Исследование критической области теплоотдачи кипящих бинарных смесей жидкостей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Романов, Виктор Викторович

• Романов, Виктор Викторович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Романов, Виктор Викторович

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование критической области теплоотдачи кипящих бинарных смесей жидкостей»

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.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Романов, Виктор Викторович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Романов, Виктор Викторович, 2006 год

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.