Интенсификация теплообмена в зоне генерации пара на основе оребрения теплопередающей поверхности рекуператора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Карасев, Сергей Владимирович

• Карасев, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Карасев, Сергей Владимирович

Содержание.

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1 Анализ методов интенсификации теплообмена при кипении жидкости.

Глава 2 Теоретическая модель кипения жидкости на оребренной поверхности теплообмена.

Глава 3 Экспериментальная установка и методы исследования.

§ 3.1 Экспериментальная установка и ее основные элементы.

§ 3.2 Тарировочные опыты.

§ 3.3 Методика исследования кипения жидкости в щелевых каналах,образованных ребрами.

§ 3.4 Анализ погрешностей измерений и обработки экспериментальных данных.

Глава 4 Анализ Экспериментальных и теоретических данных.

§ 4.1 Результаты исследования процесса теплообмена при кипении жидкости в тупиковых каналах, образованных ребрами.

§ 4.2 Сопоставление результатов экспериментального исследования кипения жидкости в тупиковых щелевых каналах с теоретическими данными.

§ 4.3 Сопоставление опытных данных по исследованию кипения жидкости настоящей работы с опытными данными других авторов.

§ 4.4 Варианты конструктивного исполнения теплообменных аппаратов с организацией кипения теплоносителя на оребренной поверхности.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интенсификация теплообмена в зоне генерации пара на основе оребрения теплопередающей поверхности рекуператора»

В настоящее время в самых различных отраслях промышленности получили широкое применение рекуперативные теплообменные аппараты, в которых происходит кипение одного из теплоносителей. Данная разновидность теплообменников используются в теплотехнологических установках текстильной, пищевой, микробиологической и в других отраслях промышленности. Эффективность передачи теплоты в подобных теплообменных аппаратах в ряде случаев существенно зависит от интенсивности теплоотдачи в зоне кипения теплоносителя. Особо актуальной задача интенсификации теплоотдачи в зоне кипения становится в случае, когда коэффициент теплоотдачи от греющего теплоносителя превышает или соизмерим с коэффициентом теплоотдачи в зоне кипения, а термическое сопротивление теплопередающей стенки сравнительно не велико. Подобная ситуация характерна для теплообменников, в которых греющим теплоносителем является водяной пар, вода и другие вещества, характеризующиеся высокой интенсивностью теплоотдачи. Кроме того, задача интенсификации теплоотдачи в зоне кипения чрезвычайно важно для теплообменных аппаратов, в которых происходит кипение различных хладагентов.

К числу известных методов повышения интенсивности теплоотдачи в зоне кипения следует отнести нанесение на поверхность кипения капиллярно - пористого покрытия. Этот метод применим в тех случаях, когда капиллярная структура покрытия со временем не засоряется продуктами, возникающими за счет разложения в процессе эксплуатации аппарата самой кипящей жидкости или в результате химического взаимодействия между жидкостью и капиллярной структурой. Так же подобное засорение капиллярной структуры,нанесенной на греющую стенку может возникать за счет отложения твердых включений, поступающих в рекуператор с потоком кипящей жидкости. Если учесть эти обстоятельства, то использование капиллярно - пористого покрытия поверхности кипения в большом ряде технических задач практически не применимо.

Другим перспективным методом интенсификации теплоотдачи при кипении нагреваемого теплоносителя является организация процесса кипения в узких каналах с величиной щелевого зазора, соизмеримой с капиллярной постоянной кипящей жидкости. Данный метод интенсификации теплоотдачи при кипении позволяет получить примерно такой же выигрыш в части повышения коэффициента теплоотдачи, что и кипение на капиллярно - пористом покрытии, но менее чувствителен к загрязнениям поверхности теплообмена различными отложениями. Недостатком непосредственного использования кипения в капиллярных каналах является снижение плотности теплового потока, при которой наступает кризис теплообмена. Это ограничивает диапазон тепловых нагрузок, при которых возможно использование капиллярных щелевых каналов в зоне кипения.

Представляет особый интерес вариант интенсификации теплоотдачи в зоне кипения теплоносителя путем оребрения поверхности теплообмена. Причем, если величина щелевого зазора между ребрами не будет превышать капиллярной постоянной кипящей жидкости, то это позволит получить преимущества, характерные для кипения в капиллярных каналах традиционной геометрии. Наряду с этим, следует ожидать увеличения диапазона режимных параметров работы рекуператора, снабженного подобным оребрением в зоне кипения в сторону больших тепловых нагрузок, так как плотность теплового потока от поверхности ребра к кипящей жидкости будет существенно меньше плотности теплового потока, подводимого к основанию ребер.

Целью настоящей работы является:

• Теоретическое и экспериментальное исследование теплообмена в зоне генерации пара рекуперативного теплообменника с оребрением теплопередающей поверхности для обоснованного выбора конструктивных и геометрических параметров оребренной поверхности при проектировании теплообменных аппаратов.

Основными задачами работы являются:

• Разработка соотношений для расчета теплоотдачи при кипении жидкости в капиллярных каналах на оребренной поверхности теплообмена.

• Экспериментальное исследование теплообмена при кипении на оребренной теплопередающей поверхности и его сопоставление с результатами теоретического анализа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Разработаны расчетные соотношения для определения коэффициента теплоотдачи при кипении на оребренной поверхности с величиной зазора между ребрами не превышающей капиллярной постоянной кипящей жидкости.

• Получены опытные данные по интенсивности теплоотдачи при кипении на оребренных поверхностях различной геометрии.

• Выполнен сравнительный анализ результатов эксперимента с теоретическими данными, выявивший их удовлетворительное согласование и показавший применимость разработанных расчетных соотношений при конструировании рекуператоров с оребрением в зоне кипения теплоносителя.

• Показано, что оребрение поверхности кипения позволяет расширить диапазон применения капиллярных щелевых каналов в сторону увеличения тепловых нагрузок.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

Результаты работы позволяют обоснованно выбрать геометрические параметры оребренной поверхности теплообмена рекуперативного аппарата в зоне кипения теплоносителя. Полученные расчетные уравнения позволяют определить значения коэффициента теплоотдачи при кипении на оребренной поверхности при различных значениях высоты и толщины ребер, величины щелевых зазоров между ними, а так же от теплофизических свойств кипящей жидкости при различных значениях плотности теплового потока, подводимого к греющей стенке.

Результаты работы будут использованы в учебном процессе по курсу «тепло - массообменные процессы и установки». Экспериментальную установку предполагается использовать при проведении научно -исследовательских работ студентов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием современных методов исследования, тщательным анализом возможных погрешностей измерений, сопоставлением результатов экспериментов с опытными данными других авторов и согласованием полученных экспериментальных данных с результатами теоретического исследования.

Апробация работы: Основные результаты и положения работы докладывались на:

• Всероссийской научно - технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» Текстиль 2003

• Всероссийской конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности Текстиль 2004». Москва 2004.

Публикации: по теме диссертации опубликованы 6 работ в научных изданиях.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы из 75 наименований. Основное содержание работы изложено на 119 страницах содержит 39 рисунков и 6 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Карасев, Сергей Владимирович

Выводы

На основе физической модели процесса кипения в капиллярных щелевых каналах получены уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи при кипении жидкости на оребренной поверхности теплообмена с величиной зазора между ребрами, не превышающей капиллярной постоянной кипящей жидкости.

Выполнено экспериментальное исследование теплообмена при кипении воды на оребренных поверхностях различной геометрии.

Исследовано влияние геометрических параметров оребрения на интенсивность теплоотдачи при кипении жидкости в межреберном пространстве.

Установлено, что организация кипения на оребренной поверхности позволяет повысить интенсивность теплоотдачи при кипении жидкости в 3-6 раз по сравнению с кипением жидкости в «большом объеме».

Выявлено, что использование оребрения поверхности кипения позволяет расширить диапазон возможного применения капиллярных каналов в область больших значений плотности теплового потока.

Сопоставление экспериментальных и расчетных данных подтвердило справедливость основных положений,заложенных в модель процесса.

112

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Карасев, Сергей Владимирович, 2005 год

1. Вопросы теплопередачи и гидравлики двухфазных сред. Под ред. Кутателадзе С.С. М-Л., 1961. с. 270.

2. Лабунцов Д.А. Приближенная теория теплообмена при развитом пузырьковом кипении. Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, №1., 1963. с. 58-71.

3. Harper D.R., Brown W.B. Mathematical Equations for Heat Conduction in the Fins of Air-Cooled Engines. NACA Rep., 1922, № 158.

4. Murray W.M. Heat transfer through an annular disc or fin of uniform thickness. Trans. ASME., J. Appl. Mech., 1938, vol. 60, A78.

5. K.A.Gardner Efficiency of extended surface. Trans. ASME. 1945, Vol. 67, pp. 621-631.

6. K.A.Gardner Discussion in Proceedings of the General Discussion on Heat Transfer, pp. 214—215. Inst Mech. Engrs -ASME, London 1951.

7. Kraus A.D., Snider A.D., Doty L.F. An efficient algorithm for evaluating arrays of extended surface. Trans. ASME, ser. C, J. of Heat Transfer. 1978, Vol. 100, pp. 288-294.

8. Kern D.Q., Kraus A.D. Extended Surface Heat Transfer, McGraw Hill, New York, 1972. (Русский перевод: Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена. М., Энергия, 1977).

9. Kraus A.D., Sixty-five years of extended surface technology. Appl. Mech. Rev. 1986,v.41,pp. 321-364.

10. Lai F.S., Hsu Y.Y. Temperature distribution in a fin partially cooled by nucleate boiling. A.I.Ch.E. 1967, v. 13, pp.817-821.

11. Дулькин И.Н., Ракушина Н.И., Ройзен Л.И., Фастовский В.Г. Теплообмен при кипении воды и фреона-113 на неизотермической поверхности. ИФЖ, 1970, т. 19, № 4, с. 637-645.

12. Cumo М., Lopez S., Pinchera G.C. Numerical calculation of extended surface efficiency. Chem.Engng.Progr.Symp.Ser., 1965, v 61, p. 225-233.

13. Haley K.W., Westwater J.W. Boiling heat transfer from single fins. Proc. 3rd Int. Heat Transfer Conf., Chicago, 1966, Vol.3, pp. 245--253.

14. Ройзен Л.И., Дулькин И.Н. Тепловой расчет оребренных поверхностей. М., Энергия, 1977.

15. Unal Н.С. Determination of the temperature distribution in an extended surface with a non-uniform heat transfer coefficient, Int. J. Heat Mass Transfer. 1986, v. 28, pp. 2279-2284.

16. Unal H.C. A simple method of dimensioning straight fins for nucleate pool boiling, Int. J. Heat Mass Transfer. 1987, v. 29, pp. 640-644.

17. Unal H.C. An analytic study of boiling heat transfer from a fin, Int. J. Heat Mass Transfer. 1987, v. 30, pp. 341-349.

18. Tchebichev P.I. Sur integration differentielles irrationals. J. Liouville. 1853, Vol. XVIII.

19. Sen A.K., Trinh S. An exact solution for the rate of heat transfer from a rectangular fin governed by a power law-type temperature dependence, Trans. ASME, J. Heat Transfer, 1986, v. 108, pp. 457-459.

20. Liaw S.P., Yeh R.H. Fins with temperature dependent surface heat flux-—I. Single heat transfer mode, Int. J. Heat Mass Transfer, 1994, v 37, pp. 1509-1515.

21. Liaw S.P., Yeh R.H. Fins with temperature dependent surface heat flux-—II. Multi-boiling heat transfer, Int. J. Heat Mass Transfer 1994, v 37, 1517-1524.

22. Mehta B.N., Aris R. A note on a form of Emden Fowler equation. J. Math. Anal. Appl. 1971, v.36, pp.611-621.

23. Mehta B.N., Aris R Communications on the theory of diffusion and reaction VII: The isothermal p-th order reaction. Chem. Eng. Sci. 1971, v. 26, pp. 1699-1712.

24. Snider A.D., Kraus A.D. Correcting for the variability of the heat transfer coefficient in extended surfaceanalysis. In Heat Transfer 1982 (Ed. by U. Grigull et al.), Vol.6, pp. 239--243, Hemisphere, Washington, 1982.

25. Рассохин Н.Г., Швецов P.C. Исследование теплообмена при кипении воды в кольцевых каналах. «Теплоэнергетика», №9,1966. с. 52-55.

26. Аверин Е.К., Кружилин Г.Н. Теплоотдача при кипении воды в условиях вынужденной циркуляции. В кн. «Теплообмен при высоких тепловых нагрузках и других специальных условиях». Под редакцией Арманда А.А., М. Госэнергоиздат, 1959. с. 56 94.

27. Рычков А.И., Хохлов В.К. Исследование теплообмена при кипении в теплообменных элементах с кольцевым пространством. «Труды МИХМ», т. 19,1959.-с. 34-37.

28. Сагань Н.И., Тобиличев П.Ю. Теплообмен при кипении воды в вертикальных кольцевых каналах. Изв. ВУЗов, «пищевая технология», №1, 1971, с. 24 26.

29. Григорьев В.А., Крохин Ю.И., Куликов А.С. Теплообмен при кипении в вертикальных щелевых каналах. Труды МЭИ, вып.141, 1972. с. 58-68.

30. Григорьев В.А., Крохин Ю.И., Куликов А.С. К вопросу об определении толщины пленки жидкости под пузырем при кипении в капиллярных каналах. Труды МЭИ. Вып. 200, 1974. с. 8 - 16.

31. Складнев А.А., Карпов A.M., Корнеев А.Д., Корнеев С.Д., Александров B.C. Исследование высокоэффективныхтеплоотводящих устройств лабораторных ферментов. Труды Академии наук ГДР, 1979. с. 275 - 279.

32. Корнеев А.Д. Исследование гидродинамики и теплообмена при кипении в вертикальных щелевых каналах. Автореферат канд. дис. -М. МВТУ, 1974.-с. 16.

33. Корнеев С.Д. Интенсификация теплообмена при кипении в капиллярных щелевых каналах. М. МГТУ им. Косыгина 2001. с. 39 -49.

34. Васильев JI.JL, Конев С.В., Штульц П., Хорват J1., Экспериментальное исследование теплообмена при кипении жидкости в высокотеплопроводных капиллярных структурах. Инженерно физический журнал т.42. №6. 1982. с. 893 898.

35. Jakob М., Zinke W. Heat transmission in the evaporation of liquids at vertical and horisontal surfaces, Z. Phusic, 36, p. 267 280, 1935.

36. Moore F.D., Mesler R.B. the measurument of rapid suffase temperature fluktuations during nucleate boiling of water. A.I., Ch.E.J., v.7,N4, h. 620 -624, 1969.

37. Воутсинос C.M., Джад P.JI. Исследование испарения микрослоя с помощью лазерной интерферометрии. Труды америк. Общества инженеров механиков, сер. С. Теплопередача, №1, 1975. с. 54 62.

38. Кутателадзе С.С. Гидромеханическая модель кризиса теплообмена в кипящей жидкости при свободной конвекции. ЖТФ, 1950. Т.20. Вып. 11. с. 1389- 1392.

39. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. М. Атомиздат, 1979.

40. Ягов В.В. Развитие представлений о механизме кризиса кипения в большом объеме. Вестник МЭИ. №1. 2003. С. 11 20.

41. Ягов В.В., Пузин В.А. Приближенная физическая модель кризиса кипения при вынужденном течении насыщенной жидкости. Теплоэнергетика 1985. №3. с. 2 5.

42. Васильев JI.JI., Конев С.В., Штульц П., Хорват Л., Экспериментальное исследование теплообмена при кипении жидкости в высокотеплопроводных капиллярных структурах. Инженерно физический журнал т.42. №6. 1982. с. 893 898.

43. Ягов В.В. Физическая модель и расчетное соотношение для критических тепловых нагрузок при пузырьковом кипении жидкости в большом объеме. Теплоэнергетика. 1988. №6. с. 53 59.

44. Захаров С.В., Павлов Ю.М. Физическая модель кризиса кипения в каналах в области высоких приведенных давлений. Вестник МЭИ. №4. 2002. с. 5-11.

45. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. «Теплообмен» Москва издательство МЭИ 2001г.

46. Ганин Е.А., Корнеев С.Д., Корнюхин И.П., Щербаков В.И. «теплоиспользующие установки в текстильной промышленности». Москва, Легпромбытиздат, 1989г.

47. Исаченко В.П., Осипов В.А., Сукомел А.С., «Теплопередача» Москва, Энергия 1981 г.

48. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С., «Задачник по теплопередаче» Москва, Энергия 1980г.

49. Ривкин С. Л., Александров А. А. «Теплофизические свойства воды и водяного пара», Москва 1961г.

50. Емельяненко О.В. «Измерение температуры поверхности тел термопарой с контролируемым подогревом» ИФЖ т.4 №1, 1960.

51. Вавилов В.П., Климов А.Г. «Тепловизоры и их применение» Интел универсал 2002г.

52. Вавилов В.П. «Тепловые методы не разрушающего контроля» спр. М. Машиностроение 1991г.

53. Кутателадзе С.С, Стырикович И.А., «Гидродинамика газожидкостных систем» Энергия 1976г.

54. Леонтьев А.И., Кирдяшкин А.Г. «О возникновении паровой фазы на горизонтальной поверхности нагрева», ИФЖ т. 16, № 6, 1969г.

55. Лабунцов Д.А. «Вопросы теплообмена при пузырьковом кипении жидкости», Теплоэнергетика № 9, 1972г.

56. Шукри М., Джад Р., «Исследование активации центров парообразования при кипении насыщенной жидкости», Труды американского общества инженеров механиков, сер. С, «Теплопередача», № 1,1975г.

57. Чернобыльский К.И., Тананайко Ю.М., «Теплообмен при кипении жидкостей в кольцевой щели», ЖТФ, т. 26, № 10, 1956г.

58. Исаченко В.П. «Теплообмен при конденсации» М.Энергия 1977г.

59. Леонтьев А.И., Миронов Б.М., Корнеев С.Д., Курбанов Х.К. «Исследование теплообмена при кипении водных растворов этанола в щелевом канале» Известия ВУЗов «Машиностроение», № 3, М, 1977г. -с.85-87.

60. Курбанов Х.К, «Исследование влияния физических свойств жидкости на гидродинамику и теплообмен при кипении в щелевых каналах»Автореф. Канд. дис. -М.:МВТУ, 1978. 16с.

61. Тонг Л. «Кризис кипения и критический тепловой поток» М. Атомиздат, 1976. с 99.

62. Данилова В.И., Вельский В.К. «Исследование теплоотдачи при кипении Ф-113иФ-12на трубах различной шероховатости» Холодильная техника, 1965, №4, с. 24 28.

63. Стырикович М.А., Поляков Г.М. «О критической тепловой нагрузке при кипении жидкостей в большом объеме», Изв АН СССР, ОТН, № 5, 652, 1951 г.

64. Ярышев Н.А. «Теоретические основы измерения нестационарных температур», Энергия ,1967 г.

65. Zuber N. «On the stability of boiling heat transfer» Trans. Of ASME 1958. vol. 80.№3.p711 -720.

66. Толубинский В.И. «Теплообмен при кипении» Киев 1980г. с. 315

67. Леонтьев А.И., Миронов Б.М., Корнеев А.Д., Рудь Г.М. «Приближенная теория теплообмена и гидродинамики при кипении жидкости в вертикальных щелевых каналах» Труды МВТУ, вып. 2, №195, М., 1975г.-С.43-48.

68. Корнеев С.Д., Костюков A.M., Карасев С.В. «Инженерный метод расчета предельной плотности теплового потока при кипении жидкости в капиллярных каналах» Энергосбережение и водоподготовка №1 2004г с. 90 91.

69. Корнеев С.Д., Карасев С.В., Костюков A.M. «Экспериментальное исследование предельной плотности теплового потока при кипении жидкости в капиллярных каналах» Энергосбережение и водоподготовка № 2 2004г. с 86.