автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Закономерности теплообмена в газожиткостных охлаждающих системах устройств с высоким объемным тепловыделением

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ шештт хотмльшй ПРОШШШОСТИ

На правах ру1Юпиои да 536.248 ,

УСПЕНСКИЙ ИГОРЬ ШКОЛАЕШЧ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТШООШША В ГАЗОИИДКОСТНЫХ ОХДАДДАШЩ СИСТШХ УСТРОЙСТВ С ВЫСОКИМ ОБЪЕМНЫМ ТШОВВДЕЛШМШ

Специальность 05.14.05 - Теоретические основа

теплотехники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации яа соискание ученой степени капдвдата техиачеоких паук

Ленинград 1391

Работа выполнена в Ленинградском ордена Трудового Краопого Знамени технологическом институте холодильной промытаяенностк.

Научшй руководитель - доктор технических наук,' профессор

Цветков О.Б.

Официальные оппопентц: доктор тохзшчэсках паук, профессор

Доманский И.В. кандидат технических наук, доцэпт

Земсков Б.Б.

Ведущее предприятие: ОКБ МГП ДОЗП "Свотлана". Защита диссертации состоится "К".

_ 19ЭХ г.

в I У часов на заседании специализированного Совета К 063.02.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Ленинградской технологическом институте холодалыюй промышленности по адресу: 191002, г.Ленинград, ул.Ломоносова, 9.

Отзыв в двух экземплярах, ааверошшй печатью учреждения, прооиы направить в снедаализяровашшй Сове! института.

С диссертацией модно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан

разослан /<У" й-

1991 г.

Ученый секретарь специализированного Совета № I к.г.п., доцент

Л.Л.Акулов

ОЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение эффективности работы систем охлаждения, отводящих мощные тепловые потоки, плотность которых сотни нВт/м^, является важной задачей современной теплоэнергетики, ракетной техники, химической технологии и мощной радиоэлектроники.

Перспективным направлением при разработке систем охлаждения подобного рода представляется применение двухфазных дисперсных потоков, позволяющих повысить эффективность процесса теплообмена в сравнения с однофазными системами. Одной из активно развява-вдейся областей пртаепопил газовддкостних потоков слуяит использование их в коипактных охлаждающих устройствах с исключительно высокими локальными удельными тепловыми нагрузками, достигающими 2-3 МВт/м2.

Практическая реализация указанных охлаядавдих устройств ос-ношвоется в настоящее время на расчетных схемах, приводящих к неоправданным размерам твшюобменннх поверхностей, недопустимым температурят режимам работи оборудования л как следствие, к росту капитальных и эксплуатационных затрат, к необратимым нарушениям технологических режимов работы, как правило, уникального оборудования.

При отсутствии достоверных теоретических представления о механизме процесса, его корректного математического описания', становятся актуальной постановка экспериментальных работ по изучению зависимости коэффициентов теплоотдачи от свойств газогад-icocTiiux потоков, тепловых нагрузок и конструктивных особенностей теплообменник поверхностей.

Диссертация выполнялась в соответствии с координационным планом НИР Научного Совета All СССР по комплексной проблеме "Теплофизика и теплоэнергетика".

Цель работы. Изучение закономерностей теплообмена в газо-явдкостлнх охлаждающих системах устройств с высоким тепловыделением. Разработка на этой основе научно-обоснованной методики теплового расчета и конструирования систем газожидкостного охлаждения анодов мощных генераторных ламп.

Цдучндд ровизня. Создала экспериментальная установка дош исследования тепло обмана в газохидкостных системах о вцсокеш твплоо идвлвтюи.

Впервые получены экспзримзнталышо данные о коэйздяентах теплоотдача при. различных реяиыах водо-поздушиого потока, температурах теалоотдаяцих поверхностей и тепловых нагрузках до 3 МЗт/и2.

Рассмотрены физическая модель и математическое описание ш-ханааыа процесса теплообмена, энергетические допущения, необходимые дая разработки яиженоргш методов расчета водовоздушюс потоков в каналах с высоким тепловыделением.

На основе теоретических представлений и статистической обработки собственных опцигиХ данных, а таюке данннх других исследователей получены критериальные уравнения по теплоотдаче газо-яадкостных потоков.

Выявлены особенности процессов! конвективного теплообмена и теплообмена в условиях поверхностного кипения. Предложены соотношения доя определения границ различных режимов теплообмена.

Разработана методика теплового расчета теплообменник устройств, использующих газожидкостнне системы охлаждения.

Ртастичоекая данность и реализация работы в тюштаеяности. Получены обобщающие уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи газсгаидхостннх потоков, составлен алгоритм расчета, с помощью которого разработана программа для ЭВМ, позволяющие проектировать теплообменныэ устройства.систем охлаждения с мощными тепловыделениями.

Результаты изучения влияния старости циркуляции, расходного газосодержания, температуры газожидкостного потока ыогут быть иопользованы для выбора эффективных режимов работы охлаждающих устройств.

Рекомендованы способ и система охлаадения, а так же конструкции охлавдакщих устройств, приоритеты на которые подтверждены двумя авторскими свидетельствами на изобретения.

Результаты работы использованы при проектировании систем водо-воздутаного охлаадения мощных радиопередающих устройств. Испытания таких систем, реализованных в.НПО им.Коминтерна (г.Дешш-. град), показало, существенное сокращение расхода охлаждающей жид-,

кости, по сравнению с водянныи системами, снижение эксплуатационных затрат, улучшение массогабарятных и энергетических харакге-ристик теплообменяого оборудования. Ожидаемый экономический э^ фект от использования результатов работа, по данным НПО ям.Коминтерна , составляет 8ф тнс.руб в год.

- результаты экспериментального исследования теплоотдачи водо-воздуптного потока в каналах с высоким тепловвделением;

- физические представления о механизме теплопереноса при исследованных режимах течения водо-воэдучного потока и тепловыделения;

- уравнения для расчета средней теплоотдачи газожидкостного потока в каналах о высоким тепловыделением при различных режимах теплообмена;

- методику, алгоритм и программу теплового расчета для ЭВМ устройств водовоздуттаого охлаждения анодов мощных генераторных лат.

Апробация работа. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на П Всесоюзной конференции "Теплофизика я гидрогазо-днпамика процессов кипения и конденсации" (г.Рига, 1988 г.), на Всесоюзной научно-практической конференции "Пути интенсификация цропзводства и применения искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, торговле и на транспорте" (г.Одесса, 1989); па конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, шшзпероз и аспирантов ЛТЛШ (г.Ленинград, 1987-1990 гг.).

Публикации. По тема диссертации опубликовано 6 печатных работ, получено 2 авторских свидетельства.

Структура и объем пяботи. Диссертация состоит из введения, четырех глаз, шводэв и приложений; содержит 102 страницы машинописного текста, 33 рисунков, 30 таблиц. Список использованной литературу включает 163 наименования.

Основное содержание работы

Оборине исследования теплообмена в газо-дарожидкостник охлаждающих системах, баяв проведены М.Л.Стыршювичем, С.О.Кугате -лэдзе, Д.А.Лабунцовым, В.Н.Субботакнм, А.И.Леонтьевым, В.М.Бори-

тапскнм, А.Д.Андреевским, В.Н.Сокояовш, И.В.Домаиским, С.А.Бо-гатых, В.Б.Ти*чинш и др.

На оовове анализа работ, посвященных.'исследованию теплообмена при движении газо-пахюяшдко стшлс потоков в трубах и каналах в диссертации показано, что идавдиеся в литературе данные недостаточны для создания обоснованной методики расчета компактных ох-лакдаю(иг:х систем с высоким тэЕлавгделениом.

Существует»« модели механизма теплообмена недостаточны для раскрытия физической сущности процесса теплоотдачи, не могут быть истольэованч для расчета и проектирования охлавдаксщх систем.

Сформулированы основные задачи исследования, в соответствии с которыми была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, произведен выбор теплоносителей, разработана методика проведения эксперимента,

Принципиальная схема установки представлена на рио. I,-Эксперимантсльная установка состояла из рабочего участка, смесителя, систем, обеспечивающих подачу сжатого воздуха и води, измерение расходов, тепловой ковдоети, температур и давления. .

Сжатий воздух иг компрессора после маслинного фильтра поступает в смеситель, где сшшваясь с водой, образует водо-воздуст-иый дисперсный поток. Из смесителя, пройдя участок визуального контроля и гидродинамической стабилизации, газмшдкосганй поток поступает в рабочий участок.

Основным элементом рабочего участка являлся толстостенный медный цилиндр диаметром 200 т, ддошоё - 270 мл. На наружной поверхности цилиндра внфрезерованы ребра прямоугольного сечения (2x6 мм), равномерно с тагом 8 мы,.расположенные по периметру. Снаружи цилиндра располагалась "мегаллическаяр рубашка". Водо-воздупшая смесь поступала в каналы, образованные поверхностью цилиндра и рубашкой, плотно насаженной па верташы ребер. Конструктивно рабочий участок воспроизводил реальные элементы анодов мощных генераторных лам. Тапловой поток создавался ашссией олек-тронов на внутреннюю поверхность цилиндрической стенки (анод) с катода, расположенного коаксиально, аналогично тому как происходит разогрев анода генераторной лампы.

Температура стенки каяала измерялась хромель-кспелевыми термопарами, спаи которых зачеканавалиоь в стенку металлического цилиндра. v

Водовоздупшый поток 210оде проходдеьяя рабочего учэотка поступал в теплообм&вник и далее в сезарацпо;г.]уш камеру, откуда вода возвращалась в охлавдающую систему, а воздух выбрасывался в атмосферу.

Организация эксперимента предусмаи'ривала проведение измерений как в режиме постоянного расхода жидкости, так и в реглме постоянства расхода воздуха. Для аттестации экспериментального стенда проводились контрольные опыта с однофазными охлаждающим? потоками.

В процессе экспериментов измерялись: '/емпература рабочего участка С ¿сг ), температура газошщкостдаго штока ( ), электрическая мощность нагревателя (IV 5, расходы газожидкостной смеси ( V}- , ), ее давление ( р ).

Объемное расходное воздухосодержаиие на вход* в канал (/За< ) варьировалось от 0,58 до 0,97, массовое расходное возцу-хосодеряапиа ( ) - от 0,003 до 0,032. Скорость воздух? в канале ( 0ХГ ) составляла ь * 15 ц/с. Опыт проводились при давлениях 0,11 + 0,3 МПэ и тыковых нагрузках ( ^ ) в пределах от 0,1 до 3,0 лВт/м^. Гидравлический диаметр канала ( с/г ) составлял '¿. мм, дайна - 270 ш.

Проведенный эксперимент позволил выявить закономерности изучения температура сгекки канала от удельной тепловой нагрузки С С|, ), температуря пстэка и параметров зодо-воздрт'кого потока (рис. 2). Как вздко из рисунка зависимость -¿спретерпевает излом, соотвег-отвузидай резкому повы^эрию температуры стенка канала. Для сопоставления на рис. 2 приведены также экспериментальные данные для случая однофазного потока ( &г =0).

Зависимость коэффициентов теплоотдачи ( Леи ) от температуры стешн,' плотности токового потока и массового расходного газосодержаная потека (К ИХ ) гоказэна на рьс. 3* и 4.

Полученные в настоящей работе опытнее двнные по теплообмену для исследованных охлаядаиадах систем ьа таком уровво тепловых, потоков являются едавственЕ .«и. Шесте с тем,.для проверки методика исследования проводились опыту-с тепловыми потоками до 1,0 МВт/м2, что позволило сопоставить данные с результатами независимых измерений, проведенных В. М. Борная екпм с сотрудниками. Сопоставление показало удовлетворительное согласно, расхожд чия

соответствуют осредненной погрешности опытных данных.

Экспериментально доказана высокая бф^ективностъ процесса охлаждения тедлоотдаюцих поверхностей водо-воздучтанх потоков в исследованном диапазона тепловых нагрузок и параметров газокад-костной смеси. В некоторых случаях наблюдалось двойное-тройное увеличение коэффициента теплоотдачи в сравнении с однофазными охлахцащиш системами при те;: не удельных расходах яидкостм.

Значительный раздел дассертации посвящен анализу якспери-ментальных данных.

л охлаждающих системах отмечено несколько режимов теплообмена: конвективный теплообмен, когда температура стоики ( •¿сг ) не превышает температуры насыщения ( Ьнае ), режим поверхностного кипения, при котором температура стенки ( ¿сг ) превышает температуру насыщения ( ¿Н4с)( а тешшрагура газожндаостыого потока в ядре Гсм <Г ^нйс > режим развитого кипения, который возникает щы ic.fi Ьцвс • -В зависимости от скорости движения, объемного гааооодершшш визуально различались и виды течения газоаидкостного потока. Так, при движении газоаидкостного потока наблюдались три наиболее типичные модели тече1шя: квазлгомо-генная, когда жидкость равномерно распределена в газе и поток движется в виде газожидкоотной эмульсин; дисперсно-кольцевая, в результате чего газовая фаза собирается вдоль оси штока, оттесняя к периферии канала жадность; смешанная - промежуточная форма потока, когда на входо в канал наблюдается квазигомогенная модель течения, на выходе из канала - дисперсно-кольцевая.

Для оценки границ существования дисперсно-кольцевой модели течения в качестве критерия использовалась величина кратдческо-го массового расходного газосодержания Хкр . введенная В.Е.До-рощу ком:

В диссертации обсуждаются основные представления теории пограничного слоя, а так яе прдблаженные теории турбулентности, в основу которых положено предположение о том, или ином виде связи между переносимой турбулентными пульсациями величавой ■ соответствующий осреднениями параметрами потока.

(I)

Ыэрой интенсивности турбулентных пульсаций может являться динамическая скорость 1у* :

У ."7

\г* * те у ^ (2)

здесь: 3? - некоторая константа, характеризующая структуру турбулентного потокаj ё - средняя по объему энергия диссипации.

т-tfl

где - коэффициент трошш, определяемый по форцудэ

m

В.М.Боригаанского

1СМ- AL M

^ " КеЙ

Сформулированные выше условия приводят для режима конвективного теплообмена к критериально^ уравнению вида

Шсм 15)

Критерий Рейнодьдса R^et-t для кваэпгомогенной модели течения газокидкостпого noToica рассчитывался по формуле

,СГМ1= С?иг)с1Ч^Г fi ом

D -КСсм =

(6)

Г)^ ......

кеСм « —тг»— M

и для дисперсно-кольцевой модели течения оогласно

здесь 1дГя » f4^ ~ соответственно плотность, скорость

' и динамическая вязкость ядра потока;

S'en* » Mcrt ~ °ooTB9TCTB0ifflQ средние значения Ш10Т-I шостя, скороста и динамической вязкос-

ти квазигоногенной: смеси.

Функция

РС/?

введена В.Н.Соколовым и Й.В.Домансюш и может бить аппроксимирована зависимостью (дата Рг 4 5) s

где - максимальный масштаб турбулентные пульсаций.

В случае квазкгомогешой модели расчетная форьула имеет вид:

и- С9)

\

а для дасперсно-кольцевой модели:

№ В**.'

С-у тигц*е

где - скорость течения жидкости в пленке;

(йпл - шюдадь поперечного сечения оденки жидкости.

Подробно рассмотрены методы расчета структурных параметров парожидкостннх потоков, дана их аналитическая интерпретация применительно к параметрам исследованного газожидкостногс потока. Опытные данные пд теплоотдаче использованы для определения константы (), поскольку с инженерной точки зрения необходимо было выяснить интерполяционные возмшшости критериального' уравнения (5). Принятое значение 35 , основанное на результатах настоящей работа, оказалось равным £2 = 1,Ь.

Расчетные значения коэффициента теплоотдачи согласуются с экспериментально найденными в пределах £ 25 % (рас. 5).

Как показал эксперимент при значительных плотностях теплового потока в пристенной области, возможно развитие процесса парообразования.

Трудности решения такого рода задач заключаются в отсутствии информации о плотности центров парообразования на поверхности нагрева-, частоте появления и размерах паровых пузырей и т.д. Вместе с тем, степень влияния собственно процесса парообразования зависит от соотношения конвективного переноса, вызванного организованным двияением потока, и развивающимся процессом кипения.

В диссертации приведены данные о коэффициентах теплоотдачи в режимах поверхностного и развитого пузырькового кипения, уста-

новлзна зависимости для определения границ зон конвективного теплообмена, поверхностного кипения и зоны развитого пузырькового кипения.

Результата гксперщ,гениального исследования теплоотдачи к газо-парожедкосткому потоку, предложенные формулы, физические представления об основных механизмах теплообмена и характере движения газонпдкастаых потоков в каналах полонены в основу алгоритма расчета а программы, реализованной па ЭВМ, для расчета а проектирования систем охладдешш анодов мощных генераторных лама. Едок-схека алгоритма расчета и программа ( ^ -Г/) приво-

де ;ш в диссертации.

1

Выводи я заключения

1. Создана экспериментальная установка для исследования закономерностей теплоотдачи в каналах с высоким тепловыделением, охиаздаемих газовдцкостннми потоками.

2. Впервые получены экспериментальные дашшо по теплоотдаче при охлаждении узких каналов водо-воздужнцх потоков при тепловых нагрузках от 0,1 до 3,0 ШЗт/м2.

3. Показано, что при использовании исследуемых газожвдкост-пнх потоков коеффациентп теплоотдачи ваше в 2-3 раза в сравнении с однофазной охлаздавдей системой при го ко удельных расходах гадкоста.

4. Проведено обобщение собственных опытних дааннх, получены теоретически обоснованные зависимости, которые учктывавт влияние основных факторов, определяющие гедродинамику я мохахшзм теплообмена при течения газоз:свдвосгных потоков.

5. Разработаны алгоритм, программа расчета па 2ВМ ерэднах кор^фэдяептоз теплоотдачи и методика теплового расчета охлаяда-юпих устройств анодов шцпцх генераторных ламп.

6. Результата диссертационной работа используются п

НПО ии,Коминтерна при разработке систем водовоздушаого охиаадэ-2шя современных мовдпа РИДУ, а таете при создании эквивалентов нагрузки с мощностью рассеяния до 2000 кВт.

Рис. I. Принципиальная схема экспериментальной установки. Обозначения: УО - устройство охлаждения; ТО - теплообменник; К - компрессор; Н - насосу СМ - смеситель; ЕР - бак резерва води; СУ - сепаратор; Т - датчик температуры; Р - датчик давления; РС - ротаметр; ВН - вентиль.

* ¡iO Л,/мим_ о Of -i iQtf/час _ a 0r » 20м*/чйе _ » Gr ■ 40 ¿/час _ xGr' Qfi1/час.

сЦ

tía ю

га

ю

W А-3 ' 70 m но (pffifo

Рас. 2. Зависимость *fctT от fy •

/

да" А

го

ю

t

- -ítól

Г- Säe

ft: о— у— -0— :—у — -о

Рис. 3. Зависимость^:« от fy . Рис. 4. Зависимость (¿crios-tcv Обозначения:

Уж/Vf ßfiK

0 20//0 oflse o,a$

го/го 0,0 <6 0,94

» гз/т Û.37

0 mi <о цаа<1 0,Si

д Wen a,Qo 8 ¿¡89

X WM o,oie

а со/to 0,00b £}?3

9 60/Sû 0,005 qes

+ 60/4Û OflH 0,9z

□ to/ш o,ooг 0,70

а во по 0,004 0,8f

д M/W 0,0 08 0,69

голо го/га ео/«о w/lfl

40/га '¡а/У бо/«з Ri/го ьо/ш

ECV20

аодо

1Î2.1 адоз з.аз о,s 16 w«

о.вз Ю04

V» Î8I

3,003 3,6S

0,<HS

0,34

Ш1

a,Q0£ фач

0,70 031 £\Sv

Re

crt

Ршз. 5. Обобщение охш'пшх данных но формуле (5).

Основное содержанке диссертации опубликовано в работах:

1. Успепсклй й.В. Результаты экспериментального исследования теплообмена при оротонш вертикальной пластиш водо-воздужада дисперсным потоком IJ Теплофизические свойства рабочих тел я процессы криогенной техника. Мэявуэ.сб. - Л.; 1ШП, I9B8. С.76-82.

2. Успенский И.Н. Интенсификация теплообмена в топкой пленке жидкости 1J Теплофизика и гидродинамика процессов кипения п конденсации. Тез.докл. II Всесоюзной конф. - Рига, 1988, т.1, С.135.

3. Успенский И.Н. Теплообмен мзвду вертикальной поверхностью

и водо-воздушшм дисперсным потоком // Термодинамические исследования, процессы переноса, методы измерения. - Л.: ЛТИХП, 1288. С.10-19. - Дан. в ЩНТМхшнефтемата, 4.10.8В, & 1924.

4. Успенский. И.Н., Цветков О.Б. К расчету теплообмена двухфазных охлаждающие систем У/ Пути интенсификации производства о применением исскуственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, торговле и на транспорте. Всвсоюзно-практ.конф. Тез.докл. -Одесса, 1989. С.33.

5. Успенский И.Ы., Цветков О.Б. Закономерности теплообмена двухфазных охлаждающих систем установок с высоким объемным тепловыделением // Процессы переноса, тешюфизичэские исследования, сред-

сова измерения. - Д.: ЛШП, 19Ь9. С.?2-Ь4. - Деп. в ЦШТИхимвефтешш, ШУ. & 2035.

6. Успенский 11.П., Цветков О.Б. Результаты экспериментального исследования теплообмена при охлааденш водо-воздушшц дао-персшм штоком устройств с высоким тепловыделением // Исследование тешюфизичеокнх свойств работах веществ и процессов теплообмена в холодильной техшшэ. Меявуз. сб. - Д.: ЛТШСД, 1989.

cfr - гидравлический диаметр, м; - плотность теплового потока, Вт/i.r; S - площадь еечешш, ií¿i t - температура, °С; tí"*- динамическая скорость, ц/с; ш - приведенная скорость, м/с; К - массовое расходное газосодарлсащш; «Л -коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2.Б); ' - объемное расходное газосодэржанле;

I, - коэффициент гидравлического трения; • \ - коэффициент теплопроводности, Вт/См.К); f1 - коэффициент данашческой вяв-кооти, Па.с; У - коэффициент кинематической вязкости, ir/с; р - плотность, кг/м; (Г - коэффициент поверхностного патя-

г.рдторуш. нравдтлл; = уч «л »г р - крихиршх геишмшдиа; Г1и= е(с!г/Л - критерий Нуссельта.

Индексы: ВХ - вход; Г - газ; ГМ - гомогенный; да - диспоро-но-кольцевой; Н - жидкость; КР - критическое значение; ЕЛ -пленка аидкости; СИ - смесь; СТ - стопка; Я - ядро потока.

Подписано к печати II.С4.91. Формат 60x84 1/16. Бум,.писчая. Печать офсетная. Печ.л. 1,0. Тирах 100 экз. Заказ367.Бесплатно.

Экспериментальнб-опытное производство Ленинградского ордена Трудового Красного Знамени технологического института холодильной промышленности. 191002, Ленинград, ул.Ломоносова,9

C.I25-I3I.

Условные обозначезтя

О