1ну довжин пробок НКГ 13 застосуванням теорп розм1рностей були отриман1 сл1ду-юч! р!вняння для початкового ! довготривалого пер!од!в функц1онуван-ня ДТС

<6,

и.г.в.й-'Г-^^]^/,:»*. <7»

1 а вн. о

Представлен! залежност1,' що узагальнюють-85% досл1дних точок,

8адов1льно описують зм1ну довжини пробки НКГ у ДТС для початкового (мал.2.а) та довготривалого (мал.2,б) пер1од1в 1х функц1онування з похибкою 1 26Х.

Розрахунок 8агально"1 к!лькост1 водню, що видаляеться при функ-цЮнуванн! ДТС в1дбувався в два етапи: 1) визначення юлькост! водню, що дифундуе 1 з ДТС; 2) розрахунок к!лькост1 водню, що залишавть-ся в ДТС.

йавдання визначення к1лькост! водню, що дифундуе кр1зь ст1нку ДТС, формувалась з такими припущеннями: дифузая водню в1дбуваеться кр1зь зал1зну ст1нку; температура 1 тиск, при яких в!дбуваеться ди-фуз1я, дор1внюють середн1й температур! та тиску насичення у внут-р1шньому об'ем1 кожного ДТС протягом усъого експерименту; дифузгя водню в^дбуваеться на д1лянц! з його максимальною концентрат ею, тобто кр1зь поверхню ДТС, зайняту пробкою НКГ. На п1дстав! нього, к1льк!сть водню, що продифундувала кр!зь ст1нку ДТС для кожного пе-р!оду часу фунюдонування, визначалась як:

^9>>Ф Ру» Г ,Я1

^ лг=~> ___Ь 1

Тут --5мп-1Ч1АС. "Тр " швидк!сть дифузП водню 3

урахуванням коеф!ц!ент1в к0 та о0 , характеризуючих ф!зико-х1м)ч-н! властивост! системи зал!эо-'водень; ~ площа.внутршньо} по-

верх н1 , эаинята пробкою НКГ, що визначаеться на-п1дстав! роэрахунку середньо! 1нтегральноЧ довжини пробки в кожний пер1од часу функшо-нування ДТС.

Визначення к1лькост1 водню, що залишаеться у внутршньому об'-ем), проводилось з урахуванням сл!дуючих умов: весь НКГ знаходиться у пробц!; м1ж парою ! газом !снуе пом1тний кордон розпод!лу - паро-газовий фронт (ПГФ), що мае форму параболи; теплоф1зичн1 властивост!

теплоносия виэначались по температур1 насичення при робочому парц1-алъному тиску пари; втрати тиску в паровому канал! мал1; НКГ п1дпо-рядковуеться р1внянню стану 1деального газу.

Розрахунок к!лькост! водню, що залишаеться в ДТС, зводився до: 1) знаходження об'ему, зайнятого пробкою НКГ по формул^

Vnf>. = Уцил. -Vor* = 5Г- [ LД*]-ЗГ ^ tf Jx , (9)

О

де X . X0 ~ координати початку зворотних теч1й на ст1нц1 та вершини ПГФ в!дпов1дно, що визначаються з використанням р1шення O.A. Парфентьево! ja експериментальних даних про довжину пробки НКГ (6),(7); - —g— - р!вняння параболи; 2) роврахунку маси водню is р1вняння газового стану. При цьому враховувалась наявн1сть у npoöui НКГ водяно'1 пари та залишкового азоту.

На мал.З зображен! результати досл1джень, отриман1 роврахунко-вимта експериментадьним методами. Приведен! дан1 п1дтверджують не-piBHOMipHicTb вид!лення водню в 4aci внасл1док складного характеру процесу корозп.. Для пор1вняння також показан! результата розрахунку по методикам 1.Г. Шекр1ладзе та В.М. Бородк1на, як1 не враховують неравном!pHicTb вид!лення водню в процес! функц1онування ДТС. Очевидно, що к1льк1сть водню в ДТС, поверхня яких вахищалась по розроб-лен1й методиц!, значно менша пор!вняно з ДТС , де поверхня не була захищена. -

В результат! обробки експериментальних даних по визначенню аа-гально! к1лькост1 водню, що вид1ляеться при функц1онуванн1 ДТС, були отриман1 слхдуюч! р1вняння:

tn0 = IM • Ю "• яс4,5 t/'4 $ . * « (10)

т0 S, «с>«Со (И)

Отриман! дан! задовiльно узагальнюютьсяся наведеними залежное-

/ -r— 4i r / /

i » / /

1 1 V / , / > "о

0 о

. / г/1

а

о -1 ---4 1 i

/

Мал.З. Запежн1сть к1лькост1 водню, до залишаеться у внутри» ньому об'ем1 ДТС (tp - 154±2*С, dM - МОм, L - 0,34 м) В1д часу фунгайонування: 1,2 - розрахунок та експерименталън1 дат автора; 3 - розрахунок за методикою 1.Г. Шекр1ладзе; 4 - розрахунок за методикою В.М. Бородина. .

I

0 -/ • -1 • - J

* • • » • • • * • *

о • • о 0* о 0 8 « о в. О* *0 • > • ' О 4 О о о * \ °5t 1* ° о Ас • о о • 0 э

Э t •

* * 1 а* 4 0' * T.nS

Man.4. Вплив короз1 иного процесу на теплообм1н у гон! iiarpiev ДТО гид чао "ix -тривапого функщонування: 1 - q - 3,65-10* Бт/м*. (1...- l-lO'V, Й*- qu - 3,68-10* Вт/м1, dw- 1,8-10"'м; "3 - qM -

ftH

6,7*-10® P-T/M1, O^- l-lO^M:

кг

тями з похибкою ± 38% (85% ус1х точок) для перюду початкового функ-цшнування 1 з похибкою ± 207. (88,5Х ус!х точок) для пер1оду довго-гривалого функщонування. Результата анализу похибок визначення екс-периментальних 1 розрахункових значень т0 ц!лком обгрунтовують от-риману розб1жн1сть вказаних Ееличин з врахуванням прийнятих припу-щень при виводх валежностей для вивначення довжини пробки НКГ, маси водню, що дифундуе кр1зь стх.нку та залишаеться у внутр1шн!й порожни-Н1 дтс. .

Пор1вняння розрахункових значень загально! к!лькост1 водню, що вид1лявться, отриманих з використанням залежностей (10),(11), в екс-периментальними результатами визначення вагально! к1лькост1 водню х!м1чними методами, показали 8адов1льну в!дпов1дн!сть м1ж собою.

У п'ят!й глаМ наведен1 ревультати експериментального досл1д-ження впливу ф1зико-х1м!чних процес1в на теплотехн!чн! характеристики ДТС при 1х тривалому функц1онуванн1.

Анал1з отриманих результата показав, що протягом усього трива-лого периоду функд1онування ДТС, величина коеф1Щент1в теплов!дцач1 у зон! нагр1ву кожного-ДТС заливалась практично незм1нно» внасл1док мало! товщини шару в1дклад1в твердих продукт1в корозП (мал,4). Тому середн1й коеф1ц!ент теплов1ддач1 8а весь час випробувань для кожного ДТС визначався як

<м

де 0,н - величина коефхц!ента.теплов1ддач1 в кожний момент часу;

IX - к1льк1сть вим1рювань.

Отриман! результати експериментальних дослхджень у зонх нагр1ву узагальнювались за методикою,.запропонованою М.К. Безродним:

аи,.! Г Риле.V (13)

аь.о. I 1 Ркр. *

Задов1льна в1дпов1дн1сть експериментальних даних, отриманих у-проие-с! довготривалого функц!онування ДТС з розрахунковою залежистю (13), показуе, то вказана методика для визначення 1нтенсивност1 теп-лообм!ну справедлива 1 для розрахунку коеф1ц1ент1в теплов1ддач1 в зон1 нагрхву ДТС при 1х тривал1й експлуатагЦ 1.

Результата досл!дження впливу газопод!бних продукт1в короз1йно-го пронесу на теплообм1н у зон1 конденсацП ДТС в процесх 1х довготривалого функц1онування показали, що незважаючи на дифузш частини водню кр1зь ст1нку, спостер1галось поступове зб1льшення розьщпв пробки НКГ, що супроводжувалось скороченням довжини зони конденсацП та Шдвищенням температури насичення. Тому при обробщ експериментальних даних по теплооСмгну в зон1 конденсац11 ДТС були зроблеШ сл1дуюч! припущення: конденсац1я в1дбуваеться т1льки на поверхп1, в1льноТ в!д НКГ, тобто 1лкт - - Е„р. ; температура насичення змЬ нювалась незначно, вс1 ф1зичн1.параметри визначались по 11 середньо-му значению; вм1на перепаду температури в активна частинг зони конденсацП Д^ - 1^НАС - "ttm.lt в час* приймалася пост!йною внаслЬ док невначного зб1льшення товщини пл1вки ст1каючого конденсату через компенсуючий вплив снижения в'язкост! ргдини 1 Шдвищення 11 швид-кост! руху в умовах поступового росту температури насичення.

На п1дстав1 анал1зу результат1в досл!джень по визначенню коефЬ ц1ент1в теплов1ддач1 у зон! конденсацП ДТС в процес1. '¡х тривалого функц1оиування було отримано р1вцяння:

0триман1 дан1 (мал. 5) показують, що спостер1гаеться задов Мша в1дпов1дн1сть м1ж експериментальними результатами та формулою, ко дозволяе вираховувати поступову зм1ну ефективно! довжини зони кои

(14)

•е..

А о * г °г

оР & " О о 0

¡7 'ч>

г

и? ч т н + н

+■

Мал.5. Вплив короз!йного процесу на теплообмш у зон1 конденсат 1 ДТС: а) О - 5 - 10,83 Вт, с^ 1-Ю"* м; б) + - 4-21.35 Вт, -2

с!ь- 1-10 м; 1,2 - узагальнення р1внянням (14); 3 - теоретична залежн1сть Нуссельта.

но $

/л»

5

На

\

о.— » •---г

1" А. -«-

О'

/00 ¿00 ХО ¿.мм

N. о,-1 • .---«

------- —8—п"~ _

ч

1, 4л- .

ЮО XX 300 1.П1

Я)

Мал. 6. Зм1на температурних пол! в ДТС на протяз1 р1зних перюд1в часу IX функц1онування: а) "Ер - 154±2 °С, с1ен- 1-10~*м, 1 -ЧГ -105 годин, 2 - *С - 4417 годин; б) - 204±2 "с, с16н- 1-10"гм, 3 - «Г - 118 годин, 4-С -'4432 годин.

денсацП. Тут же для пор1вняння отриманих експериментальних- даних наведено також р1шення Нуссельта. Очевидно (мал.5,а), що у початко-вий пер1од функц1онування ДТС, коли к!льк1сть НКГ мала, ПГФ не ста-б1л!зований 1 пробка Нльки починае формуватись, П розм1ри мають значно менший вплив на ефективну довжину 1, в!дпов1дно, площу зони конденсацП, н1ж у довготривалий пер!од, а експериментальн! дан! ма-, ють бхльш низьк1 значения ! наближаються до в1домого р1шення Нуссельта. В процесс подальшого функвдонування ДТС, по м!р! накопичення НКГ ! зб1льшення довжини пробки, зменшення активно! довжини вони конденсацП мае б!льш динам1чний характер, що супроводжуеться ^движениям температури насичення ! 1нтенсиф1кац1ею теплообм!ну. Шдви-щення р!вня робочо! температури та тиску насичення приводить до стиснення пробки НКГ 1 эбхльшення довжини активно! частини зони конденсацП, ,внасл1док чого експериментальн! дан! (мал. 5, б) наближаються до р1шення Нуссельта.

Вивчення впливу дифузП водню на температурний стан ДТС в про-цес! !х тривалого функц1онування показало, що дифуз1йний процес справляв суттевий вплив на розпод!л температурних пол1в ДТС 1, в1д-пов1дно, на 1х теплотехн1чн1 характеристики. Це пов'язано з тим, що в залежност! в!д часу функвдонування, геометричних та режимних пара-метр!в в результат! дифузП частини водню кр1зь ст!нку ДТС, кгль-к1сть водню, що залишаеться у внутр!шньому об'емПДТС та в пробп! НКГ, зм!нювться, що приводить до зм!ни законом!рностей теплоо6м1ну та розпод1лу температурних пол1в як у пробц! НКГ, так ! у зонг конденсацП.

Па допомогою розрахункового (8) та експериментального метол¡в доведено, що з п!двищенням робочо! температури 1 тиску насичення при однакових значениях товщини ст1нки ДТС, юлькЮть водню, що дифундув з внутршнього об'ему ДТС, зб1лыпуеться, а юльюсть водню, по за

лишаеться у ДТС - зменшуеться. Отриманх дан1 (мал.6) також п1дтверд-

жують, що гидвищення температури та тиску насичення у ДТС сприяють

абпшшенню дифузП водню з Бнутргшньо! порожнини ДТС !. стисненню

пробки НКГ, в результат! чого зм!на температури ст!нки у крайньому

перер1з! зони конденсаци практично за р1вн! промежки-часу при

"Ьр - 204 ± 2вС значно менша, н1ж при "Ьр- 154 1 2°С. При цьому к1ль-

к1сть водню, що залишаеться у внутр1шньому об'ем! ДТС, при "Ьр ••

о X о

204 ± 2 С ~ у два рази менше, н1ж при Хр - 154 ± 2 С.

Таким чином, теплотехн1чн1 характеристики ДТС, що тривало пра-цюють при бгльш високих температурах, вищ1 пор1вняно з ДТС, що пра-цюють при б1льш низьких температурах, незважаючи на б1льш 1нтенсивне проходження короз!йного процесу.

У додатку 1 наведено програму для розрахунку к!лькост! НКГ, що залишаеться у ДТС пЮля р1зних першд1в часу 1х функщонування.

У додатках 2,8 наведен! методика пЦготовки даних для программ розрахунку температурних пол1в ДТС для р1зного часу '¡х функщонуван-ня, а також акти впровадження результат1в дисертащйно! роботи.

ВИСНОВКИ

1. Показана можлив1сгь та перспективн1сть застосування ДТС 13 нержавшчо! стал! а водою для забезпечення теплових режим 1 в р1зного теплообкинного устаткування при дотриманн! необх1дних заход1в анти-. корозшюго захисту.

2. Роароолено спос1б захисту внутршньо! поверхн1 ДТС !з нержа-£пючо1 стал1 з водою в1д корозп (а.о. СССР N 1392120), доведена ефективн1сть якого дае пгдстав^ рекомендувати його до використання.

3. Термодинам1чно обгрунтована можлив1сть прот1кання короз1й-ного процесу з кисневою (1) та водневою (2) деполяризащями у закри-тп'| систем! нержаьшча сталь - вода ! запропонована модель коро-

иного процесу в ДТС. Виявлена нер!вном1рн!сть корозп в умовах

тривалого функцЮнувания ДТС.

4. Доведено, що результати теоретичного прогнозу корозпшого процесу задовиьно узгоджуються з експеримент'йльними даними газового, а також як!сного х!м!чного анал1з!в теплоноспв 1 твердих продукте, що утворгагаться у ДТС.

5. Виконано теоретичний анал1з 1 отримано експериментальн! дат про зм1ну розм!р1в пробок НКГ в початковий та .довготривалий першди функЩонування ДТС. Отримано формули (6),(7) для визначення довжини пробки, що враховують час функцшнування, теплоф1зичн! властивост! НКГ, а. також геометричн1 та режимт параметри ДТС.

6. Отримано узагальнююч1 залежност! (10), (11) для розрахунку вагально! к1лькост1 водню, знайден1 на гйдстав1 анал1зу даних експр-риментального досл!дженняя як1сного складу НКГ, а також теоретичних розрахунк!в к1лькост1 НКГ, що залишаеться у внутрштй порожний та дифундуе кр1зь ст1нку ДТС в процес1 Тх функцЮнування.

7. Показано вплив дифузП водню на розпод!л температурних поЛ1в ДТС у процес! 1х тривалого функцюнування. В1дзначено, що п!двищення температур« 1, в!дпов1дно, тиску насичення оприяють гб!льтенню юлъ-костх газу, що дифундуе кр1эь ст1нку ДТС, а також стисненнга пробки НКГ, що супроводхуеться покращанням теплотехн!чних характеристик ДТС, незважаючи на 01льш 1нтенсивне прот1кання короз!йного процесу.

8. Встановлено, що короз1йний процес у зон1 нагр!ву ДТС не чинить суттевого впливу на величину коеф1ц1внт1в теплов1ддач1 у дос-л1дженому температурно-часовому д1апазон1, незважаючи на присутнЮть твердих продукт1в корозП. КоефШенти теплов1ддач1 в зон! нагр1ву ДТС при '¡X тривалому Функц1онуванн} виэначаються по формул! (13).

9. Визначено, що розрахунок теплообм!ну в зон! кокденсаци ДТС у процес! Тх тривалого функшонування можна зд!йснювати' за допсмогсо модифшоЕано! формули Нуссельта (14) з Урахуванням гм!ни довжини ли-

тивнси частини вони конденсацП. ЕИдхилення експериментальних точок в 1д теоретичного ршення Нуссельта е насл1дком неврахованого у теоретичному pimeHHi впливу довжини пробки НКГ, яка поступово скорочуе активну довжину зони конденсацП, що перешкоджае теплопередачи

10. На п1дстав1 узагалььення даних комплексу проведения досл1д-жень наведен! методики 1нженерного розрахунку коеф!ц1ент1в теплооб-м1ну в зонах Harpisy i конденсацП, а також тдготовки даних для розрахунку температурних пол1в ДТС для piamix nepiofliB часу Ix робо-ти. Отриман! дан!, над1йн1сть яких П1дтверд)»ена багаточисельними експериментальниш результатами протягом тривалого фунюцонування ДТС, дозволяють використовувати ix при poapoöqi та конструюванн1 як окремих ДТС, так i pisHoro уотаткування на Ix баз!, що повинне пра-щзвати протягом тривалого периоду.

.Зм1ст дисертацП опубл1ковано в таких роботах:

1. Семенам. Г., Панасенко В.Ф., Руденко А. И. О механизме газовыделения в тепловых трубах из нержавеющей стали с водой.- Изв. вузов. Энергетика, 1986, N7, с.79-82.

2. Семен? М.Г., Руденко А.И., Ефимова A.A. Определение массы выделившегося водорода в тепловых трубах из нержавеющей стали с водой в процессе длительного функционирования.- Инженерно-физический журнал, 1987, т.63, N4, С.552-Б57.

3. Семена М.Г., Руденко А. И., Рыбкин Б.И. , Гусев Ю. А. Определение интенсивности, газовыделения в тепловых трубах из нержавеющей стали с еодой.- Изв. вузов. Энергетика, 1989, N2, с.82-86.

4. Руденко А.И.ПанасенЛэ В.Ф., Калабина Л.В., Семена М.Г. Механизм коррозии низкотемпературных тепловых труб из аустенитной нержавеющей стеши с еодой,- Изв. вузов. Энергетика, 1991, N2, с.92-97,

5. A.c. 1392120 (СССР). Способ термической обработки тепловой

трубы иэ аустенитной нержавеющей стали/ А.И, Руденко, А.П. Пищик. М.Г. Семена, О.А. Безуглый// Бюл. изобр., 1988, N16.

6. А.с. 1746183 (СССР). Способ ускоренных испытаний тепловой трубы/ А.И. Руденко, А.П. Нищик, А.Н. Гершуни// Бюл. изобр., 199Г', N25.

7. А.с. 1772693 (СССР). Способ испытаний материалов/ А.И. Руденко, А.П. Нищик, В.Ф. Паяасенко, JI.B. Калабина// Бюл. изобр., 1992, N40.

8. А.с. 1786929 (СССР). Спецтема/ А.И. Руденко, А.П. Нишик, А.Н. Гершуни, М.Г. Семена.

9. Руденко А.И., Панасенко В.Ф., Калабина Л.В., Нищик А.П. Возможность оценки коррозионного поведения нержавеющей стали в воде по поляризационному сопротивлению в условиях функционирования тепловых труб.- Защита металлов, 1993, т.29, N5, с.768-772: •

УМ0ВН1 ПОЭНАЧЕННЯ

рН - водневий показник; q - густина теплового потоку, Вт/м4 ;

t,Т - температура, °С i К в!дпов!дно; L, 1 - довжина, м; Р - тиск.

Па, бар ; d - д1аметр, м; § - густина, кг/м3 ; S - товщина, м; f -

час функц1онування, год; - гаЗова стала, Дж/кг-К; V - об'ем. м3:

1 IV

S - площа кородуючо! поверхн1, м ; Л - коефш1ент теплопровшюст!. Вт/м-К; g - прискорення в1льного пад1ння, м/с4; г - прихована теплота пароутворення, кДж/кг; Q - тепловий пот1к, Вт; ji<t - коефШент динамШно'Г в'яакост!, Па.с; в.о. великий об'ем.

1НДЕКСИ

нас - насичення; вн - внутр!шн1й; ц - пил1ндр; р - робоча; кр - кри-тичний; акт - активна; р1д - р1дина; ст - ст1нкз; пр - пробка.

SUMMARY

Rudenko A.I. Influence physico-chemical processis'on the heat engineering characteristics two phases thermos!phones.

Dissertation for the degree of candidate of technical science by speciality 05.14.05 - theoretical principles of heat engineering, Kiev polytechnic institute, Kiev, 1994.

The dissertation, in which maintain results of theoretical and experimental researches about influence physico-chemical processis on the heat engineering characteristics two phases thermosiphones of stainless steel with water in conditions of long-therm functions, is defended. It is shown expedience such devices for provide h»< iL regimes in different eqwipment. It is realised Industrial introduction of dissertation results.

АННОТАЦИЯ

Руденко А.И. Влияние фивико-химических процессов на теплотехнические характеристики двухфазных термосифонов.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических; наук по специальности 05.14.05 - теоретические основы теплотехники, Киевский политехнический институт, Киев, 1994.

Защищается диссертация, которая содержит результаты теоретических и 'экспериментальных исследований о влиянии фивико-химических процессов на теплотехнические характеристики двухфазных термосифонов из нержавеющей стали с водой при их длительном функционировании. Показана перспективность таких устройств для обеспечения тепловых режимов различного оборудования в течение длительного периода эксплуатации. Осуществлено промышленное внедрение результатов диссертации.

Ключов1 слова: теплотехн!чн1 характеристики, двофазн1 термоси-фони, ф1вико-х1м1чн1 процеси.

•Здобувач ' 0.1. Руденко

I

Поли, к печ. Формат {0ЩН Бумага

Печ. офс. Усл. печ. л. /3 Уч,«эд. л. • у Тираж /¿>0 Ъы.Ц-ЗШ _

Киевская книжная типография научной книги. Киев. Б. Хмельницкого, ¡9.