WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Исследование плёночного режима теплообмена и кризиса при кипении недогретой жидкости

на правах рукописи

Лексин Максим Александрович

ИсследованиЕ ПЛЁНОЧНОГО Режима Теплообмена и КРИЗИСА ПРИ КИПЕНИИ НЕДОГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ

Специальность 01.04.14 Теплофизика и теоретическая теплотехника.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москва – 2009

Работа выполнена на кафедре Инженерной теплофизики Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель: докт. техн. наук, профессор
ЯГОВ Виктор владимирович

Официальные оппоненты: докт.физ.-мат.ннаук, профессор
Малышенко Станислав Петрович

канд.техн.наук, доцент

Созиев Руслан Иванович

Ведущее предприятие: МИФИ

Защита состоится 26 июня 2009 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.157.04 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу г. Москва, ул. Красноказарменная, д.17, корп. Т, ауд. Т-206.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан «___» __________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.ф.-м.н., доцент Мика В.И.

общая характеристика работы.

Актуальность темы

Проблема исследования плёночного кипения жидкости, недогретой до температуры насыщения, имеет как практический, так и научный интерес. Быстрое охлаждение нагретых до высокой температуры металлических изделий – это основной способ получения требуемой внутренней структуры изделия в процессе закалки. В атомной энергетике актуальны вопросы парового взрыва и охлаждения активной зоны реактора в процессе поставарийного повторного залива. С научной точки зрения является весьма важным понимание механизмов процессов, которые происходят вблизи поверхности нагрева и позволяют описать колоссальные тепловые потоки (до 10 МВт/м2) ), возникающие в режиме пленочного кипения недогретой воды. Значительный научный интерес вызывает также механизм переноса энергии от нагретой поверхности в предельном случае высоких недогревов жидкости, когда межфазную поверхность пар-жидкость можно рассматривать как макроскопически непроницаемую. Сказанное определяет актуальность предпринятых в диссертации экспериментальных и теоретических исследований теплообмена при охлаждении металлических шаров в недогретых жидкостях и теоретического исследования кризиса пузырькового кипения недогретой жидкости на поверхности горизонтальных цилиндров.

Цель работы

Основная цель работы - это выявление (на основе экспериментальных исследований) закономерностей теплообмена при охлаждении сферических образцов в жидкостях с различной температурой, механизма переноса тепла в режиме пленочного кипения недогретой жидкости; построение приближенных моделей кипения жидкостей в условиях значительных недогревов до температуры насыщения, в частности, модели кризиса пузырькового кипения на горизонтальных цилиндрах.

Научная новизна

Получены систематизированные опытные данные о режимах охлаждения металлических шаров, нагретых до температуры, намного превышающей критическую температуру охлаждающей жидкости, в воде и изопропаноле при различных недогревах до температуры насыщения.

Показано, что режимы пленочного кипения изопропанола даже при высоких значениях недогрева до температуры насыщения (более 90К) характеризуются лишь небольшими количественными отличиями от охлаждения в насыщенной жидкости. В недогретой воде такие режимы пленочного кипения с устойчивой паровой пленкой наблюдаются только при небольших недогревах (менее 30К).

При охлаждении никелевых шаров в воде при недогревах более 30К обнаружены режимы чрезвычайно интенсивного теплообмена с коэффициентами теплоотдачи на уровне десятков кВт/м2К. Для этих режимов на основе экспериментальных измерений полей температуры было впервые установлено, что в охлаждаемых образцах большого диаметра (45мм) существует значительный градиент температуры, фронт быстрого охлаждения распространяется по поверхности сферы снизу вверх.

Разработана приближенная модель и получено расчетное уравнение для теплообмена при пленочном кипении недогретой жидкости в режимах с устойчивой паровой пленкой.

Разработана модель кризиса пузырькового кипения на горизонтальных цилиндрических нагревателях в предельном случае высоких недогревов жидкости до насыщения. Для общего случая произвольных недогревов предложено универсальное расчетное уравнение с асимптотами, соответствующими условиям возникновения кризиса кипения в насыщенной и сильно недогретой жидкости.

Практическая ценность

Полученные опытные результаты исследований теплообмена при охлаждении металлических шаров могут быть использованы при разработке технологии закалки и выборе ее оптимальных режимов. Расчетные уравнения для кризиса теплообмена при пузырьковом кипении недогретой жидкости могут применяться при проектировании систем охлаждения напряженных в тепловом отношении элементов оборудования в радиоэлектронике, в некоторых физических экспериментальных установках.

На защиту выносятся:

• результаты экспериментальных исследований полей температуры в шарах диаметром 30 и 45 мм, охлаждаемых в воде и изопропиловом спирте в условиях различных недогревов

• методика и результаты определения коэффициента теплоотдачи и теплового потока на поверхности охлаждаемых шаров



• приближенная модель теплообмена и рекомендации по расчету коэффициентов теплоотдачи в условиях устойчивого плёночного кипения недогретой жидкости в большом объёме;

• физическая модель кризиса кипения на горизонтальных цилиндрических нагревателях в условиях свободного движения жидкости в условиях больших недогревов до температуры насыщения;

• приближенные расчетные уравнения для критических тепловых потоков при кипении недогретой жидкости на горизонтальных цилиндрических нагревателях в условиях свободного и вынужденного течения

Апробация работы.

Результаты работы докладывались: на 4ой Российской национальной конференции по теплообмену, Москва, 2006 г; на 15ой школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, Калуга, 2005; на 10ой, 12ой, 14ой и 15ой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов, Москва, 2004, 2006, 2008 и 2009 гг.

Публикации

Основные положения диссертационной работы изложены в публикациях [1-8].

Структура и объем работы

Диссертация общим объемом 176 страниц состоит из введения, шести глав и заключения, содержащего основные выводы по работе. Список цитируемых источников составляет 55 наименований.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации. Сформулирована цель и основные задачи работы.

Первая глава посвящена современному состоянию исследований по данной проблеме. По итогам обзора сделаны следующие выводы.

В отличие от режима развитого пузырькового кипения, где недогрев жидкости практически не сказывается на интенсивности теплообмена, его влияние на теплообмен при плёночном кипении и на условия наступления кризиса пузырькового кипения весьма значительно. Экспериментальных и теоретических исследований теплообмена при пленочном кипении недогретой жидкости выполнено относительно немного. Уникальные исследования Кеннинга и Хьюитта с сотрудниками, опубликованные в 1986-90гг., в которых описаны режимы чрезвычайно интенсивного охлаждения медных шаров при пленочном кипении в недогретой воде, остались практически не замеченными.

Кризис кипения на поверхности горизонтальных цилиндрических нагревателей в условиях значительных недогревов жидкости не описывается соотношениями, построенными на основе гидродинамической модели.

Во второй главе приводится описание экспериментальной установки, методики измерений и системы автоматизации эксперимента, а также обсуждаются результаты предварительных экспериментов.

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1

В опытах используются никелевые шары диаметром 30 и 45 мм. Никель образует устойчивую окисную плёнку, которая не растёт и не разрушается при дальнейших нагревах и охлаждениях. Внутри каждого шара заложены хромель-алюмелевые термопары – в центре и вблизи поверхности в разных точках по полярному углу.

 Экспериментальная установка 1 – сфера; 2 –-0

Рисунок 1 – Экспериментальная установка

1 – сфера; 2 – поворотно-фиксирующее устройство; 3 – электрическая печь;
4 – ЛАТР; 5 – термостат; 6 – электронагреватель; 7 – сосуд Дьюара;
8 – измерительный модуль; 9 – персональный компьютер; 10 – скоростная цифровая видеокамера; 11 – система освещения.

Шар нагревается в электрической печи. Затем с помощью поворотно-фиксирующего устройства он переносится в термостат, в котором находится охлаждающая жидкость с заранее заданной температурой. Данные с термопар, холодные спаи которых помещены в сосуд Дьюара, заполненный тающим льдом, поступают через коннектор NI SCXI-1303 на измерительный модуль NI SCXI-1102, который является частью сборки на основе NI SCXI-1001. Регистрация сигнала от каждой из пяти термопар осуществляется с частотой 100Гц. Через USB-интерфейс данные передаются на персональный компьютер. Оценки инструментальной погрешности показывают, что она составляет ± 1С





Параллельно процесс охлаждения записывается на цифровую скоростную видеокамеру со скоростью до 600 кадров в секунду, изображение с которой сохраняется на жёстком диске персонального компьютера.

В предварительных опытах использовался шар диаметром 30 мм с начальной температурой 650–720°С, охлаждающей жидкостью была дистиллированная вода. Температура воды в различных опытах была 12,5°С, 30°С, 50°С, 70°С и температура, близкая к насыщению. В этих экспериментах проводилась запись 2-х поверхностных термопар (боковой и верхней). Измерения проводились цифровым осциллографом PS-500; погрешность этих измерений позволяет использовать их результаты только для качественного анализа.

В случае охлаждения сферы в насыщенной жидкости или при очень небольших недогревах (Tsub < 5K) общее время охлаждения превышало две с половиной минуты. В течение 120-140 секунд на поверхности сферы хорошо видна устойчивая паровая плёнка, от которой в верхней части, вблизи державки отрываются паровые пузыри. Темп охлаждения в режиме устойчивого пленочного кипения невысок (примерно 3.5-4K/с). На рис. 2 устойчивому пленочному кипению соответствуют два верхних кадра видеосъёмки. Третий кадр верхнего ряда отвечает, очевидно, началу переходного кипения, а три нижних кадра – переходному и пузырьковому режимам кипения. В этих режимах охлаждение намного интенсивнее: температура поверхности падает от 210 до 105°С примерно за 5 с.

Более интересная картина имеется при росте недогрева охлаждающей жидкости. Кадры видеосъёмки представлены на рис. 3

12 последовательных кадров на рис. 3, относящихся к случаю охлаждения в воде с температурой 12,5°С, охватывают период времени ~3с. Первые три кадра относятся к режиму устойчивого пленочного кипения. Четвертый кадр (первый кадр во втором ряду) отражает начало возмущения поверхности паровой пленки. Это возмущение развивается очень быстро: насколько можно судить по изображениям, паровая пленка исчезает за 1 секунду (4 кадра). За это время температура шара вблизи поверхности падает с 600°С до 200°С; ясно, что большая часть этого отрезка времени относится к пленочному кипению недогретой жидкости, так как температура поверхности шара превосходит критическую для воды. Остальные кадры на рис. 3 относятся к переходному и пузырьковому кипению и к охлаждению в режиме свободной конвекции.

В опытах при значительных недогревах воды (Tsub50K) устойчивое плёночное кипение проходит без отрыва пузырей от поверхности паровой плёнки. Чем больше недогрев, тем при более высокой температуре начинается интенсивный сход паровой плёнки.

Рисунок 2 – Визуализация процесса кипения на поверхности шара 30 мм в объёме жидкости, близкой к температуре насыщения.

Рис. 3 Визуализация процесса охлаждения шара 30 мм в воде с температурой 12,5°С (промежуток времени между кадрами 250 мс)

В третьей главе анализируется современное состояние вопроса решения обратных задач теплопроводности, а также предлагается методика восстановления условий на поверхности, основанная на решении одномерного нестационарного уравнения теплопроводности с подбираемым в интерактивном режиме коэффициентом теплоотдачи.

Анализ предшествующих исследований показал, что применение метода сосредоточенной теплоёмкости, использованного в большинстве работ для определения теплового потока на поверхности, оправдано только при небольших радиальных градиентах температуры. Такие условия выполняются для медных шаров при относительно низких коэффициентах теплоотдачи на их поверхности. В наших экспериментах при охлаждении в воде с большими недогревами наблюдались значительные радиальные градиенты температуры.

Четвёртая глава посвящена обсуждению полученных экспериментальных результатов. Опыты проводились при атмосферном давлении. В качестве охлаждающей жидкости использовались дистиллированная вода и химически чистый изопропанол (99 %). Рабочим участком был шар диаметром 45 мм.

В процессе охлаждения шара в насыщенной жидкости подтверждены известные соотношения для теплообмена при пленочном кипении. Характерная термограмма (зависимость температуры от времени) такого процесса представлена на рисунке 4. Участок 1 соответствует режиму, который практически не отличается от обычного стационарного плёночного кипения; этот режим продолжается до 152 секунды. После него следуют переходный 2 и пузырьковый 3 режимы.

Рисунок 4 – Термограмма охлаждения шара 45 мм в насыщенной воде

Поскольку показания поверхностных термопар в режиме пленочного кипения отличаются незначительно, это позволило построить осредненную термограмму для поверхности шара, и на ее основе рассчитать коэффициент теплоотдачи и тепловой поток для всего периода охлаждения. Рассчитанная таким путем опытная зависимость q() представлена на рис. 5. На этом же рисунке нанесены расчётные кривые для различных режимов кипения. Количественное согласие расчетной и измеренной зависимостей, как и следовало ожидать, наблюдается только в режиме пленочного кипения, где расчет проводился по формуле В.В. Клименко для сфер большого (в сравнении с капиллярной постоянной) диаметра. Опытная зависимость подтверждает результат работы Дира, показавшего, что в процессе охлаждения максимум кривой кипения лежит ниже значения критической плотности теплового потока для кипения в стационарных условиях.

 Сравнение экспериментальной зависимости q() с расчетными-20

Рисунок 5 – Сравнение экспериментальной зависимости q() с расчетными зависимостями: 1 – расчётная зависимость для кипения насыщенной воды; 2 – формула Клименко; 3, 4 – формулы В.В. Ягова для переходного и пузырькового кипения соответственно.

Типичные термограммы процесса охлаждения шара в воде с температурой 50°С представлены на рисунке 6. В целом для режимов охлаждения в воде с Tsub > 30K характерен чрезвычайно высокий темп охлаждения поверхности. В отдельных опытах скорость падения температуры составляла до 1700К/с. При этом для шара диаметром 45мм обнаружена явная неоднородность условий охлаждения по поверхности. Наиболее интенсивно охлаждается нижняя часть шара.

В шаре возникает значительный вертикальный градиент температуры, одномерное приближение теряет основания. В настоящее время метод решения двумерной ОЗТ в условиях очень высокой нестационарности нами не разработан. Для грубой оценки производилось осреднение показаний термопар по поверхности, и рассчитывался средний КТО. Из этих оценок ясно, что плотности тепловых потоков достигают в режиме интенсивного охлаждения десятка МВт/м. Стоит заметить, что близкие уровни теплового потока до сих пор фиксировались лишь при струйном охлаждении, а не при кипении в объёме жидкости.

Результаты расчёта условий на поверхности шара диаметром 45 мм при охлаждении в воде с различными недогревами представлены на рис. 7

 Термограмма охлаждения шара 45 мм в воде с температурой 50°С; -21

Рисунок 6 – Термограмма охлаждения шара 45 мм в воде с температурой 50°С;

 Зависимости q() для охлаждения в воде с различными недогревами: 1-22

Рисунок 7 – Зависимости q() для охлаждения в воде с различными недогревами: 1 – насыщенная ; 2 – Tsub = 20K; 3 – Tsub = 30K;
4 – Tsub = 50K; 5 – Tsub = 70K;

Представляется важным исследовать закономерности процесса быстрого охлаждения на жидкостях, отличающихся от воды по теплофизическим свойствам. В настоящей работе проведены эксперименты по охлаждению шара в изопропиловом спирте с температурой -14С, -7С, -3С, 5С и 40С. Оказалось неожиданным, что процесс охлаждения в этой жидкости даже при очень высоких недогревах (до 96К) качественно идёт так же, как в воде при температуре насыщения или очень малых недогревах. Если полагать, что условия охлаждения при пленочном кипении недогретой жидкости зависят от числа Якоба Jasub, то при указанном недогреве это параметр для изопропанола составляет примерно 160; для воды такому значению Jasub отвечает недогрев 53К. Характерные термограммы охлаждения шара диаметром 45мм в изопропаноле с температурой -14С представлены на рис. 8. Устойчивый режим пленочного кипения занимает более 60с, участка с интенсивным охлаждением, характерным для экспериментов с недогретой водой, не наблюдается.

Этот экспериментальный факт увеличивает число вопросов относительно механизмов процесса быстрого охлаждения нагретого до высокой температуры тела в недогретой воде. Предстоит не только построить физическую модель, объясняющую, каким образом при отсутствии прямого контакта жидкости со стенкой от нее удается отводить тепловые потоки порядка 10 МВт/м2, но и понять, какие свойства различных жидкостей определяют совершенно различную интенсивность процесса в аналогичных условиях.

Рисунок 8 – Термограммы охлаждения шара 45 в изопропиловом спирте с температурой -14С

В пятой главе предлагается приближенная модель теплообмена в условиях устойчивого плёночного кипения недогретой жидкости.

Эксперименты, в первую очередь, с изопропанолом дают основания считать, что в устойчивых режимах охлаждения шара в недогретой жидкости в паровой пленке течение остается ламинарным вдоль всей поверхности.

Количественная модель процесса разрабатывается для простейшей геометрии – для пленочного кипения на изотермической вертикальной плоскости. В сравнении с моделью Бромли, который фактически применил к пленочному кипению анализ Нуссельта для конденсации пара, вводится лишь одно принципиальное изменение. На поверхности паровой пленки учитывается наличие теплового потока теплопроводностью в недогретую жидкость, а скорость на межфазной границе принимается конечной.

Таким образом, решается гидродинамическая задача для течения пара в пленке, причем конвективный перенос импульса принимается несущественным. Учитывая, что при y жидкость неподвижна, а давление поперек потока однородно, уравнение сохранения импульса для пара может быть записано в виде:

, (1)

При записи (1) принималось, что вязкость пара постоянна.

Уравнение (1) легко решается при граничных условиях:

y=0, u=0;

y=, u= ui,

Вводя массовый расход пара на единицу ширины пленки и используя обычное условие баланса массы на границе паровой пленки, получаем дифференциальное уравнение относительно толщины пленки. Для определения плотности потока массы пара используем универсальное условие для потока энергии на границы пленки:

, (2)

Тепловой поток к жидкости, учет которого наряду с введением конечной скорости на поверхности пленки отражает специфику кипения в недогретой жидкости, можно выразить как

, (3)

Коэффициент теплоотдачи от поверхности паровой пленки к жидкости ж не должен сильно отличаться от КТО при свободной конвекции от вертикальной плоскости с температурой TS к жидкости с температурой Tж.

Таким образом, можно получить дифференциальное уравнение:

(4)

Чтобы получить приближенное решение (4) в квадратурах, можно пренебречь вторым слагаемым в круглых скобках в сравнении с первым, что оправдано из-за малости толщины паровой пленки и всегда выполняющегося сильного неравенства T >> Tsub.

В результате формула для определения коэффициента теплоотдачи имеет следующий вид:

(5)

Численные коэффициенты подобраны по результатам сравнения с данными, полученными из экспериментов (см. рис. 9). Число Прандтля Prж введено, чтобы отразить влияние индивидуальных свойств охлаждающей жидкости, которое исчезает из-за упрощения, примененного при анализе уравнения (4).

 Сравнение расчёта по формуле (5) с экспериментальными данными В-30

Рисунок 9 – Сравнение расчёта по формуле (5) с экспериментальными данными

В шестой главе предлагается приближенная модель кризиса кипения недогретой жидкости на горизонтальных цилиндрических нагревателях в условиях свободного и вынужденного течения.

В случаях, когда поверхность нагрева погружена в жидкость, сильно недогретую до температуры насыщения, возможен следующий режим кипения (см. рис. 10): на стенке существует тонкая жидкая «макроплёнка», далее расположен слой пара, в некоторых местах прерываемый подходящей к стенке жидкостью, которая подпитывает интенсивно испаряющуюся «макроплёнку».

Рисунок 10 – Предполагаемая структура двухфазного слоя при кипении недогретой жидкости на поверхности горизонтального цилиндрического нагревателя.

Тепловой поток, отбираемый от поверхности нагревателя при испарении жидкости, передается к недогретой жидкости при конденсации пара на внешней границе парового конгломерата (бланкета). Тепловой поток от этой границы к недогретой жидкости при малой толщине парового бланкета мало отличается от теплового потока на поверхности нагревателя. Уровень критических тепловых потоков в рассматриваемых условиях может быть обеспечен лишь механизмом нестационарной теплопроводности при условии, что жидкость на границе бланкета периодически обновляется.

Реалистичные масштабы времени периодического процесса обновления жидкости на межфазной поверхности дает предположение о том, что этот процесс определяется течением пара в бланкете. Поскольку кривизна границы парового слоя в азимутальном направлении изменяется незначительно, то разность давлений в нижней и верхней точках этого слоя равна gD. Полагая ничтожным влияние вязкости, получаем отсюда оценку для характерной скорости пара:

. (6)

В рассматриваемом предельном случае больших недогревов жидкости пар, перетекающий из нижней точки бланкета в верхнюю, не покидает бланкет (как это представлено на рис. 10), а лишь вызывает деформацию межфазной поверхности (локальное утолщение бланкета), увеличивая скорость конденсации. Характерное время рассматриваемого периодического процесса, определяемого скоростью пара и размером нагревателя (половиной его периметра), находится как

. (7)

Дальнейший анализ представляется достаточно строгим и простым. Плотность теплового потока к недогретой жидкости при заданном скачкообразном изменении температуры поверхности для цилиндра радиуса R0 определяется соотношением:

.

Число Фурье для типичных случаев кипения на горизонтальных цилиндрах оказывается менее 0.01, что позволяет ограничиться лишь первым членом в квадратной скобке. Это означает, что выражение для теплового потока на поверхности цилиндра совпадает с хорошо известным соотношением для случая охлаждения полуограниченного массива с плоской поверхностью:

. (8)

Для среднего за время t0 теплового потока получаем:

. (9)

Пока тепловой поток на поверхности нагревателя меньше потока, отводимого к недогретой жидкости, жидкая макропленка сохраняется на стенке, поддерживается режим пузырькового кипения. В противном случае в недогретую жидкость отводится меньше тепла, чем выделяется на поверхности нагрева, толщина парового бланкета увеличивается, уменьшается подпитка макропленки жидкостью. В итоге жидкая пленка на стенке истощается, происходит кризис кипения. Таким образом, соотношение (9) выражает предельную величину КТП для столь высоких недогревов жидкости, когда через поверхность парового бланкета отсутствует макроскопический поток пара.

Очевидно, кризис кипения насыщенной жидкости может рассматриваться как другой асимптотический предел в общем случае кипения недогретой жидкости при произвольном значении недогрева. Модель, впервые представленная В.В. Яговым, связывает кризис кипения насыщенной жидкости в большом объеме с необратимым ростом площади сухих пятен на обогреваемой стенке. Уравнение, полученное в рамках этой модели, определяет КТП для насыщенной жидкости, который при произвольном значении недогрева рассматривается как один из асимптотических пределов общей интерполяционной зависимости. Эта зависимость

(10)

построена так, чтобы при больших значениях недогрева отразить преобладание механизма отвода тепла, связанного с нестационарным прогревом массива холодной жидкости. Хотя предел, определяемый формулой (9), требует выполнения условия и строго не достигается, но практически вклад первого слагаемого (10) в общий КТП бывает ничтожным при достигаемых в опытах больших недогревах жидкости. Предельный случай для кипения насыщенной жидкости удовлетворяется зависимостью (10) строго.

Результаты сравнения расчёта КТП по предложенной модели с экспериментальными данными, обнаруженными в литературе, представлены на рис. 11 – 12

 Зависимость КТП от величины недогрева для воды при различных-39

Рисунок 11 – Зависимость КТП от величины недогрева для воды при различных давлениях

 Сравнение расчётной зависимости с экспериментальными данными-40

Рисунок 12 – Сравнение расчётной зависимости с экспериментальными данными Гогонина И.И. при кипения этанола для различных диаметров

В опытах Линарда и Элькассабжи были получены неожиданные результаты, когда при определенных значениях недогрева жидкости достигалось предельное значение КТП, не растущее с дальнейшим ростом недогрева. Для описания этих данных удалось обосновать введение поправки, учитывающей влияние вязкости жидкости. Скорректированное выражение для КТП приобретает вид:

, (11)

Как видно из рис. 14, кривая, рассчитанная по уравнению (11), хорошо воспроизводит опытную зависимость КТП для изопропанола во всем исследованном диапазоне значений недогрева.

Рисунок 14 – Характерная зависимость КТП от недогрева для объёмного кипения изопропанола при диаметре нагревателя 1.042 мм. Точки – экспериментальные данные работы Линарда и Элькассабжи, линия расчёт по формулам (10, 11).

Кроме того, в данной главе реализована попытка распространить модель кризиса кипения насыщенной жидкости на случай вынужденного обтекания горизонтального цилиндрического нагревателя. В итоге получено соотношение с точностью до коэффициента:

. (12)

Значения критической плотности теплового потока, рассчитанные по формуле (12) для различных значений скорости были сопоставлены с экспериментальными данными из работы Влита и Лепперта. Результаты этого сопоставления представлены на рис. 16.

Значения критической плотности теплового потока, рассчитанные по формуле (12) для различных значений скорости были сопоставлены с экспериментальными данными из работы Влита и Лепперта. Для расчета КТП при кипении на поверхности нагревателя, обтекаемого потоком недогретой жидкости, в формуле (10) составляющая рассчитывается по формуле (12). С помощью такого подхода удалось достаточно хорошо описать доступные экспериментальные данные

заключение

  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 30К наблюдаются режимы плёночного кипения с чрезвычайно высокой интенсивностью; плотности 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.

Публикации по работе

  1. Ягов В.В., Лексин М.А.. Кризис кипения недогретой жидкости на горизонтальных цилиндрических нагревателях// Теплоэнергетика, 2006, № 4, с. 15 21.
  2. Лексин М.А., Ягов В.В. Экспериментальное исследование теплоотдачи в условиях интенсивного охлаждения металлического шара. // Вестник МЭИ, 2009, №2, с. 28 34.
  3. Лексин М.А., Ягов В.В. Модель кризиса кипения на горизонтальных цилиндрических нагревателях при свободном движении недогретой жидкости. //Труды XV школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках». М.: Издательство МЭИ, 2005. Т.1, с. 233-234.
  4. Лексин М.А. Приближенная модель кризиса кипения недогретой жидкости в большом объёме на горизонтальных цилиндрических поверхностях нагрева. // 10 Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. М.:МЭИ, 2004. Т.3, с. 12
  5. Лексин М.А. Влияние вязкости на кризис кипения недогретой жидкости на горизонтальных цилиндрических нагревателях. // 12 Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. М.:МЭИ, 2006. Т.3, с. 12
  6. Лексин М.А., Копылов Д.А. Экспериментальное исследование интенсивного охлаждения сферы в недогретой жидкости. // 14 Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. М.:МЭИ, 2008. Т.3, с. 17-18
  7. Лексин М.А., Павлов П.В. Экспериментальное исследование интенсивного охлаждения сферы в недогретой жидкости. // 15 Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. М.:МЭИ, 2009. Т.3, с.21
  8. Лексин М.А., Ягов В.В. Влияние вязкости на кризис объёмного кипения на горизонтальных цилиндрических нагревателях. // Труды 4 Российской национальной конференции по теплообмену. М.: МЭИ, 2006. Т.4, с. 167-170


 





<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.