Исследование критической области теплоотдачи кипящих бинарных смесей жидкостей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

РОМАНОВ Виктор Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ ТЕПЛООТДАЧИ КИПЯЩИХ БИНАРНЫХ СМЕСЕЙ ЖИДКОСТЕЙ

Специальность: 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2006

Работа выполнена в Ростовской-на-Дону государственной академии сельскохозяйственного машиностроения

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Лыков Евгений Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ряжских Виктор Иванович;

кандидат технических наук, доцент Портнов Владимир Васильевич

Ведущая организация ООО "Ростсельмаш - Энерго'

(г. Ростов-на-Дону)

Защита состоится 29 июня 2006 г. в 14 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212 037 05 Воронежского государственного технического университета по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп ,14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета

Автореферат разослан ^¿Г^мая 2006 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Бараков А В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Федеральная целевая программа "Энергетическая стратегия России на период до 2020 года" предусматривает существенное повышение эффективности использования энергетических ресурсов, снижение энергоемкости производств. Радикальное решение проблемы экономии топлива и повышения эффективности использования энергии возможно только на основе новых энерго- и ресурсосберегающих технологий.

Одним из перспективных направлений решения этой задачи является использование различных способов интенсификации процессов тепломассообмена. При этом важной задачей современной теплофизики и теплотехники является изучение критической области теплоотдачи кипящих бинарных смесей жидкостей. В этом научном направлении в последнее десятилетие обнаружены новые возможности интенсификации процессов тепломассообмена. В этой области возникает кризис теплообмена, который приводит при нерегулируемой температуре поверхности нагрева к пережогу тепловыделяющего элемента.

Одним из перспективных способов повышения интенсивности теплообмена является использование в качестве теплоносителя водно- спиртовых бинарных смесей Эти теплоносители позволяют отводить от поверхности нагрева большие тепловые потоки, чем с применением одного из компонентов. Так как при кипении таких растворов обнаружены точки максимума критической плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи.

Особый интерес при разработке данной темы проявляется к экспериментальному определению температурных интервалов быстрейшего испарения бинарных смесей. Такая задача является актуальной, так как способствует развитию представлений о кризисе кипения как сложном процессе отжима жидкости паром от поверхности нагрева.

Данная работа выполнена в соответствии с комплексным планом научно-исследовательских работ РГАСХМ (гос. регистр. 01.20.0505502).

Цель и задачи исследования. Заключаются в исследовании критической области теплоотдачи кипящих бинарных смесей жидкостей вблизи экстремума тепловой нагрузки, чтобы найти способа повышения паро-производительности при гарантии безопасности теплонапряженной поверхности.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. Исследование влияния концентрационного состава бинарной смеси на коэффициент теплоотдачи и плотность теплового потока.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.-Петербург

ОЭ 200йкт5~^

2. Исследование особых температурных интервалов наиболее интенсивного испарения капель и навесок бинарных смесей

3. Изучение влияния концентрации органического компонента в воде на скорость испарения водно - спиртовых бинарных смесей.

Научная новизна. Исследуется критическая область теплоотдачи кипящих бинарных смесей методом испарения капель или навесок и прямым изучением кипения данных жидкостей на цилиндрическом нагревателе.

1. Получены сравнительные характеристики параметров, определяющих зависимости критической тепловой нагрузки и коэффициента теплоотдачи от состава бинарной смеси.

2. Изучено влияние температуры жидкости на величину критического теплового потока бинарных смесей

3. Определены температуры максимальной скорости испарения капель или навесок бинарных смесей.

4. Обнаружена закономерность, согласно которой максимальная плотность теплового потока линейно связана с максимальной скоростью испарения.

Практическая значимость. Результаты исследованных смесей, особенно составов, обеспечивающих максимальные критические тепловые нагрузки, могут быть эффективно использованы для повышения паропро-изводительности котлоагрегатов и других тепловых машин.

Опытным путем найдено, что бинарные водные смеси при малой концентрации органического компонента (например, при 0,5% весовой концентрации изоамилового спирта в воде) при температурах быстрого испарения (порядка 136 °С) весьма эффективно охлаждают теплонапряжен-ные поверхности.

Результаты диссертационного исследования внедрены в практику ООО "Ростсельмаш-Энерго".

Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: IV и V Международной научно-технической конференции "Авиакосмические технологии" АКТ-2004 и АКТ-2005 (Воронеж, 2004, 2005); межвузовской научно-технической конференции "Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды" (Ростов-на-Дону, 2003-2005); Международной научно-практической конференции РГСУ (Ростов-на-Дону, 2005).

Публикации. Г1о теме диссертации опубликовано 5 работ. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежит: [1]-экспериментальное исследование интегрального уровня акустического давления при кипении бинарных смесей, [4]- определение величины критиче

ского теплового потока при ненасыщенном кипении жидкости, [5]- анализ температур максимальной скорости испарения капель или навесок бинарных смесей.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с основными результатами и выводами, изложенными на 100 страницах, 42 рисунков, 8 таблиц и 7 схем, библиографического списка из 80 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В первой главе рассмотрены условия зародышеобразования в жидкостях и на поверхности нагрева, обуславливающие процесс кипения. Проведен общий анализ кривых кипения в двойных системах. Рассмотрено современное состояние вопроса проблемы кризиса теплоотдачи кипящих жидкостей, и на основе этого определяются задачи исследования.

Во второй главе приводятся результаты экспериментального исследования критической области теплоотдачи кипящих бинарных смесей жидкостей в большом объеме при естественной конвекции. В эксперименте использовали следующие бинарные смеси' вода-этанол, вода-изоамиловый спирт и вода-изобутиловый спирт На рис.1 представлена схема экспериментальной установки.

1 I 1 2

3 -J

[П сЬ

Рис.1. Схема экспериментальной установки. 1- батарея аккумуляторов, 2- управляемый регулятор мощности, 3- вольтметр и амперметр, 4-тепловыделяющий элемент, 5- измерительный сосуд , 6- термометр, 7-спектрометр ультразвуковой частоты (7240 Гц- 292 кГц) , 8- спектрометр звуковой частоты (40 Гц- 20 кГц), 9- интегрирующий прибор (ИП) милливольтметр типа ВЗ-5

В качестве тепловыделяющего элемента был использован медный цилиндрический нагреватель диаметром 55 мкм. Измерение тепловой нагрузки производилось по показаниям электрических приборов, а также с помощью гидрофона.

При исследовании кипящих бинарных смесей важно, чтобы состав смеси у поверхности кипения не изменялся. Для этого был создан управляемый регулятор мощности, позволивший осуществлять процесс кипения за 5-10 секунд. За это время концентрация раствора и температура жидкости остаются постоянными Таким образом, данная установка позволила исследовать процесс на всей кривой кипения, включая критическую область теплоотдачи.

В результате акустического исследования звуковою давления Рак(шу) от тепловой нагрузки ц, получена зависимость (рис.2).

д, МВт/м2

Рис 2. Акустические кривые кипения.

Д - вода, X - вода-изоамиловый спирт (0,5 % по весу органического компонента)

Из рис. 2 видно, что акустическая кривая с возрастанием теплового потока монотонно растет до некоторого уровня, затем происходит уменьшение Рак. При этом выявляется звуковой максимум данной кривой в довольно малой окрестности значений тепловой нагрузки, так что дальнейший рост приводит к некоторому уменьшению акустического давления. Полученные кривые показывают, что точка максимума Рак соответствует моменту пережога цилиндрического нагревателя и акустическому кризису кипения.

В результате исследования процесса кипения разных составов бинарных смесей были получены максимальные значения критической плот-

ности теплового патока Отдельные результаты этих исследований показаны на рис. За, Зв.

х,%

j

Рис. 3 а Зависимость критической тепловой нагрузки цкр от массовой концентрации X изоамилового спирта в воде, при температуре смеси 22 °С

О ---,----,-,-,--г-

0 1 2 3 4 5 6 7

Х,%

Рис. Зв. Кривая зависимости от концентрации х бинарной смеси вода-изобутанол

При определенной концентрации органического компонента обнаружен максимум плотности теплового потока, который соответствует критическому коэффициенту теплоотдачи (рис 4).

0 2 4 6

[ *, %

Рис.4. Зависимость коэффициента теплоотдачи а от концентрации х бинарной смеси изоамиловый спирт- вода

Таким образом, нами экспериментально обнаружены максимальные величины плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи при ненасыщенном кипении водно-спиртовых смесей.

В результате обработки опытных данных была получена зависимость д от температуры / бинарной смеси, показанная на рис. 5а, 5в.

12

10

8

"р ш £ 6

а

СГ 4

о-----------1

20 30 40 50 60 70

1, °с.

Рис. 5а Зависимость критической тепловой нагрузки цкр от температуры I 0,5 % бинарной смеси пода-изоамиловый спирт

10 9

50 <, 'С

Рис. 5 в. Зависимость критической тепловой нагрузки дкр от температуры I 1 % бинарной смеси вода изоамиловый спирт

Аппроксимация этих данных позволила получить следующие зависимости для смеси вода-изоамиловый спирт (0,5 %) дг = 14 - 0,15 ■( ,

для смесивода-изоамиловый спирт(1%) ц ^ ^ = 12,6 - 0,14 - г ■

В третьей главе приведены результаты экспериментального изучения механизма испарения капель или навесок бинарных смесей жидкостей. Нами были получены кривые испарения указанных выше растворов, проанализированы температурные интервалы скорости быстрейшего испарения навесок или капель. На рис.6 показана схема экспериментальной установки.

Рис.6. Схема установки для исследования испарения капель или навесок бинарных смесей жидкостей: ПН- поверхность нагрева, ТП- термопара, ТР- трансформатор, I- электрический нагреватель

Результаты опытов по испарению жидкостей представлены в виде зависимости времени испарения о г температуры поверхности 1=Г(Тст). Отдельные результаты этих опытов показаны на рис.7а и 7в.

Получены также аналогичные кривые испарения для водных смесей этанола, изоамилового спирта, изобутилового спирта с малым содержанием органического компонента.

100 150 200, 250 300

Ос

а)

♦ 1 л*'

100 110 120 130 „140 150 160 170

Тст, °С

в)

Рис.7. Зависимость времени 1 испарения от температуры поверхности нагрева Тш ,°С • а) вода ; в) бинарной водной смеси вода- этанол (50 %)

Анализ кривых испарения на рис.8 показал, что для каждого состава смеси существует определенный интервал быстрейшего испарения.

Если сопоставить полученные значения температур Тст, соответствующих максимальной скорости испарения, для различных концентраций смеси вода-этанол со значениями их температур кипения Т(] при атмосферном давлении, то можно увидеть, что величина отношения посто-

Т

ст

янна и находится в пределах 0,62-0,66.

Рис.8. Кривая зависимости минимума времени испарения от температуры поверхности нагрева и состава бинарной смеси вода-этанол

Установлено, что массовая скорость испарения V бинарных смесей выше, чем у воды при одной и той же температуре поверхности нагрева (рис.10).

Нами обнаружена закономерность, согласно которой для каждого состава смеси отношение критической плотности теплового потока к максимальной скорости испарения навесок постоянно.

о к. 2

!>

/ \ к

/

1 —-

1

(

г

2 о/ 3

х,%

Рис.9. Зависимость скорости испарения V навески бинарной смеси вода - изоамиловый спирт от массовой концентрации х органического компонента в воде

В четвертой главе проведен анализ влияния концентрации органического компонента кипящей водной бинарной смеси на радиус парового пузырька.

Радиус пузырька определяется по формуле

(1)

=

2(7 Д р

где согласно Кружилину Ар = р'АТ, тогда (1) примет вид

я0 = -4е- ' (2)

0 р'АТ

В состояниях, далеких от термодинамического кризиса, для бинарных смесей уравнение Ван-дер-Ваальса можно записать:

дгг

(02 - 6>,)ф = ($2 - +

дх:

(х2 - х1 )йх >

выразив отсюда производную и подставив ее в (2), получим:

2а

Я г

(3)

х2-х, дгЪ с1х_ 1« « '^'"'«ГГ1

в2 — 91 02—0|

где в - мольный объем; 51 - мольная энтропия; X -мольные концентрации по низкокипящему компоненту, К0 - радиус парового пузырька, Ъ- моль-

ный термодинамический потенциал Гиббса. Индекс-2 относится к пару, индекс-1 к жидкости.

Поскольку функция Я0 переменная величина (для чистых жидкостей х2 - х, = 0, для смесей: хг-хх 0), то изменение можно связать с величиной коэффициента теплоотдачи (X . В частности, максимум функции должен соответствовать минимальному размеру центров парообразования и максимальной величине ОС.

Если в уравнении (3) знаменатель увеличивается, то при увеличении х2 — производная р' будет увеличиваться, а /?0- уменьшается,

следовательно, на поверхности нагрева будут наблюдаться более мелкие паровые пузырьки, число их будет расти и должно привести к более интенсивному парообразованию и к уменьшению перегрева, т.е к увеличению коэффициента теплоотдачи. При уменьшении знаменателя с увеличением разности х2 — х, в системе будут наблюдаться крупные паровые пузырьки. Это приведет к увеличению перегрева, уменьшению интенсивности парообразования и к понижению коэффициента теплоотдачи.

На размер радиуса парового пузыря Я0 существенное влияние оказывает знак выражения:

д;г Лх _ ¿! - ¿г ; (4)

дх2 ' ЛТ~ Т

который зависит от знака разности теплоты парообразования Ь низкоки-пящего и высококипящего компонентов.

Учет влияния центров парообразования друг на друга дает концентрационный критерий.

Кс= . (5)

х2(\-х2)

Учитывая критерий (5) при кипении бинарных смесей, получено соотношение для коэффициента теплоотдачи.

0Д6£/р„ -^(р, -Л,

Л7

1 (х2 ~х<)2 х2(1-х2)

(6)

Поскольку концентрация органического компонента влияет на скорость парообразования, то расчет критического коэффициента теплоотдачи кипящих бинарных смесей можно вести по формуле (6).

Нами была проведена оценка вклада температуры ядра жидкости на значение плотности теплового потока. Учитывая воспринимаемую жидко-

стью теплоту, предположим, что для прогрева недогретой жидкости до температуры насыщения в двухфазном пограничном слое вблизи поверхности нагрева необходимо подвести к ней некоторое дополнительное количество теплоты.

= Чщ, + Ч„ > где qKp=0,l6Lj^^ga{px-pJ и

дм = а{дкр j{bpn)) РжСр{Ттс -Г J- тепловая нагрузка за счет молярного переноса тепла; L - теплота парообразования; р - плотность; сг - коэффициент поверхностного натяжения. Тогда окончательно получим выражение

Я*** = «М1 + а(Рж1РпУ{Ср11Хт,шс -Тж)], (8)

где а = 0,065, ¡5 - 0,8, на основе обобщения экспериментальных данных для воды полученные нами.

Если предположить, что критическая скорость пара, характеризующая эту область, зависит от соотношения между подъемными силами, силами инерции потока пара и силами поверхностного натяжения, то для анализа размерности выбраны следующие величины:

pn»lp,°>g{px- P„),g-

В соответствии с Я"—теоремой процесс кипения определяется единственным критерием подобия

Р»°1р ,. (9)

■ --= const • КУ>

<<ъ{рж-р„)

Так как критическая скорость паровой фазы

и

" Lp,

то, следовательно,

г-.4" , = const- 0°)

ЧР„ -р„)

Величина константы соответствует интервалу 0,13-0,16.

Полученное нами экспериментальное отношение величины критической плотности теплового потока при кипении бинарных смесей к максимальной скорости испарения капель и навесок соответствующих жидкостей также соответствует этому интервалу. Согласно этим данным, исследование критической области теплоотдачи можно изучать с помощью внешнего испарения капель и навесок в температурной области быстрейшего испарения.

Пиковые значения максимальной скорости испарения ^тах бинарных смесей позволяют объяснить наблюдаемые нами максимумы критической плотности теплового потока при малых концентрациях органического компонента в воде. При этих составах большая часть количества тепла расходуется на генерацию жидкости в пар.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Экспериментально получена зависимость плотности критического теплового потока ц и коэффициента теплоотдачи акр от концентрации

органического компонента в воде при кипении бинарных смесей (вода-этанол, вода-изоамиловый спирт и вода-изобутанол). При малом содержании органического компонента в воде обнаружены максимальные значения д ^ и а , по величине превосходящие д кр н акр в воде.

2. Определены температурные интервалы области быстрого испарения капель и навесок исследованных бинарных смесей. Обнаружено, что при малой добавке органического компонента в воде скорость испарения жидкости максимальна. (У=70,3 мг/с для 0,5% смеси вода- изоамиловый спирт и У=51,9 мг/с для 20% содержания этанола в воде).

3. Предложена расчетная формула величины коэффициента теплоотдачи а в критической области теплоотдачи кипящих бинарных смесей.

4. Обнаружена закономерность, согласно которой для каждого состава смеси, отношение критической плотности теплового потока к максимальной скорости испарения капель или навесок постоянна.

5. Установлено, что температурные интервалы максимальной скорости испарения навесок или капель жидкости совпадают с температурным интервалом, соответствующим критической области теплоотдачи.

6. Обнаружено, что слабые водно - спиртовые растворы при температурах быстрого испарения весьма эффективно охлаждают теплона-пряженные поверхности.

7. Изучена физическая модель процесса кипения в критической области теплоотдачи и внешнего испарения. На основе этой модели, предложены величины, характеризующие как процесс кипения в критической области теплоотдачи, так и процесс испарения капель или навесок в температурном интервале быстрого испарения.

Основные результаты диссертации опубликованы следующих работах:

1. Кризис кипения и теплоакустические эффекты жидкости / Е.В Лыков, Е.В. Анохина, П.А. Поладычук, В.В. Романов // Вестник Воронеж гос. техн. ун-та. Сер. Энергетика. 2003. Вып.3.7. С.30-34.

2. Романов В.В. Особенности механизма теплоотдачи в бинарных смесях при кризисе кипения жидкости // Наука производству 2005 № 3

3. Романов В.В Исследование процесса кипения и испарения бинарных смесей жидкостей // Аэрогидродинамика и тепломассообмен: Труды шестой науч.-техн. конф. по авиакосмическим технологиям АКТ-2005. Воронеж, 2005. С. 14-20.

4. Лыков Е.В., Романов В.В. Критическая область теплоотдачи и безопасность теплонапряженной поверхности при кипении смесей // Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды: Межвуз сб. науч. тр. Ростов-на-Дону: РГАСХМ ГОУ, 2005. Вып.9. С.68-70.

5. Лыков Е.В., Поладычук П.А., Романов В.В. Исследование критической тепловой нагрузки при кипении жидкости // Известия Ростовского государственного строительного университета: Науч -техн. журнал. Ростов-н/Д. 2005. №9. С.221-225.

С. 18-20.

Подписано в печать 24.05.2006. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 85 экз. Зак. У&Х/э.

Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский просп., 14

Введение.

1. Проблема кризиса теплообмена при кипении бинарных смесей

1.1 Зародышеобразование при кипении бинарных смесях.

1.2 Общая характеристика кривых кипения бинарных смесей.

1.3 Проблема кризиса кипения бинарных смесей

1.4 Краткая история изучения испарения бинарных смесей жидкостей.

1.5 Задачи исследования.

2. Экспериментальное исследование тепломассообмена. в критической области теплоотдачи

2.1 Экспериментальная установка и методика эксперимента.

2.2 Критическая область теплоотдачи при кипении бинарных смесей.

3. Особенности механизма испарения бинарных смесей в критической области теплоотдачи.

3.1 Экспериментальная установка и методика эксперимента.

3.2 Температурный интервал быстрейшего испарения капель или навесок бинарной смеси.

3.3 Скорость быстрейшего испарения навесок смеси.

4. Теоретическое исследование критической области теплоотдачи при кипении бинарных смесей.

4.1 Теплоотдача при кипении бинарных смесей.

4.2 Теоретическое представление критической области теплоотдачи кипящих бинарных смесей.

4.3 Критическая область теплоотдачи при недогреве жидкости.

4.4 Теплоотдача при испарении жидкости в сфероидальном состоянии

Актуальность темы. Федеральная целевая программа "Энергетическая стратегия России на период до 2020 года" предусматривает существенное повышение эффективности использования энергетических ресурсов, снижение энергоемкости производств. Радикальное решение проблемы экономии топлива и повышения эффективности использования энергии возможно только на основе новых энерго- и ресурсосберегающих технологий.

Одним из перспективных направлений решения этой задачи является использование различных способов интенсификации процессов тепломассообмена. При этом важной задачей современной теплофизики и теплотехники является изучение критической области теплоотдачи кипящих бинарных смесей жидкостей. В этом научном направлении в последнее десятилетие обнаружены новые возможности интенсификации процессов тепломассообмена. Здесь наблто-дается кризис теплообмена, который приводит к нерегулируемой температуре поверхности нагрева, пережогу тепловыделяющего элемента.

Одним из перспективных способов повышения интенсивности теплообмена является использование в качестве теплоносителя водно-спиртовых бинарных смесей. Эти теплоносители позволяют отводить от поверхности нагрева большие тепловые потоки, чем с применением одного из компонентов, так как при кипении таких растворов обнаружены точки максимума критической плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи.

Особый интерес при разработке данной темы представляет экспериментальное определение температурных интервалов быстрейшего испарения бинарных смесей. Такая задача является актуальной, так как способствует развитию представлений о кризисе кипения как сложном процессе отжима жидкости паром от поверхности нагрева.

Данная работа выполнена в соответствии с комплексным планом научно-исследовательских работ РГАСХМ (гос. регистр. 01.20.0505502).

Цель и задачи исследования. Цель заключается в исследовании критической области теплоотдачи кипящих бинарных смесей жидкостей вблизи экстремума тепловой нагрузки, чтобы найти способ повышения паропроизводи-тельности при гарантии безопасности теплонапряженной поверхности.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. Исследование влияния концентрационного состава бинарной смеси на коэффициент теплоотдачи и плотность теплового потока.

2. Исследование особых температурных интервалов наиболее интенсивного испарения капель или навесок бинарных смесей

3. Изучение влияния концентрации органического компонента в воде на скорость испарения водно-спиртовых бинарных смесей.

Научная новизна. Исследуется критическая область теплоотдачи кипящих бинарных смесей методом испарения капель или навесок и прямым изучением кипения данных жидкостей на цилиндрическом нагревателе.

1. Получены сравнительные характеристики параметров, определяющих зависимости критической тепловой нагрузки и коэффициента теплоотдачи от состава бинарной смеси.

2. Изучено влияние температуры жидкости на величину критического теплового потока бинарных смесей.

3. Определены температуры максимальной скорости испарения капель или навесок бинарных смесей.

4. Обнаружена закономерность, согласно которой максимальная плотноси' теплового потока линейно связана с максимальной скоростью испарения.

Практическая ценность. Результаты исследованных смесей, особенно составов, обеспечивающих максимальные критические тепловые нагрузки, могут быть эффективно использованы для повышения производительности котло-агрегатов и других тепловых машин.

Экспериментально установлено, что бинарные водные смеси при малой концентрации органического компонента (например, при 0,5 %-й весовой концентрации изоамилового спирта в воде) при температурах быстрого испарения (порядка 136 °С) весьма эффективно охлаждают теплонапряженные поверхности.

Результаты диссертационного исследования внедрены в практику ООО "Рост-сельмаш-Энерго".

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены: на IV и V Международных научно-технических конференциях "Авиакосмические технологии" АКТ-2004 и АКТ-2005 (г. Воронеж); Межвузовской научно-технической конференции "Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды"(г. Ростов-на-Дону, 2003—2005 гг.); Международной научно-практической конференции РГСУ (г. Ростов-на-Дону, 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежит: Экспериментальное исследование интегрального уровня акустического давления при кипении бинарных смесей [1]; Определение величины критического теплового потока при ненасыщенном кипении жидкости [4]; Анализ температур максимальной скорости испарения капель или навесок бинарных смесей [5].

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с основными результатами и выводами, изложенными на 100 страницах основного текста, 42 рисунков, 8 таблиц и 7 схем, библиографического списка из 80 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Экспериментально получена зависимость плотности критического теплового потока qKp и коэффициента теплоотдачи акрот концентрации органического компонента в воде при кипении бинарных смесей ("вода—этанол", "вода—изоамиловый спирт" и "вода—изобутанол"). При малом содержании органического компонента в воде обнаружены максимальные значениями акр, по величине превосходящие qKp и акр в воде.

2. Определены температурные интервалы области быстрого испарения капель и навесок исследуемых бинарных смесей. Обнаружено, что при малой добавке органического компонента в воде скорость испарения жидкости максимальна. (V=70,3 мг/с для 0,5 %-й смеси "вода—изоамиловый спирт" и V=51,9 мг/с для 20 %-го содержания этанола в воде.

3. Предложена расчетная формула величины коэффициента а,ф в критической области теплоотдачи кипящих бинарных смесей.

4. Обнаружена закономерность, согласно которой для каждого состава смеси, отношение критической плотности теплового потока к максимальной скорости испарения капель или навесок постоянна.

5. Установлено, что температурные интервалы максимальной скорости испарения навесок и капель жидкости совпадают с температурным интервалом, соответствующим критической области теплоотдачи.

6. Обнаружено, что слабые водно-спиртовые растворы при температурах быстрого испарения весьма эффективно охлаждают теплонапряженные поверхности.

7. Изучена физическая модель процесса кипения в критической области теплоотдачи и внешнего испарения. На основе этой модели предложены величины, характеризующие как процесс кипения в критической области теплоотдачи, так и процесс испарения капель и навесок в температурном интервале быстрого испарения.

1. Дин Р. Образование пузырей. // В кн.: Вопросы физики кипения. — М.: Мир, 1964.—С. 13—27.

2. Volmer М. Kenetik der Phasenbildung.// Dresden—Leipzig, 1939.— S. 220.

3. Саберский P., Гейте К. О возникновении зародышей кипения. // В кн.: Вопросы физики кипения.—М.: Мир, 1964.— С. 66—80.

4. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат.— 1979. С. 306.

5. Doring W. Die Uberhitzungsgrenze und Zerreibfestigneit von Feussigkeiten. //Z. Phys. Chem.— 1937.—36.—S. 371—386.

6. Якоб M. Теплопередача. —M.—Jl.: Наука, 1960. — C.310.

7. Бэнков С.Г. Вскипание на твердой поверхности в отсутствии растворенной газовой фазы.// В кн.: Вопросы физики кипения.— М.: Мир, 1964.— С. 80—98.

8. Беннет К.О., Майерс Дж. Гидродинамика теплообмена и массообме-на.— М.: Недр, 1964.— С. 212—226.

9. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. // Изд-во АН СССР, 1959.—Т.З.—С.358.

10. Форстер Г., Зубр Н. Рост парового пузыря в перегретой жидкости.// В кн.: Вопросы физики кипения. — М.:Мир,1964.— С. 212—226.

11. Теория тепломассообмена. // Под. ред акад. А.И. Леонтьева —М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 1997. — С. 550—551.

12. Григорьев Л.Н., Усманов А.Г. Теплоотдача при кипении бинарных смесей.//Журн. Техн. Физики — 1958.— Т. 18.— Вып. 2.— С. 325—332.

13. Ландау Л.Д., Ливщиц Е.М. Статистическая физика. // ГИТТЛ, 1951.

14. Гертнер Р.Ф. Фотографическое исследование процесса кипения// В кн:Теплопередача.— 1965.— Т. 8.— № 1.— С. 20—35.

15. Додж Б.Ф. Химическая термодинамика. ИЛМ.—1950.— С. 278.

16. Сю Г. Теплопередача.— 1962.— С. 145

17. Ягов В.В. Теплообмен при развитом кипении жидкостей. // Теплоэнергетика—1988— № 2 — С. 4—9.

18. Van-Stralen S.J.D. Warmteokerdracht an Kokende binaire veocistof-mengse. Wegeningen. // Chem. Eng. Sci.—1956.—№ 5. — P. 50—56.

19. Westwater J.W., Santangelo J.G. Photografic study of boiling. // Ind. Eng. Chem.— 1955.—Vol. 8.—№47.—P. 1605—1610.

20. Nukiyama J. The maximum and minimum values of the heat Q transmitted from metal to boiling water under atmospheric pressure. // J.Japan Soc. Mech. Eng.-1934.—37.— P. 367—374.

21. Петерсен B.K., Залук М.Ж. Получение кривой кипения при регулировании процесса теплоотдачи. // Тр. амер. о-ва.—1971.—№ 4.— С. 90—94.

22. Лабунцов Д.А. Приближенная теория теплообмена при развитом пузырьковом кипении. // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт.—1963.— № 1.—С. 58—71.

23. Коновалов Е.Г., Лыков Е.В. Акустический кризис кипения жидкостей. //ДАН БССР.— 1972.— Т. 26.— № 9.— С. 787—790.

24. Трещев Г.Г. Экспериментальное исследование механизма теплообмена при поверхностном кипении. //Теплоэнергетика.— 1957.— № 5.— С. 44—46.

25. Tolubinsky V.I., Ostrowsky I.N. On the Mechanism о Boiling Heat Transfer. // Internat. J. Heat and Mass.Transfer. —1966. — № 12.— P. 1463—1470.

26. Коньков A.C., Барулин Ю.Д. Теплоотдача при кипении воды, недог-ретой до температуры насыщения. //Теплоэнергетика, 1965.— С. 82—85.

27. VanWijk W.R., Vos A.S., Stralen S.J.D. Heat transfer to boiling liquid mixtures. //Chem. Eng. Sci.— 1956.—№ 5.— P. 68—80.

28. Lykov E.V. Thermoacoustick effects in surface boiling liquids. // Int. J. Heat Mass Transfer — 1972.—V. 15.—P. 1603—1614.

29. Бобрович Г.И., Кутателадзе C.C. Влияние концентрации спиртовой смеси на критическую плотность теплового потока. // ПМТФ.—1964.—№ 2.— С. 146—148.

30. Слуцкий А.А., Черный О.Д., Ефимов В.К. Исследование кризиса теплообмена при кипении на обращенной вниз наклонной поверхности. // ТВТ.— 2002.— Т.40.— № 6.— С. 979—985.

31. Яшнов В.И., Аладьев И.Т. Влияние смачиваемости на кризис кипе-ния.//В кн.: Теплопередача. — М.:Энергия, 1964.— С. 249—278.

32. Лыков Е.В., Анохина Е.В. Тепловая нагрузка как статистическая величина при кризисе кипения жидкости. // Изв. вузов Сев-Кавк. региона. Ес-теств. наук, 1995.—№ 3 — С. 67—70.

33. Бонилла Ч. Вопросы теплопередачи в ядерной технике. Гостатомиз-дат. — М., 1961 .-с.340.

34. Вейник А.И. Техническая термодинамика. Металлургиздат, 1952.с.400.

35. Рычков А.И. Расчетные уравнения для определения коэффициентов теплоотдачи при кипении жидкостей и растворов. // МИХМ. —М, 1956.- С. 2736.

36. Кружилин Г.Н. Теплоотдача от поверхности нагрева к кипящей од-нокомпонентной жидкости при свободной конвекции. // Изв. АН СССР.— 1948.—№ 7.—С. 967—978.

37. Ягов В.В., Сукач А.В. О кризисе кипения бинарных смесей жидкостей в условиях свободного движения. // Тр. Нац. конф. по теплообмену.— 1998.— Т. 4.— С. 247—249.

38. Несис Е.И. О механизме действия центров кипения. // Инж.-физ. журн.—1972.—№ 1.—С. 51—57.

39. Кутателадзе С.С. Гидродинамическая модель кризиса теплообмена в кипящей жидкости при свободной конвекции. // Журн.техн.физики. —1950.— Т. 10.—№ 11.—С.1389—1392.

40. Зубр Н., Форстер Г. Рост парового пузыря в перегретой жидкости. // В кн.: Вопросы физики кипения. — М.: Мир, 1964.— С. 212—226.

41. Гертнер Р.Ф. Теплопередача—1965.— Т. 87 — № 1,— С. 40—55.

42. Ламб Г. Гидродинамика. — М.: Гостехиздат, 1953.-С.435.

43. Кружилин Г.Н., Лыков Е.В. Критическая тепловая нагрузка при кипении жидкости в большом объеме. // Журн. техн. физики.— 2000.— Т. 70.— №2. С.16—19.

44. Боришанский В.М., Кутателадзе С.С. Некоторые данные об испарении жидкости, находящейся в сфероидальном состоянии. // Журн. техн. физики. — 1947.—Т. 7.—№8.— С. 891—903.

45. Плетнева М.А., Ребиндер П.А. Закономерности испарения капель жидкостей в сфероидальном состоянии. // Журн. физ. химии. —1946.— Т. 20.— №9.—С. 961—969.

46. Кутателадзе С.С. Теплопередача при конденсации и кипении. —М.: Машгиз, 1952. —с. 231.

47. Теплопередача в двухфазном и однофазном потоках. // Под. ред. В.М. Бо-ришанского. — М.: Энергия, 1964. — С. 447.

48. Теплофизические свойства жидкостей в метастабильном состоянии. Справ.//Под. ред.В.П. Скрипова —М.:1980, С. 208.

49. Орнатский А.П., Глущенко Л.Ф. О методике определения критической плотности теплового потока при электрическом обогреве опытного элемента. // Изв. Киев, политехи. ин-та,1960. — Т. 30. — С. 76—84.

50. Радионов В.Н., Савин Л.Л., Кузнецов В.М. Влияние Джоулева тепла на распределение тока в цилиндрическом проводнике. // Инж.-физ. журн.— 1972.— Т. 23.— № 2.— С. 345—349.

51. Романов В.В. Исследование процесса кипения и испарения бинарных смесей жидкостей. // Тр. междунар. науч.-техн. конф. по авиакосмическим технологиям "Аэрогидродинамика и тепломассообмен ". Воронеж, 2005. — Ч. 2.— С. 14—19.

52. Скрипов В.П. и др. Капля на горячей плите: появления 1/f шума при переходе к сфероидальной форме. // Журн. техн. физики. — 2003. — Т. 73.— № 6.— С. 21—23.

53. Ferber Е.А., Scorah R.L. Heat transfer to water boiling under pressure. //. Trans. ASME.—1948.—79.—P.369.

54. Вознович П.Д. Охлаждение металлургических печей высокотемпературными теплоносителями. Металлургиздат, 1959.

55. Plesset M.S., Zwick S.A. On the Dynamics of small vapour bubbles in liquids // Journal Mathem. And Phys.— 1955 — V.33.— P. 303—308.

56. Zuber N. etal. Stability of boiling heat transfer //International Developments in Heat Transfer. Proceedings International Heat Transfer Conference. Boulder.—1961.—N2.—P. 230—236.

57. Ягов B.B., Сукач A.B. О кризисе кипения бинарных смесей жидкостей в условиях свободного движения. // Тр. Второй нац. конф. по теплообмену. — М.: Изд-во МЭИ, 1998.— Т .4.— С. 247—250.

58. Лыков А.В. Теория теплопроводности .— М.— 1967.— С.462.

59. Плетнева Н.А., Ребиндер П.А. Влияние поверхностно-активных веществ на испарение капель воды в сфероидальном состоянии. // Журн. физ. Химии. 1946. — Т. 20.— № 9. — С. 972—976.

60. Костанчук Д.М., Толубинский В.И. // Вопросы технической теплофизики, 1962. Вып. 2 —С. 12—15.

61. Брицин Д.Д., Анохина Е.В., Лыков Е.В. Исследование тепловых нагрузок при кризисе кипения водноспиртовых смесей. // РИАТМ. Ростов н/Д, 1996.— С.10. Деп.в ВИНИТИ 25.04.95.№1216—В96.

62. Кружилин Г.Н. Теплоотдача от горизонтальной плиты к кипящей жидкости при свободной конвекции. //Докл. АН СССР, 1947.— Т. 58. — № 8.— С.1657—1660.

63. Zuber N.,Tribus M.,Westwater J.W. The hydrodynamics crisis in pool boiling of saturated and subcooled liquids // Int. Developments in Heat Transfer/Proc. Intern. Heat Transfer. Conf., Boulder, 1961.—N. 2— ASME.— P. 230—236.

64. Делайе Дж., Гио M., Ритмюллер М. Теплообмен и гидродинамика t атомной и тепловой энергетике: Пер. с англ. / Под ред. П.Л. Кирилова.—М.: Энергоатомиздат, 1984. — 422 с.

65. Ковалев С.А. Критические тепловые потоки и устойчивость теплообмена при кипении // Теплофизика высоких температур.—1970.— Т.8. — № 3.— С. 583—586.

66. Лыков Е.В. К теории теплоакустических эффектов в двойных системах // Теплообмен между отливкой и формой.— Минск: Вышэйш. шк.,1967.— С. 28—32.

67. Лыков Е.В. Акустические спектры в оласти кризиса кипения жидкостей // Тр. 5-й Всесоюзн. конф. по тепломассообмену. Т.З. — Минск, 1976. — С. 266—270.

68. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при оптимальных условий.— М.:Наука, 1976.— С. 200.

69. Андронов А.А., Витта А., Хайкин Г.Э. Теория колебаний. — М.: Физ-матгиз, 1959.—С. 915.

70. Шекриладзе И.Г. Основные механизмы теплоотвода в процессе развитого кипения // Двухфазные потоки. Теплообмен и гидродинамика. — Л.: Наука. — 1987.— С. 30—49.

71. Новиков И.И., Боришанский В.М. Теория подобия в термодинамике и теплопередаче.— М.: Атомиздат, 1979. — С. 184.

72. Лабунцов Д.А. Современное представление о механизме пузырькового кипения жидкостей // Теплообмен и физическая гидродинамика.— М.: Наука, 1974.— С. 98—115.

73. Боришанский В.М. Теплопередача к кипящей жидкости при свободной конвекции:Автореф. дис. . д-ра техн. наук.— М., 1959.— С. 35.

74. Боришанский В.М. Теплоотдача при кипении под высоким, сверхвысоким и околокритическим давлением.— М. — JL: Машгиз, 1958. — С.17.

75. Новиков И.И. Термодинамика.— М.: Машиностороение, 1984.— С. 592.

76. Боришанский В.М. О критериальной формуле для обобщения опытных данных по прекращению пузырькового кипения в большом объеме жидкости // Журн. техн. физики. — 1976. — Т. 26. — № 2.— С.452—456.

77. Боришанский В.М. Коэффициенты теплоотдачи к кипящей воде при сверхвысоких давлениях // Энергомашиностроение, 1958.— № 7.— С.5—9.

78. Хане Е., Фойерштейн Г. Максимальные и минимальные тепловые потоки при околокритическом кипении в большом объеме: Материалы V всесо-юзн. конф. по тепломассообмену. — Т.З.— Минск. — 1976.— С.302—315.

79. Бергмане Дж. Максимальный тепловой поток при кипении в большом объеме: Материалы V всесоюзн. Конф. по тепломассообмену. — Т.З. — Минск. — 1976.—С. 292—301.