Введение к работе
Актуальность темы диссертации определяется тем, что в условиях перехода к рыночной экономике обостряется необходимость экономии энергетических и материальных ресурсов, большое значение придается разработке и внедрению энерго- и ресурсосберегающих технологий.
В технике широко распространены испарительные теплообменные аппараты, резервы улучшения экономических характеристик таких теплообменников далеко не исчерпаны. Материалоемкость данного оборудования и расход энергии при его эксплуатации могут быть существенно уменьшены путем повышения интенсивности теплообмена и уменьшения перегрева ТЄП: лоотдающей поверхности. В связи с этим на протяжении многих лет не прекращаются работы по исследованию процесса кипения и созданию поверхностей теплообмена, обеспечивающих высокоинтенсивную теплоотдачу при пузырьковом кипении.
Известно, что нанесение на теплообменную поверхность пористого слоя позволяет в несколько раз повысить интенсивность теплообмена при парообразовании. Этим объясняется большое количество исследований процессов, происходящих при кипении различных жидкостей на развитых и пористых поверхностях.
В связи с потребностями техники значительный интерес представляют теплотехнические характеристики углеводородов (пропан, пропилен, бутан, пропан-бутановые смеси). В частности, пропан применяется в кожухотруб-ных теплообменниках многокаскадных холодильных установок химических производств, кипящий пропан является источником холода при сжижении природного газа для его хранения. Кипение пропана, который, как и природный газ, хранится в сжиженном состоянии, осуществляется также при его ре-газификации. Эти же процессы имеют место в энергетических машинах и аппаратах. Пропан является диэлектрической жидкостью, химически совместим с большинством конструкционных материалов. Благодаря этим свойствам, в сочетании с высокими теплофизическими характеристиками, пропан может успешно применяться в испарительных теплообменниках погружного типа для охлаждения элементовмикроэлектроники.
Изучение закономерностей кипения пропана, наряду с решением экономических проблем, позволяет улучшить экологические характеристики теплообменного оборудования холодильной техники за счет отказа от применения озоноразрушающих фреонов.
Работа выполнена в соответствии с заданиями Государственной программы «Энергетика Об» НАНБ и Министерства образования и науки РБ на 1996-2000 (тема 1.9.1 «Теплофизика и теплоэнергетика»), Международной программы кооперации в науке и технологиях государств Восточной и Центральной Европы Европейского экономического сообщества РЕСО 94
(контракт № ERB-CIPD-C1V4-0515 от . ,03.V5), яьляющиіся составной частью программы JOULE II), проектом .V; Т97-303 от 1.03.98 Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований.
Целью работы является решение проблем энерго- и ресурсосбережения за счет повышения эффективности теплообменного оборудования испарительного типа, обеспечение экологической безопасности устройств получения тепла и холода путем равноценной а теплотехническом отношении замены используемых в этой аппаратуре оз нюразрушающих рабочих жидкостей на озонобезопасные, к числу которых относится пропан.
Указанная цель достигается изучением закономерностей процесса кипения пропана на поверхностях с капиллярію-пористой структурой, определением количественных теплообменных характеристик пористых поверхностей, изготовленных методом электродугового напыления, выявлением зависимости интенсивности теплоотдачи от параметров пористого покрытия и характера влияния внешних условий (температуры паров насыщения и давления в системе) на процесс теплообмена при кипении пропана на пористых поверхностях; обобщением опытных данных с помощью расчетной зависимости для вычисления интенсивности теплообмена.
Объектом исследования является процесс теплообмена при кипении пропана в большом объеме на поверхностях с капиллярно-пористым покрытием.
Новые научные факты установлены с помощью методов теплофизи-ческого эксперимента.
Научная новизна и значимость результатов работы состоят в следующем:
-
Работа содержит новые научно обоснованные результаты экспериментальных исследований в области теплообмена.
-
Получены экспериментальные данные по теплообменным характеристикам при кипении пропана в большом объеме на горизонтальных трубах без покрытия и с пористым слоем, нанесенным методом электродугового напыления. Исследована зависимость интенсивности теплообмена от внешних условий протекания процесса и параметров пористого покрытия. Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что повышение давления насыщения способствует интенсификации теплообмена при кипении пропана, причем до значений q ~30 кВт/м влияние давления проявляется сильнее, затем оно снижается, однако и в области высоких тепловых нагрузок коэффициенты теплоотдачи с увеличением давления продолжают расти.
-
При кипении пропана на трубах с пористым покрытием интенсивность теплообмена в 2,5-5 раз (в зависимости от пористости, толщины слоя, плотности теплового потока, давления) превышала аналогичные характеристики, полученные на гладком образце.
-
Предложена расчетная зависимость, обобщающая экспериментальные данные с погрешностью ±50%.
-
Применение металлизационных пористых покрытий как метод интенсификации теплообмена при кипении пропана в большом объеме обеспечивает возможность существенного снижения уровня энергопотребления'. Достоинствами этого вида покрытия являются также его высокие механические свойства (прочность, хорошая связь с подложкой), технологичность, позволяющая стабильно воспроизводить характеристики пористой структуры.
Практическая значимость полученных результатов определяется возможностью их использования при разработке испарительного теплооб-менного оборудования и выборе оптимальных режимов его эксплуатации и заключается в следующем:
-
Получены количественные теплообменные характеристики и определены закономерности их изменения при кипении пропана в большом объеме на горизонтальных трубах без покрытия и с пористым слоем, нанесенным методом электродугового напыления.
-
Определена зависимость интенсивности теплообмена от параметров капиллярно-пористого покрытия (толщина слоя и пористость), что существенно при разработке испарительных элементов теплообменников.
-
Установлено влияние внешних условий (температура и давление паров насыщения) на коэффициенты теплоотдачи, что обеспечивает возможность выбора оптимальных режимов эксплуатации теплообменного оборудования.
-
Предложена обобщающая зависимость, которая может быть использована в инженерных расчетах для определения теплоотдающих характеристик испарительных теплообменников.
-
Результаты исследования использованы при создании испарителя для установки по регазификации сжиженного пропана, а также испарителя теплового насоса, предназначенного для утилизации низкопотенциалыюго тепла.
Основные положения диссертации, выносимые на зашиту:
-
Полученные экспериментальным путем количественные характеристики теплообмена при кипении пропана в большом объеме на поверхностях с пористым покрытием, изготовленным методом электродугового напыления.
-
Закономерности теплообменного процесса при кипении пропана в большом объеме в условиях разных давлений.
-
Полуэмпирическая обобщающая зависимость для расчетного определения интенсивности теплообмена при кипении пропана на поверхностях с напыленным покрытием.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XII Международном конгрессе по химическим и обрабатывающим технологиям "CHISA '96", (Прага,
Чехия, 1996), IX Международной конференции "Усовершенсшоваиие процессов и аппаратов химических, пищевых и нефтехимических производств" (Одесса, Украина, 1996), Международном симпозиуме "Физика теплообмена при кипении и конденсации" (Москва, Россия, 1997), III Международном семинаре "Тепловые трубы, тепловые насосы, холодильники" (Минск, 1997), III Научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" "НОМАТЕХ-98" (Минск, 1998), III Научно-технической конференции "Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии" (Гродно, 1998), II Российской национальной конференции і о теплообмену (Москва, Россия, 1998), II Международной конференции по теплообмену и явлениям переноса в многофазных системах "HEAT '99" (Кельне, Польша, 1999), XI Межлуна-родной конференции по тепловым трубам, Токио, Япония, 1999 г., IV Минском международном форуме по тепло- и массообмену «Тепломассообмен ММФ-2000» (Минск, 2000 г.), Международном семинаре по теплообмену (Блед, Словения, 2000 г.), IV Минском международном семинаре "Тепловые трубы, тепловые насосы, холодильники" (Минск, 2000).
Опублнклванность результатов. Основное содержание диссертации изложено.в 18 публикациях, в том числе в научных журналах 4 статьи, в научных сборниках - 3, в трудах конференций и симпозиумов - 8, тезисов докладов - 3. Общее количество страниц опубликованных материалов - 97, в том числе без соавторов - 21.
Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, 4-х глав основной части, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем диссертации - 110 с, включая 34 иллюстрации, 8 таблиц, 85 библиографических ссылок и 3 приложений на 3 с.
