Теплообмен при кипении в условиях вынужденного течения закрученного потока в каналах малого диаметра тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Малаховский, Сергей Александрович

• Малаховский, Сергей Александрович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Малаховский, Сергей Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИИ.

1Л. Гидродинамика, теплообмен и режимы течения в каналах малого диаметра.

1.2. Гидродинамика и теплообмен в закрученных потоках при однородном обогреве канала.

1.3. Особенности теплообмена в закрученном потоке при одностороннем обогреве.

1.4. Выводы и постановка задачи диссертационной работы.

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И РАБОЧИХ УЧАСТКОВ.

2.1. Принципиальная схема экспериментальной установки.

2.2. Гидравлический контур.

2.3. Вакуумная система.

2.4. Система нагрева.

2.5. Система сбора и обработки информации.

2.6. Петля гидравлического контура.

2.7. Описание рабочих участков.

2.8. Методика проведения экспериментов.

ГЛАВА 3. ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН В ДОКРИЗИСНЫХ РЕЖИМАХ.

3.1. Экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению при течении закрученного потока жидкости в канале рабочего участка.

3.2. Описание методики обработки экспериментальных данных о теплообмене.

3.4. Теплообмен при пузырьковом кипении.

ГЛАВА 4. КРИТИЧЕСКИЕ ТЕПЛОВЫЕ НАГРУЗКИ

И КРИЗИС КИПЕНИЯ.

4.1. Методика определения критических тепловых потоков.

4.2. Критические тепловые потоки.

4.3. Экспериментальное изучение смены режимов кипения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теплообмен при кипении в условиях вынужденного течения закрученного потока в каналах малого диаметра»

Потребности в развитии новой техники и энергетики накладывают определенную специфику на условия теплообмена. Так для приемников энергии термоядерных реакторов (ТЯР) характерен односторонний обогрев и огромные О плотности мощности, существенно превышающие 10 МВт/м . Интенсификация теплообмена в этих условиях достигается закруткой потока теплоносителя. Цикл экспериментальных работ, проведенных в последние два десятилетия по данной тематике, существенно обогатил знания гидродинамики и теплообмена, как в условиях однофазной конвекции, так и при кипении теплоносителя. Получены экспериментальные данные по критическим тепловым нагрузкам, существенно превышающие значения, характерные для традиционных условий теплообмена.

Другая особенность современных исследований связана с миниатюризацией тепловыделяющих элементов и, следовательно, с созданием теплообмен-ных устройств малых и сверхмалых размеров. В этой связи, в последнее время активно изучаются вопросы гидродинамики и теплообмена в каналах малого диаметра.

В представляемой работе рассматриваются гидродинамика, конвективный теплообмен, кипение и кризис теплообмена при кипении в условиях вынужденного движения недогретого закрученного потока при одностороннем нагреве в канале малого диаметра.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Малаховский, Сергей Александрович

Выводы по 4 главе

Получен массив значений критических тепловых потоков дкр при ат = 4 мм и 2,2 мм, ри> = 1000 — 9500 кг/(м2-с); /?/>г = 0,7 и 1,0 МПа хы = -(0,18 — 0,31), к= 0,37; 0,19 и 0 (без ленты). Подобные данные для закрученного потока в условиях одностороннего обогрева труб малого диаметра получены впервые.

Проведено обобщение экспериментальных данных по критическим тепловым потокам. Показано, что при больших массовых скоростях (ри> > 4500 кг/(м -с)), значительных недогревах потока теплоносителя

Хщ < -0,31) и неоднородного по периметру канала обогрева, кризис кипения имеет термодинамическую природу.

Получен массив экспериментальных данных о теплообмене в закрученном потоке воды при одностороннем интенсивном нагреве, который охватывает области пузырькового, переходного и пленочного кипения в условиях сильно недогретого до температуры насыщения потока теплоносителя в каналах с гидравлическим диаметром 8 и 4,6 мм. Выполнен анализ условий наступления кризиса теплообмена и влияния закрученной ленты на локальный теплообмен и распределение температурного поля в мишени РУ.

Показано, что наличие скрученной ленты приводит к образованию неоднородного температурного поля в стенки мишени, неоднородность которого увеличивается с приближением к лобовой точке или ребру ленты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленными задачами в данной диссертационной работе, сделаны следующие выводы:

Проведены экспериментальные исследования и получен банк экспериментальных данных (163 точки) по гидродинамике для широкого диапазона значений массовой скорости и коэффициентов закрутки, как в условиях изотермического течения закрученного потока, так и с нагревом. Показано, что учет эффективной скорости потока, эффективной длины канала и температуры отнесения, для сильно недогретого закрученного потока в условиях неравномерного обогрева позволяет применять классические соотношения для однофазного потока при расчетах коэффициента гидравлического сопротивления даже в условиях кипения.

Получен массив экспериментальных данных о теплообмене в закрученном потоке воды при одностороннем интенсивном нагреве (310 точек), который охватывает области конвективного теплообмена, неразвитого и развитого пузырькового кипения в условиях сильно недогретого потока теплоносителя.

Проведено сравнение двух методов определения локального коэффициента теплоотдачи: на основе непосредственной обработки результатов прямых измерений температурного поля мишени и решением прямой краевой задачи теплопроводности. Установлены границы применимости каждого из них.

Усовершенствована методика расчёта конвективного теплообмена в каналах с закрученным потоком, учитывающая существенный вклад в теплоотдачу центробежной конвекции. Методика позволяет учесть наличие начального термического участка. Результаты расчётов совпадают с результатами эксперимента по всему массиву данных в пределах ±20%.

Апробирована методика расчёта теплообмена при кипении. При сопоставлении с экспериментальными данными, расчёт по данной методике показывает хорошее согласие со всеми опытными данными.

Получен массив значений критических тепловых потоков при кипении в канале диаметром с1— 4 мм и с1г = 2,2 мм, с режимными параметрами = 1000 — 9500 кг/(м2-с); #„ = 0,7 и 1,0 МПа хт = -(0,18 — 0,31). Подобные данные для закрученного потока в условиях одностороннего обогрева получены впервые. Проведено обобщение экспериментальных данных по критическим тепловым потокам. Показано, что при больших массовых скоростях (р>у > 4500 кг/(м -с)), значительных недогревах потока теплоносителя (Хщ < -0,31) и неоднородного по периметру канала обогрева, кризис кипения имеет термодинамическую природу.

Получен банк экспериментальных данных о теплообмене в закрученном потоке воды при одностороннем интенсивном нагреве, который охватывает области пузырькового, переходного и пленочного кипения в условиях сильно не-догретого до температуры насыщения потока теплоносителя в каналах с гидравлическим диаметром 8 и 4,6 мм. Выполнен анализ условий наступления кризиса теплообмена и влияния закрученной ленты на локальный теплообмен и распределение температурного поля в мишени РУ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Малаховский, Сергей Александрович, 2008 год

1. Tukerman D.B., Pease R.F., High performance heat sink for VLSI // IEEE Electronic device letters, EDL-2. — 1986. — pp. 126-129.

2. Barnea D., Luninsky Y., Taitel Y., Flow pattern in horizontal and vertical two-phase flow in small diameter pipes, Can. J. Chem. Eng. — 1983 — 61 —-pp. 617-620.

3. Kandlikar S., Fundamental issues related to flow boiling in minichannels and microchannels // Experimental Thermal and Fluid Science. — 2002. — №26. — pp. 389-407.

4. Kawahara A., Chung P.M.-Y., Kawaji M., Investigation of two-phase flow pattern, void fraction and pressure drop in a microchannel // Int. J. Multiphase Flow — 2002. — №28. — pp. 1411-1435.

5. Mala Gh. M., Li D., Flow characteristics of water in microtubes // International Journal of Heat and Fluid Flow — 1999. — №20. — pp. 142-148.

6. Guo Z.Y., Characteristics of microscale fluid flow and heat transfer // I MEMS. In: Proceedings of the International conference on Heat Transfer and Transport Phenomena in Microscale, Banff, Canada, — 2000. —pp. 24-31.

7. Dukler, A. E., Moye Wicks, III, and Cleveland, R. G., Pressure Drop and Hold-Up in Two-Phase Flow, AIChEJ., 1964 - vol. 10-1, - pp. 38-51.

8. Lockhart, R. W., and Martineiii, R. C., Proposed Correlation of Data for Isothermal Two-Phase Two-Component Flow in Pipes, Chem. Eng. Progress, vol. 45, pp. 39-48, 1949.

9. Lee H.J., Lee S.Y., Pressure drop correlations for two-phase flow within horizontal rectangular channels with small heights // Int. J. Multiphase Flow — 2001. —№27.—pp. 783-796.

10. J.G. Collier, Gas-liquid flow, in: Heat Exchanger Design Handbook, vol. 2, Hemisphere, Washington, DC, 1983 (Section 2.7.3)

11. Chen L., Tian Y. S., Karayiannis T. G., R134A flow patterns in small diameter tubes // 3rd International Symposium on Two-Phase Flow Modelling and Experimentation, Pisa, — 22-24 September 2004.

12. Лабунцов Д.А., Ягов B.B. Механика двухфазных систем. М.: Изд. МЭИ, 2000.

13. Xu J., Experimental study on gas-liquid two-phase flow regimes in rectangular channels with mini gaps // Int. J. Heat and Fluid Flow — 1999. — №20. — pp. 422-428.

14. Revellin R., Thome J. R., Experimental investigation of R-134a and R-245fa two-phase flow in microchannels for different flow conditions // Int. J. Heat and Fluid Flow — 2007. — №28. — pp. 63-71.

15. Qu W., Mala Gh. M., Li D., Heat transfer for water flow in trapezoidal silicon microchannels // Int. J. Heat and Mass Transfer — 2000. — №43. — pp. 3925-3936.

16. Patankar S.V., A numerical method for conduction in composite materials, flow in irregular geometries and conjugate heat transfer // Proceedings of 6th Int. Heat Transfer Conference — 1987 — vol. 3 — pp. 297-302.

17. Bucci A., Celata G.P., Cumo M., Serra E, Zummo G., Fluid flow and singlephase flow heat transfer of water in capillary tubes // First International Conference on Microchannels and Minichannels, Rochester, New York, USA. — April 21-23, 2003.

18. Bao Z.Y., Fletcher D.F., Haynes B.S., Flow boiling heat transfer of Freon R11 and HCFC123 in narrow passages // Int. J. Heat and Mass Transfer — 2000. — №43,—pp. 3347-3358.

19. G.M. Lazarek, S.H. Black, Evaporative heat transfer, pressure drop and critical heat flux in small vertical tube with R-l 13, International Journal of Heat Mass Transfer 25 (1982) 954±960

20. J.C. Chen, Correlation for boiling heat transfer to saturated fluid in convective flow, I. and EC Process Design and Development 5 1966, - pp.322-329

21. K.E. Gungor, R.H.S. Winterton, Simpli®ed general correlation for saturated flow boiling and comparison of correlations with data, Chemical Engineering Research and Design 65 (1987) pp. 148-165

22. V.V. Klimenko, A generalised correlation for two-phase forced flow heat transfer, International Journal Heat Mass Transfer 31 (1990) pp. 541-552

23. Z. Liu, R.H.S. Winterton, A general correlation for saturated and subcooled flow boiling in tube and annuli, based on a nucleate pool boiling equation, International Journal Heat Mass Transfer 34 (1991) 2759-2766

24. D. Steiner, J. Taborek, Flow boiling heat transfer in vertical tubes correlated by an asymptotic model, Heat Transfer Engineering 13 (1992) 43-69

25. Diaz M.C., Schmidt J., Experimental investigation of transient boiling heat transfer in microchannels // Int. J. Heat and Fluid Flow — 2007. — №28. — pp. 95-102

26. Kandlikar S.G., Steinke M.E., Flow Boiling Heat Transfer Coefficient in Mini channels Correlation and Trends // Proceedings of 12th International Heat Transfer Conference, Aug 2002, Grenoble, France, — 2002. — Paper №1178

27. Zhang, W., Hibiki, T., Mishima, K., 2004. Correlation for boiling heat transfer in mini-channels. International Journal of Heat and Mass Transfer 47, 57495763.

28. Shuai J., Kulenovic R., Sobierska E., Mertz and R., Groll M., Flow boiling heat transfer in a vertical narrow channel // 3rd International Symposium on

29. Two-Phase Flow Modelling and Experimentation, Pisa, — 22-24 September 2004.

30. Накоряков B.E., Кузнецов B.B., Тепломассообмен при фазовых переходах и химических превращениях в микроканальных системах // Труды РНКТ-4—2006.—Т. 1.-С. 33 -37.

31. Берглес А. Интенсификация теплообмена // Теплообмен. Достижения. Проблемы. Перспективы / Избранные труды 6-ой Международной конференции, под ред. Б.С.Петухова-М.: «Мир». -1981. С.145-192.

32. Мигай B.K. Повышение эффективности современных теплообменников // Ленинград: Энергия. 1980.

33. Manglik R.M., Bergles А.Е., Swirl flow heat transfer and pressure drop wisth twisted-tape inserts // Advances in heat transfer — 2002. — №36. — pp. 183-266.

34. Boscary J., Fabre J., Schlosser J. Critical heat flux of water subcooled flow in one-side heated swirl tubes // International Journal of Heat and Mass Transfer. Pergamon. 1999. — № 42. — pp. 287-301.

35. Celata G.P., Cumo M., Mariani A. Rationalization of existing mechanistic models for the prediction of water subcooled flow boiling critical heat flux //1.ternational Journal of Heat and Mass Transfer. 1994. - №37. - P. 347 -360.

36. Celata G.P., Cumo M., Mariani A. The prediction of the critical heat flux in water — subcooled flow boiling // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1995. - №38. - P. 1111 - 1119.

37. Kinoshita H., Yoshida T. Study on the mechanism of critical heat flux enhancement for subcooled flow boiling in a tube with internal twisted tape under nonuniform heating conditions // Heat transfer. Japanese Research. — №25(5), 1996. - P. 293 - 307.

38. A.H. Варава, A.B. Дедов, E.M. Захаров, A.T. Комов, B.B. Ягов Исследование гидравлического сопротивления и теплообмена в однофазном закрученном потоке при одностороннем нагреве / ТВТ, 2006, т.44, № 6, с.699-708.

39. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках. М.: Энергоатомизда., 1986. 472 с.

40. Milora S.L., Combs S.K., Foster CIA. Nuclear Engineering and Design // Fusion. 1986,-№3,-P. 301.

41. Koski J.A., Croessman C.D. ASME Paper. 1988. 88 - WA/NE - 3.

42. Araki M., Ogawa M., Akiba M. Heat transfer in swirl tubes // Proc.2nd Specialist's Workshop on high heat flux component cooling. Rome. 1992.

43. Schlosser J. Heat transfer and tubes cooling // Proc 7th Nuclear thermal hydraulics, ANS Winter meeting. San Francisco. 1991. - P. 26.

44. Дедов А.В. Экспериментальное исследование теплообмена и критических тепловых нагрузок при кипении в закрученном потоке недогретой воды при одностороннем нагреве. Дисс. .к.т.н. Москва. МЭИ. — 2000. — 208с.

45. Ерохина A.M., Комов А.Т., Токарев Ю.Н. Численное моделирование ламинарных закрученных потоков // Труды РНКТ 4. Т. 2. - С. 153 - 155.

46. Lopina R.F., Bergles А.Е. Heat transfer and pressure drop in tape-generated swirl flow of single-phase water // Journal of Heat Transfer. Transactions of the ASME. 1969. - vol. 91, - № 3.- P. 158 - 169.

47. A.H. Варава, А.В. Дедов, E.M. Захаров, A.T. Комов, B.B. Ягов Исследование гидравлического сопротивления и теплообмена в однофазном закрученном потоке при одностороннем нагреве / ТВТ, 2006, т.44, № 6, с.699-708

48. Зейгарник Ю.А., Климов А.И., МасловаИ.В., Предельные параметры для систем охлаждения, использующих кипение сильно недогретой воды // Теплоэнергетика. — 1985. —№12 С55-59

49. A.T. Komov, A.N. Varava, A.V. Dedov, V.V. Yagov. Heat transfer regimes at subcooled water swirl flow. 3rd International Symposium on Two-Phase Flow Modelling and Experimentation, 22-24 September 2004. Pisa. Italy.

50. Захаров E.M Экспериментальное исследование теплообмена и гидродинамики в закрученном потоке при одностороннем нагреве. Дисс. .к.т.н. Москва. МЭИ. 2006. - 130 с.

51. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена // Изд. 5-ое перераб. и доп. М.: Атомиздат. 1979. 416 с.

52. Особенности теплообмена в недогретом закрученном потоке / Дедов А.В., Варава А.Н., Комов А.Т., Ягов В.В. //Труды РНКТ-3, 2002, т.4, с.76-79. «

53. Теория тепломассообмена. Учебник для вузов. Под редакцией А.И. Леонтьева. — М.: Высшая школа. 1979. 495 с.

54. Дедов А.В., Варава А.Н., Комов А.Т., Ягов В.В. Особенности теплообмена в недогретом закрученном потоке // Труды РНКТ-3. 2002. - Т. 4. -С. 76 - 79.

55. Ягов В.В. Пузин В.А. Сукомел JI.A. Теплообмен при развитом пузырьковом кипении хладонов и высоких скоростях вынужденного движения // Теплоэнергетика. 1998. - № 3. - С. 11-19.

56. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям // М.: Машиностроение. — 1975.

57. Лопина Р., Берглес А. Кипение недогретой воды в потоке, закрученном лентой // Труды амер. об-ва инж.-мех., серия С / Теплопередача. 1973. -Т. 95.-№2.-С. 142-147.

58. Оводков А.А., Кузма-Кичта Ю.А., Комендантов А.С. и др. Интенсификация теплоотдачи в горизонтальном парогенерирующем канале // Химическое и нефтяное машиностроение. №10. — 1993. - С. 17 — 19.

59. Зейгарник Ю.А. Об универсальной модели кризиса кипения недогретой жидкости в каналах // ТВТ. 1996. Т34. №1. С.52-56.

60. О механизме кризиса теплообмена при кипении насыщенной и недогретой жидкости в трубах // Теплоэнергетика. — 1992. № 5. - С. 16 — 22.

61. Celata G.P., Cumo M., Mariani A. Prediction of the critical heat flux in water subcooled flow boiling using a new mechanistic approach // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1999. - №38. - P. 1457 - 1466.