Введение к работе
Актуальность. Создание компактных немегаллоемких, высокоэффективных испарителей судовых водоопреснительных установок и их элементов требует дополнительной информации о процессах теплообмена и парообразования при кипении воды, водных растворов и морской воды.
Кипению жидкостей в литературе посвящено более 10000 работ. Однако данных о процессе кипения на горизонтальных трубах судовых испарителей очень мало. Поэтому проектирование испарителей в настоящее время выполняется, главным образом, по аналогии с подобными действующими.
Диссертационная работа выполнялась в рамках научно-технической программы Минвуза РСФСР "Исследования и освоение Мирового океана" 1976...1980 гг., направление - "Разработка методов и средств по опреснению, очистке и энерготехнологическому использованию вод Мирового океана" (пункты 6.2.2, 6.2.25), Общегосударственной комплексной программы "Мировой океан", проект "Энергетика" (периоды 1981...1985 гг., 1986...1990 гг., 1991...1995 гг.), Государственной программы фундаментальных исследований "Коренное повышение эффективности энергетических систем" АН СССР (период 1988...1990 гг.).
Цель работы. Разработать комплексную методику исследования процесса кипения на горизонтальных трубах в условиях свободной конвекции при атмосферном и пониженных давлениях (3,6...100 кПа) и на ее основе изучить основные характеристики пузырькового кипения, в том числе - с помощью киносъемки процесса одновременно в двух проекциях, и разработать модели для уточненного расчета теплообмена в испарителях с горизон-тальнотрубными греющими элементами.
Научная новизна. Впервые установлено, что пузырьковое кипение начинается с зарождения паровых пузырей на нижней образующей горизонтальной трубы. Разработаны модели для расчета температурного напора начала пузырькового кипения (А Та).
Впервые на базе экспериментальных данных установлена зависимость Л Т0 от режимных параметров процесса кипения и диаметра горизонтальной трубы.
С помощью киносъемки одновременно в двух проекциях выявлены основные особенности роста парового пузыря в условиях атмосферного и пониженного давлений. Установлено, что парообразование на нижней части горизонтальной трубы дает основное количество паровой фазы, отводимой от поверхности нагрева паровыми пузырями.
Обнаружено "слабое" влияние давления на парообразование и теплообмен. Установлен граничный уровень давления, ниже которого проявляется его слабое влияние на процесс кипения,и выявлена его зависимость от диаметра горизонтальной трубы.
Выявлены три процесса образования паровых пузырей: на верхней части ("поверхностные" пузыри), на нижней образующей горизонтальной трубы и в турбулентном вихре - в зоне отрыва двухфазного потока от поверхности горизонтальной трубы.
Для составления теплового баланса процесса кипения разработана и принята четырехкомпонентная модель отвода теплоты, согласно которой тепловой поток от поверхности горизонтальной трубы отводят, главным образом, четыре механизма: естественной конвекции, парообразования, турбулентного переноса и пульсационно-струйный.
Обнаружено, что паросодержание пристенного слоя по периметру горизонтальной трубы зависит от Л Т0. Получены формулы для определения па-росодержания пристенного слоя (двухфазного пограничного) по периметру горизонтальной трубы, которые позволяют определять тепловые режимы, соответствующие началу гидродинамического кризиса отвода пара на горизонтальных трубах.
На основании результатов исследования разработаны критериальные уравнения для расчета условий теплообмена при пузырьковом кипении с учетом влияния диаметра горизонтальной трубы.
Практическая ценность работы. Создана и отработана комплексная методика исследования процесса пузырькового кипения, когда парообразование и теплообмен изучаются одновременно.
Предложены научно обоснованные, новые конструкторские решения для модернизации существующих конструкций аппаратов, а также для создания новых более эффективных.
Разработаны новые формулы для теплового расчета горизонтально-трубных судовых испарителей.
Заложены основы для создания новой методологии совершенствования испарителей на базе полученных результатов.
Часть результатов автора, опубликованных в статьях, отдельных изданиях и в монографии, используются в учебном процессе в вузах (Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет, Дальневосточный государственный технический университет, Дальневосточная государственная морская академия - г. Владивосток, Дальневосточный государственный университет путей сообщения - г. Хабаровск, Балтийский государственный технический университет - г. Санкт-Петербург), в научной и практической работе организаций - Институт проблем морских технологий ДВО РАН (г.Владивосток), НПО "Солнце" АН Туркмении (г. Ашхабад), КБ при АО "Калужский турбинный завод", АО "Примагропромэнерго", Техуправление Тихоокеанского флота.
Достоверность результатов теоретических и экспериментальных исследований обусловлена следующим:
жснерименталыюй основой новых данных о пр. цессе кипения с использованием более совершенного метода оценки параметров процесса,
согласованием частных и общих известных теоретических моделей с результатами экспериментальных исследований настоящей работы,
отсутствием противоречий между известными закономерностями и результатами исследований процесса кипения иа горизонтальных трубах,
практическим использованием результатов работы.
Автор защищает: 1. Комплексную методику исследования процесса кипения (парообразование и теплообмен) на горизонтальных трубах.
-
Совокупность результатов экспериментальных и теоретических исследований теплообмена и внутренних характеристик процесса кипения воды, водных растворов солей и морской воды.
-
Модели для расчета условий теплообмена при кипении применительно к испарителям с погружными греющими элементами из горизонтальных труб.
-
Рекомендации к методике теплового расчета испарителей судовых водо-опреснительных установок.
-
Новые формулы, понятия и физические представления, введенные автором по результатам обработки экспериментальных и теоретических обобщений.
Апробация работы. Основные результаты научных исследований автора докладывались: на пятой, шестой, седьмой и восьмой Всесоюзных конференциях по теплообмену и гидравлическом}' сопротивлению при движении двухфазного потока в элементах энергетических машин и аппаратов (Ленинград, 1974, 1978, 1985, 1990 гг.), на научно-технической конференции "Вопросы интенсификации теплообмена опреснительных установок" (Киев, 1974), XX Сибирском теплофизическом семинаре "Нелинейные волновые процессы в двухфазных средах (Новосибирск, 1977), ХХГ Сибирском теплофизическом семинаре "Теплообмен и гидрогазодинамика при конденсации и кипении" (Новосибирск, 1979), IV Всесоюзной конференции "Проблемы научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана" (Владивосток, 1983), П Всесоюзной конференции по энергетике океана (Владивосток, 1985), Ш Всесоюзной конференции по энергетике океана (Владивосток, 1990), Международной конференции "Нетрадиционная энергетика и технология" (Владивосток, 1996), Международной конференции "Проблемы транспорта Дальнего Востока" (Владивосток, 1997). (См. также раздел "Практическая ценность работы").
В полном объеме диссертация докладывалась (1997-1998 гг.), кроме ДВГТРХУ, в Институте проблем морских технологий ДВО РАН, Дальневосточном государственном техническом университете, Дальневосточном государственном университете, Дальневосточной государственной морской академии.
Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты исследований, которые автор выполнил непосредственно сам, в том числе:
постановка задач исследований и методики их решения;
организация, планирование и проведение экспериментальных исследований и теоретических обобщений;
разработка конструкций и изготовление экспериментальных установок;
обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований, выявление и формулировка основных закономерностей процесса кипения воды, водных растворов и морской воды;
обоснование физических и математических моделей и формул;
разработка рекомендаций по использованию полученных результатов.
Диссертационная работа является обобщением научно-исследовательских работ автора, экспериментальная часть которых выполнена непосредственно автором в Дальневосточном государственном рыбохо-зяйственном университете (с 1980 г.), в Дальневосточном политехническом институте (до 1976 г.) и на "Дальзаводе" (1978-1980 гг.).
Публикации. Список публикаций по материалам диссертации включает 46 работ, в том числе - 7 отдельных изданий (Монография "Вопросы физики кипения жидкостей (на горизонтальных трубах)". Владивосток: Дальнаука, 1996. 212 с. и др.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения, приложения и содержит 305 страниц текста, 97 рисунков, 12 таблиц. Список использованных источников - 243 наименований.
