Введение к работе
ггуальпость проблемы. Развитие многих отраслей техники и аершенствование технологических процессов связано с использованием иогенных жидкостей. Вопросы изучения теплообмена и гидродинамики и кипении криогенных жидкостей, вопросы интенсификации процессов парения представляют существенный практический и научный интерес. многих случаях ( например, в теплообменниках-газификаторах иогенного топлива газотурбинных двигателей, газовых лазерах и др. ) ред применением криогенные жидкости необходимо испарять. Вопросы , язанные с испарением жидкости , закризисными режимами кипения, иходится решать и при создании различного рода парогенераторов, при зработке ТВЭЛов ядерных реакторов и т.д. Поэтому качество зрабатываемых технических систем с использованием криогенных їдкостей зависит от глубины понимания протекающих физических юцессов и достоверности количественных закономерностей, [ределяющих эти процессы. Следовательно, изучение физических явлений, пгорыми сопровождается получение, хранение, транспортировка и парение"~ криогенных жидкостей, получение количественных коиомерностей для этих явлений представляет важное направление временных исследований.
тедует отметить, что для криогенных теплоносителей характерны кризисные режимы кипения . Вопросы закризисного кипения при шуждснном движении в трубах и каналах изучали у нас в стране (рейцер Г.А., Калинин Э.К., Клименко А.В., Клименко В.В., Будрик В.В., метистов Е.В., Ярхо С.А., Жуков В.М., Веркин Б.И. и др.) и за рубежом Інарк Д.А., Берглес А.Б., Бедуз С, Розенов В.М. и др.). цнако закризисные процессы кипения в каналах с интенсификаторами тшообмена в виде скрученных лент , змеевиковых каналах азрабатываемых для криогенных испарителей) исследованы крайне ^достаточно. Имеющаяся на сегодня информация получена хпериментальным путем и в основе своей содержит данные для ^криогенных жидкостей ( работы Каменщикова Ф.Т. , Федоровича Ё.Д ., олтенко Э.А. , Берглеса А.Е. , Чена и др. ). Трудности, связанные с шерением параметров двухфазных потоков, не обеспечивают достаточной эстоверности экспериментальных исследований в этой области. Подходы к эобщению результатов эксперимента разноречивы и также нуждаются в эполнительном анализе. В то же время, количественные характеристики лиговых и гидродинамических процессов в каналах с двухфазным потоком еобходимы для правильного выбора вида и геометрических характеристик нтенсификаторов, для оптимизации испарителей по их массе, іергозатратам, надежности. Получению такой информации, возможно олее полной, способствует разработка надежной математической модели тожного процесса закризисного кипения криоагеита в испарительном анале с интенсификатором. Использование математической модели дает оэможность проводить расчет в широком диапазоне изменения режимных
и геометрических параметров для различных теплоносителе
Математическая модель может служить основой для выполнен: сравнительного анализа эффективности данного способа интенсификаці теплообмена и для оптимизации параметров испарителя. Таким образоь изучение закризисного кипения криоагентов с интенсификацией процес актуально и направлено на решение важной научной проблемы , имеющ большое практическое применение.
Цель работы - создание физической и математической модели кипені закрученного потока жидкости при закризисных режимах с учел возможного начального участка, реализующего докризисное кипені-проведение экспериментальных исследований для подтвержден: достоверности математической модели и получение количественні соотношений для расчета коэффициента теплоотдачи и данных і гидравлическому сопротивлению. В этой связи ставятся следующие задачи исследования: 1»Разработка физико-математической модели кипения закрученного потої криогенной жидкости.
2. Экспериментальное исследование' теплоотдачи и гидравлическо
сопротивления при кипении закрученного потока азота в канале в широке
диапазоне изменения режимных параметров и обобщение результаті
экспериментального исследования с учетом опытных данных, имеющихся
литературе.
3. Установление режимов течения при закризисном кипении закрученно
криогенного потока и границы перехода от расслоенного режима течение
эффектом Лейденфроста к дисперсному режиму.
-
Проведение модельных экспериментов (моделирующих испарение поверхности жидкой пленки) с целью получения данных о теплоотдаче гидравлическом сопротивлении в паровом зазоре.
-
На основе разработанной физико-математической модели выявлен критериев устойчивости вращающейся пленки жидкости и перехода дисперсному режиму течения в закризисной области кипения.
-
Выполнение численного эксперимента с целью установления влиян: различных факторов и рода жидкости на процесс испарения в канале закруткой при различных законах изменения плотности теплового пото; на стенке, а так же выполнение сравнительного анализа по интенсификаці процесса кипения криоагента. Оптимизация испарителя с закруткой п] внешнем поперечном обтекании высокотемпературным потоком. Наущая иотииа. По исследованной проблеме получены новые научні результаты:
полуэмпирическая физико-математическая модель (базирующаяся : балансовых соотношениях с обоснованием физических предпосылс расчета кипящих закрученных потоков в закризисной области;
основные закономерности влияния инерционной массовой силы процесс кипения закрученного криогенного потока;
расширены фундаментальные знания о процессах кипения криогенных идкостей в полях массовых сил на основе гидродинамического подхода утателадзе С.С;
экспериментальные результаты при высоких тепловых нагрузках и (іотностях потока массы при испарении азота в канале с непрерывной ікр уткой;
основные закономерности устойчивого движения испаряющейся эащающейся пленки жидкости при двухстороннем динамическом эздействии, условия существования и границы расслоенного режима :чения с эффектом Лейденфроста;
экспериментальные результаты по тепловому и гидравлическому шротивлениям в глухом канале со вдувом ( в закритической области);
оптимальные режимные и конструктивные параметры испарителя с ікруткой потока, обеспечивающие минимальную массу испарителя. 'рактическая ценность. Решаемые в диссертации научные задачи и рактическое использование результатов работы позволяет:
проводить исследование теплового и гидродинамического состояния лтарительной магистрали, выходных параметров парожидкостного этока, полноты испарения криоагента;
осуществлять сравнительный анализ эффективности применения тгенсификатора в виде скрученной ленты и выполнять оптимизационные їсчєтьі испарителей для широкого класса жидкостей;
выполнять расчеты с целью выбора схемы течения теплоносителей при іешнем обтекании трубки испарителя высокотемпературным газовым этоком.
ібота выполнялась в соответствии с госбюджетной научно-хледовательской работой по теме "Тепломассообмен в криогенных и ісперсньїх потоках в полях массовых сил и системах термостабилизации 5ъектов новой техники".
втор защищает иолуэмпирическую математическую модель іазирующуюся на балансовых соотношениях с обоснованием физических зедпосылок) расчета кипящих закрученных потоков в закриэисной 5ласти;
экспериментальные результаты по кипению азота в канале с закруткой эй высоких теловых нагрузках и плотностях потока массы ;
экспериментальные результаты по тепловому и гидравлическому шротивлениям в глухом канале с односторонним вдувом газа ;
основные закономерности влияния инерционной массовой силы на эоцесс кипения закрученного криогенного потока ;
основные закономерности устойчивого движения испаряющейся >ащающейся пленки жидкости при двухстороннем динамическом «действии к условия существования расслоенного режима течения с зфектом Лейденфроста, границы этого режима ;
оптимальные режимные и конструктивные параметры испарителя с
закруткой потока, обеспечивающие минимальную массу испарителя. Личный вклад автора . Основные результаты получены лично автор' диссертации, включая постановку экспериментов, проектирован установки и экспериментальных участков, разработку метод исследования, руководство работами при проведении опытов; постановку разработку теоретических положений математической модели. Апробация работы. Полученные основные результаты диссертац докладывались и получили одобрение на I Всесоюзной конференции "Математическому моделированию физико-химических процессов энергетических установках." (Казань, КАИ, 1991г.), на заседаниях школы-семинара "Современные проблемы газодинамики тепломассообмена и пути повышения эффективности энергетическ установок." (Москва, МГТУ им. Баумана, 1993г.), на Всероссийск научно-техническом семинаре "Внутрикамерные процессы в энергетическ установках, струйная аккустика, диагностика." (Казань, Выси артиллерийское командно-инженерное училище им. М.Н. Чистякова, 19! 1996г.г.), на заседании XII международной школы "Модели в мехавд сплошной среды." (Казань, КГТУ, 1993г.), на I Российской национальн конференции по теплообмену (Москва, 1994г.), на международном научі техническом семинаре "Энергетические установки, аэродинамика авиационное оборудование." (Казань, КГТУ, 1995г.), на Международном семинаре по устойчивости гомогенных и гетерогенн жидкостей (Новосибирск, 1996г.), на заседаниях III Минске международного форума "Тепломассообмен - ММФ - 96", Международном Симпозиуме " Физические основы теплообмена п кипении и конденсации " (Москва 21-24 мая 1997 г.), на расширенн заседании кафедры криогенной техники (Москва, МЭИ, 1995г.), на научі техническом семинаре кафедры авиационной и ракетно-космическ теплотехники (Москва, МАИ, 1995г.), на секции НТС НИИХИММЛ (Сергиев-Посад , 1997г.) , на НТС СНТК им. Н.Д.Кузнецова (Сама 1997г.), на научно-технической конференции по итогам работы за 19 1993г.г. "НИЧ 50 лет" (Казань, КГТУ, 1994г.), на научно-техничесі конференциях КГТУ (КАИ) (Казань, 1990 -1996г.г.), Публнкацнн. По материалам диссертации опубликовано 28 научных ра( в журналах: „Авиационная техника" Инженерно-физический журн .Теплофизика высоких температур',' „Энергетика',' в трудах 10 международной конференции по ТМО в г.Брайтоне, в тру, Международного Симпозиума " Физические основы теплообмена і кипении и конденсации " , а так же в различных межвузовских сборника сборниках тезисов докладов различных конференций; оформлены 3 отч по НИР.
Структура и объем диссертации, Диссертационная работа состоит введения, пяти глав, выводов, заключения, списка литературы, приложен включающего акты внедрения. Диссертация содержит 268 страниц, из і
)6 стр. машинописного текста, 5 таблиц, 8! рисунок , список литературы з 187 источников отечественных и зарубежных авторов.