Введение к работе
з .
Актуальность проблемы. В настоящее время получили широкое
распространение теплообменные аппараты, в которых происходит кипение
теплоносителя. Подобные теплообменники используются в самых
разнообразных теплотехнологических установках текстильной,
микробиологической, химической, пищевой, металлургической и в других отраслях промышленности. Они нашли применение в теплоэнергетике, на транспортных установках. Речь идет не только о двухфазных термосифонах, в которых происходит кипение и конденсация промежуточного теплоносителя, циркулирующего внутри замкнутой полости, но и о теплообменниках, из которых пары кипящей жидкости непрерывно удаляются. Эффективность функционирования подобных теплообменных аппаратов во многом зависит от интенсивности теплоотдачи в зоне кипения. Это и определило основную цель настоящей работы: разработать конструктивные варианты теплообменных аппаратов, обеспечивающие повышенную интенсивность теплообмена в зоне кипения теплоносителя н инженерные методы их теплотехнического расчета.
Известно что при сравнительно низких значениях плотности теплового потока величина коэффициента теплоотдачи при кипении в "большом объеме' не слишком высока и поэтому может составлять заметігую долю в общем термическом сопротивлении процесса теплопередачи. Это существенно снижает эффективность процесса теплообмена даже при кипешш таких теплоносителей, для которых характерны высокие значения коэффициента теплоотдачи при парообразовании, например, таких как вода.
Область умеренных значений плотности теплового потока характерна еще и тем, что кипение в Со.гьиюм объеме может оказаться просто невозможным, если не достигнута тепловая нагрузка, соответствующая началу закипания данной жидкости. При этом становится невозможным реализовать саму цель: обеспечить высокую теплоотдачу за счет организации процесса кипения теплоносителя.
Освоение области умеренных тепловых нагрузок, при которых невозможно обеспечить кипение в большом объеме жидкости, соответствует перспективам развития многочисленных видов теплообменной аппаратуры. Меньшее значение плотности передаваемого теплового потока, как правило, позволяет уменьшить температурный напор между теплоносителями в теплообменнике, то есть, приводит к повышению эффективности его работы.
Следует отметить, что в ряде конструкций теплообменных аппаратов с кипением теплоносителя для интенсификации теплоотдачи используют нанесение на поверхность греющей стенки капиллярно-пористого покрытия. Этот метод безусловно перспективен и хорошо себя зарекомендовал в случаях, когда капиллярная структура покрытия не засоряется отложениями, возникающими или за счет разложения в процессе эксплуатации теплообменника самой кипящей жидкости, либо за счет медленных химических реакций между жидкостью и стенкой. Либо такая капиллярная структура может засоряться веществами, поступающими в теплообменник извне вместе с
потоком самой кипящей жидкости. С учетом этих обстоятельств, использование капиллярно - пористого покрытия поверхности теплообмена со стороны кипящей жидкости в целом ряде технических задач оказывается неприемлемым.
В настоящей работе рассматриваются варианты конструктивного исполнения зоны кипения теплоносителя, в которых этот процесс организуется в системе капиллярных щелевых'каналов. С точки зрения увеличения ресурса расчетного режима эксплуатации, этот вариант более неприхотлив и надежен, чем поверхность теплообмена, снабженная капиллярно - пористым покрытием. Выполненные ранее экспериментальные и теоретические исследования ряда авторов показали следующее. Если организовать процесс кипения в узком канале, с величиной щелевого зазора не превышающей величины капиллярной постоянной кипящей жидкости, то можно получить значение коэффициента теплоотдачи в несколько раз большее, чем при кипении в большом объеме при той же тепловой нагрузке. Кроме того, эти исследования показали, что соответственно может быть в несколько раз снижена величина минимальной плотности теплового потока, при которой начинается процесс кипения.
Указанные предпосылки позволили перейти к разработке конструктивных решений по интенсификации теплоотдачи в испарительной зоне теплообменных аппаратов с фазовыми переходами теплоносителя и к созданию инженерных методов их расчета.
Диссертация посвящена разработке и исследованию теплообменных аппаратов с интенсификацией теплоотдачи в зоне кипения теплоносителя за счет организации этого процесса в капиллярных щелевых каналах.
Практімеская значимость темы диссертации обусловлена необходимостью создания теплообменных аппаратов с фазовыми переходами теплоносителя,, имеющих повышенную интенсивность теплообмена в зоне его кипения.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является: разработка конструктивных решений зоны кипения теплообменных аппаратов с фазовыми переходами теплоносителя, обеспечивающих повышенную интенсивность теплообмена за счет организации процесса кипения в капиллярных каналах.
Поставленная цель была достигнута путем решения ряда конкретных научно - технических задач, среди которых можно отметить следующие:
разработка расчетных соотношений, обуславливающих выбор геометрических параметров каналов, в которых организуется кипение и позволяющих определить интенсивность теплоотдачи при кипении в указанных условиях;
экспериментальная проверка полученных расчетных соотношений применительно к кипению в каналах различной геометрии;
исследование эффективности использования разработанных методов интенсификации теплообмена при кипении в промышленных теплообменных аппаратах с фазовыми переходами теплоносителя.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Впервые выполнен обобщенный анализ вариантов конструктивных решений зоны кипения в теплообменных аппаратах с фазовыми переходами теплоносителя, позволяющий обосновать выбор конкретного варианта конструктивного решения, в зависимости от геометрических и режимных параметров создаваемого тешюобменного аппарата.
Разработана модель процесса кипения в капиллярных щелевых каналах, учитывающая влияние истинного объемного паросодержания на характеристики теплообмена.
Разработаны расчетные соотношения, связывающие гидродинамические и
тепловые характеристики кипения жидкости в капиллярных каналах
различной геометрии и позволяющие выполнить расчет интенсивности
теплоотдачи в указанных условиях.
Впервые разработаны расчетные соотношения для определения величины критической тепловой нагрузки при кипении жидкости в капиллярных каналах.
Выполнено поэтапное теоретическое исследование "взаимосвязи гидродинамики движения одиночных паровых пузырей в обогреваемых капиллярных каналах с гидродинамическими характеристиками развитого двухфазного потока, с характеристиками теплообмена в области пузырькового режима кипения и с геометрическими и режимными параметрами, определяющими наступление кризиса теплообмена при кипении в указанных условиях.
Выполнено экспериментальное исследование гидродинамики одиночных пузырей в капиллярных каналах различной геометрии и при различных режимах обогревания стенок капала.
Выполнено экспериментальное исследование гидродинамики развитого двухфазного потока при кипении в капиллярных каналах.
Выполнено экспериментальное исследование теплообмена при кипении в вертикальных, наклонных, плоскопараллелышх и кольцевых каналах в случае использования различных схем их питания жидкостью.
Экспериментально подтверждено, что базовые предпосылки, заложенные в
исходную модель кипения в капиллярных каналах, правильно отражают
основные закономерности этого процесса, а полученные расчетные
соотношения могут быть использованы при конструировании и расчете
испарительной .зоны теплообменных аппаратов с фазовыми переходами
теплоносителя.
Исследованы варианты приложения результатов проведенного
теоретического и экспериментального исследования к конструированию и
расчету теплообменных аппаратов с повышенной интенсивностью
теплообмена в зоне кипения, теплоносителя.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации. Справедливость полученных расчетных и экспериментальных результатов основана на
удовлетворительном совпадении расчетных данных с результатами эксперимента, на использовании современных методов и средств проведения опытов и расчетов, на тщательной тарировке средств измерения и на сопоставлении полученных результатов с данными других исследователей. Личный вклад автора заключается в непосредственном формировании общих концепций настоящего исследования, разработке расчетных соотношений, описывающих гидродинамику и теплообмен при кипении в капиллярных щелевых каналах различной геометрии, в их экспериментальной проверке, участии в разработке конструктивных решений теплообменных аппаратов и их внедрении в промышленности. Практическая ценность работы заключается в следующем:
Результаты работы позволяют обоснованно выбрать вариант конструктивного решения испарительной зоны теплообменного аппарата с повышенной интенсивностью теплообмена в зоне кипения за счет организации этого процесса в капиллярных каналах и рассчитать их геометрию таким образом, чтобы обеспечить максимально возможную для расчетной тепловой нагрузки величину коэффициента теплоотдачи. За счет этого интенсивность теплообмена при кипении может быть увеличена в 3- 5 раз по сравнению с интенсивностью теплообмена при кипении в большом объеме при той же тепловой нагрузке. v
Результаты работы позволяют рассчитать на основании знания геометрии капиллярного канала величину его критической тепловой нагрузки, что также важно с точки зрения обеспечения эффективности и надежности работы всего теплообменника в целом.
Результаты работы были использованы: при конструировании и расчете термосифонных рекуператоров для установки непрерывной стерилизации питательной среды внедренных на Бердском заводе биологических препаратов; при конструировании и расчете теплообменных аппаратов для системы предварительного увлажнения ткани перед подачей в машину для влажностяо - тепловой обработки ткани и внедрены на Павловопосадской платочной мануфактуре. В результате .внедрения теплообменников с интенсификацией теплоотдачи в зоне кипения достигнута экономия греющего пара, снижена металлоемкость конструкщш теплообменников.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
Всесоюзном теплофизическом семинаре (Новосибирск, І975 г.);
Объединенном научном семинаре по вопросам теплопередачи Московского высшего технического университета, Московского энергетического института, Московского лесотехнического института (Москва 1976 г.);
21 - ом Сибирском теплофизическом семинаре по теплообмену и гидрогазодинамике при кипении и конденсации (Новосибирск, 1978 г.);
6 - ой Всесоюзной конференции по теплообмену и гидравлическому сопротивлению при движении двухфазного потока в элементах энергетических машин и аппаратов (Ленинград, 1978 г.);
4-ой Всесоюзной конференции по тепломассообмену (Минск, 1984 г.);
8 - ой Всесоюзной конференции по проблемам тепломассообмена (Минск, 1987 г.);
Научных конференциях профессорско - преподавательского состава Московского государственного текстильного университета (1978 - 1998 г);
Всероссийской научно - технической конференции "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности" (Москва, 1999 г.).
Публикации. По работе опубликованы 25 научных статей, 4 авторских свидетельства на изобретения, 1 монография.
Структура її объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы, содержащего 168 наименований. Работа содержит 210 страниц текста, иллюстрирована рисунками.
