Исследования плёночного режима теплообмена и кризиса при кипении недогретой жидкости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Лексин, Максим Александрович

• Лексин, Максим Александрович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лексин, Максим Александрович

Введение.

Глава 1. Анализ исследований по плёночному и переходному кипению насыщенной и недогретой жидкости.

§1.1. Основные подходы к описанию плёночного кипения насыщенной жидкости.

§1.2. Особенности плёночного кипения жидкости, недогретой до температуры насыщения.

§ 1.3. Анализ существующих подходов к описанию кризиса кипения.

1.3.1 Кризис кипения насыщенной жидкости в большом объёме.

1.3.2. КТП при кипении с недогревом в большом объёме.

1.3.3 Кризис кипения при вынужденном обтекании поверхности нагревателя.

§1.4. Влияние нестационарности на процесс кипения.

Глава 2. Экспериментальная установка по изучению интенсивного охлаждения металлического шара в недогретой жидкости.

§2.1. Описание экспериментальной установки.

§2.2. Результаты предварительных экспериментов.

Глава 3 Методика восстановления граничных условий на поверхности по измеренной температуре внутри шара.

§3.1.Подходы к решению обратной задачи теплопроводности.

§3.2. Программа «RTeta» для нахождения коэффициентов теплоотдачи по экспериментальным термограммам.

Глава 4 Результаты исследования при кипении теплоотдачи на поверхности шаров.

§4.1.Сопоставление с известными зависимостями для кипения насыщенной жидкости.

§4.2. Обсуждение основных результатов экспериментальных исследований

Глава 5 Приближенная модель теплообмена в условиях устойчивого плёночного кипения недогретой жидкости.

§5.1.Основные положения модели.

§5.2. Результаты сравнения расчётов КТО по предложенной модели с экспериментальными данными.

Глава 6 Приближенная модель кризиса кипения недогретой жидкости на горизонтальных цилиндрических нагревателях в условиях свободного и вынужденного течения.

§6.1 .Основные положения модели.

§6.2. Сравнение с опытными данными.

§6.3. Влияние вязкости на кризис.

§6.4. Кризис кипения при вынужденном обтекании поверхности горизонтального цилиндрического нагревателя.

Основные результаты.

Обозначения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследования плёночного режима теплообмена и кризиса при кипении недогретой жидкости»

В современных технологиях важную роль играют процессы интенсивного охлаждения нагретых поверхностей различными жидкостями. Процесс кипения жидкостей используется как один из наиболее интенсивных способов отвода теплоты, и уже долгое время привлекает внимание исследователей. Выполнено и проводится большое число экспериментальных и теоретических работ по изучению как интегральных закономерностей, так и механизма теплообмена при кипении. В результате в настоящее время можно говорить о заметном прогрессе в понимании этого очень сложного процесса. Потребность в теории кипения велика: развитие энергетики, прежде всего атомной, но также малой энергетики и альтернативной, теплотехники, электроники, автомобильной, авиа и ракетной техники, требует создания высокоэффективных теплообменных аппаратов кипящего типа. Только на основе количественной теории процесса кипения могут строиться теории теплообмена и кризиса при кипении, теплофизические расчеты атомных реакторов кипящего типа и иных теплообменных аппаратов. Развитие современной экспериментальной техники и новых методов диагностики в последние годы также показывает, что имеющиеся представления о процессе кипения нуждаются в корректировке. Расчетные формулы и методы, основанные на осредненных характеристиках процесса, правильно отражают влияние основных параметров на интенсивность теплоотдачи, однако, как правило, не способны учесть влияние индивидуальных особенностей поверхности теплообмена, которое может быть весьма существенным.

Режимы кипения принято характеризовать зависимостью плотности теплового потока q, снимаемого жидкостью с поверхности нагрева, от разности температур поверхности нагрева Тс и насыщения жидкости Ts при заданном давлении(ДТс). Кривая зависимости q—f(/S.Tc) носит название кривой кипения. Вид кривой кипения, представленный на рис.В.1, характерен для кипения всех известных жидкостей. На кривой можно выделить три основные области: пузырькового режима кипения (участок ВС), переходного режима кипения (участок CD), и пленочного режима кипения (участок DE).

Точка В является точкой начала кипения. Область ВС соответствует пузырьковому режиму кипения. Точке С на кривой кипения соответствует критическая плотность теплового потока (КТП) qj. Начиная с этой точки, кипение имеет уже качественно другой характер. Поверхность нагрева в этом случае отделена от жидкости паровой плёнкой, которая периодически разрушается, позволяя жидкости контактировать с поверхностью. Кипение жидкости при наличии нестабильной паровой плёнки на поверхности нагрева называется переходным режимом кипения. При ЛТс — ЛТС2 доступ жидкости к поверхности нагрева вообще прекращается.

Рисунок — В. 1. Характерный вид кривой кипения в свободном объёме.

При ЛТС] > ЛТс2 режим кипения называется плёночным. При этом возникает ситуация, когда система оказывается нестабильной как в термодинамическом смысле (из-за невозможности контакта жидкости со стенкой), так и в гидродинамическом отношении (поскольку в некоторых случаях тяжелая жидкость расположена над более легким паром). При пленочном кипении на стенке нет активных центров парообразования, и поэтому характеристики поверхности нагрева (шероховатость, материал) не оказывают влияния на интенсивность теплоотдачи. Образование, рост и отрыв паровых формирований происходит только на межфазной поверхности раздела. Поля скорости и температуры пара в пленке, а, следовательно, и уровень теплоотдачи, помимо других факторов, определяются формой и ориентацией поверхности нагрева.

Пленочное кипение в насыщенной жидкости в основном является хорошо понятым процессом и имеет достаточно адекватную количественную теорию. Имеющиеся расчётные соотношения позволяют с неплохой точностью воспроизводить опытные результаты. Вместе с тем при изучении плёночного кипения недогретой жидкости возникают вопросы, которые на сегодняшний день не имеют объяснения.

Недогрев жидкости практически не влияет на интенсивность развитого пузырькового кипения, но чрезвычайно важен для условий возникновения кризиса. Есть опытные наблюдения, свидетельствующие о качественном изменении механизма пленочного кипения воды при достижении некоторого уровня недогрева до насыщения. Две названных проблемы, связанные с влиянием недогрева жидкости на закономерности пленочного кипения и кризиса пузырькового кипения, составляют содержание настоящей диссертации.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Лексин, Максим Александрович

Основные результаты:

1. Создана экспериментальная установка, разработана и реализована методика исследования режимов теплообмена при охлаждении сферических образцов с начальной температурой, много выше критической для охлаждающих жидкостей.

2. Получены экспериментальные данные о закономерностях пленочного и переходного кипения при охлаждении никелевых шаров диаметром 30 и 45 мм в воде и изопропаноле с различной температурой.

3. Экспериментальные данные о пленочном кипении насыщенной жидкости находятся в согласии с известными представлениями об этом процессе и подтверждают надежность измерений и интерпретации их результатов. При охлаждении шара в воде с недогревом более ЗОК наблюдаются режимы плёночного кипения с чрезвычайно высокой интенсивностью; плоности тепловых потоков в таких режимах превосходят 10 МВт/м2.

4. Путем измерения температуры в нескольких точках охлаждаемого образца впервые показано, что интенсивное охлаждение поверхности шара в режиме пленочного кипения воды при высоких недогревах отличается существенной неоднородностью, наличием значительных градиентов температуры в образце.

5. При пленочном кипении изопропанола режим интенсивного охлаждения не наблюдался даже при весьма значительных недогревах, что ставит дополнительные вопросы в отношении механизмов интенсивного теплообмена при пленочном кипении недогретой воды.

6. Построена приближенная модель устойчивого плёночного кипения недогретой жидкости в большом объёме; полученное на ее основе расчетное уравнение хорошо согласуется с результатами измерений.

7. Разработана физическая модель кризиса пузырькового кипения на горизонтальных цилиндрических нагревателях в предельном случае высоких недогревов жидкости до насыщения. Для случая произвольных недогревов предложено интерполяционное уравнение, хорошо согласующееся с доступными опытными данными.

Обозначения: М а - температуропроводность,-; / ° и = I-— капиллярная (лапласова) постоянная, 8-(Рж~Рп) si JlDfС

CZ? - удельная теплоемкость,-; кг-К

D -диаметр, М; f 1

J -частота, —; С М g - ускорение массовых сил, с2

Н — кривизна поверхности, — М

Дж hэнтальпия, кг

Нтс - удельная теплота парообразования, кг кг

J — плотность потока массы, —-—; м -с к — волновое число; L — линейный масштаб, М; р - давление, Па;

Вт q — плотность теплового потока, ——; М

R — радиус, М;

- 104г> ДЖ

К. - индивидуальная газовая постоянная,-; кг-К

Y — радиальная координата в цилиндрической и сферической системах координат, М;

Т — температура, К; t — время, с; М

- скорость, —; С

W - масштаб скорости, —; С

X^y^Z — координаты ортогональной системы координат, М;

Вт

ОС - коэффициент теплоотдачи, —---;

М -К

В — термический коэффициент объемного расширения жидкости, —; К

S — толщина паровой плёнки, М; А - длина волны, М;

Л - коэффициент теплопроводности,-; м-К

Л - динамический коэффициент вязкости, Па • С; м2

V - кинематическии коэффициент вязкости,-; кг р - плотность, ——; м

J - коэффициент поверхностного натяжения, —; М

Числа подобия: гЗ

Р ' Р ' Li

Аг — п-- - число Архимеда;

Vn •\РЖ-Рп)

Bi =-— число Био; Я

Т7 a't ^ г О — —— - число Фурье;

L2

Ja = ^ - число Якоба; hLG'Pn

ЛГ a'L jSU—-— число Нуссельта; Я г» v г Г = — — число Прандтля; а n W-L

Кб =-— число Рейнольдса;

St =-—-- число Стентона

Cp-pW

Индесксы и диакритические знаки: в — высокий; ж — жидкость; кр — критический; н — низкий; нагр — нагрев; отр - отрывной; охл - охлаждение; п — пар; расч — расчётный; с — стенка; стац — стационарный; ц — центральный; эксп — экспериментальный; dp - сухое пятно; i — на межфазной границе; — на единицу длины/ширины; lim — предельный; max — максимальный;

S, sat — насыщенный; sub — недогрев; оо - на удалении от поверхности

X — осреднённое значение X; X — значение X с ччётом поправки; X - первая производная X по времени;

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лексин, Максим Александрович, 2009 год

1. Bromley L.A. Heat transfer in stable film boiling// Chemical Eng. Progress. 1950. Vol. 46. №5. P. 221-227

2. Кутателадзе C.C. Основы теории теплообмена. — Изд. 5-е перераб. и доп. — М.: Атомиздат, 1979, 416 с.

3. Аметистов Е.В., Клименко В.В., Павлов Ю.М. Кипение криогенных жидкостей// Под ред. В.А. Григорьева. — М.: Энергоатомиздат, 1995. — 400 с.

4. Frederking Т.Н.К., Clark J.A. Natural convection film boiling on a sphere// Advanced in Cryogenic Engineering. 1963. Vol. 8. P. 501-506

5. Hendricks R.C., Baumeister K. J. Film boiling from submereged spheres// NASA TND-5124. 1969

6. Hendricks R.C., Baumeister K. J. Similarity and curvature effects in pool filmЛboiling// Proc. of 4 Internat. Heat Mass Transfer Conf., Paris Versailles. 1970. Vol. 5. B. 3.7

7. Н.И. Кобаско, «Технологические аспекты охлаждения при закалке» (обзор), №4, с. 2.

8. Н.И. Кобаско. Закалка сталей в жидких средах под давлением// Наук, думка.- 1980.

9. Кутателадзе С.С. Гидромеханическая модель кризиса теплообмена в кипящей жидкости при свободной конвекции.// ЖТФ, 1950, т. 20, вып. 11, с 1389- 1392.

10. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. — Изд. 5-е перераб. и доп. -М.: Атомиздат, 1979, 416 с.

11. Zuber N., Tribus М., Westwater J.W. The hydrodynamic crisis of pool boiling of saturated and subcooled liquids. //ASME Inter. Development in Heat Transfer 27 (1961), pp. 230-236

12. Theofanous T.G., Dinh N.T., Tu J.P., Dinh A.T. The boiling crisis phenomenon Part II: dryout dynamics and burnout. //Exp. Thermal and Fluid Science 26 (2002), pp. 793-810.

13. Лабунцов Д.А. Физические основы энергетики. Избранные труды по теплообмену, гидродинамике, термодинамике. — М.: МЭИ, 2000. — 338 е., ил. ISBN 5-7046-0610-1

14. Katto Y.< Otokuni S. Behavior of vapour masses on a vertical flat surface of comparatively large height near critical heat flux conditions in saturated pool boiling.// Int. J. Heat Mass Transfer 1994/ Vol. 37, p. 255 -263.

15. Ягов B.B. Физическая модель и расчетные соотношения для критических тепловых нагрузок при пузырьковом кипении жидкости в большом объёме.// Теплоэнергетика. 1988, №6, с. 53 59

16. Sakurai A., Shiotsu М., Hata К., Fukuda К. The mechanisms of flow boiling critical heat fluxes on a vertical cylinder and a short tube with upward flowing highly subcooled water.//NURETH-9, San Francisco, California, October 3-8 1999.

17. Inoiu Т., Kawae N., Monde M. «Effect of subcooling on critical heat flux during pool boiling on a horizontal heated wire»// Heat and Mass Transfer, Vol. 33, pp. 481-488, Springer-Verlag, 1998.

18. Kutateladze S.S., Bobrovich G.I., Gogonin I.I., Mamontova N.N., Moskvicheva V.N. The critical heat flux at the pool boiling of some binary liquid mixtures. //Proc. 3rd Int. Heat Transfer Conf., Chicago, 1966. Vol.3, pp.149 —159.

19. Gaertner R.F. Photographic study of nucleate pool boiling on a horizontal surface. // ASME J. Heat Transfer 87 (1965), No.l, pp.17-29.

20. Iida Y., Kobayasi K. An experimental investigation on the mechanism of pool boiling phenomena by a probe method // Proc. 4-th Int. Heat Transfer Conf., Paris, 1970. Vol. 5.B1.3.

21. Кутателадзе C.C., Бураков Б.А. Критические тепловые нагрузки при свободной конвекции и вынужденном движении кипящего и недогретого даутерма. В сб. Вопросы теплоотдачи и гидравлики двухфазных сред. ГЭИ, М.-Л. 1961, с.56- 74.

22. Влит, Лепперт Критический тепловой поток для воды, близкой к насыщению и поперечно обтекающей цилиндр. Теплопередача, №1, 1964, с. 78-88

23. Д.А. Лабунцов, В.В. Ягов. Механика двухфазных систем// М.: Издательский дом МЭИ. — 2007.

24. S. Aziz, G.F. Hewitt, D.B.R. Kenning. Heat transfer regimes in forced-convection film boiling on spheres// Proc. 8th Int. Heat Transfer Conf. 1986. San Francisco. V. 5.-pp. 2149-2154.

25. Y. Zvirin, G.F. Hewitt, D.B.R. Kenning. Boiling on free falling spheres: drag and heat transfer coefficients// Exp. Heat Transfer. — 1990. — V. 3. — № 3. pp. 185-214.

26. S.J. Corell, D.B.R. Kenning, G.F.Hewitt. Film boiling on a molten brass sphere in flowing water//UK Nat. Conf. on Heat Transfer. Glasgow. 1988.-pp. 15571564.

27. Suzuki K. Microbubble emission and high heat flux observed in subcooled boiling// ECI Int. Conf. on Boiling Heat Transfer, Spoleto, Italy. 7-12 May 2006.

28. B.C. Григорьев, В.Г. Жилин, Ю.А. Зейгарник, Ю.П. Ивочкин и др. Поведение паровой пленки на сильно перегретой поверхности, погруженной в недогретую воду// ТВТ. 2005. - Т. 43. - №1. - с. 100-114.

29. О.А. Синкевич, Ю.А. Зейгарник, Ю.П. Ивочкин, К.Г. Кубриков. Экспериментальное исследование пленочного и переходного режимов кипения на твердых и жидкометаллических полусферах, погруженных в недогретую жидкость// Труды РНКТ4. 2006. - том 4. - с.208-211.

30. Ю. А. Кузма-Кичта, В. М. Жуков, A.M. Агальцов. Теплообмен при погружении нагретых сфер с лунками в жидкость. // VI Минский международный форум по тепло- и массообмену. Минск, 2008

31. В.М. Жуков, Ю.А. Кузма-Кичта, В.А. Леньков, А.А. Рахманов. Нестационарный теплообмен при кипении фреона 113 на поверхности сферы с пористым покрытием. // Труды РНКТ4. 2006. — т.4. - сс. 116-119

32. Ю. А. Кузма-Кичта, В. М. Жуков, A.M. Агальцов. Особенности нестационарного теплообмена при кипении фреона 113 на поверхности сферы с луночным рельефом. // Киев

33. S. Toda and М. Mori Subcooled film boiling and the behavior of vapor film on a horizontal wire and spere. // Proc. 7th Int. Heat Transfer Conf. Munich, 1982, pp. 173-178

34. A. Bolukbasi, D. Ciloglu. Investigation of heat transfer by means of pool film boiling on vertical cylinders in gravity//Heat Mass Transfer. 2007. Vol. 44. pp. 141-148.

35. Shin-Pin Liaw. Effect of surface wettability of transitional boiling heat transfer from a vertical surface/ Shin-Pin Liaw. V.K. Dhir// Proc. of the 8th Int. Heat Transfer Conf., San Francisco. CA U.S.A. - Vol. 4. - pp. 2031-2036.

36. Бьюи. Теплоотдача при переходном кипении на вертикальной поверхности текст./ Бьюи, Дир//Теплопередача. 1985. - №4. - С. 9

37. S.K. Roy Chowdhury Transition boiling on surface of different surface energy текст./ S.K. Roy Chowdhury, R.H.S. Winterton// Proc. 1st Int. Workship on Fundamental Aspects of Post Dryout Heat Transfer. NUREG/CP-0060. - 1984.

38. Дж. Бек, Б. Блакуелл, Ч. Сент-Клэр. Некорректные обратные задачи теплопроводности: Пер. с англ. — М.: Мир, 1989. — 312 с. ил.

39. Бургграф. Точное решение обратной задачи в теории теплопроводности и её приложениях. Труды амер. о-ва инж.-мех., сер. С, Теплопередача, 1964, №3, с.94 - 106.

40. D. Langford. New analytical solutions of the one-dimensional heat equation for temperature and heat flow rate both prescribed same fixed boundary (with applications to the phase change problem), Q. Appl. Math., Vol. 24 №4, pp. 315 — 322, 1976.

41. B.B. Ягов. Теплообмен при развитом пузырьковом кипениитекст./ Ягов В.В.// Теплоэнергетика. 1988. - №2. - С. 4-9.

42. В.В. Ягов. Механизм переходного кипения жидкости// ИФЖ. — 1993. — т. 64.-С. 740-751.

43. Лексин М.А., Ягов В.В. Экспериментальное исследование теплоотдачи в условиях интенсивного охлаждения металлического шара. // Вестник МЭИ, 2009, №3

44. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964, с. 331.

45. В.В. Ягов, М.А. Лексин. Кризис кипения недогретой жидкости на горизонтальных цилиндрических нагревателях// Теплоэнергетика, 2006, № 4, сс. 15-22.

46. Yagov V.V. Approximate model for vapour bubble departure at turbulent flow boiling. Two-Phase Flow Modeling and experimentation 1999 Edizioni ETS, Pisa.

47. Beecher N., MS thesis in Chemical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 1948.