Введение к работе
Актуальность темы
Разработка проблем интенсификации процессов тепломассобмена в аппаратах теплонасосных установок имеет непосредственное прикладное значение. Коэффициент теплоотдачи при кипении/конденсации рабочих тел (фреонов) в таких установках имеет достаточно низкое значение в силу невысокой теплопроводности этих веществ, поэтому в существующих конструкциях в теплообменниках фреон-вода коэффициент теплоотдачи со стороны фреона меньше коэффициента теплоотдачи со стороны воды и ограничивает общий коэффициент теплопередачи. Кроме того, в испарителях установок зачастую используется в качестве низкопотенциального источника вода с температурой 4-6 С, что требует еще больших поверхностей теплообмена, либо реализации мероприятий по интенсификации процессов. Интенсификация теплообмена в испарителе/конденсаторе ТНУ является одним из способов повышения компактности и экономичности установки в целом. Безусловно, разработанные в диссертации вопросы контактного теплообмена укладываются в рамки тематики и являются весьма актуальными. На кафедре Теоретических основ теплотехники МЭИ за последние 10 лет выполнен ряд хоздоговорных и госбюджетных работ по теме исследования процессов теплообмена для фреоновых рабочих веществ на микроструктурированных и оребренных поверхностях. Данная работа существенно пополняет базу экспериментальных и расчетных данных.
Цель работы
Целью работы является экспериментальное и теоретическое исследование
теплообмена на новой микроструктурированной поверхности, призванной
интенсифицировать процесс кипения в испарителе ТНУ, а также
исследование контактного теплообмена в конструкционных элементах
основных аппаратов ТНУ. В качестве рабочих тел выбраны известный
хладон R134a и недавно синтезированный теплоноситель фторуглеродного
состава с высокой смачиваемостью FC-3284. По результатам исследования
необходимо сделать вывод о потенциале применения
микроструктурированной поверхности в испарителях ТНУ и о влиянии на теплоотдачу перетечек тепла при контактном теплообмене (например, в местах заделки труб в трубную доску испарителя и других биметаллических соединениях).
Научная новизна работы
Проведены экспериментальные исследования по кипению на различных структурированных поверхностях как на одной трубе, так и на пучке из двух труб (тандем) фреоновых рабочих веществ при различных давлениях. Опытные данные представлены в виде кривых кипения. Выявлено, что данная структура поверхности даёт основной вклад на процесс
парообразования, необходим лишь незначительный перегрев стенки для начала устойчивого кипения жидкости. Установлено, что процесс кипения на пучке из двух труб (тандеме) идет несколько интенсивнее на верхней трубке в сравнении с одиночной тестовой структурированной трубой. Доказано, что новая поверхность позволяет существенно отодвинуть кризис кипения.
Проведены экспериментальные исследования по контактному теплообмену между двумя шероховатыми поверхностями с некоторыми осредненными коэффициентами шероховатости. Разработана методика проведения эксперимента с применением инфракрасной камеры для температурных измерений. Получены и обработаны экспериментальные данные по контактному теплообмену для различных комбинаций легированных сталей при различных контактных давлениях.
Выявлены недостатки известной методики описания поверхности с помощью коэффициента шероховатости, показано, что наибольший вклад в контактный теплообмен вносит непосредственная площадь реального контакта между поверхностями, контактное давление, состав и свойства легированного материала.
Разработана новая модель определения площади реального контакта между двумя структурированными поверхностями, находящимися в контакте, базирующаяся на фрактальном представлении поверхности. С целью верификации расчетной модели были проведены измерения профиля реальной структуры поверхности с применением линейного измерителя шереховатости.
На основе модели по определению площади контакта дано качественное объяснение разбросу экспериментальных точек по контактному сопротивлению для гладких поверхностей.
Практическая ценность работы
Практическая ценность работы заключается в том, что получены обширные экспериментальные данные по температурным напорам на различных микроструктурированных поверхностях при кипении фреонов при различных давлениях. Такие данные подтверждают существенный «сдвиг» кризиса кипения и дают возможность рассчитывать коэффициенты теплоотдачи при кипении в большом объеме и разрабатывать интенсифицированные теплообменные аппараты. При проектировании аппаратов должны учитыватся следующие экспериментально обоснованные факторы: эффективность микростуктурированной поверхности увеличивается при снижении давления, микроструктура поддерживает начальную нуклеацию в жидкости, и снижает перегрев, необходимый для начала кипения.
В экспериментах с тандемом труб было получено подтверждение независимости перегрева микроструктурированной поверхности от
приложенной тепловой нагрузки. Получены коэффициенты теплоотдачи для микроструктуры тестовой трубки при кипении R134a и FC-3284.
В рамках анализа контактирующих поверхностей, предложена модель позволяющая определить величину контакта между соприкасающимися поверхностями, обладающими сложной собственной структурой. Модель учитывает современные взгляды на фрактальную природу реальной поверхности.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы доложены на 9й и 11-й международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика» (Москва, 2003, 2005 г.г.); на международной конференции Международные Инженерные Конференции
\ ПЛГ /Т-Л-.Т\ --Т/- J С. _. _-
- ivirux ^u.v^ij «ічиш^срсмция им їсилииимспу n icicnniu жидличси па
микромасштабе» (Вистлер, Канада), проходившая с 21 по 26 сентября 2008 года.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 4-х публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, семь глав, выводы (156 страниц машинописного текста, 87 иллюстрации), список литературы (71 наименование), приложения, список условных обозначений.
Похожие диссертации на Исследование процессов теплообмена на микроструктурированных поверхностях в испарителе теплонасосной установки
