Исследование гидродинамики при кипении воды и водных растворов и течения смесей вода-глицерин в каналах с интенсификаторами теплообмена тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

АФОНИН СЕРГЕИ ЮРЬЕВИЧ ^ ,

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ПРИ КИПЕНИИ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ И ТЕЧЕНИЯ СМЕСЕЙ ВОДА-ГЛИЦЕРИН В КАНАЛАХ С ИНТЕНСИФИКАТОРАМИ ТЕПЛООБМЕНА

Специальность:01.04.14-" Теплофизика и теоретическая теплотехника"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2010

1 о ИЮН 2010

004603997

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре инженерной теплофизики.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Кузма-Кичта Юрий Альфредович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший научный

сотрудник,

Болтенко Эдуард Алексеевич кандидат технических наук, Жуков Владимир Михайлович

Ведущая организация:

Московский государственный университет инженерной экологии

Защита состоится 25 июня 2010 года в 11 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.04 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17, корп. Т, кафедра инженерной теплофизики, комн. Т-206.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского энергетического института (технического университета). Автореферат разослан^ мая 2010

Отзывы на автореферат с подписями, заверенными печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет МЭИ(ТУ).

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.04 к.ф.-м.я., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 N32804 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность выбранной тематики и рассмотрены основные направления исследований.

В первой главе анализируются имеющиеся данные по работе испарителей кипящего типа с естественной циркуляцией. Рассмотрены исследования кипения воды и водных растворов применительно к условиям в испарителях кипящего типа, используемых для термической водоподготовки наТЭС.

Показано, что при кипении водных растворов закритической минерализации существенно изменяются характеристики теплообмена и гидродинамики.

Рассмотрены методы интенсификации теплообмена с помощью модифицирования поверхностей нагрева и установки в каналах витых и проволочных вставок.

Рассмотрены исследования теплообмена и гидродинамики при течении вязких жидкостей в каналах с интенсификаторами теплообмена.

Выделены следующие проблемы дальнейших исследований:

- характеристики кипения водных растворов при повышенном давлении;

- влияние искусственных центров парообразования на нагреваемой поверхности на теплоотдачу и характеристики кипения;

- изучение характеристик течения смесей вода-глицерин в каналах с интенсификаторами теплообмена.

Во второй главе приводятся описания экспериментальных стендов и методик исследования.

Исследование диаметров и скорости всплывающих паровых пузырей при кипении воды и водных растворов в диапазоне давлений 0.1-1 МТТа проведено в МЭИ(ТУ) на Кафедре Инженерной Теплофизики на установке, схема которой представлена на рис. 1. Рабочая камера (2) представляет собой толстостенный цилиндр, по торцам которого прикреплены кварцевые стекла. Кипение происходит на внутренней поверхности рабочей камеры, которая нагревается охранным нагревателем (1). Пар, образующийся в рабочей камере, поступает в холодильник (10). Давление в рабочей камере измеряется манометром (7). Сигналы датчиков поступают на измерительную карту(8) и компьютер (9).

Для измерения диаметров и скорости всплывающих паровых пузырей применялась скоростная видеосъемка с помощью цифровой камеры (6). Съемка осуществляется в проходящем свете. Фокусное расстояние объектива (5) составляло 150 мм. Скорость съемки составляла 1000 кадров в секунду. Гильза (3) служила масштабом видеосъемки. На рис. 2 представлено распределения диаметров всплывающих паровых пузырей, полученных с помощью двух программ: для автоматической и полуавтоматической обработки данных. Согласование наиболее вероятных значений диаметров всплывающих пузырей по обеим программам с расчетными величинами, полученными с использованием известных рекомендаций, является подтверждением надежности методики обработки данных.

Рис. 1 .Установка для исследования кипения при повышенном давлении

0.8 1 | 1 Ь

0.6 -

0.4 0.2

-УС^'' '¿гг- Ч

| . - ] : |

0.5 1 1.5 2 2.5

Рис. 2. Распределение диаметров всплывающих паровых пузырей, вода 1,0МПа. а- программа для автоматической обработки данных. Б =1мм, Ь-программа для ручной обработки данных. О =1мм. (О*- наиболее вероятный диаметр парового пузыря)

Исследование кипения воды на поверхности с искусственными микровпадинами в большом объёме при атмосферном давлении проведено в Фридрих-Александр Университете г. Эрланген (Германия). В качестве рабочих участков (рис.3) использованы две алюминиевые поверхности с расположенными на них одиночными цилиндрическими углублениями диаметрами - 100 и 200 мкм и глубиной - 80 мкм. Методика исследования основана на использовании высокоскоростной камеры и программы для полуавтоматической обработки данных.

| Рис. 3. Поверхность с искусственным - центром парообразования. Вш=200 мкм

„

На рис. 4.представлены данные по наиболее вероятной скорости роста паровых пузырей перед отрывом от нагреваемой поверхности, полученные в настоящей работе, и рассчитанные по зависимости В.В. Ягова.

Рис. 4. Сопоставление опытных и расчетных данных по скоростям роста паровых пузырей. Опытные данные, ЛТж=0 К: 1 - Ош= 100 мкм, 2 - Цш= 200 мкм; ЛТЖ=2 К: 3 - Ввп= 100 мкм, 4 - Ввп= 200 мкм; ДТЖ=4 К: 5 - Ввп= 100 мкм, 6 - Ош= 200 мкм; 7 - ДТЖ=8 К, Ввп= 200 мкм; 8 - зависимость В.В. Ягова

Отклонение значений модуля роста парового пузыря для поверхности с искусственной впадиной, имеющей Ввп=200 мкм, при кипении насыщенной воды от расчетных величин согласно уравнению В.В. Ягова не превышают разброса данных измерений. Это сравнение можно рассматривать как подтверждение достоверности методики исследования. Исследование течения смесей вода-глицерин в трубе с интенсификаторами

теплообмена проведено в Техническом Университете г. Брауншвейг ' на экспериментальном стенде, показанном на рис. 5.

Рис. 6. Исследованные интенсификаторы теплообмена

Рис. 5. Установка для исследования гидродинамики при течении воды и смеси вода-глицерин в трубе с интенсификаторами теплообмена

В опытах проводились измерения падения давления при течении одно- и двухфазных сред в каналах с интенсификаторами теплообмена в адиабатных условиях и съемка структуры потока.

Распределение давления по длине рабочего участка в случае однокомпонентной среды измеряется с помощью десяти отборов давления, расположенных на расстоянии 15 см друг от друга. В случае течения смеси вода-глицерин, когда потери давления увеличиваются, применялись сенсоры давления фирмы Keller. В качестве интенсификаторов теплообмена исследованы (рис.6) проволочные вставки с различным объемным затеснением, витая вставка Кеникс, профилированная труба. Моделирование двухфазного потока осуществляется с помощью воздуха, подаваемого в рабочий участок.

На рис. 7 представлена зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числа Re при течении воды и смеси вода-глицерин в круглой трубе без вставок.

Рис. 7. Зависимость коэффициента трения от числа Re.

1 - формула Пуазеля, 2 -формула Блазиуса. Опытные данные: 3 - вода, 4 - смесь вода-глицерин, С=0.675 кг/кг смеси , 5 - смесь вода-глицерин, С=0.682 кг/кг смеси

Полученные данные по гидравлическому сопротивлению согласуются с известными зависимостями.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования гидродинамики при кипении водного раствора Na2SC>4 с концентрацией 40 г/л. Кадры видеосъемки при кипении водных растворов представлены на рис 8. На фотографиях (рис. 8Ь, 8с) видна пена, окружающая паровые пузыри, всплывающие в водных растворах Na2S04.

(

ЧШВг

*-3

Я! ^ ЯИ 5 3 0

Рис 8. Кадры видеосъемки кипения воды при давлении 1МПа (а) и водного раствора сульфата натрия с концентрацией 20г/л при давлении 0,25МПа (Ь) и концентрацией 40 г/л при давлении 0.85 МПа (с)

На рис. 9 показаны распределения диаметров всплывающих паровых пузырей для водного раствора Ка2804 с концентрацией 40 г/л при различных давлениях. На рисунках показано количество обработанных паровых пузырей. По вертикали отложены доли паровых пузырей данного диаметра в общем количестве пузырей. С увеличением давления происходит увеличение доли мелких паровых пузырей с диаметров менее 1 мм и уменьшение доли крупных паровых пузырей, диаметром более 1 мм.

620 пузырей

ь

550 пузырей

Рис.9. Распределения

диаметров всплывающих паровых пузырей для водного

раствора №2804 с концентрацией 40 г/л

На рис. 10 представлена зависимость эквивалентного диаметра парового пузыря для воды и водного раствора сульфата натрия от давления. На рисунке также показаны отрывные диаметры паровых пузырей, полученные в опытах при кипении воды в большом объеме при атмосферном давлении на поверхности с искусственными центрами парообразования с диаметрами углублений 100 и 200 мкм.

Для эквивалентного диаметра парового пузыря при кипении водного раствора сульфата натрия получена следующая зависимость:

П[С,р) = Г>-28-1

С С,

/

Р

Яр

(О

где В - отрывной диаметр парового пузыря, рассчитанный по зависимости Д.А. Лабунцова, С - концентрация водного раствора, %, Скр -критическая концентрация водного раствора, %, р - давление среды, МПа, ркр

-11- критическое давление, МПа.

'О о; й4 06 й! 1

Р.МРа

Рис. 10. Зависимость наиболее вероятного эквивалентного диаметра парового пузыря от давления Опытные данные: искусственные впадины: 1 - Вода, Ввп=100 мкм, 2 -

Вода, Ввп=200 мкм, естественные центры парообразования: 3 - Водный раствор, С=20 г/кг, 4 - Водный раствор, С=40 г/кг, 5 - Вода. Расчетные данные: 6 - зависимость Д.А. Лабунцова, 7,8,9-зависимость (1) для воды и водных растворов с концентрацией 20 и 40 г/л

Предложенная зависимость описывает экспериментальные данные в диапазоне концентраций водного раствора С=0-40 г/л и р=0.1 - 1 МПа с отклонением не более ±10%.

В четвертой главе представлены результаты исследования кипения воды в большом объеме при атмосферном давлении на поверхности с искусственной микровпадиной. Получены данные по скорости роста, частоте отрыва, отрывному диаметру паровых пузырей и зависимость я(ДТ) в случае впадин различных диаметров.

0.05 г 0.035 с ОМ с 0.065 с

Рис 11. Рост парового пузыря на поверхности с искусственным центром парообразования. Ввп=200 мкм, АТЖ=2 град, ц=100 кВт/м2

На рис. 11 представлены кадры, полученные при проведении съемки кипения недогретой воды на поверхности с искусственным центром парообразования. На первом кадре можно видеть зарождение парового пузыря, затем паровой пузырь растет в интервале от 0.005 с до 0.055с и отрывается в промежутке между 0.055 с и 0.06 с.

По данным видеосъемки были построены распределения диаметров паровых пузырей для различных моментов времени путем многократного измерения зависимости Щт). Для этого были обработаны зависимости Вп п.(т) для 60-ти паровых пузырей. В результате построения распределений ДИамсТрОВ ПарОВЫХ ПуЗЫрсй Н&ХСДйЛйСЬ ЫаТсМаТНЧЕСКИс ОЖйДаКйЯ раДИуСа

парового пузыря для каждого момента времени. Используя полученные данные, построены зависимости радиуса парового пузыря от времени, представленные на рис. 12. Обнаружено уменьшение скорости роста парового пузыря с увеличением недогрева жидкости и уменьшением диаметра впадины.

Рис. 12. Зависимость радиуса парового пузыря от времени при ДТС=7 К:

1-Овп=200мкм,ДТж=0 К, 2 - 0ВЛ=200 мкм, ДТЖ=2К,3-БВЛ=200 мкм, ДТЖ=4 К, 4 -Бвп=100 мкм, ДТЖ=2 К, 5-уравнение Д.А. Лабунцова, 6,7 -уравнение (2) для Бвп=200 и 100 мкм

На графике показаны также результаты расчета изменения радиуса парового пузыря от времени по уравнению Д.А. Лабунцова, а также по уравнению (2), полученному в настоящей работе.

Л = 3.5-

Л-АГс-Ре„ ч г-р"

(2)

Уравнение (2) описывает полученные данные в диапазоне недогревов жидкости 2-4 К и отражает зависимость скорости роста парового пузыря от диаметра впадины.

На рис. 13 представлены распределения отрывных диаметров паровых пузырей при кипении на поверхности с искусственными впадинами диаметром 100 и 200 мкм при недогреве воды 2 К. По полученным распределениям отрывных диаметров паровых пузырей найдены их наиболее вероятные значения. С увеличением диаметра впадины растет наиболее вероятный отрывной диаметр парового пузыря

(а)

(б)

Рис. 13. Распределения отрывных диаметров паровых пузырей при кипении на поверхности с 08П=100 мкм (а) и Ввп=200 мкм (б) при тепловой нагрузке я=28 кВт/м2, ДТЖ=2 К

На рис. 14 представлена зависимость наиболее вероятного

отрывного диаметра парового пузыря от отношения диаметра

искусственного углубления к средней высоте неровностей поверхности

с естественными центрами парообразования при одинаковой тепловой

нагрузке. Рис. 14. Зависимость

диаметра отрывного парового пузыря от отношения диаметра впадины к средней высоте неровностей при с]-28 кВт/м2, ДТЖ=2 К

Диаметры углубления: 1 -100 мкм; 2 - 200 мкм; 3-10 мкм, БИо^; 4-50 мкм, 8Ьо]1; 5 -естественные центры парообразования, Бакунин В.Г.

-.......-Т —

......I-

Интересно, что данные настоящей работы и результаты работы М. Шоджи для поверхности с одиночными впадинами различных размеров выстроились вдоль линейной зависимости, свидетельствуя об уменьшении ВПЛ]. с уменьшением Ввп.. Расчетные велечины согласно уравнению Д.А. Лабунцова для поверхности с естественными центрами парообразования отличаются от полученных данных при больших Овп. В связи с этим для изучения закономерности отрыва паровых пузырей при кипении на поверхностях с различными центрами парообразования необходимы новые исследования.

На рис. !5 представлены зависимости а(д) при кипении ведь; на поверхности с искусственными и естественными центрами парообразования при атмосферном давлении.

Рис. 15. Кривая кипения воды на поверхности с искусственными и естественными центрами

парообразования. Опытные данные - АТЖ=2 К: 1 - Овп=ЮО мкм, 2 - 0вп=200мкм

3 - естественные центры парообразования, Бакунин В.Г.,

- Ввл=10 мкм, БЬо^; 5 -зависимость Д.А. Лабунцова; 6 уравнение (3)

¡-¡У 1-Ш

ч, Вт/м2

На рисунке показаны также результаты расчета по уравнению Д. А. Лабунцова. Расчет по уравнению Д.А. Лабунцова дает значения, близкие к опытным данным для впадины ВШ1=100 мкм. В случае кипения на поверхности с впадиной большего диаметра получено увеличение теплоотдачи.

Для расчета теплоотдачи при кипении на поверхности с искусственными микровпадинами предложена следующая зависимость:

г (о ) \

1 + 0.004- чск.ц.п

И

ч Ч ест.ц.п у

а.

(3)

где а - коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по зависимости Д.А. Лабунцова.. Уравнение 3 отражает влияние формы и размера искусственных центров парообразования на теплоотдачу при кипении. Зависимость (3) описывает экспериментальные данные с отклонением ±10 %.

В пятой главе представлены результаты измерения перепада давления на рабочем участке и видеосъемки двухфазных потоков вода-воздух и вода-глицерин-воздух (концентрация глицерина 0.675 и 0.682 кг/кг смеси) для труб без и с различными интесификаторами теплообмена.

На рис. 16 показаны данные измерения потерь давления (а) и зависимость относительных потерь давления (б) (отношение потерь давления для трубы с интенсификатором теплообмена и без него в виде

АР

др» = ^ш^ирошшш^^ при течении смеси Вода-глицерин в зависимости от

^^гладкая _ труба

числа Рейнольдса.

Установлено, что относительные потери давления в профилированной трубе практически постоянные при ламинарном течении и их величина составляет 3.5. При турбулентном течении в профилированной трубе величина относительных потерь давления равна 1.8.

В случае использования проволочных вставок и вставки Кеникс на зависимости относительных потерь давления от числа Не обнаружен максимум при числе Яе~1500 и значения ДР* составляют соответственно 30 и 68.

В работе получены данные по потерям давления в двухфазных потоках вода-воздух и вода-глицерин-воздух и предложены уравнения их описывающие.

Для расчета потерь давления в двухфазном потоке в профилированной трубе предложена следующая зависимость:

4Р*=4Р*-М-£). (4)

где коэффициент к=ЛР* в профилированной и гладкой

7-10 6.65 10; 6--ю' 5.55-10* 5.6-10* 525-10* 19-10* 55-10* 12-10* 55-10* 5.5-10* 15-ТО 1.410* 45-10* 1.1 -10* 1.75-10* 1.410* 1.05-10* 7000 ¿500

о о Г » *2 "□аз. и »4 - с. а. 5 1кб * • 7 - — ---- а

А

[

А ——1.

■

т. 1

I. л*. », • е- 1 • . * «

300 500 000 — Лс 00 00 -750

Рн

<

определяется как отношение потерь давления трубе (рис 16(6)).

Опытные данные: 1 - труба

без вставки, С=0.675, 2 -труба без вставки, С=0.682, 3 - труба с проволочной вставкой (2), С=0.675,4 -труба с проволочной вставкой

(2), СЮ.682, 5 - труба с вставкой Кеникс, С=0.675, 6 -труба с вставкой Кеникс,

С=0.682, 7 — профилированная тпуба. С=0.675

1 - профилированная труба, 2 - труба с проволочной вставкой (2), 3 - труба с вставкой Кеникс

Рис 16. Потери давления при течении смеси вода-глицерин

На рис.17 показаны кадры видеосъемки вода-воздух и вода-глицерин-воздух.

при течении в канале потоков

Рис. 17. Кадры видеосъемки потоков вода-воздух (а) и вода-глицерин-воздух (б). 11е=1000, (3=10%

С увеличением скорости потока вода-воздух эквивалентный диаметр пузырей практически не меняется, в то время как в потоке вода-глицерин-воздух с увеличением скорости образуются пузыри, эквивалентный диаметр которых менее 1 мм.

На рис. 18 показаны распределения диаметров пузырей в потоке вода-воздух (а) и вода-глицерин-воздух (б).

1

Рис. 18. Распределение диаметров пузырей, а - вода-воздух, б -вода-глицерин-воздух Ке=1000, (3=10 %

Обнаружено смещение максимума распределения в сторону меньших диаметров и уменьшении дисперсии распределения в потоке вода-глицерин-воздух.

Для оценки эффективности исследованных интенсификаторов теплообмена построена зависимость отношения чисел № для трубы с интенсификатором теплообмена и без него от отношения коэффициентов гидравлического сопротивления для трубы с интенсификатором теплообмена и без него при выбранном числе Яе. Числа 1Чи найдены по зависимости В.В. Харитонова. На рис. 19 представлены полученные данные для числа 11е=2700.

профилированная труба

№

Рис. 19. Эффективность исследованных интенсификаторов теплообмена. 1 - вода, 2 - смесь вода-глицерин

Вставка Кеникс обеспечивает рост коэффициента теплоотдачи до 3 раз, но это сопровождается повышением потерь на трение до 50 раз.

Проволочные вставки обеспечивают рост коэффициента теплоотдачи до 2 раз, и это сопровождается повышением потерь на трение до 16 раз.

Профилированная труба обеспечивает рост коэффициента теплоотдачи до 1.5 раз при повышении потерь на трение до 2 раз.

Приведенные выше оценки эффективности исследованных интенсификаторов теплообмена получены при течении однофазной среды.

Выводы

1. Исследовано кипение водного раствора Ма2804 в большом объеме при повышенных давлениях. Получены новые данные по скорости и диаметру всплывающих паровых пузырей для водного раствора №2804 с концентрацией 40 г/л при давлениях 0.1-1 МПа. Установлена зависимость диаметра всплывающего парового пузыря от давления для исследованных условий.

2. Исследовано кипение воды в большом объеме на поверхности с искусственным центром парообразования. Проведены измерения скорости роста, отрывного диаметра, частоты отрыва парового пузыря и теплоотдачи при кипении воды на поверхностях с искусственной микровпадинами диаметрами 100 и 200 мкм. Обнаружено, что скорость роста парового пузыря понижается с уменьшением диаметра впадины и увеличением недогрева жидкости. Предложена зависимость, описывающая полученные результаты по скорости роста.

3. Впервые получены распределения отрывных диаметров паровых пузырей для различных диаметров впадин. Установлено, что отрывной диаметр парового пузыря в исследованных условиях линейно уменьшается с диаметром впадины и предложено уравнение, отражающее эту зависимость. Обнаружено, что в исследованных условиях искусственные впадины

приводят к повышению теплоотдачи при кипении по сравнению с обычными центрами парообразования.

4. Исследовано течение воды и смеси вода-глицерин в трубе без и с интенсификаторами теплообмена (проволочная вставка с различным объемным затеснением, закрученная вставка Кеникс, профилированная труба). Получены данные по перепадам давления при течении воды и смеси вода/глицерин с концентрацией 0.675 и 0.682 кг/кг в трубе с интенсификаторами теплообмена и без них. На зависимости отношения перепадов давления в трубе с интенсификаторами теплообмена и без них от

имлтто Л^иолимсАи »тот/лтхиппи гпиплтапг лтгигтлтпг»!! л ^лпаа «лтша«» ттлплл^лтгп

к турбулентному течению в каналах с интенсификаторами теплообмена. Установлено, что вставка Кеникс приводит к наибольшему падению давления.

5. Впервые получены распределения эквивалентных диаметров всплывающих пузырей в потоке вода-воздух и вода-глицерин-воздух в трубе без и с интенсификаторами теплообмена. Установлены зависимости эквивалентного диаметра пузыря от числа Рейнольдса. Обнаружено, что исследованные интенсификаторы теплообмена изменяют структуру потока, уменьшая эквивалентный диаметр пузырей.

6. Проведена оценка эффективности исследованных интенсификаторов теплообмена при течении однофазной среды. Обнаружено, что в исследованных условиях профилированная труба более эффективна, так как она обеспечивает повышение теплоотдачи при сравнительно небольшом росте гидравлического сопротивления по сравнению с остальными интенсификаторами теплообмена.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1) Афонин С.Ю., Кузма-Кичта Ю.А. Исследование процесса кипения на поверхностях с одиночными искусственными микровпадинами // Теплоэнергетика - 2010 - №3, стр. 70-74.

2) Yu.A. Kuzma-Kichta, S.Afonin, F.Durst. "Investigation of boiling on a surface with the artificial nucleation sites." 48-Conference of RTU, Riga, October

3) Лавриков A.B., Шустов M.B. Афонин С.Ю., Кузма-Кичта Ю.А. Исследование кипения водных растворов с помощью лазерной диагностики // Четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика". Тезисы докладов. М.: Издательство МЭИ, 2008, Т.З. с.16-17.

4) Yu.A. Kuzma-Kichta, А. Lavrikov, S.Afonin, М. Shustov "Boiling investigation on the surface with artificial and natural nucleons sites" // 6-th International Conference ASME on Macro-, Micro- and Nano Channels, Darmstadt, Germany, 23-25 Juni, 2008.

5) Афонин С.Ю., Кузма-Кичта Ю.А. Исследование кипения воды на поверхности с искусственными микровпадинами // Теплообмен и гидродинамика в закрученных потоках. 3-я Международная конференция. М., МЭИ, 2008.

6) Шустов М.В., Афонин С.Ю., Лавриков A.B., Кузма-Кичта Ю.А. Исследование взаимодействия паровых пузырей при кипении водных растворов. 17-ая Школа-Семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, 25-29 мая 2009, Жуковский.

7) J. Hammerschmidt, S. Afonin, Yu. А. Kuzma-Kichta, S. Scholl. Experimentelle Untersuchungen zum Einsatz von Turbulentpromotoren und strukturierten Rohren in Naturumlaufverdampfern // Jahrestreffen der ProcessNet-Fachausschüsse Computational Fluid Dynamics und Wärme- und Stoffübertragung. Hamburg 2010.

Подписано в печатьОд- fCl. Д-

2007.

Заказ Ш

Типография МЭИ (ТУ), Красноказарменная, 13.

Введение

Глава 1. Обзор исследований гидродинамики при кипении воды и водных растворов и течения вязких жидкостей в каналах с интенсификаторами теплообмена

1.1. Испарители кипящего типа с естественной циркуляцией

1.2. Влияние минерализации среды на теплоотдачу и 14 гидродинамику при кипении в большом объеме

1.3. Исследование кипения на поверхности с искусственными 25 центрами парообразования

1.4. Исследование течения вязких жидкостей в каналах с 39 интенсификаторами теплообмена

Выводы по обзору, постановка задач исследования

Глава 2. Методика исследования и экспериментальные установки

2.1. Методика исследования гидродинамики при кипении водных 52 растворов при повышенном давлении и экспериментальная установка

2.2 Методика исследования кипения на поверхности с 60 искусственными центрами парообразования и экспериментальная установка

2.3 Методика и экспериментальная установка для исследования 65 течения смесей вода-глицерин в каналах с интенсификаторами теплообмена

Глава 3. Результаты исследования гидродинамики при кипении 71 водных растворов при повышенном давлении

Теплофизические свойства водных растворов Na2S

3.1 Структура потока. Всплытие паровых пузырей

3.2 Эквивалентный диаметр всплывающих паровых пузырей

3.3 Скорость всплытия паровых пузырей

Глава 4. Исследование гидродинамики при кипении на 82 одиночном искусственном центре парообразования

4.1 Скорость роста парового пузыря

4.2 Отрывные диаметры паровых пузырей •

4.3 Частота отрыва паровых пузырей

4.4 Оценка теплоотдачи при кипении на поверхности 95 с одиночным искусственным центром парообразования

4.5 Применение результатов исследования

Глава 5. Исследование течения смеси вода-глицерин в каналах 99 с интенсификаторами теплообмена

5.1. Достоверность получаемых данных

5.2 Измерение перепада давления в однофазном потоке

5.3 Измерение перепада давления в двухфазном потоке

5.4. Измерение характеристик двухфазного потока

5.5. Оценка эффективности исследованных интенсификаторов 123 теплообмена

Распространенным способом очистки воды является ее термическая подготовка на испарителях кипящего типа. Исследование гидродинамики и теплоотдачи в испарителях кипящего типа на ТЭС при глубоком концентрировании питательной воды выявило отличия по сравнению с условиями эксплуатации в случае маломинерализованной среды. Как показали имеющиеся исследования, обнаруженные особенности вызваны изменениями теплофизических свойств рабочей среды, теплоотдачи и гидродиыамики при кипении. В частности было обнаружено, что при кипении водных растворов с закритической минерализацией образуется пена, которая существенно изменяет характеристики потока [1].

В монографии [2] описана методика расчета теплоотдачи и гидродинамики в испарителях кипящего типа при закритической минерализации рабочей среды. Одним из направлений усовершенствования методики [2] является учет взаимодействия паровых пузырей при кипении водных растворов при повышенных давлениях и солесодержании.

В работе [3] получена зависимость для оценки взаимодействия паровых пузырей при кипении водных растворов. Однако необходимо получить новые данные для проверки полученной зависимости. В связи с этим необходимо измерить распределения отрывных диаметров и скоростей всплытия паровых пузырей при кипении водных растворов при закритическом солесодержании и повышенных давлениях.

Испарители кипящего типа с естественной циркуляцией широко используются в зарубежной промышленности. Основное применение испарители нашли в химической отрасли, где они используются в качестве ректификационных колонн. Однако при использовании испарителей с естественной циркуляцией возникает ряд проблем, таких как нестабильность циркуляционного потока и низкие значения коэффициентов теплоотдачи.

Исследования теплообмена и гидродинамики в испарителях кипящего типа с естественной циркуляцией показали актуальность повышения интенсивности теплоотдачи при течении в одно- и двухфазных средах.

Эффективным методом интенсификации теплоотдачи при кипении является создание на поверхности искусственных центров парообразования с оптимальной формой и размерами. Однако данные по теплоотдаче и характеристикам кипения на поверхности с искусственными центрами парообразования крайне ограничены. Не измерены распределения отрывных диаметров, частот отрыва, скоростей всплытия паровых пузырей, не установлены их зависимости от недогрева жидкости, формы и размеров впадины, тепловой нагрузки. Крайне ограничены данные по теплоотдаче при кипении на поверхности с искусственными центрами парообразования.

Помимо создания на поверхности искусственных микровпадин в испарителях кипящего типа с естественной циркуляцией возможно применение других способов интенсификации теплообмена. Три уровня интенсификации теплообмена рассмотрены в монографии [4]: на макро-, микро- и наномасштабах. В работе [5] была предложена интенсификация теплообмена в пучках стержней с помощью интенсификатора-завихрителя применительно к реактору кипящего типа на Игналинской АЭС. Внедрение данного интенсификатора позволило увеличить мощность в 1.5 раза.

Интенсификаторы теплообмена на различных масштабах можно было бы использовать в испарителях кипящего типа с естественной циркуляцией. Однако имеющиеся данные по интенсификации теплообмена применительно к испарителям кипящего типа крайне ограничены.

Особый интерес представляет изучение интенсификации теплообмена при течении в каналах сред с высокой вязкостью. В работе [6] представлены результаты исследования интенсификации теплоотдачи при течении однофазной вязкой среды в канале с дискретно расположенными на поверхности интенсификаторами теплообмена. Однако данные для других интенсификаторов теплообмена не получены.

Для анализа результатов интенсификации теплообмена представляют большой интерес данные по структуре потока при течении одно- и двухфазной жидкости в каналах с интенсификаторами теплообмена. В работе [7] показано, что изменение плотности, вязкости, поверхностного натяжения и концентрации смеси также вносят в гидродинамику газо-жидкостных смесей определенные закономерности, которые не наблюдаются при течении однородной смеси. Однако эта проблема практически не изучена.

Важным вопросом является анализ эффективности интенсификации теплообмена. Однако для условий в испарителях кипящего типа для сред с повышенной вязкостью такие данные крайне ограничены.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Исследовано кипение водного раствора Na2SC>4 в большом объеме при повышенных давлениях. Получены новые данные по скорости и диаметру всплывающих паровых пузырей для водного раствора Na2S04 с концентрацией 40 г/л при давлениях 0.1-1 МПа. Установлена зависимость диаметра всплывающего парового пузыря от давления для исследованных условий.

2. Исследовано кипение воды в большом объеме на поверхности с искусственным центром парообразования. Проведены измерения скорости роста, отрывного диаметра, частоты отрыва парового пузыря и теплоотдачи при кипении воды на поверхностях с искусственной микровпадинами диаметрами 100 и 200 мкм. Обнаружено, что скорость роста парового пузыря понижается с уменьшением диаметра впадины и увеличением недогрева жидкости. Предложена зависимость, описывающая полученные результаты по скорости роста.

3. Впервые получены распределения отрывных диаметров паровых пузырей для различных диаметров впадин. Установлено, что отрывной диаметр парового пузыря в исследованных условиях линейно уменьшается с диаметром впадины и предложено уравнение, отражающее эту зависимость. Обнаружено, что в исследованных условиях искусственные впадины приводят к повышению теплоотдачи при кипении по сравнению с обычными центрами парообразования.

4. Исследовано течение воды и смеси вода-глицерин в трубе без и с интенсификаторами теплообмена (проволочная вставка с различным объемным затеснением, закрученная вставка Кеникс, профилированная труба). Получены данные по перепадам давления при течении воды и смеси вода/глицерин с концентрацией 0.675 и 0.682 кг/кг в трубе с интенсификаторами теплообмена и без них. На зависимости отношения перепадов давления в трубе с интенсификаторами теплообмена и без них от числа Re обнаружен максимум, свидетельствующий о более раннем переходе к турбулентному течению в каналах с интенсификаторами теплообмена. Установлено, что вставка Кеникс приводит к наибольшему падению давления.

5. Впервые получены распределения эквивалентных диаметров всплывающих пузырей в потоке вода-воздух и вода-глицерин-воздух в трубе без и с интенсификаторами теплообмена. Установлены зависимости эквивалентного диаметра пузыря от числа Рейнольдса. Обнаружено, что исследованные интенсификаторы теплообмена изменяют структуру потока, уменьшая эквивалентный диаметр пузырей.

6. Проведена оценка эффективности исследованных интенсификаторов теплообмена при течении однофазной среды. Обнаружено, что в исследованных условиях профилированная труба более эффективна, так как она обеспечивает повышение теплоотдачи при сравнительно небольшом росте гидравлического сопротивления по сравнению с остальными интенсификаторами теплообмена.

1.А, Вязьмин А.В, Полянин А.Д. Пены как специфические газо-жидкостные технологические среды // Теоретические Основы Химической Технологии, 2000, том 34, №3, с. 237-254.

2. Седлов А.С., Кузма-Кичта Ю.А. Гидродинамика и теплообмен при кипении водных растворов // Москва. Изд МЭИ, 2007. 164 с.

3. Лавриков А.В. Исследование кипения водных растворов при повышенных давлениях и усовершенствование методики расчета испарителей кипящего типа при закритической минерализации: Дисс. канд. техн. наук. М.: МЭИ, 2008. - 151 с.

4. Б.В. Дзюбенко, Ю.А. Кузма-Кичта, А.И. Леонтьев, И.И. Федик, Л.П. Холпанов. Интенсификация тепло- и массообмена на макро-, микро- и наномасштабах //Москва, ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ», 2008 532 с.

5. Назмеев Ю.Г. Теплообмен при ламинарном течении жидкости в дискретно-шероховатых каналах // М., Энергоатомиздат, 1998. 376 с.

6. В.А. Мамаев, Г.Э. Одишария, Н.И., Семенов, А.А. Точигин. Гидродинамика газо-жидкостных систем в трубах // М. Издательство «Недра», 1969.-208 с.

7. Буяков Д.В. Исследование влияния концентрации водного раствора сульфата натрия на теплообмен в испарителях и паропреобразователях: Дисс. канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1999. - 160 с.

8. John R. Thome. Enhanced Boiling Heat Transfer. Hemisphere Publishing Corporation. N.-Y., 1990.

9. Абрамов А.И., Борисенко Д.И., Буяков Д.В., Зудин Ю.Б., Кузма-Кичта Ю.А., Сербии П.В. Исследование теплоотдачи при кипении водных растворов в испарителях // Экология энергетики 2000: Материалы Межд. науч.-практ. конф. М., 2000. - С. 192-195.

10. Лабунцов Д.А., Корнюхии И.П., Захарова Э.А. Паросодержание двухфазного адиабатного потока в вертикальных каналах // Теплоэнергетика. 1968. - №4. - С. - 62-67.

11. Кутепов A.M., Стерман J1.C., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании // М.: Высшая школа, 1986. — 392 с.

12. Карцев А.С. Исследование влияния минерализации на гидродинамику и теплообмен в испарителях кипящего типа: Дисс. канд. техн. наук. — М.: МЭИ, 2004.-210 с.

13. Шустов М.В., Афонин С.Ю., Лавриков А.В., Кузма-Кичта Ю.А. Исследование взаимодействия паровых пузырей при кипении водных растворов. 17 Школа-Семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, 25-29 мая 2009, Жуковский.

14. Солодов А.П. Гравитационные пузырьковые течения // Теплоэнергетика. 2002. - №8. - С. 59-64.

15. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения // М.: Мир, 1972. — 314 с.

16. Стырикович М.А., Бартоломей Г.Г., Колокольцев В.А. Исследование влияния солесодержания воды не набухание уровня и коэффициент уноса // Внутрикотловые физико-химические процессы. Издательство АН СССР. 1957. - С.101-112.

17. Стерман Л.С., Сурнов А.В., Матвеев В.П. Влияние солесодержания котловых вод на гидродинамику при барботаже // Теплоэнергетика. -1959. -№11. -С. 48-52.

18. Кутателадзе С.С., Накоряков В.Е. Теплообмен и волны в газожидкостных системах// Новосибирск: Наука, 1984. 446 с.

19. JI.H Полянин, В.П Дробков. Прикладная гидромеханика восходящих газожидкостных потоков // М. Энергоатомиздат. 2004. с. 17

20. Ю.А Кузма-Кичта , В.Г Бакунин , О.К Шлапко. Исследования характеристик кипения воды и водных растворов в большом объеме с помощью лазерной диагностики., Boiling and Condensation, Riga, 1997

21. Лабунцов Д.А., Ягов В.В. «Механика двухфазных систем», М., МЭИ, 2000.

22. Несис Е.И. Кипение жидкостей // М., Наука, 1973 г. 280 с.

23. Кузма-Кичта Ю.А. Методы интенсификации теплообмена // М., Изд. МЭИ, 2004.

24. Ковалев С.А., Соловьев С.Л., Испарение и конденсация в тепловых трубах. М. :Наука, 1989

25. Малышенко С.П., Андрианов А.Б. Неравновесные фазовые переходы при кипении на поверхностях с пористыми покрытиями// Препринт ИВ ТАН №1 -293.М.1990

26. M.Soji, У. Takagi, "Bubbling features from a single artificial cavity", 2001.

27. L. Zhang, M. Soji, "Nucleation site interaction in pool boiling on the artificial surface", 2002.

28. S. Chaptun, M. Watanabe, M. Soji "Nucleation site interaction in pool nucleate boiling on a heated surface with triple artificial cavities", 2004.

29. Masahiro Shoji, Boiling chaos: Experiments and models // The Third International Conference of Transport Phenomena in Multiphase System ,Poland, June 24-27 2002.

30. The departure size of pool-boiling bubbles from artificial cavities at moderate and high pressures. / W.M. Slyeter, P.C. Slooten, C.A. Copraij, A.K. Chesters// Int. J. Multiphase Flow. 1991. Vol. 17. P. 153-158.

31. Chesters A.K. An analytical solution for the profile and volume of a small drop or bubble symmetrical about a vertical axis // J. Fluid Mech. 1977. Vol. 81, part 4. P. 609-624.

32. Э. К. Калинин, Г.А. Дрейцер, И.З. Копп, А.С. Мякочкин. Эффективные поверхности теплообмена // М., Энергоатомиздат, 1998 г. — 408 с.

33. Кривешко А.А. Исследование процесса пузырькового кипения с применением локального обогрева теплоотдающей поверхности: Дисс. канд. техн. наук. Киев, 1976 г. — 142 с.

34. И.А. Попов, Х.М. Махянов, В.М. Гуреев. Физические основы и промышленное применение интенсификации теплообмена. Казань: Центр инновационных технологий, 2009.

35. Жуков В.М., Леньков В.А., Рахманов А.А. Нестационарный теплообмен при кипении фреона 113 на поверхности сферы с пористым покрытием. // Труды 4 РНКТ. М.: МЭИ. 2006. Т.4. С. 96-99.

36. Кузма-Кичта Ю.А., Жуков В.М., Агальцов A.M. Теплообмен при охлаждении сфер с лунками в кипящих жидкостях. VI ММФ. Тезисы докладов. Минск Изд-во ГНУ «ИТМО им. А.В. Лыкова» НАНБ 2008 Том 1. С. 111-112.

37. Thome J.R Boiling. Heat transfer handbook. Editors by Bejan A. and Kraus A.D. Chap.9.13. John Wiley & Sons, Inc. 2003. 1480 p.

38. Bergles, A. E., Jensen, M. K., and Shome, В. Bibliography on Enhancement of Convective Heat and Mass Transfer, Report HTL-23, Heat Transfer Laboratory, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY. 1995.

39. Bergles, A. E. Techniques to Enhance Heat Transfer, in Handbook of Heat Transfer,3rd ed., (Rohsenow W. M., Hartnett, J. P., and Cho, Y. I., eds.), McGraw-Hill, New York, Chap. 11. 1998.

40. Болтенко Э.А., Тарасевич С.Э, Обухова JI.A. Интенсификация теплосъема в кольцевых каналах с закруткой потока. Конвективный теплообмен, Изв. РАН. Энергетика, 2001, № 3, с. 99 105.

41. Болтенко Э.А. Кризис теплообмена в кольцевых каналах с закруткой потока. Теплоэнергетика, 2003, № 11, стр. 25-30.

42. Тарасевич С.Э., Болтенко Э.А., Яковлев А.Б., Ильин Г.К. Теплообмен при вынужденной конвекции и кипении воды в кольцевых каналах с закруткой. Труды 4-ой Российской национальной конференции по теплообмену, М., МЭИ, 2006, том 4, с. 220-223.

43. Т.P. Bor. Der Kenics Static Mixer und seine Anwendungsmoglichkeiten in der Verfahrenstechnik. DFG-Vortragstagung, Mtinchen, 1971.

44. Oliver, D. R., and Aldington, R. W. J. Enhancement of Laminar Flow Heat Transfer Using Wire Matrix Turbulators, in Heat Transfer 1986, Vol. 6, Hemisphere Publishing, Washington, DC, 1986. pp. 2897-2902.

45. S. Scholl, F. Brahim. Intensification of fluiddynamic and thermal performance of thermosiphon reboilers. Applied Thermal Engineering 25 (2005), p. 2615-2629.

46. Ю.А. Кузма-Кичта, П. А. Савельев, C.A. Корякин, A.K. Добровольский. Исследование интенсификации теплообмена в трубах с винтовой накаткой. Рига 2004.

47. Александров A.A. Температура и энтальпия кипящих водных растворов хлорида натрия и сульфата натрия // Теплоэнергетика. — 2000.-№6.-С. 75-80.

48. Александров А.А. // Теплоэнергетика. 2004. - №6. - С. 70-75.

49. Yu.A. Kuzma-Kichta, S.Afonin, F.Durst. "Investigation of boiling on a surface with the artificial nucleation sites." 48-Conference of RTU, Riga, October 2007.

50. Yu.A. Kuzma-Kichta, A. Lavrikov, S.Afonin, M. Shustov "Boiling investigation on the surface with artificial and natural nucleons sites", 6-th International Conference ASME on Macro-, Micro- and Nano channels, Darmstadt, Germany, 23-25 Juni, 2008.

51. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред II— М.: Наука. 1987. 360 с.

52. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А., Соловьев С.Л. «Теплообмен в ядерных энергетических установках», М., МЭИ, 2004

53. Афонин С.Ю., Кузма-Кичта Ю.А. Исследование кипения воды на поверхности с искусственными микровпадинами. 3-я Международная конференция по закрученным потокам. М., МЭИ, 2008.

54. Афонин С.Ю., Кузма-Кичта Ю.А. Исследование процесса кипения на поверхностях с одиночными искусственными микровпадинами. Теплоэнергетика — 2010 №3, стр. 70-74.

55. Taitel Y. Flow pattern transition in two-phase flow// Proc. of 9-th Int. Heat Transfer Conf. Jerusalem. 1990. Vol. 17. P.237-254.