WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

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.

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.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»