Исследование критической области теплоотдачи кипящих бинарных смесей жидкостей

• Автор: Романов, Виктор Викторович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Ростов-на-Дону
• Количество страниц: 107 с. : ил.

1. Проблема кризиса теплообмена при кипении бинарных смесей
1.1 Зародышеобразование при кипении бинарных смесях
1.2 Общая характеристика кривых кипения бинарных смесей
1.3 Проблема кризиса кипения бинарных смесей
1.4 Краткая история изучения испарения бинарных смесей жидкостей
1.5 Задачи исследования
2. Экспериментальное исследование тепломассообмена в критической области теплоотдачи
2.1 Экспериментальная установка и методика эксперимента
2.2 Критическая область теплоотдачи при кипении бинарных смесей
3. Особенности механизма испарения бинарных смесей в критической области теплоотдачи
3.1 Экспериментальная установка и методика эксперимента
3.2 Температурный интервал быстрейшего испарения капель или навесок бинарной смеси
3.3 Скорость быстрейшего испарения навесок смеси
4. Теоретическое исследование критической области теплоотдачи при кипении бинарных смесей
4.1 Теплоотдача при кипении бинарных смесей
4.2 Теоретическое представление критической области теплоотдачи кипящих бинарных смесей
4.3 Критическая область теплоотдачи при недогреве жидкости
4.4 Теплоотдача при испарении жидкости в сфероидальном состоянии
Основные результаты и выводы
Библиографический список

Актуальность темы. Федеральная целевая программа “Энергетическая стратегия России на период до 2020 года” предусматривает существенное повышение эффективности использования энергетических ресурсов, снижение энергоемкости производств. Радикальное решение проблемы экономии топлива и повышения эффективности использования энергии возможно только на основе новых энерго- и ресурсосберегающих технологий.
Одним из перспективных направлений решения этой задачи является использование различных способов интенсификации процессов тепломассообмена. При этом важной задачей современной теплофизики и теплотехники является изучение критической области теплоотдачи кипящих бинарных смесей жидкостей. В этом научном направлении в последнее десятилетие обнаружены новые возможности интенсификации процессов тепломассообмена. Здесь наблюдается кризис теплообмена, который приводит к нерегулируемой температуре поверхности нагрева, пережогу тепловыделяющего элемента.
Одним из перспективных способов повышения интенсивности теплообмена является использование в качестве теплоносителя водно-спиртовых бинарных смесей. Эти теплоносители позволяют отводить от поверхности нагрева большие тепловые потоки, чем с применением одного из компонентов, так как при кипении таких растворов обнаружены точки максимума критической плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи.
Особый интерес при разработке данной темы представляет экспериментальное определение температурных интервалов быстрейшего испарения бинарных смесей. Такая задача является актуальной, так как способствует развитию представлений о кризисе кипения как сложном процессе отжима жидкости паром от поверхности нагрева.
Данная работа выполнена в соответствии с комплексным планом научно-исследовательских работ РГАСХМ (гос. регистр. 01.20.0505502).
Цель и задачи исследования. Цель заключается в исследовании критической области теплоотдачи кипящих бинарных смесей жидкостей вблизи экстремума тепловой нагрузки, чтобы найти способ повышения паропроизводи-тельности при гарантии безопасности теплонапряженной поверхности.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
1. Исследование влияния концентрационного состава бинарной смеси на коэффициент теплоотдачи и плотность теплового потока.
2. Исследование особых температурных интервалов наиболее интенсивного испарения капель или навесок бинарных смесей
3. Изучение влияния концентрации органического компонента в воде на скорость испарения водно-спиртовых бинарных смесей.
Научная новизна. Исследуется критическая область теплоотдачи кипящих бинарных смесей методом испарения капель или навесок и прямым изучением кипения данных жидкостей на цилиндрическом нагревателе.
1. Получены сравнительные характеристики параметров, определяющих зависимости критической тепловой нагрузки и коэффициента теплоотдачи от состава бинарной смеси.
2. Изучено влияние температуры жидкости на величину критического теплового потока бинарных смесей.
3. Определены температуры максимальной скорости испарения капель или навесок бинарных смесей.
4. Обнаружена закономерность, согласно которой максимальная плотность теплового потока линейно связана с максимальной скоростью испарения.
Практическая ценность. Результаты исследованных смесей, особенно составов, обеспечивающих максимальные критические тепловые нагрузки, могут быть эффективно использованы для повышения производительности котло-агрегатов и других тепловых машин.
Экспериментально установлено, что бинарные водные смеси при малой концентрации органического компонента (например, при 0,5 %-й весовой концентрации изоамилового спирта в воде) при температурах быстрого испарения (порядка 136 °С) весьма эффективно охлаждают теплонапряженные поверхности.
Изменяя постоянную времени интегрирующей цепочки на конденсаторе С1, мы можем изменить время прохождения тока через нагрузку.
Все устройство питается стабилизированным источником напряжения, реализованным на микросхеме 7812. Для удобства и наблюдения за работой указанных блоков, имеются индикаторы на светодиодах. Для стабильности работы силового транзистора в схему включен диод КЭ213. Рабочую точку этого диода выбирают с помощью резисторов К2 и Ю>.
Данная схема позволила увеличивать мощность нагревателя за 5—10 с. Это позволило сохранить у поверхности нагрева неизменным низкокипящий компонент и удерживать постоянной температуру ядра исследуемого состава бинарной смеси.
Мы планировали сначала исследовать механизм образования пузырьков, затем исследовать связь удельного теплового потока от сопротивления и получить статистическую величину критического теплового потока qщ^ в воде, только после этого изучить влияние концентрации органического компонента при добавлении в воду на теплоотдачу при кипении жидкости в большом объеме.
В нашей лаборатории этот план был выполнен. Анализ эксперимента подтвердил целесообразность избранной методики соответствие целям эксперимента и его реальным условиям.
2.2. Критическая область теплоотдачи при кипении бинарных смесей
В связи с тем, что для каждой смеси существует свой температурный интервал наибыстрейшего испарения (см. п. 3), то температуру кризиса кипения мы определяли из нижеописанных экспериментов.
По уравнению Ньютона—Рихмана вычислялся коэффициент теплоотдачи для различных составов смеси. Кипение водных бинарных смесей проводились на специальной установке (см. рис. 2.1). Визуальные наблюдения показали, что при увеличении тепловой нагрузки от начальной и до конечной ее величины на поверхности нагрева последовательно возникают несколько стадий кипения.