Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор исследований гидродинамики при кипении воды и водных растворов и течения вязких жидкостей в каналах с интенсификаторами теплообмена 9
1.1. Испарители кипящего типа с естественной циркуляцией 9
1.2. Влияние минерализации среды на теплоотдачу и гидродинамику при кипении в большом объеме 14
1.3. Исследование кипения на поверхности с искусственными центрами парообразования 25
1.4. Исследование течения вязких жидкостей в каналах с интенсификаторами теплообмена 39
Глава 2. Методика исследования и экспериментальные установки 52
2.1. Методика исследования гидродинамики при кипении водных растворов при повышенном давлении и экспериментальная установка 52
2.2 Методика исследования кипения на поверхности с искусственными центрами парообразования и экспериментальная установка 60
2.3 Методика и экспериментальная установка для исследования течения смесей вода-глицерин в каналах с интенсификаторами теплообмена 65
Глава 3. Результаты исследования гидродинамики при кипении водных растворов при повышенном давлении 71
Теплофизические свойства водных растворов Na2S04 71
3.1 Структура потока. Всплытие паровых пузырей 73
3.2 Эквивалентный диаметр всплывающих паровых пузырей 76
3.3 Скорость всплытия паровых пузырей 79
Глава 4. Исследование гидродинамики при кипении на одиночном искусственном центре парообразования 82
4.1 Скорость роста парового пузыря 82
4.2 Отрывные диаметры паровых пузырей 86
4.3 Частота отрыва паровых пузырей 91
4.4 Оценка теплоотдачи при кипении на поверхности с одиночным искусственным центром парообразования 95
4.5 Применение результатов исследования 97
Глава 5. Исследование течения смеси вода-глицерин в каналах с интенсификаторами теплообмена 99
5.1. Достоверность получаемых данных 99
5.2 Измерение перепада давления в однофазном потоке 101
5.3 Измерение перепада давления в двухфазном потоке 106
5.4. Измерение характеристик двухфазного потока 111
5.5. Оценка эффективности исследованных интенсификаторов теплообмена 123
Заключение 129
Список литературы 131
- Влияние минерализации среды на теплоотдачу и гидродинамику при кипении в большом объеме
- Исследование течения вязких жидкостей в каналах с интенсификаторами теплообмена
- Методика исследования кипения на поверхности с искусственными центрами парообразования и экспериментальная установка
- Эквивалентный диаметр всплывающих паровых пузырей
Введение к работе
- з -
Актуальность темы.
Испарители кипящего типа с естественной циркуляцией широко применяются в технике. Однако при их использовании возможны нестабильности циркуляции в контуре и понижение интенсивности теплоотдачи.
Испарители кипящего типа с естественной циркуляцией можно усовершенствовать с помощью интенсификаторов теплообмена на различных масштабах. Эффективным методом интенсификации теплоотдачи при кипении является создание на поверхности искусственных центров парообразования с оптимальными формой и размерами. Однако имеющиеся представления и рекомендации по выбору интенсификаторов теплообмена применительно к испарителям кипящего типа с естественной циркуляцией крайне ограничены.
Во многих устройствах используются среды с высокой вязкостью. В этом случае изучение интенсификации теплообмена представляет особый интерес. Большое значение для выбора метода интенсификации теплообмена в двухфазных средах представляют данные по структуре потока. Однако имеющихся сведений крайне мало.
Целью работы является экспериментальное исследование гидродинамики при кипении воды и водных растворов в большом объеме на поверхностях с искусственными и естественными центрами парообразования и течения смесей вода-глицерин в каналах с интенсификаторами теплообмена.
Научная новизна полученных результатов:
получены данные по скорости и диаметрам всплывающих паровых пузырей для водного раствора Na2S04 при давлениях 0.1-1 МПа;
проведены измерения скорости роста, отрывного диаметра, частоты отрыва паровых пузырей и теплоотдачи при кипении воды на поверхностях с искусственной микровпадиной. Обнаружено, что скорость роста парового
пузыря понижается с уменьшением диаметра впадины и увеличением недогрева жидкости;
получены распределения отрывных диаметров паровых пузырей для различных диаметров впадин;
установлена зависимость отрывного диаметра парового пузыря от размера впадины в исследованных условиях;
- получены данные по перепадам давления при течении воды и смесей
вода/глицерин с концентрацией 0.675 и 0.682 кг/кг в трубе с
интенсификаторами теплообмена и без них;
получены распределения эквивалентных диаметров всплывающих пузырей в потоке вода-воздух и вода-глицерин-воздух в трубе без и с интенсификаторами теплообмена;
для смеси вода-глицерин обнаружено повышение потерь давления и уменьшение диаметра пузыря;
- обнаружено, что интенсификаторы теплообмена уменьшают диаметр всплывающих пузырей;
-проведена оценка эффективности исследованных интенсификаторов теплообмена.
Достоверность полученных в диссертации данных обеспечивается обоснованностью методик экспериментального исследования, использованием статистических методов при обработке опытных данных, их воспроизводимостью и оценкой погрешностей измерения. Полученные результаты по скорости всплытия, отрывным диаметрам, частоте отрыва, скорости роста паровых пузырей для воды и по перепаду давления при течении воды и смеси вода-глицерин в трубе согласуются с известными данными в исследованном ранее диапазоне параметров.
Практическая ценность работы. Полученные результаты могут быть использованы на практике при выборе оптимальных характеристик интенсификаторов теплообмена и модифицированных поверхностей, разработке моделей процесса и построении расчетных рекомендаций.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на сорок восьмой конференции Рижского Технического
Университета, РТУ, Рига 2007 г.; четырнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика", МЭИ 2008 г.; шестой международной конференции ASME по макро-, микро- и наноканалам, Технический Университет г. Дармштадт, 2008 г.; коллоквиуме Фридрих-Александр Университет г. Эрланген (Германия) 27 июня 2008 г.; третьей международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», МЭИ, 2008 г; XVII международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, Жуковский, 2009 г.; конференции ProcessNet в секции «Тепломассообмен», Гамбург, 2010 г.; семинаре в Техническом Университете г. Брауншвейг, Институте Химической и Термической Технологии 15 марта 2010 г.; заседании кафедры ИТФ МЭИ 28 апреля 2010 г.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 7 публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 136 страниц основного машинописного текста, 106 рисунков, 2 таблицы, 10 страниц приложений, библиография содержит 59 наименований.
Влияние минерализации среды на теплоотдачу и гидродинамику при кипении в большом объеме
Влияние солесодержания среды на теплоотдачу при кипении Согласно модели, разработанной в [10], предполагается, что концентрация соли в испаряющемся мениске под пузырем значительно выше среднемассовои. При определенных условиях раствор в микропленке под пузырем становится пересыщенным и соль выпадет на поверхности. Следствием осаждения соли из раствора вокруг "сухих пятен" под паровыми пузырями на поверхности нагрева образуются дополнительные центры парообразования, что приводит к интенсификации теплообмена при кипении. где к — константа, к = 2.5-10-7; с - концентрация водного раствора сульфата натрия, г/кг; " - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; Я -коэффициент теплопроводности, Вт/мК; /, - температура насыщения, С; г -удельная теплота парообразования, кДж/кг; р" — плотность пара на линии насыщения, кг/м ; q — плотность теплового потока, Вт/м ; Е - энергия дисперсионного взаимодействия, Е = 10"22 Дж. На рис. 1.4 приведены экспериментальные и расчетные данные в виде зависимостей а/а0 от концентрации среды. В исследованном диапазоне концентраций сульфата натрия наблюдается рост коэффициента теплоотдачи с повышением солесодержания. Получено удовлетворительное согласование расчетных и опытных данных.
Для исследованных растворов обнаружено небольшое уменьшение скорости всплытия пузырей с ростом концентрации раствора. Максимальное изменение скорости всплытия при концентрациях, близких к пределу растворимости, составило около 30% (рис. 1.5,). В работе [13] получены данные по скорости всплытия паровых пузырей для воды и водных растворов при атмосферном давлении. Для всех исследованных растворов скорости всплытия паровых пузырей меньше, чем для дистиллята (рис. 1.6). Зависимость скорости всплытия парового пузыря от солесодержания, согласно работе [13], имеет три характерных участка: на 1-ом участке при увеличении солесодержания скорость всплытия снижается до 0,15-0,2 м/с, затем следует участок с примерно постоянной скоростью всплытия, на 3-ем участке, начиная с солесодержания около 90 г/л, скорость всплытия парового пузыря растёт с ростом солесодержания. Скорость всплытия паровых пузырей для всех модельных и реального растворов примерно одинакова во всём диапазоне солесодержаний. В экспериментах не было обнаружено какой-либо зависимости диаметров паровых пузырей от состава исследуемых растворов. В работе [11] на основе кинематической модели пароводяного потока предложено уравнение для определения истинного объёмного паросодержания адиабатного потока в вертикальных каналах: Р где р — объёмное расходное паросодержание; цг - фактор взаимодействия. В работе [14] исследовался фактор взаимодействия при кипении водных растворов. Для определения фактора взаимодействия при кипении водных растворов были получены распределения диаметров паровых пузырей (рис. 1.7). Необходимо отметить одно крайне важное обстоятельство в связи с результатами работы [14]. Дело в том, что в работах по исследованию характеристик кипения получены данные обработки очень небольшого количества паровых пузырей.
Обработка большого количества паровых пузырей связано с трудоемкостью данной работы и крайне малым количеством программ, позволяющим обработать кадры видеосъемки процесса кипения. В работе [14] распределения характеристик кипения получены с помощью специальной программы, которая позволяет обработать неограниченное количество паровых пузырей. Смысл получения распределений характеристик кипения заключается в следующем. Распределения характеризуют структуру парожидкостного потока, то есть располагая распределениями существует возможность определять доли крупных и мелких паровых пузырей. Это позволяет проанализировать данные по гидродинамике и теплоотдаче и разработать расчетные рекомендации и модели процессов. С использованием измеренных распределений эквивалентных диаметров паровых пузырей в работе [14], найдены относительные доли крупных паровых пузырей и сравнены с аналогичными величинами для воды. На рис. 1.8 показаны экспериментальные данные по доле крупных паровых пузырей (d 0.4 мм) по отношению к аналогичной величине при атмосферном давлении для воды при кипении в большом объеме.
Поскольку в исследованных условиях возможно слияние паровых пузырей, то эти данные применены для оценки фактора взаимодействия при кипении водных растворов в трубе. Формула, описывающая экспериментальные данные по фактору взаимодействия, получена в виде: крупных паровых пузырей для воды и водных растворов Na2SC 4 при различных давлениях по сравнению с аналогичной величиной для воды при атмосферном давлении. Экспериментальные данные: 1) вода; 2) раствор Na2SC 4, 20 г/л; 3) раствор Na2SC 4, 40 г/л; Расчетные данные: 4) формула (1.4) при Ь=0; 5) отношение факторов взаимодействия для воды при повышенном и атмосферном давлениях [14] формула (1.4) В случае кипения в большом объеме b=0 , при кипении в трубе 6=0.026. Формула (1.4) получена для диапазона концентраций Na2S02 до 40 г/л и давлениях от 0.1 до 1 МПа. В работе [15] предпринята попытка получения оценки истинного объёмного паросодержания для растворов. Для анализа использовалось
Исследование течения вязких жидкостей в каналах с интенсификаторами теплообмена
Интерес к интенсификация теплообмена резко повысился, как только нашли промышленное применение тепловые двигатели и энергетические котлы. Потребность экономить энергию и снижать размеры теплогенераторов и затраты на их создание стимулировало поиск различных методов увеличения теплоотдачи. В литературе конца XIX — начала XX веков уделено много внимания разработке методов и устройств для интенсификации теплообмена. Для повышения надежности и производительности испарителей кипящего типа могут быть применены различные методы интенсификации теплообмена. Для интенсификации теплообмена применяется искусственная турбулизация потока, осуществляемая с помощью кольцевых или спиральных канавок, оребрения поверхности, спиральных или витых труб, шнеков, закрученных лент [4]. В настоящее время появилась монография [35], в которой представлены различные методы интенсификации тепломассообмена на макро-, микро- и наномасштабах, а также предложены методики оценки эффективности того или иного метода интенсификации теплообмена. В монографии [35] приведен обзор различных методов интенсификации теплообмена, предложенных за время с конца XIX века до 2009 года. Примеры поверхностей, которые используются или прошли лабораторные испытания, показаны на рис. 1.28. В работах [36-38] показано, что пористые покрытия приводят к заметному улучшению теплоотдачи при кипении на сфере и существенному повышению значений первой и второй критических тепловых нагрузках, а также теплоотдаче при переходном кипении. В литературе описаны медоты интенсификации теплоотдачи при использовании устройств, интенсивно перемешивающих теплоноситель при его движении в трубах [40,41] и каналах с закрученной лентой при фазовых переходах [42-44].
Они представляют собой элементы перемешивания типа Kenics [45] или Sulzer, металлические щетки, засыпки колец или шариков, высокопористые проницаемые среды и т.д., которые "перемешивают" жидкость, перемещая макрообъемы жидкости от ядра канала к поверхностям нагрева/охлаждения или наоборот. Большинство подобных устройств эффективно только при ламинарном течении, поскольку при турбулентном течении при их установке значительно возрастают потери давления [41]. Применение перемешивающих устройств в основном ограничивается тепломассообмеными аппаратами нефтехимической и химической промышленностей, где существует потребность в перемешивании среды. На рис. 1.29 показана проволочная матричная вставка для интенсификации теплоотдачи за счет перемешивания теплоносителя. Змеевиково-проволочные матрицы в виде трилистника, приваренного к центральному стержню, с различной плотностью намотки используются как вставки в трубы. Проволочная структура вставок разрушает пограничный слой и приводят к перемешиванию теплоносителя (перемешивание пристенных потоков и потока в центральной части трубы), увеличивая теплоотдачу. Исследование теплоотдачи при ламинарном течении вязкой жидкости в трубе с вставками проведено в работах Д.Р.Оливера и Р.У.Дж.Олдингтона [46] и Ш.Шолля [47]. К числу наиболее важных закономерностей теплообмена в гладких каналах относится термогидродинамическая аналогия Рейнольдса, согласно которой коэффициент теплоотдачи прямо пропорционален коэффициенту гидравлического сопротивления. На основе полуэмпирической теории турбулентности в работе [4] описана важная, ранее не известная, закономерность.
Суть закономерности состоит в том, что зависимость коэффициента теплоотдачи элементов пористой среды от ее гидравлического сопротивления (или от скорости диссипации энергии потока, равной мощности на прокачку жидкости) с приемлемой погрешностью (±20%) описывается единой функцией для разных структур среды (шаровых засыпок, сетчатых, спиральных и зернистых материалов, поперечно обтекаемых пучков труб различного поперечного сечения и т.п.): где а - коэффициента теплоотдачи, Вт/(м -К); W— мощность на прокачку жидкости, Вт/кг; - коэффициент гидравлического сопротивления. Коэффициент К достаточно консервативен и изменяется в узких пределах: К = 0,1... 0,2 в широких диапазонах чисел Рейнольдса Re = 10 ... 107, чисел Прандтля Pr = 0,7... 2000, пористости 14-80%, гидравлического диаметра d = 0,2... 150 мм для разнообразных пористых сред. Для грубых оценок достаточно принять АГ= 0,145 (рис. 1.30). Обнаруженная закономерность позволяет с приемлемой для практики точностью предсказывать коэффициенты теплоотдачи в каналах с пористыми вставками на основе опытных данных по гидравлическому сопротивлению, тем самым сводя к минимуму затраты на проведение дорогостоящих коэффициентов теплоотдачи на поверхностях элементов систем охлаждения [4].
Методика исследования кипения на поверхности с искусственными центрами парообразования и экспериментальная установка
Методика исследования основана на использовании высокоскоростной камеры Мосат 500 Mikrotron с максимальной скоростью 520 кадров/сек, с помощью которой снимались рост и отрыв парового пузыря при кипении на поверхности с одиночным углубленем(рис. 2.7-2.8). Размеры впадин выбирались таким образом, чтобы обеспечить возможность сопоставления с имеющимися данными и получения новых результатов. Форма впадин были выбраны исходя из исследования М. Шоджи [22], который показал (см. главу 1), что, если на поверхности имеются впадины цилиндрической формы, то закипание происходит при небольшом температурном напоре и процесс кипения более стабильный. Отснятые кадры передавались на персональный компьютер и сохранялись в виде одиночных рисунков, составляющих последовательность для определенного опыта. При получении снимков использовался объектив F2.5/18—108 mm. В сосуде с водой помещалась поверхность с искусственным центром парообразования (рис. 2.8). Для удобства обработки данных измерения отрывного диаметра парового пузыря в сосуде на расстоянии 3 мм от нагреваемой поверхности установлена линейка, закрепленная на штативе. В опыте также определялись подводимая к рабочему участку тепловая нагрузка, температуры жидкости и нагреваемой поверхности. Температура стенки определялась с помощью стандартного термоэлемента.
В настоящей работе в качестве рабочих участков использованы две алюминиевые поверхности с расположенными на них одиночными цилиндрическими углублениями диаметрами — 100 и 200 мкм, и глубиной -80 мкм. Алюминиевые поверхности имели сопротивление 10 Ом и следующие размеры. Одна поверхность имела размеры: 1.5 см на 5 см, и на ней изготовлена впадина диаметром 100 мкм. Другая поверхность имела размеры 0.8 см на 2.7 см и на ней имелась впадина диаметром 200 мкм. На рис. 2.6 и рис. 2.7 представлены исследованные поверхности. На рис. 2.7 видна термопара, с помощью которой определялась температура стенки. паровых пузырей на естественных центрах парообразования. Для исследования кипения в большом объеме на кафедре механики течений в Фридрих-Александр Университете г. Эрланген-Нюрнберг была создана установка (рис.2.10). Она состоит из нагреваемого сосуда, рабочего участка, помещенного в сосуд, нагревателя, источника питания для рабочего участка, системы наблюдения за процессом кипения, а также лампы для подсветки. В качестве нагревателя сосуда использовалась специальная плитка, мощность нагрева которой изменялась регулятором напряжения. При съемке для освещения использовалась прожекторная лампа. Определение частоты отрыва паровых пузырей Для определения частоты отрыва паровых пузырей были обработаны кадры и зафиксированы количество паровых пузырей, образовавшихся за время эксперимента, а также промежутки времени, проходящие между их отрывами.
Время роста определялось следующим образом: Скорость съемки видеокамеры Частота отрыва парового пузыря определялись следующим образом: При этом принималось допущение, что время ожидания 0. Наиболее вероятная частота отрыва паровых пузырей определялась из выражения: Определение отрывного диаметра паровых пузырей. Для определения отрывного диаметра паровых пузырей, была использована программа ImageJ. Согласно программе в каждом снимаемом кадре помещена линейка для определения масштаба, с которым и сравнивались паровые пузыри непосредственно перед отрывом от поверхности нагрева. Коэффициент эксцесса для частоты отрыва паровых пузырей определялись из соотношений: Ef= Jy (2.14) Коэффициент асимметрии для частоты отрыва паровых пузырей определялись из соотношений:
Эквивалентный диаметр всплывающих паровых пузырей
В работе [3] проводилось исследование кипения водного раствора Na2S04 с концентрацией 20 г/л при повышенном давлении и эти данные сопоставлялись с результатами для воды. В настоящей работе представлены данные по кипению водного раствора Na2S04 с концентрацией 40 г/л и сопоставлены с результатами для раствора с меньшей концентрацией. На рис 3.5 представлены распределения диаметров всплывающих паровых пузырей для воды и водного раствора Na2S04 с концентрацией 20 [3] и 40 г/л при различных давлениях. Максимум на распределениях диаметров всплывающих паровых пузырей для водного раствора Na2S04 смещен в сторону меньших значений диаметров паровых пузырей по сравнению с водой. Анализ полученных данных показал, что при кипении водного раствора сульфата натрия происходит образование структуры, похожей на пену и представляющей собой конгломераты паровых пузырей диаметром менее 0.3-0.4 мм. Как обнаружено, с увеличением давления уменьшаются диаметры паровых пузырей и их дисперсия. Количество паровых пузырей с малым эквивалентным диаметром, образующих пену, растет с ростом давления при кипении водного раствора Na2SC 4.
При давлении 0.25МПа максимальный диаметр всплывающего парового пузыря составил 5.1 мм, давлении О.бМПа - 4.5 мм, давлении 1МПа- 2.4 мм. Максимум на функции распределения диаметров всплывающих паровых пузырей при кипении водного раствора смещен в сторону меньших значений по сравнению с кипением воды. Полученные распределения диаметров паровых пузырей позволяют сделать вывод, что с увеличением давления уменьшается дисперсия диаметров паровых пузырей. На рис. 3.6 представлена зависимость эквивалентного диаметра парового пузыря для воды и водного раствора сульфата натрия от давления. На рисунке также показаны отрывные диаметры паровых пузырей, полученные при кипении воды в большом объеме при атмосферном давлении на поверхности с искусственными центрами парообразования с диаметрами углублений 100 и 200 мкм. Результаты исследования кипения на поверхности с искусственными центрами парообразования на нагреваемой поверхности будут описаны в главе 4. Было обнаружено уменьшение наиболее вероятного эквивалентного диаметра парового пузыря при кипении воды и водного раствора. В случае водного раствора средний радиус парового пузыря уменьшается на 70% при изменении давления от 0.1 до 1 МПа. Для расчета диаметра парового пузыря при кипении воды выбрана зависимость [22]: где в диаметр впадины (dBn) принят равным 50 мкм. Для эквивалентного диаметра парового пузыря при кипении водного раствора сульфата натрия была получена следующая зависимость: у Рур j где D — отрывной диаметр парового пузыря, рассчитанный по (3.1), С -концентрация раствора, г/л, Скр - критическая концентрация раствора г/л,р-давление среды, МПа,ркр — критическое давление, МПа. Предложенная зависимость и описывает экспериментальные данные в диапазоне С=0-40 г/кг и р=0.1 - 1 МПа с отклонением не более 10% от опытных данных.
На рис.3.6 линии 7 и 8 - расчет по зависимости для эквивалентного диаметра парового пузыря, линия 9 - данные работы [31]. Как показал анализ полученных данных, а также результатов работы [3], для парового пузыря с диаметром, меньшим 1 мм, скорость всплытия растет с увеличением диаметра парового пузыря. Для парового пузыря с диаметром, большим 1 мм, скорость всплытия практически не зависит от эквивалентного диаметра всплывающего парового пузыря. Полученные данные по скорости всплытия паровых пузырей диаметром менее 1 мм для воды и водного раствора удовлетворительно описываются формулой Пиблса и Гарбера [20]. На рис 3.7 представлены распределения скорости всплытия паровых пузырей для водного раствора сульфата натрия с концентрацией 40 г/л для трех диапазонов эквивалентных диаметров паровых пузырей, полученные в результате автоматической обработки данных наблюдений. Количество обработанных пузырей показано на каждом распределении.
