Исследование гидродинамики при кипении воды и водных растворов и течения смесей вода-глицерин в каналах с интенсификаторами теплообмена

На правах рукописи

АФОНИН СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ПРИ КИПЕНИИ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ И ТЕЧЕНИЯ СМЕСЕЙ ВОДА-ГЛИЦЕРИН В КАНАЛАХ С ИНТЕНСИФИКАТОРАМИ ТЕПЛООБМЕНА

Специальность:01.04.14– " Теплофизика и теоретическая теплотехника "

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА – 2010

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре инженерной теплофизики.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Кузма-Кичта Юрий Альфредович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший научный сотрудник,

Болтенко Эдуард Алексеевич

кандидат технических наук, Жуков Владимир Михайлович

Ведущая организация:

Московский государственный университет инженерной экологии

Защита состоится 25 июня 2010 года в 11 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.04 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.17, корп. Т, кафедра инженерной теплофизики, комн. Т-206.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан мая 2010

Отзывы на автореферат с подписями, заверенными печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет МЭИ(ТУ).

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.04

к.ф.–м.н., доцент __________ Мика В.И.

Актуальность темы.

Испарители кипящего типа с естественной циркуляцией широко применяются в технике. Однако при их использовании возможны нестабильности циркуляции в контуре и понижение интенсивности теплоотдачи.

Испарители кипящего типа с естественной циркуляцией можно усовершенствовать с помощью интенсификаторов теплообмена на различных масштабах. Эффективным методом интенсификации теплоотдачи при кипении является создание на поверхности искусственных центров парообразования с оптимальными формой и размерами. Однако имеющиеся представления и рекомендации по выбору интенсификаторов теплообмена применительно к испарителям кипящего типа с естественной циркуляцией крайне ограничены.

Во многих устройствах используются среды с высокой вязкостью. В этом случае изучение интенсификации теплообмена представляет особый интерес. Большое значение для выбора метода интенсификации теплообмена в двухфазных средах представляют данные по структуре потока. Однако имеющихся сведений крайне мало.

Целью работы является экспериментальное исследование гидродинамики при кипении воды и водных растворов в большом объеме на поверхностях с искусственными и естественными центрами парообразования и течения смесей вода-глицерин в каналах с интенсификаторами теплообмена.

Научная новизна полученных результатов:

- получены данные по скорости и диаметрам всплывающих паровых пузырей для водного раствора Na2SO4 при давлениях 0.1-1 МПа;

- проведены измерения скорости роста, отрывного диаметра, частоты отрыва паровых пузырей и теплоотдачи при кипении воды на поверхностях с искусственной микровпадиной. Обнаружено, что скорость роста парового пузыря понижается с уменьшением диаметра впадины и увеличением недогрева жидкости;

- получены распределения отрывных диаметров паровых пузырей для различных диаметров впадин;

- установлена зависимость отрывного диаметра парового пузыря от размера впадины в исследованных условиях;

- получены данные по перепадам давления при течении воды и смесей вода/глицерин с концентрацией 0.675 и 0.682 кг/кг в трубе с интенсификаторами теплообмена и без них;

- получены распределения эквивалентных диаметров всплывающих пузырей в потоке вода-воздух и вода-глицерин-воздух в трубе без и с интенсификаторами теплообмена;

- для смеси вода-глицерин обнаружено повышение потерь давления и уменьшение диаметра пузыря;

- обнаружено, что интенсификаторы теплообмена уменьшают диаметр всплывающих пузырей;

-проведена оценка эффективности исследованных интенсификаторов теплообмена.

Достоверность полученных в диссертации данных обеспечивает­ся обоснованностью методик экспериментального исследования, ис­пользованием статистических методов при обработке опытных данных, их воспроизводимостью и оценкой погрешностей измерения. Полученные результаты по скорости всплытия, отрывным диаметрам, частоте отрыва, скорости роста паровых пузырей для воды и по перепаду давления при течении воды и смеси вода-глицерин в трубе согласуются с известными данными в исследованном ранее диапазоне параметров.

Практическая ценность работы. Полученные результаты могут быть использованы на практике при выборе оптимальных характеристик интенсификаторов теплообмена и модифицированных поверхностей, разработке моделей процесса и построении расчетных рекомендаций.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на сорок восьмой конференции Рижского Технического Университета, РТУ, Рига 2007 г.; четырнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика”, МЭИ 2008 г.; шестой международной конференции ASME по макро-, микро- и наноканалам, Технический Университет г. Дармштадт, 2008 г.; коллоквиуме Фридрих-Александр Университет г. Эрланген (Германия) 27 июня 2008 г.; третьей международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», МЭИ, 2008 г; XVII международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, Жуковский, 2009 г.; конференции ProcessNet в секции «Тепломассообмен», Гамбург, 2010 г.; семинаре в Техническом Университете г. Брауншвейг, Институте Химической и Термической Технологии 15 марта 2010 г.; заседании кафедры ИТФ МЭИ 28 апреля 2010 г.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 7 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложе­ний. Работа содержит 136 страниц основного машинописного текста, 106 рисунков, 2 таблицы, 10 страниц приложений, библиография содержит 59 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность выбранной тематики и рассмотрены основные направления исследований.

В первой главе анализируются имеющиеся данные по работе испарителей кипящего типа с естественной циркуляцией. Рассмотрены исследования кипения воды и водных растворов применительно к условиям в испарителях кипящего типа, используемых для термической водоподготовки на ТЭС.

Показано, что при кипении водных растворов закритической минерализации существенно изменяются характеристики теплообмена и гидродинамики.

Рассмотрены методы интенсификации теплообмена с помощью модифицирования поверхностей нагрева и установки в каналах витых и проволочных вставок.

Рассмотрены исследования теплообмена и гидродинамики при течении вязких жидкостей в каналах с интенсификаторами теплообмена.

Выделены следующие проблемы дальнейших исследований:

- характеристики кипения водных растворов при повышенном давлении;

- влияние искусственных центров парообразования на нагреваемой поверхности на теплоотдачу и характеристики кипения;

- изучение характеристик течения смесей вода-глицерин в каналах с интенсификаторами теплообмена.

Во второй главе приводятся описания экспериментальных стендов и методик исследования.

Исследование диаметров и скорости всплывающих паровых пузырей при кипении воды и водных растворов в диапазоне давлений 0.1-1 МПа проведено в МЭИ(ТУ) на Кафедре Инженерной Теплофизики на установке, схема которой представлена на рис. 1. Рабочая камера (2) представляет собой толстостенный цилиндр, по торцам которого прикреплены кварцевые стекла. Кипение происходит на внутренней поверхности рабочей камеры, которая нагревается охранным нагревателем (1). Пар, образующийся в рабочей камере, поступает в холодильник (10). Давление в рабочей камере измеряется манометром (7). Сигналы датчиков поступают на измерительную карту(8) и компьютер (9).

Для измерения диаметров и скорости всплывающих паровых пузырей применялась скоростная видеосъемка с помощью цифровой камеры (6). Съемка осуществляется в проходящем свете. Фокусное расстояние объектива (5) составляло 150 мм. Скорость съемки составляла 1000 кадров в секунду. Гильза (3) служила масштабом видеосъемки. На рис. 2 представлено распределения диаметров всплывающих паровых пузырей, полученных с помощью двух программ: для автоматической и полуавтоматической обработки данных. Согласование наиболее вероятных значений диаметров всплывающих пузырей по обеим программам с расчетными величинами, полученными с использованием известных рекомендаций, является подтверждением надежности методики обработки данных.

Рис. 2. Распределение диаметров всплывающих паровых пузырей, вода 1,0МПа. a- программа для автоматической обработки данных. D*=1мм, b- программа для ручной обработки данных. D*=1мм. (D*- наиболее вероятный диаметр парового пузыря)

Исследование кипения воды на поверхности с искусственными микровпадинами в большом объёме при атмосферном давлении проведено в Фридрих-Александр Университете г. Эрланген (Германия). В качестве рабочих участков (рис.3) использованы две алюминиевые поверхности с расположенными на них одиночными цилиндрическими углублениями диаметрами – 100 и 200 мкм и глубиной – 80 мкм. Методика исследования основана на использовании высокоскоростной камеры и программы для полуавтоматической обработки данных.

На рис. 4.представлены данные по наиболее вероятной скорости роста паровых пузырей перед отрывом от нагреваемой поверхности, полученные в настоящей работе, и рассчитанные по зависимости В.В. Ягова.

Отклонения значений модуля роста парового пузыря для поверхности с искусственной впадиной, имеющей Dвп=200 мкм, при кипении насыщенной воды от расчетных величин согласно уравнению В.В. Ягова не превышают разброса данных измерений. Это сравнение можно рассматривать как подтверждение достоверности методики исследования.

Исследование течения смесей вода-глицерин в трубе с интенсификаторами теплообмена проведено в Техническом Университете г. Брауншвейг (Ге

рмания) на экспериментальном стенде, показанном на рис. 5.

В опытах проводились измерения падения давления при течении одно- и двухфазных сред в каналах с интенсификаторами теплообмена в адиабатных условиях и съемка структуры потока.

Распределение давления по длине рабочего участка в случае однокомпонентной среды измеряется с помощью десяти отборов давления, расположенных на расстоянии 15 см друг от друга. В случае течения смеси вода-глицерин, когда потери давления увеличиваются, применялись сенсоры давления фирмы Keller. В качестве интенсификаторов теплообмена исследованы (рис.6) проволочные вставки с различным объемным затеснением, витая вставка Кеникс, профилированная труба. Моделирование двухфазного потока осуществляется с помощью воздуха, подаваемого в рабочий участок.

На рис. 7 представлена зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числа Re при течении воды и смеси вода-глицерин в круглой трубе без вставок.

Полученные данные по гидравлическому сопротивлению согласуются с известными зависимостями.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования гидродинамики при кипении водного раствора Na2SO4 с концентрацией 40 г/л. Кадры видеосъемки при кипении водных растворов представлены на рис 8. На фотографиях (рис. 8b, 8c) видна пена, окружающая паровые пузыри, всплывающие в водных растворах Na2SO4.

На рис. 9 показаны распределения диаметров всплывающих паровых пузырей для водного раствора Na2SO4 c концентрацией 40 г/л при различных давлениях. На рисунках показано количество обработанных паровых пузырей. По вертикали отложены доли паровых пузырей данного диаметра в общем количестве пузырей. С увеличением давления происходит увеличение доли мелких паровых пузырей с диаметров менее 1 мм и уменьшение доли крупных паровых пузырей, диаметром более 1 мм.

На рис. 10 представлена зависимость эквивалентного диаметра парового пузыря для воды и водного раствора сульфата натрия от давления. На рисунке также показаны отрывные диаметры паровых пузырей, полученные в опытах при кипении воды в большом объеме при атмосферном давлении на поверхности с искусственными центрами парообразования с диаметрами углублений 100 и 200 мкм.

Для эквивалентного диаметра парового пузыря при кипении водного раствора сульфата натрия получена следующая зависимость:

,

(1)

где D – отрывной диаметр парового пузыря, рассчитанный по зависимости Д.А. Лабунцова, С – концентрация водного раствора, %, Скр – критическая концентрация водного раствора, %, р – давление среды, МПа, ркр – критическое давление, МПа.

Предложенная зависимость описывает экспериментальные данные в диапазоне концентраций водного раствора С=0-40 г/л и р=0.1 – 1 МПа с отклонением не более ±10%.

В четвертой главе представлены результаты исследования кипения воды в большом объеме при атмосферном давлении на поверхности с искусственной микровпадиной. Получены данные по скорости роста, частоте отрыва, отрывному диаметру паровых пузырей и зависимость q(T) в случае впадин различных диаметров.

Рис 11. Рост парового пузыря на поверхности с искусственным центром парообразования. Dвп=200 мкм, Тж=2 град, q=100 кВт/м2

На рис. 11 представлены кадры, полученные при проведении съемки кипения недогретой воды на поверхности с искусственным центром парообразования. На первом кадре можно видеть зарождение парового пузыря, затем паровой пузырь растет в интервале от 0.005 с до 0.055с и отрывается в промежутке между 0.055 с и 0.06 с.

По данным видеосъемки были построены распределения диаметров паровых пузырей для различных моментов времени путем многократного измерения зависимости R(). Для этого были обработаны зависимости Dп.п.() для 60-ти паровых пузырей. В результате построения распределений диаметров паровых пузырей находились математические ожидания радиуса парового пузыря для каждого момента времени. Используя полученные данные, построены зависимости радиуса парового пузыря от времени, представленные на рис. 12. Обнаружено уменьшение скорости роста парового пузыря с увеличением недогрева жидкости и уменьшением диаметра впадины.

На графике показаны также результаты расчета изменения радиуса парового пузыря от времени по уравнению Д.А. Лабунцова, а также по уравнению (2), полученному в настоящей работе.

(2)

Уравнение (2) описывает полученные данные в диапазоне недогревов жидкости 2-4 К и отражает зависимость скорости роста парового пузыря от диаметра впадины.

На рис. 13 представлены распределения отрывных диаметров паровых пузырей при кипении на поверхности с искусственными впадинами диаметром 100 и 200 мкм при недогреве воды 2 К. По полученным распределениям отрывных диаметров паровых пузырей найдены их наиболее вероятные значения. С увеличением диаметра впадины растет наиболее вероятный отрывной диаметр парового пузыря и уменьшается дисперсия распределения.

(а)

(б)

Рис. 13. Распределения отрывных диаметров паровых пузырей при кипении на поверхности с Dвп=100 мкм (а) и Dвп=200 мкм (б) при тепловой нагрузке q=28 кВт/м2, Тж=2 К

На рис. 14 представлена зависимость наиболее вероятного отрывного диаметра парового пузыря от отношения диаметра искусственного углубления к средней высоте неровностей поверхности с естественными центрами парообразования при одинаковой тепловой нагрузке.

Интересно, что данные настоящей работы и результаты работы М. Шоджи для поверхности с одиночными впадинами различных размеров выстроились вдоль линейной зависимости, свидетельствуя об уменьшении Dп.п. с уменьшением Dвп.. Расчетные велечины согласно уравнению Д.А. Лабунцова для поверхности с естественными центрами парообразования отличаются от полученных данных при больших Dвп. В связи с этим для изучения закономерности отрыва паровых пузырей при кипении на поверхностях с различными центрами парообразования необходимы новые исследования.

На рис. 15 представлены зависимости (q) при кипении воды на поверхности с искусственными и естественными центрами парообразования при атмосферном давлении.

На рисунке показаны также результаты расчета по уравнению Д.А. Лабунцова. Расчет по уравнению Д.А. Лабунцова дает значения, близкие к опытным данным для впадины Dвп=100 мкм. В случае кипения на поверхности с впадиной большего диаметра получено увеличение теплоотдачи.

Для расчета теплоотдачи при кипении на поверхности с искусственными микровпадинами предложена следующая зависимость:

,

(3)