Исследование гидродинамики при кипении воды и водных растворов и течения смесей вода-глицерин в каналах с интенсификаторами теплообмена тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Афонин, Сергей Юрьевич

• Афонин, Сергей Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Афонин, Сергей Юрьевич

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование гидродинамики при кипении воды и водных растворов и течения смесей вода-глицерин в каналах с интенсификаторами 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 диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Афонин, Сергей Юрьевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Афонин, Сергей Юрьевич, 2010 год

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.