Экспериментальное исследование интегральных характеристик теплообмена при вынужденном движении двухфазного потока азота в длинном вертикальном канале и расчетные рекомендации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. II

1.1. О возможности описания теплообмена при кипении криогенных жидкостей с помощью существующих расчетных соотношений. II

1.2. Экспериментальные исследования кипения криогенных жидкостей при вынужденной конвекции.

1.3. Задачи исследования.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА

ИЗМЕРЕНИЙ.

2.1. Выбор методики исследования.

2.2. Схема и конструкция экспериментальной установки.

2.3. Экспериментальный участок. j.

2.4. Методика измерений. Погрешность эксперимента.

2.5. Методика проведения эксперимента и обработки результатов.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Условия проведения экспериментов.

3.2. Пузырьковое кипение в условиях вынужденного движения.

3.3. Область испарения при вынужденной конвекции.

ШВА 4. ОБОБЩЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

МОДИФИЦИРОВАННОЕ ЧИСЛО

4.1. Обобщение экспериментальных результатов соотношениями В.В.Клименко и А.В.Григорьева.

4.2. Расчетное соотношение для области испарения при вынужденной конвекции. Модифицированное число Во^.

4.3. Обобщение результатов экспериментов с использованием модифицированного числа Во*.

ВЫВОДЫ.

Наблюдаемое в настоящее время интенсивное развитие некоторых областей техники неразрывно связано с кригеникой, играющей все более значительную роль в народном хозяйстве. Те преимущества, которые дает ее применение, позволяют с большей эффективностью решать многие вопросы энергетики, радиоэлектроники, авиации, космонавтики, медицины и т.д. Передача электроэнергии на расстояния по сверхпроводящим кабелям; использование сверхпроводящих обмоток в различного рода соленоидах, двигателях, генераторах и т.п.; получение сверхвысокого вакуума; применение в авиации и космонавтике водорода в качестве топлива - вот неполным перечень направлений использования криогеники в народном хозяйстве.

Практическое использование криогенных жидкостей осложняется рядом их специфических особенностей. Малая теплота парообразования, низкая температура кипения, сильная зависимость теплофизи-ческих свойств конструкционных материалов, работающих на уровне криогенных температур, от температуры и т.п. - все это приводит к тому, что теплообмен с криогенными жидкостями носит некоторые черты, несвойственные обычным, некриогенным жидкостям.

При эксплуатации криогенных систем приходится иметь дело с кипением криогенных жидкостей либо в условиях естественной конвекции, либо в условиях вынужденного движения. Последнее реализуется обычно в каналах, имеющих самый разнообразный профиль, ориентацию, конструктивное исполнение, что, в свою очередь, оказывает влияние на теплообмен. Естественно желание конструкторов иметь в своем распоряжении простое, надежное и достаточно точное расчетное соотношение, описывающее теплообмен при кипении криогенных жидкостей в условиях вынужденной конвекции в каналах. Говоря о о кипении криогенных жидкостей в канале, следует отметить, что вообще говоря, здесь проявляются те же закономерности, что и для обычных жидкостей в аналогичных условиях. Однако, указанные характерные особенности криогенных жидкостей неизбежно оказывают свое влияние на процесс и, следовательно, должны быть отражены в расчетных соотношениях по теплообмену.

Рекомендуемые в настоящее время соотношения для кипения криоагентов в канале получены на основе данных для обычных жидкостей, чаще всего воды, и отражают как правило закономерности, характерные дяя кипения в большом объеме. Однако, экспериментальные исследования [1-9] , проведенные на криогенных жидкостях, показали неправомерность такого подхода.

Указанные работы охватывают значительный период времени с начала 60х и по конец 70х годов и соответствовали, по-видимому, решению конкретных практических задач.

Исторически сложилось так, что на раннем этапе исследовании приоритет был отдан изучению прежде всего пленочного кипения криогенных жидкостей режиму, часто встречающемуся в практике; при захолаживании натурных криогенных объектов примерно 80% всего времени приходится именно на пленочное кипение. Вероятно, направ-ленностьюна изучение прежде всего пленочного кипения объясняется сравнительно невысокая точность измерений, которая имела место в указанных работах при исследовании пузырькового кипения.

С возрастанием практического использования криогенных жидкостей центр тяжести исследований переносится на изучение области пузырькового кипения. Переход к исследованию пузырькового кипения криоагентов в канале потребовал соответствующего развития экспериментальной базы, совершенствования методики эксперимента. Этому этапу соответствует появление работ [5,6,7J и др., где авторы обеспечивают визуализацию потока, независимое регулирование важнейших режимных параметров ( р , Q , (т, х ) и их достаточно точное измерение.

Однако, объем результатов экспериментов по кипению криогенных жидкостей в каналах [1-9J нельзя назвать достаточно полным. Сложность осуществления подобных экспериментов приводит к тому, что результаты отдельных авторов порой плохо согласуются, а иногда просто противоречат друг другу. Таким образом, на основе имеющихся работ нельзя однозначно ответить на вопрос о закономерностях теплообмена при кипении криогенных жидкостей в каналах. Поэтому представляется целесообразным продолжение экспериментальных исследований для более детального изучения теплообмена с криогенными жидкостями при условиях, по-возможности, соответствующих максимально широкому кругу технических приложений.

Б данной работе изучается теплообмен при вынужденном движении азота в вертикальном канале, т.е. ситуации, в которой в результате отсутствия асимметрии потока, проявляются общие закономерности теплообмена.

Описываемая ниже экспериментальная установка, имеет достаточно широкие возможности: произвольная ориентация экспериментального образца; широкие диапазоны изменения основных режимных параметров - теплового потока, давления, расхода (массовой скорости), недогрева; габаритные размеры собственно экспериментального объема - диаметр 360 мм; длина 1900 мм. - позволяют использовать экспериментальные образцы практически любой конфигурации.

На установке, в принципе, может исследоваться любая криогенная жидкость, не требующая выполнения при работе с ней специальных требований пожаробезопасности.

Экспериментальные исследования, результаты которых излагаются в настоящей работе, дают ответ на ряд неясных вопросов относительно закономерностей теплообмена при кипении криогенных жидкоетей в канале в условиях вынужденной конвекции.

Диапазоны изменения режимных параметров были достаточно широкими, а надели ость результатов позволяет допустить возможность экстраполяции полученных результатов за границы исследованных диапазонов.

Автор выражает глубокую благодарность старшему научному сотруднику кафедры "Криогенная техника" кандидату технических наук В.В.Клименко, при постоянной научной консультации и непосредственном участии которого была создана установка и проводились экспериментальные исследования.

вывода.

1. Создана универсальная экспериментальная установка для изучения теплообмена при вынужденном движении криоагента в каналах произвольной ориентации и геометрии в широком диапазоне изменения основных режимных параметров (удельного теплового потока, давления, массовой скорости, паро-содержания.

2. Впервые цроведены систематические эксперименты по изучению теплообмена при вынужденном движении криоагента (азота) в длинном вертикальном канале в широком диапазоне изменения основных режимных параметров. Исследованы три различных режима теплообмена: однофазная вынужденная конвекция, развитое пузырьковое кипение и испарение при вынужденной конвекции.

2.1. В настоящей работе была подтверждена возможность описания теплообмена для однофазной вынужденной конвекции криогенной жидкости при турбулентном режиме течения, распостраненными в практике соотношениями, в широком диапазоне изменения числа Рейнольдса.

2.2. Экспериментально установлено более слабое влияние давления и удельного теплового потока на теплоотдачу при пузырьковом кипении вынужденного потока криоагента в трубе промышленного изготовления, чем это имеет место при кипении в большом объеме в условиях естественной 0,so±otb4 р J, конвекции, а именно: для < otiF ръ оС-р0'" , ПРИ ~ 0,ЪО ^f.

2.3. Впервые проведены систематические исследования области поверхностного кипения криоагентов. Экспериментально показана возможность перенесения закономерностей теплообмена при кипении насыщенной жидкости в область кипения недогретой, по крайней мере, до исследованного в работе значения относительной энтальпии,х = - 0,12.

2.4. Экспериментально подтверждено отсутствие влияния массовой скорости на интенсивность теплоотдачи в области развитого пузырькового кипения криогенных жидкостей в канале.

2.5. Экспериментально показано отсутствие влияния на теплоотдачу при пузырьковом кипении криогенных жидкостей в канале направления изменения подводимого теплового потока (гистерезиса), в широком диапазоне изменения давления.

2.6. Установлено, что в области испарения при вынужденной конвекции интенсивность теплоотдачи не зависит от теплового потока, а определяется величинами массовой скоп 0,5- О^ЧЮ^Г рости и парос одержания, причем: оС~ ь- и ot~x Переход от пузырькового кипения к испарению существенным образом зависит от fy , смещаясь с его ростом в сторону больших значений X , и от G- , смещаясь с её ростом в сторону меньших X .

3. Разработано расчетное соотношение, описывающее теплоотдачу при испарении в условиях вынужденной конвекции, успешно обобщающее известные экспериментальные данные по криогенным жидкостям.

4. Показано, что из всех соотношений, рекомендуемых для описания теплоотдачи при кипении криогенных Жидкостей, наиболее удачными являются соотношения В.В.Клименко и А.В.Григорьева, которые совместно с модифицированным числом Бо^ , успешно обобщают существующие экспериментальные результаты как для пузырькового кипения, так и для испарения при вынужденной конвекции.

1. Walters H.H., Singletube heat transfer tests with liquid hydrogen.-Advances in Cryogenic Engineering, 1961,, v.6, p. 509-516.

2. Lewis J.P.,Goodykoontz J.H.,Kline J.P.,Boiling heat transfer to liquid hydrogen and nitrogen in forced flow.-NASA Technical Note D-13H, Septembr 1962.

3. Ронжин Л.П., Усюкин И.П., Экспериментальное исследование кипения азота в условиях вынужденного движения в горизонтальной трубе. :Кислородная промышленность, М., Гипро-кислород, 1968, J& 2, с. 25-33.

4. Трошин А.К., Епишов В.З., Теплоотдача и гидравлическое сопротивление при вынужденном движении двухфазного потока в трубах. Реф. сб.: Криогенное и кислородное машиностроение, 1974, J6 3, с. 19-22.

5. Klein G.,Heat transfer for evaporating nitrogen streaming in a horizontal tube.-Proceedings of ICEC 6, Grenoble,May, 1976,p.314- 318.

6. Steiner D.,Schlunder E.-U.,Heat transfer and pressure drop for boiling nitrogen flowing in a horizontal tube.-Heat transfer in boiling.Hemisphere,1977,p.283-306.

7. Mohr V., Runge R., Forced convection boiling of neon in horizontal tubes.-Heat transfer in boiling,Hemisphere,1977,p. 307-343

8. Papell S.S.,Hendricks R.C.,Boiling incipience and convective boiling of neon and nitrogen.-Advances in Cryogenic Engineering, 1978, v.23,p.284-294.

9. Долгой М.Л., Троянов A.M., Пузырьков Ю.А., Исследование тешюобмена при вынужденном движении азота в горизонтальном канале. В сб.: Теплообмен при низких температурах, Наукова думка, 1979, с. 25-32.

10. Григорьев В.А., Павлов Ю.М., Аметисов Е.В., Кипение криогенных жидкостей. М.: Энергия, 1977. - 288 с.

11. Кутателадзе С.С., Основы теории тешюобмена. Изд. 5-е, М.: Атомиздат, 1979. - 416 с.

12. Лабунцов Д.А. Обобщенные зависимости для теплоотдачи при пузырьковом кипении жидкости. Теплоэнергетика, I960, $ 5, с. 76-81.

13. Chen J.С.,A correlation for boiling heat transfer to saturated fluids in convective flow.-ASME Paper No. 63-HT-34,1963.

14. Стюшин Н.Г., К расчету интенсивности теплообмена при кипении в условиях вынужденного движения жидкостей. Труда МИШ, вып. 42, М., 1972.

15. Лабунцов Д.А., Вопросы теплообмена при пузырьковом кипении жидкостей. Теплоэнергетика, 1972, В 9, с. 14-19.

16. Shah М.М., A new correlation for heat transfer during boiling flow through pipes.-ASHRAE Transactions, 1976,v.No.2,p. 66-86.

17. Rohsenow W.M.,Heat transfer mith evaporation.-Heat Transfer Symposium, Univ. of Mchigan, Ann Arbor,Michigan,1953«

18. Giarrateno P.J.,Smith R.V., Comparative study of forced convection boiling heat transfer correlations for cryogenic fluids.-Advances in Cryogenics Engineering,1966,v.11,Plenum Press,1. Hew York,p.492-506.

19. Кутепов A.M., Стерман Л.С., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. М.: Высшая школа, 1977, 352 с.

20. Дудкевич А.С., Ахмедов Ф.Д., Экспериментальное исследование влияния теплофизнческих свойств поверхности нагрева на кипение азота при повышенных давлениях. Тр/Моск.энерг. ин-т, 1974, вып. 198, с.41-47.

21. Клименко А.В., Экспериментальное и теоретическое исследование влияния некоторых факторов на теплообмен при кипении криогенных жидкостей:, Дисс. на соискание ученой степени канд. техн.наук, М., МЭИ, 1975. 152 с.

22. Боришанский В.М., Учет влияния давления на теплоотдачу и критические нагрузки при кипении на основе теории термодинамического подобия. В кн.: Вопросы теплоотдачи и гидравлики двухфазных сред./Под ред. С.С.Кутателадзе, М. - Л. 1961, с. 18-36.

23. Боброва Г.И., Стасевич Л.А., Исследование теплообмена при кипении азота в узких каналах. ИФЖ, 1973, т.ХХУ, Л 2, с. 227-231.

24. Боброва Г.И., Зуйкова Е.Е., Стасевич Л.А., Определение среднего коэффициента теплообмена при кипении азота в каналах. -В кн.: Тепло- и массообмен криогенных жидкостей в пористых теплообменниках, ИТМ0 АН БССР, Минск, 1974, с. 70-80.

25. Klimenko V.V.,Heat transfer intensity at forced flow boiling of cryogenic liguids in tubes.-Cryogenics,1982,v.22,No.11, p. 569-576.

26. Теплопередача в двухфазном потоке. /Под ред. Баттерворса Д.и Хыоитта Т.: Пер. с англ. М.: Энергия, 1980, 328 е., ил.

27. Ledinegg М.,Instability of flow during natural and forced circulation.1938. Die Warme 61,891.(In German; English translation,U.S.A.E.C. Transl. N AEC-tr.-186l).

28. Sato T. et al., The effect of flow fluctuation on critical heat flux.-Proc. 3#d Int. Heat Transfer Conf. 1966,Chicago IV,p.226-233» American Seciety of Mechanical Engineers and American Institute of Chemical Engineers.

29. Aladyev I.T.,Miropolsky Z.L.,Doroschuk V.E. and Styrikovich M.A Boiling crisis in tubes.-International development in heat transfer.1961,Part11,p.237-243.American Society of Mechanical Engineers.

30. Lowdermilk W.H. et al.investigation of boiling burnout and flow stability for water flowing in tubes.-National Advisory Committee for Aeronantics,1958,Rep. NACA-TN-4382.

31. Ford W.D.,Fauske H.K. and Bankoff S.G. The slug expulsion of freon 113 by rapid depressurisation of a vertical tube. -Int. J. Heat Mass Transfer,1971,No.1Jp.133-140.

32. Вешек Я. Измерение низких температур электрическими методами. -М.: Энергия, 1980. 224 с.

33. Клименко В.В., Сударчиков A.M., Григорьев А.В. Экспериментальная установка для исследования неадиабатных двухфазных потоков криоагентов. Тр./Моск.энерг.ин-т, 1981, вып.534, с. 30-41.

34. Справочник по физико-техническим основам криогеники. /Под ред. проф. М.П.Малкова. -М.: Энергия, 1973.

35. Датчик расхода ТДР. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, 1975.

36. Рабинович С.Г., Погрешности измерений. Л.: Энергия, 1978. -- 262 е., ил.

37. Теплопередача: Учебник для вузов. /В.П.Исаченко, В.А.Осипова, А.С.Сукомел. 4-е изд.- М.:'Энергоиздат, 1981.- 416 е., ил.

38. Теплопередача при низких температурах. /Под ред. У.Фроста: Пер. с англ. М.: Мир, 1977, 391 е., ил.

39. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник /Е.В.Аметистов, В.А.Григорьев, Б.Т.Вщев и др.; Под общей ред. В.А.Григорьева и В.М.Зорина. -М.: Энергоиздат, 1982, 512 е., ил.

40. Стерши Л.С., Исследование теплообмена при кипении жидкости в трубах. ЯТФ, 1954, т. ХХ1У, вып. II, с. 2046-2053.

41. Боришанский В.М., Козырев А.П., Обобщение опытных данных по теплообмену при пузырьковом кипении на основе теории термодинамического подобия. ИФЖ, 1962, $ 12.

42. Конвективная теплопередача в двухфазном и однофазном потоках. Под ред. В.М.Боришанского, И.И.Палеева. М. - Л., Энергия, 1964.

43. Боришанский В.М., Теплообмен при пузырьковом кипении. -В сб.: Тепло- и массопереноо. Материалы дискуссии на ГУ Всесоюзном совещании по тепло- и массообмену. т.10, ч.1, Минск, 1973, с. 313-329.

44. Клименко В.В., Исследование переходного и пленочного кипения криогенных жидкостей:, Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук, М.: МЭИ, 1975, 151 с.

45. Клименко В.В., Сударчиков A.M., Некоторые особенности пузырькового кипения на внутренней поверхности трубы. Тр./Моск. энерг.ин-т, 1983, вып. 616, с. 40-45.

46. Klimenko V.V.,Sudarchikov A.M. Investigation of forced flow boiling of nitrogen in a long vertical tube.-Cryogenics, 1983,v.23,No.7,p.379-385.

47. Блинов В.В., Двойрис А.Д., Мидлер Л.С., Беньяминович О.А., Теплообмен при кипении цропана в трубах при вынужденной конвекции. -Газовая промышленность, 1970,■ Л 10, с. 41-44.

48. Андреевский А.А., Боршпанский В.М., Фромзель В.Н., Фокин B.C. Анализ зависимости дал расчета коэффициентов теплообмена при течении в парогенерирующих каналах жидкости, нагретой до тем-тературы насыщения, ИФЖ, 1974, т.ХШ, В I, с. 142-164.

49. Клименко В.В., Григорьев А.В., Приближенная теория пузырькового кипения в трубах при вынужденном движении. Известия АН СССР, Энергетика и транспорт, 1983, 6, с. II6-125.

50. Клименко В.В. Доклад на научной конференции МЭИ, посвященной бСКлетию образования СССР. 26 ноября 15 декабря 1982 года.

51. Боршпанский В.М., Андреевский А.А., Крючков А.Г., Фокин Б.С., Фромзель В.Н., Гаврилов И.Б., Данилова Г.П., Теплоотдача к двухфазному потоку. Теплоэнергетика, 1969, В 5, с. 58-61.

52. Dengler С.Е. and Addoms J.М.,Heat transfer mechanism for vaporization of water in a vertical tube.-Chem. Eng. Prog. Symp. Series,1956,v.52,No.18,p.95-103.

53. Тонг I. Теплопередача при кипении и двухфазное течение. -М.: Мир, 1969.

54. Guerrieri S.A. and Talty R.D.,A study of heat transfer to organic liquids in single-tube,natural circulation vertical-tube boilers.-Chem.Eng.Prog.Symp.,Series, 1956, v.52,No.18,p.69-77.

55. Schrock V.E. and Grossman L.M.,Forced convection boiling studies,Final report on forced convection vaporization project.-Lawrence Radiation Lab.Rep.N TID-14632,1959.

56. Wright R.M.,Downflow forced convection boiling in uniformly heated tubes.-Lawrence Radiation Lab.Rep.N UCRL-9744,1961.

57. Samerville E.F.,Downflow boiling of n-butanol in a unifirmlj* heated tube.-Lawrence Radiation Lab. Rep. N UCRL-10527,1962.

58. Тарасова H.B., Арманд А.А., Коньков А.С., Теплообмен при высоких тепловых нагрузках и других специальных условиях. -Сб. ст. М. Л., Госэнергоиздат, 1959.

59. Bennet J.A.R.,Collier J.Е.,Pratt H.R.C. and Thornton J.D., Heat transfer to two-phase gas-liquid systems:Part I. Steam-water mixtures in the liquid dispersed region in an annulus.Trans.Inst.Chem.Engrs. 39,113.,1961.

60. БоГжо Л.Д., Исследование теплоотдачи при конденсации пара внутри трубы. В кн.: Теплообмен в элементах энергетических установок. -М.: Наука, 1966, с. 197-242.

61. Ananiev Е.Р., Boyko L.D., Kruzhilin G.Ж.,Heat transfer in thr presence of steam condensation in a horisontal tube.-In.: Int.Develepments in Heat Transfer,1961,Part II,p.220-223.

62. Румшинский Л.З., Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1971. - 192 с.

63. Collier J.G.,Lacey Р.М.С.,Pulling D.J.,Heat Transfer to Two-Phase Gas-Liquid Systems. Part III. The Effect of Proximity of other Heated Surfaces.AERE-R 3960,1971.

64. Collier J.G., Lacey P.M.C., Pulling D.J.,Heat Transfer to Two-Phase Gas-Liquid Systems.Partll.Trans. Inst. Chenr Eng. 1964,v.42,p.127-139.

65. ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ ПО ТЕПЛООБМЕНУ ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ ДВИЖЕНИИ. ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА АЗОТА В ВЕРТИКАЛЬНОМ КАНАЛЕ. ; .р = 1,8-10 5 Па